Таблица пищевых симуляторов для миграционного тестирования: EU 10/2011 и FDA – вода, кислота, этанол, изооктан, полярность

Таблица 1. Основные пищевые симуляторы согласно EU 10/2011

Таблица 2. Пищевые симуляторы FDA (США)

Таблица 3. Выбор пищевого симулятора в зависимости от типа продукта

Таблица 4. Стандартные условия миграционного тестирования

Таблица 5. Методы аналитического определения мигрантов

1. Введение в систему пищевых симуляторов

Пищевые симуляторы представляют собой стандартизированные жидкости или материалы, которые используются для имитации различных типов пищевых продуктов при проведении миграционных испытаний упаковочных материалов и изделий, контактирующих с пищей. Основная задача пищевых симуляторов заключается в воспроизведении экстракционных свойств реальных продуктов питания в контролируемых лабораторных условиях без необходимости использования самих продуктов.

Концепция пищевых симуляторов базируется на фундаментальном принципе физической химии: вещества с подобной полярностью эффективно растворяются друг в друге. Продукты питания обладают широким диапазоном полярности – от высокополярных водных систем до неполярных жировых сред. Соответственно, пищевые симуляторы разработаны таким образом, чтобы охватить весь этот спектр полярности и обеспечить реалистичную оценку миграции потенциально опасных веществ из упаковочных материалов.

Применение пищевых симуляторов регламентируется двумя основными международными системами: европейским регламентом EU 10/2011 и рекомендациями американского Управления по контролю за продуктами и лекарствами (FDA). Обе системы основаны на схожих принципах, но имеют определенные различия в составе симуляторов, условиях тестирования и области применения. Правильный выбор симулятора и условий тестирования критически важен для обеспечения безопасности пищевой упаковки и соблюдения регуляторных требований.

2. Классификация пищевых симуляторов EU 10/2011

Европейский регламент EU 10/2011 устанавливает систему из шести основных пищевых симуляторов, обозначаемых буквами от A до E. Эта классификация основана на химической природе продуктов и их способности извлекать различные типы веществ из материалов, контактирующих с пищей.

Гидрофильные симуляторы (A, B, C)

Симулятор A (10% этанол) применяется для водных продуктов с нейтральным или слабокислым pH выше 4.5. Этот симулятор представляет собой водно-спиртовой раствор, который эффективно извлекает гидрофильные (водорастворимые) вещества. Этанол в концентрации 10% добавляется для улучшения экстракционной способности по сравнению с чистой водой и для предотвращения микробиологического роста в процессе длительного тестирования. Типичные продукты, для которых применяется симулятор A, включают молоко, соки, безалкогольные напитки, супы и водные растворы.

Симулятор B (3% уксусная кислота) предназначен для кислых продуктов с pH ниже 4.5. Уксусная кислота моделирует поведение органических кислот, присутствующих во многих пищевых продуктах. Концентрация 3% выбрана как достаточная для имитации кислотности большинства продуктов данной категории. Этот симулятор используется для маринадов, томатных продуктов, фруктовых соков, уксусосодержащих соусов и других кислых пищевых систем. Важно отметить, что кислая среда может значительно усиливать миграцию определенных веществ, особенно металлов и некоторых добавок.

Симулятор C (20% этанол) применяется для продуктов со спиртовым содержанием до 20% и для продуктов, содержащих значительное количество органических компонентов, придающих им липофильный характер. Этот симулятор занимает промежуточное положение между чисто гидрофильными и липофильными системами, способен извлекать как полярные, так и умеренно неполярные вещества. Типичные области применения – вино, пиво, ликеры с низким содержанием спирта, а также некоторые соусы и заправки с содержанием масла.

Липофильные симуляторы (D1, D2)

Симулятор D1 (50% этанол) используется для крепких алкогольных напитков с содержанием спирта выше 20% и для эмульсий типа масло-в-воде. Высокая концентрация этанола обеспечивает эффективную экстракцию липофильных (жирорастворимых) веществ. Этот симулятор критически важен для тестирования упаковки крепких спиртных напитков, так как спирт является мощным растворителем, способным извлекать широкий спектр органических соединений из пластиковых материалов.

Симулятор D2 (растительное масло) является основным симулятором для жирных продуктов. В соответствии с EU 10/2011, в качестве стандартного масла используется рафинированное оливковое масло. Этот симулятор имитирует поведение липидов и способен извлекать липофильные вещества из упаковочных материалов. Применяется для молочных продуктов с высоким содержанием жира (сыр, сливки, сливочное масло), растительных масел, животных жиров, жирного мяса и рыбы.

Симулятор для сухих продуктов (E)

Симулятор E (Tenax) представляет собой поли(2,6-дифенил-п-фениленоксид) – твердый полимерный адсорбент. Этот уникальный симулятор предназначен для тестирования миграции в сухие продукты питания. Tenax применяется для определения специфической миграции летучих веществ из упаковки в сухие продукты, такие как мука, сахар, крупы, макаронные изделия, сухофрукты. Методика с использованием Tenax основана на адсорбции мигрирующих веществ на поверхности полимера с последующим десорбцией и анализом.

3. Система пищевых симуляторов FDA

Американская система пищевых симуляторов, разработанная FDA, во многом схожа с европейской, но имеет ряд особенностей. Руководство FDA "Guidance for Industry: Preparation of Premarket Submissions for Food Contact Substances: Chemistry Recommendations" определяет подход к выбору симуляторов и условий тестирования.

Основные симуляторы FDA

Вода (дистиллированная) используется FDA в качестве базового симулятора для водных продуктов в дополнение или в качестве альтернативы 10% этанолу. В отличие от европейского регламента, где вода рассматривается как пищевой продукт, а не симулятор, FDA признает воду полноценным симулятором для молочных продуктов, соков, супов и других водных систем. Выбор между водой и 10% этанолом зависит от специфики материала и предполагаемого использования.

3% уксусная кислота применяется аналогично европейской системе для кислых продуктов. FDA особо отмечает необходимость использования этого симулятора, когда кислотность продукта может приводить к значительно более высокой миграции по сравнению с нейтральными водными системами, или когда полимерные материалы или добавки чувствительны к кислой среде.

10% и 50% этанол используются в системе FDA с теми же целями, что и в европейской системе. 10% этанол применяется для водных и слабоалкогольных продуктов, 50% этанол – для крепких спиртных напитков и в специальных случаях, например, для тестирования упаковки порошкового детского питания.

Специфические жирные симуляторы FDA

Miglyol 812 является специфическим жирным симулятором, рекомендованным FDA. Это синтетический триглицерид, производный кокосового масла, который представляет собой смесь триглицеридов средней цепи (C8-C10). Miglyol 812 обладает рядом преимуществ перед растительными маслами: стандартизированный состав, высокая чистота, отсутствие примесей, которые могут мешать аналитическому определению мигрантов. FDA рекомендует использовать Miglyol 812 для жирных продуктов, особенно при проведении специфического миграционного анализа методами газовой или жидкостной хроматографии.

Растительное масло также признается FDA в качестве жирного симулятора, однако его использование может быть затруднено в некоторых аналитических процедурах из-за сложности состава и наличия собственных липидов, которые могут интерферировать с определением мигрантов. При использовании растительного масла предпочтение отдается рафинированным маслам с минимальным содержанием примесей.

Изооктан (2,2,4-триметилпентан) применяется FDA как альтернативный липофильный симулятор, особенно для неполярных жирных систем. Изооктан является инертным растворителем с низкой полярностью, эффективно моделирующим поведение жиров при экстракции липофильных веществ из упаковочных материалов.

Условия использования FDA (Conditions of Use)

FDA классифицирует различные сценарии использования упаковки по условиям от A до H, каждое из которых определяет специфические требования к температуре и времени тестирования. Это позволяет проводить миграционные тесты, максимально приближенные к реальным условиям использования упаковки. Например, условие C предусматривает стерилизацию при 121°C в течение 2 часов с последующим 10-дневным хранением при 40°C, что имитирует консервирование с длительным хранением.

4. Условия экстракции и миграционного тестирования

Условия проведения миграционных тестов имеют критическое значение для получения достоверных результатов, отражающих реальную миграцию веществ в процессе использования упаковки. Как европейский регламент EU 10/2011, так и руководства FDA устанавливают детальные требования к температурно-временным режимам тестирования.

Стандартный протокол 10 дней при 40°C

Наиболее широко применяемым условием тестирования является экспозиция в течение 10 дней при температуре 40°C. Этот режим (обозначаемый как OM2 в европейской системе или условие A в системе FDA) предназначен для имитации долгосрочного хранения продуктов при комнатной температуре или несколько повышенной температуре. Выбор температуры 40°C обусловлен необходимостью создания условий, несколько более жестких, чем типичная комнатная температура, для учета возможных колебаний температуры при хранении и транспортировке.

Десятидневный период был установлен на основе кинетических исследований миграции, показавших, что для большинства веществ и полимерных систем достигается равновесие или близкое к нему состояние за это время. Этот режим применяется для тестирования упаковки самого широкого спектра продуктов – от напитков до готовых блюд, предназначенных для хранения при комнатной температуре.

Температурные режимы для различных условий использования

Низкотемпературные условия (OM1: 10 дней при 20°C) применяются для замороженных и охлажденных продуктов. Более низкая температура тестирования отражает реальные условия хранения таких продуктов в холодильниках и морозильных камерах. При низких температурах скорость диффузии мигрантов снижается, что обычно приводит к меньшей миграции по сравнению с комнатной температурой.

Кратковременные высокотемпературные условия охватывают широкий диапазон температур:

• 70°C в течение 2 часов (OM3) – для продуктов, подвергающихся нагреву без последующего горячего хранения
• 100°C в течение 2 часов или кипячение с обратным холодильником (OM4) – для пастеризации и горячего наполнения
• 121°C в течение 1 часа (OM5) – для автоклавной стерилизации
• 130°C в течение 1 часа (OM6) – для повышенной температуры стерилизации
• 175°C в течение 2 часов (OM7) – для выпечки и жарки

Высокотемпературные режимы значительно ускоряют процессы миграции, так как диффузия веществ в полимерах и симуляторах сильно зависит от температуры. При повышенных температурах может также происходить деградация полимерных материалов с образованием новых потенциально мигрирующих веществ.

Ускоренное тестирование

Альтернативные ускоренные условия тестирования при 60°C используются для имитации долгосрочного хранения. Исследования показали, что тестирование при 60°C в течение определенного времени может коррелировать с миграцией при комнатной температуре за значительно более длительные периоды (до нескольких лет). Например, 10 дней при 60°C могут соответствовать хранению более 6 месяцев при комнатной температуре. Однако этот подход требует валидации для конкретных систем материал-симулятор и может не подходить для термочувствительных материалов или веществ.

Комбинированные условия тестирования

Для материалов, предназначенных для использования в различных условиях, может потребоваться последовательное тестирование. Классическим примером является FDA условие C: стерилизация при 121°C в течение 2 часов с последующим хранением 10 дней при 40°C. Такое комбинированное тестирование имитирует реальный сценарий консервирования с термической обработкой и длительным хранением готовой продукции.

Режим контакта образца с симулятором

Методика контакта упаковочного материала с симулятором выбирается исходя из реального использования упаковки. Полное погружение применяется для пленок и материалов, контактирующих с продуктом с обеих сторон. Односторонний контакт реализуется с помощью специальных миграционных ячеек для материалов, контактирующих только одной стороной (например, внутренний слой многослойной упаковки). Важно обеспечить постоянный контакт материала с симулятором и предотвратить испарение симулятора в процессе тестирования.

5. Аналитические методы определения мигрантов

После проведения миграционного теста необходимо определить концентрацию мигрировавших веществ в симуляторе. Выбор аналитического метода зависит от природы определяемых веществ, типа используемого симулятора и требуемых пределов обнаружения.

Газовая хроматография с масс-спектрометрией (GC-MS)

GC-MS является методом выбора для анализа летучих и термически стабильных органических соединений. Метод основан на разделении компонентов смеси в газохроматографической колонке с последующим детектированием по массе ионизированных молекул. GC-MS обеспечивает высокую селективность и чувствительность, позволяя идентифицировать неизвестные соединения по их масс-спектрам.

В миграционном тестировании GC-MS применяется для определения остаточных мономеров (стирол из полистирола, винилхлорид из ПВХ, капролактам из полиамидов), летучих добавок (фталаты, адипаты), растворителей (толуол, ксилол, этилацетат), продуктов деградации полимеров. Метод особенно эффективен при анализе миграции в липофильные симуляторы (масла, этанол, изооктан), так как эти симуляторы совместимы с газовой хроматографией.

GC-MS/MS (тандемная масс-спектрометрия) предоставляет дополнительную селективность за счет второй стадии фрагментации ионов. Это позволяет достигать более низких пределов обнаружения (до уровня ppt) и эффективно анализировать сложные матрицы с множественными компонентами. GC-MS/MS широко применяется для многокомпонентного скрининга пестицидов, PFAS (перфторированных соединений), хлорорганических соединений.

Жидкостная хроматография с масс-спектрометрией (LC-MS)

LC-MS является основным методом для анализа нелетучих, термически нестабильных и высокополярных органических соединений, которые не могут быть проанализированы методом GC-MS. Метод включает разделение компонентов в жидкостной хроматографической колонке с последующей ионизацией при атмосферном давлении (электроспрей, химическая ионизация, фотоионизация) и масс-спектрометрическим детектированием.

LC-MS незаменим для определения неинтенционально добавленных веществ (NIAS) – соединений, присутствие которых в материале не было запланировано производителем (продукты реакции, примеси сырья, продукты деградации). Метод эффективен для анализа антиоксидантов (ирганокс, иргафос), УФ-стабилизаторов, скользящих добавок, олигомеров из полиэфиров и полиамидов, красителей и пигментов.

LC-MS/MS и UHPLC-MS (ультравысокоэффективная жидкостная хроматография с МС) обеспечивают повышенную чувствительность, селективность и скорость анализа. UHPLC-MS использует колонки с частицами меньшего размера и более высокое давление, что позволяет достигать лучшего разрешения и сокращать время анализа. Эти методы особенно важны для веществ с очень низкими специфическими лимитами миграции (0.01-0.05 мг/кг), таких как бисфенол А, первичные ароматические амины, некоторые мономеры.

Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS)

ICP-MS является методом выбора для элементного анализа и определения миграции металлов и металлоидов из упаковочных материалов. Метод основан на ионизации образца в индуктивно связанной аргоновой плазме при температуре около 6000-10000 К с последующим масс-спектрометрическим детектированием образовавшихся ионов.

ICP-MS обеспечивает чрезвычайно низкие пределы обнаружения (до уровня ppt) для практически всех элементов периодической системы. В контексте миграционного тестирования метод применяется для определения тяжелых металлов (свинец, кадмий, хром, ртуть), каталитических металлов (алюминий из ПЭТ-бутылок, олово из консервных банок, цинк из вулканизированной резины), элементных примесей в пигментах и наполнителях. EU 10/2011 (с поправками 2016/1416) устанавливает специфические лимиты миграции для алюминия (1 мг/кг) и цинка (5 мг/кг), контроль которых осуществляется методом ICP-MS.

Дополнительные аналитические методы

HPLC-DAD (высокоэффективная жидкостная хроматография с диодно-матричным детектором) используется для определения соединений, обладающих УФ-поглощением. Метод менее чувствителен по сравнению с масс-спектрометрическими методами, но более доступен и не требует сложной пробоподготовки. HPLC-DAD эффективен для определения олигомеров из полиэфирных покрытий консервных банок, антиоксидантов фенольного типа, некоторых красителей.

GC-FID (газовая хроматография с пламенно-ионизационным детектором) применяется для количественного определения суммарной концентрации летучих органических соединений. Метод используется для оценки общей миграции летучих веществ и для скрининга остаточных растворителей.

6. Выбор симулятора в зависимости от характеристик продукта

Правильный выбор пищевого симулятора является критическим этапом в проведении миграционных тестов. Неверный выбор может привести либо к недооценке реальной миграции (использование недостаточно агрессивного симулятора), либо к необоснованной выбраковке материала (использование чрезмерно агрессивного симулятора, не соответствующего реальному применению).

Определение характеристик продукта

Первым шагом является анализ физико-химических свойств продукта, для контакта с которым предназначена упаковка. Ключевыми характеристиками являются:

• Полярность и содержание воды – определяет способность продукта извлекать гидрофильные вещества. Высокополярные водные продукты требуют гидрофильных симуляторов (A, B), продукты со смешанным составом – промежуточных симуляторов (C, D1)
• Кислотность (pH) – кислые продукты значительно агрессивнее нейтральных в отношении миграции многих веществ, особенно металлов. Для продуктов с pH ниже 4.5 обязательно применение симулятора B
• Содержание жира – определяет необходимость использования липофильных симуляторов (D1, D2). Даже небольшое количество жира на поверхности продукта может требовать тестирования с жирным симулятором
• Содержание алкоголя – спирт является сильным экстрагентом, концентрация определяет выбор между симуляторами C (до 20%), D1 (более 20%)

Многокомпонентные продукты

Для продуктов со сложным составом, сочетающих несколько характеристик (например, жирные кислые продукты, эмульсии), может потребоваться тестирование с несколькими симуляторами. EU 10/2011 предусматривает комплексный подход: для каждого типа контакта (водный, кислый, жирный) должен быть использован соответствующий симулятор. В результате один упаковочный материал может быть протестирован с симуляторами A или B (для водной фазы) и D2 (для жировой фазы).

Особые категории продуктов

Детское питание требует особого внимания из-за повышенной уязвимости младенцев к воздействию мигрантов. Для порошкового детского питания FDA рекомендует использование 50% этанола или Tenax, что обеспечивает более жесткие условия тестирования. EU 10/2011 устанавливает более низкий лимит общей миграции для материалов, предназначенных для детского питания (60 мг/кг вместо стандартных 10 мг/дм²).

Сухие продукты представляют особую категорию, так как прямой жидкостный контакт отсутствует. Для таких продуктов применяется специализированный симулятор E (Tenax), основанный на адсорбции летучих мигрантов. Однако если сухой продукт может увлажняться в процессе хранения или предполагается последующий контакт с жидкостями (например, макароны перед варкой), может потребоваться дополнительное тестирование с водным симулятором.

Наихудший сценарий использования (worst case)

Принцип наихудшего сценария заключается в выборе симулятора и условий тестирования, которые обеспечивают максимальную возможную миграцию для данного типа применения. Если упаковка предназначена для использования с различными типами продуктов, выбирается наиболее агрессивный симулятор. Например, для многоцелевой упаковки, которая может контактировать как с водными, так и с жирными продуктами, проводится тестирование с обоими типами симуляторов (A и D2), и за окончательный результат принимается наибольшее значение миграции.

7. Практические рекомендации и особенности проведения тестов

Успешное проведение миграционных тестов требует не только понимания теоретических основ, но и знания практических нюансов и потенциальных источников ошибок.

Подготовка образцов

Образцы упаковочных материалов должны быть репрезентативными для коммерческого продукта. Для полимерных материалов важно использовать образцы с максимальной концентрацией добавок и минимальной молекулярной массой полимера (в пределах спецификации), так как эти факторы способствуют максимальной миграции. Перед тестированием образцы не должны подвергаться предварительной очистке или обработке, если только это не является частью нормального технологического процесса.

Контроль условий тестирования

Точное соблюдение температурно-временных параметров критически важно для воспроизводимости результатов. Используемое оборудование (термостаты, сушильные шкафы) должно обеспечивать равномерное распределение температуры с точностью ±2°C. Важно предотвратить испарение симуляторов в процессе тестирования, особенно для этанольных растворов и при высокотемпературных режимах. Применение герметичных миграционных ячеек или контейнеров с минимальным свободным объемом помогает минимизировать потери симулятора.

Соотношение площади к объему

Регламенты устанавливают стандартные соотношения между площадью упаковочного материала и объемом симулятора, обычно основанные на предполагаемом применении упаковки. Для общих случаев EU 10/2011 рекомендует соотношение 6 дм² площади на 1 кг (или литр) симулятора. Для специальных применений (например, детское питание, малые упаковки) могут применяться другие соотношения. Правильное соотношение важно для корректного пересчета результатов миграции на единицу площади или массы продукта.

Контроль холостых опытов

Обязательным требованием является проведение холостых опытов (бланков) с чистыми симуляторами без контакта с упаковочным материалом. Бланки подвергаются всем этапам пробоподготовки и анализа, что позволяет учесть фоновые концентрации аналитов, примеси в симуляторах и систематические ошибки метода. Особенно важно контролировать бланки при работе с масляными симуляторами, так как растительные масла могут содержать собственные липидные компоненты, мешающие определению мигрантов.

Валидация аналитических методов

Аналитические методы, используемые для определения мигрантов, должны быть валидированы в соответствии с международными стандартами. Ключевые параметры валидации включают специфичность (отсутствие интерференций со стороны симулятора и продуктов), линейность калибровочной зависимости в диапазоне определяемых концентраций, правильность (точность метода, проверяемая анализом стандартных образцов), прецизионность (воспроизводимость результатов), пределы обнаружения и количественного определения.

Корректирующие факторы

EU 10/2011 предусматривает применение корректирующих факторов (FPF - Fat reduction factor) для определенных категорий продуктов при тестировании с симулятором D2. Эти факторы учитывают, что реальный контакт с жиром в продукте может быть менее интенсивным, чем полное погружение в масло. Результат миграции делится на корректирующий фактор (от 2 до 5 в зависимости от категории продукта) перед сравнением с лимитом.

Документирование и декларация соответствия

Все результаты миграционных тестов должны быть тщательно задокументированы и включены в Декларацию о соответствии (Declaration of Compliance - DoC), которая является обязательным документом для материалов, контактирующих с пищей в ЕС. Декларация должна содержать информацию о составе материала, результатах миграционных тестов, условиях предполагаемого использования, ограничениях на применение (если таковые имеются). DoC передается от поставщика материала производителю упаковки и далее по цепочке поставок до производителя пищевых продуктов.

Вопросы и ответы