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Main Title: Chemische Synthese von isotopenmarkierten Standards zur Analyse von unerwünschten Substanzen (NIAS) aus Lebensmittelkontaktmaterialien
Translated Title: Chemical synthesis of isotopically labeled standards for analysis of unwanted substances (NIAS) from food contact materials
Author(s): Manowski, Aneta Grazyna
Advisor(s): Rappsilber, Juri
Referee(s): Rappsilber, Juri
Garbe, Leif-Alexander
Mattulat, Andreas
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Eins der Hauptziele dieser Arbeit ist die Synthese von neuen Referenzsubstanzen für nicht absichtlich hinzugefügte Substanzen (NIAS) aus Polymeren, die in Lebensmittelkontaktmaterialien Einsatz finden, dem Epoxidharz und dem Polyamid-6. Durch Einsatz von Schutzgruppenstrategien konnten vier neue oligomere Referenzsubstanzen von Bisphenol A (BPA) erfolgreich synthetisiert werden: BADGE∙BPA, BADGE∙2BPA, BADGE∙BPA∙H2O und BADGE∙BPA∙HCl. Die Versuche zur Synthese von Cyclo-di-BADGE, des cyclischen Dimers von Bisphenol A, waren aufgrund der eintretenden Polymerisationsreaktion nicht erfolgreich. Bezüglich der Synthese von isotopenmarkierten Referenzmaterialien von Bisphenol A-Oligomeren konnte in allen BADGEˑBPA-Derivaten mindestens eine einfache Isotopenmarkierung eingebracht werden. Die Einführung einer d4-Markierung in dem Monomer des Polyamids-6, dem ɛ-Caprolactam, gelang in einer H/D-Austauschreaktion von einer Vorstufe in schwerem Wasser. Mittels Standardtechniken der Peptidchemie konnten zunächst aus dem nichtmarkierten ɛ-Caprolactam die linearen Di- und Tri-6-Aminohexansäuren sowie aus der d4-markierten Verbindung die zugehörigen isotopenmarkierten Standards hergestellt werden. Die Identität aller Syntheseprodukte konnte mittels 1H-, 2H-, 13C- und 2D-Kernresonanzspektroskopie (NMR) und Gaschromatographie- (GC-) oder Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie (ESI-MS) bestätigt werden. Weiterhin wurden beide, die isotopenmarkierten und die nicht markierten Substanzen, vor dem Einsatz in der Stabilisotopenverdünnungsanalyse (SIVA) als Referenzmaterialien auf Reinheit mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) mit UV-Detektion getestet. Ein weiteres Ziel der Arbeit bestand in dem Einsatz der synthetisierten Referenzsubstanzen und deren Isotopologen in der Spurenanalytik von NIAS in Lebensmitteln. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei LC-MS/MS-Methoden entwickelt, eine für hydrophile und eine für lipophile Matrices. Die erste Methode wurde speziell für das Bier als Matrix entwickelt. Die Methode umfasste vier höhermolekulare BADGEˑBPA-Derivate sowie Cyclo-di-BADGE, wovon vier eine Quantifizierung zuließen. Von den zwanzig untersuchten Pilsner-Bieren konnten in zwei Proben positive Befunde von Cyclo-di-BADGE nah der Bestimmungsgrenze festgestellt werden, in zehn Fällen lag der Gehalt an Cyclo-di-BADGE unter der Bestimmungsgrenze. Bei keiner der untersuchten Proben wurde der Grenzwert für Cyclo-di-BADGE überschritten. Die zweite Methode wurde für lipophile Matrices validiert und konnte erfolgreich in der Routineanalytik eingesetzt werden. In diese Methode wurden relevante niedermolekulare BADGE- sowie BPA-Derivate aufgenommen, um den Informationsgehalt über die zu untersuchenden Lebensmittel zu erhöhen. Die Matrixkalibrierung wurde in Pflanzenöl als Simulanz für fettreiche Lebensmittel durchgeführt. Damit konnte die Eignung der Methode für die Analytik von NIAS in Lebensmitteln, die in ölhaltigen Medien haltbargemacht werden, wie z.B. Früchte, Gemüse, Fisch und Fleisch, bestätigt werden. In die Methode konnten insgesamt 23 Analyten aufgenommen werden: die Bisphenole A, B, BP, E, FL, G, M, TMC und Z; BADGE und seine Reaktionsprodukte mit Wasser und Chlorwasserstoff: BADGE∙2H2O, BADGE∙HCl∙H2O, BADGE∙HCl, BADGE∙2HCl; BFDGE und seine Reaktionsprodukte mit Wasser und Chlorwasserstoff: BFDGE∙2H2O und BFDGE∙2HCl; 3-Ring NOGE sowie die höhermolekularen Oligomere. Insgesamt wurden 25 fetthaltige Lebensmittel analysiert, davon konnten in 16 Proben positive Befunde von mindestens einem der untersuchten BADGE- oder BPA-Derivat nachgewiesen werden. In den untersuchten Lebensmittelproben wurden kleine Mengen von Bisphenol A, BADGE, BADGE∙2H2O, BADGE∙HCl∙H2O, Cyclo-di-BADGE und hohe Mengen an Bisphenol G gefunden. Die Lebensmittelproben enthielten auch BADGE∙HCl, BADGE∙2HCl, BFDGE, BADGE∙BPA, BADGE∙2BPA, BADGE∙BPA∙H2O und BADGE∙BPA∙HCl, die Befunde lagen jedoch unter der Bestimmungsgrenze. Da das Bisphenol G nicht toxikologisch bewertet ist, kann seine Konzentration in einem Lebensmittel oder einer Lebensmittelsimulanz einen Wert von 10 µg/kg nicht übersteigen.[1] Jeder der vier positiven Befunde von Bisphenol G lag über dem Migrationsgrenzwert. Eine Methode zum Nachweis von NIAS aus Polyamid-6 in Lebensmitteln, die die synthetisierten Verbindungen wie ɛ-Caprolactam-d4 und die Oligomere der 6-Aminohexansäuren sowie die zugehörigen isotopenmarkierten Standards enthält, befindet sich in einer frühen Entwicklungsphase und bleibt ein Ziel zukünftiger Arbeiten.
One of the main goals of this work was the synthesis of new reference materials for non-intentionally added substances (NIAS) from polymers which are used in food contact materials, the epoxy resin and polyamide-6. The application of protecting group strategy allowed synthesis of four new oligomer reference materials of bisphenol A (BPA): BADGE∙BPA, BADGE∙2BPA, BADGE∙BPA∙H2O and BADGE∙BPA∙HCl. The attempts to synthesize the cyclic dimer of bisphenol A, the cyclo-di-BADGE were not successful because of the polymerization reaction that occurred. Regarding the synthesis of isotopically labeled reference materials of bisphenol A based oligomers at least one single isotope label could be introduced in all BADGEˑBPA-derivatives. The introduction of a d4-isotopic label in the polyamide-6 monomer, ɛ-caprolactam, succeeded in a H/D exchange reaction of a precursor with heavy water. With the standard methods of peptide chemistry, it was possible to initially synthesize the di- and tri-6-aminohexanoic acids from ɛ-caprolactam and then the corresponding isotopically labeled standards from the d4-labeled compound. The identity of the synthesis products could be confirmed with 1H, 2H, 13C and 2D nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and gas chromatography (GC-) or electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS). Furthermore, the purity of both the isotopically labeled and not labeled compounds were proven by high performance liquid chromatography (HPLC) using a UV detector before the use of the standards in the stable isotope dilution analysis (SIDA) as reference materials. A further goal of this work was the application of the synthesized reference materials and their isotopologues in the trace analysis of NIAS in food. Within the framework of this study, two LC-MS/MS methods have been developed, one for the hydrophilic and one for the lipophilic matrices. The first method was specially developed for beer as a matrix. The method involved four higher molecular BADGEˑBPA derivatives as well as the cyclo-di-BADGE, of which four could be quantified. Of the twenty investigated Pilsner beers, two contained cyclo-di-BADGE at a concentration level near the limit of quantification, in ten cases the findings were below the limit of quantification. In no case was the migration limit for cyclo-di-BADGE exceeded. The second method was validated for lipophilic matrices and could be successfully used in routine analyses. To increase the information content about the investigated food sample, some relevant low-molecular BADGE as well as bisphenol A derivatives were included in this method. The matrix calibration was performed for vegetable oil, which is a simulant for fatty foods. Therefore, the suitability of the method for the analysis of NIAS in foods which are preserved in oil medium like fruits, vegetables, fish and meat could be confirmed. In this method 23 analytes overall could be included: the biphenols (A, B, BP, E, FL, G, M, TMC and Z), BADGE and its reaction products with water and hydrogen chloride (BADGE∙2H2O, BADGE∙HCl∙H2O, BADGE∙HCl, BADGE∙2HCl), BFDGE and its reaction products with water and hydrogen chloride (BFDGE∙2H2O and BFDGE∙2HCl), 3-Ring NOGE as well as higher molecular oligomers. In total, 25 fatty foods have been analyzed. Positive findings of at least one of the investigated BADGE or bisphenol A derivatives were detected in 16 samples. The investigated food samples contained bisphenol A, BADGE, BADGE∙2H2O, BADGE∙HCl∙H2O and cyclo-di-BADGE in small quantities and bisphenol G at concentrations between 11.5 and 451 µg/kg. The samples also contained BADGE∙HCl, BADGE∙2HCl, BFDGE, BADGE∙BPA, BADGE∙2BPA, BADGE∙BPA∙H2O and BADGE∙BPA∙HCl, but the findings were below the limit of quantification. Since Bisphenol G is toxically not regulated, its concentration is not allowed to exceed 10 µg/kg food or food simulant.[1] Therefore, the migration limits were exceeded in all four food samples. A method for the quantification of NIAS from polyamide-6 in food, which would contain the synthesized compounds like ɛ-caprolactam-d4 and the oligomers of 6-aminohexanoic acids as well as the corresponding isotopically labeled standards is in an early stage of development and ramains a goal for future works.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10239
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9200
Exam Date: 23-Nov-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 21-Nov-2019
DDC Class: 543 Analytische Chemie
Subject(s): NIAS
unerwünschte Substanzen
Bisphenol A-Derivate
chemische Synthese
Stabilisotopenverdünnungsanalyse
LC-MS/MS
non-intentionally added substances
Bisphenol A derivatives
chemical synthesis
stable isotope dilution assay
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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