陶瓷食品接觸材料中鉛向酸性食品模擬物遷移的規(guī)律

肖 黎，董占華，孫長江，李 健

（曲阜師范大學工學院，山東 日照 276826）

陶瓷制品制作時會在坯體表面施釉，然后在高溫下燒制形成一層薄薄的釉層，釉層具有耐腐蝕、硬度高、易清洗等性能，從而使陶瓷制品在食品的制作、貯藏、包裝等領域得到廣泛應用[1]。然而，陶瓷制品在與食品接觸時，釉層中所含的重金屬在一定條件下會通過擴散動力學作用遷移進入食品，對人體健康造成嚴重危害[2-4]。以鉛為例，其在人體中長期累積會導致永久性的神經(jīng)損傷、腦損傷，甚至會導致死亡。近年來為保障消費者的安全健康，許多陶瓷制品在制作過程中使用不含重金屬的釉料、花紙等[5-6]，但由于產(chǎn)品合格率降低及成本升高等問題，目前無法完全采用不含重金屬的釉料。目前國內外對陶瓷食品接觸材料中重金屬的檢測方法大多一致，即采用在避光條件下對與食品接觸的表面用4%（體積分數(shù)，下同）乙酸溶液在22 ℃條件下浸泡24 h，然后用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICP-OES）儀檢測浸泡液中重金屬的溶出量[7-11]。然而，陶瓷食品接觸材料所接觸到的食品種類繁多，有些食品的pH值比4%乙酸的pH值低（如青檸汁pH值為1.8～2.0、蔓越莓汁pH值為2.3～2.5，乙酸pH值為2.43），而且食品的性質也不相同；同時，在與食品接觸時，接觸的溫度和時間條件也各異；如果在標準測試條件下陶瓷食品接觸材料中重金屬鉛的溶出量沒有超標，而在其他時間和溫度條件下重金屬溶出量超標，長期攝入依然會對人體健康構成風險。因此，本實驗設計了配方釉料，并且選用多種不同體積分數(shù)的乙酸、檸檬酸、乳酸作為食品模擬物，在20～70 ℃下對陶瓷食品接觸材料進行長期浸泡遷移實驗，研究時間、溫度、食品的pH值以及食品特性對陶瓷釉中重金屬鉛向食品遷移的影響，揭示重金屬鉛向酸性食品模擬物的遷移規(guī)律，為進一步探究陶瓷中重金屬向食品遷移的機理，建立重金屬遷移預測模型，從而控制食品中重金屬的溶出量提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

冰醋酸、檸檬酸、乳酸（均為分析純）和硝酸（優(yōu)級純） 國藥集團化學試劑有限公司；鉛標準溶液（1 000 mg/L） 濟南眾標科技有限公司。

1.2 儀器與設備

Prodigy 7 ICP-OES儀 美國利曼公司；FYL-YS-138L恒溫箱 北京福意電器有限公司；MGC-450HP-2智能人工氣候箱、BPG-9156A精密鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；TS-RO-100L/h實驗室超純水設備美國陶氏水處理設備有限公司；XMT-8000自動溫控燒制爐 江西樂安陶藝設備有限公司；HYB快速球磨機佛山三聯(lián)科儀設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

為方便實驗及分析計算，選用陶瓷片狀坯體，將未施釉的坯體在自動溫控窯爐中素燒至800 ℃以達到增加坯體機械強度的目的。為研究重金屬鉛向食品模擬物的遷移規(guī)律，實驗根據(jù)參考文獻[12]設計釉料配方：鉛丹60 g、石英20 g、長石5 g、蘇州土8 g、方解石7 g，波美度為41。將素燒后的陶瓷坯體表面施加一層含有重金屬鉛的釉料，自然晾干后置于自動溫控窯爐中，在1 020 ℃下進行燒制。

窯爐溫度曲線設置如表1 所示，陶瓷樣品如圖1所示，其中圖1a是陶瓷片狀樣品坯體，圖1b是釉燒后的陶瓷樣品。燒制后陶瓷樣品的平均尺寸為11.15 cm×5.62 cm×0.73 cm，平均質量為106.33 g，樣品表面積為149.810 cm2。

將燒制后的陶瓷樣品進行預處理，根據(jù)GB 5009.156—2016《食品安全國家標準 食品接觸材料及制品遷移試驗預處理方法通則》[13]的要求，首先用適量清洗劑清洗，然后用去離子水沖洗3 次，之后將片狀陶瓷樣品置于鼓風干燥箱中干燥，待片狀陶瓷冷卻后使用。

表1 窯爐釉燒溫度曲線Table 1 Glaze firing temperature rising program

圖1 陶瓷樣品Fig.1 Ceramic specimens

1.3.2 遷移試驗

食品模擬物：由于乙酸、檸檬酸、乳酸在各種天然食品及加工食品中較為常見，所以試驗選取了這3 種酸溶液作為食品模擬物來研究食品的性質對鉛溶出的影響。并且每種酸性模擬物都設定4 個體積分數(shù)條件（表2），研究不同pH值對鉛溶出的影響。

表2 食品模擬物Table 2 Acidic food simulants at different concentrations and pHs

遷移試驗條件：根據(jù)GB 31604.1—2015《食品安全國家標準 食品接觸材料及制品遷移試驗通則》[14]中對特定遷移試驗條件的有關規(guī)定，遷移試驗應選擇最嚴苛的條件。因為很多食品與陶瓷接觸時間在24 h以上，因此試驗時間定為240 h。溫度條件根據(jù)模擬物不同而有所差異，以乙酸為食品模擬物時，溫度設為20、30、40、50、60、70 ℃，以檸檬酸和乳酸為食品模擬物時，溫度設為20、40、60 ℃。根據(jù)GB 5009.156—2016《食品安全國家標準 食品接觸材料及制品遷移試驗預處理方法通則》[13]中關于試樣接觸面積與食品模擬物體積比的有關規(guī)定，在進行遷移試驗時，可采用6 dm2接觸面積對應1 L食品模擬物的比例，但在預試驗中發(fā)現(xiàn)鉛的溶出量低。為加快重金屬富集，試驗設計了全浸泡遷移試驗，400 mL是能沒過陶瓷樣品的最小整數(shù)容積。將5 片陶瓷樣品放入容積為1 L保鮮盒中，再加入400 mL模擬物作為一個遷移單元，樣品接觸面積與食品模擬物的比值為0.374 5 dm2/100 mL。

遷移試驗：將每個保鮮盒中放入5 個片狀陶瓷樣品，再放入用鋁箔作避光處理的恒溫箱中，設定相應的溫度，并使儀器穩(wěn)定后的溫度波動在±0.1 ℃以內。當樣品溫度達到預設溫度后，加入預熱的酸性模擬物400 mL。每一個試驗做3 次平行。乙酸溶液選取14 個遷移試驗節(jié)點（分別為0.5、1、2、5、8、12、18、24、36、48、96、144、192、240 h），檸檬酸、乳酸溶液分別選取8 個遷移試驗節(jié)點（分別為2、12、24、48、96、144、192、240 h）來提取檢測樣品，按照規(guī)定試驗節(jié)點用移液槍移取陶瓷樣品浸泡液2 mL（誤差在±0.1 mL以內），放入離心管中，然后向保鮮盒內補2 mL的相應酸性模擬物來確保溶液體積恒定。

1.3.3 溶出液中重金屬鉛的質量濃度測定

溶出液中重金屬鉛的質量濃度采用ICP-OES儀進行測定。

1.3.3.1 標準溶液制備

取質量濃度為1 000 mg/L的鉛標準溶液，用體積分數(shù)5%的硝酸逐級稀釋配制鉛標準溶液，使質量濃度依次為0.0、0.1、0.5、1.0、5.0、20.0、50.0、100.0 mg/L。

1.3.3.2 ICP-OES工作條件

測定溶出液中重金屬鉛質量濃度的ICP-OES最佳工作條件為：等離子體功率1 100 W、等離子體氣流速19 L/min、輔助氣流速1.1 L/min、霧化氣壓力35 PSI、泵速25 r/min、采樣次數(shù)3 次、積分時間20 s。

在繪制鉛的標準曲線時，選擇鉛的分析譜線為220.353 nm，鉛的檢出限為0.009 mg/L。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Origin軟件將重金屬鉛溶出量實驗檢測結果繪制成溶出量曲線，用Matlab軟件中非線性擬合分析法得出鉛溶出量與貯藏時間、溫度、溶液pH值的相關規(guī)律。

2 結果與分析

2.1 鉛溶出量與接觸時間的關系

為了探究時間對鉛溶出量的影響，選取鉛在不同溫度下向pH值相近的3 種不同食品特性酸性食品模擬物（4%（體積分數(shù)，下同）乙酸（pH 2.43）、0.5%檸檬酸（pH 2.44）、0.5%乳酸（pH 2.43））中的遷移溶出量進行分析。圖2描述了在20、30、40、50、60、70 ℃條件下，陶瓷釉層中鉛向4%乙酸中的遷移量隨時間的變化關系，以及在20、40、60 ℃條件下，釉層中鉛向0.5%檸檬酸和0.5%乳酸中的遷移量隨時間的變化規(guī)律。

圖2 鉛向3 種酸性模擬物的溶出量Fig.2 Amounts of lead released in three acidic food simulants

從圖2可以看出，在不同溫度條件下，陶瓷釉中重金屬鉛向乙酸、檸檬酸、乳酸的溶出量都隨時間的延長逐漸增加，但增加的速率逐漸減慢。

為進一步得到鉛的溶出量與時間的關系，本實驗用4 個目前常見的溶出動力學經(jīng)驗公式（式（1）[15]、式（2）[16-17]、式（3）[18]、式（4）[19]）對圖中所有數(shù)據(jù)點進行擬合。

式中：ρ為鉛的溶出量/（mg/L）；t為時間/h；a、b、c為常數(shù)。

利用以上4 個動力學公式分別對不同溫度條件下4%乙酸溶液中鉛的溶出量數(shù)據(jù)點進行擬合，擬合結果如圖3所示，擬合參數(shù)及決定系數(shù)等評價指標如表3、4所示。

圖3 鉛溶出動力學公式對4%乙酸溶液鉛溶出量數(shù)據(jù)擬合結果Fig.3 Fitting of lead release data in 4% acetic acid solution to four common kinetic models

表3 鉛溶出動力學公式對4%乙酸溶液鉛溶出量數(shù)據(jù)擬合參數(shù)及決定系數(shù)R2Table 3 Fitting parameters and determination coefficient R2of four common kinetic models for lead release data in 4%acetic acid solution

表4 鉛溶出動力學公式對4%乙酸溶液鉛溶出量數(shù)據(jù)擬合評價指標Table 4 Performance evaluation of four common kinetic models for fitting lead release data in 4%acetic acid solution

從表3可以看出，4%乙酸溶液中鉛溶出動力學方程擬合的決定系數(shù)（R2）均達到高度相關水平，鉛的溶出量與時間的關系較好地符合公式（1），即鉛的溶出量與時間的平方根呈線性關系。從表4中可以看出，公式（2）擬合的數(shù)值與鉛溶出量實測值的均方根誤差最小，擬合數(shù)據(jù)最接近真實值，公式（2）首先由Rana等[17]提出，當腐蝕時間較短時，重金屬的溶出量由時間的平方根項占主導，而當腐蝕時間較長時，則時間對溶出量的影響較大。公式（4）為葛紅梅等[19]用選定的回歸模型進行一元非線性回歸分析，進而求出模型中的參數(shù)，得到一個鉛溶出量與浸泡時間的數(shù)學預測模型，在數(shù)值上均滿足決定系數(shù)高、均方根誤差小的要求。公式（3）能描述慢反應的擴散機制，從和方差和均方根誤差來看，公式（3）描述的慢反應擴散機制不能很好地反映鉛溶出量與貯藏時間的關系。比較決定系數(shù)、均方根誤差等評價指標，公式（1）、（2）能更好地描述鉛的溶出情況，即在遷移過程早期，鉛的溶出量與時間的平方根呈線性關系，中后期溶出量與時間呈線性關系。

本實驗同時對檸檬酸和乳酸溶液中鉛溶出量與貯藏時間的關系進行了研究，利用4 個動力學公式分別對不同溫度條件下0.5%檸檬酸和0.5%乳酸溶液中鉛的溶出量數(shù)據(jù)點進行擬合，檸檬酸的擬合結果如圖4所示，擬合參數(shù)及決定系數(shù)等評價指標如表5、6所示；乳酸的擬合結果如圖5所示，擬合參數(shù)及評價指標如表7、8所示。

圖4 鉛溶出動力學公式與0.5%檸檬酸溶液擬合結果Fig.4 Fitting of lead release data in 0.5% citric acid solution to four common kinetic models

表5 鉛溶出動力學公式對0.5%檸檬酸溶液鉛溶出量數(shù)據(jù)擬合參數(shù)及決定系數(shù)R2Table 5 Fitting parameters and determination coefficient R2of four common kinetic models for lead release data in 0.5%citric acid solution

表6 鉛溶出動力學公式對0.5%檸檬酸溶液鉛溶出量數(shù)據(jù)擬合評價指標Table 6 Performance evaluation of four common kinetic models for fitting lead release data in 0.5%citric acid solution

圖5 鉛溶出動力學公式與0.5%乳酸溶液擬合結果Fig.5 Fitting of lead release data in 0.5% lactic acid solution to four common kinetic models

表7 鉛溶出動力學公式對0.5%乳酸溶液鉛溶出量數(shù)據(jù)擬合參數(shù)及決定系數(shù)R2Table 7 Fitting parameters and determination coefficient R2of four common kinetic models for lead release data in 0.5%lactic acid solution

表8 鉛溶出動力學公式對0.5%乳酸溶液鉛溶出量數(shù)據(jù)擬合評價指標Table 8 Performance evaluation of four common kinetic models for fitting lead release data 0.5%lactic acid

從表5和表7可以看出，0.5%檸檬酸和0.5%乳酸溶液中鉛溶出動力學方程擬合的決定系數(shù)（R2）均達到高度相關水平，鉛的溶出量與時間的關系較好地符合公式（1），即鉛的溶出量與時間的平方根呈線性關系。從表6和表8可以看出，公式（2）擬合的數(shù)值與鉛溶出量實測值的均方根誤差最小，擬合數(shù)據(jù)最接近真實值，比較決定系數(shù)、均方根誤差等評價指標，公式（1）、（2）比公式（3）能更好地描述鉛的溶出情況，即在遷移過程早期，鉛的溶出量與時間的平方根呈線性關系，中后期溶出量與時間呈線性關系。

2.2 溫度對鉛溶出量的影響

貯藏溫度是影響陶瓷食品接觸材料中鉛向食品溶出速率的重要因素，為了研究溫度對溶出量及溶出速率的影響，選擇接觸時間24 h和240 h條件下鉛向6 種貯藏溫度乙酸溶液和3 種貯藏溫度檸檬酸、乳酸溶液的溶出量（圖6）。

圖6 鉛向不同貯藏溫度食品模擬物的溶出量Fig.6 Amounts of lead dissolved in food simulants at different temperatures

由圖6可知，在接觸時間為24 h和240 h條件下，鉛向3 種酸性食品模擬物中的溶出量隨著溫度的升高而增加，即貯藏溫度越高，鉛的溶出速率越快。為驗證結論的準確性，探究鉛溶出速率與溫度的關系，實驗進一步定量分析了陶瓷食品接觸材料中鉛向3 種食品模擬物的平均溶出速率。平均速率的計算如式（5）所示，分析結果如圖7所示。

式中：R為重金屬溶出平均速率/（mg/（m2·h））；ρ為重金屬溶出量/（mg/L）；Vs為每次提取的溶液體積/L；V0為遷移單元中浸泡液體積/L；a0為陶瓷片狀樣品的數(shù)量（本實驗中a0＝35）；S0為一片陶瓷片狀樣品的表面積（本實驗中S0＝0.014 98 m2）；t0為浸泡遷移實驗時間（本實驗中t0＝240 h）；i為浸提次數(shù)（i＝1, 2, 3, …,n），其中對于乙酸溶液，n取14，對于檸檬酸和乳酸溶液，n取8。

圖7 鉛向3 種酸性模擬物的溶出速率Fig.7 Lead dissolution rates in three acidic food simulants

通過圖7可以看出，鉛的溶出速率隨溫度的變化曲線斜率值均大于0，說明隨著溫度的升高，重金屬鉛向酸性食品模擬物的溶出量增加，并且平均溶出速率隨著溫度的升高而加快，這是因為溫度升高，引起擴散活化能降低和擴散系數(shù)增大，使離子交換反應發(fā)生更快[20]。這也與Dong Zhanhua[15]、Aderemi[20]、Belgaied[21]、Demont[22]、Mohamed[23]、肖黎[24]等所報道的結論相符。研究發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，溫度與鉛溶出速率的關系符合阿倫尼烏斯公式[25]，如式（6）所示。

式中：k為溫度T時的反應速率常數(shù)；T為熱力學溫度/K；A為指前因子；Ea為反應活化能（J/mol）；R0為摩爾氣體常數(shù)（8.314 J/（mol·K））。

用阿倫尼烏斯公式對不同溫度條件下乙酸、檸檬酸、乳酸中的鉛溶出速率數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結果如圖8所示。

圖8 阿倫尼烏斯公式與鉛溶出速率擬合結果Fig.8 Fitting results of lead dissolution rate to Arrhenius formula

從圖8可以看出，擬合曲線與實際數(shù)據(jù)點較接近，并且通過表9不難發(fā)現(xiàn)阿倫尼烏斯公式（式（6））與鉛溶出速率擬合的決定系數(shù)R2均在0.99以上，這說明公式與數(shù)據(jù)點相關性強，擬合效果好，即溫度與鉛溶出速率的關系符合阿倫尼烏斯公式。

表9 阿倫尼烏斯公式擬合參數(shù)及決定系數(shù)R2Table 9 Fitting parameters and determination coefficient R2of Arrhenius formula

2.3 pH值對鉛溶出量的影響

食品的pH值是影響陶瓷食品接觸材料中鉛溶出量的另一個重要因素[26]。20 ℃條件下鉛向4 種不同體積分數(shù)酸性食品模擬物的溶出量如圖9所示。從陶瓷食品接觸材料中遷移到酸性食品模擬物中鉛的量與食品模擬物的pH值呈負相關，即在酸性環(huán)境中，鉛的溶出量隨pH值的減小而增大，這與Sheets[27]、Yoon[28]等研究報道的結論一致。

圖9 20 ℃鉛向3 種酸性模擬物的溶出量Fig.9 Amounts of lead dissolved in three acidic food simulants at 20 ℃

Eick等[29]研究發(fā)現(xiàn)，重金屬鉛的溶出速率常數(shù)與食品模擬物pH值的自然對數(shù)呈負相關關系，即速率常數(shù)隨pH值降低而增加，并呈自然對數(shù)關系。本實驗分別選取3 種食品模擬物在20、40、60 ℃下的數(shù)據(jù)進行分析，經(jīng)進一步探究得出速率常數(shù)kp與pH值的關系符合公式（7）。

式中：kp為一定pH值條件下的反應速率常數(shù)，數(shù)值上與k相等；p為溶液的pH值；p0、c0為公式參數(shù)。

用公式（7）對不同pH值乙酸、檸檬酸、乳酸溶液的反應速率常數(shù)進行擬合，擬合結果如圖10所示，擬合的參數(shù)及決定系數(shù)如表10所示。

圖10 公式（7）與鉛溶出速率擬合圖Fig.10 Fitting results of lead dissolution rate using Formula (7)

表10 公式（7）擬合參數(shù)及決定系數(shù)R2Table 10 Fitting parameters and determination coefficient R2using Formula (7)

從圖10可以看出，實測數(shù)據(jù)點均勻分布在擬合曲線周圍及小范圍內，從表10也可發(fā)現(xiàn)，擬合的決定系數(shù)均在0.7以上，屬于強相關范圍，說明公式（7）的擬合效果良好，即反應速率常數(shù)與食品模擬物pH值的自然對數(shù)呈負相關關系，這也證實從陶瓷食品接觸材料中溶出重金屬鉛是酸堿反應發(fā)生的過程[30]。

2.4 食品特性對鉛溶出量的影響

在溶液pH值相近的情況下，不同食品特性也會影響重金屬鉛的溶出量。本實驗選取鉛向pH值相近的3 種酸性模擬物（20%乙酸（pH 1.93）、4%檸檬酸（pH 1.92）、4%乳酸（pH 1.86））分別在20、40、60 ℃條件下遷移溶出的數(shù)據(jù)進行分析。食品特性對鉛溶出量的影響如圖11、12所示。

圖11 不同貯藏溫度下鉛向3 種酸度相似食品模擬物的溶出量Fig.11 Amounts of lead dissolved in three acidic food simulants with similar acidity at different temperatures

通過觀察圖11可以看出，在3 種不同貯藏溫度下，鉛向3 種相近pH值不同食品特性的酸性食品模擬物的溶出量不盡相同，20%乙酸的溶出量相對較低，4%檸檬酸和4%乳酸的溶出量較高。進一步計算分析在不同貯藏溫度條件下重金屬鉛向4 種pH值不同食品模擬物的遷移溶出速率，結果如圖12所示。

圖12 鉛向不同pH值食品模擬物的溶出速率Fig.12 Lead dissolution rates in three acidic food simulants at different pH

同時對比分析圖12中重金屬鉛向pH值相近的酸性食品模擬物的溶出速率可以發(fā)現(xiàn)，pH值相近的3 種酸性食品模擬物的鉛溶出速率十分接近，并且鉛向乙酸溶液中的溶出速率低于向檸檬酸和乳酸溶液中的溶出速率的結果占所有實驗結果的94%以上。這種現(xiàn)象主要是由于檸檬酸和乳酸中含有羥基，與陶瓷食品接觸材料釉層中的重金屬元素反應形成絡合物，使得重金屬更容易向檸檬酸和乳酸溶液中溶出[31]。

3 結 論

本實驗通過研究陶瓷食品接觸材料在遷移實驗中鉛向食品模擬物遷移的行為，分析貯藏時間、溫度、pH值、食品模擬物特性對鉛向食品模擬物遷移的影響，得到了重金屬鉛向酸性食品遷移的規(guī)律。結果表明，在遷移過程早期鉛的溶出量與時間的平方根呈線性關系，中后期鉛的溶出量與時間呈線性關系；鉛向食品模擬物的溶出量和溶出速率均隨著溫度的升高而增加，并符合阿倫尼烏斯定律；在酸性條件下，鉛的溶出與pH值呈負相關并符合對數(shù)函數(shù)關系；此外，不同食品性質也對鉛的溶出有一定影響，pH值相近的不同種酸性食品模擬物對鉛的溶出能力不同，檸檬酸、乳酸中含有羥基，與陶瓷釉層中鉛反應生成絡合物，可加速鉛的溶出。