Comprehensive two-dimensional GC x GC-TOF MS for the analysis of migrants from food packing, using cardboard recycling as an example.

1. Analyse von Migraten aus Lebensmittelverpackungen mittels umfassender
zweidimensionaler GCxGC TOF MS
am Beispiel von Recyclingkarton
Maurus Biedermann
Kantonales Labor Zürich

2. Umfassende Analyse
• Verpackungen können Chemikalien ans Lebensmittel
abgeben, oft sind diese unbekannt, z.B.:
• Oligomere aus Kunststoffen
• Bestandteile von Druckfarben
• Nebenreaktionsprodukte aus Lacken von Dosen
 ORPIs (Oligomers, Reaction products, Impurities)
 NIAS (Not Intentionally Added Substances)
• Non-target Analyse  Versuch alle Komponenten zu
erfassen, welche:
• möglicherweise ins abgepackte Lebensmittel übergehen
• die toxikologisch relevante Grenze überschreiten
• Mögliche Einschränkungen der Analyse durch:
• Eigenschaften der Probenmatrix und der Analyten
• Grenzen der chromatographischen Methode
• Selektivität der Detektion

3. Recyclingkarton als Lebensmittelverpackung
…erzeugen einen Peakwald
Unzählige Arten
und Quellen von
Rohmaterialien…

4. Migration
18
Cho
14
20
Unprinted board
25
MOSH
MOSH
Per
30
MOAH
MOAH
9B
BP
TBB
6B
455 mg/kg
Cho
12
100 mg/kg
Per
 Mineralöl:
Hauptverunreinigung
von Recyclingkarton
14
16
25
30
DIPN
in trockene
Lebensmittel
über die
Gasphase
16
DIPN
12
Box from
8-months-old rice
BP 9B
6B TBB
18 20
 70-100 % am Ende
der Lagerzeit (ohne
Innenbeutel)
207 mg/kg
18
Paraffins
from rice
25
33
6B
Rice
500 g Reis
4 mg/kg
15 mg/kg
gelagert über 8 Monate
65 °C
20 °/min
TBB
DIPN
BP 9B
20
 Konzentrationen in
Lebensmittel: <0.2-80
mg/kg MOSH (2010,
119 Proben)
37 mg/kg
Cho
12 16
14
Squalene
 Übergang bis C24
330 °C 50 °C
20 °/min
320 °C

5. Umfassende Analyse von Recyclingkarton
Ziel der Analyse
• Charakterisierung und Identifizierung möglichst aller im
Recyclingkarton vorkommender Komponenten, welche
• das Potential zur Migration über die Gasphase
aufweisen (kein benetzender Kontakt)
• für eine mögliche Migration ins Lebensmittel von
mindestens 10 µg/kg ausreichen (Schwelle der
Relevanz).
• Angestrebte Nachweisgrenze: 0.1 mg/kg Karton
• Annahme 50 % Übergang und ein Verhältnis
Verpackung zu Lebensmittel von 1 zu 5 (ergibt eine
Konzentration von 10 µg/kg Lebensmittel = eingesetzte
toxikologisch relevante Grenze)

6. Umfassende Analyse von Recyclingkarton
Analysenschritte
• Oft komplexe Gemische  Fraktionierung/Vortrennung
mittels normalphasen Flüssigchromatographie:
on-line HPLC-GC-FID
• GC deckt erforderlichen Flüchtigkeitsbereich ab
• FID: erfasst organische Verbindungen mit ähnlicher
Respons
• Analyse von polaren Verbindungen nach Derivatisierung
(z.B. Silylierung)
• Identifikation:
umfassende zweidimensionale GCxGC-TOF MS
• Grosse Trennkapazität  reine Spektren
• EI Spektren: umfassende Bibliotheken

7. Einschränkungen
Direct extract
from paperboard
Resin
acids
In hoher Konzentration
vorhandene Komponenten,
z.B. Faktor 1000 über
angestrebter Nachweisgrenze:
 Entfernen der Säuren via
Chromatographie über
basischem Alox
Triglycerides
After removal
of the acids
Triglycerides
 Entfernen der Triglyceride
via selektive Verdampfung
im PTV Injektor
After additional removal
of the triglycerides
Retained in
PTV injector
HPLC Fraktion 8.8 bis 9.6 Minuten
65 °C
25 °/min
350 °C

8. Y-piece
bfv
Vortrennung mittels Normalphasen-HPLC
iv
auto sampler
LC column
uncoated
pre-column
LC pump
iv: injection valve
bfv: backflush valve
tv: transfer valve
MOAH Fraktion
n
UV detector
tv
carrier gas
MOSH Fraktion
apor
exit
waste
Fraktionen on-line
in die GC transferiert
Kartonextrakt
UV bei 230 nm
Backflush, Rekonditionierung
Lichrospher Si 60, 5 µm, 250 x 2 mm i.d.
Gradient: hexan  Dichloromethan  Methyl-tert.-butyl Ether (MTBE)

9. Extrakt Recyclingkarton direkt: 7 Fraktionen
Y-piece
bfv
iv
auto sampler
LC column
uncoated
pre-column
iv: injection valve
bfv: backflush valve
tv: transfer valve
LC pump
Pyridine
n
UV detector
tv
carrier gas
HPLC
Aromatic hydrocarbons
apor
exit
waste
C24
24
MOSH
1 2 3 4 56 7
1
2
MOAH 24
3
100 µg/kg
24
4
5
24
6
24
7
24
24

10. Extrakt Recyclingkarton direkt: 7 Fraktionen
Y-piece
bfv
iv
auto sampler
LC column
uncoated
pre-column
iv: injection valve
bfv: backflush valve
tv: transfer valve
LC pump
Pyridine
n
UV detector
tv
carrier gas
HPLC
Aromatic hydrocarbons
apor
exit
waste
Ether, Butylund
Isooctylester
MOAH, DIPN,
Derivate von
Harzkomponenten,
Latex Oligomere
24
MOSH
MOSH
1 2 3 4 56 7
1
2
MOAH 24
3
24
Methyl-, Ethyl-,
Isopropylester,
Aldehyde,
Ketone
4
Phthalate,
Photoinitiatoren,
Diester, Phenole,
Aldehyde, Ketone,
verzweigte Alkohole
5
24
Alkohole,
Triester,
Acrylate
6
24
7
24
24

11. apor
exit
n
waste
UV detector
tv
carrier gas
Y-piece
bfv
Extrakt Frischfaserkarton direkt: 7 Fraktionen
iv
auto sampler
LC column
uncoated
pre-column
LC pump
iv: injection valve
bfv: backflush valve
tv: transfer valve
HPLC
1 2 3 4 56 7
1
2
24
4
5
24
3
24
6
24
24
7
24
24

12. Extrakt Recyclingkarton silyliert: 7 Fraktionen
Y-piece
bfv
iv
auto sampler
LC column
uncoated
pre-column
BSTFA
Pyridine
n
UV detector
tv
carrier gas
iv: injection valve
bfv: backflush valve
tv: transfer valve
LC pump
HPLC
Aromatic hydrocarbons
apor
exit
waste
langkettige Alkohole
Alkohole
Phenole
24
MOSH
24
1 2 3 4 56 7
1
2
MOAH
3
24
Glykole, Glycerin
Carbonsäuren,
Alkohole
4
5
24
24
6
7
24
24

13. apor
exit
n
waste
UV detector
tv
carrier gas
Y-piece
bfv
Extrakt Frischfaserkarton silyliert: 7 Fraktionen
iv
auto sampler
LC column
uncoated
pre-column
LC pump
iv: injection valve
bfv: backflush valve
tv: transfer valve
HPLC
1 2 3 4 56 7
1
2
3
24
24
24
 hauptsächlich Holzkomponenten
4
5
24
6
24
7
24
24

14. Umfassende zweidimensionale GCxGC-MS
GC-FID Chromatogramm, Fraktion 2, silylierter Kartonextrakt

15. Umfassende zweidimensionale GCxGC-MS
GC-FID Chromatogramm und GCxGC contour plot

16. Umfassende zweidimensionale GCxGC-MS
contour plot
3s
2s
1s
2nd dimension: polar, (5 sec)
4s
95 °C
5 °/min
separation on 1st dimension column: apolar, (30 min)
240 °C

17. Setup GCxGC TOF MS
• TRACE GCxGC System, Thermo Scientific
• Dual jet CO2 modulator, Thermo Scientific
• BenchTOF-dx, TOF MS, Almsco International
• GC Image, GCxGC Software, Zoex Corporation

18. Prinzip dual jet CO2 Modulator
Modulator
CO2
Injector
First dimension
Detector
Second dimension
Gorecki et al, JSS 27 (2004) 359

19. Recyclingkarton, Fraktion 2, GCxGC-MS
40
39
4s
51 53
14
3s
10
2
7
5
2s
21
18 19
17
3
30
37
20
27
29
28
23
DIPN
33
32
4
6
61
60
50
56
49
42
46
41 45
48
34
36
54
47
35
26
1
44
43
13
8
58
57
38
15
9
59
55
22
16
1s
52
24
25
31
alkyl benzenes
95 °C
240 °C
5 °/min

20. Recyclingkarton, Fraktion 2, GCxGC-MS
40
52
39
51 53
14
57
10
21
18 19
17
2
30
7
5
37
20
27
29
28
23
DIPN
33
4
6
50
32
56
49
34
36
54
47
35
24
25
61
60
42
46
41 45
48
26
1
44
43
13
8
3
38
15
58
55
22
16
9
59
31
alkyl benzenes
GC1: 20 m x 0.25 mm i.d., 0.12 µm 100 % dimethyl polysiloxane
GC2: 1.5 m x 0.15 mm i.d., 0.075 µm 50 % dimethyl/50 % diphenyl

21. Recyclingkarton silyliert, Fraktion 2
4s
3s
2s
7
5
23
24
27
17
1s
1
9
8
2
4
15
10
11 16
18
21
20 26
19
12
22
25
13
30
29
28 31
14
6
3
95 °C
240 °C
5 °/min

22. Recyclingkarton, Fraktion 5
c43
21
4s
28
46
6
47
12
9
20
10
30
36
29 32
27
19
1
22
14
2s
8
13
23
4
1s
c44
35
26
5
45
33
16
3
43
40
41
42
38
18
2
51
17
c4
3s
52
39
11
48
31
25
34
44
49
24
7
15
95 °C
37
50
240 °C
5 °/min

23. Recyclingkarton silyliert, Fraktion 5
4s
3s
24
26
25
2s
14
21
22
10
7
17
C1
1s
13
6
5
C2
1
2
95 °C
3
4
9
C5
8
15
16
C10
19
27
20
18 C16
23
28
12
11
240 °C
5 °/min

24. Beispiel Identifikationen Fraktion 5 direkt
d1
d2
d3
d4
d5
d6
d7
d8
d9
d10
d11
d12
d13
d14
d15
d16
d17
d18
d19
d20
d21
d22
d23
d24
Dichloro aniline
Tert-butyl cresol
Pentyl phenyl ketone
Butylated hydroxytoluene
Isophorone diisocyanate (im Injektor erzeugt?)
Diethyl phthalate (DEP)
2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol diisobutyrate
(TIXB)
Isocurcumenol?
1-Hydroxycyclohexyl phenylketone
Ethyl-p-dimethylaminobenzoate
Fluorenone
4-methyl benzophenone
Nonylphenol (Isomerengemisch)
3,5-di-tert-Butyl-4-hydroxybenzaldehyde
Hexahydrofarnesyl acetone
Hexahydrohexamethyl cyclopentabenzopyran
Anthrone oder 4-Phenanthrenol
Diisobutyl phthalate (DIBP)
Dibutyl phthalate (DBP)
Trimethylbenzophenone?
Anthraquinone
Juvabione
Manoyl oxide
(6E,10E)-3,7,11,15-Tetramethyl-1,6,10,14hexadecatetraen-3-ol
d25
d26
d27
d28
d29
d30
d31
d32
d33
d34
d35
d36
d37
d38
d39
d40
d41
d42
d44
d45
d46
d47
d48
d49
d50
d51
d52
Manool?
?
?
4'-Methoxy-2-hydroxystilbene?
Dehydrojuvabione?
?
?
?
?
Di-(2-Ethylhexyl)maleate
Tributyl aconitate
?
2-Octyldodecanol
?
?
?
2-Ethylhexyl-4-dimethylamino benzoate
? (ähnlich d38)
?
2-Ethylhexyl-4-methoxycinnamate
Benzyl butyl phthalate (BBP)
Dehydro 4-epiabietol?
Diethyleneglycol dibenzoate
Di-(2-ethylhexyl) adipate (DEHA)
Docosanol verzweigt?
Dipropyleneglycol dibenzoate
2,4-Diethyl-9H-thioxanthen-9-one (DETX)

25. GC-MS ohne HPLC Vortrennung
100 µg/kg Kalibration
Hügel hauptsächlich bestehend aus Isoalkanen

26. GCxGC-MS ohne HPLC Vortrennung

27. GCxGC-MS ohne HPLC Vortrennung
Blick hinter den
Isoalkanhügel

28. Zusammenfassung aller Fraktionen
10
36
48
43
21
22
a
b
c
d
e
40
28
39
2
1
2
1
8
52
46
46
51 53
39
46
44
52
59
51
11
40
58
55
13
19
8 14
34
32
17
4
22
42
10
6
35 47 57
61
12
1612 21
41 45
912
38
60
11
20
33 43
44
39
30
9
10
11
30
50
56 42
15
9
36 40
6
17
21
43
2
43
39
13
29 32 49
8
19
37 42
7
46
27
30 41 34
10 18 19 20
18
41 45 2648 42 54
45 38
17
33
38
27
23
47 27 35
34
22
3
7
44
14
20
7 36
29
2
26 33
32
15
16 28
5
35 28
11
3
26 35
33
18
8
31
5
26
16
25 27
34
13 24
20 25
44
23
10 6 8
3
49
4
b3
25
31
36
9
40
1 4
24 30
13
24
17
37
d49
41
7
19
25 31
15 16
5
45
13
4
11
50
12
22
29 37
47
16
18
37 38
12
3
7 14 1517 1821 24 28 9
5
31 32
6
14
23
15 23
3
5 14
19
6
1
2
4
1
29
47
contour plot: GCxGC ohne Vortrennung

29. Nach automatischer Integration/Identifikation
Processed using “GC Image”

30. Beispiel: vor Silylierung
• BPA

31. Beispiel: nach Silylierung
• BPA sil

32. Beispiel: nach Silylierung
grün: m/z 73
• BPA sil

33. Anzahl gefundener Komponenten
Fraktion
2
3
4
5
6
Summe
direkt
61
19
47
52
47
226
Analyse
Silyliert (zusätzlich)
31
15
19
28
13
106
250 bis 300 Komponenten über 100 µg/kg Recyclingkarton

34. Schlussfolgerung Analyse von Recyclingkarton
• Über 250 Substanzen im Recyclingkarton mit eventuell
genügender Flüchtigkeit und einer Konzentration für eine
Migration in trockene Lebensmittel über der Schwelle von
10 µg/kg.
• Überwiegender Anteil des migrierfähigen Materials stammt
nicht aus Holzfasern, sondern sind Chemikalien aus den ins
Recycling eingebrachten Papieren und Kartons.
• Keine lückenlose Identifikation oder nur mit sehr grossem
Aufwand.
• Eine funktionelle Barriere, welche die Migration um einen
Faktor 100 reduziert, würde die Migration unter 10 µg/kg
halten.

35. EH Projekt BLE
•
•
•
•
CVUA Stuttgart
LUA Sachsen/Dresden
Techn. University Dresden
Kant. Labor Zürich, KLZH
Publiziert Oktober 2012

36. Zusammenfassung umfassende Analyse
• On-line HPLC Fraktionierung, umfassende GCxGC oder
die Kombination von beiden Techniken können je nach
Komplexität der Probenextrakte und den Konzentrationsunterschiede der einzelnen Verbindungen eingesetzt
werden.
• Die Nachweisgrenze erreicht die toxikologisch relevante
Grenze.
• Keine vollständig umfassende Analyse: eingeschränkt
durch die Eigenschaften der Probe und den Analyten.
• Die beschriebenen Methoden bieten eine breite
Analyse der Migrate aus allen Arten von Lebensmittelverpackungen.

37. GCxGC Säulenkombination: apolar/polar
1: 20 m x 0.25 mm i.d., 0.12 µm 100 % dimethyl Polysiloxan
2: 1 m x 0.15 mm i.d., 0.075 µm 50 % dimethyl/50 % diphenyl Polysiloxan
Mineralölmischung
Alkyl Naphthaline
Alkyl Benzole
Paraffine, Naphthene
50 °C bis 340 °C mit 6 °/min, Modulation: 6 sec

38. GCxGC Säulenkombination: polar/apolar
1: 15 m x 0.25 mm i.d., 0.15 µm 50 % dimethyl/50 % diphenyl Polysiloxan
2: 1.3 m x 0.15 mm i.d., 0.075 µm 100 % dimethyl Polysiloxan
Mineralölmischung
Paraffine
Naphthene
Alkyl Benzole
Alkyl Naphthaline
50 °C bis 320 °C mit 6 °/min, Modulation: 10 sec

39. Analyse von Polyolefinen
Extrakt aus PP-Folie mit Irgafos 168 nach
Elektronenstrahl Behandlung mit 40 kGy
GC TOF MS
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Time (min)
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
PP Oligomere
I168 Abbauprodukte
GCxGC TOF MS: polar/apolar
5

40. PP mit I168 vor/nach Elektronenstrahl Behandlung
Irgafos 168
unbehandelt
7
Me24 .
26
23
25 .
cycy
5
.
bp
22 .
. 12
8 9
29
13
10
14
15 .17 .
18
19
. pyr
EB 40 kGy
11
6
7
26
Me24 .
23
cycy
20
2
1
8
3
25 .
16
4 5
.
bp
.12
9
13
10
14
15 .17 .
18
19
. pyr
21
22 .
29
27
24 .
28

41. PP mit T326 vor/nach Elektronenstrahl Behandlung
Tinuvin 326
unbehandelt
7
26
29
26
29
cycy
21
8
4 5
10
13
. bp
14
64
15 .17 .
19
18
. pyr
44
EB 100 kGy
11
6
7
cycy
20 .
2
8
10
4 5
40
. bp
28
21
41
13
14
15 .17 . 19
18
. pyr
.42
.43
45
44

42. Extrahiertes PP nach Elektronenstrahl Behandlung
Oligomere von Polypropylen
Oxidierte Oligomere
EB 100 kGy

43. Extrahiertes PP nach EB Behandlung, 3D Ansicht

44. Zusammenfassung Analyse von Polyolefinen
• Polar/apolare Säulenkombination als optimale Wahl:
– polare Abbauprodukte und Nebenprodukte werden
gut von den Oligomeren der Polyolefine abgetrennt
– gute Trennung zwischen gesättigten und
ungesättigten/cyclischen Kohlenwasserstoffen
– gute Peakform von polaren Komponenten
• Gute Spektrenqualität auch für Komponenten mit
sehr tiefer Konzentration.
• GCxGC TOF MS: Werkzeug für die möglichst
umfassende Analyse von Migraten aus Lebensmittelverpackungen.

45. Literatur
• Comprehensive two-dimensional GC after HPLC preseparation for the characterization of aromatic
hydrocarbons of mineral oil origin in contaminated sunflower oil
M. Biedermann and K. Grob
J. Sep. Sci. 32 (2009) 3726–3737.
• Ausmass der Migration unerwünschter Stoffe aus Verpackungsmaterialien aus Altpapier in Lebensmitteln
A. Harling, K. Grob, R. Helling, T. Simat
BMELV, German Federal Ministry of Food, Agriculture and Consumer Protection. Project 2809HS012,
2012. http://download.ble.de/09HS012.pdf
• Is comprehensive analysis of potentially relevant migrants from recycled paperboard into foods feasible?
M. Biedermann, K. Grob
J. Chromatogr. A 1272 (2013) 106-115.
• Assurance of safety of recycled paperboard for food packaging through comprehensive analysis of
potential migrants is unrealistic.
M. Biedermann, K Grob
J. Chromatogr. A 1293 (2013) 107-119.
• Comprehensive on-line HPLC-GC for potential migrants from polypropylene into food: the effect of pulsed
light decontamination as an example
R. Castillo, M. Biedermann, A.-M. Riquet, K. Grob
Polymer Degradation and Stability, in press