林晨璐，林勤保，叶智康，杨青华

（暨南大学包装工程研究所，广东 珠海 519070）

目前，便利、个性化的自热方便类产品备受消费者青睐，但其食品安全问题也成了关注热点。自热食品，是指不依赖电、火等方式加热，通过发热包遇水发生化学反应，释放出大量热量，持续产生高温蒸汽，从而加热食物的预包装食品。目前自热食品的餐盒大部分使用聚丙烯（polypropylene，PP）材料。PP材料具有机械性能好、耐热性能好、无毒、易加工成型等优良特性，被广泛用于食品、包装、汽车内饰件等领域。然而，受催化剂、聚合工艺、氧化物残留、短链低聚物及降解等因素的影响，PP材料不同程度地释放出挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs）。而VOCs中的许多物质对人体及其感官有刺激作用，且具有一定的毒性，有些还会产生致癌、致畸、致突变的“三致”效应，对环境安全和人类生存产生极大的危害。在自热食品使用过程中，加热时长将持续15 min以上，材料各位置的最高温度均为80 ℃左右，而高温条件使PP材料稳定性下降，释放出更多VOCs。

国内外对自热食品的包装安全研究主要集中在产品的包装形式和使用安全方面，少有涉及包装释放的VOCs及其可能出现的异味问题。VOCs的检测技术，主要包括溶剂萃取、顶空、吹扫捕集、直接热解析等，结合气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）联用分析特定条件下或残留的挥发性化合物及半挥发性化合物。李晓飞基于超声辅助溶剂萃取和GC-MS联用追溯分析了橡胶复合材料中挥发性化合物的来源；Paiva等利用固相微萃取技术分析了回收聚丙烯中多种挥发性有机化合物。

本研究采用超声辅助溶剂萃取法在4 种溶剂下萃取自热食品PP包装中的复杂成分，并对萃取时间进行优化；在最佳萃取条件下，结合GC-MS分析4 种萃取溶剂下3 种自热食品PP包装中挥发性成分种类，通过MS-DIAL软件结合NIST谱库及色谱保留指数（retention index，RI），综合定性分析化合物，并计算相对气味活度值（relative odor activity value，ROAV）分析潜在气味贡献物质；为自热食品包装的挥发性气味及安全问题提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

网购3 个知名品牌的自热食品，得到其PP包装样品，编号为K、M、X。

正构烷烃（C～C）混合标准溶液（1 000 mg/L，色谱纯） 西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司；正己烷（色谱纯） 北京迈瑞达科技有限公司；乙醇、二氯甲烷（均为色谱纯） 上海麦克林生化科技有限公司；乙酸乙酯（色谱纯） 阿拉丁试剂（上海）有限公司。

1.2 仪器与设备

7890A/5975C GC-MS联用仪 美国Agilent公司；FA1604N电子天平（精确到0.000 1 g） 上海菁海仪器有限公司；KQ5200DE超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品处理

将样品剪成规格约5 mm×5 mm的碎片，每份准确称取1 g样品（精确至 0.01 g）于试管中，分别加入10 mL正己烷、乙醇、乙酸乙酯、二氯甲烷，进行超声辅助溶剂萃取，取上层清液，过0.22 μm有机系尼龙66 微孔滤膜，并进行GC-MS检测分析，每份样品准备3 份平行样品。

1.3.2 萃取时间优化实验

以样品M为例，通过GC-MS检测分析不同超声萃取时间（1、1.5、2 h）下的样品，使得不同萃取溶剂对样品中化合物的提取效果（总峰面积和峰数目）达到最好。选择最佳萃取时间，并将其应用于后续实验的样品处理。

1.3.3 正构烷烃混合标准溶液配制

准确量取1 mL正构烷烃混合标准溶液于1 000 mL容量瓶中，用正己烷定容，配成质量浓度为1 mg/L的正构烷烃混合标准溶液用于保留时间定性。

1.3.4 GC条件

HP-5MS毛细管色谱柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；进样口温度：250 ℃；离子源温度：230 ℃；四极杆温度：150 ℃；传输线温度：280 ℃；载气：氦气；流速：1.0 mL/min；进样量：1 μL；进样方式：液体进样，不分流进样；升温程序：初始温度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条件

电离方式：电子电离源；电离能量：70 eV；离子源温度：230 ℃；四极杆温度：150 ℃；传输线温度：280 ℃；全扫描模式；溶剂延迟：5 min；质量扫描范围：/35～550。

1.3.6 数据处理

为减少质谱数据处理软件产生的误差，提升实验结果的准确性和全面性，因此采用两种软件处理和解析数据。使用MS-DIAL program 4.48软件对采集数据进行解卷积处理并计算RI，得到各组分的保留时间、峰面积和RI，同时在Mass Hunter软件（NIST14谱库）中进行检索匹配。

1.3.7 重点关注物质筛查与评价

1.3.7.1 毒理学评估阈值法

Cramer等建立化学物质分类体系和分类流程，按毒性大小将化学物划分为Cramer I、Cramer II和Cramer III；Munro等根据Cramer分类，建立了3 个类别的毒理学关注阈值，Cramer I、Cramer II、Cramer III分别为每人每天1 800、540、90 μg。物质对应的毒理学关注阈值越低，说明该物质的毒性危害越明显，需要引起更多安全关注。

本实验利用Toxtree（http://toxtree.sourceforge.net/）软件中Cramer rule决策树，对检出物质进行等级分类，并根据毒理学关注阈值法进行危害评估。

1.3.7.2 挥发性气味物质评价法

由于不同物质的嗅觉敏感性差异很大，挥发性气味物质的相对含量并不能直接说明物质对样品总体气味的贡献大小。本实验通过计算ROAV，评估挥发性有机化合物对PP包装样品整体气味的贡献。通过查阅网站（http://www.flavornet.org/flavornet.html）、《化合物嗅觉阈值汇编》、研究文献[20-21]等，筛查挥发性风味物质。结合气味阈值计算出ROAV，并确定气味主要贡献物质，其中ROAV的计算公式如下：

式中：ROAV为气味物质的相对气味活度值；为对样品总体气味贡献最大物质的相对含量；为其他气味物质的相对含量；为对样品总体气味贡献最大物质的感觉阈值；为其他气味物质的感觉阈值。

ROAV越大的组分对样品总体风味的贡献也就越大。当挥发性物质ROAV不低于1时，认为其对PP包装的气味有直接影响，是PP包装主要及关键气味物质；当挥发性物质ROAV小于1且不低于0.1时，认为其对于PP包装的气味具有重要的修饰作用，可辅助和增强部分风味物质的呈味特性；当ROAV小于0.1时，认为其对PP包装的气味贡献很小。

2 结果与分析

2.1 萃取时间优化

由图1a、c可知，当正己烷和乙酸乙酯作为萃取溶剂时，随着萃取时间的延长（延长至1.5 h），总离子流图的总峰面积有所上升，峰数量无明显变化；时间延长至2 h，总峰面积和峰数量均下降。由图1b可知，当乙醇作为萃取溶剂时，随着萃取时间延长，物质总峰面积呈现先上升后小幅度下降，峰数量先不变后增多。以二氯甲烷作为萃取溶剂时（图1d），总峰面积下降，峰数量先下降后不变。

高温会影响所研究化合物的热稳定性，并可能会发生溶剂和分析物的分解。综合考虑化合物萃取效果、时间和能源消耗等，当采用正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷作为萃取溶剂时，选择最佳萃取时间1 h；用乙醇作为萃取溶剂时，最佳萃取时间为2 h。

图1 PP包装样品M中的化合物在不同萃取溶剂及时间下的萃取效果Fig. 1 Extraction effects of volatile compounds in PP packaging sample M under different extraction solvents and times

2.2 4 种萃取剂的萃取效果分析

图2 不同溶剂萃取下PP包装样品M的总离子流色谱图Fig. 2 Total ion current chromatograms of volatile compounds from PP packaging sample M using different extraction solvents

在最优萃取时间下，分别以正己烷、乙醇、乙酸乙酯、二氯甲烷为萃取溶剂，提取3 种自热食品PP包装样品中的化合物并进行GC-MS分析。以PP包装样品M为例，其总离子流图如图2所示。经解卷积处理及NIST14谱库检索处理后得出的各色谱峰定性结果及其相对含量见表1。

表1 4 种溶剂萃取3 种PP包装样品的定性结果Table 1 Results of qualitative analysis of volatile compounds from 3 PP packaging samples using four different extraction solvents

续表1

由表1可知，从3 种自热食品PP包装样品中共检测出72 种挥发性成分（其中4 种成分未知），4 种溶剂均萃取出的物质有12 种（烃类10 种、酯类1 种、醚类1 种）。经正己烷共萃取出42 种物质：烃类31 种、酚类2 种、醇类1 种、酯类4 种、醚类3 种、其他类1 种。正己烷极性较弱，对弱极性化合物具有较好萃取效果，同时正己烷分子易渗透入塑料制品内部，使其溶胀开裂，导致分子间距增大，内部化合物能被大量提取，因此正己烷的萃取效果较好。经乙醇共萃取出23 种物质：烃类12 种、酯类8 种、醚类2 种、其他类1 种。乙醇溶剂极性较强，对于酯类物质等极性较强的目标物有较好的萃取效果，但其极性过高，偏离了大部分中性、弱极性物质的极性范围，总体萃取效果不佳。经乙酸乙酯共萃取出45 种物质：烃类30 种、酚类2 种、醇类2 种、酯类4 种、酮类1 种、醚类2 种、醛类1 种、胺类1 种、羧酸类1 种、其他类1 种。PP材料含大量的中性物质，4 种萃取溶剂中属于中等极性的溶剂只有乙酸乙酯，因此乙酸乙酯的萃取效率高。经二氯甲烷共萃取出44 种物质：烃类35 种、酚类1 种、醇类1 种、酯类3 种、酮类1 种、醚类2 种、其他类1 种。二氯甲烷极性适中，可使结构致密的塑料制品溶胀，有助于快速地从中提取目标组分，其萃取效果较好。

由图3可知，在PP包装样品M中，正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷的萃取化合物种类及规律相似，能够较好提取烃类化合物，乙醇对酯类物质的提取效果较明显。正己烷对酚类物质的提取效果优于其他萃取剂；乙酸乙酯对各类物质均有一定的提取能力；二氯甲烷对烃类物质的提取效果优于其他萃取剂。如图4所示，PP包装样品K、M、X的化合物组成中烃类、酯类具有较高占比，其中样品M含有较高含量烃类物质，而K样品中酯类化合物含量较高。不同样品中化合物种类分布差异较大，可能是助剂、生产工艺等不同导致的。

图3 PP包装样品M在不同萃取剂下所得到的各类物质及其相对含量Fig. 3 Types and relative contents of volatile compounds from PP packaging sample M using different extraction solvents

图4 不同萃取剂下3 种PP包装样品M中化合物种类及其相对含量Fig. 4 Types and relative contents of volatile compounds in 3 samples using different extraction solvents

2.3 3 种自热食品包装中挥发性成分分析

如表1所示，从PP包装M样品中共检测出72 种挥发性成分（其中4 种成分未知），分别为烃类42 种、酚类2 种、醇类2 种、酯类13 种、酮类2 种、醚类4 种、醛类1 种、胺类1 种、羧酸类1 种、其他类4 种。Xiang等研究结果显示PP在高温剪切作用下产生各种自由基，其中烷氧自由基和烷过氧自由基分别以断裂及双分子歧化反应来产生醛、酮等产物。而在高温下，处于高弹性状态的聚合物由于分子重排和分子链滑移而分解成多个部分，Ballice等研究结果显示：聚丙烯热分解产生了包括烯烃、二烯烃及烷烃在内的挥发性气体。而大部分的酚类、酯类、醇类等成分则可能来自于PP成型加工时使用的增塑剂、抗氧化剂、爽滑剂、芳香剂等助剂。

此外，Cramer分类结果表明，共发现Cramer I类物质55 种，II类物质3 种，III类物质6 种（表1）。由于Cramer II、III类物质的安全风险较高，因此应引起重点关注。通过文献阅读，发现Cramer I类物质中的壬醛、2,4-二叔丁基酚、邻苯二甲酸二异辛酯也需引起重点关注。样品中检测出的壬醛属于香精香料，对眼部和皮肤有刺激作用，具有强烈的脂肪气息，稀释时会释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，工业生产中可用作食品、纺织品等的芳香剂或异味掩盖剂，且嗅觉阈值低，极易为人们的嗅觉器官捕获并感知。2,4-二叔丁基酚作为一种典型的合成酚类抗氧化剂，在食品包装、塑料、石油化工及个人护理品等工商业产品中有广泛应用。2,4-二叔丁基酚在使用过程中不与聚合物共价结合，易从基体中释放到各类环境介质中，且具有环境雌激素作用。同时，2,4-二叔丁基酚易在生物体内富集，可引起动物内分泌系统、神经系统、免疫系统和生殖系统的病变。邻苯二甲酸二异辛酯是邻苯二甲酸酯类化合物，是应用于塑料工业的主要增塑剂和软化剂，对动物和人均有慢性毒性、致突变、致癌作用以及生殖与发育毒性，可通过呼吸、饮食和皮肤接触进入人体内，对人体健康造成危害。邻苯二甲酸二异辛酯在接触到包装食品中所含的水、油脂等时，便会溶出，在体内长期积累会导致畸形、癌变和突变，因此成为目前国际上广泛关注的一类环境激素污染物。

2.4 3 种自热食品包装中的挥发性气味成分的ROAV分析

由表2和表3可知，3 种PP包装样品中共定性出14 种挥发性气味物质，并筛选出正十六烷、正十一烷、壬醛等为主要气味贡献物质。在正己烷、乙醇和二氯甲烷萃取条件下，正十六烷的相对含量较高，ROAV最高，可确定为对应PP样品的主体气味物质（＝100）。在乙醇萃取条件下，PP包装K样品中检测出较高相对含量的硬脂酸乙酯，且ROAV最高，确定其为主体气味物质（＝100）。在乙酸乙酯萃取溶剂中，由于烷烃化合物阈值很高，除支链烷烃外，一般对食品的风味贡献较小，而低含量的壬醛可以被感知，ROAV最大，因此定义壬醛为对应样品的主体气味物质（＝100）。综合考虑主体气味物质的气味阈值及各挥发性气味成分的ROAV，可确定正十一烷、壬醛、正十六烷为PP包装样品M、X的关键气味物质，壬醛为PP包装样品K的关键气味物质。

表2 3 种PP包装样品中鉴定出的挥发性气味物质Table 2 Volatile odor substances identified in 3 PP packaging samples

表3 3 种PP包装样品中挥发性气味物质的ROAVTable 3 ROAV of volatile odor substances in 3 PP packaging samples

3 结 论

对超声辅助溶剂萃取法的萃取时间进行优化；在最佳萃取条件下，采用超声萃取及GC-MS技术，进行3 种自热食品PP包装中挥发性化合物定性、风险物质筛查、潜在气味贡献物质等分析。3 种PP包装样品中共检测出烃类、酚类、醇类、酯类、酮类、醚类、醛类、胺类、羧酸类和其他类共72 种挥发性成分，确定了14 种挥发性气味物质，其中壬醛、正十一烷、正十六烷等是自热食品包装气味的主体贡献物质；-(2-乙氨基)-1,3-丙二胺、壬醛、2,4-二叔丁基酚、2,6-二叔丁基对甲酚等12 种成分存在较高安全风险，应当重点关注。同时，不同萃取溶剂对PP自热餐盒的萃取效果存在一定差异：在PP包装样品M中，正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷的萃取效果相近，均对烃类物质有较好的提取效果；而乙醇对酯类物质的提取效果较好；正己烷对酚类物质的提取效果优于其他萃取剂；乙酸乙酯对各类物质均有一定的提取能力；二氯甲烷对烃类物质的提取效果优于其他萃取剂。本文研究结果可为今后自热食品的包装安全研究和气味分析提供一些参考依据。