紙吸管中非揮發性遷移物的非靶向篩查及風險評估

安皓月, 馬 鑫, 王 倩, 隋海霞, 杜振霞*

（1. 北京化工大學 化學學院, 北京 100029；2. 國家食品安全風險評估中心, 北京 100022）

食品接觸材料（FCMs）及制品涵蓋塑料、樹脂、橡膠、玻璃、金屬、陶瓷、紙制品以及活性材料等多個類別[1-2］, 其中, 塑料因具有質量輕、易加工、耐腐蝕、阻隔性能好等優點而被廣泛使用[3］。但是, 大多數FCMs所用的塑料不可降解, 且數量眾多, 分布廣泛, 在自然條件下經過風吹日曬、機械磨損、生物分解、紫外線照射等, 逐漸變小, 最終變成微塑料顆粒, 給土壤、海洋造成嚴重污染[4］。微塑料可以改變土壤的理化性質, 影響土壤生產力, 危害土壤動物[4］；微塑料進入海洋后容易被魚類等海洋生物攝入, 但其永遠不能被消化, 因而在體內不斷積蓄, 最終通過食物鏈傳遞到人體, 對人體健康造成潛在風險。目前已有大量關于在魚類中檢測到微塑料的文獻報道[5-7］。

近年來, 隨著人們對綠色環保理念的不斷深入, 以及國家生態文明建設的號召, 餐飲行業開始使用紙吸管代替塑料吸管。紙吸管不僅成本較低, 而且具有一定的強度和抗水性能, 是塑料吸管的最佳替代品。但在使用時, 紙吸管中的小分子物質（如施膠劑等）有遷移到食品中的可能性, 對人體健康造成危害[8］。目前, 關于紙吸管中非揮發性遷移物的篩查及安全性評估的研究較少, 因此需要對其中的潛在遷移物進行篩查及風險評估。

本研究根據歐盟法規選擇兩種食品模擬物, 結合國標（GB 31604. 1-2015）推薦的總遷移測試條件[9］, 使用超高效液相色譜-四極桿飛行時間質譜（UPLC-Q-TOF MS）對紙吸管中的非揮發性遷移物進行非靶向篩查。利用本課題組前期建立的能有效反映危害和暴露的二級參數的風險矩陣對篩查出的遷移物進行風險評估。用UPLC-Q-TOF MS對評估結果為Ⅱ級的遷移物進行半定量分析, 并通過比較暴露量和安全閾值對紙吸管中非揮發性遷移物的安全性進行評估。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Acquity UPLC超高效液相色譜儀, 配有Acquity UPLC BEH C18（100 mm×2. 1 mm, 1. 7μm）色譜柱（美國Waters公司）；Xevo-G2-S QTOF四極桿飛行時間質譜儀（美國Waters公司）；Quattro Premier XE三重四極桿質譜（美國Waters公司）；移液槍（Eppendorf公司）；Milli-Q A10超純水系統（美國Millipore公司）；GP225D型電子天平（Sartorius公司）；SHA-BA型水浴恒溫振蕩器（華普達儀器有限公司）；MTN-2800D型氮吹儀（天津奧特賽恩斯儀器有限公司）；KH-100DE型超聲波清洗器（昆山禾創超聲儀器有限公司）；0. 22μm聚四氟乙烯（PTFE）有機濾膜（津騰公司）。

甲醇（質譜純, Fisher Chemical公司）；甲酸（色譜純, Fisher Chemical公司）；乙酸（分析純, 北京化工廠）；乙醇（分析純, 上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；松香酸（≥99%, 國家藥品標準物質）；肉豆蔻酸異丙酯（98%, 日本TCI公司）；己內酰胺（≥99%, 比利時Acros Organics公司）；六甘醇（97%, 上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；實驗用水由Milli-Q超純水系統（美國Millipore公司）制備；兩種紙吸管規格分別為6 mm×0. 5 mm×10 cm、6 mm×0. 5 mm×12 cm, 由供應商提供。

1.2 色譜-質譜條件

色譜條件：色譜柱：Waters Acquity UPLC BEH C18（2. 1 mm×100 mm, 1. 7μm）；柱溫箱溫度：35℃；流動相：0. 1%甲酸水溶液（A）-甲醇（B）；洗脫梯度：0～6 min, 3%～100% B；6～10 min, 100%B；10～10. 5 min, 100%～3%B；10. 5～12 min, 3%B, 流速0. 3 mL/min；進樣體積：1μL。

質譜條件：采集模式為MSE；電離模式為ESI+和ESI-；離子源溫度為120℃；脫溶劑氣溫度為450℃；錐孔電壓為30 kV（ESI+）和40 kV（ESI-）；毛細管電壓為3 kV（+）和2. 5 kV（-）；脫溶劑氣流速為1 000 L/h；錐孔氣流速為50 L/h；低能通道碰撞電壓為4 eV；高能通道碰撞電壓為20～60 eV；掃描范圍為m/z 50～1 200 Da；采用亮氨酸腦啡肽（LE）實時校正質量軸：m/z=556. 276 6（ESI+）、554. 262 0（ESI-）, 每30 s切換1次進行質量數的校正。

采用選擇離子模式進行半定量分析, 4種標準品優化的質譜參數如表1所示。

1.3 標準溶液的配制

精確稱取4種標準品, 分別用甲醇溶解, 配制成1 000 mg/L的標準溶液。將3種正模式定量標準物質混合成1 mg/L的混合標準溶液, 并用甲醇稀釋為10、20、50、100、200、500μg/L的混合標準工作溶液。用甲醇將松香酸稀釋為10、20、50、100、200、500、1 000μg/L的標準工作溶液。

1.4 遷移試驗

參照歐盟法規（No. 10/2011）進行遷移試驗[10］：根據紙吸管的使用特點及可能接觸的食品（茶、果汁和蛋白飲料等）, 采用兩種食品模擬物, 即50%（體積分數）乙醇、3%（體積分數）乙酸進行模擬浸提, 截取6 cm紙吸管（接觸面積約為6 cm2）于玻璃試管中, 加入10 mL食物模擬物。根據紙吸管預期接觸的最長時間并結合國標（GB 31604. 1-2015）推薦的總遷移測試條件[9］, 進行70℃水浴加熱2 h的遷移試驗。將上述條件下得到的提取液進行氮吹濃縮, 再用1 mL甲醇復溶, 用注射器吸取樣品, 經0. 22μm PTFE有機濾膜過濾至1. 5 mL樣品瓶中, 用UPLC-Q-TOF MS進行檢測。每個樣品設置兩個平行, 并設置相同處理過程的空白樣品。

1.5 遷移物的非靶向篩查

使用沃特世公司的UNIFI軟件對遷移物進行非靶向篩查。UNIFI科學信息系統可實現數據采集、處理、瀏覽和報告生成一體化。Q-TOF MS的MSE采集模式能在一次進樣下通過低能通道與高能通道分別得到物質的準分子離子峰及碎片信息[11］。原始數據采用UNIFI進行處理, 通過對比樣品色譜峰與空白色譜峰并設置質譜響應閾值3 000對遷移物進行篩查, 進而根據碎片信息進行鑒定, 鑒定流程圖如圖1所示。

圖1 鑒定流程圖Fig. 1 Flow chart for identification

1.6 風險矩陣的構建及遷移物的風險評估

當食品接觸材料中遷移物較多時, 如果可以進行優先級排列, 則可以關注高風險物質, 優化資源。鑒于風險為危害和暴露的函數, 本課題組前期基于風險的兩個函數, 即危害和暴露建立了一種快速篩選評估并進行風險分級的風險矩陣[12］, 如圖2所示, 圖中a、b、c、d、e分別為權重系數1、1、4、4、4。用毒性水平、Cramer分級和致突變性的加和來表征危害的大小, 而暴露由于需要具體情境的暴露數據, 考慮到遷移物的水溶性和滲透性越好, 暴露風險越高, 代表更容易被吸收, 因此暴露定義為遷移物的水溶性和滲透性的加和。其中, LD50是表征物質急性毒性最常用的指標, 使用TEST（V. 5. 1. 1）軟件進行預測, Cramer分類主要反映物質的慢性毒性, 使用Toxtree（V. 3. 1. 0）對不具有DNA反應性致突變物進行Cramer分類, 致突變性是食品接觸材料評估中重點關注的毒性終點, 使用VEGA（V. 1. 1. 4）中的Ames致突變性功能進行預測[13］。水溶性方面參考EU No. 10/2011法規中10μg/kg的閾值和1 L/kg食品的假設, 使用TEST（V. 5. 1. 1）進行預測, 滲透性方面采用Lipinski5規則[14］。

圖2 風險因素及其得分分布Fig. 2 Risk factors and their score distributions

所建立的風險矩陣為：風險=危害（毒性水平+Cramer分級+4×致突變性）×暴露（4×水溶性+4×滲透性）, 各項風險因素分級描述及得分如表2所示。

表2 風險因素描述及評分Table 2 Description and score of the risk factors

將物質的總得分劃分成四個區間, 即四個風險等級, 分數越高意味著風險越高。風險因素綜合得分及總風險得分如表3所示, 詳細方法及劃分標準參考本課題組前期建立的風險矩陣[12］。使用風險矩陣對紙吸管遷移試驗中的遷移物進行風險評估, 并根據物質的風險進行優先級排序。

表3 風險因素綜合得分及總風險得分Table 3 Composite and total risk score of risk factors

2 結果與討論

2.1 紙吸管中遷移物的非靶向篩查

利用圖1的鑒定流程對2種紙吸管樣品分別在2種模擬物中的遷移物以及空白樣品進行非靶向篩查。圖3顯示了遷移試驗中遷移物的色譜圖, 4組遷移試驗共鑒定出31種化合物（見表4）。結果表明, 兩種紙吸管均檢出較多紙及紙制品生產過程中的加工助劑, 主要包括潤滑劑、施膠劑、抗氧劑、消泡劑等。由表4可以看出, 1號樣品檢出的加工助劑明顯多于2號樣品, 原因可能是兩種紙吸管樣品來自不同商家, 其品牌不同, 制造工藝有所區別, 加工過程中用于增強紙吸管性能的添加劑種類也有所不同。

表4 鑒定的遷移物Table 4 Identified migrants

圖3 兩種紙吸管樣品的色譜圖Fig. 3 Chromatograms of two paper straw samples

造紙過程的涂布階段需添加潤滑劑, 以改善涂料的流動性及流平性, 使涂層光滑平整, 且避免涂料干燥時發生龜裂。在1、2號樣品中均檢出酰胺類潤滑劑, 其中芥酸酰胺作為芥酸的重要衍生物, 是一種應用廣泛的優良精細化工產品, 由于其具有較高的熔點和良好的熱穩定性, 因而常被用做潤滑劑[15］。除了潤滑作用, 酰胺基還能與纖維素分子的羥基形成氫鍵, 從而提高纖維間的結合[16］。

松香酸類和花生酸、棕櫚酸等飽和脂肪酸是造紙工藝中常用的施膠劑, 可增強紙對水滲透的抵抗力, 賦予成品紙憎水性[16］。抗氧劑用于防止紙張老化, 延長紙張的使用壽命[17］, 在這兩種樣品中均檢出抗氧劑降解成分, 推測其可能是在高溫烘烤階段產生。

此外, 在1號樣品中還檢出12～22個碳的聚乙二醇類消泡劑。消泡劑常用于造紙工藝中的抄紙過程, 在制漿過程中未洗凈的起泡物質以及人工添加的表面活性劑均會產生泡沫, 給生產帶來各種問題并使紙張產品質量下降, 加入聚乙二醇類物質不僅可消除泡沫, 還可使紙張保持一定水分, 減少紙邊卷曲。

（續表4）

2.2 遷移物的風險分級

使用所建立的風險矩陣, 對紙吸管中鑒定的31種遷移物進行風險分級, 各項風險因素得分如表5所示。根據總風險得分進行分級, 發現Ⅱ級風險物質23個, Ⅲ級風險物質2個, Ⅳ級風險物質6個, 并未發現Ⅰ級高風險物質。Ⅱ級風險物質涵蓋大多數加工助劑, 但得分較高的物質主要為幾種潤滑劑、施膠劑和消泡劑, 這些助劑具有良好的滲透性和水溶性, 因此有較高的暴露分數。綜上所述, 對于紙吸管中遷移物的風險, 應主要關注潤滑劑、施膠劑和消泡劑。

表5 各項風險因素得分表Table 5 Score table of various risk factors

2.3 紙吸管中風險物質的遷移量及風險評估

因為遷移物中Ⅱ級風險物質數量較多, 可根據結構和作用進行分類, 因此每類遷移物選擇一個結構相似且有代表性的標準物質進行半定量分析, 分別為松香酸、六甘醇、己內酰胺和肉豆蔻酸異丙酯。以4種標準品的質量濃度為橫坐標（x, μg/L）, 峰面積為縱坐標（y）建立標準曲線, 以3倍信噪比（S/N=3）為檢出限（LOD）, 10倍信噪比（S/N=10）為定量下限（LOQ）, 確定4種標準品的線性范圍、檢出限及定量下限（見表6）。數據表明, 4種標準物質在一定質量濃度范圍內呈良好線性。己內酰胺的檢出限可達0. 5μg/L, 定量下限可達1μg/L, 其他3種標準品的檢出限和定量下限分別為1μg/L和10μg/L。

表6 4種標準品的檢出限、定量下限及線性范圍Table 6 LODs, LOQs and linear ranges of 4 standards

采用4種標準品的標準曲線對紙吸管中Ⅱ級風險物質進行半定量分析, 結果如表7所示。根據歐盟法規（No. 10/2011）規定, 假設每人每天攝入1 kg食物, 根據遷移量（mg/kg）和攝入量（kg/人/d）計算暴露量（mg/人/d）, 即暴露量（mg/人/d）=遷移量（mg/kg）×攝入量（kg/人/d）。對遷移物的安全性評估使用TTC方法[18］, 即：對于Cramer分級為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級的化合物, 對應的安全閾值分別為30、9、1. 5μg/kg BW, 即1. 8、0. 54、0. 09 mg/d, 然后將暴露量與TTC閾值比較, 若暴露量低于TTC閾值, 則該遷移物的健康風險無需關注, 否則可能存在安全風險, 后續需要進一步優化暴露評估, 或者采用非TTC方法進行風險評估。由于假設每人每天的食物攝入量為1 kg, 因此暴露量與遷移量在數值上相等。由表7可以看出部分酰胺類潤滑劑的暴露量高于相應的TTC閾值, 尤其是芥酸酰胺, 需引起關注。

表7 Ⅱ級風險物質在50%乙醇和3%乙酸中的遷移水平及其風險評估Table 7 Migration of gradeⅡrisk substances in 50%ethanol and 3%acetic acid and its potential risk

3 結 論

本研究根據歐盟法規推薦的兩種食品模擬物對紙吸管進行遷移試驗, 并使用UPLC-Q-TOF MS對兩種紙吸管樣品進行了非靶向篩查, 共鑒定出31種遷移物, 主要包括潤滑劑、施膠劑、抗氧劑、消泡劑等加工助劑。基于本課題組前期建立的風險矩陣, 即風險=危害（毒性水平+Cramer分級+4×致突變性）×暴露（4×水溶性+4×滲透性）, 對31種遷移物進行風險分級, 結果表明, 未發現Ⅰ級高風險物質, Ⅱ級風險物質中得分較高的是幾種潤滑劑、施膠劑和消泡劑, 如芥酸酰胺、海松酸、聚乙二醇等。對部分Ⅱ級風險物質進行定量分析, 通過對比暴露量和TTC閾值, 發現酰胺類潤滑劑存在健康風險, 尤其是芥酸酰胺, 應在紙吸管生產加工過程中引起關注。本研究的樣本量較小, 存在一定的不確定性。后續還需進一步增加樣本量, 并基于實際的遷移水平, 對篩選出的高風險物質進行風險評估, 從而對結論進行進一步驗證, 以期為相關部門進行風險管理提供科學建議。