超高效液相色譜-四極桿-飛行時間質譜對含PET食品接觸材料中可遷移非揮發性物質的篩查研究

鄧玉明，唐 蕾，羅世鵬

（1.內蒙古乳業技術研究院有限責任公司，上海 200245；2.常州工業及消費品檢驗有限公司，江蘇 常州 213000；3.江蘇理工學院化學化工學院，江蘇 常州 213001）

0 前言

PET是對苯二甲酸與乙二醇的縮聚產物，它是一種最重要的熱塑性聚酯產品。因其具有良好的力學性能、耐腐蝕性能、衛生性能以及易加工成型等特點[1]，再加上具有潛在的可回收性能，在“限塑令”的背景下，PET逐漸成為各類食品包裝的優選材料，被廣泛應用于各類飲品包裝以及食品級復合包裝材料當中[2]。

隨著我國經濟水平的不斷增長，消費者對于食品安全的關注度日益提升，也逐漸從關注食品本身，擴大到關注食品生產所涉及的全流程。作為食品盛放、加工、儲運的載體，食品接觸材料中的可遷移風險物質與食品安全密切相關[3]，尤其是食品接觸材料的生產涉及產業鏈條較長，且彼此之間信息披露不夠透明，其不可控因素眾多。除了用于生產材料本身的原料、添加劑、加工助劑等有意添加物（IAS），還存在很多在生產過程中引入或形成的NIAS[4]、不法分子以次充好而使用的非法添加物（UAS）。此外，還有部分產品在擴大使用過程中添加不同的起始原料進行了局部改性，傳統的肯定列表的管控形式往往無法完全消除食品接觸材料帶來的食品安全風險[5]。因此，建立更加全面的食品接觸材料風險控制方案具有重要的研究意義和經濟價值。

為了識別這些遷移水平極低，來源復雜而且信息未知的痕量物質，傳統的靶向篩查無法勝任。非靶向篩查（NTS）檢測技術是近年來相關科研人員利用高靈敏的高分辨質譜儀[6]，通過全掃描的方式，對所有具有質譜響應的物質都進行篩查掃描分析，然后通過強大的軟件進行數據處理，得到分析目標的（準）分子離子峰以及二級碎片離子信息，從而將各類遷移到食品模擬物中的痕量物質識別出來。四極桿-飛行時間高分辨質譜（Q-TOF）在全掃描模式下兼具極高的分辨率和精確度，能夠極大程度地降低檢測化學噪音，將分析目標從復雜信號中有效提取出來。檢測時可根據測定目標的準分子離子峰（高精確質量數）、保留時間、同位素強度、同位素分布比例等信息，再結合內部積極的行業數據庫、材質信息以及專業知識推測出其分子式及分子結構[7]。同時通過儀器的信息依賴性掃描功能能夠對檢出物進行二次碰撞裂解，結合分析軟件以及有機小分子裂解規律對二級碎片進行印證解析確認，達到對未知化合物進行無標準品快速篩查定性，且理論上其目標物的掃描數量沒有限制，從而實現快速采集數據的高通量檢測[8]。高分子材料在合成過程中會生成聚合度較低的各類鏈狀、環狀低聚物及NIAS，這些物質大多具有較高的沸點，而且它們既沒有對照標準品也不包含在現有商業數據庫中。與氣相色譜-質譜（GC-MS）固有的局限性相比，UPLC-Q-TOF既能夠對高沸點和熱不穩定的物質進行有效檢測，同時采用軟電離的方式又能夠有效地得到分析目標的精確質量數信息（提供準分子離子峰），從而提高定性結果的可靠性，尤其適合復雜基質中痕量目標物的快速篩查分析。

近年來，在食品接觸材料領域，國內外科研人員已采用氣相色譜四級桿-飛行時間質譜（GC-Q-TOF）以及液相色譜-四級桿-飛行時間質譜（LC-Q-TOF）等高分辨質譜儀，對部分食品接觸材料中的風險物質進行了篩查識別，并取得了一定的研究成果，如Nerin[8-10]、杜振霞[11-12]、鐘懷寧[13-15]、夏伊寧[16-18]等課題組均對部分食品接觸材料中的可遷移物質進行了深入的非靶向篩查識別研究。由于非靶向篩查分析所需設備較為昂貴，對未知物解析專業難度較高，尚有很多類型的食品接觸材料，以及不同使用工況條件下的可遷移風險物質尚處于研究的初始階段，利用高分辨質譜對食品接觸材料在使用過程中遷移出來的有害物質，以及NIAS進行識別，對于我國食品接觸材料安全控制提供重要的數據支撐基礎。

本研究選取市面上正常流通的4種含PET材質的不同類型食品接觸材料產品，研究它們在4%乙酸、50%乙醇兩種常用的食品模擬物條件下的遷移場景。利用UPLC-Q-TOF對遷移出的風險物質進行篩查識別解析，并利用毒理學關注閾值法（TTC）對識別出的物質初步進行潛在風險歸類[19]。這既能豐富PET材質產品中可遷移風險物質數據庫的數量，也有助于為后續不同PET產品使用時的暴露風險評估提供數據支持。

1 實驗部分

1.1 主要原料

無水乙醇、甲酸銨，色譜純，中國上海安譜實驗科技股份有限公司；

甲醇，質譜純，中國上海安譜實驗科技股份有限公司；

冰醋酸，優級純，中國國藥集團化學試劑有限公司；

實驗用水為GB/T 6682—2016規定的一級水；

一次性針式注射器，5 mL，中國上海安譜實驗科技股份有限公司；

親水PTFE針式濾器，25 mm×0.22 μm，中國上海安譜實驗科技股份有限公司；

從市場上采集具有代表性的含PET材質的食品接觸材料樣品12批（4種類型，每種3批），其中包括PET共混3批、塑-塑復合（PET/PS/PE-EVOH）3批、鋁塑復合1（PET/Al/PET/NY/PE）3批、鋁-塑復合2（PET/Al/PET/PE-HD）3批，每個樣品平行采集3份。

1.2 主要設備及儀器

UPLC-Q-TOF，X500 R，配有 Waters T3（3.0×100 mm，2.7 μm）色譜柱，美國AB SCIEX公司；

萬分之一分析天平，XS 205DU，瑞士Mettler Toledo公司；

純水儀，Milli-Q Advantage，美國Millipore公司；

烘箱，F115D，德國賓德公司。

1.3 樣品制備

按 GB 31604.1—2015[20]和 GB 5009.156—2016[21]的要求，根據所采購產品所接觸的食品類型，分別采用4%（v/v）乙酸溶液模擬酸性食品，以及50%（v/v）乙醇溶液模擬酒精類食品，對含PET的食品接觸品進行遷移實驗（60°C，10 d），遷移試驗結束后，遷移試驗所得模擬物加入內標并充分混勻后，進行HPLC-Q-TOF篩查測試，為了減小各類空白及污染帶來的假陽性結果，每個樣品做3個平行樣進行測試，并做一個全流程遷移試驗空白測試，一個模擬物溶劑空白測試。

1.4 性能測試與結構表征

液相色譜條件：色譜柱：WatersT3（3.0mm×100mm，2.7 μm）；流動相：5.0 mmol/L甲酸銨的水溶液+甲醇；洗脫方式：梯度洗脫；流速：0.3 mL/min；柱溫：35°C；進樣量：2.0 μL。梯度洗脫條件如表1所示。

表1 液相色譜梯度洗脫條件Tab.1 The gradient elution conditions of HPLC

質譜條件：離子源：電噴霧離子源（ESI）；正離子模式：（a）離子源氣路1∶55 PSI；（b）氣簾氣：30 PSI；（c）CAD 氣：7 PSI；（d）溫度：550 °C；（e）TOF MASS掃描范圍：100～1 500 Da；（f）采集模式：IDA（信息依賴性采集）；（g）極性：正離子模式；（h）噴嘴電壓：5 500 V；（i）去簇電壓：60 V；（j）碰撞能量：10 V；（k）二級質譜掃描范圍：30～1 500 Da；（l）二級質譜去簇電壓：60 V；（m）二級質譜碰撞能量：35 V；（n）二級質譜調節范圍：15 V。負離子模式：除了極性選擇“負離子模式”，以及噴嘴電壓改為“-4 500 V”外，其他參數設置與正離子模式一致。測試過程中設置每進樣5針采用對應模式的校正液對儀器進行一次質量校正。

數據分析：本實驗采用SCIEX公司X500R儀器配套的OS軟件中，Analytics模塊，結合Finder模塊進行數據分析。主要以非靶向篩查的方式，對食品模擬物中的風險物質進行篩查定性解析。選擇全流程遷移空白樣以及測試平行樣作為數據組進行比較分析，設置峰面積對于空白樣6倍以上的響應目標進行解析。利用實驗室自建的數據庫，以及同行共享的行業數據庫中的質核比、二級裂解碎片與儀器檢測到的質核比、二級碎片進行匹配，若匹配度purity≥70，且準分子離子峰的質量精度誤差小于5 ppm時，可確認未知物的化學結構。對于不在數據庫中的物質，可根據OS軟件中非靶向分析處理步驟，根據一級譜圖信息以及所設置的元素組成，通過軟件推導出對應的可能分子式，同時注意同一保留時間條件下，可能同時存在[M+H]+、[M+NH4]+和[M+Na]+的準分子離子峰，從而能夠更加準確地推斷出其精確分子質量。對于部分物質，如甘油單酯類物質，還需要考慮其脫水的碎片[M+H-H2O]+為主要的一級質譜信息體現形式。然后對推斷出的各分子式進行 ChemSpider數據庫（www.chemspider.com）以及Chemical Book網站（www.chemicalbook.com）進行檢索，并結合樣品的材質組成、常見的添加劑等行業信息及專業知識，推測最可能的化學結構；然后進一步在軟件中導入該化學結構的MOL文件與儀器采集的二級裂解碎片進行比對，從而實現未知物的準確定性解析。

風險評估：我國針對食品模擬物中遷移出的各類風險物質，主要通過GB 9685—2016法規以肯定列表的形式規定了允許用于食品接觸材料中的各類化學物質及它們對應的特定遷移限量（SML）。由于數據的可及性，主要是對各類有意添加物進行了限定。而對于一些NIAS或者UAS，不在GB 9685—2016管控范圍內，則需要對它們進行危害評估，我們參考以TTC方法結合Cramer等建立的化學物質分類決策規則來進行，各類化學物質主要分為Cramer I（低毒）、Cramer II（中毒）、Cramer III（高毒）3個類別。同樣參考該方法，對所篩查解析出的物質進行初步歸類。

2 結果與討論

2.1 色譜條件的優化

根據文獻調研[18]和日常檢測經驗，最終選用適用性強、廣譜性的特殊封端、能耐100%水相的Waters T3（2.1 mm ×100 mm，2.7 μm）作為高通量篩查非揮發性物質的分析色譜柱。

由于食品接觸材料中可遷移的物質類型廣泛，沸點及極性分布也不盡相同中，有些在所采用離子源條件下容易電離，而有些則較難離子化，文獻調研了解到，在各類液相色譜-串聯質譜的檢測過程中，科研人員往往采用甲酸銨水溶液或者0.1%甲酸和甲醇作為流動相，以增強待測目標物的離子化強度以提高靈敏度。UPLCQ-TOF儀器雖然能夠識別保留時間疊加時的峰，獨立把每一個峰通過質譜軟件單獨處理識別出來，但是如果疊加太多的話會影響掃描次數，從而影響定性，因此需要設置一個梯度洗脫程序，洗脫能力由小到強，并且在強洗脫條件下保持一段時間，從而使極性不同的物質充分被洗脫并盡可能實現分離。此外，由于PET類材質會形成一些環狀寡聚物，這些環狀物質在離子化時，容易與分子體積極大的NH4+或Na+結合形成穩定的加合離子，更容易在正離子模式時產生[M+NH4]+峰，經過試驗發現，采用甲酸銨水溶液既能改善部分分析目標的色譜峰形，又能夠使一些環狀寡聚物得到穩定而又高響應強度的[M+NH4]+準分子離子峰，從而有助于定性識別以及提高重復性。因此選擇流動相時，以5.0 mmol/L的甲酸銨水溶液為水相，以甲醇溶劑為有機相，采用表1中的梯度洗脫條件，有利于各類極性不同的物質盡可能地有效分離，并產生高靈敏的質核比信號。

2.2 樣品測試結果分析

按照本實驗方法，對隨機采集的4類含PET材質食品接觸材料產品在4%乙酸、50%乙醇兩種食品模擬物中，在60°C，10 d的遷移測試條件下遷移后進行UPLCQ-TOF篩查測試。對遷移測試結果的一級母離子進行分子結構推導并通過分析軟件用二級碎片進行印證解析定性，必要時采用GC-MS對部分低沸點物質進行相互印證。典型樣品的正離子模式采集的色譜圖如圖1所示，代表性遷移物的裂解質譜碎片對應的結構解析示意圖如圖2～3所示。一共解析出38種非揮發性遷移物，4類產品的篩查結果如表2所示。

圖1 典型樣品在信息依賴性掃描（IDA）模式下的總離子流色譜圖Fig.1 The total ion chromatogram of the sample from IDA scaning

圖2 環[TPA+NPG+DDA+NPG]的裂解碎片高分辨質譜解析圖Fig.2 The cleavage mass spectrometry of Cy[TPA+NPG+DDA+NPG]

圖3 甲苯-2，4-二氨基甲酸二乙酯（TDI的二乙醇衍生物）的裂解碎片高分辨質譜解析圖Fig.3 The cleavage mass spectrometry of diethyl（4-methyl-1，3-phenylene）dicarbamate

表2 不同樣品的非靶向測試結果Tab.2 Non-target screening test results of the different samples

2.2.1 PET共混材質產品

對檢測結果進行分析可以看出，對于PET共混材質產品，它們在4%乙酸模擬物中沒有檢測出任何非揮發性物質，遷移風險極低，可以放心使用。在50%乙醇模擬物中，遷移出6種非揮發性物質，其中4種為PET的單體及寡聚物（1#～4#），它們是鏈狀的對苯二甲酸乙二醇酯，以及二聚、三聚產物；此外，還檢測出兩個NIAS物質（5#、6#），從解析結果上可以看出，它們分別是對應的遷移單體（1#）、二聚體（3#）上乙二醇單元被乙醇醇解取代的產物。可見，在50%乙醇模擬物中，由于乙醇具有較好的滲透性和對有機物的溶解性，能夠使食品接觸材料中的小分子更容易遷移出來；同時，在對遷移物的檢測過程中，也需要關注遷移出的物質是否會與乙醇發生醇解反應，必要時對其醇解產物進行檢測分析。

2.2.2 塑-塑復合產品（PET/PS/PE-EVOH）

從遷移測試結果可以看出，與PET共混產品類似，塑-塑復合產品在4%乙酸模擬物中并檢出可遷移非發性物質，可見在酸性食品中具有較高的使用安全性。在50%乙醇模擬物中，篩查到的遷移物質有抗氧劑1076（8#）、抗氧劑168的氧化產物（9#）、二乙醇胺類乳化增稠劑（10#～15#）以及油酸（7#）。上述遷移結果表明，并未發現PET層中物質產物遷移的現象，所檢測到的遷移物質主要來自PE-EVOH層材質中的各類添加劑及加工助劑，如抗氧劑、增稠劑、潤滑劑等，以及它們的降解產物，可見此類塑-塑復合產品，其PS層具有良好的阻隔性功能，只需要重點關注食品接觸層的遷移風險。對遷移物質毒性分類來看，雖然食品接觸層PEEVOH中的各類加工助劑的毒性較小，但是它們的降解產物（NIAS），例如抗氧劑168在生產、使用過程中被氧化之后的產物（9#）具有較高的毒性（Cramer III）。這些氧化降解新生成的NIAS需要我們特別關注，尤其是對于嬰幼兒產品，必要時需將抗氧劑氧化產物的遷移納入風險監測范圍。

2.2.3 鋁-塑復合

對于鋁-塑復合產品，本文監測了兩類不同的鋁塑復合產品，其中鋁塑復合產品1（PET/Al/PET/NY/PE）遷移出的非揮發性物質最多，在50%乙醇模擬物中，其遷移出的寡聚物中鏈狀的對苯二甲酸乙二醇酯形成的寡聚物（1#～4#），同時發現有PET的合成單體經部分改性替換后的寡聚物（16#～26#），主要體現為將對苯二甲酸部分（親電體）采用己二酸替換，而乙二醇部分（親核體）采用新戊二醇替換，從結構上來看，可能原因是己二酸以及新戊二醇均為柔性鏈狀結構，能夠增強塑料層的延展性和加工性能，有助于形成的聚合物與金屬鋁進行復合。此外，還檢測到抗氧劑168的氧化產物（9#）以及潤滑劑的遷移（27#～31#），這兩類物質主要來自于PE層。有所不同的是，在4%乙酸模擬物中，同樣看到部分改性單體寡聚物的遷移發生（17#～20#、23#）說明鋁塑復合產品在4%乙酸模擬物中的遷移風險要大于塑-塑復合產品，其可能原因為金屬與塑料進行復合，塑料層與金屬層結合的均勻性、相容性要差于塑-塑復合，導致乙酸食品模擬物也能發生滲透致使塑料層中有害物質發生遷移。

對于鋁塑復合產品2（PET/Al/PET/PE-HD）分析可知，在50%乙醇模擬物中，其主要遷移出的非揮發性物質為各類寡聚物，包括鏈狀的對苯二甲酸乙二醇酯寡聚物（1#～4#），以及改性的環狀寡聚物（32#～37#），與鋁塑復合1類似，該產品中PET層也是采用了部分改性，在傳統的PET合成中加入了柔性的癸二酸單元和新戊二醇單元，其主要聚合單體為對苯二甲酸、癸二酸、乙二醇、新戊二醇。因此，這些單體采用不同方式組合而成的環狀寡聚體在50%乙醇條件下發生了遷移。此外，對于鋁-塑復合產品2，除了環狀寡聚體發生遷移外，還篩查出一個產品膠黏劑合成單體發生遷移后的醇解產物（38#），結合前期殘留量篩查結果綜合分析，結果表明該物質為產品中的膠黏劑單體甲苯-2，4-二異腈酸酯發生了遷移，由于異腈酸酯基團活性較高，因此進一步與乙醇發生了加成反應（質譜碎片解析見圖3）。毒理學數據表明，該物質屬于高毒類物質（Cramer III），具有較大的遷移風險，需要進一步監測其遷移行為，結合生產工藝進行優化改進，消除其遷移風險。

從上述4類不同產品的遷移測試結果可以看出，對于含PET材質的食品接觸產品，它們在50%乙醇模擬物中的可遷移非揮發性物質遠多于4%乙酸模擬物，僅鋁-塑復合產品1中有發現少量的遷移物質。因此后續在產品風險控制時可以優先進行50%乙醇模擬物的遷移風險監測，若50%食品模擬物中沒有遷移風險則無需進行4%乙酸遷移測試，節約時間和經濟成本。對于不同的PET材質的產品而言，鋁-塑復合產品的遷移風險要大于塑-塑復合，純PET產品的遷移風險最小。此外，材質中遷移出的物質，可能會與乙醇發生反應，或者發生降解氧化，因此在風險控制時，需要對產品中的抗氧劑氧化產物，聚合單體與乙醇發生反應的產物進行關注。

3 結論

（1）對于含PET材質的產品，復合材質（鋁-塑復合、塑-塑復合）中可遷移物質要高于純PET產品，其中鋁-塑復合的產品遷移物質種類多，類別復雜；

（2）這4類產品在4%酸模擬物中的遷移物質種類、數量等遷移風險要遠遠小于50%的乙醇；

（3）PET材質可能有添加不同的單體進行改性，如己二酸、癸二酸、新戊二醇，尤其可能用于含PET的復合材質產品當中，它們的遷移風險也需要考慮；

（4）純PET產品主要是各類單體寡聚物遷移至模擬物中，而復合材料，除了單體/寡聚物外，還會有一些膠黏劑、抗氧劑、潤滑劑等其他成分遷移出來；

（5）材料中的加工助劑，如抗氧劑168，容易形成被氧化的產物，而寡聚物或二氰酸酯等物質，在遷移過程中可能與模擬物中的乙醇發生反應，生成風險較大的NIAS物質。

綜上所述，部分物質具有較大的潛在遷移風險，需要進行適當的關注。接下來我們將進一步對篩查出的潛在高風險物質進行定量檢測及遷移規律研究，為檢測機構和相關監管部門評估含PET的食品接觸材料中可遷移物質的風險性提供技術支持，為食品企業以監管部門提供數據支撐，為消費者的健康安全起到保護作用。