鄰苯二甲酸酯增塑劑在可得然包裝膜中的遷移研究

潘磊慶 朱靜怡 王 茜 韓 璐 張 充 彭 菁 屠 康

南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院 江蘇 南京 210095

1 研究背景

近年來，生物基包裝材料以其安全性、可生物降解等特點(diǎn)，逐漸成為研究熱點(diǎn)?？傻萌欢嗵牵╟urdlan，CD）是一種理想的天然高分子膜材料，它是由農(nóng)桿菌屬中的糞產(chǎn)堿桿菌合成的次級代謝產(chǎn)物，是β-(1, 3)糖苷鍵連接的D-葡聚糖，加熱即可形成凝膠[1-2]。

單一成分的生物基包裝材料難以達(dá)到包裝材料的性能要求，需要通過物理方法將多種材料共混或向其中添加加工助劑，以改善其性能。Sun Y.等[3]制備了一種可得然多糖和殼聚糖復(fù)合薄膜，其抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率等均比純可得然多糖膜和純殼聚糖膜高，具有較好的阻水性。但隨著包裝種類的日漸豐富，復(fù)合膜的包裝性能依舊不能滿足包裝要求，而添加增塑劑不僅可以降低生產(chǎn)成本，還可以顯著提高生物基材料的包裝性能。

鄰苯二甲酸酯類是塑料工業(yè)最主要的增塑劑之一，廣泛用于食品包裝材料、醫(yī)療器械以及兒童玩具等領(lǐng)域[4-6]。但它是一種內(nèi)分泌干擾物，對生殖系統(tǒng)具有致癌作用，同時能結(jié)合并激活雌激素受體的轉(zhuǎn)錄而破壞雌激素功能[7-8]。鄰苯二甲酸酯類增塑劑是一個龐大的體系，其中有23種被認(rèn)為有害并限制使用[9]，最常見且研究最多的有鄰苯二甲酸二甲酯（dimethyl phthalate，DMP）、鄰苯二甲酸二正丁酯（dibutyl phthalate，DBP）及鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯（di (2-ethylhexyl) phthalate，DEHP）。鄰苯二甲酸酯類在塑料制品中含量高且常以游離狀態(tài)存在，故其容易通過多途徑遷移至食品基質(zhì)中，遷移過量則會對人體健康造成危害。目前鄰苯二甲酸酯類增塑劑在普通包裝材料中遷移的報(bào)道較多，還沒有研究報(bào)道其在生物基包裝材料中的遷移情況。因此，研究可得然包裝膜中DMP、DBP以及DEHP的遷移規(guī)律并建立遷移模型意義重大。

遷移模型主要分為Fick模型和非Fick模型?？傻萌簧锘b膜在與食品模擬物接觸時通常會發(fā)生較為明顯的溶脹現(xiàn)象，膜厚在遷移過程中會隨時間發(fā)生變化，無法滿足Fick擴(kuò)散模型所假設(shè)的前提條件。Weibull模型由瑞典數(shù)學(xué)家Waloddi Weibull提出，是一種概率分布模型，可以很好描述具有高可變性的復(fù)雜過程，具有適應(yīng)性強(qiáng)、參數(shù)少的特點(diǎn)。因此，本研究選擇Weibull模型描述增塑劑的遷移情況。

本文選取DMP、DBP及DEHP增塑劑作為主要研究對象，將其添加至可得然多糖膜中，并研究溫度、時間、食品模擬物及增塑劑添加量對可得然薄膜中增塑劑遷移量的影響，同時基于Weibull分布函數(shù)，建立3種增塑劑在正己烷中的遷移模型，并進(jìn)行模型預(yù)測能力驗(yàn)證。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 材料與試劑

可得然多糖，分析純，日本麒麟控股株式會社；鄰苯二甲酸二甲酯、鄰苯二甲酸二正丁酯、鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯，色譜純，純度不低于99%，上海瑞永生物科技有限公司；吐溫-80、正己烷、乙腈、乙酸乙酯，均為色譜純，天津賽孚瑞科技有限公司；聚四氟乙烯板，尺寸為10 cm×10 cm，東莞市優(yōu)咖塑膠有限公司。

實(shí)驗(yàn)過程中所用的試劑及其溶解度參數(shù)如表1所示。

表1 各試劑的溶解度參數(shù)Table 1 Solubility parameter of the reagents

2.2 儀器與設(shè)備

電子精密天平，AR64-CN型，奧豪斯儀器有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9070A型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；恒溫恒濕箱，CTHI-250B型，施都凱儀器設(shè)備（上海）有限公司；可調(diào)高速勻漿機(jī)，F(xiàn)S-2型，常州國華儀器有限公司；氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（gas chromatography mass spectrometry，GC-MS），Agilent 7890A/5975C型，安捷倫科技有限公司；恒溫磁力攪拌器，HWJB-2100KJ型，常州國華儀器有限公司；精密pH計(jì)，F(xiàn)E20型，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；渦旋混合儀，MX-S型，大龍興創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器（北京）有限公司。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 可得然多糖膜的制備

先稱取4.0 g可得然多糖、0.8 g吐溫-80、并分別添加一定量的3種增塑劑（DMP、DBP和DEHP）至100 mL的去離子水中，磁力攪拌器攪拌30 min；同時，將聚四氟乙烯板放入100 ℃的烘箱中預(yù)熱；待懸濁液攪拌均勻后，用稀釋后的乳酸調(diào)節(jié)其pH至4，均質(zhì)2 min；再將成膜液倒入聚四氟乙烯板中，放入100 ℃烘箱中干燥4 min；最后，將聚四氟乙烯板置于恒溫恒濕箱中（25 ℃，50% RH），12 h后揭膜[10]。制好的可得然多糖膜如圖1。

圖1 自制的可得然多糖膜Fig. 1 Self-made curdlan-based film

2.3.2 食品模擬物

食品中通常含有其他干擾物質(zhì)，不利于遷移實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，所以選擇用食品模擬物替代。根據(jù)GB 31604.1—2015《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品接觸材料及制品遷移試驗(yàn)通則》規(guī)定，選用蒸餾水、體積分?jǐn)?shù)為4%的乙酸、體積分?jǐn)?shù)為50%的乙醇和正己烷4種食品模擬物分別代表水性食品（pH＞4.5）、酸性食品（pH≤4.5的水性食品）、含酒精食品和含油脂食品。

2.3.3 食品模擬物的預(yù)處理

為了確保遷移量測定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)前需要對食品模擬物進(jìn)行預(yù)處理[11-12]。蒸餾水、乙酸、乙醇中遷移量測定的預(yù)處理方法相同，操作如下：吸取2 mL樣品至10 mL玻璃試管內(nèi)，加入1 g氯化鈉和2 mL的乙酸乙酯，渦旋2 min，靜置分層，注射器吸取1 mL上清液，過孔隙大小為0.22 μm的有機(jī)濾膜，裝入棕色進(jìn)樣瓶中，GC-MS待測。正己烷中遷移量測定的預(yù)處理方法：直接用注射器吸取1 mL樣品，過0.22 μm有機(jī)濾膜，裝入棕色進(jìn)樣瓶中，GC-MS待測。

2.3.4 遷移試驗(yàn)

根據(jù)GB 31604.1—2015《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品接觸材料及制品遷移試驗(yàn)通則》規(guī)定，6 dm2的包裝材料接觸1 L的食品模擬物，遷移溫度設(shè)置低溫（4 ℃）、常溫（25 ℃）與高溫（40 ℃）3個溫度。GB 9685—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品接觸材料及制品用添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，3種增塑劑的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，但由前期預(yù)實(shí)驗(yàn)得知，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的增塑劑，其遷移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出遷移限量，無實(shí)際意義。因此，本研究設(shè)置增塑劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.5%、1%和3%，制備不同添加量的可得然多糖膜；將其完全浸泡在4種食品模擬物中，每個樣品做3個平行試驗(yàn)，遷移時間設(shè)置為0.5, 1, 1.5,2, 2.5, 3, 5, 8 d。

2.3.5 遷移模型

與Fick模型相比，Weibull模型具有更好的S型遷移曲線，是一種應(yīng)用廣泛、簡便、可靠地評估材料安全性的手段。此外，Weibull模型在描述變動性大且復(fù)雜的動力學(xué)模型方面也表現(xiàn)了獨(dú)特的優(yōu)勢。Weibull模型最基本的公式為

式中：τ為尺寸參數(shù)，與遷移物遷移快慢有關(guān)，受溫度影響；β為形狀參數(shù)，與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，不受溫度影響，取一定值[13-14]；t為時間。

結(jié)合包裝材料遷移性研究的條件，令

食品模擬溶液中遷移量計(jì)算公式為

式（2）～（3）中：MF,0為初始時食品模擬物中遷移物的質(zhì)量，mg；MF,t為t時刻食品模擬物中遷移物的質(zhì)量，mg；MF,∞為遷移平衡時食品模擬物中遷移物的質(zhì)量，mg；MP為食品模擬物的質(zhì)量，kg；Ct為t時刻食品模擬物中的遷移量，C0=0，mg/kg。

本研究中Weibull模型使用的公式為

式中：Cm是增塑劑添加量的函數(shù)；Cm、τ和β為3個待擬合的參數(shù)，由Origin 9的非線性擬合功能模擬獲得，3個參數(shù)均大于0。

3 結(jié)果與討論

3.1 遷移量的影響因素分析

3.1.1 食品模擬物和時間

圖2是添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的3種增塑劑在4種食品模擬物（40 ℃）中的遷移情況。由圖2可以看出，隨著食品模擬物的不同，3種增塑劑遷移量的變化趨勢大體一致，但遷移量差別較大。首先，在4種不同的食品模擬物中，DMP、DBP和DEHP的遷移量均在前3 d內(nèi)隨著時間延長呈現(xiàn)顯著增加趨勢，3 d后達(dá)到遷移平衡，遷移量達(dá)到最大值，并保持穩(wěn)定。這是因?yàn)樵谶w移初期，大量的增塑劑遷移到模擬物中，濃度逐漸增加；但遷移一段時間后，模擬物中的增塑劑也會反向遷移至可得然多糖膜中，造成多糖膜溶脹；當(dāng)可得然多糖膜中的增塑劑的遷出速率與模擬物中增塑劑遷入速率相等時，即達(dá)到遷移平衡，此時，在模擬物中的遷移量達(dá)到最大值，不再隨時間的延長而增加。

圖2 DMP、DBP和DEHP在4種食品模擬物中的遷移情況Fig. 2 Migration of DMP, DBP and DEHP in four food simulants

其次，整體上增塑劑在4種不同食品模擬物中的遷移量從高到低依次為：正己烷、50%乙醇、4%乙酸、蒸餾水，3種增塑劑均符合這一規(guī)律。DMP、DBP和DEHP在正己烷中的最大遷移量分別為81.38,73.14, 31.47 mg/kg，在蒸餾水中的最大遷移量分別為 30.96, 8.99, 6.34 mg/kg， 且 在0.5 d時，DBP和DEHP在蒸餾水中未發(fā)生遷移，由此可見3種增塑劑在正己烷中的遷移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在蒸餾水中的遷移量。這是因?yàn)?種增塑劑均屬于親油脂類化合物，所以在正己烷中遷移量最高，也最容易溶出。不同基質(zhì)的食品模擬物對鄰苯二甲酸酯類增塑劑的遷移有著至關(guān)重要的影響。

最后，DMP在蒸餾水、4%乙酸、50%乙醇和正己烷中的最大遷移量分別為30.96, 44.38, 56.21,81.38 mg/kg；DBP在蒸餾水、4%乙酸、50%乙醇和正己烷中的最大遷移量分別為8.99, 14.67, 47.59,73.14 mg/kg；DEHP在蒸餾水、4%乙酸、50%乙醇和正己烷中的最大遷移量分別為6.34, 11.67, 22.89,31.47 mg/kg。可以看出，在4種不同食品模擬物中DMP的遷移量最大，其次是DBP，DEHP的遷移量最小。這是因?yàn)镈MP相對分子質(zhì)量較小，苯環(huán)上的兩個支鏈較短，容易發(fā)生遷移，而DBP、DEHP的相對分子質(zhì)量比DMP的大，同時苯環(huán)上的兩個支鏈較長，不易發(fā)生遷移。在相同的遷移情況下，增塑劑的分子結(jié)構(gòu)對其遷移的影響較大[15-16]。

3.1.2 溫度

圖3是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的DMP、DBP和DEHP分別在4, 25, 40 ℃條件下，遷移2 d時的遷移量。由圖3可以看出，隨著溫度的升高，3種增塑劑的遷移量均增加，但增加速率不同。DBP和DEHP在蒸餾水和4%乙酸中的遷移量隨溫度的上升未有大幅度增加，DMP則增加較明顯； 3種增塑劑在50%乙醇和正己烷中的遷移量，隨溫度的升高均增加較為明顯，DEHP在正己烷中遷移量增加最為顯著。這是因?yàn)闇囟壬吆?，可得然多糖膜?nèi)部一些增塑劑的分子鏈獲得足夠的自由能，熱運(yùn)動能力增強(qiáng)，并發(fā)生自由選擇，從而使生物基膜與增塑劑的結(jié)合力變?nèi)?，促進(jìn)了增塑劑朝著脂溶性的食品模擬物發(fā)生遷移，遷出可得然多糖膜的速率加快，故遷移量變大。其次，受熱使可得然多糖膜發(fā)生膨脹，膜中大分子鏈間距離增加，更利于穿插于其中的小分子增塑劑溶出。因此，在達(dá)到遷移平衡前，溫度升高增塑劑的遷移量大大增加，溫度是影響增塑劑遷移的一個重要因素[17-18]。

圖3 不同溫度下DMP、DBP和DEHP的遷移情況Fig. 3 Migration of DMP、DBP and DEHP at different temperatures

3.1.3 增塑劑的添加量

圖4是在40 ℃時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.5%、1%和3%的DMP、DBP和DEHP在4種食品模擬物中遷移2 d時的遷移量。由圖4可以看出，3種增塑劑的遷移量均隨添加量的增加而增加，但在不同的食品模擬物中增加的幅度有所不同。

圖4 不同濃度下DMP、DBP和DEHP的遷移情況Fig. 4 Migration of DMP, DBP and DEHP at different concentrations

圖4a中，DMP是相對分子質(zhì)量較小的增塑劑，其在蒸餾水及4%乙酸中的遷移量，隨添加量的增加明顯增加，尤其是質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增至3%，較DBP和DEHP，其遷移量增加最大；在50%乙醇和正己烷中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.5%增至1%，遷移量增加不明顯，但由1%增至3%，遷移量增加也最大。圖4b～c中，隨添加量的增加，DBP、DEHP在蒸餾水和4%乙酸中遷移量增加的趨勢不明顯，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的DBP、DEHP在蒸餾水和4%乙酸中均未發(fā)生遷移；在50%乙醇和正己烷中，兩者的遷移量均變化顯著，幾乎呈直線增長，尤其由0.5%增至1%時，DBP的遷移量增加最大。

由以上結(jié)論可以看出，增塑劑的添加量越大，其遷移量越大，但遷移量并不與增塑劑的添加量成正比。通常情況下，增塑劑的添加量越大，單位面積包裝材料中的增塑劑越多，在遷移前期遷移量會越大。同時，添加量低的DBP和DEHP在蒸餾水和4%乙酸中未發(fā)生遷移，這是根據(jù)相似相溶原理，增塑劑的溶度參數(shù)與溶劑的溶度參數(shù)越接近，增塑劑越會發(fā)生遷移，而DBP和DEHP都屬于相對分子質(zhì)量較大的增塑劑，在脂肪含量越低的食品模擬物中越難遷移出。DBP的溶解度參數(shù)為19.3，與正己烷的溶解度參數(shù)最接近[19]，所以其在正己烷中的遷移現(xiàn)象越明顯，遷移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在其它3種食品模擬物中的。

3.2 Weibull遷移模型

3.2.1 模型建立

在4 ℃的正己烷中，添加DMP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的可得然多糖膜發(fā)生遷移時，利用Origin 9軟件中的非線性擬合功能，模擬的Ct-t曲線如圖5所示，其中a、b、c分別代表Cm、τ和β。

圖5 Origin模擬正己烷中DMP遷移Ct-t圖Fig. 5 Ct-t diagram of DMP migration in n-hexane simulated by Origin

由圖5可知，模擬的相關(guān)系數(shù)R2為0.961 23，表明相關(guān)性良好。每次模擬都會得到一組Cm、τ和β的值，再利用一系列擬合參數(shù)（見表2）得到Cm、τ和β值與溫度、增塑劑添加量之間的聯(lián)系。

由表2可知，Cm與DMP添加量、溫度相關(guān)，不同溫度下Cm與DMP添加量的關(guān)系如圖6所示；τ影響小分子的遷移速率，受溫度影響；β在傳質(zhì)過程中與DMP添加量、溫度無關(guān)[20]，不同溫度、不同添加量對應(yīng)的β值無大變化，所以β取平均值，約為1.30；擬合關(guān)系式得到的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.95，表明擬合效果較好。

表2 Origin模擬正己烷中DMP遷移參數(shù)表Table 2 DMP migration parameters in Origin's simulated n-hexane

圖6 不同溫度下Cm與DMP添加量的關(guān)系Fig. 6 Relationship between migration amount Cm and DMP addition at different temperatures

由圖6可知，不同溫度下，Cm與DMP添加量呈現(xiàn)線性相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)R2均在0.97以上，相關(guān)性良好。

根據(jù)表2中不同溫度下DMP添加量對應(yīng)的τ值， 以及DMP相對分子質(zhì)量為194，密度為1.189 g/cm3，溶解度參數(shù)δ=22.1 (J/cm3)1/2，R=8.314，由式（5）可以得到對應(yīng)的τ0值，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，溫度越高τ越小，作lnτ0與熱力學(xué)溫度（T）的關(guān)系圖（見圖7），發(fā)現(xiàn)lnτ0與T線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.993 14，相關(guān)性較好。

表3 正己烷中DMP遷移參數(shù)τ對應(yīng)τ0及l(fā)nτ0的值Table 3 DMP migration parameter τ corresponding to τ0 and lnτ0 in n-hexane

圖7 lnτ0與T的關(guān)系Fig. 7 Relationship between lnτ0 and T

同理可得DBP和DEHP的Weibull遷移模型中各參數(shù)的擬合結(jié)果和關(guān)系式，其中DBP的β為1.21，DEHP的β為1.29，τ0和Cm詳見表4。至此，得到了可得然多糖膜中DMP、DBP和DEHP在正己烷中的遷移模型。其中τ0通過與T的指數(shù)關(guān)系式得出，Cm通過不同溫度下與添加量（w）的線性關(guān)系得出，再將得到的Cm與τ0帶入式（4）中，即可得到t時刻下的遷移量。

表4 DMP、DBP和DEHP在正己烷中遷移的參數(shù)關(guān)系式及相關(guān)系數(shù)Table 4 Parameters relationship and correlation coefficient of DMP、DBP and DEHP migration in n-hexane

由表4可知，DMP、DBP與DEHP的Weibull遷移模型中l(wèi)nτ0與T的關(guān)系比較，三者的斜率不同，表明不同的增塑劑對溫度的響應(yīng)不同。其中DEHP的斜率最大，表明升高相同溫度的情況下，DEHP遷移速率變化最大，達(dá)到平衡的時間最短。這與前文的結(jié)論一致，DEHP隨溫度升高，遷移量的增加較明顯。

3.2.2 模型驗(yàn)證

目前已得到DMP、DBP和DEHP在正己烷中的遷移模型，為了驗(yàn)證模型的預(yù)測能力，將可得然多糖膜用于包裝醬狀食品，選用食品模擬物正己烷對應(yīng)的油性醬狀食品（“老干媽”油制辣椒醬）來驗(yàn)證Weibull預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。

本研究以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的DMP、DBP在4℃下，以及0.5%的DEHP在25 ℃下的遷移情況為例，對同一時刻DMP、DBP和DEHP模型的預(yù)測值與真實(shí)食品測定值進(jìn)行分析，對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 DMP、DBP和DEHP在正己烷中遷移的模型驗(yàn)證Fig. 8 Model veri fication of DMP, DBP and DEHP migration in n-hexane

由圖8可知，散點(diǎn)為Weibull模型預(yù)測遷移量，帶誤差線的折線圖為遷移量實(shí)際測定值，模型預(yù)測值與實(shí)際的遷移值較為接近，尤其在遷移后期（3 d以后），兩者遷移值幾乎吻合。由此說明，本研究所建立的可得然多糖膜中DMP、DBP和DEHP在正己烷中遷移的Weibull模型可以反映遷移的整體趨勢，有較準(zhǔn)確的預(yù)測能力。

4 結(jié)論

本研究制備了添加不同量DMP、DBP和DEHP的新型可得然多糖膜，研究其在4種食品模擬物及不同溫度中的遷移規(guī)律，構(gòu)建可得然多糖膜中DMP、DBP和DEHP在正己烷中的Weibull遷移模型，并利用真實(shí)食品中的遷移量進(jìn)行模型驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。

1）在4種食品模擬物中增塑劑的遷移量由大到小依次為：正己烷、50%乙醇、4%乙酸、蒸餾水。

2）3種增塑劑在前3 d內(nèi)的遷移量呈現(xiàn)遞增趨勢，在第3 d時達(dá)到遷移平衡，遷移量達(dá)到最大值，并保持穩(wěn)定。

3）隨著溫度的升高，增塑劑的遷移量增加。

4）增塑劑的添加量越大，遷移量增加越大，尤其是質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增至3%時，遷移量增加顯著。

5）本研究所建立的DMP、DBP和DEHP在正己烷中的遷移模型預(yù)測值與測定值吻合度高，可以用此模型預(yù)測增塑劑在油性醬狀食品中的遷移量。