纸基包装材料中抗氧化剂及增塑剂向干性食品模拟物Tenax TA迁移的研究

韩　伟，于艳军，赵　青，李宁涛，王利兵

(1.天津出入境检验检疫局　工业产品安全技术中心，天津　300308；2.湖南出入境检验检疫局　检验检疫技术中心，湖南　长沙　410004)



纸基包装材料中抗氧化剂及增塑剂向干性食品模拟物Tenax TA迁移的研究

韩伟1，于艳军1，赵青1，李宁涛1，王利兵2*

(1.天津出入境检验检疫局工业产品安全技术中心，天津300308；2.湖南出入境检验检疫局检验检疫技术中心，湖南长沙410004)

采用改性聚苯醚多孔聚合物微球Tenax TA为干性食品模拟物，用于纤维素纸基食品接触材料中3-叔丁基-4-羟基苯甲醚(BHA)、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)和邻苯二甲酸二环己酯(DCP)向Tenax TA迁移的研究，以超高效液相色谱进行测定。迁移试验以白卡纸和牛皮纸为研究对象，通过设计不同迁移时间和迁移温度下3种目标物向Tenax TA迁移的实验，获取有机化合物从纸基纤维素向Tenax TA迁移的规律。结果表明，有机化合物从纸基材料向多孔聚合物微球的迁移经历了气体吸附和脱附两个步骤。在Tenax TA吸附目标化合物的过程中，纤维素纸基材料的微观孔径尺寸越大，与迁移物的相互作用越小，迁移物迁移的速率越大，Tenax TA的吸附效率越高；当吸附达到平衡后，迁移时间的延长会引发Tenax TA中迁移物的脱附，进而导致目标化合物的迁移率下降。对45种纸基食品接触材料中目标迁移物的筛查表明，BHA和DCP分别存在于两种不同类型的纸基食品接触材料中，迁移量分别为0.027 μg/dm2和0.81 μg/dm2，均小于欧盟指令规定的特定迁移限量。

纸；食品接触材料；抗氧化剂；增塑剂；干性食品模拟物；Tenax TA；迁移；超高效液相色谱

2011年1月14日，欧盟委员会颁布了旨在废除原2002/72/EC指令和替代原82/711/EEC、85/572/EEC指令的关于塑料食品接触材料允许使用物质清单的新指令(EU) No 10/2011[1]。新指令明确规定了使用聚(2,6-二苯基对苯醚)多孔微球(微球粒径60～80目，孔直径200 nm，简称聚苯醚多孔微球)来模拟干性食品进行迁移试验的要求。由于食品接触材料中迁移物向干性模拟物以蒸发和吸附为主的迁移方式与向液态模拟物以界面扩散为主的迁移方式有着显著区别[2]，因此聚苯醚多孔微球的应用填补了干性食品(包括坚果、谷物、糖果、奶粉、固态调料、烘培面包类、冷冻蔬菜等)缺乏合适模拟物进行迁移实验的空白。

在该指令颁布前，欧盟主要国家和地区已采用不同的干性食品作为模拟物进行迁移试验研究。意大利的Mariani等[3]采用糙米、面粉、鸡蛋粉和玉米粉作为模拟物，对纸和纸板中二异丙基萘的迁移规律进行研究；希腊的Triantafyllou等[4]采用小麦粉和全脂奶粉对回收包装材料中10种典型有机污染物的迁移规律进行了研究；西班牙的López等[5]则采用全脂和脱脂奶粉作为模拟物对塑料容器在高温下挥发性有机物(VOCs)的迁移行为进行了研究。以干性食品作为模拟物，可以真实地模拟食品接触材料中有害物质向食品迁移的行为与规律，更加精确地评价食品接触材料的暴露水平；然而，由于干性食品在后期有害物质的提取和释放过程中存在基质成分复杂和干扰严重的问题[6]，因此人们更加倾向采用结构相对简单且在高温下稳定的多孔聚合物微球作为模拟物进行迁移物研究[7-12]。在已试验的模拟物中，聚苯醚微球具有吸附力强、高温稳定和可重复利用等特点，欧盟在其EN 14338标准中将改性聚苯醚推荐为干性食品模拟物的标准进行了规范应用[13]。

近年来，我国在参照欧盟标准体系基础上对食品接触材料制定了一系列行业和国家标准。由于欧盟新指令10/2011的颁布实施，我国部分国家&行业标准的内容也需随之做出相应的更改和补充，尤其在食品模拟物种类和迁移试验方法的标准修订方面。在参照EN 14338和其他干性食品模拟物迁移研究的基础上，本课题组在干性食品模拟物的筛选和应用上也做了新尝试[14-15]。在前期试验基础上，本文采用改性聚苯醚多孔微球(Tenax TA)为模拟物，对应用于纸塑复合食品接触材料中的3-叔丁基-4-羟基苯甲醚(BHA，特定迁移量SML=0.06 mg/dm2)、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT，SML=0.06 mg/dm2)和邻苯二甲酸二环己酯(DCP，SML=4.0 mg/dm2)[16]向Tenax TA的迁移规律进行研究。研究结果揭示了典型的邻苯类增塑剂和酚类抗氧化剂从纸基食品接触材料向干性食品模拟物迁移的规律，同时也为我国建立相应的干性食品模拟物应用指南和迁移试验方法提供了参考。

1　实验部分

1.1仪器与试剂

Waters ACQUITY UPLC®(Waters公司，美国)，配二极管阵列检测器(PDA)和荧光检测器(FLR)，EmpowerTM(2.0版本)工作站；3913型恒温恒湿箱(Thermo Scientific公司，美国)；Allegra X-30R型高速离心机(Beckman Coulter公司，德国)；KQ-800KDE型超声波萃取器(昆山超声仪器有限公司)；30 mL迁移试验用玻璃罐(Fisher公司，配聚氯乙烯盖，盖直径40 mm，罐口直径35 mm)。

BHA(纯度>98.0%,TCI公司)，BHT(99.8%,Acros公司)，DCP(99%,Damas-beta®公司)，Tenax TA(60/80目,Supelco公司)，甲醇(HPLC级，Dikma公司)，丙酮(分析纯，天津市化学试剂三厂)。实验用水由Milli-Q Integral 10系统制备。Tenax TA在使用前分别以甲醇和丙酮索氏萃取8 h，然后置于160 ℃烘箱中干燥6 h，晾干后备用[17]。牛皮纸和白卡纸来源于天津本地食品包装生产企业，用于大豆蛋白粉和乳酪的包装，其厚度分别为117，456 μm，密度分别为0.718 6，0.695 1 g/cm3，克重分别为84.08，317.96 g/m2。纸质原样在室温和恒湿环境中静置24 h后用裁纸刀裁成直径为40 mm的圆片备用。

1.2色谱条件

色谱柱：ACQUITY UPLC BEH C18柱(50 mm×2.1 mm，1.7 μm)；流动相：甲醇-水(78∶22)；等度洗脱；流速：0.2 mL/min；检测波长：BHT(PDA，λabs=276 nm)，DCP(PDA，λabs=227 nm)，BHA(FLR，λex=290 nm，λem=320 nm)；进样体积：5 μL；柱温：30 ℃。

1.3标准溶液配制

分别称取0.25 g的BHA，BHT和DCP于10 mL烧杯中，用少量甲醇溶解后转移至500 mL容量瓶中，用甲醇定容得到500 mg/L的标准储备溶液。移取2 mL标准储备溶液于100 mL容量瓶中，用甲醇定容得到10 mg/L的标准中间溶液，置于4 ℃冰箱中保存，备用。

1.4迁移试验方法

1.4.1阳性样品制备将直径为40 mm的牛皮纸和白卡纸圆片置于250 mL广口瓶中后，加入100 mL 500 mg/L的标准储备溶液，室温静置2 h后将圆片取出，置于阴凉干燥处晾干。牛皮纸和白卡纸分别平行制样6次。

1.4.2阳性样品处理将牛皮纸和白卡纸阳性样品裁剪成碎片后转移至10 mL小瓶中，加入20 mL甲醇振荡使碎片完全浸润其中，然后在超声萃取器中萃取30 min，待碎片沉底后用注射器抽取少许上层萃取液，过0.22 μm滤膜，滤液经UPLC-PDA/FLR分析以确定BHA，BHT和DCP在阳性样品中的初始含量。1.4.3迁移试验将两种纸样的阳性样品装入玻璃罐罐盖中，按4.16 g/dm2的比例[15]称取Tenax TA后加至与罐盖相对应的玻璃罐中，旋紧罐盖后将整个玻璃罐倒立[15]，水平方向上轻轻摇晃玻璃罐以使Tenax TA均匀铺在罐盖内的圆片上，置于恒温恒湿箱中进行迁移试验。迁移试验条件为：20 ℃：1，2，3，4，5，6，7 d；40 ℃：10 min，30 min，60 min，2 h，3 h，5 h，7 h；80 ℃：5，10，20，30，40，60，90 min。

上述3组不同温度迁移试验中，不同时间点的迁移试验平行进行2次，并用阴性空白样品进行空白试验[15]。

1.4.4干性模拟物处理将迁移试验完成的玻璃罐正立，轻敲罐盖使圆片上Tenax TA完全落至瓶底后，旋开罐盖加入5 mL甲醇，然后用去掉纸质样品的罐盖重新旋紧玻璃罐后振荡摇匀片刻，置于超声萃取器中萃取30 min，将玻璃罐静置24 h后打开罐盖，用注射器取少许上层清液，过0.22 μm滤膜后用UPLC-PDA/FLR进行分析。

1.4.5样品加标回收率实验在牛皮纸和白卡纸阴性样品上均匀滴加0.5 mL标准储备溶液，于阴凉处静置2 h，待其中的溶剂挥干后按“1.4.2”操作步骤对其中的BHA,BHT和DCP进行定量分析。

1.4.6模拟物加标回收率实验称取0.1 g的Tenax TA加至10 mL样品瓶中，加入0.5 mL标准中间溶液，与Tenax TA混合均匀后，将样品瓶置于阴凉处2 h，待溶剂挥发干后，收集加标的Tenax TA，按照“1.4.4”方法对其中的BHA，BHT和DCP进行定量分析。

2　结果与讨论

2.1阳性样品处理

样品处理过程中溶剂用量、浸泡时间和萃取时间采取预试验的方法进行确定。0.5，1，2，3，5 h的浸泡实验结果表明，空白样品在标准储备溶液中浸泡2 h后，BHT，BHA和DCP在样品中的含量趋于平衡；5，10，20，30，45，60 min的萃取实验结果表明，30 min内迁移物可在纸片和萃取液中达到平衡。由于萃取溶剂用量过多，会增加后续试液浓缩问题，而溶剂在抽取、过滤和收集等操作过程中也有损耗，综合考虑确定萃取液的用量为5 mL[15]。

2.2分析方法的确证

BHA,BHT和DCP通过UPLC/PDA-FLR进行定性识别，通过线性回归方程、线性范围以及方法的定量下限(S/N>10)完成定量分析。3种迁移物的定性与定量分析参数见表1，在优化的UPLC/PDA-FLR条件下，3种迁移物标准溶液的色谱分离图见图1。

表1　BHA，BHT和DCP的保留时间、线性回归方程、线性范围及定量下限Table 1　Retention times,linear regression equations,linear ranges and limits of quantitation for BHA,BHT and DCP

y:peak area;x:mass concentration,mg/L

对牛皮纸、白卡纸空白样品和Tenax TA进行标准溶液添加，添加水平、平均回收率以及相对标准偏差(RSD，n=3)列于表2。空白样品和Tenax TA中BHA,BHT和DCP的回收率均在85%以上，说明以甲醇为萃取溶剂，采用超声辅助萃取空白样品和Tenax TA中的3种迁移物是可行的。

2.3制备样品初始浓度的确证

采用超声辅助萃取的方式，以甲醇为萃取液对6个平行牛皮纸和白卡纸样品中的BHA,BHT和DCP进行提取。两种样品中迁移物的浓度平均值和RSD(n=6)列于表3。相比较而言，DCP的初始含量大于BHT和BHA，表明DCP更易保留在牛皮纸和白卡纸中，可能是由于纸基材料的微孔结构和分子结构更适合DCP的保留。

2.4迁移物的动力学迁移结果

目标物BHA，BHT和DCP向Tenax TA的迁移量通过迁移率来描述。在本研究中，迁移率定义为BHA，BHT和DCP迁移至Tenax TA的迁移量与其在白卡纸和牛皮纸中初始含量的百分比[18]。

表2　空白样品和Tenax TA中的加标回收率及相对标准偏差(n=3)Table 2　Average recoveries and RSDs(n=3) for blank samples and blank Tenax TA

表3　样品中3种迁移物的初始浓度测得值Table 3　Determinated initial concentrations of BHA,BHT and DCP in paper samples

3种目标化合物向干性模拟物Tenax TA的迁移一般遵循有机化合物向多孔介质迁移的规律，即迁移过程包括吸附和脱附过程。分别考察了白卡纸和牛皮纸中BHA，BHT和DCP在不同迁移温度下向Tenax TA迁移的结果。结果显示，白卡纸中3种迁移物向Tenax TA的迁移在所有迁移温度下几乎均表现出先被吸附然后解吸附的过程。以BHA在20 ℃向Tenax TA的迁移过程为例(图2)，在迁移时间为7 d的过程中，Tenax TA吸附从白卡纸中迁移出的目标物在第5 d达到峰值7.075 μg，随后的两天则以解吸附为主，至迁移试验结束，Tenax TA的净吸附量降至5.235 μg。而在牛皮纸中，3种化合物的迁移表现为吸附和吸附-解吸附两种过程。以BHA为例，在20 ℃下7 d的迁移周期内，Tenax TA吸附从牛皮纸迁出的BHA由第1 d的4.875 μg增至第7 d的6.805 μg(图3)，表明BHA在7 d的周期内以迁出为主，而Tenax TA则表现为净吸附过程。先吸附后解吸附的过程体现在BHT于20 ℃下7 d的迁移试验过程中，Tenax TA的吸附量在第4 d达到峰值56.32 μg，随后解吸附至第7 d的27.51 μg。

Tenax TA对目标化合物的吸附取决于化合物从纸基材料中的迁出速率。在相同的迁移时间周期内，BHA在20 ℃下从白卡纸中的迁出到第5 d时达到峰值7.075 μg，而其在牛皮纸中的迁出在7 d的迁移周期结束后才达到6.805 μg，说明BHA在白卡纸中的迁移速率高于其在牛皮纸中的速率；BHT和DCP也表现出相同的迁移特点。40 ℃下，BHT从白卡纸的迁出在180 min时达到峰值61.575 μg，而其在牛皮纸中的迁出在180 min时为50.05 μg；80 ℃下，DCP在白卡纸中的迁出在10 min时达到60.635 μg，而同样时间内其从牛皮纸中仅迁出9.095 μg。相同迁移温度和迁移时间内，3种化合物从白卡纸中的迁出速率普遍高于从牛皮纸中迁出的速率，这是因为白卡纸的密度小于牛皮纸的密度。研究表明在其他因素相同的情况下，密度低的纸基材料具有更多和更大的微观空隙，更有利于其中有机小分子化合物的迁移。

图3牛皮纸中BHA,BHT和DCP在不同迁移温度下向Tenax TA迁移的迁移量
Fig.3Migration level of BHA,BHT and DCP in Kraftpaper to Tenax TA under different migration temperatures 20 ℃(—▲—),40 ℃(—●—) and 80 ℃(—■—);in each diagram,data obtained at 20 ℃ are referred to the topxaxis and rightyaxis,and data obtained at 40 ℃ and 80 ℃ are referred to the bottomxaxis and leftyaxis

上述研究结果显示，迁移温度对3种化合物在不同基质材料中的迁移量有不同的影响。以BHA在白卡纸中的迁移为例(图2)，在80 ℃下迁移20 min后达到峰值6.675 μg，在40 ℃下迁移60 min后能达到6.68 μg的迁移量，而在20 ℃下迁移5 d后也能达到7.705 μg的峰值，相同的情况也出现在BHT和DCP中，说明这3种化合物在白卡纸中的迁移过程更倾向是一种动力学过程而非热力学过程；而在牛皮纸中(图3)，以DCP为例，其在80 ℃下的迁移量最大值远高于其在20 ℃和40 ℃下的迁移量最大值，说明DCP在牛皮纸中的迁移受温度影响较大，更倾向是一种热力学过程而非动力学过程。造成这种情况的原因可能是因为较高的温度对密度较大的牛皮纸纤维结构的影响较大，增加了基质纤维中空隙的尺寸和数量，进而改变了小分子化合物在其中的迁移速率。

以木制纤维为主成分的纸基材料，其微观结构中迁移通道的尺寸只是影响有机化合物迁移速率的一个因素。有机化合物与木制纤维之间的相互作用是影响小分子化合物迁移速率的另一重要因素。以40 ℃下白卡纸中3种迁移物的迁移量进行比较(图4)，BHT在开始的10 min内迁移量达到30.815 μg，而BHA和DCP则只有6.36 μg和7.115 μg；同样的情况也出现在牛皮纸的迁移试验中。如80 ℃迁移温度下，BHT在10 min内的迁移量达27.27 μg，而BHA和DCP则只有4.715 μg和9.035 μg。BHT在白卡纸和牛皮纸中的迁移速率高于BHA和DCP，造成这种结果的原因可能是因为BHT的分子结构更不利于与木制纤维的结合，而BHA和DCP与木制纤维之间存在较强的作用力，进而导致其较低的迁移速率。

在BHA与DCP的迁移速率比较中，含苯环结构更多的DCP比同时含有苯环和异丙基的BHA表现出高的迁移速率，这可能是由于结构复杂的木制纤维与分子结构同样较为复杂的BHA具有更强的作用力，而分子结构较为单一的含有两个苯环的DCP未表现出与木制纤维更高的作用力，因此其迁移速率略高于BHA。

图43种目标物在白卡纸(A，40 ℃下)与牛皮纸(B，80 ℃)中的迁移量
Fig.4Migration level of in kraftpaper(A,40 ℃)and ivory board(B,80 ℃) BHA(—■—),BHT(—●—) and DCP(—▲—)

2.5实际样品迁移实验

采用本方法对进出口留存的拟用于包装干性食品的样品和市售的包装干性食品的样品共45批次进行筛查，结果检出2种阳性样品：在1种面包的纸塑复合包装中检出DCP，其迁移量为0.81 μg/dm2；在另一种包装糕点的纸塑复合材料中检出BHA，其迁移量为0.027 μg/dm2。但两种化合物的迁移量均小于欧盟指令规定的迁移限量要求。

3　结　论

本文在前期对干性食品模拟物筛选研究的基础上，通过选取合适的多孔型聚苯醚聚合物微球为干性食品模拟物，以常用的牛皮纸和白卡纸为研究对象，对抗氧化剂BHA和BHT以及增塑剂DCP在其中的迁移行为和规律进行研究。结果表明：①有机小分子化合物从纤维类纸基材料向干性模拟物的迁移经历了吸附和脱附两个过程，在干性模拟物吸附从纸基材料迁出的化合物达到平衡后，迁移时间的延长会引发化合物在干性食品模拟物中的脱附，进而导致迁移量和迁移率的下降；②纤维类纸基材料的微观结构及其与迁移物的相互作用是决定迁移物迁移速率的关键因素。一般来说，微观上纸基材料中的孔径越大，与迁移物的相互作用越小，越有利于迁移物在其中的迁移，反之则会限制迁移物的迁移，导致迁移率下降。

由于我国目前尚无有关国家标准和行业标准对食品接触材料中干性食品模拟物迁移实验进行统一规范，本文所建立的以Tenax TA为干性食品模拟物的迁移实验方法可作为参考，从而为打破欧盟指令对我国进出口相关商品建立的技术壁垒奠定基础。

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Migration of Antioxidant and Plasticizer from Paper Packaging Material into Dry Food Simulant Tenax

TAHAN Wei1，YU Yan-jun1，ZHAO Qing1，LI Ning-tao1，WANG Li-bing2*

(1.Technical Center for Safety of Industrial Products,Tianjin Entry-Exit Inspection & Quarantine Bureau,Tianjin300308,China；2.Technical Center for Hunan Entry-Exit Inspection & Quarantine Bureau,Changsha410004,China)

Migration investigations were carried out on typical antioxidant and plasticizer 3-tert-butyl-4-hydroxyanisole(BHA),2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol(BHT) and dicyclohexyl phthalate(DCP) with the modified polyphenylene oxide(also referred to as Tenax TA) as the dry food simulant.Two types of paperboard samples,kraftpaper and lvory board,were selected to take part in a series of designed migration tests under different temperatures with different times,in order to obtain the migration behaviors of three migrants.The migration results implied that for almost all of organic compounds,their migrations underwent two steps including firstly adsorption of the released compounds from paperboard,secondly desorption of migrant from Tenax TA.During the first stage,the big pore size in paperboard microstructures and weak interaction between migrants and paper fiber could lead to high migration rate of the migrants,eventually resulted in the high adsorption efficiency of the simulant.However,when the adsorption reached an equilibrium between migrants and simulant,prolonging of the migration time would trigger desorption of migrant from the simulants,and resulted in the reduction of migration efficiency.A screening test for forty-five kinds of paper packaging materials was implemented,and the results demonstrated that BHA and DCP were presented in two types of the paper packaging materials,and the migration levels were 0.027 μg/dm2and 0.81 μg/dm2,respectively,smaller than the specific migration limits regulated in the European Commission Directive.

paper;food contact material;antioxidant;plasticizer;dry food simulant;Tenax TA;migration；ultra high performance liquid chromatography

2016-01-04；

2016-01-26

国家质检总局科技计划(2013IK214)；天津检验检疫局计划(TK047-2013)

王利兵，博士，研究员，研究方向：食品安全与化学品，Tel:0731-85627689，E-mail:whan@iccas.ac.cn

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.08.005

O657.72;O741.6

A

1004-4957(2016)08-0955-07