Analytik von Chlorparaffinen und Mineralöl‐Kohlenwasserstoffen in Lebensmitteln und Bedarfsgegenständen mittels GCxGC‐QTOG/MS
Authors: Tien Rebekka , Humpf Hans‐Ulrich , Esselen Melanie 
Published: June 2023

Chlorparaffine (CPs, chlorinated paraffins) und Mineralöl‐Kohlenwasserstoffe (MOH, mineral oil hydrocarbons) sind komplexe Mischungen, die sich aus zehn‐ bis hunderttausenden Einzelsubstanzen zusammensetzen. Die Analytik dieser Stoffgemische stellt eine große Herausforderung dar. CPs sind Industriechemikalien mit sehr hohen Produktionsmengen von mehr als 1,3 Mio. t/Jahr. Da die Zusammensetzung der CPs sehr unterschiedlich sein kann, ist ihre Bestimmung noch nicht in der Routineanalytik etabliert. In der Folge führt die verhältnismäßig kleine Anzahl an Untersuchungen zu einer sehr geringen Datenlage. Das Ungleichgewicht zwischen dem enorm hohen Einsatz der CPs einerseits und der limitierten Datenlage andererseits unterstreicht den dringenden Bedarf, sich mit der CP‐Analytik in Bezug auf Methodenentwicklung und dem umfassenden Nachweis in verschiedenen Proben zu beschäftigen. Auch MOH sind komplex und werden in der Routine nur jeweils als Summe der gesättigten (MOSH, mineral oil saturated hydrocarbons) und aromatischen (MOAH, mineral oil aromatic hydrocarbons) Kohlenwasserstoffe bestimmt. Da MOAH Verbindungen bein‐ halten können, die als potenziell kanzerogen gelten, sind Informationen über strukturelle Zusammensetzungen für eine Risikobewertung von Bedeutung. Als Verfahren für die Analytik komplexer Stoffgemische eignet sich die zweidimensionale Gaschromatographie (GC^GC)‐ Quadrupol‐time of flight‐Massenspektrometrie (QTOF/MS) aufgrund ihrer hohen Trennleistung sowie der hochauflösenden Detektion.

Das erste Ziel dieser Arbeit war es, ein geeignetes Verfahren für die Aufarbeitung, Messung und Auswertung von kurzkettigen (SCCPs, short‐chain chlorinated paraffins) und mittel‐ kettigen (MCCPs, medium‐chain chlorinated paraffins) CPs mit der GC^GC‐NCI‐QTOF/MS‐ Methodik zu entwickeln (Ziel Nr. 1). Daraufhin sollte ein Spektrum an Probenserien quantitativ analysiert werden, welches sowohl die Umweltbelastung als auch den Einsatz von CPs in Alltagsprodukten widerspiegelt (Ziel Nr. 2). Die Untersuchungen mittels GC^GC‐QTOF/MS sollten dann zu einer umfangreichen Analyse der CP‐Zusammensetzungen in den jeweiligen Probenserien führen (Ziel Nr. 3). Als letztes Ziel wurde die Analytik der MOAH‐Fraktion verschiedener Lebensmittelkontaktmaterialien und ‐gegenstände mit Hilfe der GC^GC‐ Trennung genannt. Dabei lag der Fokus auf der qualitativen Zusammensetzung sowie der Identifizierung toxikologisch relevanter Strukturen (Ziel Nr. 4).

Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA, European Food Safety Authority) stellte 2020 in einer umfassenden Analyse zur Risikobewertung der CPs in Futtermitteln und Lebensmitteln fest, dass ein großer Bedarf an geeigneten validierten Methoden besteht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Methoden zur Bestimmung von SCCPs und MCCPs entwickelt und verglichen (Ziel Nr. 1). Zunächst wurde dabei ein Verfahren entwickelt, um CPs aus fetthaltigen Matrices zu extrahieren. Für eine effizientere Aufarbeitung wurde eine Extraktion am automatisierten Probenaufarbeitungssystem ausgearbeitet, bei dem die Probe über Festphasensäulen aufgearbeitet wird. Als wichtiger Schwerpunkt dieser Arbeit wurde für die Trennung von SCCPs und MCCPs eine GC^GC‐ NCI‐QTOF/MS‐Methode entwickelt. Diese trennt verschiedene CP‐Homologe voneinander, die dann in Form von Banden bestimmt werden. Durch diese Auftrennung wird ein sicherer Nachweis der Verbindungen ermöglicht, da die Elutionsmuster charakteristisch sind und exakte Massen der CPs detektiert werden. Dabei können im Vergleich zu anderen Methoden mehr Störsubstanzen abgetrennt werden und es kommt zu weniger Interferenzen. Für die GC^GC‐NCI‐QTOF/MS‐ Methode wurde darüber hinaus eine Quantifizierungsmethode durch Integration der Signale bestimmter CP‐Homologe innerhalb der entsprechenden Banden erstellt. Für den Vergleich verschiedener Methoden und Ergebnisse, wurde zusätzlich eine Direktinjektion‐atmospheric pressure chemical ionization (APCI)‐Orbitrap/MS‐Methode entwickelt. Diese ermöglicht einen schnelleren Durchlauf der Messung (1 min) im Vergleich zur langen GC^GC‐Laufzeit (69 min). Jedoch wies das GC^GC‐Verfahren niedrigere Matrix‐Bestimmungsgrenzen und eine höhere Genauigkeit in der Auswertung auf. Auch Quantifizerungsmethoden und Auswertungen mit unterschiedlichen Standardmaterialien wurden im Rahmen dieser Arbeit getestet und verglichen. Die enorme Variation in der Zusammensetzung der Substanzen resultierte in der Erkenntnis, dass jede Variation in der Mess‐ oder Quantifizierungsmethode zu starken Abweichungen einzelner Ergebnisse führen kann. Die Reduktion der CP‐Homologe in der Methode als potenzielle Simplifizierungs‐Maßnahme wies vergleichsweise geringere Abweichungen auf. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, für die Entwicklung geeigneter Routinemethoden, hohe Messunsicherheiten zu akzeptieren.

Als weiterer entscheidender Aspekt führte das wissenschaftliche Gutachten der EFSA aus dem Jahr 2020 auf, dass die Datenlage über das Vorkommen von CPs zu gering ist, um eine umfassende Risikobewertung durchzuführen. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit 25 Süßwasserfische, 24 pflanzliche Fette und Öle, die Lösungsmittel‐Extrakte von 19 Stabmixern und 16 Spielzeug‐Proben aus Kunststoff untersucht (Ziel Nr. 2). Bei der Untersuchung der Süßwasserfische aus deutschen Flüssen und Seen konnten MCCP‐Gehalte von 1,3‐410 ng/g Frischgewicht (in 25 Proben) und SCCP‐Gehalte von 0,69‐6,5 ng/g Frischgewicht (in 15 Proben) bestimmt werden. Die Untersuchungen belegen, dass CPs ubiquitär in der Umwelt vorkommen. Von 24 pflanzlichen Fetten und Ölen aus dem Handel wurden MCCps mit Gehalten von 45‐700 ng/g (in zehn Proben) und SCCPs mit 27‐130 ng/g (in vier Proben) nachgewiesen. Des Weiteren wurden bei Versuchen zum Übergang von CPs aus Stabmixern bei der Benutzung in den Lösungsmittel‐Extrakten MCCPs von 0,16‐58 μg pro Extrakt (in 18 Extrakten) und SCCPs von 0,13‐71 μg pro Extrakt (in 10 Extrakten) nachgewiesen. Die untersuchten Spielzeug‐Proben wiesen MCCP‐Gehalte von 5,2‐3900 μg/g (in 14 Proben) und SCCP‐Gehalte von 2,6‐170 μg/g (in neun Proben) auf. Alle untersuchten Probenserien wiesen deutlich höhere Gehalte an MCCPs im Vergleich zu SCCPs auf. Ein Grund dafür dürfte das Verbot des Einsatzes von SCCPs durch die Stockholmer Konvention 2017 und der damit einhergehende vermehrte Ersatz der MCCPs sein. Beachtenswert ist, dass CPs in großen Anteilen der untersuchten Proben nachgewiesen wurden. Dies unterstreicht das ubiquitäre Vorkommen durch die verbreitete Anwendung dieser Substanzen und angesichts möglicher Schäden für Gesundheit und Umwelt den dringenden Bedarf an einer umfassenden Regulierung und Kontrolle.

Für die Entwicklung von Routinemethoden zur Bestimmung der CPs ist es notwendig, aktuelle Verfahren zu verkürzen und zu vereinfachen. Eine solche Vereinfachung stellt beispielsweise die Reduktion der Anzahl an CP‐Homologen dar, die in der Auswertung berücksichtigt wird. Damit solche Methoden dennoch ausreichend präzise sind, ist es wichtig, dass umfangreiche Daten über verschiedene CP‐Zusammensetzungen vorliegen. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit Zusammensetzungen der CP‐Homologe in unterschiedlichen Proben analysiert (Ziel Nr. 3). Dies war bei den MCCPs deutlich einfacher möglich, da sie in höheren Konzentrationen und in einer höheren Probenanzahl vorlagen. Bei den untersuchten Süßwasserfischen wurde sichtbar, dass die Zusammensetzung der MCCPs in den meisten Proben jeweils sehr ähnlich war, selbst wenn stark unterschiedliche Gehalte vorlagen. Erfolgt eine Bestätigung dieser Zusammensetzung durch weitere Studien, kann eine Vereinfachung der Analytik dieser Probenklasse ermöglicht werden. Auch Standards mit passenden Chlorierungs‐ graden sollten für das Verfahren hergestellt werden. Alle untersuchten Proben zeigen, dass überwiegend höhere Chlorierungsgrade der MCCPs (52‐57 % Cl) und nur selten niedrige Chlorierungsgrade (42‐52 % Cl) vorlagen. Insbesondere die Studie der Stabmixer‐Extrakte zeigte anhand der CP‐Zusammensetzungen, dass Chlorierungsgrade der MCCPs hier oft deutlich höher lagen als der höchstchlorierte Standard (57 % Cl). Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen auch eine weitere Schlussfolgerung des EFSA‐Gutachtens, nämlich den dringenden Bedarf an geeignetem Standard‐ und Referenzmaterial. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere höherchlorierte Standards hergestellt werden sollten.

Zusammenfassend sind die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zu den CPs vereinfacht in Abbildung 1 dargestellt.

Der letzte Abschnitt dieser Arbeit hat sich mit der Charakterisierung von potenziell kanzerogenen MOAH in unterschiedlichen Lebensmittelkontaktmaterialien und ‐gegenständen beschäftigt (Ziel Nr. 4). Dabei wurde der Fokus auf die qualitative Identifizierung verschiedener Ringstrukturen gelegt, insbesondere der 3‐ bis 5‐Ringsysteme, die nicht‐ oder schwach‐ alkyliert sind, da diese als potenziell kanzerogen gelten. Es wurden Extrakte von 19 Stabmixern analysiert und in zehn dieser Extrakte MOAH‐Verbindungen nachgewiesen. 3‐ und Mehrringsysteme ließen sich dabei in sechs Extrakten identifizieren. Eine Analyse verschiedener Sahneabdeckpapiere und Kunststoffumhüllungen von Wurstware zeigte im Gegensatz dazu eine sehr abweichende MOAH‐Fraktion, die nicht aus einer Mineralöl‐üblichen, „wolken‐ förmigen” Verteilung im GC^GC‐Chromatogramm bestand, sondern aus einer Anreihung von Peaks, die nur hochalkylierte 1‐Ringsysteme beinhalten. Diese Verbindungen können wiederum nicht den potenziell kanzerogenen Stukturen zugeordnet werden. Die Ergebnisse der Arbeit unterstreichen die Notwendigkeit der GC^GC‐Analyse bei der Untersuchung von MOAH, um eine fundierte Risikoabschätzung der Produkte durchführen zu können.

Die vorliegende Arbeit hat sich umfassend mit der GC^GC‐OTOF/MS‐Analytik der komplexen Stoffgemische CPs und MOAH auseinandergesetzt. Dabei konnten viele Vorteile der mehrdimensionalen Trenntechnik aufgezeigt werden. Um die Entwicklung von präziseren und möglicherweise einfacheren Verfahren voranzubringen, sollten weitere Versuche zur Bestimmung und der Zusammensetzung von CPs und MOAH in unterschiedlichen Proben durchgeführt werden. Nur so können zukünftige Risikobewertungen zu eindeutigen Ergebnissen kommen und den Einsatz von kanzerogenen Stoffen regulieren bzw. verbieten.

Die Dissertation ist in enger Kooperation mit dem CVUA Münsterland‐Emscher‐Lippe (Prof. Dr. Peter Fürst) entstanden.