食品接觸用硅橡膠中3種環硅氧烷的測定及遷移規律

劉宜奇,胡長鷹,*,商貴芹,張 泓,曾 瑩,貝榮華,朱 蕾,鐘懷寧

(1.暨南大學,食品科學與工程系,廣東廣州 510632;2.常州進出口工業及消費品安全檢測中心,江蘇常州 213000;3.國家食品安全風險評估中心,北京 100022;4.廣州海關技術中心,國家食品接觸材料檢測重點實驗室,廣東廣州 510070)

硅橡膠是低分子環硅氧烷開環聚合形成高摩爾質量的聚硅氧烷后,經補強、成型、硫化等工序制成的有機硅彈性體,其主鏈為交替的Si-O鍵,相對分子質量較大(一般超過1.5×105)[1],而Si-O鍵的鍵能比C-C鍵的鍵能高,故硅橡膠的熱穩定性比一般合成的橡膠高。硅橡膠因具有良好的耐熱性和柔順性,故廣泛地應用于食品接觸材料,如高壓鍋密封圈、烤盤、蛋糕模具、蒸墊以及嬰兒奶嘴等。D4～D6等小分子環硅氧烷可能具有致癌性和生物富集毒性[2-5]。D4是一種低分子量環硅氧烷,具有高親脂性[6-7],可在小鼠子宮中引發雌激素活性,高濃度的D4會降低血清E2的水平[8-9]。此外,D5可作為多巴胺受體激動劑,對人體神經系統產生不利影響[10]。D5可通過多巴胺受體激動劑的機制來改變垂體對大鼠的動情周期的控制[11]。Warner等[12]發現北極地區的海豹脂油樣品有D6,這表明D6具有生物富集性。對于環硅氧烷的安全性,目前主要關注的是其生物和環境樣品、醫藥產品、醫療器械、化妝品和個人護理產品中存在硅氧烷狀況[13-14],但對食品接觸用硅橡膠中環硅氧烷的安全性重視還不夠。

固相微萃取-氣質聯用法[15-16]、吹掃捕集-氣質聯用法[17-18]和溶劑提取-氣質聯用法[19]主要用于對硅橡膠中揮發性物質的高通量篩選分析和低分子量硅氧烷的定量分析,但對潛在危害性較大的D4～D6的定量分析研究不多,以及其在油性食品模擬物中的遷移規律有待進一步研究。楊建平等[20]發現上海市的30批次烘焙用硅橡膠制品中有83.3%的樣品中的揮發性物質的含量都大于0.5%,且80%樣品中揮發性物質含量都超出參考值的3～5倍。這表明硅橡膠制品中含有較多的揮發性物質,其產品質量有待進一步提高。鄭春翠等[21]發現硅橡膠密封墊圈中低聚物單體在油性食品模擬物正己烷中的遷移力特別強。該遷移試驗是以全浸泡的方法,而硅橡膠制品與食品通常是單面接觸的,為了更客觀反映硅橡膠中環硅氧烷D4-D6向食品遷移的過程,需要進行硅橡膠制品的單面遷移試驗。因此,本文通過建立溶劑提取-氣相質譜法測定硅橡膠制品中D4～D6含量,并研究硅橡膠制品中D4-D6向油性食品模擬物95%乙醇的單面遷移規律,為相關法律法規的修訂提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

3種奶嘴樣品分別標記為A1、A2和A3,3種高壓鍋密封圈樣品分別標記為B1、B2和B3,3種烤盤樣品分別標記為C1、C2和C3 購于淘寶;八甲基環四硅氧烷(純度≥98.0%)、十甲基環五硅氧烷(純度≥99.0%) 上海阿拉丁有限公司;十二甲基環六硅氧烷(純度≥97%) 上海源葉生物科技有限公司;二氯甲烷、甲醇和正己烷 色譜純,美國Fisher 公司;乙酸乙酯(AR)、丙酮(AR) 廣州化學試劑廠;無水乙醇(GR) 天津市科密歐化學試劑有限公司;一級超純水 德國Merck公司Milli-Q型超純水儀制備;高純氦氣(純度≥99.999%) 空氣化工氣體(東莞)有限公司。

7890A-5975C氣相色譜-質譜聯用儀 美國Agilent公司;iS50傅里葉紅外分析儀 賽默飛世爾科技(中國)有限公司;EL104電子分析天平(0～120 g,精度0.0001 g) 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;KB3漩渦儀 海門市其林貝爾儀器制造有限公司;SK250LH 超聲波清洗器 上海導超聲儀器有限公司;尼龍濾膜(孔徑0.45 μm) 天津津騰實驗設備有限公司;移液器(20～200 μL;100～1000 μL;2.5～25 mL) 德國Brand Transferpette公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品前處理 用無水乙醇擦拭食品接觸用硅橡膠產品,除去表面雜質,晾干后,在鋁箔上剪成碎片(約3 mm×3 mm)。

1.2.2 衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜分析鑒定硅橡膠的結構 通過衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜分析[22],判斷樣品是否為硅橡膠材質。ATR-FTIR的相關參數:分辨率為8.000,采集增益為8.0,掃描次數為32次。

1.2.3 提取溶劑的優化 硅橡膠的交聯度高,在溶劑中可發生溶脹,但不溶解[23]。取0.5000 g剪碎的硅橡膠樣品于25 mL具塞試管中,分別加入10.0 mL甲醇、丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、正己烷、正己烷/丙酮(1∶1)、正己烷/乙酸乙酯(1∶1)和正己烷/二氯甲烷(1∶1),這些溶劑分別標記為1號、2號、3號、4號、5號、6號、7號和8號溶劑,在漩渦儀上振蕩15 s,使硅橡膠完全浸泡在提取液中,以選擇對D4～D6提取能力最佳的溶劑。為避免在持續超聲下引起的高溫使D4～D6揮發,通過添加冰袋使超聲溫度控制在(16±2) ℃,超聲30 min后取出振蕩15 s,取1 mL提取液過0.45 μm有機濾膜后置于氣質進樣瓶中,上GC/MS檢測。

1.2.4 超聲時間的優化 取0.5000 g剪碎的硅橡膠于25 mL具塞試管中,加入10.0 mL正己烷,在漩渦儀上振蕩15 s,使硅橡膠完全浸泡在正己烷中,分別在(16±2) ℃下超聲15、30、45、60、75和90 min,取出振蕩15 s后,取1 mL提取液過0.45 μm有機濾膜后置于氣質進樣瓶中,上GC/MS檢測。

1.2.5 色譜條件 GC/MS條件:HP-5MS色譜柱(30 m×250 μm×0.25 μm,美國Agilent公司);載氣為高純氦氣,純度≥99.999%;載氣流速為1.5 mL/min,進樣口溫度為230 ℃;分流比為2∶1;升溫程序為40 ℃保持1 min,以20 ℃/min升溫至315 ℃,保持4 min。離子源為電子轟擊(EI);電子能量為70 ev;四極桿溫度為150 ℃;離子源溫度為230 ℃,傳輸線溫度為230 ℃;采用離子檢測(SIM)模式,其中D4的m/z為281.00,282.00,133.00;D5的m/z為355.0,267.00,73.00;D6的m/z為341.00,429.00,325.00,73.00;溶劑延遲4.5 min。

1.2.6 D4～D6在正己烷溶劑中的標準曲線 分別稱取7.2886 mg的D4、7.2150 mg的D5和7.3638 mg的D6于10 mL容量瓶中,用正己烷定容,分別配制成質量濃度為714.3 μg/mL的D4～D6的單標,再從D4～D6單標中分別取2.800 mL于10 mL容量瓶中,用正己烷定容配制成200.0 μg/mL的D4～D6混合標準儲備液,保藏于4 ℃的冰箱中。通過正己烷稀釋后,配制成0.5、1.0、5.0、10.0和20.0 μg/mL的D4～D6混標的標準曲線溶液。

1.2.7 方法回收率及精確度的測定 扣除色譜圖中的空白背景后,以信噪比為3作為D4～D6在儀器中的檢出限,信噪比為10作為D4～D6在儀器中的定量限。由于硅橡膠制品在制備過程中不可避免殘留硅氧烷低聚物,沒有空白樣品,故選擇含量最低的樣品進行加標試驗。向B3號樣品加入2.5、5.0和10.0 μg/mL三個不同濃度的D4～D6標準溶液,按優化后的方法進行處理,平行測定6次,計算其回收率和精密度。

1.2.8 硅橡膠樣品中D4～D6的含量 3種不同用途的9個食品接觸用硅橡膠產品,按照優化后的方法進行檢測,平行3次。若提取液濃度大于20.0 μg/mL,則進行稀釋,使稀釋后的提取液濃度在標準曲線范圍內。

式(1)

其中:C:硅橡膠樣品中D4～D6的初始含量(mg/kg);N:由標準曲線計算出的D4～D6濃度(μg/mL);W:所稱取硅橡膠樣品的質量(g);n:為提取液稀釋倍數;10.0:為提取溶劑體積(mL)。

1.2.9 遷移實驗 由于《GB 4806.11-2016食品安全國家標準 食品接觸用橡膠材料及制品》[24]中只明確了總遷移條件,對特定物質的遷移條件尚未有規定,結合《GB 310604.1-2015 食品安全國家標準 食品接觸材料及制品遷移試驗通則》[25],以及硅橡膠烤盤在實際應用中接觸的食品屬于高脂性食品,同時在預試驗中發現硅橡膠在油性食品模擬物異辛烷、正己烷和正庚烷會出現溶脹現象,而在95%乙醇中未發現溶脹現象,故選擇95%乙醇作為油性食品模擬物在60 ℃中進行遷移試驗。

由《GB 5009.156-2016 食品安全國家標準 食品接觸材料及制品遷移試驗預處理方法通則》[26]的要求,選擇遷移測試池對硅橡膠進行單面遷移試驗。把烤盤C3剪成6.50 cm×6.50 cm大小,將樣品放置遷移測試池夾板中間,安裝遷移測試池,并以鋁箔作為空白遷移樣。由于硅橡膠烤盤在遷移測試池內的接觸面積為0.1256 dm2,該接觸面積對應硅橡膠烤盤的質量為1.6317 g,根據《GB 310604.1-2015》中認為食品接觸材料及制品的接觸面積與食品或食品模擬物體積之比為6[25],故模擬液的體積為21.00 mL。為使模擬液的初始溫度更接近遷移時的溫度,將95%乙醇在(60±1) ℃恒溫水浴鍋預熱3 h后,取21.00 mL 95%乙醇倒入遷移測試池中,擰緊螺帽,迅速將遷移測試池放置在(60±1) ℃的電熱鼓風干燥箱中。在遷移時間為15、30、60、90、120、150、180、210和240 min時(每個時間段3個平行,每個試樣都是獨立的),趁熱將遷移測試池中95%乙醇全部轉移出來,冷卻至室溫后,混勻,稀釋后取1 mL模擬物過0.45 μm有機濾膜后置于氣質進樣瓶中,上GC/MS檢測。

式(2)

其中:M:為D4～D6的遷移率(%);C:硅橡膠樣品中D4～D6的初始含量(mg/kg);c:為95%乙醇食品模擬物中D4～D6的濃度(μg/mL);n:為提取液稀釋倍數;21.00:為食品模擬物的體積(mL);1.6317:為硅橡膠烤盤面積為0.1256 dm2時的質量(g)。

1.2.10 D4～D6在95%乙醇中的標準曲線及精密度 分別稱取7.2886 mg的D4、7.2150 mg的D5和7.3638 mg的D6于10 mL容量瓶中,用95%乙醇定容,分別配制成質量濃度為714.3 μg/mL的D4～D6單標,再從D4～D6單標中分別取2.800 mL于10 mL容量瓶中,用95%乙醇定容配制成200.0 μg/mL的D4～D6混合標準儲備液,保藏于4 ℃的冰箱中。通過95%乙醇稀釋后,配制成0.5、1.0、3.0、7.0和15.0 μg/mL的D4～D6混標的標準曲線溶液。

以95%乙醇中D4～D6混標的三個不同質量濃度0.5、3.0和15.0 μg/mL來檢驗儀器的精密度。

1.3 數據處理

使用Origin 2018作圖,Minitab 17.0進行統計學分析。

2 結果與討論

2.1 硅橡膠產品的衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜分析

由ATR-FTIR法可以判斷橡膠產品的材質。由圖1可知,2962 cm-1是CH3中C-H的對稱振動吸收峰,1260 cm-1是CH3的不對稱振動吸收峰,1008 cm-1是O-Si-O的對稱振動吸收峰,788 cm-1是Si-C對稱振動吸收峰[27],且3種類型的硅橡膠產品的紅外譜圖基本一致,可確認這些產品均為硅橡膠產品。

圖1 硅橡膠產品的衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜圖Fig.1 ATR-FTIR of silicone rubber products

根據提取溶劑的極性大小,選擇甲醇、丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、正己烷、正己烷/丙酮(1∶1)、正己烷/乙酸乙酯(1∶1)和正己烷/二氯甲烷(1∶1)作為提取溶劑。由圖2可知,5號溶劑(正己烷)對硅橡膠中D4～D6的提取能力最好,其次是3號溶劑(乙酸乙酯)和2號溶劑(丙酮),而4號溶劑(二氯甲烷)對硅橡膠中D4～D6的提取能力最弱。故選擇5號溶劑(正己烷)作為硅橡膠中D4～D6的提取溶劑。

圖2 溶劑對D4～D6的提取效果的影響Fig.2 Extraction effect of solvents on D4～D6

2.3 超聲時間的優化

由圖3可知,超聲提取時間為15～30 min時,D4～D6的響應峰面積均隨著提取時間的延長而增加;提取時間為30 min時,D4～D6的響應豐度均達到最大值,具有極顯著性差異(P<0.01);隨后,D4～D6的峰面積均隨著時間的延長而呈下降趨勢。長時間的提取可充分萃取出硅橡膠中的D4～D6,但是隨著提取時間的過長,溶出的部分會被硅橡膠再吸附,造成損失[28],同時,隨著超聲時間的延長,超聲溫度升高,會加快D4～D6的分子運動,進而導致部分硅氧烷揮發,造成溶劑中D4～D6的損失,進而導致D4～D6的提取效果降低。故試驗選擇超聲提取時間為30 min。

圖3 超聲時間對D4～D6的提取效果的影響Fig.3 Extraction effect of ultrasonic time on D4～D6

2.4 方法的驗證

D4～D6的質量濃度均在0.5～20.0 μg/mL范圍內與其峰面積呈線性關系,線性回歸方程曲線和相關系數,以及方法的檢出限和定量限見表1。在加標回收試驗中,D4～D6的回收率為85.20%～98.12%,相對標準偏差(RSD)為2.17%～4.27%,這表明該方法對硅橡膠中D4～D6的定量具有較好的可信度。

表1 D4～D6在正己烷中的線性參數、檢出限及定量限Table 1 Linear parameters,detection limit and quantitative limit of D4～D6 in n-hexane

2.5 遷移實驗用硅橡膠樣品的確定

本試驗收集了3種不同類型的9個品牌食品接觸用硅橡膠產品,經ATR-FTIR確定其材質為硅橡膠,通過上述優化的提取條件和檢測方法對其D4～D6的含量進行測定。從表2看出,D4～D6的檢出率為100%,不同類型的硅橡膠中的D4～D6含量相差較大。奶嘴和高壓鍋密封圈中的D4～D6含量較低,其D4的含量范圍分別為53.27～113.07和12.32～101.81 mg/kg,均值分別為82.71和68.38 mg/kg;其D5的含量范圍分別為82.20～146.87和23.11～266.65 mg/kg,均值分別為114.82和131.57 mg/kg;其D6的含量范圍分別為53.57～93.40和37.11～259.46 mg/kg,均值分別為71.74和134.65 mg/kg。而烤盤類硅橡膠中D4～D6的含量較大,D4的含量范圍分別是91.51～341.45 mg/kg,均值是175.08 mg/kg;D5的含量范圍是514.22～1376.68 mg/kg,均值是824.12 mg/kg;D6的含量范圍是696.24～1183.69 mg/kg,均值是901.17 mg/kg。

表2 不同類型和不同品牌硅橡膠中D4～D6的含量(n=3)Table 2 Contents of D4～D6 in different types and brands of silicone rubber products(n=3)

相關研究[29]表明,使用硅橡膠烘烤模具焙烤蛋糕時,環硅氧烷會遷移到蛋糕中。由此可猜測,烤盤類硅橡膠中高含量的D4～D6可能在焙烤蛋糕時,更容易遷移至蛋糕中,對人體健康存在一定的風險,故選擇高D4～D6含量的烤盤C3作為遷移樣品。

2.6 油性食品模擬物對D4～D6遷移的影響

硅氧烷的遷移取決于溫度、食品中油脂含量、接觸時間、食品接觸材料硅橡膠中硅氧烷的含量、硅氧烷的分子量以及食品模擬物和接觸材料硅橡膠之間硅氧烷的分配系數[30]。因D4～D6具有親脂性[6],且在預試驗中發現烤盤C3中的D4～D6基本不向水性和酸性食品模擬物中發生遷移,故本文主要研究硅橡膠烤盤C3中D4～D6向油性食品模擬物95%乙醇的遷移狀況。

在95%乙醇體系中,D4～D6在0.5～15.0 μg/mL質量濃度范圍內線性良好,回歸方程分別為:y=111532x-34284、y=51318x-15446和y=45341x-14477,相關系數均大于0.9963,扣除空白背景后,其檢出限(信噪比為3)分別為5.5、11.8和15.8 ng/mL,定量限(信噪比為10)分別為18.5、39.4和52.6 ng/mL。其相對標準偏差(RSD)為1.54%～8.74%,表明該方法可有效檢測95%乙醇中D4～D6的含量。

圖4展示了硅橡膠烤盤C3中D4～D6在60 ℃的95%乙醇油性食品模擬物中的遷移行為,符合一般遷移規律。D4～D6在遷移時間為150 min實現了遷移平衡,遷移率分別為71.36%、57.03%和49.31%。這說明了硅橡膠烤盤中D4在60 ℃的95%乙醇中最易于遷出,D5次之,D6最小,這與它們的分子量大小有關。上述結果也表明了硅橡膠烤盤中D4～D6易向油性食品發生遷移。

圖4 硅橡膠烤盤中D4～D6在60 ℃的95%乙醇中的遷移率Fig.4 The migration rate of D4～D6from silicone rubber baking tray to 95% ethanol at 60 ℃

3 結論

本文通過衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜確定樣品是否為硅橡膠材質;采用溶劑提取-氣質聯用法,在優化提取溶劑為正己烷和超聲提取時間為30 min下,建立對食品接觸用硅橡膠中D4～D6含量的簡便快速檢測方法。采用本文建立的方法檢測食品接觸用硅橡膠產品,發現烤盤類硅橡膠中D4～D6的含量最高,其D4～D6的均值分別為175.08、824.12和901.17 mg/kg,可能對人體健康有隱患。通過遷移試驗,發現硅橡膠烤盤中D4～D6在60 ℃油性食品模擬物95%乙醇中實現遷移平衡時,D4～D6的遷移率分別為71.36%、57.03%和49.31%。接下來將對烤盤類硅橡膠中的D4～D6在油性食品模擬物橄欖油和固體食品模擬物Tenax?中的遷移以及在真實食品加工過程中遷移作進一步研究。