林晨璐，林勤保，葉智康，楊青華

（暨南大學(xué)包裝工程研究所，廣東 珠海 519070）

目前，便利、個(gè)性化的自熱方便類產(chǎn)品備受消費(fèi)者青睞，但其食品安全問題也成了關(guān)注熱點(diǎn)。自熱食品，是指不依賴電、火等方式加熱，通過發(fā)熱包遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量熱量，持續(xù)產(chǎn)生高溫蒸汽，從而加熱食物的預(yù)包裝食品。目前自熱食品的餐盒大部分使用聚丙烯（polypropylene，PP）材料。PP材料具有機(jī)械性能好、耐熱性能好、無毒、易加工成型等優(yōu)良特性，被廣泛用于食品、包裝、汽車內(nèi)飾件等領(lǐng)域。然而，受催化劑、聚合工藝、氧化物殘留、短鏈低聚物及降解等因素的影響，PP材料不同程度地釋放出揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organic compounds，VOCs）。而VOCs中的許多物質(zhì)對(duì)人體及其感官有刺激作用，且具有一定的毒性，有些還會(huì)產(chǎn)生致癌、致畸、致突變的“三致”效應(yīng)，對(duì)環(huán)境安全和人類生存產(chǎn)生極大的危害。在自熱食品使用過程中，加熱時(shí)長將持續(xù)15 min以上，材料各位置的最高溫度均為80 ℃左右，而高溫條件使PP材料穩(wěn)定性下降，釋放出更多VOCs。

國內(nèi)外對(duì)自熱食品的包裝安全研究主要集中在產(chǎn)品的包裝形式和使用安全方面，少有涉及包裝釋放的VOCs及其可能出現(xiàn)的異味問題。VOCs的檢測(cè)技術(shù)，主要包括溶劑萃取、頂空、吹掃捕集、直接熱解析等，結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）聯(lián)用分析特定條件下或殘留的揮發(fā)性化合物及半揮發(fā)性化合物。李曉飛基于超聲輔助溶劑萃取和GC-MS聯(lián)用追溯分析了橡膠復(fù)合材料中揮發(fā)性化合物的來源；Paiva等利用固相微萃取技術(shù)分析了回收聚丙烯中多種揮發(fā)性有機(jī)化合物。

本研究采用超聲輔助溶劑萃取法在4 種溶劑下萃取自熱食品PP包裝中的復(fù)雜成分，并對(duì)萃取時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化；在最佳萃取條件下，結(jié)合GC-MS分析4 種萃取溶劑下3 種自熱食品PP包裝中揮發(fā)性成分種類，通過MS-DIAL軟件結(jié)合NIST譜庫及色譜保留指數(shù)（retention index，RI），綜合定性分析化合物，并計(jì)算相對(duì)氣味活度值（relative odor activity value，ROAV）分析潛在氣味貢獻(xiàn)物質(zhì)；為自熱食品包裝的揮發(fā)性氣味及安全問題提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

網(wǎng)購3 個(gè)知名品牌的自熱食品，得到其PP包裝樣品，編號(hào)為K、M、X。

正構(gòu)烷烴（C～C）混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 mg/L，色譜純） 西格瑪奧德里奇（上海）貿(mào)易有限公司；正己烷（色譜純） 北京邁瑞達(dá)科技有限公司；乙醇、二氯甲烷（均為色譜純） 上海麥克林生化科技有限公司；乙酸乙酯（色譜純） 阿拉丁試劑（上海）有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

7890A/5975C GC-MS聯(lián)用儀 美國Agilent公司；FA1604N電子天平（精確到0.000 1 g） 上海菁海儀器有限公司；KQ5200DE超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

將樣品剪成規(guī)格約5 mm×5 mm的碎片，每份準(zhǔn)確稱取1 g樣品（精確至 0.01 g）于試管中，分別加入10 mL正己烷、乙醇、乙酸乙酯、二氯甲烷，進(jìn)行超聲輔助溶劑萃取，取上層清液，過0.22 μm有機(jī)系尼龍66 微孔濾膜，并進(jìn)行GC-MS檢測(cè)分析，每份樣品準(zhǔn)備3 份平行樣品。

1.3.2 萃取時(shí)間優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

以樣品M為例，通過GC-MS檢測(cè)分析不同超聲萃取時(shí)間（1、1.5、2 h）下的樣品，使得不同萃取溶劑對(duì)樣品中化合物的提取效果（總峰面積和峰數(shù)目）達(dá)到最好。選擇最佳萃取時(shí)間，并將其應(yīng)用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)的樣品處理。

1.3.3 正構(gòu)烷烴混合標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

準(zhǔn)確量取1 mL正構(gòu)烷烴混合標(biāo)準(zhǔn)溶液于1 000 mL容量瓶中，用正己烷定容，配成質(zhì)量濃度為1 mg/L的正構(gòu)烷烴混合標(biāo)準(zhǔn)溶液用于保留時(shí)間定性。

1.3.4 GC條件

HP-5MS毛細(xì)管色譜柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；進(jìn)樣口溫度：250 ℃；離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；傳輸線溫度：280 ℃；載氣：氦氣；流速：1.0 mL/min；進(jìn)樣量：1 μL；進(jìn)樣方式：液體進(jìn)樣，不分流進(jìn)樣；升溫程序：初始溫度50 ℃，保持1 min，以15 ℃/min升至140 ℃，保持2 min，再以5 ℃/min升至280 ℃，保持5 min。

1.3.5 MS條件

電離方式：電子電離源；電離能量：70 eV；離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；傳輸線溫度：280 ℃；全掃描模式；溶劑延遲：5 min；質(zhì)量掃描范圍：/35～550。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

為減少質(zhì)譜數(shù)據(jù)處理軟件產(chǎn)生的誤差，提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和全面性，因此采用兩種軟件處理和解析數(shù)據(jù)。使用MS-DIAL program 4.48軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解卷積處理并計(jì)算RI，得到各組分的保留時(shí)間、峰面積和RI，同時(shí)在Mass Hunter軟件（NIST14譜庫）中進(jìn)行檢索匹配。

1.3.7 重點(diǎn)關(guān)注物質(zhì)篩查與評(píng)價(jià)

1.3.7.1 毒理學(xué)評(píng)估閾值法

Cramer等建立化學(xué)物質(zhì)分類體系和分類流程，按毒性大小將化學(xué)物劃分為Cramer I、Cramer II和Cramer III；Munro等根據(jù)Cramer分類，建立了3 個(gè)類別的毒理學(xué)關(guān)注閾值，Cramer I、Cramer II、Cramer III分別為每人每天1 800、540、90 μg。物質(zhì)對(duì)應(yīng)的毒理學(xué)關(guān)注閾值越低，說明該物質(zhì)的毒性危害越明顯，需要引起更多安全關(guān)注。

本實(shí)驗(yàn)利用Toxtree（http://toxtree.sourceforge.net/）軟件中Cramer rule決策樹，對(duì)檢出物質(zhì)進(jìn)行等級(jí)分類，并根據(jù)毒理學(xué)關(guān)注閾值法進(jìn)行危害評(píng)估。

1.3.7.2 揮發(fā)性氣味物質(zhì)評(píng)價(jià)法

由于不同物質(zhì)的嗅覺敏感性差異很大，揮發(fā)性氣味物質(zhì)的相對(duì)含量并不能直接說明物質(zhì)對(duì)樣品總體氣味的貢獻(xiàn)大小。本實(shí)驗(yàn)通過計(jì)算ROAV，評(píng)估揮發(fā)性有機(jī)化合物對(duì)PP包裝樣品整體氣味的貢獻(xiàn)。通過查閱網(wǎng)站（http://www.flavornet.org/flavornet.html）、《化合物嗅覺閾值匯編》、研究文獻(xiàn)[20-21]等，篩查揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。結(jié)合氣味閾值計(jì)算出ROAV，并確定氣味主要貢獻(xiàn)物質(zhì)，其中ROAV的計(jì)算公式如下：

式中：ROAV為氣味物質(zhì)的相對(duì)氣味活度值；為對(duì)樣品總體氣味貢獻(xiàn)最大物質(zhì)的相對(duì)含量；為其他氣味物質(zhì)的相對(duì)含量；為對(duì)樣品總體氣味貢獻(xiàn)最大物質(zhì)的感覺閾值；為其他氣味物質(zhì)的感覺閾值。

ROAV越大的組分對(duì)樣品總體風(fēng)味的貢獻(xiàn)也就越大。當(dāng)揮發(fā)性物質(zhì)ROAV不低于1時(shí)，認(rèn)為其對(duì)PP包裝的氣味有直接影響，是PP包裝主要及關(guān)鍵氣味物質(zhì)；當(dāng)揮發(fā)性物質(zhì)ROAV小于1且不低于0.1時(shí)，認(rèn)為其對(duì)于PP包裝的氣味具有重要的修飾作用，可輔助和增強(qiáng)部分風(fēng)味物質(zhì)的呈味特性；當(dāng)ROAV小于0.1時(shí)，認(rèn)為其對(duì)PP包裝的氣味貢獻(xiàn)很小。

2 結(jié)果與分析

2.1 萃取時(shí)間優(yōu)化

由圖1a、c可知，當(dāng)正己烷和乙酸乙酯作為萃取溶劑時(shí)，隨著萃取時(shí)間的延長（延長至1.5 h），總離子流圖的總峰面積有所上升，峰數(shù)量無明顯變化；時(shí)間延長至2 h，總峰面積和峰數(shù)量均下降。由圖1b可知，當(dāng)乙醇作為萃取溶劑時(shí)，隨著萃取時(shí)間延長，物質(zhì)總峰面積呈現(xiàn)先上升后小幅度下降，峰數(shù)量先不變后增多。以二氯甲烷作為萃取溶劑時(shí)（圖1d），總峰面積下降，峰數(shù)量先下降后不變。

高溫會(huì)影響所研究化合物的熱穩(wěn)定性，并可能會(huì)發(fā)生溶劑和分析物的分解。綜合考慮化合物萃取效果、時(shí)間和能源消耗等，當(dāng)采用正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷作為萃取溶劑時(shí)，選擇最佳萃取時(shí)間1 h；用乙醇作為萃取溶劑時(shí)，最佳萃取時(shí)間為2 h。

圖1 PP包裝樣品M中的化合物在不同萃取溶劑及時(shí)間下的萃取效果Fig. 1 Extraction effects of volatile compounds in PP packaging sample M under different extraction solvents and times

2.2 4 種萃取劑的萃取效果分析

圖2 不同溶劑萃取下PP包裝樣品M的總離子流色譜圖Fig. 2 Total ion current chromatograms of volatile compounds from PP packaging sample M using different extraction solvents

在最優(yōu)萃取時(shí)間下，分別以正己烷、乙醇、乙酸乙酯、二氯甲烷為萃取溶劑，提取3 種自熱食品PP包裝樣品中的化合物并進(jìn)行GC-MS分析。以PP包裝樣品M為例，其總離子流圖如圖2所示。經(jīng)解卷積處理及NIST14譜庫檢索處理后得出的各色譜峰定性結(jié)果及其相對(duì)含量見表1。

表1 4 種溶劑萃取3 種PP包裝樣品的定性結(jié)果Table 1 Results of qualitative analysis of volatile compounds from 3 PP packaging samples using four different extraction solvents

續(xù)表1

由表1可知，從3 種自熱食品PP包裝樣品中共檢測(cè)出72 種揮發(fā)性成分（其中4 種成分未知），4 種溶劑均萃取出的物質(zhì)有12 種（烴類10 種、酯類1 種、醚類1 種）。經(jīng)正己烷共萃取出42 種物質(zhì)：烴類31 種、酚類2 種、醇類1 種、酯類4 種、醚類3 種、其他類1 種。正己烷極性較弱，對(duì)弱極性化合物具有較好萃取效果，同時(shí)正己烷分子易滲透入塑料制品內(nèi)部，使其溶脹開裂，導(dǎo)致分子間距增大，內(nèi)部化合物能被大量提取，因此正己烷的萃取效果較好。經(jīng)乙醇共萃取出23 種物質(zhì)：烴類12 種、酯類8 種、醚類2 種、其他類1 種。乙醇溶劑極性較強(qiáng)，對(duì)于酯類物質(zhì)等極性較強(qiáng)的目標(biāo)物有較好的萃取效果，但其極性過高，偏離了大部分中性、弱極性物質(zhì)的極性范圍，總體萃取效果不佳。經(jīng)乙酸乙酯共萃取出45 種物質(zhì)：烴類30 種、酚類2 種、醇類2 種、酯類4 種、酮類1 種、醚類2 種、醛類1 種、胺類1 種、羧酸類1 種、其他類1 種。PP材料含大量的中性物質(zhì)，4 種萃取溶劑中屬于中等極性的溶劑只有乙酸乙酯，因此乙酸乙酯的萃取效率高。經(jīng)二氯甲烷共萃取出44 種物質(zhì)：烴類35 種、酚類1 種、醇類1 種、酯類3 種、酮類1 種、醚類2 種、其他類1 種。二氯甲烷極性適中，可使結(jié)構(gòu)致密的塑料制品溶脹，有助于快速地從中提取目標(biāo)組分，其萃取效果較好。

由圖3可知，在PP包裝樣品M中，正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷的萃取化合物種類及規(guī)律相似，能夠較好提取烴類化合物，乙醇對(duì)酯類物質(zhì)的提取效果較明顯。正己烷對(duì)酚類物質(zhì)的提取效果優(yōu)于其他萃取劑；乙酸乙酯對(duì)各類物質(zhì)均有一定的提取能力；二氯甲烷對(duì)烴類物質(zhì)的提取效果優(yōu)于其他萃取劑。如圖4所示，PP包裝樣品K、M、X的化合物組成中烴類、酯類具有較高占比，其中樣品M含有較高含量烴類物質(zhì)，而K樣品中酯類化合物含量較高。不同樣品中化合物種類分布差異較大，可能是助劑、生產(chǎn)工藝等不同導(dǎo)致的。

圖3 PP包裝樣品M在不同萃取劑下所得到的各類物質(zhì)及其相對(duì)含量Fig. 3 Types and relative contents of volatile compounds from PP packaging sample M using different extraction solvents

圖4 不同萃取劑下3 種PP包裝樣品M中化合物種類及其相對(duì)含量Fig. 4 Types and relative contents of volatile compounds in 3 samples using different extraction solvents

2.3 3 種自熱食品包裝中揮發(fā)性成分分析

如表1所示，從PP包裝M樣品中共檢測(cè)出72 種揮發(fā)性成分（其中4 種成分未知），分別為烴類42 種、酚類2 種、醇類2 種、酯類13 種、酮類2 種、醚類4 種、醛類1 種、胺類1 種、羧酸類1 種、其他類4 種。Xiang等研究結(jié)果顯示PP在高溫剪切作用下產(chǎn)生各種自由基，其中烷氧自由基和烷過氧自由基分別以斷裂及雙分子歧化反應(yīng)來產(chǎn)生醛、酮等產(chǎn)物。而在高溫下，處于高彈性狀態(tài)的聚合物由于分子重排和分子鏈滑移而分解成多個(gè)部分，Ballice等研究結(jié)果顯示：聚丙烯熱分解產(chǎn)生了包括烯烴、二烯烴及烷烴在內(nèi)的揮發(fā)性氣體。而大部分的酚類、酯類、醇類等成分則可能來自于PP成型加工時(shí)使用的增塑劑、抗氧化劑、爽滑劑、芳香劑等助劑。

此外，Cramer分類結(jié)果表明，共發(fā)現(xiàn)Cramer I類物質(zhì)55 種，II類物質(zhì)3 種，III類物質(zhì)6 種（表1）。由于Cramer II、III類物質(zhì)的安全風(fēng)險(xiǎn)較高，因此應(yīng)引起重點(diǎn)關(guān)注。通過文獻(xiàn)閱讀，發(fā)現(xiàn)Cramer I類物質(zhì)中的壬醛、2,4-二叔丁基酚、鄰苯二甲酸二異辛酯也需引起重點(diǎn)關(guān)注。樣品中檢測(cè)出的壬醛屬于香精香料，對(duì)眼部和皮膚有刺激作用，具有強(qiáng)烈的脂肪氣息，稀釋時(shí)會(huì)釋放出橘子和玫瑰香味，可用于配制人造玫瑰油和玫瑰型香精，工業(yè)生產(chǎn)中可用作食品、紡織品等的芳香劑或異味掩蓋劑，且嗅覺閾值低，極易為人們的嗅覺器官捕獲并感知。2,4-二叔丁基酚作為一種典型的合成酚類抗氧化劑，在食品包裝、塑料、石油化工及個(gè)人護(hù)理品等工商業(yè)產(chǎn)品中有廣泛應(yīng)用。2,4-二叔丁基酚在使用過程中不與聚合物共價(jià)結(jié)合，易從基體中釋放到各類環(huán)境介質(zhì)中，且具有環(huán)境雌激素作用。同時(shí)，2,4-二叔丁基酚易在生物體內(nèi)富集，可引起動(dòng)物內(nèi)分泌系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)的病變。鄰苯二甲酸二異辛酯是鄰苯二甲酸酯類化合物，是應(yīng)用于塑料工業(yè)的主要增塑劑和軟化劑，對(duì)動(dòng)物和人均有慢性毒性、致突變、致癌作用以及生殖與發(fā)育毒性，可通過呼吸、飲食和皮膚接觸進(jìn)入人體內(nèi)，對(duì)人體健康造成危害。鄰苯二甲酸二異辛酯在接觸到包裝食品中所含的水、油脂等時(shí)，便會(huì)溶出，在體內(nèi)長期積累會(huì)導(dǎo)致畸形、癌變和突變，因此成為目前國際上廣泛關(guān)注的一類環(huán)境激素污染物。

2.4 3 種自熱食品包裝中的揮發(fā)性氣味成分的ROAV分析

由表2和表3可知，3 種PP包裝樣品中共定性出14 種揮發(fā)性氣味物質(zhì)，并篩選出正十六烷、正十一烷、壬醛等為主要?dú)馕敦暙I(xiàn)物質(zhì)。在正己烷、乙醇和二氯甲烷萃取條件下，正十六烷的相對(duì)含量較高，ROAV最高，可確定為對(duì)應(yīng)PP樣品的主體氣味物質(zhì)（＝100）。在乙醇萃取條件下，PP包裝K樣品中檢測(cè)出較高相對(duì)含量的硬脂酸乙酯，且ROAV最高，確定其為主體氣味物質(zhì)（＝100）。在乙酸乙酯萃取溶劑中，由于烷烴化合物閾值很高，除支鏈烷烴外，一般對(duì)食品的風(fēng)味貢獻(xiàn)較小，而低含量的壬醛可以被感知，ROAV最大，因此定義壬醛為對(duì)應(yīng)樣品的主體氣味物質(zhì)（＝100）。綜合考慮主體氣味物質(zhì)的氣味閾值及各揮發(fā)性氣味成分的ROAV，可確定正十一烷、壬醛、正十六烷為PP包裝樣品M、X的關(guān)鍵氣味物質(zhì)，壬醛為PP包裝樣品K的關(guān)鍵氣味物質(zhì)。

表2 3 種PP包裝樣品中鑒定出的揮發(fā)性氣味物質(zhì)Table 2 Volatile odor substances identified in 3 PP packaging samples

表3 3 種PP包裝樣品中揮發(fā)性氣味物質(zhì)的ROAVTable 3 ROAV of volatile odor substances in 3 PP packaging samples

3 結(jié) 論

對(duì)超聲輔助溶劑萃取法的萃取時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化；在最佳萃取條件下，采用超聲萃取及GC-MS技術(shù)，進(jìn)行3 種自熱食品PP包裝中揮發(fā)性化合物定性、風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)篩查、潛在氣味貢獻(xiàn)物質(zhì)等分析。3 種PP包裝樣品中共檢測(cè)出烴類、酚類、醇類、酯類、酮類、醚類、醛類、胺類、羧酸類和其他類共72 種揮發(fā)性成分，確定了14 種揮發(fā)性氣味物質(zhì)，其中壬醛、正十一烷、正十六烷等是自熱食品包裝氣味的主體貢獻(xiàn)物質(zhì)；-(2-乙氨基)-1,3-丙二胺、壬醛、2,4-二叔丁基酚、2,6-二叔丁基對(duì)甲酚等12 種成分存在較高安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注。同時(shí)，不同萃取溶劑對(duì)PP自熱餐盒的萃取效果存在一定差異：在PP包裝樣品M中，正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷的萃取效果相近，均對(duì)烴類物質(zhì)有較好的提取效果；而乙醇對(duì)酯類物質(zhì)的提取效果較好；正己烷對(duì)酚類物質(zhì)的提取效果優(yōu)于其他萃取劑；乙酸乙酯對(duì)各類物質(zhì)均有一定的提取能力；二氯甲烷對(duì)烴類物質(zhì)的提取效果優(yōu)于其他萃取劑。本文研究結(jié)果可為今后自熱食品的包裝安全研究和氣味分析提供一些參考依據(jù)。