酸性食品模擬物對(duì)金屬罐甲醛遷移的適用性研究

馬俊杰,仇凱,朱蕾,李倩云,邢航,張泓*,路秋勉,邱遜,徐彤彤,吳剛*

1(中國(guó)食品發(fā)酵工業(yè)研究院有限公司,北京,100015) 2(國(guó)家食品安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中心,北京,100022)3(義烏市易開(kāi)蓋實(shí)業(yè)公司,浙江 義烏,322000)

涂層金屬罐被用來(lái)作為食品延長(zhǎng)保質(zhì)期的有效包裝,具有悠久的歷史。罐裝食品的貨架期可長(zhǎng)達(dá)1、2年,甚至更長(zhǎng)[1]。為了防止金屬罐與食品發(fā)生相互作用,通常會(huì)在金屬罐內(nèi)壁涂覆一層聚合物涂層[2]。目前,金屬罐內(nèi)涂層主要采用酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂以及乙烯基有機(jī)溶膠(聚氯乙烯)等涂料[3-6]。

為了評(píng)估涂層金屬罐的食品安全,許多研究者展開(kāi)了對(duì)涂層金屬罐中包括甲醛在內(nèi)的一些高關(guān)注物質(zhì)的檢測(cè)及遷移規(guī)律的研究[4,5,7-16]。一些研究者稱(chēng),在對(duì)金屬罐進(jìn)行遷移測(cè)試時(shí),采用乙酸溶液作為食品模擬物會(huì)使金屬罐發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕[1,15,17],而灌裝真實(shí)食品的金屬罐卻不會(huì)發(fā)生腐蝕。GB 31604.1—2015《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品接觸材料及制品遷移試驗(yàn)通則》的一個(gè)關(guān)鍵原則是遷移測(cè)試不應(yīng)使測(cè)試樣品發(fā)生物理或其他變化。因此,采用乙酸溶液作為酸性食品用金屬罐的食品模擬物可能存在適用性問(wèn)題。

對(duì)于涂層金屬罐遷移測(cè)試所用的酸性食品模擬物,各國(guó)家或地區(qū)進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定。歐盟發(fā)布了EU 10/2011[18],規(guī)定了塑料制品以30 g/L乙酸作為酸性食品的食品模擬物,并未單獨(dú)對(duì)涂層金屬罐的食品模擬物進(jìn)行規(guī)定;而在2013年,歐盟[19]為了確保與食品直接接觸的金屬包裝材料的穩(wěn)定性和安全性,使用5 g/L檸檬酸(pH 2.4)代替(31.5 g/L醋酸、pH 2.4)模擬酸性食品;美國(guó)Guidance for Industry:Preparation of Premarket Submissions for Food Contact Substances (Chemistry Recommendations) DECEMBER 2007[20]中規(guī)定了金屬容器以10%(體積分?jǐn)?shù))乙醇作為酸性食品的食品模擬物;韓國(guó)Standards and Specifications for Food Utensils, Containers and Packages[21]中規(guī)定了pH≤5的酸性食品測(cè)定總遷移量時(shí)食品模擬物為4%(體積分?jǐn)?shù),下同)乙酸,金屬容器罐裝pH≤5的酸性食品測(cè)定金屬元素時(shí)采用食品模擬物5 g/L檸檬酸溶液(用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至3.5)。日本法規(guī)[22]與韓國(guó)法規(guī)類(lèi)似。GB 31604.1—2015規(guī)定了pH<5的酸性食品測(cè)定總遷移量與特定遷移量的食品模擬物為4%乙酸,而GB 4806.9—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品接觸用金屬材料及制品》規(guī)定金屬制品罐裝pH<5的酸性食品,采用食品模擬物5 g/L檸檬酸溶液測(cè)定金屬元素。

國(guó)際可持續(xù)發(fā)展聯(lián)盟TSC34[23]建議,對(duì)于涂層金屬罐可使用10%(體積分?jǐn)?shù),下同)乙醇溶液替換30 g/L乙酸開(kāi)展總遷移測(cè)試,30 g/L乙酸仍可用于特定遷移測(cè)試。歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)發(fā)布的技術(shù)規(guī)范文件DD CEN/TS 14235—2002[24]指出,當(dāng)涂層金屬罐出現(xiàn)腐蝕情況時(shí),30 g/L乙酸不適合作為該類(lèi)材質(zhì)的酸性食品模擬物。另外,一些專(zhuān)家則建議對(duì)于不發(fā)生腐蝕的金屬罐可以仍采用4%或30 g/L乙酸作為模擬液,發(fā)生腐蝕的金屬罐采用5 g/L檸檬酸替代30 g/L乙酸作為酸性食品模擬物。因此,針對(duì)涂層金屬罐酸性食品模擬物選擇的問(wèn)題,有必要對(duì)酸性食品模擬物適用性進(jìn)行研究。

本研究首先調(diào)查了灌裝4%乙酸的21種金屬空罐在遷移測(cè)試后(60 ℃,10 d)的腐蝕情況。對(duì)發(fā)生腐蝕與未發(fā)生腐蝕的空罐及實(shí)罐樣品,分別使用6種溶液[10%乙醇、3 g/L檸檬酸、5 g/L檸檬酸、1%(體積分?jǐn)?shù))乙酸、3%(體積分?jǐn)?shù))乙酸和4%乙酸]作為酸性食品模擬物進(jìn)行遷移測(cè)試,采用高效液相色譜法檢測(cè)食品模擬物中甲醛的遷移量和真實(shí)酸性罐裝食品中的甲醛含量,并將結(jié)果進(jìn)行比較分析,以評(píng)估6種溶液作為金屬罐酸性食品模擬物的適用性。本研究旨在為金屬容器罐裝酸性食品時(shí)選擇食品模擬物提供數(shù)據(jù)支撐,為中國(guó)酸性食品用金屬容器遷移試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 試劑

甲醛標(biāo)準(zhǔn)品(10 000 mg/L),上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司;2,4-二硝基苯肼(2,4-dinitrophenylhydrazine, DNPH),西格瑪奧德里奇貿(mào)易有限公司;磷酸(分析純)、檸檬酸(色譜純),北京化工廠(chǎng);冰乙酸(分析純),天津市大茂化學(xué)試劑廠(chǎng);甲醇、乙腈、無(wú)水乙醇(色譜純),北京諾其雅盛生物科技有限公司;無(wú)水硫酸鈉(分析純),天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司。

1.1.2 樣品

為了研究的科學(xué)性,本次實(shí)驗(yàn)的樣品根據(jù)食品類(lèi)型、食品pH、金屬罐材質(zhì)及涂層類(lèi)型進(jìn)行選擇。具體選擇用于盛裝典型酸性食品(pH<4.6)的金屬空罐(鍍錫薄鋼板和鋁材)和對(duì)應(yīng)的同批次罐裝食品(新生產(chǎn)的),選擇的食品類(lèi)型包括水果罐頭、蔬菜罐頭、飲料、酒類(lèi)作為實(shí)驗(yàn)樣品。涂層材料為環(huán)氧酚醛和環(huán)氧改性丙烯酸樹(shù)脂。本實(shí)驗(yàn)所用收集的罐裝食品及相應(yīng)的金屬空罐均由罐裝食品企業(yè)提供,其中罐裝食品均為新出廠(chǎng)的產(chǎn)品。罐裝食品樣品信息見(jiàn)表1。

表1 食品樣品信息

1.1.3 儀器與設(shè)備

電熱恒溫干燥箱,吳江市亞太電熱設(shè)備有限公司;AB201-N分析天平(感量為0.1 mg),梅特勒一托利多儀器廠(chǎng);PHS-3C型酸度計(jì),上海雷磁有限公司;YXQ-LS-50A全自動(dòng)立式電熱壓力蒸汽滅菌器,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠(chǎng);LC-20AD型高效液相色譜-紫外檢測(cè)器,日本島津儀器有限公司;超純水發(fā)生器,美國(guó)Millipore公司;YI-DER-400 內(nèi)涂膜完整性測(cè)試儀,肇慶市易測(cè)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 內(nèi)涂膜完整性試驗(yàn)

按照GB/T 14251—2017《罐頭食品金屬容器通用技術(shù)要求》規(guī)定的試驗(yàn)方法,測(cè)試21種金屬空罐的缺陷電流值。每組3個(gè)平行。

1.2.2 食品模擬物的選擇

本次研究收集的罐裝食品均為pH<5的酸性食品,根據(jù)GB 31604.1—2015的相關(guān)規(guī)定,應(yīng)選擇4%乙酸作為酸性食品模擬物進(jìn)行遷移試驗(yàn)。參考其他國(guó)家和地區(qū)的相關(guān)要求,本次研究還選取了5 g/L檸檬酸、10%乙醇、1%乙酸、3%乙酸以及3 g/L檸檬酸等酸性溶液進(jìn)行甲醛遷移量的測(cè)定,以研究酸性食品模擬物。

1.2.3 甲醛遷移量的測(cè)定

涂層金屬罐先用清水沖洗后用餐具洗滌劑清洗,再用清水反復(fù)沖洗后,用蒸餾水沖2～3次,置于烘箱中烘干。清洗后的樣品分別罐裝不同的食品模擬物,金屬罐的灌裝體積與對(duì)應(yīng)罐裝食品的體積保持一致。根據(jù)實(shí)際的滅菌條件(參見(jiàn)表1),先對(duì)灌裝食品模擬物后的金屬罐進(jìn)行滅菌處理,再放入烘箱中進(jìn)行60 ℃、10 d遷移試驗(yàn)。已滅菌處理的罐裝食品在60 ℃烘箱中放置10 d。遷移結(jié)束后,采用我們先前建立的方法[12]檢測(cè)甲醛的遷移量。

1.2.4 罐裝食品中甲醛含量的測(cè)定

將罐裝食品放入烘箱中,并在60 ℃條件下放置10 d。將樣品取出后冷卻至室溫,準(zhǔn)確稱(chēng)取均質(zhì)樣品(2.0±0.01) g,置于20 mL具塞塑料離心管中,用3 mg/mL的DNPH衍生化試劑定容至10 mL。旋緊塞子,渦旋混勻后置于60 ℃恒溫振蕩器中,振蕩1 h后取出冷卻至室溫。將提取液以不低于5 000 r/min離心5 min。用0.22 μm有機(jī)濾膜過(guò)濾,濾液待HPLC測(cè)定,色譜條件與空罐中甲醛遷移量的測(cè)定相同。每組3個(gè)平行,同時(shí)做空白對(duì)照。為了避免食品的基質(zhì)效應(yīng),采用相同類(lèi)型的非金屬罐裝食品作為空白基質(zhì),再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)繪制和測(cè)定。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

利用島津LC Solution和LC MS Solution軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,使用Origin 2019軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)涂膜完整性試驗(yàn)結(jié)果

缺陷電流值是內(nèi)涂膜完整性的表征指標(biāo)之一,因原材料或加工過(guò)程中引起的內(nèi)涂膜表面出現(xiàn)的微孔或損傷而引起的傳導(dǎo)電流值,電流值越小,表明內(nèi)涂膜完整性越好。由于生產(chǎn)加工過(guò)程導(dǎo)致金屬罐內(nèi)涂膜完整性受損等缺陷會(huì)降低金屬罐的耐腐蝕性,為了排除這一影響因素,隨機(jī)抽取實(shí)驗(yàn)樣品,進(jìn)行內(nèi)涂膜完整性測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示,所有樣品內(nèi)涂膜均滿(mǎn)足GB/T 14251—2017的要求(單個(gè)電流值≤15 mA、平均值≤8 mA),表明所有樣品內(nèi)涂膜完整性良好,排除了因涂布和涂膜固化過(guò)程引起的涂層損傷。

2.2 感官試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)灌裝食品模擬物1%、3%和4%乙酸溶液、(3、5 g/L)檸檬酸溶液和10%乙醇的金屬罐和同批次真實(shí)罐裝食品完成遷移測(cè)試(60 ℃,10 d)后,觀(guān)察并記錄所有空罐的腐蝕情況,見(jiàn)表2。

表2 金屬罐腐蝕情況

在21種金屬罐中,灌裝(3、5 g/L)檸檬酸溶液和10%乙醇的所有測(cè)試金屬罐均未發(fā)現(xiàn)腐蝕情況。其中編號(hào)為1、9、14和15的空罐在灌裝1%、3%和4%乙酸溶液時(shí),罐身及罐底處均發(fā)生不同程度的腐蝕,且隨著乙酸溶液濃度的增加腐蝕程度加劇。灌裝4%乙酸溶液時(shí),罐內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重并發(fā)生膜的脫落。然而,在相同的遷移測(cè)試條件下,所有灌裝真實(shí)食品的金屬罐均未發(fā)生腐蝕。

2.3 方法驗(yàn)證

分別使用食品模擬物和食品基質(zhì)進(jìn)行配制標(biāo)準(zhǔn)溶液,繪制不同食品模擬物和不同基質(zhì)的罐裝酸性食品下的甲醛標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn),得到線(xiàn)性方程回歸方程和檢出限(limit of detection,LOD)、定量限(limit of quantification,LOQ),以3倍信噪比來(lái)計(jì)算檢出限,以10倍信噪比來(lái)計(jì)算定量限。結(jié)果如表3所示。

表3 甲醛在食品模擬物和食品中的線(xiàn)性關(guān)系和檢出限及定量限

由表3可知,甲醛在質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線(xiàn)性關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)R>0.99,在食品模擬物中檢出限為0.001 7～0.005 9 mg/kg,定量限為0.005 7～0.019 6 mg/kg;在真實(shí)食品中,檢出限為0.009 9～0.043 mg/kg,定量限為0.033 0～0.143 3 mg/kg。為了確保結(jié)果的可靠性,計(jì)算了平均回收率和精密度。甲醛在濃度范圍內(nèi)線(xiàn)性關(guān)系良好,平均回收率為80.22%～107.41%,重復(fù)測(cè)定6次的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation,RSD)小于6.57%。方法的精密度和準(zhǔn)確度滿(mǎn)足本研究定量分析要求。

2.4 樣品測(cè)試

將同一批次的金屬罐裝食品模擬物中遷移出的甲醛與罐裝食品中的甲醛含量進(jìn)行比較。為了確保罐裝食品中的甲醛來(lái)自金屬包裝容器而非食品本底,本研究檢測(cè)了未經(jīng)過(guò)保溫試驗(yàn)和經(jīng)過(guò)60 ℃保溫10 d的罐裝食品中的甲醛,并將經(jīng)過(guò)60 ℃、10 d的罐裝食品中遷移出的甲醛減去未經(jīng)過(guò)保溫試驗(yàn)的罐裝食品中的甲醛。對(duì)不同食品用金屬容器罐裝不同食品模擬物和食品中的甲醛遷移量進(jìn)行檢測(cè),測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 食品模擬物和真實(shí)食品中的甲醛遷移量 單位:mg/kg

根據(jù)表4可知,對(duì)于21種樣品,在食品模擬物和真實(shí)食品中均檢測(cè)到甲醛。其中1號(hào)樣品因灌裝乙酸溶液后腐蝕程度嚴(yán)重,未進(jìn)行甲醛遷移量的測(cè)定。對(duì)于乙酸溶液,隨著乙酸濃度的增大,不同的金屬罐中遷移出的甲醛含量依次升高;對(duì)于檸檬酸,不同的金屬罐中灌裝5 g/L檸檬酸比3 g/L檸檬酸中遷移出的甲醛高。編號(hào)為2、8、19號(hào)樣品灌裝4%乙酸后甲醛遷移量均超過(guò)了GB 9685—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品接觸材料及制品用添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的甲醛遷移限量值(15 mg/kg)。真實(shí)食品中的甲醛含量均未超過(guò)限量要求。

2.5 腐蝕樣品中甲醛向不同食品模擬物的遷移

對(duì)灌裝4%乙酸后發(fā)生腐蝕的3種樣品(編號(hào)為9、14和15的樣品)進(jìn)行不同酸性食品模擬物的適用性研究(1號(hào)樣品因腐蝕程度嚴(yán)重,未進(jìn)行物質(zhì)遷移量的測(cè)定)。以甲醛為遷移目標(biāo)物質(zhì),通過(guò)比較甲醛在不同食品模擬物[(3、5 g/L)檸檬酸溶液、10%乙醇]中的遷移量與同批次罐裝食品中甲醛含量,探索適用于發(fā)生腐蝕金屬罐中甲醛特定遷移測(cè)試的酸性食品模擬物。

圖1顯示了腐蝕樣品中甲醛在不同食品模擬物中的遷移情況。不同體積分?jǐn)?shù)的1%、3%、4%乙酸溶液均會(huì)導(dǎo)致金屬罐發(fā)生不同程度的腐蝕。而在3%、4%乙酸中,甲醛遷移量明顯高于真實(shí)食品及檸檬酸溶液中的遷移量,這可能是由于金屬罐的內(nèi)部發(fā)生腐蝕從而促進(jìn)了甲醛的遷移[2,25]。對(duì)于10%乙醇,在編號(hào)為9和15兩種樣品中,10%乙醇中甲醛遷移量略高于真實(shí)食品。而在14號(hào)樣品中,10%乙醇中甲醛遷移量略低于真實(shí)食品中的甲醛含量。由于10%乙醇作為食品模擬物會(huì)導(dǎo)致對(duì)真實(shí)食品中甲醛的低估,因此不建議使用10%乙醇作為此類(lèi)產(chǎn)品的酸性食品模擬物。對(duì)于檸檬酸溶液,3、5 g/L檸檬酸中甲醛遷移量無(wú)顯著差異,均略高于真實(shí)食品中的。盡管食品模擬物中物質(zhì)的遷移量高于真實(shí)食品中的物質(zhì)含量有些保守,但從食品安全風(fēng)險(xiǎn)控制的角度考慮是有益的。綜上所述,對(duì)于灌裝4%乙酸后發(fā)生蝕腐的樣品,就金屬罐中甲醛的特定遷移測(cè)試而言,建議選擇5 g/L檸檬酸溶液作為酸性食品模擬物,該建議與日本和韓國(guó)相應(yīng)的法規(guī)(5 g/L檸檬酸)一致[21-22]。

圖1 腐蝕樣品中甲醛在食品模擬物和真實(shí)食品中的遷移量

2.6 未腐蝕樣品中甲醛向不同食品模擬物的遷移

對(duì)未發(fā)生腐蝕樣品進(jìn)行不同酸性食品模擬物的適用性研究,通過(guò)對(duì)17種未發(fā)生腐蝕的金屬罐中甲醛的遷移量和真實(shí)食品中甲醛含量進(jìn)行比較,探索適用于未發(fā)生腐蝕金屬罐特定遷移測(cè)試的酸性食品模擬物。根據(jù)食品模擬物中目標(biāo)物遷移量大于、等于或者小于食品中目標(biāo)物含量分類(lèi)并統(tǒng)計(jì)樣品數(shù)量,具體結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同食品模擬物對(duì)未腐蝕樣品中甲醛遷移量的模擬情況

表5顯示,對(duì)于10%乙醇,17種食品模擬物樣品中甲醛遷移量均低于真實(shí)食品中的甲醛含量。這表明,使用10%乙醇進(jìn)行甲醛遷移量測(cè)試的結(jié)果會(huì)低估實(shí)際情況,因此不適合作為酸性食品模擬物。對(duì)于5 g/L檸檬酸,有15種食品模擬物樣品中甲醛遷移量明顯低于真實(shí)食品中的,2種樣品中甲醛遷移量高于真實(shí)食品中的。說(shuō)明5 g/L檸檬酸也不適用于涂層金屬罐中甲醛遷移量的酸性食品模擬物。3 g/L檸檬酸由于酸性更低,僅有1種食品模擬物樣品的甲醛遷移量高于真實(shí)食品,其余樣品中甲醛遷移量均低于真實(shí)食品。對(duì)于4%乙酸,有3種樣品中甲醛遷移量低于真實(shí)食品,14種樣品中甲醛遷移量高于或等于真實(shí)食品。表明4%乙酸會(huì)導(dǎo)致對(duì)多數(shù)真實(shí)食品內(nèi)容物中的甲醛遷移量的高估。而采用3%乙酸作為食品模擬物時(shí),分別有10種樣品中甲醛的遷移量低于真實(shí)食品中的,7種樣品中甲醛的遷移量高于真實(shí)食品中的。采用體積分?jǐn)?shù)更低的1%乙酸時(shí),有12種樣品中甲醛遷移量低于真實(shí)食品,有5種樣品中甲醛遷移量高于真實(shí)食品。

通過(guò)對(duì)比10%乙醇、3 g/L與5 g/L檸檬酸溶、1%乙酸、3%乙酸以及4%乙酸6種模擬物對(duì)空罐中甲醛遷移量與真實(shí)食品中甲醛的含量,除4%乙酸外,與真實(shí)食品比較,幾種溶液均會(huì)低估大多數(shù)樣品中甲醛的含量。盡管4%乙酸的甲醛遷移結(jié)果會(huì)導(dǎo)致對(duì)真實(shí)食品中甲醛含量的高估,但從食品安全風(fēng)險(xiǎn)控制角度,建議仍選擇4%乙酸作為酸性模擬物,與現(xiàn)有的法規(guī)保持一致。

3 結(jié)論

本文調(diào)查了灌裝4%乙酸的21種金屬空罐在遷移測(cè)試后(60 ℃,10 d)的腐蝕情況。對(duì)腐蝕與未腐蝕的金屬罐,分別評(píng)估了6種溶液(1%乙酸、3%乙酸、4%乙酸、3 g/L檸檬酸、5 g/L檸檬酸與10%乙醇)作為酸性食品模擬物的適用性。4%乙酸作為食品模擬物會(huì)造成金屬罐的腐蝕(腐蝕樣品占比19%),而灌裝真實(shí)食品時(shí)金屬罐并未出現(xiàn)腐蝕情況。對(duì)于發(fā)生腐蝕的樣品,4%乙酸溶液中甲醛遷移量遠(yuǎn)高于真實(shí)食品中的甲醛含量。就甲醛特定遷移測(cè)試而言,5 g/L檸檬酸溶液中甲醛遷移量略高于真實(shí)食品中的,能做到對(duì)4%乙酸的有效代替。對(duì)于未腐蝕的樣品,10%乙醇、3 g/L和5 g/L檸檬酸會(huì)低估大多數(shù)樣品灌裝真實(shí)食品中的甲醛遷移量,不建議作為酸性食品模擬物。盡管4%乙酸獲得的甲醛遷移結(jié)果高估真實(shí)食品中的,但從食品安全風(fēng)險(xiǎn)控制角度,建議仍選擇4%乙酸作為酸性模擬物用于空罐中甲醛遷移量測(cè)定,與現(xiàn)有的法規(guī)保持一致。本研究為涂層金屬罐的酸性食品模擬物的選擇提供參考。