Oligomers in Plastic Food Contact Materials – Identification, Quantification, Migration and Risk Assessment Oligomere in Lebensmittelkontaktmaterialien aus Kunststoff – Identifizierung, Quantifizierung, Migration und Risikobewertung

Polymere werden häufig zur Herstellung von Lebensmittelkontaktmaterialien, u. a. Ver-packungen, Küchenutensilien und Geschirr eingesetzt. Oligomere, die aus mindestens zwei Monomereinheiten bestehen, entstehen als Nebenprodukte der Polymerisation in Mengen von bis zu wenigen Gewichtsprozenten (Oligomere < 1000 Da). Aufgrund der niedrigen Molmasse können diese aus dem Material austreten und auf das Lebensmittel bei Kontakt übertragen werden. Die Rahmenverordnung (EG) Nr. 1935/2004 für Lebensmittelkontaktmaterialien schreibt vor, dass Substanzen nicht in Mengen migrieren dürfen, die eine Gefahr für die Gesundheit darstellen könnten, signifikant die Zusammensetzung des Lebensmittels ändern würden oder die organolep-tischen Eigenschaften des Lebensmittels negativ beeinflussen würden. Spezifische Bestimmungen zur Risikobewertung von Oligomeren sind jedoch sehr limitiert. Der Mangel an toxikologischen Daten sowie die geringe Verfügbarkeit von Referenzstandards zur Quantifizierung stellen zusätzlich eine Herausforderung bei der Gefahren-einstufung sowie der Expositionsabschätzung dar.

Die Zusammensetzung des Materials dient zur Vorhersage der Oligomerstrukturen und stellt damit den Startpunkt einer Oligomeranalyse dar. Wenn keine ausreichenden Informationen aus dem Materialdatenblatt oder der Konformitätserklärung herausge-zogen werden können, kann häufig eine schnelle experimentelle Identifizierung des Materials, z. B. anhand der Infrarot-Spektroskopie, vorgenommen werden. Allerdings kann die Monomerzusammensetzung, z. B. bei biobasierten und kompostierbaren Polyestern, sehr variabel sein, wodurch keine einfache Identifizierung vorgenommen werden kann. Für solche Fälle wurde eine Methode basierend auf basischer Hydrolyse und anschließender chromatographischer Analyse entwickelt und teilvalidiert.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Prozess der Oligomeridentifizierung, -quantifizierung und -migration für drei Polymere/Oligomergruppen beschrieben: 1) Polybutylen-terephthalat (PBT), ein „einfacher” Polyester aus zwei Monomeren (Terephthalsäure und 1,4-Butandiol), 2) Tritan™, ein „komplexerer” Polyester aus drei Monomeren (Terephthalsäure und die chiralen Diole 1,4-Cyclohexandimethanol und 2,2,4,4-Tetramethyl-1,3-cyclobutandiol) und 3) Styrol-Acrylnitril- (SAN) sowie Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS, nicht zur Migrationsprüfung eingesetzt). Bei SAN und ABS handelt es sich um Nicht-Polyester, die Styrol-Acrylnitril-Oligomere beinhalten.

Die Oligomere wurden aus den jeweiligen Polymeren mittels Lösemittelextraktion oder eines Lösen-Fällen-Verfahrens isoliert. Basierend auf den aus der Kenntnis der Monomere vorhergesagten Oligomerstrukturen wurden 23 verschiedene Oligomere aus PBT sowie Stereoisomere von einem Dimer und fünf Trimeren aus SAN/ABS mithilfe von Gas- und Hochdruckflüssigchromatographie mit Massenspektrometrie erfasst. Identifizierung von Tritan™-Oligomeren war aufgrund der vielen individuellen Oligomerstrukturen und Coelutionen nur begrenzt möglich, jedoch konnten die detektierten Substanzen anhand des typischen UV-Absorptionsspektrums den Oligomeren zugeordnet werden.

Herangehensweisen zur Quantifizierung von Oligomeren ohne entsprechende Referenzsubstanzen wurden adaptiert. Flüssigchromatographie mit UV-Detektion wurde zur (Semi-)Quantifizierung von allen drei untersuchten Oligomergruppen eingesetzt. Polyesteroligomere wurden v. a. anhand der spezifischen UV-Absorption des Tereph-thalat-Chromophors und Kalibrierung mit einer strukturverwandten Substanz quantifiziert. Zusätzlich wurde die Gesamtsumme der Oligomere nach Hydrolyse zu den Monomeren und Monomerbestimmung abgeschätzt. Für zwei zuvor präparativ isolierte PBT-Oligomere sowie die Oligomere in SAN/ABS, die zuvor in einem hochkonzentrierten Extrakt mit einem chemilumineszenten Stickstoffdetektor quantifiziert wurden, wurden relative Responsefaktoren zu einer kommerziell verfügbaren Kalibratorsubstanz bestimmt und zur Quantifizierung über UV-Detektion eingesetzt. Der Gesamtoligomergehalt < 1000 Da wurde für alle untersuchten Polymere im ähnlichen Bereich (ca. einem Gewichtsprozent) bestimmt: 1,9-6,1 mg/g in PBT (13 Proben), 7,2-10,6 mg/g in Tritan™ (drei Proben) und 4,9-15,8 mg/g in SAN/ABS (neun Proben, nur Trimere quantifiziert). Das threshold-of-toxicological-concern-Konzept (TTC) ordnet cyclische Polyester- sowie die SAN-Oligomere basierend auf ihrer chemischen Struktur der Cra-mer-Klasse III zu (Schwellenwert für die tägliche orale Einnahme: 90 μg für eine Person mit 60 kg Körpergewicht). Aufgrund des hohen Oligomergehalts im Vergleich zum niedrigen TTC-Schwellenwert würde eine angenommene vollständige Migration der Oligomere den Schwellenwert um mehrere Größenordnungen überschreiten. Deshalb sind zur Einschätzung der “realen” Oligomerexposition zusätzliche Untersuchungen, z. B. Migrationsprüfungen, notwendig.

Migrationsprüfungen unter verschiedenen Bedingungen (Temperatur, Zeit) wurden nach den Vorschriften der Verordnung (EU) Nr. 10/2011 mit wässrigen und ethanolischen Lebensmittelsimulanzien sowie mit echten Lebensmitteln (Milch und Milchprodukte, pflanzliche und tierische Öle/Fette) durchgeführt. Drei Migrationsprüfungen mit jeweils frischem Lebensmittel/Simulanz wurden für Artikel für Mehrfachgebrauch unternommen. Generell wurde eine Erhöhung der Oligomermigration aus allen untersuchten Kunststoffen mit steigender Temperatur sowie einer steigenden Lipophilie des Lebensmittels/des Simulanz beobachtet. Die Oligomermenge in Migraten aus Artikeln für Mehrfachgebrauch sank vom ersten zum dritten Migrat, wie von der Verordnung (EU) Nr. 10/2011 vorausgesetzt. Die Migration von PBT- sowie SAN-Oligomeren in 50 % Ethanol, das als offizielles Lebensmittelsimulanz für Milch und Milchprodukte gilt, überschätzte den realen Übergang in Milch um mindestens Faktor vier (PBT) und Faktor 11 (SAN) unter Heißabfüllungsbedingungen (Testbedingungen: 70 °C, 2 h). Dies deutet eventuell auf ein Aufquellen der Materialien durch Ethanol bei erhöhten Temperaturen hin, das in Kontakt mit Milch nicht stattfindet. Jedoch kann auch die Migration von cyclischen PBT-Oligomeren in Milch mit 218 °g/L im dritten Migrat (70 °C, 2 h) hinsichtlich des TTC-Schwellenwerts von 90 °g/Tag als kritisch eingestuft werden. Aus einem SAN-Kaffeebecher sind unter identischen Bedingungen lediglich < 79 °g Trimere/L Milch im dritten Migrat übergangen. Die Simulation einer Fetttrennkanne aus SAN, die ebenfalls unter den Anwendungsbereich der Heißabfüllung (70 °C, 2 h) fällt, ergab ebenfalls eine nicht-besorgniserregende Trimermigration von <290 °g/kg. Der Übergang von Oligomeren aus Tritan™-Sportflaschen betrug weniger als 25 °g/L unter den Bedingungen der Raumtemperaturlagerung (40 °C, 24 h) sowie der Heißabfüllung mit 3% Essigsäure und 20 % Ethanol als Lebensmittelsimulanzien. Die durchgeführten Experimente zeigen, dass die migrierenden Oligomere aus SAN und Tritan™ nach dem aktuellen Kenntnisstand der Toxikologie wahrscheinlich als wenig bedenk-lich einzustufen sind. Für PBT-Oligomere wäre allerdings eine Aufnahme von experimentellen toxikologischen Daten notwendig, um die höheren Migrationswerte zu rechtfertigen.

Polymers are very common in production of food contact materials like packaging, kitchen utensils and dishware. Oligomers, molecules containing at least two monomer units, are formed alongside the polymer as by-products in amounts of up to few weight percent (oligomers < 1000 Da) of the material. Due to their low molecular masses, a transfer onto food during food contact is possible. According to the Framework Regulation (EC) No 1935/2004 for food contact materials, the amounts of migrating substances must not cause concern to the human health, nor significantly change the food composition, nor have a negative impact on the sensory properties of the food. Stipulations on risk assessment of oligomers from polymeric food contact materials are very limited. Furthermore, the insufficient toxicological data on most oligomers and the lack of commercial reference standards for oligomer quantification are major challenges in hazard and exposure evaluation.

Information on material composition of a polymer is always a starting point to oligomer analysis since it enables a prediction of oligomers' chemical structures. Usually, a material data sheet/declaration of compliance or a quick experimental analysis (e.g. by infrared spectroscopy) provides enough information. However, polyesters, especially those made of bio-based or compostable materials, were shown to be very versatile in their monomer composition and thus not easily identifiable. To disclose the monomer composition, a method including a hydrolysis of the polyester to the individual monomers and subsequent chromatographic analysis was presented as a helpful tool to enable oligomer prediction in complex polyesters.

The detailed process of oligomer identification, quantification and migration into food (simulants) were described for three polymers/oligomer groups in this work: 1) polybutylene terephthalate (PBT), a simple polyester formed of two monomers (terephthalic acid and 1,4-butanediol), 2) Tritan™, a more complex polyester formed of three monomers (terephthalic acid, stereoisomers of 1,4-cyclohexanedimethanol and 2,2,4,4-tetramethyl-1,3-cyclobutanediol) and 3) styrene-acrylonitrile copolymer (SAN) and acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS, not used for migration experiments), non-polyesters both containing oligomers formed of styrene and acrylonitrile. The oligomers of all investigated polymers were isolated from the material by solvent extraction or by dissolution of the complete material with subsequent precipitation of the polymer proportion. Based on the possible oligomeric structures derived from the monomer composition, 23 oligomers in PBT and stereoisomers of one dimer and five trimers in SAN/ABS, especially those present in major concentrations in the polymer, were identified by liquid or gas chromatography coupled to mass spectrometry. In Tri-tan™, the presence of a high number of individual substances eluting as an unresolved ‘peak forest’ disabled a proper structure assignment. Nevertheless, these substances could be recognised as oligomers by their typical ultraviolet (UV) absorption spectra. Procedures for oligomer quantification without the corresponding reference standards were developed. Liquid chromatography with UV detection was used for (semi-) quantification of all three investigated oligomer groups. Individual polyester oligomers were mainly quantified by the specific absorption of their chromophore (the terephthalate substructure), calibrating with a structure-related commercially available substance. The overall oligomer amount was determined after hydrolysis of the oligomer extract or migrate, respectively, with subsequent monomer quantification. For two preparatively isolated PBT oligomers as well as SAN/ABS oligomers previously quantified in a high-concentrated extract by their nitrogen content using chemiluminescence nitrogen detection, relative response factors to commercially available calibrator substances were determined and applied. The determined overall oligomer content (< 1000 Da) in all materials was in the same order of magnitude (around 1 weight percent) for all investigated polymers: 1.9-6.1 mg/g in PBT (13 samples), 7.2-10.6 mg/g in Tritan™ (three samples) and 4.9-15.8 mg/g in SAN/ABS (nine samples, trimers only). The threshold of toxicological concern (TTC) concept classifies cyclic PBT and Tritan™ oligomers as well as SAN oligomers as Cramer III substances according to their chemical structure with a daily intake threshold of 90 °g for a 60 kg person. Due to the high oligomer content of the polymer compared to the low TTC threshold, an assumption of a 100% migration of the oligomers into food would lead to exceedances of the intake threshold by several orders of magnitude. Therefore, additional effort, e.g. migration testing, is necessary to evaluate the ‘real’ exposure to oligomers.

Migration testing under different conditions (temperature, contact time) using official aqueous and ethanolic food simulants as well as real food (dairy, oils, fats) was performed according to the stipulations of Regulation (EU) No 10/2011. For multiple use articles, three consecutive migration steps with a fresh food (simulant) each were performed. In general, the migration values of all oligomers increased with temperature and increasing lipophilicity of the food simulants while a decrease from the first to the third migration step was clearly recognisable, which is required by Regulation (EU) No 10/2011. The official simulant for dairy products, 50% ethanol, was shown to overestimate the migration of overall oligomers into cow's milk by at least a factor of four in PBT and a factor of 11 in SAN under hot-fill conditions (70 °C, 2 h). This possibly indicates swelling of the materials by 50% ethanol at increased temperatures, which does not occur with milk. Nevertheless, the release of cyclic PBT oligomers from a PBT coffee cup into milk (218 °g/L, third migrate, 70 °C and 2 h) can still be considered critical regarding the TTC threshold of 90 °g/day. In contrast, the migration from a SAN coffee cup under identical conditions was <79 °g/L (third migrate). A simulation of a SAN fat separator use with vegetable oil as a food (simulant) at 70 °C and 2 h also yielded a migration value of little concern (<290 °g trimers/kg). Sports bottles made of Tritan™ were shown to release less than 25 °g/L oligomers into simulants 3% acetic acid and 20% ethanol, both under room temperature storage (40 °C, 24 h) and hot-fill conditions. The performed experiments have shown that migration of oligomers from SAN and Tritan™ should probably not cause concern regarding the currently accepted toxicological evaluation thereof. A reevaluation of the toxicological relevance of PBT oligomers, especially an acquisition of experimental data, would be necessary to justify the migration values.