納米二氧化鈦改性LDPE薄膜中納米鈦粒子在食品模擬物中的遷移研究

黃皓，李莉，秦雨，羅自生，陳杭君，茹巧美

（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 310058）（2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，浙江杭州 310021）（3.杭州萬向職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310023）

低密度聚乙烯（LDPE）膜是一種廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域的包裝材料，具有良好的阻水和阻氣性[1,2]。然而，由于LDPE膜的韌性、熱穩(wěn)定性、抗菌性的不足，它的應(yīng)用受到了一定的限制。Chaudhry等[3]研究證實(shí)運(yùn)用納米技術(shù)能夠有效地克服普通LDPE膜存在的不足。目前研究較多的納米材料是納米二氧化鈦。金蓓等[4]研究表明納米二氧化鈦具備良好的抗菌性。張榮飛等[5]研究證實(shí)采用納米TiO2/SiO2復(fù)合膜對雙孢菇的保鮮效果顯著。Luo等[6]研究發(fā)現(xiàn)納米TiO2改性LDPE膜能夠維持南美白對蝦的品質(zhì)，延長其貨架壽命。羅自生等[7]研究表明納米二氧化鈦改性LDPE膜具有比普通LDPE膜更好的保鮮效果。Xing等[8]則研究證實(shí)利用納米二氧化鈦改性聚合膜，能夠提升膜的抑菌能力以及物理性能。

但是，在加工或者貯藏過程中，用于改性的納米粒子有可能會(huì)遷移到食品中，引起食品安全問題[9]。鑒于從納米改性膜（NMFs）中遷移出的納米粒子的潛在毒性，納米粒子的遷移問題逐漸成為研究熱點(diǎn)。von Goetz等[10]便研究了納米銀粒子在食品模擬物中的遷移情況。根據(jù)歐洲食品安全局發(fā)布的(EU) No.10/2011規(guī)定納米改性包裝材料必須進(jìn)行遷移實(shí)驗(yàn)。為了驗(yàn)證納米二氧化鈦改性LDPE膜的安全性，本研究將選取四種食品模擬物，采用(EU) No. 10/2011規(guī)定的方法進(jìn)行遷移實(shí)驗(yàn)，探究不同食品模擬物及不同溫度對納米粒子遷移規(guī)律的影響，并探究微波和紫外處理對遷移量的影響，旨在為納米二氧化鈦改性膜的應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

LDPE樹脂，購于中國石化茂名分公司；納米二氧化鈦，購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；鈦酸酯偶聯(lián)劑，購于南京道寧化工有限公司；蒸餾水、冰醋酸、無水乙醇、優(yōu)級純濃硝酸、30%過氧化氫，購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HAAKE Polylab OS雙螺桿擠出機(jī)，德國Thermo Electron GmbH公司；KE19單螺桿擠出機(jī)，德國Brabender儀器公司；JEM-1200EX透射電子顯微鏡，日本JEOL公司；HH-2恒溫水浴箱，浙江俊思儀器設(shè)備廠；Nexlon 300XX電感耦合等離子體質(zhì)譜，美國PE公司；ETHOS ONE高壓微波消解儀，中國milestone公司；UPW-I-60/90Z優(yōu)普定量分析型超純水機(jī)，西安優(yōu)普儀器設(shè)備有限公司；WD800ASL23-3微波爐，廣東格蘭仕公司；30W/G30T8低壓汞蒸氣紫外放電殺菌燈，荷蘭Philips公司；TAINA TN-2254手持式紫外線，臺(tái)灣TAINA公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 納米二氧化鈦改性膜的制備

本實(shí)驗(yàn)采用鈦酸酯偶聯(lián)劑改性納米二氧化鈦，于高速混合機(jī)內(nèi)加入LDPE樹脂和改性納米二氧化鈦，混合均勻。利用雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行造粒，進(jìn)料速率1.5 kg/h，進(jìn)料到模頭的溫度分別為180 ℃、190 ℃、200 ℃和210 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速300 r/min。所得造粒和LDPE樹脂再次混合進(jìn)行二次造粒。再利用單螺桿擠出機(jī)制備改性膜，進(jìn)料到模頭的溫度分別為200 ℃、200 ℃、200 ℃和210 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速40 r/min。制備所得的納米二氧化鈦改性LDPE膜厚度為40±2 μm。在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，對比了納米二氧化鈦添加量為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%改性膜的力學(xué)性能、透氣性、透濕性及透光率等性質(zhì)，結(jié)果顯示1%添加量的納米二氧化鈦改性膜性能最好，因此采用添加量為1%的納米二氧化鈦改性LDPE膜和普通LDPE膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 納米二氧化鈦改性膜內(nèi)部納米粒子分散性表征

采用透射式電子顯微鏡對納米粒子分散性進(jìn)行表征。將干燥的樣品膜置于碳包覆銅網(wǎng)格上，于75 kV的加速電壓下進(jìn)行透射電子顯微觀測。

1.3.3 樣品的消解

參考余優(yōu)軍[11]的方法，將納米二氧化鈦改性LDPE膜和普通LDPE膜剪成1 cm×1 cm的碎片。取0.1 g樣品碎片于聚四氟乙烯微波消解罐中，加入6 mL濃HNO3和2 mL H2O2后，置于微波消解儀中進(jìn)行消解。設(shè)置消解功率為1000 W，壓力為3.5 MPa。消解溫度在10 min內(nèi)上升至150 ℃后在10 min內(nèi)上升至210 ℃，保持10 min。消解完畢后冷卻1 h，再次加熱除去殘余的酸。最后將消解液加入100 mL比色管中定容。采用ICP-MS測定Ti的初始濃度。

使用帶有微量霧化器的噴射器將消解液加入ICP-MS儀器中，噴霧室冷至2 ℃。運(yùn)載氣體為氦氣。采用帶有樣品溶液的蠕動(dòng)泵加入1 μg/mL的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)液鈧。ICP-MS參數(shù)設(shè)置：射頻功率為1100 W，等離子體氣體流動(dòng)速率為16.0 L/min，霧化器流速0.91 L/min，測量模式為KED模式，測定同位素為Ti47。

ICP-MS測得Ti濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線為：

y(μg/L)=845.73x+702.19(R2=0.9994)

這表明檢測強(qiáng)度與Ti濃度呈正相關(guān)關(guān)系。采用換算公式：

將Ti濃度的單位由μg/L轉(zhuǎn)換為mg/kg。最終Ti的遷移結(jié)果全部采用mg/kg表示。

圖1 Ti濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard curve of Ti

1.3.4 遷移實(shí)驗(yàn)

根據(jù)歐盟法規(guī)（EU）NO. 10/2011，采用蒸餾水、3%乙酸溶液（m/V）、10%乙醇溶液（V/V）、95%乙醇溶液（V/V）分別作為中性、酸性、脂肪性和酒精性食品模擬物。先用蒸餾水將樣品膜洗凈，剪成3.5 cm×3.5 cm的碎片。將0.1 g樣品碎片分別放入裝有50 mL食品模擬物的玻璃瓶后，置于恒溫水浴鍋中進(jìn)行的遷移反應(yīng)。溫度和時(shí)間設(shè)置如下：在40 ℃下分別進(jìn)行2 h，1、4、7 d的遷移實(shí)驗(yàn)，在70 ℃下進(jìn)行2 h的遷移實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)結(jié)束后將樣品膜取出，采用ICP-MS測定食品模擬物中的Ti濃度。

1.3.5 微波處理對納米鈦粒子遷移的影響

將樣品膜剪成3.5 cm×3.5 cm的碎片。分別取0.1 g樣品碎片，放入裝有50 mL中性和酸性食品模擬物的容器中，單面接觸。采用250 W和600 W的微波功率處理6 min。反應(yīng)結(jié)束后，取出樣品膜，利用ICP-MS測定食品模擬物中的Ti濃度。

1.3.6 紫外處理對納米鈦粒子遷移的影響

采用低壓蒸汽紫外殺菌燈（燈管直徑2.4 cm，長度89 cm，功率30 W，波長254 nm）作為紫外光源。將樣品膜剪成3.5 cm×3.5 cm的碎片。分別取0.1 g樣品碎片置于紫外強(qiáng)度6 W/m2的紫外光源下，于40 ℃分別反應(yīng)0、8、40 h。紫外處理結(jié)束后，將樣品置于酸性模擬物中在40 ℃下遷移1 d，最后將樣品膜取出，利用ICP-MS測定食品模擬物中的Ti濃度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

各指標(biāo)測定均重復(fù)3次，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 20軟件進(jìn)行，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)方差來表示。采用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米改性膜中納米粒子的分布

圖2 普通LDPE和納米二氧化鈦改性LDPE膜的透射電鏡圖Fig.2 TEM images of normal LDPE and nano-TiO2 modified LDPE films

如圖2所示，納米二氧化鈦粒子均勻地分布于改性膜中，無團(tuán)聚現(xiàn)象。在透射式電子顯微鏡下觀測到的納米二氧化鈦粒子的粒徑約為100 nm。這表明納米二氧化鈦在加入LDPE膜后仍然保持納米尺寸。

這是由于經(jīng)過鈦酸酯偶聯(lián)劑的改性，納米二氧化鈦粒子由親水性變?yōu)槭杷裕?LDPE樹脂是非極性聚合物，使其能在LDPE膜中充分分散，保持原有的納米尺寸[12]。

2.2 40 ℃下納米鈦粒子的遷移情況

普通LDPE膜和納米二氧化鈦改性LDPE膜中初始的Ti濃度分別為44.49 mg/kg和5013.80 mg/kg。如圖3所示，在四種食品模擬物中，改性LDPE膜中鈦的遷移量高于普通LDPE膜。這表明較高的鈦遷移量是源自用于改性的納米二氧化鈦。Cushen等[13]研究表明納米復(fù)合材料中納米粒子的遷移量與所加入納米粒子的百分比有著高度的相關(guān)性。

由圖3可見，40 ℃下，納米改性膜在酸性食品模擬物中遷移7 d，Ti遷移量為0.61 mg/kg，比40 ℃下遷移1 d升高了26%。在中性食品模擬物中，40 ℃下遷移7 d的Ti遷移量要比遷移1 d的高8%。而在脂肪性和酒精性食品模擬物中，Ti的遷移量較小，而且遷移1 d和7 d的遷移量沒有顯著變化（p>0.05）。這表明在脂肪性和酒精性食品模擬物中，鈦的遷移1 d之內(nèi)便已經(jīng)達(dá)到平衡。這可能是由于非極性的乙醇在膜的表面形成了一層屏障，阻止了外部食品模擬物與納米粒子的直接接觸，使得遷移量顯著降低[14]。

總體而言，納米鈦粒子遷移至食品模擬物中的量僅為膜中初始量的9.6×10-5%～1.2×10-2%，這表明大部分的納米粒子仍然留在膜中。納米鈦粒子的遷移量范圍為0.0046 mg/kg～0.61 mg/kg，低于歐盟規(guī)定所允許的最大遷移量5 mg/kg。

如圖3所示，四種食品模擬物中Ti遷移量由高到低分別為：酸性食品模擬物、中性食品模擬物、酒精性食品模擬物和脂肪性食品模擬物。這表明食品模擬物酸性的升高和極性的增大能夠促進(jìn)納米鈦粒子的遷移。相關(guān)研究顯示，納米銀在酸性模擬物中的遷移量高于中性和酒精性模擬物[15,16]。而在脂肪性食品模擬物中，納米銀改性包裝材料中納米銀粒子遷移量極低[14]。上述研究結(jié)果與本研究結(jié)果相符。

2.3 70 ℃下納米鈦粒子的遷移情況

如圖4所示，在四種食品模擬物中，70 ℃下遷移2 h，納米鈦的遷移量高于40 ℃下遷移2 h。在中性模擬物中，70 ℃下遷移2 h的遷移量比40 ℃遷移2 h提高了748%。酸性模擬物中，70 ℃下遷移2 h的遷移量比40 ℃下遷移2 h提高了653%。

圖3 40 ℃下，普通LDPE膜和納米改性LDPE膜在食品模擬物中遷移1、4、7 d的遷移量Fig.3 Migration of Ti from normal LDPE films and NMFs in food simulants at 40 ℃ for 1, 4 and 7 d

而脂肪性和酒精性食品模擬物中，70 ℃下遷移2 h比40下遷移2 h分別提高了770%與541%。且在70 ℃下遷移2 h的遷移量幾乎能夠達(dá)到40 ℃下遷移1 d的遷移水平。上述結(jié)果表明溫度的升高能夠促進(jìn)納米鈦粒子的遷移。Lin等[17]研究不同溫度下納米二氧化鈦改性聚乙烯膜中鈦的遷移，結(jié)果表明隨溫度的升高，遷移量增大，與本研究結(jié)果一致。

圖4 不同食品模擬物中40 ℃下遷移2 h、1 d和70 ℃下遷移2 h的納米鈦遷移量Fig.4 Migration of Ti from NMFs in different food simulants at 40 ℃ for 2 h, 1 d and 70 ℃ for 2 h

2.4 微波處理對納米鈦粒子遷移的影響

圖5 微波處理下食品模擬物中40 ℃遷移1 d的納米鈦遷移量Fig.5 Migration of Ti from NMFs into food simulants in 40 ℃for 1 d under microwave treatment

如圖5所示，在酸性食品模擬物中，與對照相比，250 W和600 W的微波處理使納米鈦的遷移量分別提高了約8%和21%。而在中性食品模擬物中，250 W和600 W的微波處理則分別使遷移量提高了約5%和8%。這表明微波處理能夠促進(jìn)納米鈦粒子的遷移，而且微波功率越大，促進(jìn)作用越強(qiáng)。這是由于微波處理能夠使溶液和膜之間的相互作用更強(qiáng)烈，從而加速膜的降解，提高納米粒子的遷移量[18]。Echegoyen和Nerín[16]報(bào)道了在用700 W和1000 W微波處理后，納米銀粒子在中性和酸性食品模擬物中的遷移量增加，與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相符。

2.5 紫外處理對納米鈦粒子遷移的影響

圖6 紫外處理下，在酸性食品模擬物中40 ℃遷移1 d的納米鈦遷移量Fig.6 Migration of Ti from NMFs into acidic food simulant in 40 ℃ for 1 d under ultraviolet treatment

如圖6所示，在酸性模擬物中，紫外處理對納米鈦的遷移影響并不顯著。這是由于納米二氧化鈦具有吸收和散射紫外線的能力[19]。因此，紫外處理對于納米二氧化鈦改性LDPE膜的納米鈦粒子遷移影響較小。

3 結(jié)論

本文以納米二氧化鈦改性LDPE膜為研究對象，探究了納米二氧化鈦改性LDPE膜中納米鈦粒子的遷移規(guī)律。采用四種食品模擬物，在不同溫度以及紫外或微波輔助處理下進(jìn)行遷移實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，四種食品模擬物中納米鈦遷移量從高到低依次為：酸性食品模擬物、中性食品模擬物、酒精性食品模擬物和脂肪性食品模擬物。溫度的升高對納米鈦的遷移有促進(jìn)作用。微波處理能夠促進(jìn)納米鈦的遷移，而紫外處理對遷移沒有顯著的影響?？傮w而言納米鈦的遷移量較小，大部分納米粒子仍留在膜內(nèi)，符合（EU）NO.10/2011規(guī)定。因此，納米二氧化鈦改性LDPE膜能夠作為一種安全的食品包裝膜使用。

[1] 宋慕波,方方,羅自生,等.納米二氧化硅改性LDPE膜對貢柑貯藏品質(zhì)的影響[J].食品與機(jī)械,2017,33(1): 114-118

SONG Mu-bo, FANG Fang, LUO Zi-sheng, et al. Effect of nano-SiO2modified LDPE film on postharvest quality of Gonggan [J]. Food and Machinery, 2017, 33(1): 114-118

[2] 王淑娟,程欣,唐亞麗.超高壓處理對LDPE, PA6食品包裝材料包裝性能可逆性的研究[J].現(xiàn)代食品科技,2015,31(6):164-171

WANG Shu-juan, CHENG Xin, TANG Ya-li. Influence of high pressure processing on the reversibility of LDPE and PA6 food packaging materials [J]. Modern Food Science and Technology, 2015, 31(6): 164-171

[3] Chaudhry Q, Scotter M, Blackburn J, et al. Applications and implications of nanotechnologies for the food sector [J]. Food Additives and Contaminants, 2008, 25(3): 241-258

[4] 金蓓,周小松,許旋,等.超聲與光催化作用對大豆蛋白/TiO2復(fù)合膜抗菌特性的影響[J].現(xiàn)代食品科技,2017,33(5):220-227

JIN Bei, ZHOU Xiao-song, XU Xuan, et al. Effects of ultrasonication or photocatalytic pretreatment on antibacterial properties of soy protein/nano-titanium dioxide composite films [J]. Modern Food Science and Technology, 2017, 33(5):220-227

[5] 張榮飛,王相友,劉戰(zhàn)麗.納米TiO2/SiO2復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的表征及其對雙孢菇涂膜保鮮的影響[J].現(xiàn)代食品科技,2014,30(9):134-141

ZHANG Rong-fei, WANG Xiang-you, LIU Zhan-li.Structural characterization of a nano-TiO2/SiO2composite film and its preservative effect on Agaricus bisporus [J].Modern Food Science and Technology, 2014, 30(9): 134-141

[6] Luo Z, Qin Y, Ye Q. Effect of nano-TiO2-LDPE packaging on microbiological and physicochemical quality of Pacific white shrimp during chilled storage [J]. International Journal of Food Science and Technology, 2015, 50(7): 1567-1573

[7] 羅自生,葉輕飏,李棟棟.納米二氧化鈦改性 LDPE薄膜包裝對草莓品質(zhì)的影響[J].現(xiàn)代食品科技,2013,29(10):2340-2344

LUO Zi-sheng, YE Qing-yang, LI Dong-dong. Influence of nano-TiO2modified LDPE film packaging on quality of strawberry [J]. Modern Food Science and Technology, 2013,29(10): 2340-2344

[8] Xing Y, Li X, Zhang L, et al. Effect of TiO2nanoparticles on the antibacterial and physical properties of polyethylene-based film [J]. Progress in Organic Coatings,2012, 73(2): 219-224

[9] Lagaron J M, Cabedo L, Cava D, et al. Improving packaged food quality and safety. Part 2: Nanocomposites [J]. Food Additives and Contaminants, 2005, 22(10): 994-998

[10] von Goetz N, Fabricius L, Glaus R, et al. Migration of silver from commercial plastic food containers and implications for consumer exposure assessment [J]. Food Additives and Contaminants: Part A, 2013, 30(3): 612-620

[11] 余優(yōu)軍,呂飛,楊培玉,等.微波消解ICP-MS法同時(shí)測定涼茶中的六種重金屬元素[J].現(xiàn)代食品科技,2012,11:1603-1605

YU You-jun, LV Fei, YANG Pei-yu, et al. Simultaneous determination of 6 heavy meta elements in herbal tea by ICP-MS with microwave digestion [J]. Modern Food Science and Technology, 2012, 11: 1603-1605

[12] 邢宏龍,徐國財(cái),李愛元,等.納米粉體的分散及納米復(fù)合材料的成型技術(shù)[J].材料導(dǎo)報(bào),2001,15(9):62-64

XING Hong-long, XU Guo-cai, LI Ai-yuan, et al.Development in dispersion of nanoparticles and preparation of organic-inorganic nanocomposites [J]. Materials Review,2001, 15(9): 62-64

[13] Cushen M, Kerry J, Morris M, et al. Migration and exposure assessment of silver from a PVC nanocomposite [J]. Food Chemistry, 2013, 139(1): 389-397

[14] Addo Ntim S, Thomas T A, Begley T H, et al.Characterisation and potential migration of silver nanoparticles from commercially available polymeric food contact materials [J]. Food Additives and Contaminants: Part A, 2015, 32(6): 1003-1011

[15] Busolo M A, Fernandez P, Ocio M J, et al. Novel silver-based nanoclay as an antimicrobial in polylactic acid food packaging coatings [J]. Food Additives and Contaminants,2010, 27(11): 1617-1626

[16] Echegoyen Y, Nerín C. Nanoparticle release from nano-silver antimicrobial food containers [J]. Food and Chemical Toxicology, 2013, 62: 16-22

[17] Lin Q B, Li H, Zhong H N, et al. Migration of Ti from nano-TiO2-polyethylene composite packaging into food stimulants [J]. Food Additives and Contaminants: Part A,2014, 31(7): 1284-1290

[18] Alin J, Hakkarainen M. Migration from polycarbonate packaging to food simulants during microwave heating [J].Polymer Degradation and Stability, 2012, 97(8): 1387-1395

[19] Li H, Deng H, Zhao J. Performance research of polyester fabric treated by nano titanium dioxide (Nano-TiO2)anti-ultraviolet finishing [J]. International Journal of Chemistry, 2009, 1(1): 57