食品包裝材料中酯類化學(xué)物質(zhì)的QSRR應(yīng)用研究

王天瑞，李美萍，馮彥琳，胡永鋼，張生萬,*

(1.山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030006；2.山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030006)

食品包裝材料中酯類化學(xué)物質(zhì)的QSRR應(yīng)用研究

王天瑞1，李美萍1，馮彥琳2，胡永鋼2，張生萬1,*

(1.山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030006；2.山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030006)

采用氣相色譜-氫火焰離子化檢測器(GC-FID)同時(shí)測定食品包裝材料中21種酯類添加劑的色譜保留時(shí)間(tR)，并采用分子電性距離矢量(MEDV)和定位基指數(shù)(T)表征酯類添加劑的分子結(jié)構(gòu)，然后運(yùn)用多元線性回歸(multiple linear regression，MLR)建立酯類添加劑結(jié)構(gòu)與其氣相色譜保留值的定量結(jié)構(gòu)-色譜保留關(guān)系(quantitative structure retention relationship，QSRR)模型，建模相關(guān)系數(shù)R=0.9840，留一法交互檢驗(yàn)(leave-one-out，LOO)相關(guān)系數(shù)RLOO=0.9747，同時(shí)采用外部驗(yàn)證的方法對(duì)所建模型的穩(wěn)定性能進(jìn)行分析和驗(yàn)證，外部樣本預(yù)測值的相關(guān)系數(shù)Qext為0.9789，并且考察所建模型的實(shí)際應(yīng)用性。結(jié)果表明，該模型具有良好的穩(wěn)定性和預(yù)測能力，能夠?yàn)槭称钒b材料中酯類化學(xué)物質(zhì)向內(nèi)裝食品中的遷移行為研究以及分離、檢測方法的建立，提供有效的理論依據(jù)。

酯類添加劑；色譜保留值；分子電性距離矢量；定位基指數(shù)；QSRR

隨著物質(zhì)文化水平的不斷提高、人們對(duì)健康的廣泛重視，引發(fā)了整個(gè)社會(huì)對(duì)食品安全的普遍關(guān)注。食品包裝材料中有毒有害化學(xué)物質(zhì)的遷移是污染食品的重要途徑之一，其中酯類物質(zhì)是食品包裝材料中作為增塑劑、膠黏劑、防腐劑等一類重要的添加劑，甚至是聚合材料的單體及一些小分子化合物，而含有這些物質(zhì)的

食品包裝材料與食品接觸時(shí)，這些物質(zhì)根據(jù)食品性質(zhì)會(huì)不同程度地向食品中遷移，成為內(nèi)裝食品的“特殊食品添加劑”[1-5]。這些物質(zhì)雖然微量，但長期食用，對(duì)人體健康造成的危害卻不可小覷[6]。氣相色譜法是常用的一種檢測分析方法，尤其是在食品包裝材料中酯類添加劑的檢測分析方面應(yīng)用較廣泛，但是對(duì)于檢測物分離條件的建立，特別是多種酯類物質(zhì)的同時(shí)分離檢測，通常需要大量的實(shí)驗(yàn)來確定其分離條件，比較繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此對(duì)食品包裝材料中酯類化合物的結(jié)構(gòu)與其色譜保留值進(jìn)行相關(guān)性研究，在酯類物質(zhì)的檢測分析及遷移行為研究方面具有一定的實(shí)際意義。

本研究根據(jù)中華人民共和國2009年6月1日實(shí)施的GB/T 9685—2008《食品容器、包裝材料用添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[7]規(guī)定，以其要求檢測的特定物質(zhì)及其限制的遷移量(SML)為依據(jù)，選擇了21種酯類物質(zhì)為研究對(duì)象，采用氣相色譜-氫火焰離子化檢測器(GC-FID)對(duì)其色譜分離條件、檢測方法進(jìn)行研究，并采用分子電性距離矢量(MEDV)[8-11]和定位基指數(shù)(T)表征該類物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，用逐步回歸的方法篩選出3個(gè)最優(yōu)變量，然后運(yùn)用多元線性回歸(multiple linear regression，MLR)建立其定量結(jié)構(gòu)與保留值相關(guān)(quantitative structure retention relationship，QSRR)的模型，同時(shí)采用內(nèi)部及外部雙重驗(yàn)證的方法對(duì)所建模型的穩(wěn)定性能進(jìn)行分析驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用的考察，均取得了較好的結(jié)果。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

樣品1：食品保鮮膜(安徽桐城市)；樣品2：HDPE保鮮膜(河北保定市)；樣品3：普通白色包裝袋。

丙烯酸甲酯(≥98.0%) 天津市福晨試劑廠；丙烯酸乙酯(≥98.0%)、甲基丙烯酸丁酯(≥98.5%)、對(duì)羥基苯甲酸甲酯(99%)、對(duì)羥基苯甲酸丙酯(99.0%) 天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；甲基丙烯酸甲酯(≥99.0%)；甲基丙烯酸異丁酯(99.0%)、鄰苯二甲酸二異丁酯(≥99.5%)、鄰苯二甲酸二丁酯(≥99.0%)、己二酸二異辛酯(99%、色譜固定液)、鄰苯二甲酸二烯丙酯(色譜固定液)、間苯二甲酸二甲酯(99%)、對(duì)苯二甲酸二辛酯(98%)、鄰苯二甲酸二異壬酯(99%) 上海晶純試劑有限公司；鄰苯二甲酸二甲酯(≥99.0%) 北京化學(xué)試劑公司；鄰苯二甲酸二乙酯(99.5%) 上海化學(xué)試劑廠；癸二酸二丁酯(≥99.5%) 天津市化學(xué)試劑一廠；鄰苯二甲酸二辛酯(≥99.0%)天津市博迪化工有限公司；鄰苯二甲酸二苯酯、鄰苯二甲酸二壬酯(色譜固定液)、癸二酸二辛酯(色譜固定液)上海試劑一廠；丙烯酸丁酯(≥98.0%)、無水乙醇(AR)北京化工廠；無水硫酸鈉(AR) 天津市精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司。

Shimadzu GC-2010氣相色譜儀(配有FID檢測器) 日本島津公司；KQ3200DA型數(shù)控超聲波清洗器 上海楚定分析儀器有限公司；R-21旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海申科機(jī)械研究所；SHZ數(shù)顯恒溫水浴振蕩器 江蘇金壇市金分有限公司。

1.2 色譜分離條件

色譜柱：RTX-1毛細(xì)管色譜柱(30m×0.25mm，0.25μm)；進(jìn)樣口溫度：280℃；載氣：高純N2；柱流量：3.31mL/min；柱前壓：79.2kPa；柱溫：50℃保留5min，以15℃/min升到110℃，然后再以20℃/min升到290℃保留20min；檢測器(FID)溫度：300℃；進(jìn)樣量：1μL；分流比：1 5:1。

1.3 測定方法

無水乙醇為溶劑，配制21種酯的混合試樣，質(zhì)量濃度均為50mg/100mL，進(jìn)樣1μL，在1.2節(jié)色譜分離條件下，進(jìn)行色譜分析，測定其保留時(shí)間tR。

1.4 樣品的前處理

稱取不同的塑料包裝樣品0.5g，剪成1～2mm的碎片放入具塞的錐形瓶中，加入25mL無水乙醇，置于水浴振蕩器中提取2h，然后浸泡24h，中間每隔8h超聲提取一次，15min/次。浸泡液經(jīng)無水Na2SO4除水、過濾、蒸發(fā)濃縮至4～5mL，濃縮液過0.45μm一次性微孔濾膜，待測。

1.5 計(jì)算方法

1.5.1 分子電性距離矢量(MEDV)的計(jì)算

基于分子二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以各種非氫原子電負(fù)性及各原子之間的相對(duì)距離為主要分子結(jié)構(gòu)特征，提出按4種原子類型劃分的分子電性距離矢量(molecular electronegativity distance vector based on 4 atomic types，簡記為MEDV-4或MEDV)，文獻(xiàn)[11-13]已對(duì)分子電性距離矢量有比較清楚的描述，在此就不再細(xì)述。

1.5.2 定位基指數(shù)的計(jì)算

定位基指數(shù)(T)是指在丙烯酸酯類中，碳碳雙鍵(C=C)上的碳原子到酯羰基氧原子(O)的最大距離，在此，距離用C=C上的碳與羰基氧原子之間連接的鍵的個(gè)數(shù)表示，而帶有苯環(huán)的酯類和不含雙鍵的直鏈酯類的定位基指數(shù)(T)皆為零。例如，甲基丙烯酸甲酯，結(jié)構(gòu)見圖1，其定位基指數(shù)T=3。

圖1 甲基丙烯酸甲酯Fig.1 Structure of methyl methacrylate

2 結(jié)果與分析

2.1 色譜分離條件的選擇

圖2 21種酯類添加劑的GC-FID色譜圖Fig.2 Gas chromatogram of 21 ester additives

由于待分離的21種酯類化合物分子量相差比較大，沸程較寬，程序升溫所需要的溫度較高，而非極性的RTX-1(100%聚二甲基硅氧烷)彈性石英毛細(xì)管柱最高使用溫度可以達(dá)到330℃，因此本實(shí)驗(yàn)采用該柱分離21種酯類化合物，分離效果較好；又由于待分離的物質(zhì)中多數(shù)化合物沸點(diǎn)較高，如果進(jìn)樣口溫度太低，不利于所分離化合物的氣化，溫度太高又會(huì)使進(jìn)樣口隔墊殘?jiān)M(jìn)入色譜柱，污染樣品，選擇進(jìn)樣口溫度200、250、280、310℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)280℃和310℃時(shí)各峰峰面積最大，說明樣品在此溫度下完全氣化，但考慮到310℃會(huì)造成進(jìn)樣口隔墊損失，因此進(jìn)樣口溫度選擇280℃；在此基礎(chǔ)上，對(duì)柱溫和載氣流速進(jìn)行考察比較，確定了1.2節(jié)中的色譜分離條件。在此條件下，達(dá)到了很好的分離效果，而且峰形較好，分析時(shí)間也不會(huì)很長，得到的色譜圖見圖2。

從圖2可以看出，21種酯類化合物達(dá)到很好的分離，只有對(duì)羥基苯甲酸甲酯和鄰苯二甲酸二甲酯以及鄰苯二甲酸二辛酯和鄰苯二甲酸二苯酯的分離相對(duì)較差，但其分離程度也達(dá)到了90%以上，可以滿足分析的需要。

2.2 MEDV、T與食品包裝材料中酯類物質(zhì)色譜保留值的相關(guān)性研究

2.2.1 模型建立

用于建模的21種酯類添加劑的氣相色譜保留值的數(shù)據(jù)全部來自于上述實(shí)驗(yàn)所得。

首先計(jì)算出2 1個(gè)化合物的分子電性距離矢量(MEDV)及其相應(yīng)的定位基指數(shù)(T)，結(jié)果見表1，借助多元線性回歸(MLR)對(duì)MEDV矢量、定位基指數(shù)(T)和tR進(jìn)行相關(guān)性研究，剔除其中的零變量(M14、M24、M34、M44)，并且采用逐步回歸篩選出3個(gè)最優(yōu)變量(M11、M22、T)，建立如下QSRR模型：

表1 21個(gè)酯類添加劑的分子電性距離矢量、定位基指數(shù)及保留時(shí)間Table1 Molecular electronegativity distance vector, orientation group index, and retention time of 21 ester additives

N=21；R=0.9840；SD=1.398；F=168.945； 交互檢驗(yàn)：RLOO=0.9747；SDLOO=1.742；FLOO=106.828。

其中，N為回歸樣本數(shù)，R為相關(guān)系數(shù)，SD為標(biāo)準(zhǔn)誤差，F(xiàn)為Fisher檢驗(yàn)值，RLOO、SDLOO、FLOO分別為留一法交互檢驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)誤差和Fisher檢驗(yàn)值。

2.2.2 模型驗(yàn)證

定量構(gòu)效關(guān)系中非常重要的一個(gè)部分是對(duì)所建模型的外部預(yù)測能力和真實(shí)有效性進(jìn)行驗(yàn)證，其中留一法(leave-one-out，LOO)交叉檢驗(yàn)(cross-validation，CV)的復(fù)相關(guān)系數(shù)RLOO是目前較為廣泛使用的一種模型驗(yàn)證方法，然而Tropsha等[14]研究結(jié)果表明：RLOO值的大小與模型預(yù)測能力并沒有明顯相關(guān)關(guān)系，對(duì)模型預(yù)測能力的評(píng)價(jià)只能通過外部樣本集，即測試集來進(jìn)行。模型外部預(yù)測能力可以用Qext(external Q)來衡量：

式中：yi為測試集中樣本的實(shí)驗(yàn)值；yi為測試集樣本的預(yù)測值；ytr為訓(xùn)練集樣本實(shí)驗(yàn)的平均值。

鑒于此，將上述21個(gè)樣本分為兩組，其中16個(gè)樣本作訓(xùn)練集(training set)，5個(gè)樣本作測試集(test set)。測試集選取方法：將全部21個(gè)樣本隨機(jī)從第一個(gè)樣本開始每隔3個(gè)樣本選取一個(gè)作為測試集，選取的測試集在表1中用“*”號(hào)標(biāo)出。同時(shí)對(duì)訓(xùn)練集中的16個(gè)樣本建模，采用逐步回歸進(jìn)行變量篩選，優(yōu)選出三變量(M11、M22、T)，建立如下QSRR模型：

N=16；R=0.9850；SD=1.326；F=126.286；交互檢驗(yàn)：RLOO=0.9690；SDLOO=1.873；FLOO=61.265。

采用上述的5個(gè)外部樣本(測試集)對(duì)所建模型的預(yù)測能力進(jìn)行檢驗(yàn)，其Qext=0.9789，進(jìn)一步表明模型具有良好的穩(wěn)定性和預(yù)測能力。

2.3 模型的應(yīng)用

采用1.4節(jié)方法對(duì)3種食品塑料包裝材料進(jìn)行前處理，應(yīng)用1.2節(jié)所建立的色譜分離方法對(duì)樣品處理液進(jìn)行檢測分析，應(yīng)用模型(3)對(duì)檢出的添加劑進(jìn)行分析確認(rèn)，均有酯類添加劑檢出，為了驗(yàn)證模型的分析確認(rèn)結(jié)果，在樣品處理液中加入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，進(jìn)一步進(jìn)行確證，結(jié)果見圖3～5。結(jié)果表明，所建模型能夠?qū)︴ヮ愄砑觿┻M(jìn)行較為準(zhǔn)確的識(shí)別，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用性，對(duì)于實(shí)際樣品中酯類添加劑的檢測分離有一定的參考價(jià)值和適用性，但是模型對(duì)樣品中檢出的另外一些化合物尚不能識(shí)別預(yù)測，這些化合物可能是包裝材料中的非酯類添加劑，說明模型應(yīng)用在非酯類添加劑上仍有一定的局限性。

圖3 樣品1(A)、樣品2(B)和樣品3(C)的的分析結(jié)果Fig.3 Analytical results of samples 1, 2 and 3

3 結(jié) 論

本研究通過GC-FID對(duì)食品包裝材料中的21種酯類添加劑進(jìn)行分離檢測，取得了很好的分離效果。在分子電性距離矢量(MEDV)的基礎(chǔ)上，通過引入定位基指數(shù)(T)，對(duì)21種食品包裝材料中酯類添加劑建立QSRR模型，采用留一法和外部檢驗(yàn)對(duì)模型的穩(wěn)定性和預(yù)測能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，分子電性距離矢量和定位基指數(shù)可以更準(zhǔn)確地表征食品包裝材料中酯類添加劑的分子結(jié)構(gòu)信息，所建QSRR模型具有良好的穩(wěn)定性和預(yù)測能力，能夠較準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測該類化合物的氣相色譜保留值，在有機(jī)物的QSRR研究方面具有較強(qiáng)的普適性；同時(shí)將所建模型應(yīng)用于實(shí)際食品塑料包裝中酯類添加劑的識(shí)別預(yù)測，取得了較滿意的結(jié)果，說明模型具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用性，能夠?qū)κ称钒b材料中酯類添加劑的分離，檢測方法的建立及其遷移行為的研究提供有

效的理論依據(jù)，具有一定的參考價(jià)值。但是本方法對(duì)具有旋光異構(gòu)和順反異構(gòu)的酯類化合物的結(jié)構(gòu)表征還存在一定的誤差，對(duì)食品包裝材料中非酯類添加劑的識(shí)別預(yù)測仍有一定的局限性，這些問題有待進(jìn)一步的研究解決。

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Application of Quantitative Structure Retention Relationship of Esters in Food Packaging Materials

WANG Tian-rui1，LI Mei-ping1，F(xiàn)ENG Yan-lin2，HU Yong-gang2，ZHANG Sheng-wan1,*
(1. College of Life Science, Shanxi University, Taiyuan 030006, China；2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

The retention time (tR) of 21 ester additives in food packaging materials was determined by using gas chromatographyflame ionization detector (GC-FID). The molecular electronegativity distance vector (MEDV) and orientation group index (T) were used to characterize molecualr structures of esters, and then the model of quantitative structure retention relationship (QSRR) for above-mentioned 21 compounds was established through multiple linear regression (MLR). The correlation coefficient (R) for the established model and the correlation coefficient (RLOO) of leave-one-out (LOO) were 0.9840 and 0.9747, respectively. Meanwhile, the estimated stability and generalized ability of the model were strictly analyzed by external validation and the Qextwas 0.9789. Furthermore, the practical application of this model has been investigated. Results indicated that this model was good for stability and predictability. The proposed model can provide an important support to explore the migration of esters to packaged food and to develop a method for the separation and detection of ester additives in food packaging materials .

esters additives；retention time of gas chromatography；molecular electronegativity distance vector (MEDV)；Orientation group index (T)；quantitative structure retention relationship (QSRR)

O641；O657.7

A

1002-6630(2010)22-0398-05

2010-01-14

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20080311082)

王天瑞(1984—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)。E-mail：200823104008@mail.sxu.cn

*通信作者：張生萬(1955—)，男，教授，本科，研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)、應(yīng)用波譜學(xué)、化學(xué)計(jì)量學(xué)及藥物合成。E-mail：zswan@sxu.edu.cn