淀粉基餐勺表征及總遷移檢測(cè)分析

黃鑫茜，余穩(wěn)穩(wěn)，姚皓程，胡長鷹*

1(暨南大學(xué) 食品科學(xué)與工程系，廣東 廣州， 510632) 2(廣州海關(guān)技術(shù)中心國家食品接觸材料檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州， 510075)

一直以來，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚乙烯(polyethylene，PE)和聚丙烯(polypropylene，PP)等石油基塑料由于成本低、加工和使用性能良好而被廣泛使用。然而，石油基塑料的過度使用和遺棄帶來了嚴(yán)重的生態(tài)問題[1-3]。因此，可降解的生物基材料的開發(fā)和使用成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)[4-5]。

淀粉基材料具有來源廣泛、無毒、價(jià)格低廉以及可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，是一種發(fā)展前景良好的生物基材料。目前，我國市場(chǎng)上已有包裝薄膜、農(nóng)用薄膜、一次性餐具和垃圾袋等淀粉基材料[6]。但由于淀粉的疏水性能和機(jī)械加工性能較差，食品接觸用淀粉基材料(如一次性餐具)通常會(huì)以淀粉作為填充材料，與其他高分子材料共混來提高淀粉基材料的使用性能。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為提高淀粉與其他聚合物之間的相容性一般會(huì)加入一定的增塑劑、增容劑和偶聯(lián)劑等添加劑[7]。食品接觸材料在與食品接觸過程中，有意和非有意添加物的遷移會(huì)給食品安全性帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)[8-9]，但是目前我國關(guān)于淀粉基餐具的安全性研究較少。

總遷移量(overall migration quantity)是食品接觸材料到食品或食品模擬物中可遷移的所有不揮發(fā)物質(zhì)的總量，是食品接觸材料及制品的質(zhì)量控制指標(biāo)之一。因其具有操作簡單等特點(diǎn)，通常作為一個(gè)整體篩查的指標(biāo)來初步評(píng)估食品接觸材料物質(zhì)的遷移風(fēng)險(xiǎn)。通過考察總遷移量以及蒸發(fā)殘?jiān)治?，可以幫助判斷淀粉基材料在不同食品模擬物中的遷移情況。因此，本文通過對(duì)一次性淀粉基餐勺進(jìn)行總遷移量分析，測(cè)定一次性淀粉基餐勺在不同食品模擬物中的遷移總量，并推測(cè)其影響機(jī)理，這對(duì)市售的淀粉基餐具安全評(píng)價(jià)和控制有一定的參考意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

餐勺A和B(利用總淀粉試劑盒測(cè)得餐勺A和B的淀粉總含量分別為(40.18±1.03) g/100g、(32.91±5.28) g/100g，江蘇某公司；乙酸、無水乙醇、95%(體積分?jǐn)?shù))乙醇和異辛烷(分析純)，廣州化學(xué)試劑廠；去離子水，由HHitech和泰純水機(jī)制得；普魯蘭標(biāo)準(zhǔn)品，德國PSS公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SQP型電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；BON-250型精密鼓風(fēng)干燥箱，上海三騰儀器有限公司；FW-80型高速萬能粉碎機(jī)，天津泰勒特科技有限公司；EVO MA15型掃描電子顯微鏡，德國蔡司公司；iS50型傅里葉變換紅外光譜，美國賽默飛公司；TGA-DSC 3+型熱綜合分析儀，瑞士梅特勒公司；Waters體積排阻色譜，美國懷雅特科技公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 總遷移實(shí)驗(yàn)

參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB 31604.1—2015[10]中的規(guī)定并結(jié)合餐勺預(yù)期使用情況，總遷移實(shí)驗(yàn)條件為70 ℃，2 h；選取4%(體積分?jǐn)?shù))乙酸為酸性食品模擬物、10%(體積分?jǐn)?shù))乙醇為水性食品模擬物、95%(體積分?jǐn)?shù))乙醇和異辛烷為替代油性食品模擬物。對(duì)于油脂類食品未選擇植物油作為油性食品模擬物而選擇溶劑替代，主要是因?yàn)?5%乙醇和異辛烷為替代油性食品模擬物更能嚴(yán)苛、真實(shí)地反映相應(yīng)食品模擬物遷移狀況。參考SN/T 2824—2011[11]，其中油類食品模擬物在70 ℃, 2 h條件相當(dāng)于95%乙醇(60 ℃，2 h)和異辛烷條件(40 ℃, 0.5 h)。根據(jù)GB 5009.156—2016和GB 31604.8—2016[12-13]進(jìn)行總遷移實(shí)驗(yàn)。按照體積比，配制食品模擬液4%乙酸溶液、10%乙醇溶液。由于無法獲得實(shí)際的S/V或常規(guī)S/V(6 dm2接觸面積對(duì)用1 L或1 kg食品模擬物)，因此調(diào)整S/V，即采用全浸泡法把2個(gè)餐勺浸沒在模擬液200 mL進(jìn)行遷移實(shí)驗(yàn)。在預(yù)定條件下獲得的遷移液200 mL置于已干燥恒重的90 mm玻璃蒸發(fā)皿中，在蒸發(fā)水浴鍋上蒸干，擦去蒸發(fā)皿底部水滴，再放入105 ℃干燥箱中2 h，在干燥器中冷卻0.5 h后稱重。5個(gè)平行，并做空白對(duì)比?？傔w移量的計(jì)算如公式(1)所示：

(1)

式中：X，總遷移量，mg/dm2；m1，餐勺測(cè)定用浸泡液殘?jiān)|(zhì)量，mg；m2，空白浸泡的殘?jiān)|(zhì)量，mg；V，浸泡液總體積，mL；V1，測(cè)定用浸泡液體積，mL；S，餐勺與浸泡液接觸的面積是1.5 dm2。

1.3.2 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)

采用掃描電子顯微鏡對(duì)淀粉基餐勺碎片和從總遷移實(shí)驗(yàn)中得到的蒸發(fā)殘?jiān)M(jìn)行掃描電鏡分析，加速電壓為5 kV。樣品用導(dǎo)電雙面膠粘貼安裝在青銅載物臺(tái)，然后噴涂上一層金(40～50 nm)，使樣品可視化。

1.3.3 傅里葉變換衰減全反射紅外光譜分析(attenuated total reflection Flourier transformed infrared spectroscopy，ATR-FTIR)

采用表面全反射的方法，把淀粉基餐勺碎片和蒸發(fā)殘?jiān)謩e放在FTIR附件晶體表面，調(diào)整壓力板使樣品和晶體表面緊貼，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，掃描次數(shù)為32，掃描范圍450～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1。

1.3.4 熱性能分析(thermogravimetric analysis with differential scanning calorimeter，TGA-DSC)

淀粉基餐勺于高速萬能粉碎機(jī)粉碎得到粉末后，精準(zhǔn)稱取10 mg于坩堝中，在氮?dú)夥諊乱?0 ℃/min的升溫速率從室溫升至600 ℃，得到 TGA-DSC曲線。

1.3.5 體積排阻色譜分析(size-exclusion chromatography，SEC)

參考淀粉分子結(jié)構(gòu)的分析方法[14-15]，準(zhǔn)確稱取10 mg淀粉基餐勺粉末，加入2 mL二甲基亞砜/溴化鋰(5 g/L)溶液?；旌衔锓胖糜趖hermo mixer(80 ℃，300 r/s)條件下恒溫過夜后離心(4 000×g，10 min)，得到上清液。加6 mL無水乙醇到上清液，靜置10 min后繼續(xù)離心(4 000×g，10 min)，得到含淀粉的下層沉淀在80 ℃、2 h、300 r/s條件下重溶解于約1 mL二甲基亞砜/溴化鋰(5 g/L)溶液以進(jìn)行下一步分析。

SEC根據(jù)淀粉的流體力學(xué)半徑(hydrodynamic radius, Rh)對(duì)淀粉進(jìn)行分離后，經(jīng)示差檢測(cè)器檢測(cè)其濃度，并得到其含量分布。在實(shí)驗(yàn)過程中，先根據(jù)已知分子質(zhì)量的普魯蘭標(biāo)準(zhǔn)品建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線后，將待測(cè)物質(zhì)的洗脫體積換算為其立體力學(xué)體積Rh，即是淀粉分子大小。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2013作圖，采用SPSS 25統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析(P<0.05)。所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉基餐勺表征

2.1.1 形貌分析

實(shí)驗(yàn)過程中，采用SEM對(duì)淀粉基餐勺進(jìn)行形貌觀察，結(jié)果如圖1所示。由圖1-a～圖1-d可知，餐勺的表面和斷口面呈現(xiàn)出清晰可見的表面光滑且平整淀粉顆粒，說明淀粉與餐勺中其他組分之間沒有形成致密的結(jié)構(gòu)，兩者界面相容性較差，因此推測(cè)研究的淀粉基餐勺是未經(jīng)過糊化的淀粉作為填充材料與其他材料共同加工而成的一種共混型淀粉基材料[16-17]。

圖1 遷移前淀粉基餐勺表面和斷口面、遷移后及遷移實(shí)驗(yàn) 的蒸發(fā)殘?jiān)黃EM照片
Fig.1 SEM micrographs of the surface and the fracture of starch-based spoons before migration and after the migration experiment as well as the corresponding evaporated residue

2.1.2 熱性能分析

不同的聚合物具有不同的裂解溫度，熱性能分析可以測(cè)定聚合物的裂解溫度和獲得聚合物的失重情況，因此本研究采用熱重分析(thermogravimetric analysis，TGA)來確定淀粉基餐勺中除淀粉之外的主要組分，結(jié)果如圖2所示。餐勺A和B的熱分解過程經(jīng)歷了3個(gè)階段，這與CHEN等[18]關(guān)于淀粉與聚丙烯共混物的TGA的研究結(jié)果相同。在熱分解的第一階段(T≤140 ℃)，主要是水等易揮發(fā)物質(zhì)分解的過程；第二階段(240 ℃≤T≤360 ℃)的質(zhì)量損失主要是由于淀粉的分解過程[19-20]造成的，這與苑春苗等[21]檢測(cè)到的玉米淀粉的主要失重峰溫度范圍266～374 ℃非常相似；第三階段(360 ℃

圖2 淀粉基餐勺的熱重/差示掃描量熱曲線
Fig.2 TGA/DSC of starch-based spoons

2.1.3 ATR-FTIR分析

ATR -FTIR技術(shù)在復(fù)合材料中高分子材料成分的分析應(yīng)用有方法簡單、易操作等明顯優(yōu)勢(shì)[24]，因此本文采用ATR -FTIR技術(shù)對(duì)餐勺A和B表面做進(jìn)一步定性分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，餐勺A和B紅外譜圖中都有聚丙烯的特征峰和淀粉相關(guān)的峰，這一結(jié)果與LINARES等采用FTIR和DSC方法對(duì)聚丙烯和淀粉的的研究結(jié)果相似[25]。因此，結(jié)合TGA-DSC和ATR-FTIR的分析結(jié)果，本文研究的淀粉基餐勺除淀粉之外的另一種主要成分是聚丙烯。

圖3 淀粉基餐勺A和B以及殘?jiān)募t外光譜
Fig.3 ATR-FTIR of starch-based spoons and the evaporated residue from migration

2.2 淀粉基餐勺總遷移檢測(cè)分析

2.2.1 淀粉基餐勺在4種食品模擬物中總遷移檢測(cè)

餐勺在4種食品模擬物中總遷移結(jié)果如圖4-a所示。餐勺A在4%乙酸和10%乙醇的總遷移量分別為(16.05±1.51) mg/dm2和(17.50±1.41) mg/dm2(P>0.05);餐勺B在4%乙酸中的總遷移量為(17.54±1.66) mg/dm2，與餐勺A相比并無顯著性差異(P>0.05)。然而，餐勺B在10%乙醇中的總遷移量為(2.21±0.60) mg/dm2，不僅明顯地低于餐勺A在相同條件下的總遷移量(P<0.01)，還顯著性地低于其在4%乙酸中的總遷移量。此外，餐勺A和B在95%乙醇和異辛烷中的總遷移量都小于3 mg/dm2。

2.2.2 溫度對(duì)淀粉基餐勺在4%乙酸和10%乙醇2種食品模擬物中總遷移的影響

GB 4806.7—2016[26]對(duì)塑料制品中總遷移量的限量標(biāo)準(zhǔn)為10 mg/dm2，餐勺A和B在4%乙酸和10%乙醇中的總遷移量都已超過該標(biāo)準(zhǔn)。本研究通過不同溫度對(duì)餐勺在4%乙酸和10%乙醇2種食品模擬物中總遷移的影響，以進(jìn)一步揭示淀粉糊化特性是否是導(dǎo)致餐勺A和B在該2種食品模擬物中高遷移量的原因。實(shí)驗(yàn)在GB 31604.1—2015基礎(chǔ)上，增加了25、40、55 和85 ℃四個(gè)溫度條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4-b所示。由圖4-b可以看出，總遷移量隨著溫度的升高而增大。當(dāng)溫度達(dá)到85 ℃時(shí)，總遷移量迅速增大。但餐勺B在10%乙醇中的總遷移量總是低于10 mg/dm2。

a-食品模擬物；b-溫度
圖4 淀粉基餐勺A和B在四種食品模擬物與 不同溫度條件下的總遷移
Fig.4 Overall migration from starch-based spoons in four migration conditions, and different temperature

2.2.3 遷移后淀粉基餐勺和蒸發(fā)殘?jiān)蚊卜治?/p>

結(jié)合總遷移實(shí)驗(yàn)和餐勺表征結(jié)果，猜想總遷移結(jié)果主要是受到淀粉的破裂和糊化的影響。因此，通過SEM對(duì)遷移后的餐勺表面進(jìn)行微觀形貌觀察。圖1-e～圖1-h是淀粉基勺子A分別在模擬條件4%乙酸(70 ℃，2 h)、10%乙醇(70 ℃，2 h)、95%乙醇(60 ℃，2 h)和異辛烷(40 ℃，0.5 h)遷移實(shí)驗(yàn)后的SEM表面圖，從圖1-e和圖1-f中可以明顯看到淀粉表面有大量破裂和孔洞現(xiàn)象，這是由于淀粉顆粒在70 ℃高溫下浸泡2 h后的破裂和脫落所引起的。但圖1-g和圖1-h未發(fā)現(xiàn)淀粉并脫落和破裂的情況，并與餐勺A表面圖沒有明顯的差異，以上現(xiàn)象與總遷移結(jié)果一致。

在此基礎(chǔ)上，我們同時(shí)利用SEM對(duì)總遷移實(shí)驗(yàn)收集得到的蒸發(fā)殘?jiān)M(jìn)行分析。由于餐勺B在10%乙醇(70 ℃，2 h)總遷移量過小，無法收集得到其蒸發(fā)殘?jiān)?。因此，僅對(duì)餐勺A在模擬條件4%乙酸(70 ℃，2 h)、餐勺A在模擬條件10%乙醇(70 ℃，2 h)以及餐勺B在模擬條件4%乙酸(70 ℃，2 h)總遷移實(shí)驗(yàn)中得到的蒸發(fā)殘?jiān)M(jìn)行分析，結(jié)果如圖1-h～圖1-j所示。由圖1-h～圖1-j可知，餐勺A和B在食品模擬物中的蒸發(fā)殘?jiān)汲霈F(xiàn)了類似于糊化淀粉的團(tuán)聚物。

2.2.4 蒸發(fā)殘?jiān)ㄐ苑治?/p>

為進(jìn)一步確定殘?jiān)闹饕煞郑€采用了FTIR對(duì)殘?jiān)M(jìn)行定性分析，結(jié)果如圖3所示。通過與關(guān)于淀粉FTIR分析的研究[27-30]對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)殘?jiān)麱TIR具有淀粉的特征吸收峰，其中包括：1 635 cm-1處由淀粉中H—O—H彎曲振動(dòng)而產(chǎn)生的峰、3 284 cm-1處附近由于O—H的伸縮振動(dòng)吸收產(chǎn)生的1個(gè)強(qiáng)且寬的吸收峰、2 926 cm-1處亞甲基C—H的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)而產(chǎn)生的中等強(qiáng)度峰、1 365 cm-1處CH2的彎曲振動(dòng)而產(chǎn)生的小吸收峰、1 015 cm-1和1 077 cm-1處分別由于C—O和C—C的伸縮振動(dòng)而產(chǎn)生的吸收峰以及930 cm-1處淀粉由于非對(duì)稱環(huán)模式(α-1,4糖苷鍵C—O—C)的骨架振動(dòng)而產(chǎn)生的吸收峰。

因此，根據(jù)SEM和FTIR結(jié)果，蒸發(fā)殘?jiān)闹饕煞质堑矸邸?/p>

2.2.5 淀粉基餐勺的淀粉結(jié)構(gòu)分析

通過以上分析，餐勺的總遷移主要是由于淀粉的破裂和脫落引起。考慮到淀粉的糊化過程與淀粉的形狀、淀粉的分子結(jié)構(gòu)和體系中的物質(zhì)等有密切相關(guān)性[31-32]，推測(cè)淀粉的分子結(jié)構(gòu)不同是引起餐勺A和B在10%乙醇食品模擬物中的遷移量具有顯著性差異的重要因素。

本研究利用體積排阻色譜法對(duì)餐勺A和B中的淀粉分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 餐勺A和B中淀粉分子大小分布
Fig.5 Molecular size distributions of starch from spoons

餐勺A淀粉分子主要分布在100 nm內(nèi)，而餐勺B的淀粉分子分布范圍在1～800 nm，可初步推測(cè)餐勺A中含有較高含量的直鏈淀粉或者分子較小的支鏈淀粉，餐勺B含有較多長鏈的支鏈淀粉。餐勺A因其高直鏈淀粉分子之間主要是通過氫鍵鏈接，所以在與水性和酸性食品模擬物的接觸過程中更容易受到pH影響，尤其是在堿性條件下其氫鍵易被破壞。同時(shí)由于淀粉分子較小，更有利于水分子滲入，從而加速淀粉糊化。相反，餐勺B的支鏈分子淀粉比例高、分子較大，容易形成較長的雙螺旋結(jié)構(gòu)使得分子之間的作用力增強(qiáng)以阻止水分?jǐn)U散和滲透，進(jìn)而導(dǎo)致水分子破壞淀粉結(jié)構(gòu)的能力降低，淀粉糊化速率減慢，需要更高的溫度條件來達(dá)到淀粉糊化行為。因此在10%乙醇的模擬條件下，餐勺A淀粉更容易糊化以致于餐勺A的總遷移量更高于餐勺B。

3 結(jié)論

淀粉基餐勺在水性和酸性食品模擬物的總遷移量顯著大于油性食品模擬物，并已超過GB 4806.7—2016對(duì)塑料制品中總遷移量的限量標(biāo)準(zhǔn)10 mg/dm2。淀粉顆粒的破裂和脫落是造成總遷移量增大的主要原因。因此，淀粉基餐勺不適合在高溫條件下與水性食品和酸性食品接觸，從而也說明食品接觸用淀粉基材料與傳統(tǒng)食品接觸用塑料有所差異，但目前還沒有淀粉基食品接觸材料的食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)。

總遷移實(shí)驗(yàn)得到的蒸發(fā)殘?jiān)饕煞质堑矸?，但除淀粉之外是否還有其他物質(zhì)遷移到食品模擬物(或食品)中，或者由于淀粉的破裂和脫落而增大有意和非有意添加物進(jìn)入食品模擬物(或食品)的可能性以造成的安全隱患仍不可忽略。

本研究初步判斷淀粉基餐勺A和B淀粉分子大小和直鏈/支鏈淀粉的比例不同是造成其分別在10%乙醇食品模擬物中的遷移量有顯著差異性的重要原因。為擴(kuò)大淀粉基材料的適用性，減少其在與食品接觸時(shí)不必要的遷移，原料淀粉的分子結(jié)構(gòu)，如直鏈/支鏈淀粉比例、淀粉分子大小等因素對(duì)食品接觸用淀粉基材料在食品中遷移的影響有待進(jìn)一步研究。