低密度聚乙烯/線性低密度聚乙烯-納米氧化銅復(fù)合膜中銅向檸檬酸溶液的遷移研究

王琦，胡長(zhǎng)鷹,2*，肖前

1(暨南大學(xué)包裝工程研究所，廣東 珠海， 519070)2(暨南大學(xué) 食品科學(xué)與工程系，廣東 廣州， 510632)3(廣州海關(guān)技術(shù)中心，廣東 廣州， 510623)

低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)和線性低密度聚乙烯(linear low density polyethylene，LLDPE)因其價(jià)格低廉、可回收，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于食品包裝中，兩者復(fù)合既可提高LDPE的機(jī)械性能，又可改善其加工性能[1]。此外，為滿足某些產(chǎn)品更高的使用及儲(chǔ)存需要，功能性增強(qiáng)助劑被加入包裝材料中以改善其相關(guān)性能。有研究表明，納米氧化銅(CuO nanoparticles，CuO-NPs)作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的納米材料，可以為包裝基材提供更好的阻隔、機(jī)械和廣譜抗菌性能[2-7]，同時(shí)當(dāng)遷移出的銅元素在安全范圍內(nèi)，且存在形式對(duì)人體無(wú)害時(shí)，亦可為人體提供人體所需的微量元素銅。但是當(dāng)CuO-NPs以納米形式遷移并存在于食品中時(shí)，納米顆粒會(huì)對(duì)人體健康存在潛在危害[8-9]。目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CuO-NPs的安全使用量及特定遷移量等做出限制，因此需要積累相關(guān)的遷移及安全評(píng)估實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而總結(jié)出CuO-NPs的遷移規(guī)律和安全使用范圍[10]。DUNCAN等[11-12]提出了4D工程納米材料釋放途徑，包括脫附、擴(kuò)散、溶解和基質(zhì)降解。此外，在包裝產(chǎn)品的生命周期中，包裝會(huì)不可避免地受到輻射(例如紫外線、可見光和微波)和加熱條件的影響，因此，了解這些因素對(duì)納米顆粒遷移的影響同樣重要。本實(shí)驗(yàn)的目的是研究納米氧化銅添加量、紫外輻照(UV)對(duì)CuO-NPs遷移行為的影響，探究在一定條件下CuO-NPs從納米復(fù)合膜向5 g/L檸檬酸的釋放途徑，解釋LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)變化與CuO-NPs遷移的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

LDPE母粒(MFI：2 g/10min；密度：0.920 g/cm3；熔點(diǎn)：112 ℃)，陶氏杜邦有限責(zé)任公司；LLDPE粉末(MFI：8 g/10min；密度：0.918 g/cm3)，中國(guó)石化茂名石化有限公司；納米氧化銅粉(平均粒徑40 nm，球形，99%)，上海麥克林生化科技有限公司；65%濃HNO3(優(yōu)級(jí)純)，廣州化學(xué)試劑廠；30%H2O2(優(yōu)級(jí)純)，廣州化學(xué)試劑廠；一級(jí)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；無(wú)水乙醇(分析純)，廣州化學(xué)試劑廠；一水合檸檬酸(優(yōu)級(jí)純)，阿拉丁試劑上海有限公司；聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone，PVP，MW: 40 000)，北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

MEDU-22/40型雙螺桿擠出造粒機(jī)，廣州市普同實(shí)驗(yàn)分析儀器有限公司；小型流延膜實(shí)驗(yàn)機(jī)，佛山市金中河機(jī)械有限公司；ETHOS One微波消解系統(tǒng)，意大利萊伯泰科邁爾斯通儀器有限公司；KMS-181E型加熱恒溫磁力攪拌器，精鑿科技(上海)有限公司；平面袋真空保鮮機(jī)V5，深圳瑞朗克斯科技有限公司；GZX-9240MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；Agilent 5100 型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(inductive coupled plasmaoptical emission spectromety，ICP-OES)，安捷倫科技有限公司；電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；ULTER55 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)，德國(guó)Zeiss Jena Carl公司；VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)，德國(guó)布魯克公司；DSC1型差示掃描量熱儀(DSC)，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；Evolution 201型紫外-可見光光譜儀，美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 納米氧化銅的改性

為了穩(wěn)定納米顆粒，避免納米顆粒團(tuán)聚[13]，使用PVP修飾CuO-NPs。首先將3 g PVP (CuO-NPs的15%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))加入到200 mL超純水中，電磁攪拌器在50 ℃條件下均勻攪拌5 min后加入20 g CuO-NPs，混合物在50 ℃下繼續(xù)攪拌30 min。將均勻混合的溶液移入離心管中，以9 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心30 min，棄上清液，收集沉積物并將其置于烘箱中，在80℃下干燥1 h。最后，研磨并避光封存改性后的納米氧化銅粉末。

1.3.2 復(fù)合膜的制備

首先，將LLDPE粉末和CuO-NPs(質(zhì)量比為40∶1和20∶1)在一個(gè)干凈的密封袋中混合，直到納米顆粒均勻地分布在LLDPE粉末中(當(dāng)LLDPE與納米氧化銅顆?；旌衔锍示鶆虻幕疑勰r(shí)，認(rèn)為混合均勻)。將為4∶1的LDPE和LLDPE-CuO-NPs用雙螺桿擠出造粒機(jī)進(jìn)行3次混合造粒。料筒一區(qū)至九區(qū)的溫度分別為150、155、165、165、175、175、165、165、155和150 ℃。主螺桿轉(zhuǎn)速為50.0 r/min，進(jìn)給螺桿轉(zhuǎn)速為15.0 r/min。造粒完成后，使用小型流延膜實(shí)驗(yàn)機(jī)制備LDPE/LLDPE-CuO-NPs雙層復(fù)合膜，一層為空白LDPE膜(無(wú)CuO-NPs)，另一層為L(zhǎng)DPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜(0.5% CuO-NPs和1% CuO-NPs)，并分別命名為“0.5%CuO-film”“1%CuO-film”，而空白膜命名為“Blank film”。擠出區(qū)、合流區(qū)和模具的加工溫度分別為170、185和190 ℃。擠出機(jī)和包裝機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速分別為5.0和10.0 r/min。

1.3.3 復(fù)合膜中銅真實(shí)含量的測(cè)定

測(cè)定方法參照石玉杰等[14]的方法進(jìn)行。

1.3.4 遷移研究

由于檸檬酸在許多果汁、飲料及果味食品中廣泛使用，則根據(jù)GB 5009.156—2016選擇5 g/L檸檬酸作為食品模擬物。膜的遷移試驗(yàn)依照GB/T 23296.1—2009進(jìn)行，LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜被制成有效遷移面積為6 cm × 10 cm的遷移袋(所取薄膜通過(guò)測(cè)量樣品四角和中心厚度，滿足厚度為(0.059±0.002) mm，且質(zhì)量(0.67±0.01) g，盛有30 mL食品模擬物(即表面積-體積比為2 dm2食品接觸面積-100 mL食品模擬物)[15]，CuO-NPs復(fù)合層作為內(nèi)層與食品模擬物接觸。

此外，為了研究UV照射對(duì)納米復(fù)合材料中CuO-NPs遷移的影響，將薄膜置于254 nm UV照射下1 h作為實(shí)驗(yàn)組。樣品分別命名為0.5%CuO-C、0.5%CuO-UV、1%CuO-C和1%CuO-UV，其中“UV”表示UV照射，“C”表示對(duì)照組。

遷移試驗(yàn)在70 ℃下進(jìn)行，待達(dá)到特定的時(shí)間點(diǎn)后，快速收集模擬物，冷卻后無(wú)需前處理，直接用ICP-OES 測(cè)定遷移液中銅的濃度，每組3個(gè)平行。遷移實(shí)驗(yàn)前，用無(wú)水乙醇擦拭干凈的棉花，以避免表面污染物的干擾。ICP-OES的工作參數(shù)依據(jù)LIU[16]的參數(shù)設(shè)置。遷移量按照公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Ci，ICP-OES法檢測(cè)食品模擬物中銅的質(zhì)量濃度，μg/mL；V，為食品模擬物的體積，mL；A，材料與食品模擬物接觸面積，dm2。

值得注意的是，ICP-OES測(cè)定的結(jié)果為總的銅元素，即包括以各種形式存在的銅元素。

1.3.5 復(fù)合膜的表征

1.3.5.1 紅外光譜分析

在衰減全反射模式下獲得紅外光譜。每個(gè)光譜在透射模式下進(jìn)行32次掃描，在400～4 000 cm-1范圍內(nèi)分辨率為2 cm。

1.3.5.2 紫外-可見光光譜分析

利用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定了LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜的紫外-可見光透過(guò)率，測(cè)量范圍為200～800 nm。

1.3.5.3 熱性能分析

采用DSC測(cè)定LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜的熔融溫度Tm和結(jié)晶度Xc的變化。取5～10 mg的樣品，裝入帶蓋鋁坩堝中，設(shè)備從25 ℃以10 ℃/min的升溫速率加熱至140 ℃，N2氣相流速為50 mL/min。為了得到遷移條件對(duì)薄膜的影響，記錄了第1次升溫曲線。結(jié)晶度的計(jì)算的比例融合加熱的樣品和100%結(jié)晶聚乙烯(ΔH100%)[17]。ΔH100%基于參考293 J/g[18]。

1.3.5.4 形貌分析

利用FE-SEM對(duì)改性CuO-NPs和LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜進(jìn)行了形貌分析，以觀察納米氧化銅粒子的原始形態(tài)及遷移測(cè)試前后其在LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜中的分布。取大小約0.6 cm×0.6 cm，重約0.001 6 g的LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜來(lái)觀察復(fù)合膜表面；取遷移前后復(fù)合膜，用陶瓷剪刀截取斷面，觀察遷移前后納米氧化銅在截面上的分布情況。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

使用Origin Pro 9.1解釋數(shù)據(jù)。采用SPSS 20軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用T檢驗(yàn)，取95%置信度，即當(dāng)P<0.05時(shí)2組數(shù)據(jù)存在顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合膜中納米氧化銅真實(shí)含量的測(cè)定

復(fù)合膜中CuO-NPs的初始濃度如表1所示(此處認(rèn)為氧化銅與ICP-OES所測(cè)得的銅含量摩爾比為1∶1)。CuO-NPs的損失可能是由于它們?cè)谥圃爝^(guò)程中附著在容器和機(jī)器上[19]。

表1 LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜中CuO納米粒子的初始濃度(n=3)Table 1 The initial concentration of CuO nanoparticles in LDPE/LLDPE-nano CuO composite films (n=3)

2.2 復(fù)合膜的表征

2.2.1 紅外光譜分析

由圖1可知，與空白膜相比，LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜的峰沒有發(fā)生位置變化，也沒有新的峰生成。紅外光譜圖中，717 cm-1處是C—H的搖擺彎曲振動(dòng)峰；1 463 cm-1處是C—H鍵的變形振動(dòng)峰；2 851 cm-1，2 919 cm-1分別為C—H鍵的對(duì)稱、不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰[20]。這說(shuō)明CuO-NPs的加入以及UV照射都沒有促使新的化學(xué)鍵生成。以Blank film的4個(gè)峰強(qiáng)度做參比，在統(tǒng)一基線后，分別將4種膜的對(duì)應(yīng)峰強(qiáng)度與之作比，得到在不同條件下各個(gè)峰的相對(duì)強(qiáng)度變化，結(jié)果如圖1-b所示，當(dāng)實(shí)驗(yàn)組化學(xué)鍵振動(dòng)強(qiáng)度大于空白組時(shí)，相對(duì)強(qiáng)度值大于1；反之，則小于1。由圖1-b可以看到，CuO-NPs的加入，使C—H的搖擺彎曲振動(dòng)和變形振動(dòng)減弱而使C—H鍵的對(duì)稱和不對(duì)稱伸縮振動(dòng)增強(qiáng)；UV照射使C—H的搖擺彎曲振動(dòng)、變形振動(dòng)、對(duì)稱和不對(duì)稱伸縮振動(dòng)均減弱，且UV照射后，1%CuO-film中4個(gè)特征峰的振動(dòng)強(qiáng)度減弱程度更深，由此推斷UV照射破壞了聚乙烯分子鏈，使4種振動(dòng)峰強(qiáng)度均減弱。

a-紅外光譜；b-主要吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度比較圖1 遷移前CuO-NPs初始濃度和紫外輻照對(duì)LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜紅外光譜的影響Fig.1 Effects of initial concentration of CuO-NPs and UV irradiation on FTIR spectra of LDPE/LLDPE-nano CuO composite films before migration

2.2.2 紫外-可見光光譜分析

遷移前，LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜的紫外-可見光阻隔性比空白膜提高了10%～15%，其中CuO-NPs添加量為1%時(shí)，阻擋紫外線的能力更強(qiáng)(圖2)。SWARLP等[21]也發(fā)現(xiàn)因?yàn)镃uO-NPs的存在，納米復(fù)合膜的紫外線阻隔性能提高。

圖2 遷移前納米氧化銅添加量對(duì)薄膜的紫外-可見透射率的影響Fig.2 UV-vis transmittance differences between films with different concentrations of CuO nanoparticles before migration

2.2.3 熱性能分析

如圖3所示，CuO-NPs的存在提高了聚乙烯基體的結(jié)晶度(Xc)，但2種納米氧化銅復(fù)合膜的Xc差異不顯著。另外，與空白膜相比，CuO-NPs的加入使LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜的熔融溫度略微升高。

圖3 空白膜和LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜的DSC分析Fig.3 DSC analysis of Blank film and LDPE/LLDPE-nano CuO composite films

2.2.4 形貌分析

FE-SEM圖像(圖4)顯示了改性CuO-NPs的形貌及其在薄膜表面的分布。由圖4-b可看到直徑約為40 nm的改性球形納米氧化銅顆粒團(tuán)聚在一起，由圖4-c和圖4-d可以看出，1%CuO-film表面的CuO-NPs尺寸大于0.5%CuO-film表面的CuO-NPs尺寸。在材料制備過(guò)程中，由于納米尺寸小比表面積大的原因，難免會(huì)出現(xiàn)CuO-NPs聚集，添加濃度越高，聚集概率越大。

a-Blank film；b-改性CuO-NPs；c-0.5 %CuO-film；d-1%CuO-film圖4 FE-SEM電鏡圖Fig.4 FE-SEM micrographs

2.3 遷移結(jié)果

2.3.1 LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜中銅向5 g/L檸檬酸中的遷移

70 ℃ 下，LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜中銅向5 g/L檸檬酸中的遷移隨時(shí)間的變化如圖5所示。在未經(jīng)過(guò)UV處理的情況下，24 h內(nèi)銅的遷移量隨著時(shí)間的推移而增加，0.5%CuO-film中銅的遷移量比1%CuO-film中銅的遷移量多(P<0.05)。可以認(rèn)為，薄膜表面尺寸較大的CuO團(tuán)聚物需要更長(zhǎng)的時(shí)間溶解成較小尺寸的NPs及銅離子一并進(jìn)入到食品模擬物中，而小尺寸的CuO顆粒會(huì)更容易脫落至食品模擬物中[22]。在本實(shí)驗(yàn)條件下，銅的遷移量是5.92～33.83 μg/dm2膜，對(duì)應(yīng)0.99～5.64 μg/kg食物(按照GB 31604.1—2015，每6 dm2食品接觸材料對(duì)應(yīng)1 kg食物)。

圖5 初始CuO濃度和UV預(yù)處理對(duì)LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜中銅向5 g/L檸檬酸釋放的影響 (70 ℃，n=3，曲線由冪函數(shù)方程擬合)Fig.5 Impacts of initial CuO concentrations and UV pretreatment on copper release from LDPE/LLDPE-nano CuO composite films in 5 g/L citric acid at 70 ℃ (n=3)fitted with power function

2.3.2 紫外處理對(duì)納米氧化銅復(fù)合膜中銅的遷移影響

紫外照射常用于食品或包裝材料殺菌。由圖5可以看出，UV預(yù)處理加速了銅的遷移。具體來(lái)說(shuō)，UV照射后，1%CuO-film中銅的遷移量是0.5%CuO-film中遷移出的銅的2倍。其可能的原因是CuO-NPs可以促進(jìn)LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜的光降解。當(dāng)UV照射CuO-NPs時(shí)，促進(jìn)活性氧(reactive oxygen species，ROS)的生成，ROS可以攻擊鄰近的聚合物鏈，形成以碳為中心的自由基，從而依次衍生出其他自由基和衍生物[23]，破壞高分子鏈，導(dǎo)致Xc的下降。隨著CuO-NPs含量的增加，產(chǎn)生的ROS增加，使聚乙烯基體的Xc降低，這意味著在基體內(nèi)產(chǎn)生了更多的自由體積。HAN等[24]在對(duì)聚乙烯-納米黏土復(fù)合材料的研究中也得出了同樣的結(jié)論，即紫外線照射能夠改變LDPE薄膜的物理、結(jié)構(gòu)和熱特性，從而誘導(dǎo)納米顆粒的釋放。

2.4 納米氧化銅遷移機(jī)理推斷

3 結(jié)論

納米復(fù)合膜上CuO-NPs和團(tuán)聚體的尺寸和分布影響銅的遷移速度和遷移量。CuO-NPs會(huì)通過(guò)表面溶解、脫落，釋放到食品或食品模擬物中；薄膜表面的孔洞、缺陷以及聚合物內(nèi)部的自由體積也可為食品模擬物提供了滲透到聚合物內(nèi)部的通道，從而影響銅的釋放。LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜在紫外線和可見光阻隔方面表現(xiàn)出良好的性能，但CuO-NPs可以吸收UV并產(chǎn)生ROS，引起聚乙烯基體的光降解，進(jìn)而促進(jìn)銅的遷移。因此，在對(duì)納米氧化銅復(fù)合膜進(jìn)行滅菌時(shí)，應(yīng)優(yōu)化紫外線照射的條件。與此同時(shí)，確保消費(fèi)者安全的方法是將離子銅的釋放量控制在最低水平(即使在極端的使用條件下)，并排除CuO-NPs的釋放，因?yàn)槟壳癈uO-NPs對(duì)人體的潛在毒性研究較少，仍需要引起警惕。

a1-遷移試驗(yàn)前的0.5%CuO-film橫截面; b1-遷移試驗(yàn)前的1%CuO-film橫截面; a2-24 h遷移試驗(yàn)后的0.5%CuO-film橫截面(虛線表示空白層與納米氧化銅復(fù)合層的原始邊界); b2-24 h遷移試驗(yàn)后的1%CuO-film橫截面(虛線表示空白層與納米氧化銅復(fù)合層的原始邊界); c-0.5%CuO-film的納米氧化銅復(fù)合層橫截面(方塊為納米復(fù)合膜表面到內(nèi)層的部分通道);d-顯微照片0.5%CuO-film(方塊顯示顆粒附近的一個(gè)切口)圖6 FE-SEM電鏡圖Fig.6 FE-SEM micrographs

圖7 遷移后LDPE/LLDPE-納米氧化銅復(fù)合膜的紅外光譜圖Fig.7 FTIR spectra of LDPE/LLDPE-nano CuO composite films after migration