1. Przepisy prawne
Zgodnie z rozporządzeniem (WE) nr 1935/2004 wszelkie materiały i wyroby przeznaczone do kontaktu z żywnością przed wprowadzeniem na rynek i w czasie ich stosowania muszą spełniać następujące wymagania: nie mogą stanowić zagrożenia dla zdrowia człowieka, powodować niemożliwych do przyjęcia zmian w składzie żywności oraz powodować pogorszenia cech organoleptycznych żywności [3]. Powyższe wymogi dotyczą wszystkich rodzajów materiałów, zarówno szkła, jak i papieru oraz tworzyw sztucznych. Rozporządzenie dopuszcza możliwość ustanowienia wymagań szczegółowych dla określonych rodzajów materiałów [4]. Określone wymagania powinny zawierać spis substancji dozwolonych, np. surowców, substancji pomocniczych, dodatków oraz dopuszczalnych zanieczyszczeń. Przepisy podają dopuszczalne zawartości i limity migracji, czyli ilości substancji (związków chemicznych), jakie mogą być uwalniane z danego materiału lub wyrobu opakowaniowego do żywności lub płynu modelowego imitującego działanie żywności określonego rodzaju. Migracja globalna określa sumę substancji nielotnych uwalnianych do żywności, natomiast migracja specyficzna – ilość konkretnego związku chemicznego lub ilość związków należących do danej grupy. W przypadku braku regulacji na poziomie Unii Europejskiej zastosowanie mają regulacje krajowe [5]. Podstawowe wymagania dla tworzyw sztucznych zawiera Rozporządzenie (UE) nr 10/2011 wraz z nowelizacjami [6]. W liście zamieszczonej w załączniku I pod numerem 128. Rozporządzenie wymienia aldehyd octowy jako związek chemiczny dopuszczony do stosowania w produkcji tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością jako monomer lub inna substancja wyjściowa lub makrocząsteczka uzyskiwana z fermentacji mikrobiologicznej. W przedstawianym artykule obecność aldehydu octowego w tworzywach sztucznych nie jest zamierzona.
2. Właściwości aldehydu octowego
Według Rozporządzenia (UE) nr 10/2011 aldehyd octowy jest substancją dopuszczoną do stosowania w materiałach przeznaczonych do kontaktu z żywnością, o numerze FCM 128; nr referencyjny EWG materiału opakowaniowego 10060; nr CAS 75-07-0 [6]. Limit migracji specyficznej (SML) podawany jako suma migracji aldehydu octowego i propionianu winylu wynosi 6 mg/kg płynu modelowego. Rozporządzenie nie podaje dopuszczalnej zawartości aldehydu octowego w tworzywie.
Aldehyd octowy (etanal) jest drugim w szeregu homologicznym aldehydem alifatycznym. Występuje powszechnie w środowisku człowieka oraz w organizmie ludzkim jako produkt metabolizmu alkoholu etylowego. Obok kwasu octowego, który stanowi ostateczny produkt dehydrogenazy alkoholu etylowego w organizmie człowieka, jest on odpowiedzialny za złe samopoczucie po spożyciu alkoholu (objawy tzw. kaca, w tym wzmożone pragnienie). Produktami metabolizmu metanolu są: dużo bardziej toksyczny, pierwszy w szeregu homologicznym aldehydów alifatycznych aldehyd mrówkowy (formaldehyd) oraz kwas mrówkowy, które odpowiadają za ślepotę i przypadki zgonów występujące po spożyciu metanolu. Sam aldehyd octowy jest lotną cieczą o ostrym i nieprzyjemnym zapachu. Wykazuje działanie drażniące na drogi oddechowe, oczy i skórę oraz posiada właściwości uczulające. Wobec opisywanego związku istnieje również podejrzenie działania rakotwórczego. Aldehyd octowy podobnie jak większość aldehydów jest związkiem bardzo reaktywnym chemicznie. Ulega reakcji redukcji do alkoholu etylowego, utlenieniu do kwasu octowego, reaguje ze związkami azotowymi takimi jak amoniak, aminy 1° i 2°, w czasie jego przechowywania dochodzi do polimeryzacji, a także podlega on szeregowi innych reakcji chemicznych. Poniżej podano podstawowe dane fizyko-chemiczne charakteryzujące aldehyd octowy [7]:
n ciecz skrajnie łatwopalna,
n T krzepnięcia: -125°C,
n T wrzenia: 21°C,
n dolna granica wybuchowości: 4% (V),
n górna granica wybuchowości: 60% (V),
n najwyższe dopuszczalne stężenia w miejscu pracy: 5 mg/m3,
n najwyższe dopuszczalne stężenie pułapowe: 45 mg/m3.
3. Aldehyd octowy w materiałach i wyrobach z tworzyw sztucznych
Poli(tereftalan etylenu) jest poliestrem otrzymywanym na drodze polikondensacji z kwasu tereftalowego lub tereftalanu dimetylu i glikolu etylenowego. Reakcja otrzymywania PET przebiega dwustopniowo. W pierwszym etapie w wyniku reakcji kwasu tereftalowego z glikolem etylenowym uzyskiwany jest tereftalan bis (2-hydroksyetylu). Następnie po usunięciu wody i nadmiaru glikolu następuje reakcja polikondensacji, której produktami końcowymi są PET i glikol etylenowy. Obecność aldehydu octowego w wyrobach z PET jest wynikiem degradacji termicznej zachodzącej w czasie produkcji i przetwarzania PET. Według danych literaturowych aldehyd octowy powstaje już w warunkach polimeryzacji PET i jest koncentrowany w tworzywie w czasie schładzania oraz granulacji [8]. Zawartość aldehydu octowego w gotowym granulacie określono na ok. 1,5 ppm. W procesie produkcji kształtek wstępnych, które w dalszej części artykułu będą nazywane preformami, istnieje możliwość obniżenia zawartości aldehydu octowego w czasie suszenia granulatu. W wyniku tego procesu można otrzymać granulat o zawartości PET poniżej 1 ppm. Na wzrost zawartości aldehydu octowego na dalszych etapach przetwarzania PET wpływ mają procesy termiczne wtryskowego otrzymywania preform i późniejszego rozdmuchu butelek. Degradacja termiczna PET następuje na każdym etapie „upłynniania” tworzywa sztucznego, dlatego oznaczanie zawartości tej substancji jest bardzo istotne w procesie przetwarzania opakowań z PET pochodzących z recyklingu. Aby uzyskać gotowy wyrób pochodzący z recyklingu, należy ponownie przetopić uzyskany w drodze zbiórki surowiec, wyprodukować regranulat i poddać go normalnemu procesowi produkcyjnemu. Dodatkowe etapy ogrzewania przyczyniają się do wzrostu zawartości aldehydu octowego. Według danych różnych autorów, które zebrali w 2012 r. naukowcy z Francji, zawartość aldehydu octowego w tworzywach wynosiła od 0,5 do 25,7 ppm. Największą zawartość aldehydu oznaczono w butelkach produkcji japońskiej: od 8,4 do 25,7 ppm. Według autorów jest to spowodowane inną technologią produkcji butelek w Japonii [9]. Migracja aldehydu octowego do wody wahała się od 2 ppm do 79 ppm [10]. Jest to od kilku tysięcy do kilkudziesięciu razy poniżej dopuszczalnego limitu migracji wynoszącego 6 mg/kg żywności. Należy jednak zaznaczyć, że obecność aldehydu już w niewielkich ilościach rzędu 4-65 ppm wpływa negatywnie na smak i zapach wody przechowywanej w butelkach z PET [11]. W wielu przypadkach nie wykryto obecności aldehydu octowego. Niemniej jednak, temperatura, odczyn przechowywanej wody, stopień nasycenia ditlenkiem węgla mogą wpłynąć znacząco na poziom migracji aldehydu octowego z tworzywa do płynu imitującego dany rodzaj żywności. Zaniżone wyniki mogą być spowodowane również reaktywnością aldehydu octowego: reakcjami z tlenem, jonami metali oraz bakteriami zawartymi w wodzie i napojach [12].
4. Metoda oznaczania zawartości aldehydu octowego
4.1. Przedstawienie problemów analitycznych
Pomimo braku limitu zawartości aldehydu octowego w tworzywie, na rynku opakowaniowym zaistniała potrzeba oznaczania tego związku jako wskaźnika jakości PET. Większość prac badawczych skupiła się na oznaczaniu poziomu migracji aldehydu octowego, a nie jego zawartości w wyrobach z PET. W COBRO początkowo przeprowadzono szereg oznaczeń poziomu migracji aldehydu octowego do wody jako płynu modelowego żywności, jednak ze względu na uzyskiwane wyniki (poniżej granicy wykrywalności stosowanej metodyki badawczej) skupiono się na oznaczaniu zawartości aldehydu w PET. W czasie prac nad metodami oznaczania aldehydu octowego napotkano na wiele trudności wynikających zarówno z charakteru samego związku chemicznego, jak i z właściwości materiałów, w których aldehyd był oznaczany (granulaty, preformy, butelki). Wszystkie materiały, a szczegó
lnie preformy wykazywały znaczną grubość i twardość. Jednocześnie niewskazane było stosowanie rozpuszczalników organicznych ze względu na dużą odporność chemiczną PET i reaktywność samego aldehydu octowego. W pierwszych podjętych w COBRO próbach przygotowania próbek do badań zastosowano obróbkę mechaniczną przy zastosowaniu kriogenicznego młynka laboratoryjnego. Zwykłe młynki laboratoryjne nie znajdują tu zastosowania ze względu na znaczne straty oznaczanego analitu. Mielenie w temperaturze ciekłego azotu wynoszącej -196°C, czyli w temperaturze poniżej T krzepnięcia aldehydu (-125°C), chroni próbkę przed utratą badanego związku chemicznego.
Problemy analityczne dotyczące właściwego oznaczania zawartości oraz migracji aldehydu octowego związane są z przygotowaniem roztworów stanowiących podstawę krzywej wzorcowej aldehydu octowego. Temperatura wrzenia aldehydu octowego (21°C) sprawia, że wszelkie przeprowadzane czynności analityczne są niezmiernie kłopotliwe i mogą być obarczone ryzykiem znacznego błędu. Równie istotny jest dobór odpowiedniego rozpuszczalnika.
4.2. Opracowanie metody oznaczania zawartości aldehydu octowego
Jak wspomniano, niniejszy artykuł bazuje na połączeniu wyników prac badawczych przeprowadzonych w COBRO w latach 2009–2010. W COBRO na wszystkich etapach badań przyjęto metodę przygotowania próbki polegającą na mieleniu w młynku kriogenicznym. Zastosowano młynek FREEZER/MILL typ 6770 amerykańskiej firmy SPEX Sample Prep LLC (rys. 1.). Zasada działania młynka opiera się na ruchu metalowego trzpienia znajdującego się w tulei z poliwęglanu. Całość jest umieszczana w cewce elektromagnetycznej chłodzonej ciekłym azotem. Przy przygotowaniu próbki stosuje się następujące parametry pracy młynka:
n liczba cykli (powtórzeń) – 1,
n wstępne chłodzenie – 2 min,
n czas mielenia – 10 min,
n czas schładzania – 1 min,
n liczba uderzeń trzpienia – 6/sek,
n do zmielenia jednej porcji używano ok. 1,2 g granulatu.
Rozdrobniony materiał po umieszczeniu w fiolkach chromatograficznych zawierających wodę poddawano badaniom chromatograficznym. W trakcie opracowywania metody w roku 2009 zaobserwowano, że czas mielenia, a jeszcze bardziej czas upływający od zmielenia do umieszczenia zmielonej próbki w fiolce, rzutuje na wyniki oznaczeń zawartości aldehydu octowego. W opracowanej metodzie istotne znaczenie ma zarówno zachowanie jednakowego czasu mielenia, jak i maksymalne skrócenie czasu od rozdrobnienia do umieszczenia zmielonej próbki w fiolce, a także zachowanie stałych warunków w tym zakresie. Ten etap całego procesu analitycznego wykazuje największy wpływ na wynik analizy. W toku prac wykazano, że po upływie pierwszych 3 minut od zakończenia procedury rozdrabniania w młynku kriogenicznym zawartość aldehydu w tworzywie drastycznie spada, aby po 6 minutach osiągnąć plateau.
Niestandardowym podejściem do analizy zawartości aldehydu octowego było wykorzystanie nieograniczonej mieszalności aldehydu z wodą, łatwości dyfuzji substancji chemicznych z rozdrobionego PET oraz odporności samego PET na działanie wody. Przyjęta metoda oznaczenia zawartości polega na: rozdrobnieniu badanego tworzywa, umieszczeniu otrzymanego proszku w wodzie, w której następuje rozpuszczenie aldehydu octowego, a następnie przeprowadzeniu analizy przy pomocy chromatografu gazowego ze spektometrią mas. Zastosowano następujący przelicznik stężenia aldehydu octowego w wodzie i zawartości w tworzywie: 10 g wody zawiera 1 g zmielonego tworzywa, czyli stężenie aldehydu 0,049 mg/kg (ppm) wody odpowiada 0,49 mg/kg (ppm) aldehydu w tworzywie.
Do badań wykorzystano chromatograf gazowy 6890N firmy Agilent z automatycznym dozownikiem próbek z fazy nadpowierzchniowej (Headspace G 1888N) i detektorem spektometrii mas (MS) 5973N. Zastosowano kolumnę HP-PLOT Q o długości 30 m i średnicy 320 µm, grubość filmu (fazy) 0,20 µm.
W drugiej części badań przeprowadzonych w 2010 roku podjęto próbę zastosowania wzorca wewnętrznego.
Punktem wyjścia były nast. warunki chromatograficzne:
n Parametry pracy automatycznego dozownika próbek z fazy nadpowierzchniowej: temperatura pieca dozownika 60°C, pętli dozującej 105°C, linii transferowej 110°C, czas wygrzewania 10 min, czas cyklu chromatograficznego 30 min.
n Program temperaturowy kolumny chromatograficznej: izoterma 120°C przez 7,5 min, programowany wzrost temperatury z szybkością 30°C/min do 160°C, następnie izoterma 160°C przez 5,17 min i tzw. post run przez 10 min w 220°C.
n Parametry wlotu na kolumnie (inletu): temperatura 115°C, nadciśnienie helu 2,83 psi (przepływ w 120°C 7 ml/min), przepływ całkowity He 11,0 ml/min. Podział strumienia 10:1.
n Parametry pracy spektrometru mas: temperatura źródła jonów 230°C, kwadrupola 150°C, opóźnienie włączenia detektora 5 min, tryb pracy – monitorowanie pojedynczych jonów (SIM): m/z 29 dla aldehydu octowego, m/z 49 dla dichlorometanu.
Właściwie dobrany wzorzec wewnętrzny powinien charakteryzować się właściwą lotnością, znaczną rozpuszczalnością w rozpuszczalniku użytym do przygotowania próbek, w tym przypadku w wodzie, oraz dobrym rozdziałem od analitu. Do badań wytypowano dichlorometan, 1-propanol i 2-propanol. Niestety w przypadku 1- i 2-propanolu występujące ogonowanie pików wykluczyło te związki z dalszych prac. Chromatogram dla aldehydu octowego (czas retencji 6,054 min) i dichlorometanu (czas retencji 11,744 min) przedstawiono na rys. 2.
Poniżej zaprezentowano procedurę przygotowania krzywych kalibracyjnych:
Przygotowano 2 serie roztworów aldehydu octowego w wodzie o zakresie stężeń od 0,049 ppm do 0,794 ppm i od 0,050 ppm do 0,892 ppm. Do roztworów aldehydu dodano 25 µl roztworu dichlorometanu w wodzie (IS) o stężeniu 5,4 ppm. Otrzymane wyniki analizy przedstawiono w tab. 1. i na rys. 3.
Otrzymane wyniki charakteryzowały się dużą zmiennością pola powierzchni wzorca wewnętrznego. Zwiększało się ono wraz ze wzrastającym stężeniem aldehydu octowego. Wzrost sięgał 25% i występował również po zastosowaniu 1- i 2-propanolu. Z tego powodu w dalszych badaniach zrezygnowano z zastosowania wzorca wewnętrznego.
Kolejnym etapem opracowania metody było doskonalenie sposobu przygotowania próbek i warunków chromatograficznych.
W wyniku optymalizacji przyjęto następujący sposób przygotowania krzywych kalibracyjnych:
n aldehyd octowy w postaci ampułki zawierającej 1 g odczynnika,
n stężenie wodnego roztworu wyjściowego aldehydu octowego około 20000 ppm,
n pierwszy roztwór pośredni o stężeniu około 400 ppm, drugi roztwór o stężeniu około 20 ppm. Drugi roztwór roboczy służy do przygotowania roztworów wzorcowych o zakresie stężeń od 0,050 ppm do 0,800 ppm.
Poniżej podano warunki chromatograficzne:
n parametry pracy automatycznego dozownika próbek z fazy nadpowierzchniowej: temperatura pieca dozownika 60°C, pętli dozującej 110°C, linii transferowej 115°C, czas wygrzewania 10 min, czas cyklu chromatograficznego 8 min,
n program temperaturowy kolumny chromatograficznej: izoterma 120°C przez 6 min,
n parametry wlotu na kolumnie (inletu): temperatura 120°C, nadciśnienie helu 3,02 psi (przepływ w 120°C 7 ml/min). Przepływ całkowity He 11,0 ml/min. Podział strumienia 10:1,
n parametry pracy spektrometru mas: temperatura źródła jonów 230°C, kwadrupola 150°C, opóźnienie włączenia detektora 5,2 min, tryb pracy – monitorowanie pojedynczych jonów: m/z 29 dla aldehydu octowego.
Przy zastosowaniu podanych wyżej warunków wykonano serię eksperymentów mających na celu dobranie optymalnych warunków kondycjonowania próbek. Do badań przygotowano 5 serii roztworów aldehydu po 3 w każdej serii, razem 15 próbek o stężeniu ok. 0,350 ppm (środkowy punkt na krzywej kalibracyjnej). Przebadano trzy temperatury kondycjonowania: 60°C, 80°C i 90°C w czasie 10 min oraz trzy czasy kondycjonowania: 10 min, 30 min i 60 min dla temperatury 80°C. Dane do tego badania przedstawiono w tab. 2.
W wyniku analizy otrzyma
nych wyników stwierdzono, iż największe pole powierzchni aldehydu octowego uzyskano przy zastosowaniu temperatury kondycjonowania próbek 80°C. Kondycjonowanie próbek w czasie 10 min jest wystarczające do osiągnięcia zadowalających wyników, przedłużanie czasu kondycjonowania nie przynosi znaczącego zwiększenia pól powierzchni aldehydu, a jedynie przyczynia się do wydłużenia czasu analizy.
Jako ostateczną metodę oznaczania zawartości aldehydu octowego przyjęto warunki chromatograficzne opisane powyżej, stosując kondycjonowanie próbki przez 10 min w temperaturze 80°C.
W tab. 3. przedstawiono dane na temat krzywych kalibracyjnych otrzymanych w zoptymalizowanych warunkach. Otrzymane krzywe kalibracyjne przedstawia rys. 4.
Jako granicę wykrywalności przyjęto stosunek sygnału do szumu równy 3,3. Stężenie aldehydu octowego przy tym stosunku wynosi 0,019 ppm w wodzie (0,19 ppm w tworzywie). Za granicę oznaczalności przyjęto dwukrotność granicy wykrywalności, wynoszącą 0,038 ppm w wodzie (0,38 ppm w tworzywie).
5. Wyniki oznaczania zawartości aldehydu octowego w latach 2011–2012
W tab. 4. przedstawiono wyniki oznaczania zawartości aldehydu octowego w materiałach opakowaniowych do żywności z PET pochodzących od różnych producentów.
6. Podsumowanie
W przedstawionym artykule zaprezentowano metodę oznaczania aldehydu octowego wykorzystującą kruchość PET w bardzo niskich temperaturach. Metoda ta nie jest skuteczna do rozdrabniania materiałów oraz wyrobów z folii i laminatów giętkich, np. torebek z polietylenu (PE). Biorąc pod uwagę z jednej strony lotność aldehydu octowego i jego reaktywność oraz grubość preform i butelek z PET z drugiej strony, zastosowanie mielenia kriogenicznego to jedyny sposób na właściwe przygotowanie próbek do oznaczania zawartości aldehydu octowego. Jest to technika bardzo pomocna w analizie tworzyw sztucznych odpornych na działanie rozpuszczalników organicznych lub przy oznaczaniu związków chemicznych wchodzących w reakcje z rozpuszczalnikami. Otrzymane wyniki potwierdzają, że źródłem aldehydu octowego w materiałach i wyrobach z PET jest proces termicznej degradacji tworzywa w czasie przetwarzania, skutkujący zwiększeniem zawartości aldehydu octowego w wyrobach opakowaniowych z PET pochodzącego z recyklingu.
LITERATURA
[1] Opracowanie metody oznaczania zawartości aldehydu octowego w wyrobach z poli(tereftalanu) etylenu (PET), red. Mielniczuk Z., COBRO 2009.
[2] Walidacja opracowanej metody oznaczania zawartości aldehydu octowego na podstawie badań w granulatach i wyrobach z poli(tereftalanu etylenu) (PET), red. Mielniczuk Z., COBRO 2010.
[3] Rozporządzenie (WE) nr 1935/2004 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 października 2004 r. w sprawie materiałów i wyrobów przeznaczonych do kontaktu z żywnością oraz uchylające dyrektywy 80/590/EWG i 89/109/EWG, Artykuł 3. (Dz. U. L 338 z 13.11.2004).
[4] Rozporządzenie (WE) nr 1935/2004 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 października 2004 r. w sprawie materiałów i wyrobów przeznaczonych do kontaktu z żywnością oraz uchylające dyrektywy 80/590/EWG i 89/109/EWG, Artykuł 5. (Dz. U. L 338 z 13.11.2004).
[5] Rozporządzenie (WE) nr 1935/2004 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 października 2004 r. w sprawie materiałów i wyrobów przeznaczonych do kontaktu z żywnością oraz uchylające dyrektywy 80/590/EWG i 89/109/EWG, Artykuł 6. (Dz. U. L 338 z 13.11.2004).
[6] Rozporządzenie Komisji (WE) nr 10/2011 z dnia 14 stycznia 2011 r. w sprawie materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością, Załącznik I (Dz. U. L 12 z 15.01.2011).
[7] [www. sigmaaldrich. com], odsłona kwiecień 2013.
[8] Acetaldehyde in mineral water stored in polyethylene terephthalate (PET) bottles: odour threshold and quantification, red. Nijssen B., „Packaging Technology and Science” 9 (1996) s. 175–185.
[9] Chemical migration in drinking water stored in polyethylene terephthalate (PET) bottles: a source of controversy, red. Bach C., hal-00683918, version 1, 2012, s. 16–17.
[10] Chemical migration in drinking water stored in polyethylene terephthalate (PET) bottles: a source of controversy, red. Bach C., hal-00683918, version 1, 2012, tab. 2., s. 59.
[11] Chemical migration in drinking water stored in polyethylene terephthalate (PET) bottles: a source of controversy, red. Bach C., hal-00683918, version 1, 2012, s. 19.
[12] Chemical migration in drinking water stored in polyethylene terephthalate (PET) bottles: a source of controversy, red. Bach C., hal-00683918, version 1, 2012, s. 22.
