食品罐內涂層中雙酚A及其環氧衍生物的遷移及檢測研究進展

何明楓,周建偉,2,劉東紅,3，*

(1.浙江大學生物系統工程與食品科學學院,浙江杭州 310058;2.浙江大學寧波理工學院,浙江寧波 315100;3.浙江大學馥莉食品研究院,浙江杭州 310058)

食品罐內涂層中雙酚A及其環氧衍生物的遷移及檢測研究進展

何明楓1,周建偉1,2,劉東紅1,3，*

(1.浙江大學生物系統工程與食品科學學院,浙江杭州 310058;2.浙江大學寧波理工學院,浙江寧波 315100;3.浙江大學馥莉食品研究院,浙江杭州 310058)

食品罐內涂層中的雙酚A及其環氧衍生物會向食品內容物遷移,對人體健康造成危害。本文綜述了近年來國內外食品罐內涂層中雙酚A及其環氧衍生物的遷移規律、與食品的反應及提取與分析方法等方面的最新研究進展,并在分析目前不足之處的基礎上展望了未來研究的方向。

罐頭內涂層,雙酚A及其環氧衍生物,遷移,檢測,研究進展

大部分食品和飲料罐頭內都涂有涂料,以保護食品不與金屬直接接觸,防止金屬罐被食品原料腐蝕[1-2]。目前,以環氧酚醛樹脂為基礎的涂料由于其良好的抗化性、柔韌性和附著力,已成為涂料行業的主要產品之一。我國市場上三片罐內涂料中,環氧酚醛樹脂214涂料高達70%[3]。

然而,食品包裝材料也會帶來食品安全問題。在罐頭的加工和儲藏過程中,涂料中的化學污染物不可避免會向食品內容物遷移,對人體健康造成潛在危害,包括雙酚A(BPA)及其環氧衍生物雙酚A二縮水甘油醚(BADGE)、酚醛清漆甘油醚(NOGE,其中二環NOGE又稱為BFDGE)等。它們可作為環氧酚醛內涂料、聚氯乙稀有機溶膠內涂料、聚酯內涂料的初始原料、熱穩定劑和增強劑[4]。

目前歐盟(2011/8/EU)和我國(GB 9685-2008)規定食品包裝容器中雙酚A容許向食品中遷移的最高濃度(MRL)均為0.6mg/kg,歐盟提出的雙酚A每日可耐受攝入量和美國環境保護署(EPA)規定的最大可接受劑量均為0.05mg/(kg·d)[5]。歐盟EC/1895/2005[6]中規定食品包裝容器中BADGE及其水解衍生物(BADGE·H2O,BADGE·2H2O)的總遷移量應低于9mg/kg或9mg/6dm2,氫氯化衍生物(BADGE·HCl,BADGE·2HCl,BADGE·H2O·HCl)的總遷移量應低于1mg/kg或 1mg/6dm2,同時禁止BFDGE及NOGE用于與食品接觸的涂料。

食品罐內涂層中雙酚A及其環氧衍生物對人體健康的危害已成為人們關注的熱點。本文綜述了近年來國內外研究者在食品罐內涂層中雙酚A及其環氧衍生物的遷移規律、與食品的反應及提取與分析方法等方面的研究進展。

1 罐裝食品中雙酚A及其環氧衍生物的分布與遷移

1.1 罐裝食品中的雙酚A及其環氧衍生物

表1 化學物遷移模型Table 1 Examples of predictive migration models

注:aMt:t時間內遷移量,t:遷移時間,Cp0:初始時刻包裝材料中遷移物濃度,Dp:遷移物在包裝中擴散系數,Ds:遷移物在食品中擴散系數,K:遷移物在食品和包裝中的分配系數,M∞:平衡時遷移總量,Lp:包裝材料厚度,α:平衡時食品與包裝中遷移物的質量比,ierfc(x):誤差函數;b無限包裝:遷移物在包裝中的濃度恒等于初始值,無限食品:遷移物在食品中的濃度恒等于初始值。BPA,BADGE,NOGE屬于“環境激素”,有類似雌性激素的作用,能干擾內分泌系統,降低免疫功能,損害生殖能力,增加前列腺癌、乳腺癌、子宮癌的發病率,還與肥胖,糖尿病,心臟病,哮喘等疾病相關聯。胚胎和新生兒對這些物質尤其敏感,過量接觸會導致早熟[2,7-8]。動物實驗表明,BPA是低毒性化學物質,大鼠經口徑半數致死劑量(LD50)為3250mg/kg,吸入LD50為0.02%,小鼠經口徑LD50為2400mg/kg[9]。BADGE的含氯衍生物可能會引起細胞毒性和遺傳毒性[2]。

BPA及其環氧衍生物廣泛存在于各種罐頭食品中已被眾多研究證實。羅輝甲[10]檢測的24種罐頭內涂料中均測出BPA,其中肉類食品罐內涂料含量最高95.6～163.6μg/dm2,啤酒16.6～28.5μg/dm2,碳酸飲料7.35～15.3μg/dm2。Molina-García等[8]從6種純液體牛奶中的3種和2種液體嬰兒配方食品中檢測到了BPA(0.38～6.31ng/mL),固體嬰兒食品和奶粉中未測出BPA。Cooper等[11]測定得到室溫下BPA從內襯環氧樹脂的鋁罐中向水中的遷移量為0.08～1.9mg/L。Cao等[12]檢測了22種軟飲料和16種啤酒中的BPA。研究結果表明,塑料或玻璃瓶裝的軟飲料中只有1個樣品中檢測出微量BPA,而罐頭中的軟飲料均測出BPA;7種玻璃瓶裝的啤酒產品中,只有1個樣品測出BPA,而罐頭中均測出BPA,說明罐頭涂料是BPA的主要污染源。Sun等[13]檢測了13種罐頭食品中的BPA、BADGE及其衍生物,結果BPA含量為0.0328～0.1645mg/kg,其他主要污染物為BADGE·2H2O,BADGE·H2O·HCl,BADGE·2HCl,單基取代的BADGE衍生物明顯更少,說明BADGE的單基取代衍生物可能在貯存過程中進一步水解反應生成了更為穩定的雙基取代衍生物。Zhang等[14]檢測了20種罐裝食品包裝材料和食品內容物中的雙酚類環氧衍生物,結果75%的包裝材料檢測出至少一種污染物;食品中的污染物濃度相對較低,50%以上的樣品中未測出污染物。

1.2 食品罐內涂層中雙酚A及其環氧衍生物的遷移模型

遷移理論上是一個擴散和平衡的過程,是遷移成分從包裝材料中向接觸食品的傳質過程。雙酚A及其環氧衍生物從食品罐內涂層中向涂層-食品界面擴散,當涂層和食品兩相的濃度相等時達到平衡。理想條件下的遷移過程可以用菲克第二定律來描述,即:

式(1)

上式中,C為擴散物質的體積濃度(kg/m3),t為擴散時間(s),x為距離(m),D為擴散系數(m2/s)。

根據菲克第二定律,研究者們建立了許多包裝材料中化學物向接觸食品遷移的數學模型。(見表1)

然而,實際情形中,遷移過程還受到諸多因素的影響,產生非菲克遷移和無規律遷移的現象,因此這些模型的評估能力有限。

1.3 食品罐內涂層中雙酚A及其環氧衍生物遷移的影響因素

研究表明,食品罐內涂層中雙酚A及其環氧衍生物向食品內容物的遷移量與溫度、貯藏時間及食品介質等因素有關。

1.3.1 溫度 高溫會增加雙酚A及其環氧衍生物向食品內容物的遷移量。Cooper等[11]研究發現,加熱顯著增加了BPA從內襯環氧樹脂水瓶向水中的遷移。李碧芳等[17]的研究表明,雙酚A及其環氧衍生物在乙腈模擬液中的遷移總量隨著浸泡溫度的升高而增加。在常溫區20～40℃之間,溫度對遷移總量的影響較小;而在低溫區和高溫區,遷移總量會隨溫度的升高而劇烈增加。

1.3.2 貯藏時間 貯藏時間也會增加雙酚A及其環氧衍生物向食品內容物的遷移量。Cao等[18]將21種液體嬰兒配方食品室溫儲存10個月后,在其中9個樣品中觀察到了BPA遷移量的增加,增加百分比為29.8%～110%。其中以牛奶為主要原料的嬰兒食品儲存后BPA含量相對儲存前顯著增加;以大豆為主要原料的的嬰兒食品儲存后BPA含量相對儲存前變化不顯著。Lin等[19]將3種魚肉類罐頭室溫儲存18個月后,發現雙酚A環氧衍生物的遷移量基本隨貯藏時間的延長而增加,18個月后的遷移量是3個月后的3～20倍。

1.3.3 食品介質 雙酚A及其環氧衍生物在不同食品介質中遷移量不同。食品介質的pH,粘稠度,遷移物在食品中的溶解性等均會對遷移過程產生影響[20]。此外,食品罐內涂層的結構會被食品成分破壞,產生更多的雙酚A及其環氧衍生物。Cabado等[21]探究了多種海鮮罐頭中雙酚環氧衍生物的遷移規律,結果表明BADGE和BFDGE更容易遷移到脂肪含量較高的海鮮中。Zhang等[14]發現油溶性環境下BADGE、NOGE及其衍生物的含量要高于水溶性環境。李碧芳等[17]研究表明,食品的pH越低,BADGE·2H2O及雙酚A環氧衍生物的遷移量越高。這主要是由于在酸性條件下環氧樹脂層的結構會不斷被破壞,生成BADGE·2H2O。王文輝等[22]研究發現未裝食品模擬液的空罐中NOGE的檢測量非常低,但7種食品罐分別裝上4種食品模擬液(水、3%乙酸、10%乙醇、橄欖油)在常溫下儲存3個月后,分別有2,3,5,7種食品罐被檢測到含NOGE,說明在儲存過程中,模擬液與食品罐內壁涂層發生反應,形成NOGE及其衍生物。

2 雙酚環氧衍生物與食品的反應

近年來的研究表明,在食品加工和貯存過程中,遷移到食品內容物中的BADGE、BFDGE及其衍生物會與食品原料發生反應。將BADGE或BFDGE添加到食品或食品模擬液中,熱處理或經過一段時間貯存后,BADGE、BFDGE及其水解衍生物和氫氯化衍生物的回收率明顯下降[1,23-24]。

進一步研究表明,BADGE會與氨基酸和蛋白質溶液發生反應。BADGE親電子的環氧乙烷環會和氨基酸的氨基或親核側鏈反應,其中半胱氨酸顯示顯著活性[1,24]。BADGE不會與脂類發生反應[1,24],但是否與葡萄糖發生反應,目前研究者們未達成共識。Petersen等[24]認為BADGE不會與葡萄糖反應,但Coulier等[1]的研究結果表明BADGE會與其發生反應。

Petersen等[24]用HPLC-MSD確定了BADGE與N-Ac-Met反應中間產物與最終產物(BADGE·H2O·SCH3)的結構式。Coulier等[1]也用HRLC-FT-MS確定了BADGE與食品原料的反應產物,包括與葡萄糖的反應產物BADGE·H2O·glucose,與氨基酸的反應產物BADGE·H2O·Cys,BADGE·2Cys,BADGE·H2O·SCH3,BADGE·2SCH3等。Petersen等[24]發現15種商業罐頭食品中,大部分能檢測到BADGE與蛋氨酸的反應產物,即甲硫基衍生物,這說明遷移到食品中的BADGE與食品中蛋白質的反應十分普遍。

3 雙酚A及其環氧衍生物檢測方法研究進展

3.1 樣品前處理

食品罐或食品內容物在分析前需要經過一定的前處理。表2列舉了一些研究者對樣品進行前處理的方法。

3.1.1 食品罐 目前對食品罐中雙酚A及其環氧衍生物的提取多采取溶劑加熱浸泡提取法,其中乙腈是最常用的溶劑。也有研究者將食品罐剪碎[25]或采用電化學法將內涂膜與罐壁分離后[10],再用溶劑浸泡提取。

3.1.2 食品內容物 食品罐多采用單一的金屬或塑料等材質,而食品基質中多存在蛋白質、油脂等復雜化合物,因此在進行雙酚A及其環氧衍生物的提取時,要考慮復雜化合物對提取結果的影響。

目前對食品內容物的前處理步驟大多是溶劑提取,離心,蒸干,再溶解,最后經微濾或固相萃取柱(SPE)進一步凈化。常用的有正己烷-丙酮提取后乙腈萃取,以及叔丁基甲醚(MTBE)提取。有的研究者在溶劑提取時采用了一些輔助技術,如微波輔助提取[2,14,26]或超聲提取[27-28]。

3.2 樣品分析

目前雙酚A及其環氧衍生物的分析方法以高效液相色譜法(HPLC)或超高效液相色譜法(UPLC)為主。此外,氣相色譜法(GC)、酶聯免疫吸附劑法(ELISA)等也得到了一定的應用。檢測限一般可達到ng/g級別。(見表2)。

3.2.1 色譜法 色譜法具有分離效率高、分析速度快、檢測靈敏度高、選擇性好、可以多組分同時分析等優點,缺點是儀器昂貴,前處理操作繁瑣、耗時。雙酚A及其環氧衍生物的沸點較高,應用氣相色譜有一定局限性,因此國內外研究者廣泛采用液相色譜法檢測雙酚A及其環氧衍生物,只有少量報道運用了氣相色譜。常用的檢測器包括質譜(MS)或串聯質譜(MS/MS)、熒光檢測器(FLD)、二極管陣列等,其中MS/MS、FLD的靈敏度相對更高。

3.2.2 ELISA ELISA的原理是利用抗體-抗原間的特異性反應。食品樣品由于基體組成復雜,色譜分析前的樣品處理步驟繁瑣,樣品準備占了檢測過程的大部分。而免疫測定容易操作、不需要專門人員、便宜、迅速、樣品只需簡單稀釋、許多樣品可同時測定[29-30],具有很大的應用潛力。由于雙酚類物質的相對分子質量較小,必須與蛋白質結合,形成一個完整的抗原,才能實現免疫反應。ELISA的缺點在于對每一種檢測物都需制備相應的抗原和抗體,難以實現多種雙酚類物質的同時檢測,目前的應用范圍比較有限,僅有用于檢測BPA的研究報道,需要進一步的研究和完善。

3.2.3 其他分析方法 此外,也有一些研究者嘗試將其他分析方法應用于雙酚A及其環氧衍生物的檢測。如Molina-García等[8]建立了多通道熒光傳感器結合固相分光光度法(SPS)測定牛奶中BPA的方法。

表2 雙酚A及其環氧衍生物的檢測Table 2 Determination methods of bisphenol A and its epoxy derivatives

4 總結與展望

綜上,目前國內外已對雙酚A及其環氧衍生物的毒性、遷移規律、與食品的反應及檢測方法等做了一定的研究。但在以下方面的研究仍有待完善:

雙酚A及其環氧衍生物種類較多、含量極低,很難用一種方法完全有效地進行多組分同時分析。因此,建立一種靈敏度、準確度、精密度和分析效率都理想的檢測方法,值得進一步研究。同時,如何從復雜的食品成分中簡單、有效地提取雙酚類物質也是一個重要的研究課題。

目前雙酚A及其環氧衍生物遷移規律的研究主要集中在影響遷移的因素上,遷移機理即物理擴散和包裝材料的降解在遷移中的不同貢獻有待深入研究。

食品可能會與任何具有反應活性的遷移物反應。BADGE與食品原料的反應表明,歐盟限定的BADGE及其水解衍生物和氫氯化衍生物只反映了實際遷移的BADGE的一小部分。未來可對BADGE與食品的反應作進一步研究,確定產物的結構和毒理學性質,建立反應模型及可行的檢測方法,為國內外制定和完善相關衛生標準提供理論依據和指導。

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Review on migration and determination of bisphenol A and its epoxy derivatives in food can coatings

HE Ming-feng1,ZHOU Jian-wei1,2,LIU Dong-hong1,3，*

(1.College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;2.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo 315100,China;3.Fuli Institute of Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

Bisphenol A and its epoxy derivatives in can coatings can migrate into canned food,leading to health problems. This article reviewed the recent research progress of the law of their migration,their reaction with food stuff and the extraction and analytical methods for their determination. At last,the new research directions were proposed.

can coatings;bisphenols;migration;determination;research progress

2014-05-05

何明楓(1990-)，女，博士研究生，研究方向：食品加工。

*通訊作者:劉東紅(1968-)，女，博士，教授，研究方向：食品加工新技術裝備和工程化設計。

新型罐頭加工裝備開發與新技術研究(863計劃)(2011AA100804)；出口水產品罐頭殺菌過程優化與控制技術研究與應用(2012C10028)。

TS201.6

A

1002-0306(2015)01-0381-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.072