Maurus Biedermann

Kantonales Labor Zürich

Analyse von Migraten aus Lebensmittel-

verpackungen mittels umfassender

zweidimensionaler GCxGC TOF MS

am Beispiel von Recyclingkarton

Umfassende Analyse

• Verpackungen können Chemikalien ans Lebensmittel

abgeben, oft sind diese unbekannt, z.B.: • Oligomere aus Kunststoffen

• Bestandteile von Druckfarben

• Nebenreaktionsprodukte aus Lacken von Dosen

ORPIs (Oligomers, Reaction products, Impurities)

NIAS (Not Intentionally Added Substances)

• Non-target Analyse Versuch alle Komponenten zu

erfassen, welche: • möglicherweise ins abgepackte Lebensmittel übergehen

• die toxikologisch relevante Grenze überschreiten

• Mögliche Einschränkungen der Analyse durch: • Eigenschaften der Probenmatrix und der Analyten

• Grenzen der chromatographischen Methode

• Selektivität der Detektion

Recyclingkarton als Lebensmittelverpackung

Unzählige Arten

und Quellen von

Rohmaterialien…

…erzeugen einen Peakwald

Migration

33

302520

1812

14

16 Cho

3025

2018

12

1416

Cho

25

20

1812

14

16 Cho

Paraffinsfrom rice

6B

BP

TBB

9B

6B

BP

TBB

9B

6B

BP

TBB

9B

DIP

ND

IPN

Sq

ua

len

e

DIP

N

Rice

MOAH

Unprinted board

Box from 8-months-old rice

65 °C 20 °/min 330 °C 50 °C 20 °/min 320 °C

MOSH

Per

Per

Mineralöl:

Hauptverunreinigung

von Recyclingkarton

Übergang bis C24

70-100 % am Ende

der Lagerzeit (ohne

Innenbeutel)

Konzentrationen in

Lebensmittel: <0.2-80

mg/kg MOSH (2010,

119 Proben)

4 mg/kg 15 mg/kg

455 mg/kg

100 mg/kg

37 mg/kg

207 mg/kg

500 g Reis

gelagert über 8 Monate

in trockene Lebensmittel über die Gasphase

MOSH MOAH

Umfassende Analyse von Recyclingkarton

Ziel der Analyse

• Charakterisierung und Identifizierung möglichst aller im

Recyclingkarton vorkommender Komponenten, welche

• das Potential zur Migration über die Gasphase

aufweisen (kein benetzender Kontakt)

• für eine mögliche Migration ins Lebensmittel von

mindestens 10 µg/kg ausreichen (Schwelle der

Relevanz).

• Angestrebte Nachweisgrenze: 0.1 mg/kg Karton

• Annahme 50 % Übergang und ein Verhältnis

Verpackung zu Lebensmittel von 1 zu 5 (ergibt eine

Konzentration von 10 µg/kg Lebensmittel = eingesetzte

toxikologisch relevante Grenze)

Umfassende Analyse von Recyclingkarton

Analysenschritte

• Oft komplexe Gemische Fraktionierung/Vortrennung

mittels normalphasen Flüssigchromatographie:

on-line HPLC-GC-FID

• GC deckt erforderlichen Flüchtigkeitsbereich ab

• FID: erfasst organische Verbindungen mit ähnlicher

Respons

• Analyse von polaren Verbindungen nach Derivatisierung

(z.B. Silylierung)

• Identifikation:

umfassende zweidimensionale GCxGC-TOF MS

• Grosse Trennkapazität reine Spektren

• EI Spektren: umfassende Bibliotheken

Einschränkungen Direct extractfrom paperboard

After removal of the acids

After additional removal of the triglycerides

Resin acids

Triglycerides

Triglycerides

Retained in PTV injector

350 °C25 °/min65 °C

In hoher Konzentration

vorhandene Komponenten,

z.B. Faktor 1000 über

angestrebter Nachweisgrenze:

Entfernen der Säuren via

Chromatographie über

basischem Alox

Entfernen der Triglyceride

via selektive Verdampfung

im PTV Injektor

HPLC Fraktion 8.8 bis 9.6 Minuten

separationcolumn

uncoatedpre-column LC pump

LC column

bfv

tv

iv

UV detector

carrier gas

Y-piecevapor

exitFID

iv: injection valvebfv: backflush valvetv: transfer valve

waste

auto sampler

Vortrennung mittels Normalphasen-HPLC

Lichrospher Si 60, 5 µm, 250 x 2 mm i.d.

Gradient: hexan Dichloromethan Methyl-tert.-butyl Ether (MTBE)

Backflush, Rekonditionierung

Fraktionen on-line

in die GC transferiert

Kartonextrakt

UV bei 230 nm M

OS

H F

raktion

MO

AH

Fra

ktion

separationcolumn

uncoatedpre-column LC pump

LC column

bfv

tv

iv

UV detector

carrier gas

Y-piecevapor

exitFID

iv: injection valvebfv: backflush valvetv: transfer valve

waste

auto sampler

Extrakt Recyclingkarton direkt: 7 Fraktionen

1 2 3 4 5 6 7 1 2 3

4 5 6 7

HPLC

Aro

ma

tic h

yd

rocarb

ons

Pyri

din

e

MOSH

MOAH

2424 24

24

24

24

24

100 µg/kg

C24

separationcolumn

uncoatedpre-column LC pump

LC column

bfv

tv

iv

UV detector

carrier gas

Y-piecevapor

exitFID

iv: injection valvebfv: backflush valvetv: transfer valve

waste

auto sampler

Extrakt Recyclingkarton direkt: 7 Fraktionen

1 2 3 4 5 6 7 1 2 3

4 5 6 7

HPLC

Aro

ma

tic h

yd

rocarb

ons

Pyri

din

e

MOSH

MOAH

2424 24

24

24

24

24

MOSH

MOAH, DIPN,

Derivate von

Harz-

komponenten,

Latex Oligomere

Ether, Butyl-

und

Isooctylester

Methyl-, Ethyl-,

Isopropylester,

Aldehyde,

Ketone

Phthalate,

Photoinitiatoren,

Diester, Phenole,

Aldehyde, Ketone,

verzweigte Alkohole

Alkohole,

Triester,

Acrylate

separationcolumn

uncoatedpre-column LC pump

LC column

bfv

tv

iv

UV detector

carrier gas

Y-piecevapor

exitFID

iv: injection valvebfv: backflush valvetv: transfer valve

waste

auto sampler

Extrakt Frischfaserkarton direkt: 7 Fraktionen

1 2 3 4 5 6 7 1

HPLC

2 3

4 6 75

24 24 24 24

242424

separationcolumn

uncoatedpre-column LC pump

LC column

bfv

tv

iv

UV detector

carrier gas

Y-piecevapor

exitFID

iv: injection valvebfv: backflush valvetv: transfer valve

waste

auto sampler

Extrakt Recyclingkarton silyliert: 7 Fraktionen

1 2 3 4 5 6 7 1 2 3

4 5 6 7

HPLC

Aro

ma

tic h

yd

rocarb

ons

Pyri

din

e

BS

TF

A

MOSH

MOAH

24

24

24

242424

24

langkettige Alkohole Alkohole

Phenole

Carbonsäuren,

Alkohole

Glykole, Glycerin

separationcolumn

uncoatedpre-column LC pump

LC column

bfv

tv

iv

UV detector

carrier gas

Y-piecevapor

exitFID

iv: injection valvebfv: backflush valvetv: transfer valve

waste

auto sampler

Extrakt Frischfaserkarton silyliert: 7 Fraktionen

1 2 3 4 5 6 7 1

HPLC

2 3

4 5 6 7

24 24 24

24242424

hauptsächlich Holzkomponenten

Umfassende zweidimensionale GCxGC-MS

GC-FID Chromatogramm, Fraktion 2, silylierter Kartonextrakt

Umfassende zweidimensionale GCxGC-MS

GC-FID Chromatogramm und GCxGC contour plot

Umfassende zweidimensionale GCxGC-MS

5 °/min 95 °C 240 °C

4 s

3 s

2 s

1 s

separation on 1st dimension column: apolar, (30 min)

2n

d d

ime

nsio

n:

po

lar,

(5

se

c)

contour plot

Setup GCxGC TOF MS

• TRACE GCxGC System, Thermo Scientific

• Dual jet CO2 modulator, Thermo Scientific

• BenchTOF-dx, TOF MS, Almsco International

• GC Image, GCxGC Software, Zoex Corporation

Injector Detector

First dimension Second dimension

CO2

Modulator

Prinzip dual jet CO2 Modulator

Gorecki et al, JSS 27 (2004) 359

Recyclingkarton, Fraktion 2, GCxGC-MS

5 °/min 95 °C 240 °C

4 s

3 s

2 s

1 s

1

2 3

4

5

6

7

8

9

DIPN

10

13

alkyl benzenes

14

15

23

22 16

31

24

27

28

18

35

36 29 32

33 34

37

38

39

40

41

46

47

48

43

42

44

45

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60 61

17

19 20

21

25

26

30

Recyclingkarton, Fraktion 2, GCxGC-MS

1

2 3

4

5

6

7

8

9

DIPN

10

13

14

15

23

22 16

31

24

27

28

18

35

36 29 32

33 34

37

38

39

40

41

46

47

48

43

42

44

45

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60 61

17

19 20

21

25

26

30

GC1: 20 m x 0.25 mm i.d., 0.12 µm 100 % dimethyl polysiloxane

GC2: 1.5 m x 0.15 mm i.d., 0.075 µm 50 % dimethyl/50 % diphenyl

alkyl benzenes

1 2

3

4

5 7

6

9

8

10 11

12 13

14 15

16

17 18

22 25

23 24

21 20

27

28

29

31

30

19

26

Recyclingkarton silyliert, Fraktion 2

5 °/min 95 °C 240 °C

4 s

3 s

2 s

1 s

1

2

3

4

5

6 c4

9

11

10 12

7

8 13

14

15

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26 31

34

35 33

27

29 32

30

28

36

38 45

42 41

40

43 47

39

46

c43 48

52

51

c44

37

44 49

50

16

Recyclingkarton, Fraktion 5

5 °/min 95 °C 240 °C

4 s

3 s

2 s

1 s

C2 1

C1

2 3

4

5

6

7

8

C5

9

C10

10

11 12

13

14

15

16

17

18 C16

19

20

21

22

23

24 25

26

27

28

Recyclingkarton silyliert, Fraktion 5

5 °/min 95 °C 240 °C

4 s

3 s

2 s

1 s

Beispiel Identifikationen Fraktion 5 direkt

d1 Dichloro aniline

d2 Tert-butyl cresol

d3 Pentyl phenyl ketone

d4 Butylated hydroxytoluene

d5 Isophorone diisocyanate (im Injektor erzeugt?)

d6 Diethyl phthalate (DEP)

d7 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol diisobutyrate

(TIXB)

d8 Isocurcumenol?

d9 1-Hydroxycyclohexyl phenylketone

d10 Ethyl-p-dimethylaminobenzoate

d11 Fluorenone

d12 4-methyl benzophenone

d13 Nonylphenol (Isomerengemisch)

d14 3,5-di-tert-Butyl-4-hydroxybenzaldehyde

d15 Hexahydrofarnesyl acetone

d16 Hexahydrohexamethyl cyclopentabenzopyran

d17 Anthrone oder 4-Phenanthrenol

d18 Diisobutyl phthalate (DIBP)

d19 Dibutyl phthalate (DBP)

d20 Trimethylbenzophenone?

d21 Anthraquinone

d22 Juvabione

d23 Manoyl oxide

d24 (6E,10E)-3,7,11,15-Tetramethyl-1,6,10,14-

hexadecatetraen-3-ol

d25 Manool?

d26 ?

d27 ?

d28 4'-Methoxy-2-hydroxystilbene?

d29 Dehydrojuvabione?

d30 ?

d31 ?

d32 ?

d33 ?

d34 Di-(2-Ethylhexyl)maleate

d35 Tributyl aconitate

d36 ?

d37 2-Octyldodecanol

d38 ?

d39 ?

d40 ?

d41 2-Ethylhexyl-4-dimethylamino benzoate

d42 ? (ähnlich d38)

d44 ?

d45 2-Ethylhexyl-4-methoxycinnamate

d46 Benzyl butyl phthalate (BBP)

d47 Dehydro 4-epiabietol?

d48 Diethyleneglycol dibenzoate

d49 Di-(2-ethylhexyl) adipate (DEHA)

d50 Docosanol verzweigt?

d51 Dipropyleneglycol dibenzoate

d52 2,4-Diethyl-9H-thioxanthen-9-one (DETX)

GC-MS ohne HPLC Vortrennung

100 µg/kg Kalibration Hügel hauptsächlich bestehend aus Isoalkanen

GCxGC-MS ohne HPLC Vortrennung

GCxGC-MS ohne HPLC Vortrennung

Blick hinter den

Isoalkanhügel

1

2 3

4

5

6

7

8

9

11

10

13

12

14

15

23

22 16

31

24

27

28

18

35

36 29 32

33 34

37

38

39

40

41

46

47

48

43

42

44

45

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60 61

17

19 20

21

25

26

30

a

b

1 2

3

4

6

5

7

10

9 11 12

13

14

15 16

18

17 19

8 c

b3 1

2

3

5

4 8

9

10

11 12

13

6 7

19 32

33

39

36 43

47

46

26

27

38

35

34

40

41 45

44

14

15 16

18 17

20

23

21 22

24

25

29

30 31

37

28

42

1

2

3

4

5

6

9

11

10 12

7

8 13

14

15

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26 31

34

35 33

27

29 32

30

28

36

38 45

42 41

40

43 47

39

46

48

52

51

37

44 49

50

16

d

7

2

1

3

4

5

6

11

12

17

8

15

9

14 19 23

20

21

22

10

13

16

18

35

24 28 31 32 37 38

25

26

27

30

34

29

39 41

42

44

46

43

36

d49

33

40

45

47

e

Zusammenfassung aller Fraktionen

contour plot: GCxGC ohne Vortrennung

Nach automatischer Integration/Identifikation

Processed using “GC Image”

Beispiel: vor Silylierung • BPA

Beispiel: nach Silylierung

• BPA sil

Beispiel: nach Silylierung

grün: m/z 73

• BPA sil

Anzahl gefundener Komponenten

Analyse

Fraktion direkt Silyliert (zusätzlich)

2 61 31

3 19 15

4 47 19

5 52 28

6 47 13

Summe 226 106

250 bis 300 Komponenten über 100 µg/kg Recyclingkarton

Schlussfolgerung Analyse von Recyclingkarton

• Über 250 Substanzen im Recyclingkarton mit eventuell

genügender Flüchtigkeit und einer Konzentration für eine

Migration in trockene Lebensmittel über der Schwelle von

10 µg/kg.

• Überwiegender Anteil des migrierfähigen Materials stammt

nicht aus Holzfasern, sondern sind Chemikalien aus den ins

Recycling eingebrachten Papieren und Kartons.

• Keine lückenlose Identifikation oder nur mit sehr grossem

Aufwand.

• Eine funktionelle Barriere, welche die Migration um einen

Faktor 100 reduziert, würde die Migration unter 10 µg/kg

halten.

EH Projekt BLE

• CVUA Stuttgart

• LUA Sachsen/Dresden

• Techn. University Dresden

• Kant. Labor Zürich, KLZH

Publiziert Oktober 2012

Zusammenfassung umfassende Analyse

• On-line HPLC Fraktionierung, umfassende GCxGC oder

die Kombination von beiden Techniken können je nach

Komplexität der Probenextrakte und den Konzentrations-

unterschiede der einzelnen Verbindungen eingesetzt

werden.

• Die Nachweisgrenze erreicht die toxikologisch relevante

Grenze.

• Keine vollständig umfassende Analyse: eingeschränkt

durch die Eigenschaften der Probe und den Analyten.

• Die beschriebenen Methoden bieten eine breite

Analyse der Migrate aus allen Arten von Lebensmittel-

verpackungen.

1: 20 m x 0.25 mm i.d., 0.12 µm 100 % dimethyl Polysiloxan

2: 1 m x 0.15 mm i.d., 0.075 µm 50 % dimethyl/50 % diphenyl Polysiloxan

Mineralölmischung

GCxGC Säulenkombination: apolar/polar

50 °C bis 340 °C mit 6 °/min, Modulation: 6 sec

Alkyl Benzole

Alkyl Naphthaline

Paraffine, Naphthene

1: 15 m x 0.25 mm i.d., 0.15 µm 50 % dimethyl/50 % diphenyl Polysiloxan

2: 1.3 m x 0.15 mm i.d., 0.075 µm 100 % dimethyl Polysiloxan

Mineralölmischung

GCxGC Säulenkombination: polar/apolar

50 °C bis 320 °C mit 6 °/min, Modulation: 10 sec

Alkyl Benzole

Alkyl Naphthaline

Paraffine

Naphthene

RT: 5.00 - 54.00

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54

Time (min)

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

Rel

ativ

e A

bund

ance

NL:7.03E7

TIC MS 2dtest_646_1

Extrakt aus PP-Folie mit Irgafos 168 nach

Elektronenstrahl Behandlung mit 40 kGy

Analyse von Polyolefinen

GCxGC TOF MS: polar/apolar

GC TOF MS

PP Oligomere

I168 Abbauprodukte

.

28 . 22

.

cycy

bp

7

8

10

15 pyr

9

14

19

23 25

26

29

1

2

3 4 5 .

16

17

21 27

12

18 .

6 11

13

20

24

.

. .

. Me24

22

.

unbehandelt

.

.

cycy

7

8

10

15 pyr

9

14

19

23

25

26

29

5 .

17

12

18

.

.

13

.

bp

. Me24

PP mit I168 vor/nach Elektronenstrahl Behandlung

EB 40 kGy

Irgafos 168

20 .

.

28

.

cycy

7

8 10

15 pyr 14

19

26 29

2

4 5 .

17

21

. 40

6 11

13 41 42 43 45

44 bp 18

. .

. 18

.

cycy

bp

7

8 10 15 pyr

14 19

26 29

4 5 .

17

21

. 13

44

64

PP mit T326 vor/nach Elektronenstrahl Behandlung

unbehandelt

EB 100 kGy

Tinuvin 326

Extrahiertes PP nach Elektronenstrahl Behandlung

Oligomere von Polypropylen

Oxidierte Oligomere

EB 100 kGy

Extrahiertes PP nach EB Behandlung, 3D Ansicht

Zusammenfassung Analyse von Polyolefinen

• Polar/apolare Säulenkombination als optimale Wahl:

– polare Abbauprodukte und Nebenprodukte werden

gut von den Oligomeren der Polyolefine abgetrennt

– gute Trennung zwischen gesättigten und

ungesättigten/cyclischen Kohlenwasserstoffen

– gute Peakform von polaren Komponenten

• Gute Spektrenqualität auch für Komponenten mit

sehr tiefer Konzentration.

• GCxGC TOF MS: Werkzeug für die möglichst

umfassende Analyse von Migraten aus Lebens-

mittelverpackungen.

Literatur

• Comprehensive two-dimensional GC after HPLC preseparation for the characterization of aromatic

hydrocarbons of mineral oil origin in contaminated sunflower oil

M. Biedermann and K. Grob

J. Sep. Sci. 32 (2009) 3726–3737.

• Ausmass der Migration unerwünschter Stoffe aus Verpackungsmaterialien aus Altpapier in Lebensmitteln

A. Harling, K. Grob, R. Helling, T. Simat

BMELV, German Federal Ministry of Food, Agriculture and Consumer Protection. Project 2809HS012,

2012. http://download.ble.de/09HS012.pdf

• Is comprehensive analysis of potentially relevant migrants from recycled paperboard into foods feasible?

M. Biedermann, K. Grob

J. Chromatogr. A 1272 (2013) 106-115.

• Assurance of safety of recycled paperboard for food packaging through comprehensive analysis of

potential migrants is unrealistic.

M. Biedermann, K Grob

J. Chromatogr. A 1293 (2013) 107-119.

• Comprehensive on-line HPLC-GC for potential migrants from polypropylene into food: the effect of pulsed

light decontamination as an example

R. Castillo, M. Biedermann, A.-M. Riquet, K. Grob

Polymer Degradation and Stability, in press