印刷工藝參數(shù)對食品紙包裝中溶劑殘留量的影響

謝　利,于　江,張　偉,裴　璐,任　露

(西安理工大學(xué) 印刷包裝與數(shù)字媒體學(xué)院,陜西 西安 710048)

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印刷工藝參數(shù)對食品紙包裝中溶劑殘留量的影響

謝利,于江,張偉,裴璐,任露

(西安理工大學(xué) 印刷包裝與數(shù)字媒體學(xué)院,陜西 西安 710048)

配制混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,利用頂空-氣相色譜/質(zhì)譜技術(shù)對食品紙包裝材料中的8種有機(jī)溶劑進(jìn)行殘留量分析。結(jié)果表明:印刷油墨和潤版液中含有較多有機(jī)溶劑;隨著印刷墨量和印刷面積的增加,印品的溶劑殘留量和苯類溶劑殘留量都有所增加;印刷速度較快不利于印品的干燥;烘干溫度對紙包裝材料中的溶劑殘留量也有一定的影響。

食品紙包裝; 溶劑殘留; 印刷

目前,食品包裝的安全日益受到人們的重視。在紙包裝的生產(chǎn)過程中通常要添加消泡劑、脫墨劑、施膠劑、濕強(qiáng)劑以及印刷油墨中采用的溶劑,致使包裝材料中有一定的溶劑殘留,國內(nèi)外對此進(jìn)行了一些研究[1-5]。氣相色譜法(GC)對異構(gòu)體和多組分混合物的定性分析能夠發(fā)揮明顯的作用,質(zhì)譜(MS)技術(shù)在進(jìn)行未知化合物的定性分析和定量分析方面得到了很好的應(yīng)用[6-11],因此,本文采用頂空-氣相色譜/質(zhì)譜技術(shù)(HS-GC/MS)對紙包裝材料中的溶劑殘留及印刷工藝參數(shù)對其造成的影響進(jìn)行分析研究。

1　實(shí)驗(yàn)參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)溶液

1.1實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

Perkin Elmer公司TurboMatrix16頂空進(jìn)樣器;氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀(Clarus 600 Gas Chromatograph/Mass Spectrometer);IGT膠版印刷適性儀。

甲醇、苯、乙酸乙酯(≥99.7%,天津市科米歐化學(xué)試劑有限公司);

乙苯、二甲苯(鄰、間/對)(≥99.8%,天津市福晨化學(xué)試劑廠);

乙酸丁酯、異丙醇、環(huán)己酮(≥99.9%,天津市富宇精密化工有限公司)。

異丙醇、乙酸乙酯、苯、乙酸丁酯、乙苯、二甲苯(鄰、間/對)、環(huán)己酮均為色譜純,用甲醇定容。

1.2參數(shù)設(shè)置

采用異丙醇、乙酸乙酯、苯、乙酸丁酯、乙苯、間/對二甲苯、鄰二甲苯和環(huán)己酮8種標(biāo)準(zhǔn)溶液,對氣相色譜和質(zhì)譜分離條件進(jìn)行優(yōu)化,確定食品紙包裝中溶劑殘留分析用溫度、時間等參數(shù),確保化合物定性和定量分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1) HS條件

平衡溫度:85 ℃;平衡時間:40 min;拔針時間:0.3 min;加壓時間:1.0 min;進(jìn)樣時間:0.04 min;保溫時間:40 min;GC分析循環(huán)時間:15 min。

2) GC條件

色譜柱:Elite-5MS石英VOC專業(yè)毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);進(jìn)樣口溫度:32 ℃起始并持續(xù)6 min,12 ℃/min升溫到210 ℃;采用高純氦氣;載氣流速:1.00 mL/min;進(jìn)樣口溫度:200 ℃。

3) MS條件

電子能量:70 eV;離子源溫度:210 ℃;傳輸線溫度:220 ℃;掃描范圍:35～400 m/z。

1.3標(biāo)準(zhǔn)溶液

對試樣進(jìn)行測試,得到其色譜圖和質(zhì)譜圖。在質(zhì)譜圖庫中進(jìn)行檢索,得到試樣中殘留的揮發(fā)性有機(jī)物可能包含異丙醇、乙酸乙酯、苯、乙酸丁酯、乙苯、間/對二甲苯、鄰二甲苯和環(huán)己酮等8種物質(zhì)。首先,取以上8種物質(zhì)各1 mL放入100 mL容量瓶中,用甲醇定容,使其濃度為1%(體積分?jǐn)?shù));然后,以甲醇為溶劑,分別配制濃度為0.01%、0.02%、0.04%、0.05%、0.06%、0.08%、0.10%七個混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,以此測定并確定標(biāo)準(zhǔn)曲線。

圖1是濃度為0.05%混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜圖。從圖1可以得到8種化合物的保留時間和色譜峰的前后順序,能看出8種物質(zhì)分離效果明顯,并且色譜峰形較好。

表1列出濃度為0.05%混合標(biāo)樣中8種揮發(fā)性有機(jī)物的保留時間、峰面積和回歸方程。

圖1　0.05%混合標(biāo)樣的色譜圖Fig.1　Chromatogram of standard solution concentration of 0.05%

化合物保留時間/min峰面積 回歸方程異丙醇1.8117868226y=258.45x+65.12乙酸乙酯2.5315611653y=57.39x-18.20苯3.0340655974y=156.27x+527.4乙酸丁酯6.2313325856y=93.721x-52.66乙苯6.868595625y=116.78x-52.48間/對二甲苯6.9931845083y=95.11x-654.37鄰二甲苯7.303594636y=86.542x+563.4環(huán)己酮7.4218569016y=72.95x-56.59

2　食品紙包裝中溶劑殘留實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1餅干紙盒中的溶劑殘留

針對某餅干紙盒包裝(材料為白卡紙,膠印油墨為黃+品+青+黑)、潤版液、粘合劑所含有的有機(jī)物進(jìn)行檢測。

取待測包裝,裁取10 cm×5 cm印刷圖案,裁剪成0.5 cm×5 cm,放入20 mL頂空瓶中密封;將潤版液、粘合劑及各色印刷油墨各取約5 mg分別放入頂空瓶中密封,采用前面的方法進(jìn)行化合物分離測定。

由于無論是包裝基材還是油墨、溶劑、粘合劑,都可能含有有機(jī)物,為了確定其中的一些未知物質(zhì),采用出峰時間及質(zhì)譜圖的譜庫搜索定性。餅干紙盒的色譜圖如圖2所示。餅干紙盒的檢測結(jié)果如表2所示。

表2　餅干紙盒及相關(guān)原材料中的有機(jī)物

注:-為未檢出。

圖2　餅干紙盒的色譜圖Fig.2　Chromatogram of biscuit paper carton

由表2可知,餅干紙盒的殘留溶劑含量為2.852 mg/m2,其苯類有機(jī)物含量為1.74 mg/m2。油墨和潤版液中含有較多的有機(jī)溶劑,紙盒黃、品、青、黑四色膠印油墨中苯類有機(jī)物含量分別為1.608 mg/kg、1.661 mg/kg、5.455 mg/kg、4.568 mg/kg。此外,白卡紙和粘合劑中也含有不同程度的苯類有機(jī)物。

2.2工藝參數(shù)對溶劑殘留的影響

對紙包裝印刷材料(白卡紙,黃、品、青、黑四色印刷油墨)采用不同的印刷墨量、不同油墨印刷面積及不同印刷速度進(jìn)行印刷,利用HS-GC/MS技術(shù)進(jìn)行檢測。

通過對包裝材料中的殘留溶劑進(jìn)行定性、定量分析,確定在不同印刷參數(shù)下紙包裝中有機(jī)溶劑的殘留量。

2.2.1印刷墨量

采用IGT膠版印刷適性儀,分別取0.05 mL、0.10 mL、0.15 mL青色油墨對5 cm×50 cm的紙張印刷,干燥24小時后檢測其溶劑殘留,結(jié)果如表3所示。

表3　三種印刷墨量下紙中的溶劑殘留

注:-為未檢出。

表3表明,印刷墨量不同時,紙張印品的溶劑殘留量也不相同,采用2 mL/m2、4 mL/m2、6 mL/m2的印刷墨量時,紙中的溶劑殘留量分別為0.126 mg/m2、0.161 mg/m2、0.195 mg/m2,其中苯類溶劑殘留分別為0.076 mg/m2、0.095 mg/m2、0.119 mg/m2,隨著墨量的增加,印品的溶劑殘留量和苯類溶劑殘留量均有所增加。

2.2.2油墨印刷面積

采用IGT膠版印刷適性儀,取0.05 mL青色油墨在5 cm×25 cm的紙上印刷,另取0.10 mL青色油墨在5 cm×50 cm的紙上印刷,兩次印刷具有一樣的油墨厚度,干燥24 h后檢測其溶劑殘留,結(jié)果如表4所示。

表4表明,油墨印刷面積不同造成紙張印品的溶劑殘留量也不相同,在墨量均為4 mL/m2時,印刷面積為0.012 5 m2和0.025 0 m2的紙中的溶劑殘留量分別為0.112 mg/m2和0.152 mg/m2,其中苯類溶劑殘留分別為0.065 mg/m2和0.091 mg/m2,隨著油墨印刷面積增加,印品的溶劑殘留量和苯類溶劑殘留量均有所增加。

表4　兩種印刷面積下紙中的溶劑殘留

注:-為未檢出。

2.2.3印刷速度

采用印刷速度為100 m/min、150 m/min、200 m/min分別對紙張進(jìn)行印刷, 干燥溫度設(shè)定為80 ℃,在室溫放置24 h后進(jìn)行檢測,三種印刷速度下溶劑殘留量的對比如圖3所示。

圖3　不同印刷速度下的溶劑殘留量對比Fig.3　Comparison of solvent residues at different printing speeds

由圖3可看出,印刷速度影響印品的溶劑殘留,隨著印刷速度增大,7種化合物的溶劑殘留量也逐漸增加。由于印刷速度較快不利于印品的干燥,印品中的有機(jī)溶劑不容易揮發(fā),從而導(dǎo)致印品的溶劑殘留量較大。因此,不能只提高印刷速度,應(yīng)該在確保墨層充分干燥的情況下逐漸提高印刷速度。

2.2.4烘干溫度

采用印刷速度為200 m/min對紙進(jìn)行印刷,采用60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃對印品進(jìn)行熱風(fēng)烘干,對比不同烘干溫度下印品的溶劑殘留。溶劑殘留量隨烘干溫度的變化如圖4所示。

圖4　溶劑殘留量隨烘干溫度的變化Fig.4　Variation of solvent residues at different drying temperatures

印刷機(jī)的干燥溫度對溶劑殘留有一定的影響,隨著干燥溫度從60 ℃升高到80 ℃,溶劑殘留量逐漸減小,干燥溫度從80 ℃升高到90 ℃,溶劑殘留量又有所上升。由于印刷速度較快,烘箱干燥時間較短,往往會發(fā)生干燥不徹底的情況,此時即使烘箱干燥溫度設(shè)定得很高,仍然會有較多的溶劑殘留,有些甚至還會造成油墨表面反黏等質(zhì)量問題。

總結(jié)印刷參數(shù)對印刷溶劑殘留量的影響,降低紙類食品印刷包裝材料中溶劑殘留量的方法有以下幾個。

1) 減少印刷面積。印刷面積越大,印刷材料中的溶劑殘留量也越高。因此,在食品紙包裝裝潢設(shè)計中,盡量避免設(shè)計大面積的色塊。在安排印刷色序時,由于大面積色塊的印刷墨層較厚,可以考慮安排在前面的色組先印刷,經(jīng)過后面色組的烘道烘干后,有利于較厚的墨層中溶劑殘留量的進(jìn)一步降低。

2) 降低印刷墨層厚度。對于食品紙包裝,盡量減少印刷墨量,降低墨層的厚度,這樣有利于減少溶劑殘留;在油墨稀釋劑的選擇上,少用高沸點(diǎn)溶劑,多用低沸點(diǎn)溶劑。

3) 印刷速度和烘干溫度要適當(dāng)。印刷速度較快、烘干溫度太高均不利于印品的干燥,印品中的有機(jī)溶劑不容易揮發(fā),因此,在確保墨層充分干燥的情況下可逐漸提高印刷速度。

3　結(jié)　語

本文主要采用頂空-氣相色譜/質(zhì)譜技術(shù)(HS-GC/MS)對餅干紙盒生產(chǎn)中的印刷包裝材料進(jìn)行定性、定量分析,確定不同工藝階段的材料中含有的有機(jī)溶劑的種類和數(shù)量,并且對不同印刷參數(shù)下的溶劑殘留結(jié)果進(jìn)行了測試及對比分析,提出降低紙包裝中溶劑殘留量的方法。

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(責(zé)任編輯王衛(wèi)勛)

Influence of printing process parameters on solvent residues in food paper packaging

XIE Li,YU Jiang,ZHANG Wei,PEI Lu,REN Lu

(School of Printing， Packaging Engineering and Digital Media Technology, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Standard solutions of organic compounds are prepared, with headspace gas chromatography and mass spectrometry technology, eight organic solvents in food paper packaging determined and analyzed. Results show that there are more solvent residues existing in printing ink and fountain solution. Solvent residues and benzenes residues in printed packaging increase with content of printing ink and printing area; a high printing speed is not beneficial to dry printed packaging; drying temperature has a certain influence on solvent residues in paper packaging.

food paper packaging; solvent residue; printing

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.03.017

2016-01-22

西安市碑林區(qū)科技計劃資助項(xiàng)目(GX1507)

謝利,女,副教授,研究方向?yàn)榘b設(shè)計與綠色包裝技術(shù)。E-mail:xnxieli@126.com

O657.7; TS206.4

A

1006-4710(2016)03-0349-05