Tecniche analitiche nel food contact

Tecniche analitiche applicabili al settore food contact:

“il viaggio migrante di una sostanza dal packaging al tracciato strumentale”

Marinella Vitulli Food Contact Expert – AIBO n°035

Tecniche analitiche settore food contact

“Il viaggio migrante di una sostanza dal packaging al tracciato strumentale”

Packaging Migration Chromatogram

Tecniche analitiche applicabili al settore food contact:

Perché avviene la migrazione dai moca? Cosa vuol dire migrazione?

Voc. Treccani:

Nelle scienze antropologiche e sociali, lo spostamento di una popolazione verso

aree diverse da quella di origine, nelle quali si stabilisce permanentemente…(a

differenza di quanto avviene nel nomadismo), dovuto a ricerca di migliori

condizioni di vita

E quindi la nostra sostanza migrante è in cerca di un posto dove “stare meglio!”


Il fenomeno di migrazione dall’imballaggio all’alimento avviene con modalità diverse

Limbo-Piergiovanni - Food packaging: Materiali, tecnologie e soluzioni - Ed Springer 2010


Si raggiunge una situazione di equilibrio:


Limbo-Piergiovanni - Food packaging: Materiali, tecnologie e soluzioni - Ed Springer 2010

Migrazione all’equilibrio: Nella maggior parte dei casi la migrazione non sarà

completa, ma si arresterà raggiunto un equilibrio determinato dal coefficiente di

ripartizione KpF, che rappresenta l’affinita dell’alimento verso i potenziali

migranti; più esattamente KPF vale il rapporto delle concentrazioni all’equilibrio del

migrante nel packaging

e nell’alimento:


Cosa è il coefficiente di ripartizione?


Quello che conta quindi è l’affinità tra i potenziali migranti e l’alimento

E che cosa succede alla sostanza presente su un MOCA durante un test analitico?



Tecniche analitiche food contact

Questo viaggio migrante a partire “distacco” con il suol natio packaging

dipende da affinità e interazioni in particolari condizioni di temperatura e

di contatto con differenti mezzi e substrati.


PROVE DI CESSIONE:

PROVE DI MIGRAZIONE:

Le prove analitiche nel settore food contact

prevedono una fase di preparativa; vediamo

I processi più semplici:


PROVE DI CESSIONE:

UNI EN 645:1994 preparazione di un estratto acquoso a freddo per la

ricerca di alcuni costituenti estratti dalla carta e dal cartone destinati a

venire a contatto con gli alimenti

UNI EN 647:1994 preparazione di un estratto acquoso a caldo per la

ricerca di alcuni costituenti estratti dalla carta e dal cartone destinati a

venire a contatto con gli alimenti


10 gr di carta in 250 ml di acqua distillata finali

Le sostanze presenti nella matrice carta

vengono cedute alla soluzione…

Perché e con che dinamiche ?

Prendiamo ad esempio la cessione di metalli

I metalli nei MOCA possono essere presenti in forma di

sali (ionica) che possono essere solubili in acqua o

in acidi, o allo stato elementare


Si innescano reazioni di ossido-riduzione

Gli ambienti naturali, così come alimenti e

simulanti, sono in genere caratterizzati dalla

presenza di ossigeno e nell’acqua sono sempre

presenti ioni H+ che possono, in linea di principio,

ossidare molti metalli.

La presenza di una soluzione acida quindi favorisce il processo

Un materiale sottoposto a contatto con soluzione acquosa o acida reagisce:

La spontaneità di una reazione dallo stato metallico allo stato ionico/ossidato

Me° = Mez+ + z e- è quantificata dalla diminuzione di Energia Libera G (di

Gibbs) associata alla reazione

Il G varia da elemento ad elemento

Si tratta quindi di un processo spontaneo!


10 gr di carta in 250 ml di acqua distillata finali

E se nella carta ci fosse una sostanza organica, quale ad esempio il PCP?

Perché la molecola passa nella soluzione acquosa? con che dinamiche ?


Il fenolo in soluzione acquosa è in equilibrio con lo ione fenato:

Considerando la costante di dissociazione acida Ka

Il passaggio del PCP in

una soluzione acquosa è

quindi fortemente

influenzato dal Ph della

soluzione!



PROVE DI MIGRAZIONE:

Nel caso della plastica la sostanza non deve semplicemente “scegliere” se

migrare in una soluzione acquosa o restare nella sua comoda matrice

cellulosica….

Nella prove di migrazione la sostanza ha moltissime “opportunità”!

Questo perché sulla base dell’alimento destinato all’utilizzo finale i simulanti

sono numerosi!


La sostanza può “tuffarsi”

in differenti simulanti!

I nostri amici migranti avranno sicuramente una preferenza!


Migrazione via aria

Via “Aria” = composti volatili quali:

Solventi monomeri, composti leggeri di

degradazione, composti volatili della stampa, ecc.

Etile acetato, i-butanolo

CVM, Formaldeide,

Aldeidi da C1 a C9

Costituenti della stampa (Benzofenone, ecc).


Perché eventualmente la sostanza può migrare “per via aerea”?

La norma tecnica per l’analisi di composti e

sostanze volatili e semivolatili e i solventi residui

UNI EN 13628 - parti 1 e 2


Un esempio di sostanze che migrano via aria, e della prova analitica per determinarle?



Partition Coefficient….

anche in questo caso è una

questione di affinità…..

(Restek Technical Guide)


E perché una sostanza avrebbe affinità con la fase gassosa?

Perché la sostanza evapora? Cosa significa la parola volatile?

La volatilità è una proprietà chimico-fisica che rappresenta la tendenza di

un solido o di un liquido rispettivamente a sublimare o ad evaporare.

Sono considerate volatili le sostanze che in determinate condizioni

di pressione e temperatura, presentano elevata tensione di vapore (ovvero

la pressione esercitata dalla sostanza in fase gassosa in condizioni di

equilibrio). In altre parole il sistema tende ad evolvere spontaneamente

verso lo stato aeriforme.


Nella pratica in chimica analitica per valutare la volatilità di composti si considera il

punto di ebollizione:(NB: L'EBOLLIZIONE E’ UN PASSAGGIO DI STATO DA LIQUIDO A VAPORE DI TUTTA LA MASSA

LIQUIDA)

Da cosa dipende il punto di ebollizione? Da vari fattori, tra cui il peso molecolare:

Tecniche analitiche settore food contactSe si confrontano composti di massa molare uguale o simile, l’andamento delle

temperature di fusione e di ebollizione è prevedibile in base alla polarità dei

legami e all’eventuale presenza di legami a idrogeno più o meno forti.

Come si può notare, l’etanolo bolle a T relativamente alta per la presenza del

forte legame idrogeno; il legame idrogeno nelle ammine è più debole, per la

minore polarità del legame N-H rispetto a O-H e l’ammina primaria, che ha due

atomi di H capaci di legame idrogeno ha T.eb superiore rispetto all’amina

secondaria, che ne ha solo uno, a parità di massa molare. L’ammina terziaria, pur

essendo più pesante, bolle a T inferiore perchè non forma legami idrogeno.

L’acetaldeide, molto polare e miscibile con l’acqua, non ha legami a idrogeno e

bolle a r.t..(Test Acetaldeide UNI 11127:2004 in spazio di testa)


Altre applicazioni e standard

food contact che sfruttano la

tecnica spazio di testa

Tecnica più sensibile

e specifica: SPME


Comparazione tra tecniche



Ray Mindrup, Robert E. Shirey, Supelco, Supelco Park, Bellefonte, PA, 16823 USA

I fattori e le variabili in gioco nella tecnica SPME sono numerosissime, anche in

questo caso il nostro migrante può scegliere tra numerose diverse destinazioni…

ad esempio solo considerando la polarità…….


La tecnica SPME nasce grazie

alle intuizioni di Janusz Pawliszyn,

che riuscì ad immobilizzare

un’appropriata fase stazionaria su

di una sottile fibra in silice fusa.

Il rivestimento della fibra è

costituito da un polimero

immobilizzato, da un adsorbente

solido o da una combinazione dei

due, ed utilizza il principio

absorbimento o dell’adsorbimento.


L’absorbimento è tipico dei rivestimenti a

fase liquida come il polidimetilsilossano

(PDMS) ed il poliacrilato (PA), in cui le

molecole degli analiti si ripartiscono nella fase

della fibra, fino ad occuparne l’intero volume..

Nell’adsorbimento, fenomeno che si ottiene

nei substrati solidi come il Carboxen (CAR),

la struttura porosa del rivestimento permette

di fissare l’analita nei pori della fase solida ..


Da Anal. Chem, 72; pag.5179 (2000) Ed. American Chemical Society

Rivestimento poroso:


Dove:

t= tempo di campionamento

Dg=coeff. Diffusione

L=lunghezza fibra (1cm)

b=diametro esterno

rivestimento fibra

Cg=concentrazione analita

T=temperatura

d = 9,52 (b / Re0,62 Sc0,38)

Re=2ub/v

u=velocità lineare dell’aria (cm/sec)

v=viscosità cinematica dell’aria

(cm2/sec)

Sc=v/ Dg

Dg=coeff. Diffusione…..

Uptake teorico (fibra con fase porosa)

Questione di affinità…

…la nostra sostanza migrante va dove “sta meglio!”

Dg=coeff. Diffusione…..


Confronto tra due analisi eseguite con differenti fibre di un aroma tartufo

Food Science and Technology 42 (2009) 1253–1259


Numerose le applicazioni e pubblicazioni nel settore Food Contact, es:

In questo lavoro

è valutata la

risposta in

SPME di

acetone, acido

acetico,

butanale, 3 metil

butanale,

pentanale,

toluene,

esanale,

eptanale,

cicloesanone, 3

eptanone,

ottanale,

nonanale, etc…


Numerose le

molecole

investigate….


FIBRA SELEZIONATA: 75-um carboxen-polydimethylsiloxane fiber

at 60ºC with 15-min sample sonication


Pentane, Toluene, Ethylbenzene, p-Xylene 1,4-Dimethylbenzene, m-Xylene,

1,3-Dimethylbenzene, o-Xylene, Styrene, 1,2,4-Trimethylbenzene,

Benzaldehyde, Methylstyrene, Isooctanol, Benzyl alcohol, Acetophenone


Spesso la tecnica è utilizzata per individuare e/o

confermare problemi correlati ad aspetti organolettici

Purge & Trap

L’SPME non è l’unica tecnica analitica sensibile per

valutare i migranti volatili….

Abbiamo parlato anche di Purge&Trap

L’estrazione mediante “purge and

trap” è una variante della tecnica dello

spazio di testa. In questo caso i

composti volatili sono estratti da un

campione liquido mediante il

gorgogliamento di un gas inerte

direttamente all’interno matrice liquida

Viene così realizzata l’estrazione delle

sostanze volatili che sono poi

adsorbite su un opportuno materiale

adsorbente.



In commercio ci sono miscele

brevettate (es VOCARB 3000)

Trappola: le fasi maggiormente utilizzate sono Tenax , gel di silice e carbone attivo.

Il carbone attivo fornisce buone prestazioni per i composti quali

dicloro/difluorometano e triclorobenzeni e altri composti altamente volatili.

Il Tenax intrappola composti con punti di ebollizione

superiore a 35 ° C ; il gel di silice composti con punti di ebollizione inferiore a

35 ° C con l'eccezione di diclorodifluorometano e composti di volatilità simile .

Anche in questo caso l’interazione dipende dall’affinità della

sostanza con la fase inserita nella trappola


Il Purge and Trap è la tecnica di elezione per l’analisi di contaminanti volatili

nelle acque. Nel settore Food Contact e’ conveniente utilizzare la tecnica P&T

per analizzare migrazioni in bevande e simulanti acquosi; talvolta può essere

utile per valutare la migrazione nei simulanti utilizzati nelle prove

organolettiche:

UNI EN 1230 2:2009:




Una volta chiariti i motivi della migrazione e le modalità di campionamento

strumentale per le molecole volatili, torniamo al nostro precedente dubbio:

In quale simulante migrerà preferenzialmente una sostanza?

Il coefficiente di ripartizione dipende dalla solubilità nei differenti simulanti


• La solubilità di una sostanza in un determinato solvente corrisponde

alla sua concentrazione nella soluzione satura ed è costante in condizioni

standard di temperatura e di pressione.

• La temperatura più comune alla quale è misurata la solubilità in soluzione

acquosa è di 25 C° (temperatura ambiente).

• La solubilità aumenta con la temperatura

• Il modo più semplice per valutare qualitativamente se una sostanza

è completamente disciolta è osservare se la soluzione appare limpida.

Volendo estremizzare, si parla di molecole idrofile e lipofile

Quelle lipofile migreranno preferenzialmente nel simulante olio!

Solubilità


Questione quindi di Lipofilia…..

• La lipofilia di una sostanza descrive la sua tendenza a solubilizzarsi

in un solvente apolare piuttosto che in acqua.

• Le sostanze apolari sono in grado di instaurare per lo più deboli

interazioni con l’acqua e sono definite lipofile o idrofobiche.

• Le sostanze polari stabiliscono interazioni più forti con l’acqua e

sono definite idrofile.

Coefficiente di

RipartizioneSolubilità Polarità


• Come già visto anche la carica e il PH hanno una importanza

fondamentale!

aceto


E quindi il nostro “migrante” sceglie di migrare nel luogo

ove c’è maggiore affinità, ove sta meglio….

Perché è così importante studiare la “preferenza” del nostro “migrante”???

(consideranda n°32 Reg 10/2011)


Quindi contenuto residuo, modellizzazione, e anche simulante che

sovrastima la migrazione………


Contenuto Residuo: come continua il “viaggio della sostanza?”

Nel caso della valutazione del contenuto totale, è necessario ricorrere a metodi

estrattivi, descritti da numerosi standard (norme uni dedicate a packaging, ASTM,

EN 71 per la sicurezza del giocattolo etc…)

E’ necessario selezionare il solvente più affine e la tecnica estrattiva adeguata

PURIFICAZIONE

ESTRAZIONE

DETECTION

CONCENTRAZIONE



Torniamo alle prove di migrazione….. Come prosegue il viaggio

dopo la migrazione nel simulante?

Es estrazione liquido-liquido

Anche nel caso di prove di migrazione talvolta è necessario ricorrere a tecniche

di estrazione, derivatizzazione, concentrazione, purificazione etc……………

prima di operare la fase di quantificazione analitica


Nella prova di migrazione gli analiti sono nel simulante olio e devono essere

trasferiti in un solvente appropriato per l’analisi in GC-MS

Es estrazione liquido-liquido per analisi GC-MS di ftalati migrati nel simulante olio

JrC dà alcuni suggerimenti per l’estrazione dell’olio…altra complicazione: la

sensibilità strumentale di le miscele di DINP e DIDP è scarsa!


Es § 64 LFGB, Method L. No. 00.00-6

derivatizzazione


Concentrazione e purificazione: tecnica SPE:

ancora una volta è fondamentale l’affinità con la sostanza

SPE Sodid phase extraction



Funzionamento della tecnica: questione di affinità………..

Altre applicazioni settore food contact ?


Purificazione

dell’estratto e

separazione della

frazione Mosh e della

frazione Moah

Arriviamo infine all’ultima parte del viaggio della nostra sostanza:

La fase di detection…. gli aspetti strumentali sono fondamentali

Lo strumento analitico rappresenta il mezzo per raggiungere la meta finale……

E se abbiamo a disposizione una Fiat 500 o una Ferrari la prestazione e la certezza

di arrivare a un certo dato con sensibilità e accuratezza cambiano…….

GC-Fid anni ‘80 GC-QQQ di ultima generazione


Si utilizzano metodi di detection ottici, e metodi cromatografici:

cromatografia liquida e cromatografia gassosa abbinate a svariati detector quali ad

esempio la spettrometria di massa

LC-MS Q-TOF

GC-MS magnetica

alta risoluzione

GC-MS triplo quadrupolo

ICP-MS

UV-VIS

FT-IR

ICP-OES



I metodi ottici sono basati sullo scambio di energia (interazioni) tra la

radiazione elettromagnetica e la materia

I metodi di analisi spettrochimici sono basati sull’analisi dello spettro delle

sostanze, il quale può essere di emissione o di assorbimento.

si ottiene uno spettro di emissione quando si analizza un fascio di luce emesso,

in opportune condizioni, da una sostanza;

si ottiene uno spettro di assorbimento quando si analizza un fascio di luce dopo

che ha attraversato una sostanza

Anche la spettroscopia IR è una tecnica analitica che si basa

sull’interazione fra una radiazione elettromagnetica e la materia.

Più precisamente è una spettroscopia di vibrazione; infatti quando

una molecola organica viene investita da una radiazione infrarossa,

l’energia ceduta dalla radiazione

stessa viene convertita in energia vibrazionale.


Le tecniche cromatografiche :

Affinità e interazioni tra analita,

fase mobile e fase stazionaria


Numerosi i detector, il più noto e utilizzato nel settore food contact è il

detector di massa

I processi che hanno luogo all’interno di uno spettrometro di massa sono:

1) produzione di ioni e frammentazione,

2) separazione degli ioni in base al rapporto m/z,

3) rivelazione.


Immagini prelevate dalla traduzione del Prof.A Raffaelli di “What is MASS SPECTROMETRY” - ASMS (American Society for Mass Spectrometry)

Tramite apposite librerie è possibile identificare

prodotti ignoti sulla base della frammentazione

caratteristica


Il viaggio della nostra sostanza è giunto al termine!

Due viaggi un po’ particolari in fase di valutazione…..

Spaghi per alimenti:


http://ricette.giallozafferano.it “cucinando la carne in

questo modo si conservano maggiormente i succhi e le sostanze nutritive

contenuti all’interno e la carne stessa diventa più digeribile”

Innumerevoli applicazioni e utilizzi finali:

Di conseguenza differenti condizioni di prova

(vedi JRC Guidelines on testing conditions -2009)


Ma rientrano nella definizione di plastiche? Nel

nostro caso si trattava di valutare la migrazione di

varie tipologie di prodotto, tra cui uno spago il

PET, trattato superficialmente con PVA


Filati di poliestere vengono utilizzati nell'abbigliamento (in particolare

sportivo), nell'arredamento (tende, pavimentazioni, rivestimenti mobili

imbottiti). Per abbinare le caratteristiche funzionali ad un maggior

comfort a contatto con la pelle spesso vengono tessuti in mischia con

fibre naturali come il cotone. La loro maggiore applicazione è però nei

tessili tecnici (trasporti, medicale, dispositivi di sicurezza...).

Per quanto i poliesteri esistano in natura (es. Cutina) più spesso

rappresentano una famiglia di prodotti sintetici (plastica), che include il

policarbonato e, soprattutto, il politene tereftalato.


Regolamento (CE) N. 1935/2004

Allegato: Elenco di gruppi di materiali e oggetti che potrebbero essere disciplinati da misure specifiche.

1. Materiali ed oggetti attivi ed intelligenti

2. Adesivi

3. Ceramiche

4. Turaccioli

5. Gomme naturali

6. Vetro

7. Resine a scambio ionico

8. Metalli e leghe

9. Carta e cartone

10. Materie plastiche

11. Inchiostri da stampa

12. Cellulosa rigenerata

13. Siliconi

14. Prodotti tessili

15. Vernici e rivestimenti

16. Cere

17. Legno

Quindi lo spago in poliestere deve

essere considerato un tessuto o

rientra nell’applicazione del Reg

(UE) 10/2011 ?


Le migrazioni specifiche sono state

eseguite sugli alimenti, e non hanno

segnalato particolari pericoli per il

consumatore

Le prove di migrazione globale

hanno fornito valori di migrazione

considerevoli


Al contempo è stato analizzato a scopo di caratterizzarlo un altro

spago, prodotto da competitor non italiano, che ha fatto registrare

migrazioni globali trascurabili; il residuo delle prove di migrazione è

stato recuperato dalle capsule e analizzato con tecnica

spettroscopica infrarossa FT-IR/ATR

Residuo migrazione in EtOH 10%

(stretching OH del PVA intorno a 3400nm)

Residuo migrazione in AcOH 3%

Una ulteriore prova eseguita direttamente sullo spago ha confermato che si

trattava di poliestere


L’analisi SEM ha evidenziato la struttura multi filamento dello spago; inotre su

alcune fibre dello spago stesso è osservabile la presenza di un composto

cristallino, plausibilmente associabile al Biossido di titanio, come confermato

dall’analisi EDX



Probabilmente la presenza

di biossido di titanio nello

spago rinforza l’interazione

tra poliestere e PVA,

riducendo la migrazione


Un’altra migrazione particolare in fase di studio:

Vassoio accoppiato in cartoncino riciclato, con lo strato a diretto contatto in PE

Sulla base delle DoC del fornitore del film plastico era stata proposta la verifica

della migrazione specifica dell’IRGANOX 1076


Benzenepropanoic acid, 3,5-bis(1,1-dimethylethyl)-4-hydroxy-, octadecyl ester


La migrazione specifica dell’irganox 1076 non ha fornito positività, ma lo

screening GC-MS del simulante isottano proveniente dalla prova di migrazione

eseguita con l’uso di una cella fornisce risultati interessanti:

Due picchi che la NIST riconosce come IRGANOX 1076






GRAZIE PER L’ATTENZIONE!

Marinella Vitulli - Food Contact Expert – AIBO n°035

www.marinellavitulli.it