STRESZCZENIE: Lotne związki organiczne (VOC), obecne w materiałach opakowaniowych przeznaczonych do kontaktu z żywnością, mogą być identyfikowane i oznaczane z wykorzystaniem techniki chromatografii gazowej ze spektrometrią mas oraz z przystawką headspace. W ramach realizacji pracy statutowej opracowano procedurę oznaczania ilościowego lotnych związków organicznych.
ABSTRACT: Volatile organic compounds (VOCs), present in packaging materials intended for contact with food, can be identified and determined using gas chromatography with mass spectrometry and the headspace attachment. A procedure for quantifying volatile organic compounds has been developed as part of the research work.
Lotne związki organiczne (VOC – volatile organic compounds) są to organiczne substancje chemiczne, których temperatura wrzenia nie przekracza 250°C. Substancje te należą do różnych grup chemicznych, takich jak: węglowodory alifatyczne (heksan, oktan, dekan) i aromatyczne (toluen, ksylen), chlorowcowęglowodory (dichlorometan, trichloroetan, dichlorobenzen), estry (np. octan n-butylu), etery oraz związki zawierające brom, fluor. Związki te poprzez migrację z opakowań mogą kumulować się w produktach spożywczych. [1, 2].
Źródłem VOC w opakowaniach z tworzyw sztucznych są substancje chemiczne stosowane w produkcji opakowań, takie jak: rozpuszczalniki stosowane w farbach drukarskich, monomery, plastyfikatory, stabilizatory UV. Lotne związki organiczne mogą powstawać także w następstwie reakcji zachodzących w opakowaniu pod wpływem podwyższonej temperatury [3]. VOC mogą wpływać na jakość żywności przechowywanej w opakowaniach, a w rezultacie na walory smakowe żywności i zdrowie konsumenta. Dlatego ważna jest kontrola ich zawartości w materiałach opakowaniowych.
Oznaczenie VOC
Lotne związki organiczne w opakowaniach oznaczane są przede wszystkim techniką chromatografii gazowej (GC – gas chromatography). Najczęściej stosowana jest technika GC-MS, gdzie na etapie detekcji wykorzystywana jest spektrometria mas (MS – mass spectrometry) [4-6]. Dobre rezultaty uzyskuje się także przy użyciu detektora płomieniowo-jonizacyjnego (FID – flame ionization detector) [7,6] czy detektora wychwytu elektronów (ECD – electron capture detector) [8].
Do pobierania lotnych związków organicznych z materiału opakowaniowego wykorzystywane są takie techniki jak: statyczna analiza fazy nadpowierzchniowej (HS – headspace) [8,9], bezpośredni
nastrzyk próbki wody (DAI-GC – direct aqueous injection-gas chromatography) [10], ekstrakcja membranowa [10], pułapka ekstrakcyjna wewnątrz igły (INCAT – in-tube capillary adsorption trap) [11] oraz
mikroekstrakcja do fazy stacjonarnej (SPME – solid phase microextraction) [3, 5,11].
Statyczna analiza fazy nadpowierzchniowej (HS) jest bardzo popularną metodą przygotowania próbek do oznaczeń techniką chromatografii gazowej. W metodzie tej substancje analizowane znajdują się w nieruchomej warstwie powietrza nad powierzchnią cieczy lub ciała stałego (rys. 1.). Stężenie substancji chemicznych znajdujących się w fazie nadpowierzchniowej próbki zależy od lotności tych substancji oraz od współczynnika podziału między fazami. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta lotność substancji, a więc również jej stężenie w fazie gazowej. Dlatego ważny jest dobór temperatury pieca headspace oraz czas kondycjonowania próbki w danej temperaturze.
W ramach realizacji pracy statutowej, w COBRO – Instytucie Badawczym Opakowań opracowano metodykę oznaczania lotnych związków organicznych będących zanieczyszczeniami materiałów opakowaniowych, z zastosowaniem techniki HS-GC/MS. Zgodnie z zaleceniami normy EN 13628-1 [12] wykonano optymalizację warunków analitycznych przy identyfikacji lotnych związków organicznych oraz opracowano procedurę pozwalającą na oznaczenie ilościowe tych związków.
Badania wykonano dla próbek monofolii i laminatów z nadrukiem. Materiał do badań pobierano z wnętrza zwojów, w jak najkrótszym okresie, by zminimalizować czas, w którym substancje lotne przemigrują z materiału do otoczenia. Próbkę materiału opakowaniowego o powierzchni 1 dm2 umieszczano w fiolkach Headspace o pojemności 20 ml. Substancje i roztwory wzorcowe nastrzykiwano do zamkniętych fiolek. Roztwory wzorcowe wykorzystywane do pomiaru krzywych kalibracyjnych przygotowywane były poprzez rozpuszczenie substancji wzorcowych w metanolu lub w N, N-dimetyloacetamidzie (DMA).
Analizy wykonywano na chromatografie gazowym Agilent Technologies, wyposażonym w detektor mas i przystawkę Headspace Sampler (rys. 2.). Do rozdziału związków użyto kwarcowej kolumny kapilarnej Agilent Technologies HP-Plot/q.
Analiza półilościowa
W pierwszym etapie analizy ilościowej identyfikowano lotne związki organiczne w próbkach materiałów opakowaniowych. W badanych próbkach zidentyfikowano 26 związków, dla których utworzono bazę danych zawierającą czasy retencji oraz charakterystyczne widma mas.
Na rys. 3. przedstawiono chromatogramy całkowitego prądu jonowego (TIC), zmierzone dla mieszaniny substancji badanych.
Wykonano także optymalizację czasu i temperatury kondycjonowania próbki w przystawce Headspace. Na rys. 4 przedstawiono wykres zależności intensywności piku chromatograficznego uzyskanego w pomiarze HS-GC/MS od czasu kondycjonowania próbki, przy temperaturze kondycjonowania 80°C. Za optymalne warunki przyjęto temperaturę 80°C i czas 45 minut.
Na podstawie biblioteki widm mas Wiley (rys. 5.) zidentyfikowano związki i przypisano im czasy retencji (tab. 1).
Następnie sporządzono krzywe kalibracyjne czystych substancji (rys. 6). Na podstawie krzywych wyznaczono półilościowe zawartości poszczególnych lotnych związków w konkretnych próbkach materiału opakowaniowego.
Analiza ilościowa
W celu wykonania oznaczenia ilościowego lotnych związków organicznych w badanym materiale, przygotowano roztwory wzorcowe o stężeniach takich, aby pierwszy punkt krzywej kalibracyjnej odpowiadał stężeniu oznaczanego związku, jakie oszacowano na etapie analizy półilościowej. Jeśli w badanej próbce występował duży wpływ matrycy na oznaczane związki lub gdy pomiar był niestabilny wykonano oznaczenie ilościowe OVC z zastosowaniem metody dodatku wzorca. Metoda dodatku wzorca polega na dodaniu znanej ilości wzorców do próbki. Pomiar wykonuje się dla próbki bez wzorca i z wzorcami. Wynik jest ekstrapolowaną krzywą zmierzonych roztworów.
Na rys. 7. przedstawiono krzywe kalibracyjne uzyskane przy zastosowaniu metody dodatku wzorca.
Wnioski
Lotne związki organiczne występujące w opakowaniach i wyrobach przeznaczonych do kontaktu z żywnością mogą być identyfikowane i oznaczane ilościowo dzięki instrumentalnej technice analitycznej Headspace-GC/MS. Opracowanie procedury analitycznej pozwala na kontrolę i eliminowanie opakowań, które z powodu obecności pozostałości substancji lotnych mogą wpływać na pogorszenie jakości pakowanej żywności.
Literatura
1. O. W. Lau, S. K. Wong. Contamination in food from packaging material. J. Chromatogr. A 2000, 882, s. 225–270.
2. S. Panseri, L. M. Chiesa, A. Zecconi, G. Soncini, I. De Noni. Determination of Volatile Organic Compounds (VOCs) from Wrapping Films and Wrapped PDO Italian Cheeses by Using HS-SPME and GC/MS. Molecules 2014, 19, s. 8707-8724.
3. P. Kusch, G. Knupp. Headspace-SPME-GC-MS Identification of Volatile Organic Compounds Released from Expanded Polystyrene. J. Polym. Environ. 2004, 12, 2, s. 83-87.
4. C. Nerin, P. Alfaro, M. Aznar, C. Domeño. The challenge of identifying non-intentionally added substances from food packaging materials: A review. Anal. Chim. Acta 2013, 775, 14-24.
5. S. Panseri, L. M. Chiesa, A. Zecconi, G. Soncini, I. De Noni. Determination of Volatile Organic Compounds (VOCs) from Wrapping Films and Wrapped PDO Italian Cheeses by Using HS-SPME and GC/MS. Molecules 2014, 19, 8707-8724.
6. P. Kusch, G. Knupp. Headspace-SPME-GC-MS Identification of Volatile Organic Compounds Released from Expanded Polystyrene. J. Polym. Environ. 2004, 12, 2, 83-87.
7. P. Přikryl, R. Kubinec, H. Jurdáková, J. Ševčík, I. Ostrovský, L. Soják, V. Berezkin. Comparison of Needle Concentrator with SPME for GC Determination of Benzene, Toluene, Ethylbenzene, and Xylenes in Aqueous Samples. Chromatographia 2006, 64, 65–70.
8. L. N. Plummer, E. Busenberg, S. M. Eberts, L. M. Bexfield, C. J. Brown, L. S. Fahlquist, B. G. Katz, M. K. Landon. Low-Level Detections of Halogenated Volatile Organic Compounds in Groundwater: Use in Vulnerability Assessments. J. Hydrol. Eng. 2008, 13 (11), s. 1049-1068.
9. J. Y. Lee, S. Kim, J. T. Lee, J. H. Choi, J. Lee, H. Pyo. Rapid Determination of Volatile Organic Compounds in Human Whole Blood Using Static Headspace Sampling with Gas Chromatography and Mass Spectrometry. Bull. Korean Chem. Soc. 2012, 33, 3963-3970.
10. J. S. Alvarado, C. Rose. Static headspace analysis of volatile organic compounds in soil and vegetation samples for site characterization. Talanta 2004, 62, 17-23.
11. B. Yu, Y. Song, L. Han, H. Yu, Y. Liu, H. Liu. Optimizations of packed sorbent and inlet temperature for large volume-direct aqueous injection-gas chromatography to determine high boiling volatile organic compounds in water. J. Chromatogr. A 2014, 1356, 221-229.
12. EN 13628-1 October 2002 Packaging. Flexible packaging material – Determination of residual solvents by static headspace gas chromatography. Part 1: Absolute methods.
dr Dominika Kubica, mgr inż. Katarzyna Samsonowska, inż. Agnieszka Kwiecień
Alfa-Print Sp. z o.o.
ul. Świętokrzyska 14A
00-050 Warszawa
