Методические аспекты гигиенической оценки безопасности полимерных материалов, контактирующих с пищевыми продуктами

РезюмеРазработана методика определения с помощью капиллярной газожидкостной хроматографии (ГЖХ) низких уровней гексаметилендиамина (ГМДА) в водных вытяжках из полимерных материалов, контактирующих с пищевыми продуктами. ГМДА, HN2-(CH2)6-NH2, - мономер, используемый в производстве ряда полиамидных пластических материалов и изделий, предназначенных для использования в пищевой промышленности. Соединение проявляет все химические свойства алифатических аминов, оказывает раздражающее действие, вызывает дерматиты, способно накапливаться в организме. По степени воздействия на человека ГМДА отнесен ко 2-му классу опасности - веществу высокой опасности. Изучены 2 методических подхода предварительной дериватизации вещества для его газохроматографического определения. 1-й подход включает превращение свободного диамина в диуретан обработкой этилхлорформиатом как дериватизирующим агентом с последующим анализом образующегося диуретана с использованием пламенно-ионизационного и масс-селективного детектора (количественный расчет по иону m/z 102; нижний предел обнаружения - 1 нг). Согласно второму методическому подходу, ГМДА экстрагировали из водного образца толуолом в присутствии хлорида натрия, дериватизировали вещество в диамид обработкой трифторуксусным ангидридом (60 мин, 55 °С), освобождали от избытка дериватизирующего агента обработкой фосфатным буфером (рН 7,0) для последующего анализа диамида с помощью ГЖХ с электронозахватным детектором (нижний предел измерения - 0,01 нг). Для подтверждения использована комбинация ГЖХ/масс-спектрометрии (количественный расчет по иону m/z 126, нижний предел измерения 0,1 нг). Обоснована оптимальность второго пути предварительной дериватизации (получение трифторуксусного производного) для определения низких уровней ГМДА в водных вытяжках. Диапазон измеряемых концентраций - 0,005-0,5 мг/дм3, полнота извлечения - 88-101%, суммарная погрешность измерения - 16%, относительное стандартное отклонение - 1,85%. Методика апробирована при исследовании водных вытяжек из 10 случайных образцов, предназначенных для пищевой продукции, приобретенных на потребительском рынке. Показано соответствие продукции по уровню ГМДА требованиям к изделиям данного вида.

Ключевые слова:гексаметилендиамин, метод контроля, гигиеническая безопасность, полимерные материалы

Вопр. питания. - 2012. - № 6. - С. 67-73.

Доктрина продовольственной безопасности Российсклй Федерации, утвержденная указом Президента РФ от 30.01.2010 № 120 [1], определяет приоритетные задачи по обеспечению качества и безопасности готовой пищи. Это напрямую связано с качеством материалов, применяемых для производства изделий, контактирующих с пищевыми продуктами. Широкое использование разнообразных упаковочных, укупорочных материалов и потребительской тары, а также бурное развитие индустрии переработки пластических масс для нужд промышленности, производящей пищевые продукты, делают рассматриваемую проблему все более актуальной. Нельзя не акцентировать внимание на вопросах соблюдения потребителями рекомендаций, касающихся применения этих изделий по прямому назначению. Отступление или несоблюдение этих рекомендаций может представлять существенную опасность для здоровья.

Перспективным направлением в областях изучения материалов, контактирующих с пищевыми продуктами, и надзора за их применением является совершенствование действующих нормативнометодических документов с учетом современных требований.

Базовые приемы оценки безопасности полимерных материалов в мировой практике включают исследование модельных сред, имитирующих свойства пищевых продуктов, в зависимости от рецептуры ингредиентов. В ряде стран для проведения таких испытаний разрабатываются и внедряются свои модельные среды, условия экстракции и соответствующая нормативная документация [5, 12]. Количественная оценка перехода веществ-мигрантов в исследуемые среды включает сопоставление полученных результатов и величин гигиенических нормативов уровня миграции: предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ). Эти значения являются основными критериями оценки материалов и изделий, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами, влажность которых превышает 15%. Определение уровня миграции химических веществ включает применение модельных сред (дистиллированной воды, слабых растворов кислот и др.), имитирующих свойства предполагаемого ассортимента пищевых продуктов при температурно-временных режимах, воспроизводящих реальные условия эксплуатации изделий [2].

Технический регламент Таможенного союза "О безопасности упаковки" [5], "Единые санитарно-эпидемиологические и гигиенические требования к товарам, подлежащим санитарноэпидемиологическиму надзору (контролю)" [2] регламентируют как основные виды материалов, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами, так и химические вещества, присущие каждому виду материалов, уровни которых необходимо контролировать при проведении санитарно-химических исследований.

Рассматривая данный аспект с гигиенических позиций, следует отметить, что вредность полимерных веществ, входящих в материалы, контактирующие с пищевыми продуктами, в первую очередь определяется остаточными количествами мигрирующих из них мономеров. Данные мономеры могут обладать высокой токсичностью, обусловленной тем, что структурные элементы, используемые при производстве этих полимерных материалов, включают функционально-активные химические группы, весьма реактивные и биологически агрессивные.

Существующая база аналитического контроля токсических органических веществ в вытяжках опирается на метод тонкослойной хроматографии, что позволяет проводить визуальное сравнение интенсивности и площади локализации вещества со стандартными пробами, содержащими известное количество аналита. Таким образом, данный метод, несмотря на его производительность, по существу является полуколичественным.

Нашей целью была разработка методики количественного определения низких уровней гексаметилендиамина (ГМДА) в водных вытяжках из полимерных материалов, контактирующих с пищевыми продуктами.

Материал и методы

Для определения ГМДА использован метод капиллярной газожидкостной хроматографии (ГЖХ), включающий предварительную деривацию этого соединения в диуретан (способ 1) или диамид (способ 2).

Газохроматографическое разделение проводили с применением газовых хроматографов "Кристалл-200М" и "Agilent Technologies 6890N". Хроматограф "Кристалл-200М" включал плазменно-ионизационный детектор (ПИД), капиллярную колонку VF-5ms (ее длина - 15 м, внутренний диаметр - 0,53 мм, толщина пленки - 0,5 мкм) со следующим режимом программирования температуры: начальная температура 100 оС (выдержка 3 мин), нагрев колонки до температуры 270 оС со скоростью 15 оС в минуту (выдержка 3 мин), температура испарителя 280 оС, детектора 300 оС, газ-носитель - азот (поток 4,7 см3/мин, деление потока 1:2), хроматографируемый объем - 2 мм3.

Хроматограф "Agilent Technologies 6890N" включал электронозахватный детектор (температура 300 оС), испаритель Splitless (режим температуры 280 оС, хроматографируемый объем - 1 мм3, выдержка 60 с), газ-носитель - азот (1,0 см3/мин), колонку DB-1701 (ее длина - 30 м, внутренний диаметр - 0,25 мм, толщина пленки - 0,25 мкм; температурный режим: начальная температура колонки 100 оС (выдержка 2 мин), нагрев колонки со скоростью 25 оС в минуту до 270 оС (выдержка 3 мин), масс-спектрометрический детектор 5975C (температура детектора 300 оС, квадруполя - 150 оС, источника - 230 оС, переходной камеры - 280оС), испаритель Splitless (с температурой 280 оС, хроматографируемым объемом - 2 мм3, выдержка - 60 с), газ-носитель - гелий (1,0 см3/мин), колонку HP-5ms (с длиной 30 м, внутренним диаметром 0,25 мм, толщиной пленки сорбента 0,25 мкм), начальная температура колонки 100 оС (выдержка 2 мин), нагрев колонки до температуры 270 оС со скоростью 25 оС в минуту (выдержка 3 мин), режим сканирования - SCAN-SIM.

Концентрирование образцов осуществляли на ротационном вакуумном испарителе Buche (Швейцария), термостатирование - в суховоздушном термостате (СКБ Хроматэк). Для приготовления исследуемых образцов и пробоподготовки применяли дистиллированную воду, а также калий фосфорнокислый однозамещенный, гидроксид натрия, серную кислоту, водный раствор аммиака марки "х.ч.", этилхлорформиат, 99% (Acros Organics), трифторуксусный ангидрид (99%), толуол (максимальное содержание воды - 0,005%), безводный сульфат натрия (Panreac). В качестве аналитического стандарта использован ГМДА с содержанием основного вещества 99,6% (Panreac).

Для исследования образцов применяли 2 способа.

1-й способ основан на превращении ГМДА в диуретан при обработке этилхлорформиатом [14]. Водный образец (объемом 100 см3) подкисляли концентрированной кислотой до рН 2 (контроль по индикаторной бумаге), концентрировали в условиях разряжения до объема ~2 см3, нейтрализовали 5 М раствором гидроксида натрия (рН~8), вносили 1 см3 3% раствора аммиака, 3 см3 5 М раствора гидроксида натрия, 2 см3 толуола и 100 мм3 этилхлорформиата, встряхивали (вверх-вниз) в течение 15 мин. Верхний толуольный слой отделяли, обезвоживали над сульфатом натрия, аликвоту раствора (1/2 часть пробы) концентрировали до объема 0,5 см3. Рабочие градуировочные растворы ГМДА в диапазоне концентраций 0,5-5,0 мкг/см3 готовили на основе дистиллированной воды. Для получения производного 2 см3 каждого градуировочного раствора обрабатывали аналогично исследуемым образцам.

2-й способ, базирующийся на превращении ГМДА в диамид [10, 13], включал экстракцию водной пробы объемом 4 см3 толуолом (трижды по 2 см3) в присутствии 0,5 г хлорида натрия, обработку экстракта трифторуксусным ангидридом (20 мм3) в течение 1 ч при 55 оС, промывку исследуемого раствора 1 М фосфатным буферным раствором в объеме 4 см3 (рН 7) для удаления избытка используемого агента, использование безводного сульфата натрия (~0,1 г) для освобождения толуольной фазы от влаги, концентрирование аликвоты раствора (Ѕ часть пробы) до 1 см3 (идентификация с применением электронозахватного детектора) или 0,2 см3 (при использовании масс-спектрометрического детектора). При исследовании вытяжек, приготовленных на основе разбавленных водных растворов уксусной, лимонной, молочной кислот, пробу перед анализом нейтрализовали 1 М раствором гидроксида натрия до рН 8-9 (контроль по индикаторной бумаге). Для получения градуировочного раствора трифторуксусного производного ГМДА (концентрация ГМДА - 5 мкг/см3), 5 см3 стандартного раствора ГМДА в толуоле (концентрация 100 мкг/см3) обрабатывали трифторуксусным ангидридом в течение 1 ч при 55 оС. Затем промывали 4 см3 1 М фосфатного буферного раствора (рН 7), осушали безводным сульфатом натрия согласно описанной выше процедуре пробоподготовки. Полученную аликвоту толуольного экстракта (1/2 часть) с помощью пипетки переносили в мерную колбу и доводили объем раствора до 50 см3 толуолом. Последовательным разбавлением толуолом готовили рабочие градуировочные растворы в диапазоне концентраций ГМДА 0,01-1,0 мкг/см3. Приготовленные рабочие растворы хранили в течение 30 дней при температуре - 18 оС. На рис. 1 и 2 в качестве примера приведены хроматограммы трифторуксусного производного ГМДА (концентрация ГМДА 0,5 мкг/см3) в указанных выше условиях хроматографирования с использованием соответственно детектора электронного захвата ионов и масс-селективного детектора.

Метрологическая оценка методики измерений выполнена согласно ГОСТ ИСО 5725-4-2002 [10]. Статистическая обработка результатов проведена с помощью прикладной компьютерной программы Statgraphics, t-критерия Стьюдента (р=0,95).

Рис. 1. Хроматограмма трифторуксусного производного гексаметилендиамина (концентрация ГМДА 1,0 мкг/см3, толуол); идентификация с использованием детектора электронного захвата ионов

Рис. 2. Хроматограмма трифторуксусного производного гексаметилендиамина (концентрация ГМДА 1,0 мкг/см3, толуол), идентификация с применением масс-спектрометрического детектора.

Результаты и обсуждение

Дальнейшее развитие аналитической химии связано с применением инструментальных исследований, к которым можно отнести созданный способ определения мономера ГМДА в водных вытяжках из полиамидных материалов - полигексаметиленадипинамида и полигексаметиленсебацинамида, получаемых полимеризацией гексаметилендиаминаадипиновой и себационовой кислот [7].

Соединение проявляет все химические свойства алифатических аминов, оказывает раздражающее действие, вызывает дерматиты и способно накапливаться в организме [9]. По степени воздействия на человека ГМДА отнесен ко 2-му классу опасности (вещество, характеризующееся высокой опасностью) [2].

Официальный метод контроля вещества в водных вытяжках основан на хроматографии в тонком слое сорбента (силикагель) и использовании в качестве проявляющего реагента нингидрина, специфичного в отношении первичных аминов и аминокислот [6]; имеет нижний предел определения 0,01 мг/дм3 (на уровне ДКМ) при объеме анализируемого образца 100 см3 [4]. Этот метод не отвечает современным требованиям, предъявляемым к метрологическим характеристикам методик измерений (МИ).

Известен способ определения остаточных количеств ГМДА в водных вытяжках [13] после превращения свободного амина в диуретан при использовании этилхлорформиата как агента. Этот метод, базирующийся на ГЖХ с применением ПИД, позволяет при объеме водной вытяжки 1 см3 определить нижний предел идентификации - 0,5 мг/кг. Принимая во внимание, что для определения ГМДА, содержащегося в водных пробах, в литературе указываются различные их объемы (получаемые путем упаривания подкисленного образца [4] или с помощью твердофазной экстракции [15]), нами была изучена потенциальная возможность достижения необходимой чувствительности измерения (0,005 мг/дм3) в объеме анализируемой пробы, увеличенной в 100 раз. Однако апробация методического подхода на стандартных растворах ГМДА с использованием газового хроматографа "Кристалл-2000М" (ПИД) показала крайне низкую чувствительность детектирования - на уровне 20 нг вещества в хроматографируемом объеме в качестве минимальной величины. Удовлетворительное детектирование производного диуретана на приемлемом уровне (1 нг в хроматографируемом объеме) было достигнуто только с применением масс-селективного детектора (количественная идентификация по иону m/z 102). Вместе с тем использование для детектирования вещества исключительно метода масс-спектрометрии ограничивает возможности его реализации в лабораториях практической службы. Кроме того, в анализ вовлечены существенные объемы аналитического образца (100 см3 на единичное измерение). К тому же этилхлорформиат, который применяется в качестве реагента, является высокореакционноспособным веществом, требующим особых условий хранения, использования и утилизации [8].

Способы хромато-масс-спектрометрического определения ГМДА в моче основаны на извлечении вещества из биологической среды с помощью диэтилового эфира или толуола, которые превращают искомое вещество в диамид при взаимодействии с гептафтормасляным ангидридом [11, 14, 16]. Введение в структуру производного атомов фтора позволяет использовать для идентификации соединения детектор электронного захвата ионов (ДЭЗ) - прибор, специфично реагирующий на галогены, что существенно расширяет возможности использования метода в практике (рис. 1).

Показано, что в качестве дериватизирующего агента допустимо использование трифторуксусного ангидрида. При применении высаливающего агента (хлорид натрия) полнота извлечения ГМДА в системе жидкость-жидкость (вода-толуол) достигает более 90%.

Градуировочная характеристика, проведенная методом абсолютной калибровки, линейна в диапазоне 0,01-1,0 нг, что соответствует диапазону измеряемых концентраций ГМДА (в пределах 0,005-0,5 мг/дм3) в модельных водных вытяжках. Достоверность измерений установлена и при проведении в аналогичных условиях масс-спектрометрической идентификации трифторуксусного производного ГМДА (рис. 2) (метод подтверждения) с количественным расчетом по иону m/z 126.

На основе выполненной в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-1-6-2002 [10] метрологической оценки методики показано, что суммарная погрешность измерения составляет не более 16%, вычисленная систематическая ошибка - не более 14%, воспроизводимость результатов, характеризующаяся величиной относительного стандартного отклонения - 1,85% по всему диапазону измерений от 0,005 до 0,5 мг/дм3, полнота извлечения 88-101% (средняя 96,5%).

С применением разработанной методики были исследованы водные вытяжки 10 случайных образцов, предназначенных для пищевой продукции, приобретенные на потребительском рынке. Показано соответствие продукции по уровню ГМДА требованиям к изделиям данного вида. Новый способ контроля соответствует требованиям ГОСТ Р 8.563-2009 "Методики (методы) измерений" [3], позволяет оптимизировать аналитические исследования, дополняет базу лабораторного контроля вредных химических веществ, которые могут представлять опасность для здоровья населения.

Литература

1. Доктрина продовольственной безопасности Российской Федерации, утверждена Указом Президента Российской Федерации 30.01.2010 г., № 120. - М., 2010. - 8 с.

2. Единые санитарно-эпидемиологические и гигиенические требования к товарам, подлежащим санитарно-эпидемиологическому надзору (контролю), утверждены Решением Комиссии Таможенного союза от 28.05.2010, № 299. Глава 2. Раздел 16. Требования к материалам и изделиям, изготовленным из полимерных и других материалов, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами и средами. - М.: Санэпиднадзор, 2011. - С. 1071-1105.

3. Методики (методы) измерений. ГОСТ Р 8.563-2009. - М.: Стандартинформ, 2010. - 14 с.

4. Методические рекомендации по определению гексаметилендиамина в воде при санитарно-химических исследованиях полимерных материалах, применяемых в пищевой и текстильной промышленности, МЗ СССР, № 1503-76, 23.09.1976 // Методы санитарно-химических исследований полимерных материалов, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами. Сборник методических рекомендаций. Т. 1. - Киев, 1882. - С. 32-36.

5. О безопасности упаковки. Технический регламент Таможенного Союза ТР ТС 005/2011, утвержден Решением Комиссии Таможенного союза от 16.08.2011, № 763. - М., 2012. - 35 с.

6. Сиггиа С., Ханка Дж. Количественный органический анализ по функциональным группам: Пер. с англ. - М.: Химия, 1983. - 489 с.

7. Тагер А .А. Физикохимия полимеров. - М.: Химия, 1968. - 55 с.

8. Терней А.Л. Современная органическая химия. Т. 2. - М.: Мир, 1981. - 414 с.

9. Томилов А.П., Смирнов С.К. Адиподинитрил и гексаметилендиамин. - М.: Химия, 1974. - 280 с.

10. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов. Ч. 4. Основные методы определения правильности стандартного метода измерений. ГОСТ ИСО 5725-4-2002. - М.: Госстандарт России, 2002. - 32 с.

11. Gaines L.G.T., Fent K.W., Flack S.L. et al. // Ann. Occup. Hyg. - 2010. - Vol. 54, N 6. - Р. 678-691.

12. Materials and articles in contact with foodstuffs - Plastics substances subject to limitation - Part 1: Guide to test methods migration of substances from plastics to foods and food simulants and the determination of substances in plastics and the selection of conditions of exposure to food simulants. EN 13130. - 2005. - 20 p.

13. Materials and articles in contact with foodstuffs - Plastics substances subject to limitation - Part 21: Determination of ethylelediamine and hexamethylenediamine in simulants. CEN/TS 13130-21. - 2005. - 17 p.

14. Rosenberg C., Nikkila K., Henriks-Eckerman M.L. et al. // J. Environ. Monit. - 2002. - N 4. - P. 711-716.

15. Smith J.S., Hanrahan J.M. // J. Chromatogr. A. - 1980. - Vol. 193, N 2. - P. 271-276.

16. Williams N.R., Cocker K.J. // Occup. Environ. Med. - 1999. - Vol. 56. - P. 598-601.

Материалы данного сайта распространяются на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License («Атрибуция - Всемирная»)

SCImago Journal & Country Rank
Scopus CiteScore
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
Тутельян Виктор Александрович
Академик РАН, доктор медицинских наук, профессор, научный руководитель ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии»

Журналы «ГЭОТАР-Медиа»