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食品接觸用rPET中半揮發(fā)性化合物的表征及影響因素

嘉峪檢測網(wǎng)        2022-07-15 22:10

01.背景

 

聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)因其輕便、耐用、高化學惰性和經(jīng)濟性,是目前飲料等消費量巨大的快消品所用的包裝材料。據(jù)統(tǒng)計,2019年全球PET飲料瓶的市場規(guī)模就達到6540萬噸[1],因此,如何高效利用廢舊PET食品包裝瓶,減輕廢舊PET食品包裝瓶對環(huán)境塑料污染的影響,成為全球共同關(guān)注的重大議題。在可持續(xù)發(fā)展理念的推動下,物理回收(mechanical recycling)技術(shù)通過對PET食品包裝瓶進行瓶到瓶同級回收(bottle-to-bottle recycling),可實現(xiàn)食品級高值化利用。因而被視為有效應(yīng)對塑料污染,推動節(jié)能減排,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的方式。

 

但回收PET食品包裝瓶(Recycled PET,簡稱rPET)在收集和物理回收過程中不可避免地會引入或產(chǎn)生一些污染物,其來源包括消費食品的殘留、非食品產(chǎn)品的誤用、其他塑料的交叉污染,以及材料自身的降解等,其中,半揮發(fā)性物質(zhì)(Semi-volatile compounds)在回收過程中能被PET所吸附,相對于揮發(fā)性物質(zhì),它在清潔工序較難去除,由此,在消費階段,可能從再生制造的食品包裝瓶中遷移出來,從而影響食品安全和消費者健康。

 

上世紀末歐美曾開展過食品級rPET的半揮發(fā)性污染物水平調(diào)查,但近20年來國際一直缺乏針對食品級rPET中污染物,特別是半揮發(fā)性物質(zhì)分布和來源的系統(tǒng)性研究。因此,本研究通過表征不同來源rPET中的半揮發(fā)性物質(zhì),建立差異等級模型,考察污染物可能的來源和影響因素,可為后續(xù)開展rPET的挑戰(zhàn)性測試、污染物消減,以及實現(xiàn)rPET的食品級應(yīng)用提供科學依據(jù)。

 

02.研究方法

 

本研究(I)比較不同前處理方法和檢測方法,以確定針對rPET中半揮發(fā)性物質(zhì)的非靶向篩查方法;(II)基于此利用全二維氣相色譜-飛行時間質(zhì)譜(GC × GC-TOFMS)技術(shù)表征rPET(來源不同)的半揮發(fā)性物質(zhì);(III)進一步結(jié)合化學計量學方法(偏最小二乘法判別分析、火山圖分析等),利用邏輯決策樹建立綜合差異等級模型,篩選不同物理回收工藝所得rPET的差異半揮發(fā)性物質(zhì);(IV)基于差異半揮發(fā)性物質(zhì),進一步通過溯源分析推斷其產(chǎn)生的來源和潛在影響因素[2]。

 

食品接觸用rPET中半揮發(fā)性化合物的表征及影響因素

 

▲ 圖1 技術(shù)路線圖

 

03.研究結(jié)論

 

研究首先在方法學上比較固液萃?。⊿LE)、溶解沉淀(TDs)的前處理方法和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)、GC×GC-TOFMS的檢測方法,結(jié)果表明,TDs-GC×GC-TOFMS能夠檢出更多種類、數(shù)量、分子量范圍更廣的物質(zhì),可有效用于rPET中半揮發(fā)性物質(zhì)的分析。

 

IQTC對采集的rPET樣品(不同來源)的半揮發(fā)性物質(zhì)進行表征,利用classyfire對檢出物質(zhì)進行分類分析,結(jié)果表明飽和烴、苯及其取代衍生物和不飽和烴分別是不同來源rPET(Y,G,W)中主要的物質(zhì)種類,且濃度具有顯著性差異(p<0.05),證明不同物理回收工藝下的rPET半揮發(fā)性物質(zhì)具有差異性。

 

基于半揮發(fā)性物質(zhì),利用化學計量學再次證明不同物理回收工藝下的rPET半揮發(fā)性物具有差異性,且篩選特征差異物質(zhì),為了減少單一指標的不全面型,利用邏輯樹建立不同rPET樣品的差異等級(I為最小,IV為最大),其中IV,III物質(zhì)可用于日后判斷rPET來源、回收工藝差異的指示性指標。

 

針對上述鑒定的差異半揮發(fā)性物質(zhì),通過結(jié)合國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫、已報道的文獻,推斷差異物質(zhì)主要的來源是非食品產(chǎn)品的殘留;研究也進一步指出影響食品級rPET中半揮發(fā)性物質(zhì)產(chǎn)生的可能因素有PET表面性狀、工藝溫度和濕度等。

 

食品接觸用rPET中半揮發(fā)性化合物的表征及影響因素

 

▲ 圖3 半揮發(fā)性物質(zhì)的種類

 

食品接觸用rPET中半揮發(fā)性化合物的表征及影響因素

 

▲ 圖 4 差異等級的建立和分布

 

本工作是近20年來國際上首個系統(tǒng)性考察食品級rPET中半揮發(fā)性污染物分布的研究,所建立的TDs-GC×GC-TOFMS分析技術(shù)相對于已報道技術(shù)能夠更全面、準確分析食品級rPET中半揮發(fā)性物質(zhì);結(jié)合化學計量學和邏輯樹獲得了不同物理回收工藝下rPET的差異指示性物質(zhì),發(fā)現(xiàn)了部分值得關(guān)注的半揮發(fā)物質(zhì),并初步探索了影響該半揮發(fā)物質(zhì)產(chǎn)生的影響因素和可能來源。研究工作可為中國推動食品級rPET相關(guān)政策落地、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和學術(shù)研究提供科學參考。

 

參考文獻

 

[1] Nicholson S R, Rorrer N A, Carpenter A C, et al. Manufacturing energy and greenhouse gas emissions associated with plastics consumption[J]. Joule, 2021, 5(3): 673-686.

[2] Wu S, Wu X, Li H, et al. The Characterization and Influence Factors of Semi Volatile Compounds from Mechanically Recycled Polyethylene Terephthalate (Rpet) by Combining Gc× Gc-Tofms and Chemometrics[J]. Available at SSRN 4122034.

[3] 董犇,黎梓城,鄭建國,劉中勇,陳勝,李丹,林勤保,鐘懷寧.食品接觸用再生PET制品中非有意/有意添加物遷移量的篩查及安全評估[J].食品工業(yè)科技,2021,42(18):252-260.DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2021010103.

[4] 董犇,吳學峰,郝天英,李丹,曾瑩,吳思亮,寇筱雪,黎梓城,陳勝,林勤保,鐘懷寧,鄭建國.基于UPLC-QTOF MS的食品接觸用回收PET中非揮發(fā)性有機物的非靶向篩查[J].分析測試學報,2021,40(11):1545-1552.DOI:10.19969/j.fxcsxb.21080403.

[5] 葉智康,曾瑩,林勤保,吳學峰,郝天英,董犇,李丹,鐘懷寧.基于SPME/GC × GC-QTOF MS法測定回收PET中的揮發(fā)性有機物[J].分析測試學報,2021,40(11):1596-1603.DOI:10.19969/j.fxcsxb.21073005.

[6] Li H, Wu X, Wu S, et al. Machine learning directed discrimination of virgin and recycled poly (ethylene terephthalate) based on non-targeted analysis of volatile organic compounds[J]. Journal of Hazardous Materials, 2022, 436: 129116.

 

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來源:國家食品接觸材料檢測重

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