Advanced High-Resolution LC/MS-Based Characterization of Extractables from Food Contact Materials Enabled by a Newly Developed Chemical Database

Význam tématu

Kontakt potravin s polymerovými materiály během výroby, balení a skladování může vést k přenosu širokého spektra chemických látek do potravin. Monitorování extractables a leachables (E&L) je zásadní pro zajištění bezpečnosti potravin a souladu s regulacemi. Vysoce selektivní a citlivé LC/MS metody v kombinaci s aplikací specifických databází zvyšují schopnost identifikovat známé i neznámé látky napříč rozmanitými fyzikálně-chemickými vlastnostmi.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo demonstrovat workflow pro nontargeted E&L analýzu potravinářských kontaktních materiálů pomocí vysokorozlišovacího LC/Q-TOF přístroje a nově vytvořené databáze zaměřené na FCM (food contact materials). Konkrétně autoři vytvořili vlastní FCM databázi z referenčních standardů a veřejných zdrojů, optimalizovali získávání MS a MS/MS spekter a aplikovali tuto platformu na ethanolové extrakty tří druhů vakuovacích sáčků, analyzovaných po tepelném ošetření.

Použitá metodika a instrumentace

Pracovní postup zahrnoval extrakci polymerových vzorků etanolem, tepelnou expozici vzorků při 70 °C po 10, 20 a 60 minutách a následná nano-/nontarget analýza LC/Q-TOF s iterativním DDA pro sběr MS/MS spekter i u nízkoabundantních složek. Data byla zpracována pomocí MassHunter Explorer 2.0 a ChemVista pro správu knihoven; neznámé spektra se exportovala do NIST/SIRIUS pro další elucidaci.

Klíčová instrumentace a parametry (shrnutí):

• LC: Agilent 1290 Infinity III (Infinity II 1290)
• MS: Agilent Revident LC/Q-TOF (vysoce rozlišovací Q-TOF)
• Kolona: Agilent Poroshell Aq-C18, analytická 2.1 x 150 mm, 2.7 µm; delay kolona Poroshell EC-C18 4.6 x 50 mm, 2.7 µm
• Teplota kolony: 40 °C; inj. objem: 5 µL; průtok 0.35 mL/min
• Mobilní fáze: voda / methanol s 2.5 mM NH4-formiátu, 0.05 % kys. mravenčí a 100 µM NH4F. Gradient: 2 % B (1 min) → 100 % B (16 min) → 100 % B do 26 min, re-equilibrace
• Ionizace: Dual AJS ESI, pozitivní režim; DDA Auto MS/MS; kolizní energie 10, 20, 40 eV; rozsah m/z 40–1700
• Sběr dat: iterativní MS/MS s opakovanými injekcemi a automaticky generovaným exclusion listem pro zlepšení zachycení stopových komponent

Databáze a zpracování dat

Byla sestavena aplikačně specifická FCM databáze pomocí dvou souprav standardů AChemTek a více než 50 komerčních polymerních aditiv. K tomu byly integrovány položky z veřejných zdrojů FCCdb, FCCprio a FCCmigex a MS/MS spektra z MassBank (MONA a EU). Pomocí ChemVista vznikla lokální knihovna ~3 000 sloučenin s přidruženými MS/MS spektry, exportovatelná ve formátu SDF pro NIST a pro použití se SIRIUS.

MassHunter Explorer 2.0 extrahoval RT-párovaná HR MS a MS/MS spektra; byla použita deaktivace gap-filling pro lepší rozlišení strukturálních izomerů a deisotopizace MS/MS pro zjednodušení hledání v knihovnách.

Hlavní výsledky a diskuse

Vzorky: ethanolem extrahované tři typy vakuovacích sáčků (A, B, C) po 10, 20 a 60 minutách při 70 °C; vzorky byly analyzovány i po 10× a 100× ředění pro posouzení dynamického rozsahu; zahrnut byl blank pro identifikaci systémových nebo rozpouštědlových kontaminantů.

Identifikace unikátních složek:

• Analýza pomocí volcano plotů a funkce Unique Features odhalila 104 unikátních komponent v extraktu C, 17 v A a 11 v B.

Hlavní nalezené třídy látek:

• Vzorek A: převážně cyklické nylonové oligomery a amidy (např. palmitamid, stearamid)
• Vzorek B: produkty degradace antioxidantů typu Irganox 1076
• Vzorek C: amidy a především řada cyklických esterů/oligomerů

Cyklické oligomery ve vzorku C tvořily homologní řadu s formulami od C19H30O8 do C24H24O10 a retenčními časy mezi ~12.3–14.5 min. MS/MS spektra těchto oligomerů byla velmi podobná, což naznačuje modifikace základní struktury (např. odvozeniny C20H32O9 a její de/oxidované varianty). SIRIUS byl použit k potvrzení sumárních vzorců a k návrhu struktur cyklických esterů založených na custom FCM databázi.

Metodologická poznámka: iterativní DDA a opakované injekce s exclusion listem výrazně zvýšily počet získaných MS/MS spekter včetně stopově zastoupených složek, což zlepšuje identifikační jistotu u nontarget analýzy.

Přínosy a praktické využití metody

Výsledky ukazují, že kombinace vysoce rozlišovacího LC/Q-TOF, důmyslného DDA protokolu a aplikace aplikačně zaměřené FCM databáze poskytuje robustní přístup pro identifikaci E&L látek. Praktické přínosy zahrnují:

• zvýšenou schopnost identifikovat známé aditiva a jejich degradanty i při nízkých koncentracích
• lepší rozlišení strukturálních izomerů díky RP separaci a optimalizovanému gradientu
• možnost integrace lokálních knihoven s nástroji pro strukturální elucidaci (SIRIUS) a se současnými národními knihovnami (NIST)
• uplatnění při screeningu FCM pro bezpečnostní hodnocení, QA/QC v průmyslových laboratořích a podporu regulatorních posouzení

Budoucí trendy a možnosti využití

Studie naznačuje několik směrů dalšího rozvoje:

• rozšíření FCM knihoven o více referencí a RT/ion mobility údaje pro zvýšení jistoty identifikací
• automatizované pipeline pro propojení LC/MS dat, chemických databází a algoritmů pro predikci struktur včetně strojového učení
• kvantitativní rozšíření workflow pro měření migračních hladin a expozice
• větší interoperabilita mezi komerčními a veřejnými zdroji spekter pro zrychlení šíření aplikačně-relevantních dat
• možné začlenění iontové mobility (IMS) pro dodatečné rozlišení izomerů a strukturální informaci

Závěr

Kombinace Agilent Revident LC/Q-TOF, sofistikovaného DDA protokolu a aplikace custom FCM databáze v ChemVista významně zlepšuje nontargeted analýzu extractables z polymerových materiálů. Workflow umožňuje odhalit jak známé aditiva a produkty rozkladu, tak homologní řady neznámých oligomerů, přičemž exportní kompatibilita s NIST a SIRIUS usnadňuje další strukturální elucidaci. Tato strategie představuje praktický přístup pro laboratoře zabývající se bezpečností potravin a kontrolou kvality FCM.

Reference

1. Food Packaging Forum Foundation. FCCmigex database, obsahující informace o více než 4 000 FCM a přes 24 000 položek (přístupná databáze použita ve studii).
2. Food Packaging Forum Foundation. FCCdb – databáze sloučenin používaných záměrně jako food contact chemicals (uvedeno a využito při tvorbě FCM knihovny).