Oznaczanie migracji pierwszorzędowych amin aromatycznych (PAAs) z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością

Transkrypt

1 Oznaczanie migracji pierwszorzędowych amin aromatycznych (PAAs) z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością Instrukcja do Laboratorium Metody Badań Materiałów Prowadzący: Dr inż. Marta Królikowska, Dr inż. Marta Królikowska Zakład Chemii Fizycznej, Wydział Chemiczny, Politechnika Warszawska Pok. 153, Gmach Chemii. 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest oznaczenie migracji pierwszorzędowych amin aromatycznych (PAAs) z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością z czarnego i szarego poliamidu metodą spektrofotometryczną i porównanie uzyskanych wyników z dopuszczalnym limitem ustanowionym przepisami UE. 2. Wprowadzenie Aminy są to organiczne pochodne amoniaku, w którym jeden lub więcej atomów wodoru zostało zastąpionych resztami organicznymi H H R H R H R R'' H H R' R' amoniak aminy 1 o aminy 2 o aminy 3 o R''' - X + R R'' R' 4 o sole amoniowe W aminach rzędowość odnosi się do liczby reszt organicznych związanych z atomem azotu. azewnictwo systematyczne amin. Aminy pierwszorzędowe można nazywać czterema sposobami: 1. Słowo -amina poprzedzone jest nazwą reszty alkilowej lub arylowej przyłączonej do atomu azotu, np. metyloamina, etyloamina, fenyloamina, benzyloamina itp.; 2. Słowo -amina poprzedzone jest nazwą macierzystego wodorku (alkanu lub arenu), np. metanoamina, etanoamina, benzenoamina, toluenoamina itp.; 3. azwę alkilu lub arylu połączonego z atomem azotu dodaje się do słowa -azan, np. metyloazan, etyloazan, fenyloazan, benzyloazan.

2 4. Sposób przedrostkowy. Przedrostek amino- dodaje się do rdzenia nazwy (nazwy wodorku macierzystego), np. aminometan, aminobenzen. Przykłady 1 metyloamina etyloamina fenyloamina (anilina) benzyloamina 2 metanoamina etanoamina benzenoamina toluenoamina 3 metyloazan etyloazan fenyloazan benzyloazan 4 aminometan aminoetan aminobenzen aminotoluen Sposobu przedrostkowego używa się najczęściej wówczas, kiedy grupa aminowa nie jest grupą główną, np. 4-aminobutan-2-on i pozostałe podane niżej związki. O 4-aminoheks-2-on O H 2 OH kwas 4-aminobutanowy (kwas -aminomasłowy) H 2 COOH kwas 4-aminobenzoesowy (kwas p-aminobenzoesowy) H 2 OH 2-aminoetanol (etanoloamina) Aminy drugorzędowe i trzeciorzędowe o symetrycznej budowie można nazywać dwoma sposobami 1. Do słowa -amina dodaje się poprzedzoną przedrostkiem di- lub tri- nazwę alkilu lub arylu, związanego z atomem azotu; 2. Do rdzenia -azan dodaje się poprzedzoną przedrostkiem di- lub tri- nazwę alkilu lub arylu, związanego z atomem azotu. Przykłady ( ) 2 H 1 o dietyloamina 1 diizopropyloamina difenyloamina [(CH H dietyloazan 3 )CH] 2 H o 1 o 2 o 2 o dipropyloazan 2 o difenyloazan iesymetryczne aminy 2 o i 3 o o wzorach HRR, R 2 R i RR R można nazywać trzema sposobami: 1. Jako pochodne amin 1 o ; do nazwy aminy 1 o dodaje się nazwę dodatkowej reszty alkilowej lub arylowej, np. -etylobutyloamina; 2. Sposób azanowy; do słowa -azan dodaje się (w nawiasach, jeżeli trzeba) nazwy grup alkilowych lub arylowych związanych z atomem azotu; 3. Sposób grupowy; nazwa rdzenia -amina poprzedzona jest nazwami wszystkich podstawników ułożonych alfabetycznie. Przykłady Cl H 1 -(2-chloroetylo)propyloamina -etylo--metylobutyloamina -(2-chloroetylo)propano-1-amina -etylo--metylobutano-1-amina

3 2 (2-chloroetylo)(propylo)azan butylo(etylo)metyloazan 3 (2-chloroetylo)(propylo)amina butylo(etylo)metyloamina Aminy aromatyczne Wiele amin aromatycznych znanych jest pod nazwami zwyczajowymi. anilina p-toluidyna 1-naftyloamina 2-naftyloamina benzyloamina p-fenylenodiamina H O 2 O 2O2 H 2 H 2 H 4,4'-dinitrodifenyloamina benzydyna difenyloamina (p,p'-dinitrodifenyloamina) O 2 2,4-dinitroanilina Zasady nomenklatury systematycznej dla amin aromatycznych są takie same jak dla alifatycznych. Pierwszorzędowe aminy aromatyczne (PAAs Primary Aromatic Amines ) należą do związków, które mogą być obecne w materiałach opakowaniowych i wyrobach przeznaczonych do kontaktu z żywnością m.in. jako produkty rozkładu barwników azowych lub jako produkty hydrolizy izocyjanianów zawartych w klejach wykorzystywanych do łączenia wielowarstwowych folii z tworzyw sztucznych. iektóre z PAAs uznane zostały przez Międzynarodową Agencję ds. Badań nad Rakiem (IARC International Agency for Research on Cancer) za substancje potencjalnie kancerogenne dla człowieka. Przykładem takiej substancji jest 4,4 -metylenodianilina (MDA), której migrację z wyrobów kuchennych do kontaktu z żywnością stwierdzano wielokrotnie. Zgodnie z przepisami Unii Europejskiej (Dyrektywa 2002/72/WE) materiały i wyroby z tworzyw sztucznych przeznaczone do kontaktu z żywnością, nie mogą uwalniać PAAs w ilości wykrywalnej metodą analityczną o granicy wykrywalności 0,01 mg/kg żywności lub płynu modelowego imitującego żywność. W ostatnich latach w systemie RASFF (Rapid Alert System for Food and Feed) odnotowano wiele powiadomień dotyczących wyrobów wykonanych z nylonu, w związku ze stwierdzaniem przekroczenia dopuszczalnego limitu migracji PAAs, w tym także MDA. Powiadomienia te pochodziły z różnych krajów Unii Europejskiej i dotyczyły głównie

4 wyrobów pobranych z obrotu handlowego. Były to wyroby kuchenne wielokrotnego użytku (różnego rodzaju łyżki, łopatki i ubijaki) wykonane z czarnego poliamidu, pochodzące z Chin. Wyroby z poliamidu (tworzywa sztucznego znanego także pod nazwą nylon) są powszechnie wykorzystywane w gospodarstwach domowych podczas gotowania i smażenia, ze względu na wiele zalet m.in. stosunkowo niską cenę, małą masę (lekkość), odporność na wysoką temperaturę oraz średnią twardość, dzięki której nie powodują mechanicznego uszkodzenia powierzchni naczyń kuchennych pokrytych powłokami nieprzywieralnymi np. z politetrafl uoroetylenu znanego pod nazwą Teflon. Do oznaczania migracji PAAs z materiałów i wyrobów do kontaktu z żywnością najczęściej stosowane są metody: spektrofotometryczna i chromatograficzne (HPLC, GC). Metoda spektrofotometryczna pozwala na oznaczenie całkowitej zawartości pierwszorzędowych amin aromatycznych (w przeliczeniu na anilinę) i jest wykorzystywana jako metoda skriningowa do stwierdzania zgodności wyrobu z wymaganiami w zakresie dozwolonego limitu. Metody chromatograficzne dają możliwość identyfikacji i ilościowego oznaczania zawartości poszczególnych PAAs migrujących z wyrobu do żywności lub płynu modelowego. Mogą być także stosowane do potwierdzania wyników uzyskanych metodą spektrofotometryczną Otrzymywanie soli diazoniowych W reakcji pierwszorzędowych amin aromatycznych z kwasem azotowym (III) w obecności kwasu solnego i w temp. 0-5 O C powstają sole diazoniowe, jako dające się wyodrębnić związki pośrednie. Zakwaszony roztwór azotanu (III) jest źródłem jonów nitrozoniowych (kationów nitrozylu, O + ), które dzięki właściwościom elektrofilowym zastępują atom wodoru w pierwszorzędowej grupie aminowej, tworząc pochodną -nitrozową. Pochodna ta ma budowę tautomeryczną; jej forma hydroksydiazowa przekształca się w środowisku kwaśnym w jon diazoniowy. Warunki doświadczalne niezbędne do przygotowania roztworu soli diazoniowej (tzw. diazowania amin pierwszorzędowych) są następujące. Aminę rozpuszcza się w odpowiedniej ilości wody, zawierającej 2,5-3 równoważniki kwasu solnego, ogrzewając mieszaninę w razie potrzeby. Jeśli podczas diazowania nie stosuje się nadmiaru kwasu solnego (lub mineralnego), to zachodzi reakcja sprzęgania między solą diazoniową i aminą, prowadząca do powstania

5 diazoaminobenzenu. astępnie roztwór ten chłodzi się, wówczas chlorowodorek aniliny zwykle krystalizuje. Temperaturę mieszaniny utrzymuje się w przedziale 0-5 O C i wkrapla do niej roztwór azotanu(iii) sodu do czasu gdy po upływie 3-4 min. od wprowadzenia ostatniej porcji azotanu (III) sodu wynik testu na obecność nadmiaru kwasu azotowego (III) w mieszaninie reakcyjnej (przeprowadzony za pomocą papierka jodoskrobiowego) będzie pozytywny. Wytrącony chlorowodorek aminy rozpuszcza się w trakcie diazowania i powstaje klarowny roztwór dobrze rozpuszczalnej soli diazoniowej. admiar kwasu solnego (0,5-1 równoważnik) zapewnia właściwe warunki reakcji, ponieważ sól diazoniowa jest trwała w środowisku kwaśnym i wówczas nie zachodzą reakcje następcze. W trakcie reakcji (która jest egzotermiczna) mieszaninę reakcyjną należy intensywnie chłodzić, w przeciwnym razie sól diazoniowa może częściowo hydrolizować do odpowiedniego fenolu Reakcje sprzęgania Azozwiązki otrzymuje się w wyniku działania soli diazoniowej na fenol w obecności wodorotlenku sodu lub na aminę w obecności octanu sodu. Reakcja sprzęgania jest reakcja podstawienia elektrofilowego, w której jon diazoniowy atakuje pozycję o największej gęstości elektronowej, tj. pozycję orto- lub para- względem elektrodonorowej grupy hydroksylowej lub aminowej. 3. Wykonanie pomiarów 3.1. Materiały i odczynniki Próbki wyrobów kuchennych z poliamidu, takich jak łyżki, łopatki, ubijaki znajdujące się w obrocie handlowym. Kwas octowy 3% roztwór wodny Wodorotlenek sodu 10% roztwór wodny Anilina, cz.d.a. Azotan sodu (III) Kwas solny stężony 36-38% -aftol (-aftol) Etanol bezwodny 3.2. Aparatura Spektrofotometr UV-VIS Perkin Elmer Lambda 25 Waga anlityczna Czasza grzejna Autotransformator Kolba kulista 250 ml

6 Chłodnica Kolba kulista dwuszyjna 250 ml Termometr z nasadką do kolby szklanej Mieszadło magnetyczne i elementy mieszające Zlewki szklane 100 ml Zestaw pipet jedno- i wielo- miarowych Kolby miarowe 100 ml aczynko wagowe Szklane bagietki 3.3. Ekstrakcja pierwszorzędowych amin z tworzyw sztucznych. Przygotować próbkę tworzywa wg normy P-E :2006 o wymiarach 20 mm x 20 mm, poprzez wycięcie jej z badanego materiału. Wyznaczyć pole powierzchni próbki w cm 2, która kontaktuje się z płynem migracyjnym. W tym celu proszę posłużyć się suwmiarką. Próbkę tworzywa zważyć na wadze analitycznej. Próbki tworzywa poddać działaniu 3% wodnego roztworu kwasu octowego, płynu modelowego imitującego działanie żywności kwaśnej, w temperaturze 100 C przez 2 godziny stosując metodę całkowitego zanurzenia. W tym celu umieścić badaną próbkę tworzywa w kolbie 250 ml, a następnie dodać za pomocą cylindra miarowego 100 ml płynu modelowego. Upewnić się, czy próbka jest całkowicie zanurzona w płynie modelowym, w razie czego poprawić położenie próbki za pomocą szklanej bagietki. Podłączyć chłodnice do kolby, włączyć przepływ wody w chłodnicy. Włączyć podgrzewacz i ogrzewać możliwie jak najszybciej do refluksu. Gdy refluks zostanie osiągnięty wyregulować ogrzewanie do utrzymania lekkiego refluksu. Obserwować płyn modelowy w kolbie, pozostawić na czas 2 godzin pilnując regulacji refluksu. astępnie odłączyć podgrzewacz, odciąć dopływ wody do chłodnicy, odłączyć chłodnicę i wyjąć kolbę z podgrzewacza. Płyn migracyjny poddać reakcji diazowania i sprzęgania, 3.4. Otrzymywanie soli diazoniowej Do kolby kulistej dwuszyjnej z elementem mieszającym o pojemności 250 ml wprowadzić za pomocą pipety jednomiarowej 50 cm 3 ostudzonego płynu migracyjnego i dodać kwasu solnego. W roztworze umieścić termometr, a kolbę zanurzyć w łaźni z pokruszonym lodem, roztwór ochłodzić do temp. poniżej 5 O C. Roztwór azotanu(iii) sodu ochłodzić w łaźni lodowej, a następnie małymi porcjami wkroplić do zimnego i energicznie wstrząsanego roztworu chlorowodorku aniliny. W trakcie reakcji wydziela się ciepło. ie można dopuścić do tego, aby temperatura mieszaniny reakcyjnej wzrosła powyżej

7 5 O C, w przeciwnym razie związek diazoniowy i kwas azotowy (III) rozłożą się w znacznym stopniu. Po 3-4 minutach mieszania, kroplę mieszaniny reakcyjnej należy sprawdzić za pomocą papierka jodoskrobiowego, jeśli papierek nie zabarwi się natychmiast na niebiesko w miejscu zetknięcia z roztworem, to trzeba do mieszaniny dodać kilka kropel roztworu azotanu(iii) sodu. Po 3-4 minutach ponownie wykonać test z papierkiem jodoskrobiowym. Postępować tak do czasu, aż mieszanina reakcyjna będzie zawierać niewielki nadmiar kwasu azotowego(iii) Reakcja sprzęgania W zlewce o pojemności 250 ml przygotować roztwór 2-naftolu w 10-proc. roztworze wodorotlenku sodu i ochłodzić go do temp. 5 O C, zanurzając zlewkę w łaźni z lodem. Do energicznie mieszanego roztworu soli diazoniowej dodać bardzo powoli zimny roztwór 2-naftolu, mieszanina reakcyjna barwi się na kolor pomarańczowo-czerwony. Po dodaniu całego roztworu soli diazoniowej, mieszaninę pozostawić na 20 min w łaźni lodowej, cały czas mieszając. Wytrąca się pomarańczowo-czerwony osad 1-fenyloazo-2-naftolu nierozpuszczalny w wodzie. Roztwór przesączyć na lejku Büchnera, przepłukując niewielką ilością wody. Osad przenieść ilościowo do kolby miarowej 100 cm 3, rozpuścić go w bezwodnym etanolu. Kolbę uzupełnić etanolem do kreski Analiza spektrofotometryczna Wyznaczenie krzywej kalibracji. a wadze analitycznej w naczynku wagowym odważyć 1-fenyloazo-2-naftol, a następnie przenieść go do kolby miarowej 100 cm 3, uzupełniając ją etanolem do kreski. astępnie pobrać z niej za pomocą pipet jednomiarowych 5, 10, 20, 50 cm 3 roztworu do kolb miarowych 100 cm 3 i rozcieńczyć je etanolem do kreski. Przeprowadzić analizę spektrofotometryczną dla 5 roztworów 1-fenyloazo-2-naftolu w zakresie nm. Wybrać długość fali przy której występuje maksimum absorbancji. Wykonać pomiar spektrofotometryczny dla badanego roztworu. Odczytać wartość absorbancji przy długości fali użytej podczas wyznaczania krzywej kalibracji. Obsługa spektrofotometru. Włączyć spektrofotometr przełącznikiem O/OFF na 20 min. przed wykonywaniem pomiarów, włączyć komputer. Uruchomić oprogramowanie Prekin-Elmer UV-VIS. W programie, według wskazówek prowadzącego wprowadzić metodę ustawiając zakres długości fali ( nm) i szybkość skanowania 30 nm/min. Wykonać autozero spektrofotometru bez kuwet (z badanym roztworem i odnośnikiem). astępnie wykonać pomiary spektrofotometryczne dla badanych roztworów wzorcowych i próbki. Jako

8 odnośnik użyć bezwodny etanol. Po skończonych pomiarach wyłączyć spektrofotometr i komputer. Kuwet umyć etanolem i wysuszyć. 4. Opracowanie wyników Wykonać sprawozdanie, które powinno zawierać: tytuł i cel ćwiczenia oraz imiona i nazwiska osób je wykonujących reakcję otrzymywania soli diazoniowych i reakcję sprzęgania opis badanych próbek, ich wymiary i masę krzywą kalibracji dla obliczonych stężeń 1-fenyloazo-2-naftolu zawartość pierwszorzędowych amin aromatycznych w przeliczeniu na alaninę w miligramach na litr modelowego płynu migracyjnego i w miligramach na cm 2 pola powierzchni badanej próbki. Zaliczenie odbywa się na podstawie obecności, aktywnego uczestnictwa w ćwiczeniu, wykonaniu i pozytywnym ocenieniu sprawozdania oraz oceny z wejściówki 5. Literatura orma P-E : wersja polska, Materiały i wyroby przeznaczone do kontaktu z produktami spożywczymi -- Substancje w tworzywach sztucznych podlegające ograniczeniom -- Część 1: Przewodnik dotyczący metod badań migracji specyficznej substancji z tworzyw sztucznych do żywności i płynów modelowych żywności oraz oznaczanie tych substancji i wybór warunków kontaktu z płynami modelowymi. Arthur Israel Vogel, preparatyka organiczna, wydanie 3, Wydawnictwo aukowo-techniczne, 2006 rok. Jerzy Minczewski, Zygmunt Marczenko Chemia analityczna. Chemiczne metody analizy ilościowej. Cz.2, Wydaw. aukowe PW, Warszawa 2005 rok Directive (WE) no. 1935/2004 of the European Parliament and Council* dated concerning materials and products for contact with food. DYREKTYWA KOMISJI 2002/72/WE z dnia 6 sierpnia 2002 r. w sprawie materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu ze środkami spożywczymi