摘要
为检测PAE湿强剂中氯丙醇的含量,本研究建立了气相色谱-质谱联用法(GC-MS),检测PAE湿强剂中1,3-二氯-2-丙醇(1,3-DCP)与3-氯-1,2-丙二醇(3-MCPD)的含量,并进行了方法学验证,同时探究了PAE湿强剂中氯丙醇含量与纸张水提取液中氯丙醇含量之间的关系。本研究对4批次某款湿强剂进行检测,发现随着湿强剂制造工艺的改进,1,3-DCP与3-MCPD的含量均有明显的下降。调整湿强剂和助留剂的添加量,抄造不同批次的纸张,同时测定纸张水提取液中的氯丙醇含量与纸张的抗张强度。结果显示,纸张水提取液中的氯丙醇含量与湿强剂中氯丙醇含量呈正相关关系,与湿强剂添加量成正比;在助留剂实际添加量超过厂家推荐添加量的情况下,纸张水提取液中的氯丙醇含量与助留剂添加量无明显关系,但会导致纸张湿、干抗张指数下降。
氯丙醇是甘油分子中的1或2个羟基被氯原子取代后得到的一类物质的统称。GB 4806.8—2022《食品安全国家标准 食品接触用纸和纸板材料及制品》中新增的水提取液中氯丙醇含量的测定项目引起行业广泛关注。氯丙醇作为聚酰胺环氧氯丙烷树脂类湿强剂(即PAE湿强剂),其中残留环氧氯丙烷的水解产
基于氯丙醇的毒性与风险,德国联邦风险评估研究所(BfR)对食品接触用纸水提取液中2种氯丙醇含量给出了明确限量要求:1,3-DCP不得检出(检出限为2 μg/L),3-MCPD不得超过12 μg/L,这与我国新发布的GB 4806.8—2022对2种氯丙醇含量的限量要求完全相同,无疑对我国食品接触用纸的合规性提出了挑战。有效管控纸制品中氯丙醇的含量,首先需了解纸制品水提取液中氯丙醇含量与PAE湿强剂中氯丙醇含量之间的关系。
目前湿强剂中氯丙醇的含量并未有标准的检测方法,若参考GB 4806.8—2022附录C检测水提取液中氯丙醇含量的方法,则需首先对氯丙醇进行衍生化前处理,然后再使用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)进行检测,不仅操作繁琐,而且由于标准曲线浓度范围太低,需要对样品进行高倍数的稀释,容易引起较大稀释误差。本研究首先建立了采用GC-MS直接检测湿强剂中2种氯丙醇含量的方法,然后在此基础上,通过在纸张中加入不同型号(对应着不同的氯丙醇含量水平)和添加量的PAE湿强剂,研究了湿强剂中氯丙醇含量和纸张水提取液中氯丙醇含量之间的关系,为食品接触用纸生产企业监控湿强剂质量提供了更为简便的方法,为合适湿强剂的选择及湿强剂添加量的调整提供科学参考。
标准品:1,3-二氯-2-丙醇(1,3-DCP,质量分数98%)、3-氯-1,2-丙二醇(3-MCPD,质量分数99.35 %)、2,3-二氯-1-丙醇(2,3-DCP,质量分数97%),均购自百灵威公司。
试剂:丙酮(分析纯),购自广州化学试剂厂;实验用水为一级水。
湿强剂:A-
气相色谱-质谱联用仪(GC-MS,7890B GC/5977B,Agilent公司);电子天平(ME204,瑞士梅特勒-托利仪器公司);AS系列超声波清洗机(天津奥特赛恩斯仪器有限公司)。
氯丙醇混合标准储备液(1000 mg/L):准确称取1,3-DCP与3-MCPD标准品各100 mg,用丙酮溶解,转移至100 mL容量瓶,并定容至刻度线,摇匀。
氯丙醇混合标准中间液(100 mg/L):取1 mL氯丙醇混合标准储备液于10 mL容量瓶,用丙酮定容,摇匀。
氯丙醇混合标准工作液(10 mg/L):取1 mL 氯丙醇混合标准中间液于10 mL容量瓶,用丙酮定容,摇匀。
内标标准储备液(1000 mg/L):准确称取2,3-DCP标准品100 mg,用丙酮溶解,转移至100 mL容量瓶,并定容至刻度线,摇匀。
内标标准工作溶液(100 mg/L):取1 mL内标标准储备液于10 mL容量瓶,用丙酮定容,摇匀。
氯丙醇系列标准工作液:分别取200、400、600、800 μL氯丙醇混合标准工作液(10 mg/L)及100、200、300、400、500 μL氯丙醇混合标准中间液(100 mg/L),于10 mL容量瓶,分别向其中加入100 μL内标标准工作溶液(100 mg/L),用丙酮定容,摇匀,得到内标浓度为1 mg/L,氯丙醇浓度梯度为0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、3、4、5 mg/L,并绘制标准工作曲线。
准确称量0.1 g样品于10 mL容量瓶中,向其中加入100 μL内标标准工作溶液(100 mg/L)和5 mL丙酮,超声提取30 min,待溶液冷却至室温后用丙酮定容,摇匀后将溶液经滤膜过滤至进样小瓶,等待检测。
色谱柱:HP-INNOWax(30 m×0.25 mm×0.25 μm);升温程序:100 ℃保持2 min,20 ℃/min升温至240 ℃保持11 min;进样量:1 μL;进样模式:分流进样;分流比:2∶1;进样口温度:240 ℃。
离子源:电子轰击(EI)源;电离能量:70 eV;色谱-质谱接口温度:250 ℃;离子源温度:230 ℃;四级杆温度:150 ℃;溶剂延迟:4 min;监测离子见
化合物 | 定量离子质荷比 | 定性离子质荷比 |
---|---|---|
1,3-DCP | 79 | 81 |
3-MCPD | 79 | 61,81 |
2,3-DCP(ISTD) | 62 | 64 |
以2种氯丙醇浓度与内标浓度的比值为横坐标,2种氯丙醇峰面积与内标峰面积的比值为纵坐标绘制工作曲线,得到样品溶液中氯丙醇的浓度,湿强剂中氯丙醇含量的计算如
(1) |
式中,Y为湿强剂中氯丙醇含量,mg/kg;C为由标准工作曲线所得样品溶液中氯丙醇的浓度,mg/L;C0为由标准工作曲线所得方法中空白溶液氯丙醇的浓度,mg/L;m为样品取样量,g;V为定容体积,mL。
标准品:1,3-DCP、3-MCPD、1,3-二氯-2-丙醇-d5(1,3-DCP-d5,质量分数98.2%,内标物)、3-氯-1,2-丙二醇-d5(3-MCPD-d5,质量分数98%,内标物)、N-七氟丁酰基咪唑(HFBI,质量分数97%),均购自上海安谱公司。
湿强剂:A-
助留剂:某公司PERFORM™ SP 7200-AP。
气相色谱-质谱联用仪(GC-MS 9000 GC/5975C,Agilent公司);Turbo Vap LV氮吹浓缩仪(美国Caliper公司);ME204电子天平(瑞士梅特勒-托利仪器公司);Milli-Q超纯水系统(美国MILLIPORE公司);QL-866涡旋振荡器(其林贝尔仪器公司);鼓风干燥箱(三腾仪器公司);标准疏解机(LabTech);RK2-KWT抄片器(德国Frank-PTI公司);烘缸(KRK Rotary Dryer DR-200);鼓风干燥箱(Binder公司);Z2.5抗张强度测试仪(Zwick/Roell公司)。
按照GB 4806.8—2022检测浆板水提取液中氯丙醇含量,选用氯丙醇含量低于检出限的漂白桉木浆(巴西金鱼),用自来水浸泡,揉搓散开。浸泡过夜后,使用标准疏解机疏解浆料至完全分散,并按照实验编号加入相应助剂(详细见
实验编号 | 湿强剂名称 | 湿强剂用量 | 助留剂用量 |
---|---|---|---|
1 | 20 | 0.3 | |
A- | 40 | 0.3 | |
40 | 0.5 | ||
2 |
A- | 40 | 0.3 |
A- | 40 | 0.3 | |
A- | 40 | 0.3 | |
B | 40 | 0.3 | |
3 |
A- | 40 | 0.3 |
40 | 0.5 | ||
40 | 0.7 | ||
40 | 1 | ||
4 |
A- | 5 | 0.3 |
10 | 0.3 | ||
20 | 0.3 | ||
30 | 0.3 | ||
40 | 0.3 | ||
50 | 0.3 |
考察纸张均匀性时,选用实验编号1中的3款纸张,每款纸张抄造16张,按照抄造顺序将样品编号,分别取第1~2张、第5~6张、第9~10张和第13~14张。按照1.2.4的测试方法对纸张水提取液中氯丙醇残留量均一性进行分析。
按照1.1.5的色谱条件测定湿强剂中氯丙醇含量,目标物与内标物在色谱中得到了很好的分离,氯丙醇及其内标的选择离子色谱图见

图1 氯丙醇及其内标物的选择离子色谱图
Fig. 1 Selective ion chromatogram of chloropropanols and its internal standard

图2 1,3- DCP和3- MCPD的标准曲线
Fig. 2 Standard curves of 1,3-DCP and 3-MCPD
氯丙醇 | 线性方程 | |
---|---|---|
1,3-DCP | y=2.7048x+0.13266 | 0.9991 |
3-MCPD | y=0.57681x-0.01837 | 0.9991 |
向不含待测目标物的湿强剂提取液样品中添加3个不同水平(20.0、60.0、140 mg/kg)的氯丙醇混合标准溶液,经1.1.4的前处理方法处理测定。GC-MS法的加标回收率为91.1%~105.0%,相对标准偏差(RSD)为0.3%~1.8%(见
氯丙醇 | 加标水平/(mg·k | 测试结果/(mg·k | 加标回收率/% | RSD/% |
---|---|---|---|---|
1,3-DCP | 20.0 | 20.3~20.5 | 102.0~103.0 | 0.4 |
60.0 | 62.4~62.8 | 104.0~105.0 | 0.3 | |
140.0 | 137.0~141.0 | 98.1~101.0 | 0.9 | |
3-MCPD | 20.0 | 18.2~19.1 | 91.1~95.7 | 1.8 |
60.0 | 57.2~58.4 | 95.4~97.3 | 0.7 | |
140.0 | 139.0~144.0 | 100.0~103.0 | 1.1 |
采用GC-MS法对4批次PAE湿强剂中氯丙醇的含量进行检测,检测结果如
湿强剂 | 1,3-DCP含量 | 3-MCPD含量 |
---|---|---|
A- | 7040 | 1320 |
A- | 856 | 188 |
A- | <3 | 10.1 |
B | 4780 | 2120 |
在选用湿强剂时,考虑到A-
湿强剂 | 湿强剂添加量 /(kg· | 助留剂添加量 /(kg· | 3-MCPD含量 /(μg· | RSD/% |
---|---|---|---|---|
A- | 20 | 0.3 | 9.7 | 1.5 |
40 | 0.3 | 14.0 | 7.2 | |
40 | 0.5 | 11.5 | 5.9 |
均一性实验中抄造的纸张水提取液中,3-MCPD的含量并不高,可能有以下2个原因:①抄纸过程中仅添加了湿强剂和助留剂2种助剂,未添加其他造纸助剂,氯丙醇来源少且留存性较低;②实验室小规模手工抄纸流程较工厂生产纸张工艺流程用水量相对更大,导致氯丙醇流失增加。因此,为了取得更为明显的结果,2.3.3和2.3.4中均改用氯丙醇含量较高的A-
分别选择基质相同但氯丙醇含量不同的A品牌3款湿强剂和基质不同的市售B品牌湿强剂,按照厂家推荐的助留剂添加量抄纸,对比纸张水提取液中氯丙醇含量的差异,结果见
湿强剂 | 湿强剂添加量 /(kg· | 助留剂添加量 /(kg· | 3-MCPD含量 /(μg· |
---|---|---|---|
A- | 40 | 0.3 | 42.2±0.3 |
A- | 40 | 0.3 | 10.4±0.6 |
A- | 40 | 0.3 | <2.0 |
B | 40 | 0.3 | 23.9±0.2 |
对比A品牌3款湿强剂的测试结果,由
针对氯丙醇含量较高的A-
湿强剂 | 湿强剂添加量 /(kg· | 3-MCPD含量 /(μg· | 干抗张指数 /(N·m· | 湿抗张指数 /(N·m· |
---|---|---|---|---|
A- | 5 | 4.1±0.1 | 16.5±0.1 | 2.97±0.01 |
10 | 6.7±0.3 | 17.7±0.2 | 4.13±0.01 | |
20 | 19.9±0.5 | 18.9±0.1 | 5.13±0.02 | |
30 | 32.1±1.1 | 18.3±0.1 | 5.37±0.02 | |
40 | 48.3±0.8 | 19.9±0.2 | 6.40±0.02 | |
50 | 59.8±0.2 | 20.9±0.3 | 6.88±0.02 |
从

图3 湿强剂A-
Fig. 3 Effect of dosage of wet strength agent A-

图4 湿强剂A-
Fig. 4 Effect of dosage of wet strength agent A-
本研究抄纸所用助留剂的厂家推荐添加量为0.3 kg/t浆,为了研究助留剂用量对纸张水提取液中氯丙醇含量的影响,本研究采用不同添加量的助留剂进行抄纸,得到不同添加量助留剂抄造的纸张水提取液中氯丙醇含量的测定值,其中湿强剂A-
助留剂 | 助留剂添加量 /(kg· | 3-MCPD含量 /(μg· | 干抗张指数 /(N·m· | 湿抗张指数 /(N·m· |
---|---|---|---|---|
PERFOR | 0.3 | 31.3±0.3 | 18.8±0.2 | 5.05±0.01 |
0.5 | 32.2±1.9 | 18.5±0.3 | 4.80±0.01 | |
0.7 | 29.4±0.9 | 18.6±0.3 | 4.91±0.01 | |
1.0 | 31.0±1.2 | 17.9±0.2 | 4.44±0.01 |

图5 助留剂添加量对纸张抗张强度的影响
Fig. 5 Effect of retention dosage on tensile strength of paper
本研究建立了同时测定湿强剂样品中2种氯丙醇含量的气相色谱-质谱联用分析方法,并将其应用于实际样品中氯丙醇含量测定。分析了湿强剂中氯丙醇含量、湿强剂添加量与助留剂添加量对纸张水提取液中氯丙醇含量的影响。
3.1 经过方法验证,1,3-二氯-2-丙醇的检出限和定量限分别为3.0和10.0 mg/kg浆,3-氯-1,2-丙二醇的检出限和定量限分别为7.0和20.0 mg/kg浆,加标回收率范围为91.1%~105.0%,相对标准偏差范围为0.3%~1.8%。该方法操作简便、回收率高、精密度好,能满足湿强剂中氯丙醇含量的检测需求。
3.2 当湿强剂的基质类型相同时,纸张水提取液中氯丙醇含量与湿强剂中氯丙醇含量呈明显的正相关关系,且由某品牌第三代湿强剂抄造的纸张中氯丙醇水提取液中氯丙醇含量明显低于其他湿强剂抄造的纸张样品。纸张水提取液中氯丙醇含量与湿强剂添加量呈正比关系,纸张强度性能也会随着湿强剂用量的增加而增强,但增长速率远不及水提取液中氯丙醇含量。在达到助留剂推荐添加量后,继续增加助留剂用量则不会影响纸张水提取液中氯丙醇含量,但会降低纸张强度性能。因此,为了满足GB 4806.8—2022对纸张水提取液中氯丙醇含量的要求,造纸生产商可考虑选择具有同等增强效果但氯丙醇本身含量较低的湿强剂,在增加纸张湿抗张指数时尽量避免单纯增加湿强剂用量,而应综合考虑多方面改进生产工艺。
参考文献
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