不同結(jié)構(gòu)納米銅/PP復(fù)合膜中銅向食品模擬物的遷移

石玉杰，胡長鷹,2*，姜紫薇,張策，趙泉

1(暨南大學(xué) 食品科學(xué)與工程系，廣東 廣州,510632)2(廣東省普通高校產(chǎn)品包裝與物流重點實驗室，廣東 珠海,519070) 3(暨南大學(xué) 包裝工程研究所，廣東 珠海，519070)4(廣東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術(shù)中心,廣東 廣州,510623)

與常規(guī)銅粉相比，納米銅粉(10～100 nm)不僅具有尺寸小、比表面積大、吸附能力強、抗菌性強、量子尺寸效應(yīng)等較優(yōu)異的特性，而且成本低，資源豐富，近年來在食品包裝領(lǐng)域備受關(guān)注[1-4]，劉芳等[5]研究了用納米銅/低密度聚乙烯材料在食品中的遷移規(guī)律。

聚丙烯(PP)的透明度高、光潔、加工性好，和其他塑料相比具有優(yōu)異的綜合性能，目前在食品包裝領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[6]。按照分子鏈組成及序列結(jié)構(gòu)的不同可分為均聚聚丙烯(PP-H)、無規(guī)共聚聚丙烯(PP-R)和嵌段共聚聚丙烯(PP-B)3種，這3種材料結(jié)構(gòu)的差異使他們具有不同的應(yīng)用特性。在食品包裝領(lǐng)域,目前聚合物為基底的納米復(fù)合材料[7-8]研究較多，如將納米銅粉加入到聚丙烯材料中進行熔融復(fù)合，從而賦予新材料具有納米銅的表面性質(zhì)，表現(xiàn)出優(yōu)良的抑菌性，力學(xué)性能和透氣性等[9]。因此，納米銅在食品抗菌活性包裝和復(fù)合增強型包裝中具有廣闊的應(yīng)用前景。

隨著納米材料越來越廣泛地應(yīng)用在生產(chǎn)和生活中，其安全性問題也日益凸顯，關(guān)于納米材料包裝中納米顆粒向食品遷移的動力和趨勢及其對人體健康的影響已得到了初步研究證實[10-11]。但是，目前有關(guān)納米銅復(fù)合包裝中銅的安全性研究較少，現(xiàn)已有國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5009. 60—2003以及歐盟塑料食品接觸材料法規(guī)EU 2016/1416規(guī)定塑料及制品中銅的遷移量，對遷移試驗的測試條件進行了詳盡的說明[12-13]；劉芳[5, 14]建立了電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(inductively coupled plasma optical emission spectrometry, ICP-OES)和石墨爐原子吸收光譜法(graphite furnace atomic absorption spectrometry, GFAAS)檢測納米銅/低密度聚乙烯中銅向食品模擬物遷移量，又探究了遷移時間、溫度、材料中納米銅的添加量以及食品模擬物對銅遷移的影響。以上研究僅針對聚乙烯材料，為進一步探討納米金屬從聚烯烴材料向食品(或食品模擬物)的遷移行為與安全隱患，本實驗選取納米銅粉以及偶聯(lián)劑(KH550)處理后的納米銅粉，將其添加于PP-H，PP-B，PP-R母粒中，制作成膜，測定復(fù)合膜中銅的初始含量，并分別在常規(guī)避光和無氧避光條件下存儲，研究不同儲存條件下銅向不同食品模擬物的遷移，重點考察材料結(jié)構(gòu)對遷移的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

3種PP母粒，均由中國石油化工股份有限公司上海分公司提供；3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)(98%)、納米銅粉末(平均粒徑50 nm,99%)，阿拉丁試劑上海有限公司；冰乙酸、濃HNO3(分析純)，廣州化學(xué)試劑廠；30% H2O2(優(yōu)級純)，廣州化學(xué)試劑廠；超純水(18.2 MΩ/cm)由MILLIPORE純水系統(tǒng)制得；銅標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL)，阿拉丁試劑上海有限公司；30型脫氧劑，杭州綠源出品。

1.2 儀器與設(shè)備

35型同向平行雙螺桿混煉擠出造粒機,南京科倍隆機械有限公司；FYC-25 型小型吹膜機,廣州市金方圓機械制造有限公司；THERMO iCAP6500電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、PinAAcle900H 石墨爐原子吸收光譜儀配AS900自動進樣器,美國Perkin Elmer儀器有限公司；微波消解儀，意大利Milestone儀器有限公司；HH-S4二列四孔水浴鍋，鞏義予華儀器責(zé)任有限公司；Milli-Q Integral 10 超純水機，美國Millipore有限公司；90-2型定時恒溫磁力攪拌器,上海滬西分析儀器有限公司；101A-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱,上海實驗儀器廠有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 膜的制備

根據(jù)本課題組的研究[15]及其他相關(guān)文獻的報道[16]，先將PP母粒同納米銅粉及經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH550處理后的納米銅粉[14]混勻，通過造粒機3次造粒，得到納米銅/PP復(fù)合母粒，料筒一區(qū)至九區(qū)溫度分別為：190、200、210、210、210、210、210、210和200 ℃；模頭溫度為200 ℃。最后將制得的復(fù)合母粒填入小型吹膜機中，吹塑得到相應(yīng)的納米銅/PP復(fù)合膜，吹膜機一區(qū)～四區(qū)的溫度均為200 ℃。

1.3.2 初始含量的測定

將制得的復(fù)合膜裁成3 cm × 3 cm大小，稱取約0.1 g 左右的復(fù)合膜置于聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL濃HNO3溶液和2 mL H2O2溶液后蓋上內(nèi)蓋，將消解罐置于耐外壓罐中擰緊螺帽在微波消解儀中進行消解，同時做空白實驗，微波消解程序如表1。

表1 微波消解程序

待完全消解后，用超純水將消解液定容至100 mL，并用ICP-OES進行測定。

1.3.3 遷移實驗

根據(jù)歐盟法規(guī)EU 2016/1416中規(guī)定，選擇20、40、70 ℃作為遷移溫度，30 g/L的乙酸用來模擬酸性食品，超純水用來模擬水性食品。

1.3.3.1 三種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜中銅向30 g/L乙酸中的遷移

將常規(guī)避光儲存的納米銅/PP復(fù)合膜裁成3 cm×3 cm，取1片復(fù)合膜放入具塞玻璃三角瓶中，分別加入15 mL的30 g/L乙酸，分別在20、40、70 ℃時進行遷移，待達(dá)到特定的時間后，將薄膜取出，冷卻后用ICP-OES進行測定，每組3個平行，同時做空白實驗。

1.3.3.2 三種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜中銅向超純水中的遷移

根據(jù)1.3.3.1方法，選擇超純水作為食品模擬物，分別進行70 ℃，2 h和40 ℃，10 d的遷移實驗，用GFAAS進行測定，每組3個平行，同時做空白實驗。

1.3.3.3 常規(guī)避光儲存和低氧避光儲存條件下3種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜中銅的遷移

根據(jù)1.3.3.1所示的方法，選擇30 g/L乙酸作為食品模擬物，將兩種不同儲存條件下的復(fù)合膜分別進行70 ℃, 2 h和40 ℃, 10 d的遷移實驗，用ICP-OES進行測定，每組3個平行，同時做空白實驗。

1.3.4 ICP-OES和GFAAS

ICP-OES是測定食品包裝材料中金屬元素的常用方法，本文用ICP-OES 測定復(fù)合膜中銅的含量以及30 g/L乙酸食品模擬物中銅的遷移量，由于銅在超純水食品模擬物中遷移量很小，因此，選擇靈敏度更高的GFAAS來測定超純水食品模擬物中銅的遷移量。

ICP-OES工作參數(shù)：射頻功率1 150 W，蠕動泵泵速50 r/min，輔助氣(Ar)流量0.5 L/min，霧化氣(Ar)流量0.7 L/min，冷卻氣(Ar)流量12 L/min，采樣速率1.0 L/min，檢測波長324.8 nm，積分時間30 s。

GFAAS工作條件：分析波長324.8 nm，燈電流10 mA，狹縫寬度0.7 nm，進樣體積20 μL，基體改進劑體積5 μL。

1.3.5 銅遷移率的計算

(1)

式中：Ci為食品模擬物種納米銅的質(zhì)量濃度，mg/L；V為待測食品模擬物的體積，mL；Co為復(fù)合膜中納米銅的初始含量，mg/kg；m為膜的質(zhì)量，g。

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

用Office軟件Excel和OriginPro 8 對測定的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

用Minitab 17軟件對測定的數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析，采用T檢驗方法，取95%置信度，即當(dāng)p<0.05時有兩組數(shù)據(jù)有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 方法的加標(biāo)回收率和精密度

2.1.1 ICP-OES法

以3種空白PP復(fù)合膜為本底，分別向其中加入適量的銅標(biāo)準(zhǔn)溶液，使加標(biāo)濃度分別為0.02、0.10和0.50 μg/mL，每個水平測定6次，依據(jù)1.3.3.1方法進行實驗，同時做空白實驗。得到加標(biāo)回收率和RSD分別在84.11%～98.71%和1.34%～8.67%之間。

2.1.2 GFAAS法

以3種空白PP復(fù)合膜為本底，分別加入適量的銅標(biāo)準(zhǔn)溶液，使加標(biāo)濃度分別為5.00、15.00和25.00 μg/L，每個水平測定6次，依據(jù)1.3.3.1方法進行實驗，同時做空白實驗，得到加標(biāo)回收率和RSD分別在82.35%～95.12%和1.73%～8.06%之間。

2.2 初始含量的測定

根據(jù)1.3.2方法對納米銅/PP復(fù)合膜以及含KH550的納米銅/PP復(fù)合膜中銅的含量進行測定，檢測結(jié)果如表2所示。不同PP復(fù)合膜中納米銅的含量均低于添加量，這與本課題組先前研究結(jié)果一致[5]。主要是因為納米材料粒徑小、吸附性強，在實驗室制膜的過程中容易吸附在造粒機與吹塑機的料筒中，造成了納米銅的損耗，因此在遷移實驗中計算遷移率時以本法測得含量作為初始含量(Co)。

表2 納米銅/聚丙烯復(fù)合膜中納米銅的含量(n=6)

注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；平行測定6組；-表示數(shù)值低于檢出限。

2.3 遷移結(jié)果

2.3.1 三種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜中銅向30 g/L乙酸中的遷移規(guī)律

A-遷移溫度為20 ℃；B-遷移溫度為40 ℃；C-遷移溫度為70 ℃圖1 納米銅/PP復(fù)合膜中銅向30 g/L乙酸中的遷移(n=3)Fig.1 Migration (%) of copper from nanocopper/PP composite films into 30 g/L acetic acid (n=3)

從圖1可以看出，在溫度一定的情況下，隨著時間的延長，銅的遷移率逐漸增大，直至平衡；溫度越高，銅的遷移率也越大，這符合聚烯烴材料中物質(zhì)遷移的一般規(guī)律。在3種不同的溫度下，當(dāng)遷移達(dá)到平衡時，偶聯(lián)劑KH550的加入對納米銅的遷移率幾乎沒有影響(p>0.05)，而課題組研究了納米銅/低密度聚乙烯膜中銅的遷移[5]，結(jié)果顯示偶聯(lián)劑KH550的加入促進了銅的遷移。因為PP比LDPE的結(jié)晶度高，結(jié)構(gòu)規(guī)整，銅不易遷出，此外偶聯(lián)劑的加入量較少，導(dǎo)致PP中銅遷移時偶聯(lián)劑的作用不明顯，這一現(xiàn)象將進行進一步的研究和優(yōu)化。

3種溫度下，在遷移初期，銅在納米銅/PP-R中的遷移率最大，PP-B次之，PP-H中的遷移率最小, 這與李波的研究結(jié)果一致[6]?？赡茉诳焖龠w移階段，納米顆粒的遷移符合一般的遷移規(guī)律。隨著時間的延長，這種現(xiàn)象逐漸改變，在20 ℃遷移平衡時，納米銅/PP-B中銅的遷移率大于PP-R和PP-H，最大值為3.84%，PP-R和PP-H中銅的遷移率無顯著性差異(p>0.05)。在3種PP中，PP-H的結(jié)晶度最大，其次是PP-B，PP-R的結(jié)晶度最小，結(jié)晶度會影響銅的遷移率。一般而言，結(jié)晶度越大，銅越不容易從復(fù)合膜中遷出，其遷移率就越小。PP-R結(jié)構(gòu)中由于少量的PE無規(guī)地插入PP中使其難以結(jié)晶，結(jié)晶度低，其無定形區(qū)存在于細(xì)小球晶內(nèi)部和球晶之間，使整個形態(tài)結(jié)構(gòu)接近均相體系[17]，所以納米銅/PP-H復(fù)合膜和PP-R中銅的遷移率沒有顯著性差異，而PP-B的嵌段結(jié)構(gòu)使其結(jié)晶度低于均相體系，導(dǎo)致其復(fù)合膜中銅的遷移率更大。40 ℃時，納米銅/PP-H中銅的遷移率最大，PP-R和PP-B中銅的遷移率沒有顯著性差異(p>0.05)；70 ℃時，納米銅/PP-H中銅的的遷移率大于PP-R，而PP-B中銅的遷移率最小。PP-R中含有的乙烯鏈段，破壞了PP的大球晶，使得其缺口沖擊強度比PP-H大，但比PP-B小[18]，溫度的升高可能會使復(fù)合膜缺口邊緣發(fā)生變化，而PP-H受到的影響最大，溶進酸性模擬物中的銅就會越多，遷移率也就越大，40 ℃時PP-R和PP-B受到的影響不明顯，遷移率無顯著性差異(p>0.05)，當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃時，PP-R和PP-B受到的影響也逐漸顯現(xiàn)出來，此時PP-R復(fù)合膜中銅的遷移率大于PP-B(p<0.05)。此前研究較多的是聚烯烴中有機物質(zhì)的遷移，但是對PP中納米顆粒的遷移研究少，納米顆粒的遷移或許不完全符合一般的遷移規(guī)律，可能納米顆粒破壞了PP的結(jié)構(gòu)，才出現(xiàn)了不同的遷移情況，還需要大量的實驗來進一步探究。

2.3.2 三種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜中銅向超純水中的遷移

用GFAAS檢測復(fù)合膜中銅向超純水中的遷移率，結(jié)果如表3所示。當(dāng)遷移條件為70 ℃，2 h和40 ℃，10 d時，納米銅/PP復(fù)合膜的遷移液中均未檢測到銅。由此可見，與水性模擬液相比，酸性模擬液中氫離子更加促進銅從復(fù)合膜中遷出，這一結(jié)論與納米銀、納米氧化鋅以及納米二氧化鈦向食品模擬物中遷移研究結(jié)果類似[19-21]。

表3 復(fù)合膜中銅向超純水中的遷移率

注：-表示數(shù)值低于檢出限。

2.3.3 不同儲存條件下3種結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜中銅向30 g/L乙酸中的遷移

納米銅尺寸小，表面活性高，易氧化，故本實驗設(shè)計了低氧避光和常規(guī)避光2種儲存條件，來研究納米銅/PP復(fù)合膜中銅的遷移，由以上研究可知，30 g/L乙酸更有利于銅的遷移，所以只選擇30 g/L乙酸作為食品模擬物。

如圖2，當(dāng)遷移條件為40 ℃，10 d時，2種儲存條件下銅的遷移率無顯著性差異(p>0.05)。在遷移過程中銅會溶解在食品模擬液中,在40 ℃，10 d時，達(dá)到溶解度，遷移處于平衡狀態(tài)，此時氧氣的影響不明顯，兩類膜中銅的遷移率也就沒有顯著性差異。在70 ℃，2 h時低氧儲存條件下納米銅/PP復(fù)合膜中銅的遷移率均低于常規(guī)儲存下銅的遷移率(p<0.05)。常規(guī)儲存時復(fù)合膜中的銅容易氧化成銅離子，銅離子會和酸性模擬液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而溶于其中，使銅的遷移率增大。

A-遷移條件為40 ℃ 10 d；B-遷移條件為70 ℃ 2 h圖2 不同儲存條件下的納米銅/PP復(fù)合膜中銅向30 g/L乙酸中的遷移(n=3)Fig.2 Migration (%) of copper from nanocopper/PP composite films into 30 g/L acetic acid under different storage conditions (n=3)

3 結(jié)論

溫度越高、儲存時氧氣含量越高，越促進銅的遷移。在酸性食品模擬物中銅的遷移能力大于水性模擬物。溫度不同，平衡時3種結(jié)構(gòu)的PP復(fù)合膜中銅的遷移行為也不同，20 ℃時PP-B中銅的遷移率最大，PP-R和PP-H中銅的遷移率沒有顯著性差異；40 ℃時，PP-H復(fù)合膜中銅的的遷移率最大，PP-B和PP-R中銅的遷移率沒有顯著性差異；70 ℃時，仍然是PP-H復(fù)合膜中銅的遷移率最大，PP-R次之，PP-B中銅的遷移率最小。在納米銅/PP復(fù)合膜中KH550的添加對銅的遷移行為無顯著性影響。對于聚乙烯和聚丙烯復(fù)合膜，溫度、時間以及食品模擬物對銅遷移的影響一致。

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