吳景杰，葉 蕾，支朝暉，夏伊寧*

（1．中國農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)質量標準與檢測技術研究所，北京 100081；2．常州龍駿天純環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 常州 213100）

塑料作為一種重要的石油化工產(chǎn)品，與人們的生產(chǎn)生活息息相關。然而，傳統(tǒng)石油基塑料（如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙稀等）極難降解，其長期大量使用造成生態(tài)環(huán)境嚴重污染，并威脅人體健康[1]。為降低石油基塑料的污染，促進社會可持續(xù)發(fā)展，使用可降解塑料成為一種行之有效的解決方案[2]。聚乳酸（Polylactic acid，PLA）是可降解塑料家族中的重要一員，通常以可再生植物資源（如玉米、木薯等）所提取的淀粉為原料，經(jīng)發(fā)酵后得到乳酸，再經(jīng)過聚合反應得到聚乳酸[3]。由于良好的生物降解性和可堆肥特性，PLA一經(jīng)問世便得到社會的廣泛關注，并作為石油基塑料的替代品，在多個領域得到廣泛應用[4－5]。近年來，我國頒布了一系列法律法規(guī)來限制石油基塑料的生產(chǎn)和使用，以降低其對環(huán)境造成的污染。為順應國家政策的調整，餐飲行業(yè)逐步采用PLA吸管替代傳統(tǒng)的聚乙烯/聚丙烯吸管[6]。早期的PLA吸管不耐高溫，使用溫度一般不超過50℃，多用于冷飲和常溫飲料。近期，隨著工藝和配方的改進，一批具有良好耐高溫性能（80～90℃）的PLA吸管進入市場并用于熱飲，得到了消費者的認可?？梢灶A見，隨著國家禁塑限塑政策的推進，PLA吸管的使用量及市場占有率將進一步提升。

PLA吸管的使用和推廣，可有效降低傳統(tǒng)聚乙烯/聚丙烯吸管帶來的環(huán)境污染，同時，也有可能引入新的風險。潛在風險之一來源于PLA吸管與食品直接接觸過程中材料內有害物質向食品的遷移。這些物質可能是PLA加工過程中使用的添加劑，即有意添加物（Intentionally added substances，IAS）；也有可能是非有意添加物（Non-intentionally added substances，NIAS），主要包括原料和加工機械中的雜質/污染物，添加劑和包裝材料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副反應產(chǎn)物，以及添加劑和包裝材料的降解產(chǎn)物[7－8]。相比有意添加物，食品接觸材料中的非有意添加物具有一定的不可預測性，其潛在風險未知，更值得關注[9－10]。對于食品接觸材料中的未知危害物，國內外普遍采用高分辨質譜對其進行篩查識別。目前，該技術已應用于多種包裝材料，發(fā)現(xiàn)了眾多非有意添加物，如抗氧劑的降解產(chǎn)物，添加劑中的雜質及副反應產(chǎn)物，高分子材料的降解產(chǎn)物及低聚物等[11－13]。然而，高分辨質譜技術應用于PLA等可降解材料的報道還十分少見，尤其是當PLA用于制造吸管時是否出現(xiàn)新的危害物，尚未可知。因此，有必要對PLA吸管在使用過程中遷出的有害物質，尤其是非有意添加物進行篩查識別，以確保其使用安全及食品安全。

本研究聚焦PLA吸管中有害物質的篩查識別及潛在風險，所用PLA吸管均為市售產(chǎn)品且耐高溫型號。首先，開展遷移實驗來模擬PLA吸管的不同使用場景；然后，利用超高效液相色譜－飛行時間質譜（UHPLC－QTOF MS）對遷移到不同食品模擬液中的化學物質進行篩查識別；最后，在篩查結果的基礎上，采用毒理學關注閾值（Threshold of toxicological concern，TTC）方法對各類化學物質進行危害評估。本研究的開展有助于了解PLA吸管中未知危害物的基本情況，為后續(xù)暴露分析與風險評估提供有用信息。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

SCIEX ExionLC?AD超高效液相色譜系統(tǒng)、SCIEX X500R飛行時間質譜儀（美國SCIEX公司），配SCIEX OS軟件（Version 1．5．0．23389）。

甲醇（質譜級）購自德國Merck公司，乙醇（色譜級）購自中國麥克林公司，甲酸銨（>99%）由德國Fisher Chemical公司提供，乙酸（≥99．7%）由美國Honeywell公司提供，實驗用水為Milli-Q超純水（電阻率18．2 MΩ·cm）。PLA吸管購自國內不同地區(qū)的不同廠家，共5份（編號1～5），所有PLA吸管均為耐高溫型，耐受溫度不低于80℃，尺寸均為23 cm（長度）×1．2 cm（口徑）。外包裝為普通白紙或牛皮紙，吸管顏色從乳白到淺黃色不等。

1.2 遷移實驗

參照國標GB 31604．1－2015[14]開展PLA吸管的遷移實驗（2個平行樣）。實驗設計主要考慮PLA吸管用于熱飲的場景，盡可能模擬PLA吸管的實際使用情況。如圖1所示，采用500 mL玻璃試劑瓶模擬飲料杯（如紙塑杯子）以避免真實飲料杯中化學物質對篩查結果造成干擾。選取4種食品模擬液：水（A，模擬水本身），4%乙酸（B，模擬各種果汁飲料），20%乙醇（C，模擬含10%～20%酒精飲料以及豆?jié){或發(fā)酵豆?jié){飲料等），50%乙醇（D，模擬含奶油飲料，乳品以及液體巧克力等）。將400 mL模擬液倒入試劑瓶中，并置于烘箱加熱至60℃（一般熱飲飲用溫度約60℃），其中模擬液為50%乙醇時，加熱溫度設置為40℃，主要考慮到奶油易化，含奶油的飲料溫度不宜太高。當模擬液達到設定溫度后，將試劑瓶從烘箱取出，插入PLA吸管樣品。將插入吸管的試劑瓶重新置于烘箱中，同時關閉烘箱溫度，模擬熱飲在飲料杯中自然冷卻的過程?？紤]到一般熱飲的飲用時間在1 h之內，試劑瓶在烘箱中放置的時間設置為1 h。之后，將試劑瓶取出，用移液槍（德國Eppendorf公司）移取1 mL模擬液于1．5 mL進樣瓶（美國Agilent公司）中，待分析。

圖1 遷移裝置示意圖Fig．1 Apparatus for the migration test

1.3 儀器條件與遷移物篩查識別

利用UHPLC－QTOF MS篩查識別遷移到食品模擬液中的化學物質。色譜條件：Agilent Zorbax Eclipse XDB?C8色譜柱（3．0 mm ×100 mm，1．8μm），柱溫40℃。流動相：A為水+5 mmol/L甲酸銨，B為甲醇+5 mmol/L甲酸銨；梯度洗脫程序：0 min，5%B；2 min，70%B；6 min，100%B；16 min，100%B；16．1 min，5%B；18 min，5%B。流速為0．4 mL/min，進樣器溫度15℃，進樣量為5μL。

質譜條件：采用電噴霧離子源（Electron spray ionization，ESI）分別在正離子和負離子模式下掃描。數(shù)據(jù)采集方式為信息依賴采集（Information dependent acquisition，IDA）。掃描范圍80～1 300 Da，離子源溫度為550℃，去簇電壓為5 500 V，累計時間為0．2 s。Gas 1、Gas 2、氣簾氣和CAD Gas分別設置為50、55、35、7 psi。MS/MS掃描范圍50～1 300 Da，碰撞能30 V，幅度20 V。每次掃描循環(huán)選取響應前10的母離子（閾值設置為1．0×105）并采集MS/MS數(shù)據(jù)。其他質譜參數(shù)采用儀器默認值。

采用SCIEX OS軟件的Analytics模塊進行數(shù)據(jù)分析，以靶向篩查與非靶篩查相結合的方式對食品模擬液中的遷移物進行篩查識別[11]。靶向篩查主要依靠實驗室自建食品接觸材料數(shù)據(jù)庫（Indirect food additive database or IFA database，包含各類添加劑500余種），將儀器得到的未知物信息（m/z，同位素豐度比，二級碎片等）和數(shù)據(jù)庫中的信息匹配，當匹配度滿足Purity>70時，可確認未知物的化學結構。對于不在數(shù)據(jù)庫中的未知物，采用非靶向篩查的方式確認其化學結構，可分為兩個步驟：首先，選取峰面積大于空白樣品5倍以上的未知物（5倍以下則認為是系統(tǒng)干擾），借助SCIEX OS軟件自帶的“Formula Finder”功能并結合未知物的一級譜圖信息（m/z，同位素豐度比，加合形式）推導出未知物所有可能的化學式（mass error<10 ppm）。然后，在ChemSpider數(shù)據(jù)庫（www．chemspider．com）中搜索滿足候選化學式的所有化學結構，由軟件推導出二級碎片并和儀器結果比對（mass error<10 ppm），挑選出高度吻合的化學結構，最終依賴研究人員的經(jīng)驗以及對塑料添加劑的了解，實現(xiàn)未知物的化學結構最終確認。此外，還可通過購買標準品或合成標準品的方式對未知物進行驗證。若ChemSpider數(shù)據(jù)庫未查詢到與所列化學式相關的任何化學結構，則需要根據(jù)未知物的二級碎片并結合“Formula Finder”功能對二級碎片進行結構解析，在推導出二級碎片化學結構的基礎上推導出未知物的完整化學結構。此項工作同樣高度依賴研究人員的經(jīng)驗以及對塑料添加劑的了解。

1.4 遷移物危害評估

來自PLA吸管中的遷移物可能對食品安全造成潛在威脅。為確保包裝材料使用安全及食品安全，我國在GB9685－2016[15]中規(guī)定了允許用于食品接觸材料的各類化學物質及特定遷移限量（Specific migration limit，SML）。對于未規(guī)定SML的化學物質，其遷移量不應超過總遷移限量（Overall migration limit，OML），即60 mg/kg。對于未出現(xiàn)在GB9685－2016中的化學物質，尤其是非有意添加物，在缺乏完整毒理學數(shù)據(jù)的情況下，采用TTC方法結合Cramer決策樹對其進行危害評估，評估軟件為Toxtree（version 3．1．0．1851），評估方法選擇Revised Cramer Decision Tree。根據(jù)Cramer等建立的化學物質分類體系和分類流程，將化學物質分為3類：Cramer Ⅰ（低毒），Cramer Ⅱ（中等毒）和Cramer Ⅲ（高毒），對應的TTC閾值分別為30、9、1．5μg/kg bw[16]。假設一個成年人（60 kg體重）每天攝入含某化學物質的食物1 kg，則3類Cramer化合物的遷移限量分別為1．8、0．54、0．09 mg/kg。

2 結果與討論

2.1 PLA吸管中遷移物的分析鑒定

5種PLA吸管樣品向不同食品模擬液遷移的化學物質見表1，遷移物共計30種（兩個平行樣均有檢出且mass error<10 ppm），可分為低聚物和添加劑兩大類。低聚物主要有聚丁二酸丁二醇酯（PBS）和丁二醇－己二酸－對苯二甲酸共聚物（PBAT），數(shù)量較多，聚合度不同，以環(huán)狀結構為主，也有少量線性結構（水解產(chǎn)物）。其他低聚物中，聚己二酸丁二醇酯（PBA）和聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）被視為PBAT的副反應產(chǎn)物，由組成PBAT的3種單體中的兩種共聚而成。由于低聚物由單體聚合而成，其MS/MS譜圖的碎片通常展現(xiàn)出單體的信息。因此，可通過化學結構解析的方式推導出低聚物的化學結構。以No．11（1聚PBT+1聚PBA，成環(huán)）為例（圖2A），其主要碎片包含對苯二甲酸（149．023 9）、對苯二甲酸+丁二醇（221．082 6）、對苯二甲酸+丁二醇+己二酸（349．131 1）等，再結合軟件“Formula finder”功能，便可由部分特征碎片的化學結構推導出整體化學結構。PBAT和PBS屬同系列聚酯材料，均可生物降解，具有加工方便、耐熱性好等優(yōu)點，綜合力學性能優(yōu)異，與PLA共混可改善材料的加工條件，提高材料的韌性和耐熱性[17－18]。由表1可見，樣品2～4均選擇該方式提高吸管的各項性能，但又有所區(qū)別。樣品2中只加入了PBAT，樣品3中只加入了PBS，而樣品4中同時加入了PBAT和PBS。雖然吸管的主體材料是PLA，但4種食品模擬液中均未檢出PLA低聚物，其原因可能是PLA低聚物在所選模擬液中溶解性差，未發(fā)生遷移，因此未被檢出。

圖2 化合物11（A）及化合物22（B）的MS/MS譜圖及其碎片結構Fig．2 MS/MS spectra and fragmental structures of compound number 11（A）and number 22（B）

除低聚物外，食品模擬液中還篩查出與塑料添加劑相關的遷移物，這些塑料添加劑通常在高分子材料成型加工時加入，以改善材料加工性能和理化性質，也可通過遷移進入食品，威脅食品安全。本研究共篩查出的十余種塑料添加劑主要有抗氧劑、潤滑劑和增塑劑。如抗氧劑1 076（No．30）只在與樣品4接觸的50%乙醇中檢出；潤滑劑有芥酸酰胺及其類似物（No．23～26、28），僅在與樣品4接觸的50%乙醇中檢出。在PLA中加入芥酸酰胺，可起到抗粘接和抗靜電作用。芥酸酰胺的類似物由原料中芥酸以外的脂肪酸（雜質）經(jīng)酰胺化后獲得[19]。增塑劑在樣品2～4中均有檢出，種類不盡相同，增塑劑可降低PLA玻璃轉化溫度（Tg），促進分子鏈運動，從而提高材料的結晶度和耐熱性[20]。樣品2中增塑劑（No．29）為環(huán)己烷-1，2-二甲酸二異壬酯（DINCH），是一類新型環(huán)保增塑劑。樣品4中為乙酰檸檬酸三丁酯，為無毒增塑劑，具有較好的耐水性[21]。同時還發(fā)現(xiàn)了合成乙酰檸檬酸三丁酯的原料檸檬酸三丁酯（No．16）和檸檬酸三丁酯的脫水產(chǎn)物（副反應產(chǎn)物）丙烯三羧酸三丁酯（No．22，圖2B）。此外，樣品3和4中還發(fā)現(xiàn)少量磷酸三苯酯（No．13），為常見有機磷類阻燃增塑劑。

2.2 不同PLA吸管樣品之間的比較分析

不同PLA吸管樣品向食品模擬液遷移的化學物質不同?？傮w來看，在同一食品模擬液條件下，樣品4中遷移出的物質數(shù)量最多，其次是樣品3和樣品2。當食品模擬液為50%乙醇時（圖3A和表1），30種遷移物均有檢出。其中，樣品4中遷移物數(shù)量達29個，遠大于樣品3（6個）和樣品2（5個）。值得注意的是，無論選取何種食品模擬液，均未發(fā)現(xiàn)來自樣品1和5的遷移物，表明這兩種吸管在生產(chǎn)中可能使用了無機填料（如滑石粉）替代有機添加劑，因此未檢出，但也不排除這兩種吸管樣品中所含化學物質在本研究所選取的食品模擬液中溶解性差，未發(fā)生明顯遷移。

2.3 不同食品模擬液之間的比較分析

比較不同食品模擬液發(fā)現(xiàn)，同一種有化學物質遷出的吸管樣品在50%乙醇中的遷移物數(shù)量最多，其次為20%乙醇、4%乙酸和水，這表明食品模擬液的類型是影響PLA吸管內化學物質遷移的主要因素之一。提高模擬液中有機試劑（如乙醇和乙酸）含量，有助于溶解吸管內更多數(shù)量的化學物質（親油性）并遷移到模擬液中。此外，樣品4在不同模擬液中遷移物的色譜峰強度順序大致為50%乙醇>20%乙醇>4%乙酸>水（圖3B），表明PLA吸管與偏油性模擬液接觸時遷移出的化學物質濃度更高。因此，在開展PLA吸管的遷移測定及安全性評價時，更應關注吸管接觸乳品等高脂肪性飲料的情況。

2.4 PLA吸管中遷移物的潛在危害

PLA吸管中的遷移物是否存在潛在風險，需進行科學評估確定。由表1數(shù)據(jù)可知，30種遷移物中僅5種出現(xiàn)在GB9685?2016的肯定列表中，為食品接觸材料允許使用的添加劑。其中，抗氧劑1076的遷移限量為6 mg/kg，其他無特定遷移限量，但仍需符合總遷移限量的要求（60 mg/kg）。未在肯定列表中的遷移物主要為低聚物，以及已知添加劑的類似物（來源于芥酸酰胺）、原料及副反應產(chǎn)物（來源于乙酰檸檬酸三丁酯）等。根據(jù)定義，這些遷移物均可認為是非有意添加物。Toxtree軟件分析結果顯示，除芥酸酰胺的類似物（No．24～26、28）外，其余物質皆被歸為Cramer Ⅲ型危害物，具有潛在高毒性，參考遷移限量為0．09 mg/kg，需予以高度關注。

3 結 論

本研究實現(xiàn)了不同PLA吸管樣品在接觸不同食品模擬液條件下的遷移物篩查識別，并通過查詢相關限量標準和采用計算毒理學方法對遷移物的潛在危害進行評估。結果表明，不同生產(chǎn)廠家在加工PLA吸管時添加的化學物質種類有所不同，遷移物也有所不同，總體可分為低聚物和添加劑兩類，其中低聚物主要為PBS和PBAT，數(shù)量較多，且以環(huán)狀結構為主；添加劑分為有意添加物和非有意添加物，但由于大部分非有意添加物（包括低聚物）被毒理學軟件（Toxtree）判定為Cramer Ⅲ型危害物，未來需關注這些物質在PLA吸管實際使用中的遷移，尤其是向高脂肪飲料（乳品、含奶油飲料）中的遷移。