Charakterizace mikroplastů v sycených nápojích a jablečném džusu pomocí laserové přímé infračervené spektroskopie (LDIR)

Rychlý a automatizovaný přístup využívající chemický zobrazovací systém Agilent 8700 LDIR

• Autor: Wesam Alwan, Agilent Technologies, Inc.
• AppNote: Microplastics Characterization in Carbonated Beverages and Apple Juice by Laser Direct Infrared

Mikroplasty se staly nežádoucí složkou potravin a nápojů, což vyvolává obavy ohledně toho, jak plastové materiály přispívají ke kontaminaci. Tato studie demonstruje rychlý a automatizovaný přístup k detekci a charakterizaci mikroplastů v sycených nápojích a jablečném džusu pomocí chemického zobrazovacího systému Agilent 8700 Laser Direct Infrared (LDIR).

Vzorky balené v různých typech obalů, včetně plastových lahví, skleněných lahví, hliníkových plechovek a vícevrstvých kartonů, byly analyzovány přímo na hliníkem pokovených filtrech, přičemž příprava vzorku byla minimální. Pomocí metody „Particle Analysis“ a vestavěné spektrální knihovny mikroplastů v softwaru Agilent Clarity byly mikroplasty detekovány ve všech analyzovaných typech nápojů. Nejčastěji identifikovanými polymery byly polyvinylchlorid (PVC) a polyethylentereftalát (PET).

Celý pracovní postup, zahrnující robustní kontrolu kvality a přímou analýzu na filtru, potvrzuje vhodnost systému 8700 LDIR pro monitoring mikroplastů v potravinářských a nápojových aplikacích.

Úvod

Rozsáhlé používání plastových materiálů při výrobě, balení a distribuci potravin a nápojů vyvolalo rostoucí obavy z kontaminace mikroplasty. Nápoje balené do obalů obsahujících plast jsou stále častěji považovány za potenciální zdroj dietární expozice mikroplastům. Řada studií prokázala přítomnost mikroplastových částic v komerčně dostupných minerálních vodách a nealkoholických nápojích, přičemž jejich původ bývá spojován s procesem plnění, abrazí uzávěrů nebo migrací z plastových obalů a vícevrstvých obalových materiálů.

Sycené nápoje a jablečný džus jsou běžně baleny do různých typů obalů, včetně polyethylentereftalátu (PET), polyethylenu (PE), hliníkových plechovek, skleněných lahví a vícevrstvých kartonů. Mikroplasty se mohou do produktu uvolňovat z obalových materiálů nebo vznikat během přípravy a plnění. Faktory, jako je vysokorychlostní plnění, tlak oxidu uhličitého a podmínky skladování, mohou uvolňování mikroplastů do kapalné matrice dále urychlovat.

Detekce mikroplastů v komplexních nápojových matricích představuje významnou analytickou výzvu, zejména kvůli přítomnosti organických látek a minerálních složek. Tradiční techniky, jako je mikro-FTIR a mikro-Ramanova spektroskopie, umožňují identifikaci mikroplastů, avšak obvykle vyžadují chemickou digesci a separaci podle hustoty, aby se minimalizoval vliv matrice. Vývoj metod i samotná analýza jsou časově náročné a málo průchodné.

Pro překonání těchto omezení nabízí plně automatizovaný systém Agilent 8700 LDIR (Obrázek 1) výrazné zvýšení průchodnosti analýz a umožňuje rychlou a přesnou detekci mikroplastů v komplexních matricích po přímé filtraci. Systém využívá kvantový kaskádový laser (QCL) pro rychlé a přesné skenování oblasti středního infračerveného spektra (1800–975 cm⁻¹), tedy oblasti tzv. „otisku prstu“ polymerů. Současně poskytuje kvalitní obrazová data ze dvou kamer, plně řízených softwarem Agilent Clarity, který obsahuje přednastavené analytické metody, včetně „Particle Analysis“, a nástroje pro reporting.

Agilent Technologies / Altium International: Obrázek 1: Chemický zobrazovací systém Agilent 8700 LDIR umožňuje vysokorychlostní rutinní analýzu mikroplastů a poskytuje informace o počtu částic, jejich velikostní distribuci a chemickém složení.

Experimentální část

Kontrola kvality

Aby bylo zajištěno, že veškeré detekované mikroplasty pocházejí výhradně z analyzovaných nápojů, byla na všechny reagencie a pracovní postupy aplikována přísná kontrola kvality. Veškeré sklo, zařízení a nástroje byly důkladně promyty filtrovanou ultračistou vodou bez mikroplastů a do doby použití zakryty hliníkovou fólií, aby se zabránilo kontaminaci z okolního prostředí.

Pro každý vzorek byl připraven procesní slepý vzorek (45 mL vody bez mikroplastů), který byl analyzován za identických podmínek jako vlastní vzorek – stejný operátor, zařízení, prostředí i časování. Držák filtrů systému Agilent 8700 LDIR umožňuje sekvenční měření slepého a vlastního vzorku (Obrázek 2).

Agilent Technologies / Altium International: Obrázek 2: Držák filtrů systému Agilent 8700 LDIR se dvěma pozicemi umožňuje sekvenční analýzu procesního slepého vzorku a vlastního vzorku za identických podmínek, čímž zajišťuje robustní kontrolu kvality analýzy mikroplastů.

Příprava vzorků

Sycené nápoje

Tři komerčně dostupné sycené nápoje stejného typu, avšak balené v různých obalech (hliníková plechovka, skleněná láhev a recyklovaná PET lahev), byly zakoupeny v maloobchodní síti v Melbourne (Austrálie). Pro odstranění rozpuštěného oxidu uhličitého a zabránění tvorbě bublinek během filtrace byly nápoje odplyněny otevřením obalu, jeho volným uzavřením a ponecháním po dobu osmi hodin při laboratorní teplotě.

Po odplynění byl celý objem každého nápoje vakuově filtrován přes hliníkem pokovenou polyesterovou membránu (průměr 25 mm, velikost pórů 0,8 µm). Pro zajištění maximálního záchytu mikroplastů byly vnitřní povrchy obalu a filtrační aparatury opláchnuty 45 mL vody bez mikroplastů, která byla následně filtrována přes stejnou membránu.

Jablečný džus

Přímá filtrace jablečného džusu vedla k rychlému ucpání filtru v důsledku přítomnosti subviditelných částic. Z tohoto důvodu byl použit dvoustupňový filtrační postup zahrnující předfiltraci přes polykarbonátový filtr s velikostí pórů 5 µm, následovaný přenosem zachycených částic oplachem a finální filtrací přes hliníkem pokovený polyesterový filtr.

Přístrojové vybavení a analytická metoda

Všechny filtry se vzorky i slepými vzorky byly analyzovány pomocí plně automatizovaného pracovního postupu „Particle Analysis“ v systému Agilent 8700 LDIR. Parametry metody a přístroje odpovídaly výchozímu nastavení výrobce a jsou shrnuty v Tabulce 1.

Agilent Technologies / Altium International: Tabulka 1. Provozní parametry chemického zobrazovacího systému Agilent 8700 LDIR použité pro automatizovanou analýzu mikroplastů.

Identifikace polymerů byla provedena porovnáním naměřených infračervených spekter s knihovnou „Microplastics Starter“. Kvalita shody byla vyjádřena pomocí indexu Hit Quality Index (HQI). Do vyhodnocení byly zahrnuty pouze částice s hodnotou HQI vyšší než 0,85.

Výsledky a diskuse

Sycené nápoje

Automatizovaný pracovní postup nejprve lokalizoval částice na filtru pomocí rychlého IR skenu při 1442 cm⁻¹ a následně pro každou částici zaznamenal plné infračervené spektrum v rozsahu 1800–975 cm⁻¹. Přestože byla na filtrech po filtraci sycených nápojů pozorována reziduální vrstva, neměla negativní vliv na detekci ani identifikaci částic (Obrázek 3).

Aglent Technologies / Altium International: Obrázek 3: Identifikace a klasifikace mikroplastů v syceném nápoji baleném v rPET lahvi analyzovaném přímo na hliníkem pokoveném filtru pomocí automatizovaného pracovního postupu Particle Analysis systému Agilent 8700 LDIR. (A) viditelný obraz filtru; (B) infračervený obraz při 1442 cm⁻¹; (C) zvýraznění detekovaných částic podle typu polymeru; (D) automaticky generovaná statistická data; (E) spektrum mikroplastové částice PVC se shodou na knihovní spektrum

Mikroplasty byly detekovány ve všech analyzovaných sycených nápojích. Přehled výsledků, včetně počtu částic, velikostní distribuce a identifikovaných polymerů, je uveden v Tabulce 2. Nejčastěji byl identifikován PVC, a to ve všech typech obalů, včetně skleněných lahví, u nichž byl zaznamenán nejvyšší počet mikroplastových částic. Tento nález může souviset s materiálem těsnění uzávěrů nebo s kontaminací během plnění.

Agilent Technologies / Altium International: Tabulka 2. Souhrn výsledků charakterizace mikroplastů v sycených nápojích a jablečném džusu.

Jablečný džus

Také u vzorků jablečného džusu byl použit automatizovaný pracovní postup Particle Analysis. V kartonovém obalu bylo detekováno 66 mikroplastových částic ve 200 mL vzorku, přičemž převažujícím polymerem byl polyethylen, pravděpodobně pocházející z vnitřní vrstvy vícevrstvého obalu. V PET lahvi bylo identifikováno 21 mikroplastových částic ve 250 mL vzorku, především PET. Příklady identifikovaných mikroplastů jsou uvedeny na Obrázku 4.

Agilent Technologies / Altium International: Obrázek 4: Příklady mikroplastů identifikovaných v jablečném džusu: polyethylenové částice pocházející z vícevrstvého kartonového obalu (A, B) a částice PET pocházející z plastové lahve (C, D).

Závěr

Tato studie demonstruje výhody použití chemického zobrazovacího systému Agilent 8700 LDIR pro charakterizaci mikroplastů v sycených nápojích a jablečném džusu balených v různých typech obalů. Přímá analýza na filtru významně zjednodušuje pracovní postup, eliminuje potřebu chemické digesce a separace podle hustoty a zároveň snižuje riziko sekundární kontaminace vzorku.

Automatizovaný pracovní postup umožňuje získat detailní chemické i fyzikální informace o jednotlivých částicích mikroplastů a představuje efektivní nástroj pro rutinní monitoring mikroplastové kontaminace v potravinách a nápojích

Pro další informace neváhejte kontaktovat:

Martina Háková 

• Produktový specialista (FTIR, UV-Vis-NIR, fluorescence, Raman)
• 730 572 998
• [email protected]