食品包装材料中有毒害化学物的迁移是食品污染的主要途径之一,进入机体可能造成如生殖毒性、发育毒性、神经毒性、多器官癌变等多种损伤[1-4]。邻苯二甲酸酯(phthalic acid esters,PAEs),又称塑化剂、增塑剂,是一种增加材料的柔软性或使材料液化的添加剂。其中,邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(di(2-ethylhexyl)phthalate,DEHP)的结构中没有与塑料单体反应的基团,其苯基和长链烷基大多以氢键和范德华力的形式与塑料单体产生相互作用,由于这种键合强度很弱,容易造成DEHP迁移出塑料产品,从而对接触塑料的食物造成污染[5]。有研究表明,DEHP在很多塑料制品中,尤其是乙烯基塑料中的含量可高达40%[6]。塑料材料与食品接触时,内部存留的DEHP会通过吸收、溶解、扩散等过程向食品进行迁移,很有可能导致迁移污染而危害消费者健康[7]。因此,食品中污染物痕量组分的准确测定是分析检测的主要任务,了解食品生产、销售、运输和消费等过程中潜在的化学迁移情况及规律、研究痕量塑化剂污染物迁移检测的方法非常必要。
水是生命之源,人每天离不开饮用水。而DEHP是美国国家环保局列为优先控制的饮用水中6种塑化剂污染物之一[8]。目前市场上很多饮料、食品多采用塑料包装材料,这在为消费者提供方便的同时也带来了食品安全隐患。塑料包装饮用水中痕量DEHP的准确测定及其迁移规律的探索是保障食品安全的重要研究领域。目前,国内外已经建立了很多包装材料中有害物质在食品体系中迁移的相关理论模型[9-11],但多集中于有毒害化合物单体迁移量方面的测定及油脂类食品的模拟体系,对DEHP等塑化剂迁移特性的研究尚存不足。此外,塑化剂的安全标准要求越来越高,中国国家标准规定生活饮用水中DEHP的限值为0.008 mg/L[12];世界卫生组织规定饮用水中DEHP的限值为0.008 mg/L[13];美国环境保护署规定瓶装水中DEHP的限值为0.006 mg/L[14];日本规定饮用水中DEHP的限值为0.1 mg/L[15]。目前,国内外普遍采用的食品中塑化剂的分析方法主要有液相色谱-质谱法[16-18]、气相色谱-质谱法[19-21]等。在这些已发表的相关文献中,样品的前处理过程较为复杂,检测时间比较长,操作繁琐;另外,使用质谱等仪器设备的检测方法比较昂贵,检测成本较高,限制了这些方法的应用和普及。而且PAEs不易溶解于水,所以饮用水中PAEs的含量极低,要准确测定PAEs的含量,对于样品前处理最优条件的选择非常关键,提高样品前处理方法的回收率及简便性是此类研究的关键问题。
本文通过筛选实验室用水(去离子水)及不同品种矿泉水或纯净水之后,选定本地山泉水为空白样品,以几种常见市售品牌瓶装饮用水为研究对象,考察了液液萃取过程中萃取液体积、涡旋时间和盐含量3个主要因素对DEHP分析效果的影响,并利用响应面法(response surface methodology,RSM)建立筛选模型辅助实验设计,确定水中痕量DEHP的最佳萃取条件。此外,对市售塑料包装饮用水中痕量DEHP随温度及时间变化的迁移规律进行了探索。
半制备高效液相色谱仪(Agilent 1200)、Agilent XDB-C18色谱柱(150 mm×4.6 mm×5 μm)购于美国安捷伦科技有限公司;涡旋振荡器(Vortex Genie 2,美国Science Industries公司);氮吹仪(HSC-12A,天津市恒奥科技发展有限公司); 0.45 μｍ尼龙66滤膜(天津津腾实验设备有限公司)。
山泉水(珠海市金湾区海澄村取泉点);邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯标准品(农残级,西格玛奥德里奇上海贸易有限公司);甲醇(色谱级,瑞典欧普森公司),正己烷(色谱级,阿拉丁试剂(上海)有限公司)。其他试剂为分析纯(购于天津光复化学试剂公司)。
取100 μL DEHP标准品用甲醇定容,配制成1 000 mg/L的储备液,保存于4 ℃备用。将储备液用甲醇稀释,分别配制成质量浓度为0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、5、8、12和15 mg/L的系列标准溶液。
色谱柱:Agilent XDB-C18色谱柱;柱温:25 ℃;进样量:20 μL。流动相:甲醇;流速:1 mL/min;检测波长:224 nm。
取10 mL空白水样,加入100 μL 100 mg/L的DEHP标准溶液,再加入0.16 g NaCl,涡旋混匀,加入5.28 mL正己烷溶剂,涡旋90 s,静置30 min。取上清液后,在下层水样中加入同体积正己烷进行第二次萃取,取上清液,合并两次上清液。经氮气浓缩后,用甲醇定容至2 mL,经0.45 μm的滤膜过滤,采用高效液相色谱检测。
取10 mL样品,加入0.16 g NaCl,涡旋混匀,加入5.28 mL正己烷,涡旋90 s,静置30 min。取上清液后,在下层水样中加入同体积正己烷进行第二次萃取,取上清液,合并两次上清液,经氮气浓缩后,用甲醇定容至2 mL,经0.45 μm滤膜过滤后采用高效液相色谱检测。
采用Design expert 7.0响应面软件进行多元回归分析和最小二乘法拟合。
加入NaCl可增加水相中溶液离子强度,进而使被萃取组分更容易分配到有机相中。试验结果表明,NaCl含量从1 g/L增加到10 g/L时,水中DEHP的回收率从88.2%显著增加至91.5%;当NaCl含量继续增加,DEHP的回收率变化不大,略有降低趋势;在NaCl含量为15 g/L时,DEHP的回收率为91.4%;而NaCl含量增加至20 g/L时,DEHP的回收率为91.0%。因此,在单因子试验中选择NaCl的量为10 g/L。
在0、10、20、30、60和120 s的涡旋时间下,测得水中DEHP的回收率为28.9%、76.5%、86.7%、87.8%、90.2%和90.7%,由此可知,DEHP回收率在60 s前随着萃取时涡旋振荡时间的延长增加较为明显,60 s至120 s的变化趋于平缓。为兼顾回收率,节省时间,在单因子试验中,选择涡旋时间为75 s。
在本试验中选择正己烷作为萃取溶剂。发现萃取溶剂的体积会对DEHP的回收率产生影响,试验中用正己烷对加标水样进行两次萃取,当单次正己烷体积从1 mL增加到4 mL时,DEHP回收率显著增加,由83.8%增加至91.0%;当正己烷体积由4 mL增至6 mL时,DEHP回收率呈平台式缓慢增加,由90.9%增至91.0%;而当正己烷体积由6 mL增加到10 mL时,DEHP回收率下降,由91.0%降低至89.3%,可能是因为在浓缩时加入的萃取溶剂体积越大会导致DEHP损失越大。因此,单因子试验中选择单次萃取溶剂体积为6 mL。
萃取数次对水样中DEHP回收率也有影响。试验结果表明,萃取次数由1次增加至2次时,DEHP的回收率显著增加,由85.9%增加至91.3%;而萃取次数继续增加时,对提高DEHP的回收率影响并不大(如萃取3次时回收率为89.6%,萃取4次时回收率为90.4%),为了避免浓缩步骤中使用溶剂体积越大可能产生越多的损失,同时节约样品处理的时间,单因子试验中选择萃取次数为2次。
用响应面模型在单因子试验结果的基础上对水中DEHP萃取条件进行了优化,综合单因子试验结果,以NaCl的用量(A,单位为g)、涡旋时间(B,单位为s)、萃取液体积(C,单位为mL)作为考察的变量。每一变量的低、中、高试验水平分别以-1、 0、1进行编码(见表 1),以DEHP的回收率(R)为响应值,根据Box-Behnken中心组合实验设计原理[22],采用Design expert 7.0响应面软件对水中DEHP萃取条件进行优化,进行3因素3水平共15次实验,结果见表 2。得到二次多项回归模型方程:R=91.23+1.79×A+2.00×B-0.79×C+0.53×A×B+1.25×A×C+0.43×B×C-0.69×A2-2.57×B2-1.94×C2。
Box-Behnken中心组合设计的方差分析结果(见表 3)显示,该模型F值为9.41,概率p值＜0.05,表明模型中各影响因素对DEHP回收率的影响显著;失拟项值为0.08,对纯误差不显著。该模型的调整确定系数RAdj2=0.843 3,说明该模型能解释84.33%响应值的变化。由此可知该模型拟合程度良好,试验误差小,可用此模型对水样中DEHP含量进行分析和预测。相关系数为0.994 4,说明该模型拟合程度良好,预测值与实测值之间有较好的相关性,试验误差小,模型的一次项A、B影响极显著,C影响不显著。从F值可以看出,单因素对回收率的影响顺序依次是B＞A＞C,即涡旋时间＞NaCl用量＞溶剂体积;交互项影响不显著;二次项B2影响极显著,C2影响显著,A2影响不显著。
应用响应面交互作用分析对A、B、C 3个因素作两两交互作用分析,对其作响应面图(见图 1)。等高线的形状反映交互效应的强弱,圆形表示两因素交互作用不显著,而椭圆形则表示两因素交互作用显著。图 1a和图 1b中等高线呈椭圆形,NaCl用量和涡旋时间两因素之间、NaCl用量和萃取液体积两因素之间交互作用显著。经响应面模拟分析可得最佳工艺参数为:NaCl用量为16 g/L、涡旋时间为90 s、萃取液体积为5.28 mL。在此优化条件下,水中DEHP回收率的理论值为92.91%。为了进一步验证响应面法的可靠性,采用上述最优条件进行DEHP萃取,重复3次,平均回收率为92.97%,与理论值相比,相对误差较小(为0.06%)。在求取最优萃取条件时,响应面法能够综合考虑各因素对响应值的影响程度,对其趋势进行综合评价。因此,采用响应面法分析优化得到的水中DEHP回收率的参数准确可靠,综合了3因素3水平的模拟分析,为精确选择最优的实验条件建立了理论模型,可直接用于实际操作。在实际样品分析检测中使用响应面模型进行分析时,通过选定更精准的实验条件来达到提高被测成分回收率、降低检出限的目的,响应面法是实现微痕量检测的实验技术应用的重要辅助手段,对复杂样品实现高精度分析有良好的潜力。
在1.2.2节条件下,分别对质量浓度为0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、5、8、12和15 mg/L的标准溶液进样检测。从低浓度到高浓度依次进行测定,以DEHP标准溶液的质量浓度(mg/L)为横坐标(X)、质量浓度对应的峰面积为纵坐标(Y)做标准曲线,拟合线性回归方程为Y=29.043 4X+0.854 5,线性相关系数R为0.999 6。结果表明,本方法在0.01～15 mg/L范围内线性相关性良好,每个质量浓度点下的相对标准偏差为0.015%～2.45%。DEHP的检出限为0.006 mg/L(S/N=3),可满足中国国家标准相关安全标准限量(0.008 mg/L)的要求[12]。
选取4种常见品牌近期生产的塑料瓶装饮用水样品,在最佳条件下进行处理,并采用HPLC-UV进行分析。4种品牌样品均未检出DEHP,符合中国国家标准规定生活饮用水的安全标准要求。
将市售的同一批次上述4种品牌中的一种纯净水样品混合到4 L玻璃瓶中后,每瓶分装400 mL入原塑料包装瓶中,分别放至室温(25 ℃)、40、60和80 ℃的恒温烘箱中,放置时间分别为1 h、12 h、1 d、5 d、10 d、20 d和30 d,监测水中DEHP迁移量的变化趋势(见图 2)。
结果表明,在25 ℃和40 ℃下,5 d之内均未检出DEHP有迁移,首次监测到DEHP有迁移是5 d后,分别为0.015 mg/L(25 ℃)及0.019 mg/L(40 ℃)。其迁移趋势为:25 ℃时,10 d与5 d相比增幅约为6.7%,而10 d～20 d增幅约为1.2%,20 d～30 d增幅约为12.5%; 40 ℃时,对应同样时间段内的增幅分别约为3.8%、20.6%和1.7%。而较高温度(60 ℃与80 ℃)条件下,1 h后均有较大量迁移的DEHP检出,在1 d之内DEHP迁移量呈小幅增加,至5 d时增幅更加明显,而在10 d～30 d则呈现逐步减弱的增大趋势。由图 2可以看出,在相同的接触时间下,迁移量随温度升高而增大,即80 ℃＞60 ℃＞40 ℃＞常温(25 ℃)。综上可知,塑料瓶装纯净水样品中DEHP的迁移受温度及时间条件影响较大,温度越高,DEHP迁移能力越强,DEHP可以在短时间内迅速迁移并达到饱和;而在40 ℃以下,DEHP迁移能力相对较弱,塑料瓶装水样品在存放5 d之内无明显迁移,随着时间延长,由于塑料包装材料和水样之间的迁移平衡作用,DEHP也逐步迁移到水样中达到饱和量。综合比较,常温下的DEHP迁移量最低,塑料瓶装饮用水在低温保存且短时间内相对安全。图 3为在30 d迁移周期时,不同温度下塑料瓶装纯净水样品中DEHP的高效液相色谱图,可观察到明显的DEHP色谱峰。
本文对塑料包装饮用水中痕量DEHP迁移物的快速检测技术及迁移规律进行了研究,采用响应面法优化高效液相色谱测定塑料瓶饮用水中痕量DEHP的提取条件。与传统方法相比,响应面法避免了传统样品前处理条件优化繁琐的重复实验步骤,具有省时、省力、有机溶剂用量少的优点,在充分考虑萃取效率、操作简便性以及操作人员安全性的前提下确定样品萃取溶剂及其配比,可实现PAEs类痕量污染物高精度、低成本的环保检测。此外,通过对塑料瓶装水样中DEHP的迁移研究,发现温度及时间因素对DEHP迁移量有很大影响,在相同接触时间下,升高温度可以增加迁移速率,DEHP可在短时间内迁移并达到饱和。本实验的初步结果为建立DEHP迁移规律的理论模型及实现对痕量PAEs类污染物有效降解的进一步探索提供了启发。
2016,
Vol. 34 Issue (10): 992-997
PDF
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