1. 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 2. 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: 3. 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!” Tecniche analitiche settore food contact 4. Il fenomeno di migrazione dall’imballaggio all’alimento avviene con modalità diverse Limbo-Piergiovanni - Food packaging: Materiali, tecnologie e soluzioni - Ed Springer 2010 Tecniche analitiche settore food contact 5. Si raggiunge una situazione di equilibrio: Tecniche analitiche settore food contact Limbo-Piergiovanni - Food packaging: Materiali, tecnologie e soluzioni - Ed Springer 2010 6. 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: Tecniche analitiche settore food contact 7. Cosa è il coefficiente di ripartizione? Tecniche analitiche settore food contact Quello che conta quindi è l’affinità tra i potenziali migranti e l’alimento 8. E che cosa succede alla sostanza presente su un MOCA durante un test analitico? Tecniche analitiche settore food contact 9. Tecniche analitiche settore food contact 10. 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. 11. Tecniche analitiche settore food contact PROVE DI CESSIONE: PROVE DI MIGRAZIONE: Le prove analitiche nel settore food contact prevedono una fase di preparativa; vediamo I processi più semplici: 12. Tecniche analitiche settore food contact 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 13. Tecniche analitiche settore food contact 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 14. Tecniche analitiche settore food contact 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! 15. Tecniche analitiche settore food contact 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 ? 16. Tecniche analitiche settore food contact 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! 17. Tecniche analitiche settore food contact 18. Tecniche analitiche settore food contact 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! 19. Tecniche analitiche settore food contact La sostanza può “tuffarsi” in differenti simulanti! 20. I nostri amici migranti avranno sicuramente una preferenza! Tecniche analitiche settore food contact 21. 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). Tecniche analitiche settore food contact Perché eventualmente la sostanza può migrare “per via aerea”? 22. La norma tecnica per l’analisi di composti e sostanze volatili e semivolatili e i solventi residui UNI EN 13628 - parti 1 e 2 Tecniche analitiche settore food contact Un esempio di sostanze che migrano via aria, e della prova analitica per determinarle? 23. Tecniche analitiche settore food contact 24. Tecniche analitiche settore food contact Partition Coefficient…. anche in questo caso è una questione di affinità….. (Restek Technical Guide) 25. Tecniche analitiche settore food contact 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. 26. Tecniche analitiche settore food contact 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: 27. Tecniche analitiche settore food contact Se 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) 28. Tecniche analitiche settore food contact Altre applicazioni e standard food contact che sfruttano la tecnica spazio di testa 29. Tecnica più sensibile e specifica: SPME Tecniche analitiche settore food contact 30. Comparazione tra tecniche Tecniche analitiche settore food contact 31. Tecniche analitiche settore food contact 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……. 32. Tecniche analitiche settore food contact 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. 33. Tecniche analitiche settore food contact 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 .. 34. Tecniche analitiche settore food contact Da Anal. Chem, 72; pag.5179 (2000) Ed. American Chemical Society Rivestimento poroso: 35. Tecniche analitiche settore food contact 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….. 36. Tecniche analitiche settore food contact Confronto tra due analisi eseguite con differenti fibre di un aroma tartufo Food Science and Technology 42 (2009) 1253–1259 37. Tecniche analitiche settore food contact 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… 38. Tecniche analitiche settore food contact Numerose le molecole investigate…. 39. Tecniche analitiche settore food contact FIBRA SELEZIONATA: 75-um carboxen-polydimethylsiloxane fiber at 60ºC with 15-min sample sonication 40. Tecniche analitiche settore food contact 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 41. Tecniche analitiche settore food contact Spesso la tecnica è utilizzata per individuare e/o confermare problemi correlati ad aspetti organolettici 42. 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. Tecniche analitiche settore food contact 43. Tecniche analitiche settore food contact 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 44. Tecniche analitiche settore food contact 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: 45. Tecniche analitiche settore food contact 46. Tecniche analitiche settore food contact 47. Tecniche analitiche settore food contact 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 48. Tecniche analitiche settore food contact • 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 49. Tecniche analitiche settore food contact 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 Ripartizione Solubilità Polarità 50. Tecniche analitiche settore food contact • Come già visto anche la carica e il PH hanno una importanza fondamentale! aceto 51. Tecniche analitiche settore food contact 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) 52. Tecniche analitiche settore food contact Quindi contenuto residuo, modellizzazione, e anche simulante che sovrastima la migrazione……… 53. Tecniche analitiche settore food contact 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 54. PURIFICAZIONE ESTRAZIONE DETECTION CONCENTRAZIONE Tecniche analitiche settore food contact 55. Tecniche analitiche settore food contact 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 56. Tecniche analitiche settore food contact 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! 57. Tecniche analitiche settore food contact Es § 64 LFGB, Method L. No. 00.00-6 derivatizzazione 58. Tecniche analitiche settore food contact Concentrazione e purificazione: tecnica SPE: ancora una volta è fondamentale l’affinità con la sostanza SPE Sodid phase extraction 59. Tecniche analitiche settore food contact 60. Tecniche analitiche settore food contact Funzionamento della tecnica: questione di affinità……….. Altre applicazioni settore food contact ? 61. Tecniche analitiche settore food contact Purificazione dell’estratto e separazione della frazione Mosh e della frazione Moah 62. 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 Tecniche analitiche settore food contact 63. 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 Tecniche analitiche settore food contact 64. Tecniche analitiche settore food contact 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. 65. Tecniche analitiche settore food contact Le tecniche cromatografiche : Affinità e interazioni tra analita, fase mobile e fase stazionaria 66. Tecniche analitiche settore food contact 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. 67. Tecniche analitiche settore food contact 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 68. Tecniche analitiche settore food contact Il viaggio della nostra sostanza è giunto al termine! Due viaggi un po’ particolari in fase di valutazione….. 69. Spaghi per alimenti: Tecniche analitiche settore food contact 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” 70. Innumerevoli applicazioni e utilizzi finali: Di conseguenza differenti condizioni di prova (vedi JRC Guidelines on testing conditions -2009) Tecniche analitiche settore food contact 71. 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 Tecniche analitiche settore food contact 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. 72. Tecniche analitiche settore food contact 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 ? 73. Tecniche analitiche settore food contact 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 74. Tecniche analitiche settore food contact 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 75. Tecniche analitiche settore food contact 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 76. Tecniche analitiche settore food contact 77. Tecniche analitiche settore food contact Probabilmente la presenza di biossido di titanio nello spago rinforza l’interazione tra poliestere e PVA, riducendo la migrazione 78. Tecniche analitiche settore food contact 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 79. Tecniche analitiche settore food contact Benzenepropanoic acid, 3,5-bis(1,1-dimethylethyl)-4-hydroxy-, octadecyl ester 80. Tecniche analitiche settore food contact 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 81. Tecniche analitiche settore food contact 82. Tecniche analitiche settore food contact 83. Tecniche analitiche settore food contact 84. Tecniche analitiche settore food contact 85. Tecniche analitiche settore food contact 86. GRAZIE PER L’ATTENZIONE! Marinella Vitulli - Food Contact Expert – AIBO n°035 www.marinellavitulli.it