The influence of food (micro) structure on the migration of contaminants

Abstract

Inhalt und Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war es, Beziehungen zwischen der Migration von zwei Modelladditiven (Benzophenon und Diphenylphthalat) aus Kunststofffolien (Polyethylen) in verschiedene Lebensmitttel und der Struktur der ausgewählten Lebensmittelgruppen zu finden und zu beschreiben. Hierfür wurden vier verschiedene Arten von Lebensmitteln untersucht. Zum einen waren dies halbflüssige Lebensmittel, zum anderen trockene Lebensmittel. Als halbflüssige Lebensmittel wurden einerseits Ketchups untersucht, zum anderen Milchprodukte, speziell Joghurts, Sauermilch und Buttermilch. In der Gruppe der trockenen Lebensmittel wurden einerseits Weizenmehle verschiedener Typen (Ausmahlgrade) und Spezifikationen (glatt, griffig, universal) untersucht, andrerseits Zucker verschiedener Kristallgröße. Zur Bestimmung der Migration wurden die Lebensmittel jeweils mit der Polyethylenfolie in Kontakt gebracht, und nach der Inkubationszeit extrahiert. Die Analyten wurden mittels GC/MS anlysiert und quantifiziert. Zur Beschreibung der Lebensmittelstruktur der halbflüssigen Lebensmittel wurden rheologische Parameter herangezogen, die die innere Struktur über viskoelastische Zusammenhänge darstellen. Die Proben wurden hierzu rheologischen Messungen im Rotations- sowie im Oszillationsmodus unterzogen. Zur Strukturbeschreibung der trockenen Lebensmittel diente die Partikelgrößenbestimmung, die mittels Laserdiffraktion durchgeführt wurde. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigten, dass Struktureigenschften der Lebensmittel sehr wohl Einfluss auf die Migration zu haben scheinen. Bei den halbflüssigen Proben waren leichte Zusammenhänge zwischen Größe des Speichermoduls G- sowie des linearen viskoelastischen Bereichs und der Migration zu erkennen. Allerdings konnten keine eindeutigen Zuordnungen getroffen werden. Dies ist vermutlich auf mehrere Aspekte zurückzuführen: die untersuchten Proben waren kommerziell erhältliche, reale Proben, deren genaue Zusammensetzung und Prozessierung nicht bekannt war. Weiters waren die Proben in ihrer Zusmmensetzung sehr unterschiedlich, insbesondere was den Gehalt an Fett, Protein und Kohlenhydrate betrifft. Deshalb konnten gemessene Strukturunterschiede nicht genau zugeordnet werden. Grenzflächeneffekte (an Folie bzw. Lebensmittel) bzw. Struktureffekte aufgrund von Temperaturänderungen konnten auch nicht ausgeschlossen werden, diese waren aber auch nicht Inhalt dieser Arbeit. Bei den trockenen Lebensmitteln zeigte sich ein ähnliches Bild. Insbesondere Zucker als kristalliner Reinstoff zeigt eine kristallgrößenabhängige Migration, was auf Oberflächeneffekte, wie z. B. Filmbildung durch Luftfeuchtigkeit, hinweist. Auch die Mehle weisen Migrationsunterschiede auf, die auf Struktureigenschaften zurückführbar sind, allerdings zeigten die beiden Analyten unterschiedliches Migrationsverhalten in Relation zur Pratikelgröße. Hier zeigt sich wiederum, dass es offenbar Interaktionen zwischen Lebensmitteln komplexer Zusammensetzung, den Umgebungsbedingungen und den Migranten gibt. Ein Vergleich der praktisch erhaltenen Ergebnisse mit einer Migrationsmodellierung (Berechnung der Migration nach dem Piringer-Modell) zeigt, dass die tatsächliche Migration deutlich unter der berechneten liegt, wobei festgehalten werden muss, dass bei der Berechnung keine physikalischen Eigenschaften der Lebensmittel berücksichtigt wurden, sondern nur die Verteilungskoeffizienten der Analyten zwischen Folie und Lebensmittel variert wurden.

The aim of the present work was to detect and describe differences of food structure parameters and their influence on the migration of additives from plastic packaging films into these foods. Examined foods were semisolid foods: ketchups and dairy products (yoghurts, sour milk, and buttermilk) and dry foods: what flours of different milling grades and types as well as sugar of various crystallite sizes. Model migrants were benzophenone and diphenyl phthalate incorporated at known levels into PE films. Migration of the model compounds was determined after particular incubation conditions (time and temperature) of the foods in contact with the PE film. Therefore the additives were extracted from the foods and analyzed by GC/MS. Rheometry (both rotational and oscillatory) was applied to gain information about food structure parameters in the case of semisolid foods (ketchups and dairy products); in the case of dry foods (flours and sugars) particle sizing by laser diffraction was applied. The results showed that are relationships between food structure parameters and migration; however as the food samples were real foods commercially purchased it was difficult to draw clear conclusions. It rather came up that migration into foods depends on many factors and migration conditions like time and temperature can have multiple effects on the food structure, too. Nevertheless in the case of semisolid foods a slight relation between migration and the storage moduli G- could be observed. Particle size and surface area respectively of dry foods also have an impact on migration although surface and interfacial effects caused by ambient humidity could be the reason for these findings. A comparison of the practically obtained migration data with simulated (modelled) data resulted in the finding that real migration is well below the computed one. In the present study a simulation applying the Piringer model was computed, which bases on the partition coefficients of the migrants between plastic film and food. Food structure properties are not part of the calculation and chemical interactions of migrant and food are not used either as the diffusion coefficient within the film is mainly estimated on temperature and the molecular weight of the migrant. It could be demonstrated that food structure takes its part in the migration process; however it is a bundle of complex interactions of food composition, plastic film properties, ambient conditions and the migrant in question itself.