聚乙烯膜印刷層中乙酰丙酮鈦的檢測及其穩(wěn)定性

王旖旎，林勤保,*，李 忠，鐘懷寧，潘靜靜

（1.暨南大學(xué)包裝工程研究所，廣東普通高校產(chǎn)品包裝與物流重點實驗室，廣東 珠海 519070；2.珠海出入境檢驗檢疫局技術(shù)中心，廣東 珠海 519070；3.廣東出入境檢驗檢疫局技術(shù)中心，廣東省動植物與食品進出口技術(shù)措施研究重點實驗室，國家食品接觸材料檢測重點實驗室，廣東 廣州 510623）

食品包裝中的印刷油墨及上光油雖然涂覆在包裝外層，不與食品直接接觸，但會通過材料印刷過程中的背面蹭臟及食品存儲過程中的遷移進入食品[1-6]，對人體健康造成潛在威脅[7-10]。

乙酰丙酮鈦是一種以乙酰丙酮為媒介的螯合物，它添加在油墨或上光油中能夠增強與承印物表面的附著力[11-14]。目前，關(guān)于乙酰丙酮金屬螯合物的研究主要集中在乙酰丙酮金屬螯合物的合成、應(yīng)用等，而鮮見關(guān)于乙酰丙酮金屬螯合物的檢測、安全性的研究等。乙酰丙酮又名2,4-戊二酮，用途廣泛，通過吸入、攝入或經(jīng)皮膚吸收對身體有害，中毒表現(xiàn)為頭痛、惡心和嘔吐等[15-22]。2006年，歐洲油墨協(xié)會指出[23]：由于乙酰丙酮具有基因毒性，已經(jīng)從“能夠作為食品添加劑的清單”中清除，并且指出乙酰丙酮通常不是油墨中的構(gòu)成組分，但是在使用含有乙酰丙酮鈦的油墨時可能會釋放出乙酰丙酮。乙酰丙酮的常用檢測方法有氣相色譜法[24-25]、高效液相色譜法[26-30]、紫外吸收光度法和化學(xué)法[29]，而鮮見有關(guān)于乙酰丙酮的氣相色譜-質(zhì)譜和液相色譜-質(zhì)譜檢測方法的報道，氣相色譜-質(zhì)譜法和液相色譜-質(zhì)譜法相較于上述方法有更強的定性、定量的優(yōu)勢。

本實驗采用液相色譜-質(zhì)譜法、氣相色譜-質(zhì)譜法對標(biāo)準(zhǔn)溶液中乙酰丙酮鈦的存在形式進行了鑒別，然后對樣品中的乙酰丙酮含量和鈦含量進行對比分析，通過傅里葉紅外光譜法對乙酰丙酮鈦的紫外照射穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性進行研究。本研究對油墨、涂料中乙酰丙酮鈦的分析檢測提供參考依據(jù)，為食品印刷包裝材料中乙酰丙酮的遷移和安全研究提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

低密度聚乙烯薄膜（薄膜的厚度為（0.050±0.001）mm）珠海市德燊環(huán)保包裝有限公司；WA2U-593C凹印油墨廣州市富林特有限公司；高滑型上光油 中山市安姆科（軟包裝）有限公司。

乙酰丙酮標(biāo)準(zhǔn)品 北京百靈威科技有限公司；乙酰丙酮鈦標(biāo)準(zhǔn)品 廣東翁江化學(xué)試劑有限公司；鈦標(biāo)液 國家有色金屬及電子材料分析測試中心；甲醇（色譜純） 美國Merck投資（中國）有限公司；乙醇、乙腈、甲醇（均為色譜純） 瑞典Oceanpak公司；硝酸、高氯酸、氫氟酸（均為分析純） 廣州化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

API 3200液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（配有電噴霧離子源及MutiquantTM數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)） 美國AB SCIEX公司；Alliance 2695型高效液相色譜儀（配有2996二極管陣列檢測器） 美國Waters科技有限公司；EQUINOX 55型傅里葉紅外光譜儀 布魯克（北京）科技有限公司；7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、5100 VDV等離子體發(fā)射光譜儀 美國安捷倫有限公司；ZF-90暗箱式紫外投射儀（254 nm時功率為60 W） 上海寶山顧村電光儀器廠；flexiproof 100凹版打樣機 英國RK公司；GZX-9420MBE鼓風(fēng)式烘箱 上海博訊有限公司；高速離心機南京科技發(fā)展有限公司。

1.3 方法

1.3.1 乙酰丙酮和乙酰丙酮鈦的標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

稱取乙酰丙酮和乙酰丙酮鈦標(biāo)準(zhǔn)品50 mg，用甲醇定容至50 mL，配制成1 000 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)儲備液，密封后將其放置于4 ℃冰箱中冷藏保存，使用時用甲醇稀釋成所需質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.3.2 鈦標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

取質(zhì)量濃度為100 mg/L的鈦標(biāo)液10 mL，用超純水定容至100 mL，配制成質(zhì)量濃度為10 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)儲備液，密封放置于4 ℃冰箱中冷藏保存，使用時用超純水稀釋成所需質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.3.3 樣品中乙酰丙酮的提取

對于呈液體狀的油墨和上光油，取5 g左右樣品至潔凈的玻璃培養(yǎng)皿中并將其鋪勻，然后將其放置于60 ℃鼓風(fēng)干燥箱中，2 h后烘干固化成膜取出。稱取烘干后的樣品0.05 g于試管中，加入10 mL乙醇溶劑，在60 ℃條件下超聲提取1 h[31-33]。對提取液進行高速離心15 min，溫度下限20 ℃、上限25 ℃，離心機轉(zhuǎn)速1 000 r/min。取上層清液過0.22 μm濾膜后上HPLC檢測，所有樣品均取3 個平行。

對于印刷后的聚乙烯薄膜樣品，直接取樣品0.05 g進行超聲提取，提取方法與烘干后的油墨、上光油樣品一致。

1.3.4 樣品中鈦的提取

對于剪碎的印刷薄膜樣品（約5 mm×5 mm）及烘干后的油墨，各取0.5 g于廣口瓶中，置于電熱板上加熱碳化。碳化完成后，冷卻至室溫，加入20 mL混酸（硝酸-高氯酸（4∶1，V/V）），然后再放置到電熱板上消解，直到樣品消解完全[34]。對于乙酰丙酮鈦標(biāo)準(zhǔn)品及烘干后的上光油，由于采用混酸不能將其消解完全，在消解過程中產(chǎn)生了白色小顆粒狀物質(zhì)，可能是在消解過程中產(chǎn)生了鈦的氧化物，所以對消解方案進行了優(yōu)化。取0.1 g樣品于聚四氟乙烯瓶中，置于電熱板上加熱碳化。碳化完成后，冷卻至室溫，加入10 mL混酸，并滴入3～4 滴氫氟酸，然后再放置到電熱板上消解，直至樣品消解完全。

樣品冷卻至室溫后用超純水定容至50 mL，上等離子體發(fā)射光譜檢測，所有樣品均取3 個平行。

1.3.5 聚乙烯薄膜的印刷

采用凹版打樣機對聚乙烯薄膜進行印刷，先在印刷層涂覆一層油墨，待油墨干燥后再涂覆一層上光油，上光油的印刷方法與油墨的印刷方法相同。其中，所選用的網(wǎng)紋輥線數(shù)為300 線。

1.3.6 乙酰丙酮鈦的紫外光照射處理和加熱處理

紫外光照射處理：稱取乙酰丙酮鈦標(biāo)準(zhǔn)品10 mg左右（精確到0.1 mg），均勻平鋪在干凈的培養(yǎng)皿中，然后將其放置于暗箱式紫外投射儀中，紫外波長設(shè)置為254 nm（254 nm的紫外波長通常用于殺菌消毒，本實驗選擇254 nm的紫外波長用來模擬食品包裝的殺菌消毒），照射1、3 d后取出。

加熱處理：稱取乙酰丙酮鈦標(biāo)準(zhǔn)品10 mg左右（精確到0.1 mg），均勻平鋪在干凈的培養(yǎng)皿中，然后將其放置于70 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中，加熱12 h后取出。

取少量經(jīng)紫外光照射處理和加熱處理的樣品與溴化鉀混合壓片，進行傅里葉紅外測試，與未經(jīng)處理的樣品進行對照。

1.3.7 高效液相色譜條件

色譜柱：X B r i d g e T M C18色譜柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）；柱溫30 ℃；流動相：甲醇-乙腈（60%∶40%）；流速1 mL/min；運行時間8 min；進樣量10 μL；檢測波長274 nm；乙酰丙酮的保留時間5.00 min。

1.3.8 氣相色譜-質(zhì)譜條件

色譜條件：色譜柱：19091S-433HP-5MS 5% Phenyl Methy Silox（30.0 m×250 μm，0.25 μm）；升溫程序：初始溫度40 ℃，保持8 min；載氣（He）流速1.1 mL/min；進樣量1 μL；分流比20∶1。

質(zhì)譜條件：電子電離源；電子能量70 eV；傳輸線溫度275 ℃；離子源溫度230 ℃；全掃描模式；質(zhì)量掃描范圍m/z 40～400；在上述條件下測得乙酰丙酮的保留時間為5.20 min。

1.3.9 液相色譜-質(zhì)譜條件

色譜條件：色譜柱：Z O R B A X S B-C18（4.6 mm×150 mm，5 μm）；流動相：甲醇；流速1 mL/min；柱溫40 ℃；進樣量10 μL。

質(zhì)譜條件：負離子檢測；離子源噴射電壓-4.5 kV；毛細管溫度400 ℃；毛細管電壓25 V；鞘氣流速50 arb；輔助氣流速20 arb；碰撞氣：氦氣。

1.3.10 等離子體原子發(fā)射光譜條件

測量條件：重復(fù)次數(shù)為2；泵速為12 r/min；快速泵提升延時為25 s；讀取時間為5 s；霧化器流量為0.7 L/min；觀察方式為軸向；觀察高度為8 mm。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與圖像處理方法

采用美國IBM公司的SPSS 21.0軟件進行統(tǒng)計分析，在置信水平為95%時，通過單因素方差分析對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，P＜0.05，差異顯著。色譜圖及紅外光譜圖的圖像處理均采用美國OriginLab公司的Origin 9.0版本。

2 結(jié)果與分析

2.1 線性方程、檢出限和定量限的測定結(jié)果

高效液相色譜法：選取5 個質(zhì)量濃度點（1、5、10、20、50 mg/L）為橫坐標(biāo)，以乙酰丙酮的色譜峰面積為縱坐標(biāo)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到乙酰丙酮的線性方程為y=55 617x+12 976，r=0.999 6。當(dāng)乙酰丙酮的色譜峰高是基線噪音高的3 倍和10 倍時，分別得到其檢出限和定量限為0.5 mg/L和2 mg/L。

等離子體原子發(fā)射光譜法：選取5 個質(zhì)量濃度點（0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/L）為橫坐標(biāo)，以鈦的色譜峰面積為縱坐標(biāo)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到鈦的線性方程為y=28 715.9x+239.6，r=0.999 8。進空白樣品11 次，得到11 個空白樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差的3 倍為檢出限，11 個空白樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差的10 倍為定量限。鈦的檢出限為2.0 μg/L，定量限為8.0 μg/L。

2.2 乙酰丙酮超聲提取法的回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差

為了驗證乙酰丙酮提取方法的準(zhǔn)確性，對乙酰丙酮的超聲提取法進行加標(biāo)回收實驗，使得乙酰丙酮的加標(biāo)質(zhì)量濃度為5、10、20 mg/L，每組實驗6 個平行，然后按照1.3.3節(jié)的方法進行前處理和儀器檢測，計算平均回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。結(jié)果表明，方法的回收率為80.6%～106.9%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.4%～8.9%，說明該超聲提取方法可靠。

2.3 鈦的濕法消解的回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差

為了驗證鈦的提取方法的準(zhǔn)確性，對鈦的濕法消解法進行加標(biāo)回收實驗，使得鈦的加標(biāo)質(zhì)量濃度為0.4、0.8 mg/L，每組實驗2 個平行。然后按照1.3.4節(jié)的方法進行樣品處理和儀器檢測，計算加標(biāo)回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。結(jié)果表明，該方法鈦的加標(biāo)回收率為82.7%～93.4%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.68%～2.0%，說明了該消解方法有效。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)溶液中乙酰丙酮和乙酰丙酮鈦的鑒別

2.4.1 氣相色譜-質(zhì)譜法

圖1 空白甲醇（A）、乙酰丙酮（B）、乙酰丙酮鈦（C）氣相色譜圖Fig. 1 Gas chromatograms of methanol (A), AA (B), and TAA (C)

以甲醇為溶劑所配制的乙酰丙酮和乙酰丙酮鈦標(biāo)準(zhǔn)溶液的氣相色譜圖如圖1所示，并給出空白甲醇的色譜圖排除雜質(zhì)峰。由質(zhì)譜定性可知乙酰丙酮和乙酰丙酮鈦標(biāo)液中在5.20 min檢測到的物質(zhì)均為乙酰丙酮，其他峰為色譜柱中遺留的其他物質(zhì)的雜質(zhì)峰。由此可以初步判斷乙酰丙酮鈦在溶劑甲醇中的存在乙酰丙酮。但由于氣相色譜-質(zhì)譜法一般適用于揮發(fā)性、半揮發(fā)性物質(zhì)的檢測，而不適用于不揮發(fā)性的物質(zhì)的檢測，所以實驗采用液相色譜-質(zhì)譜法對兩種標(biāo)液中的物質(zhì)進行了進一步的鑒別。

2.4.2 液相色譜-質(zhì)譜法

圖2 乙酰丙酮和乙酰丙酮鈦的液相色譜母離子圖（負離子模式）Fig. 2 Parent ions of AA and TAA in ESI- mode

如圖2所示，在負離子模式下（減氫），以乙酰丙酮（AA）以及乙酰丙酮鈦（TAA）的標(biāo)準(zhǔn)溶液（質(zhì)量濃度均為5 mg/L）分別直接進樣，在質(zhì)量數(shù)從50～300的區(qū)間搜尋母離子，乙酰丙酮和乙酰丙酮鈦的母離子圖并不一致，確證了這是兩種不同的物質(zhì)。但乙酰丙酮鈦的標(biāo)準(zhǔn)溶液在質(zhì)荷比為[TAA-H]-1處卻沒有響應(yīng)（圖2），說明乙酰丙酮鈦在以甲醇作為溶劑配制標(biāo)準(zhǔn)溶液時已經(jīng)發(fā)生變化，溶液中不再含有乙酰丙酮鈦。而乙酰丙酮和乙酰丙酮鈦在質(zhì)荷比為[AA-H]-1時均有響應(yīng)，并且以[AA-H]-1為母離子尋找子離子時，兩種物質(zhì)的子離子相一致，以此子離子掃描做出乙酰丙酮和乙酰丙酮鈦的液相色譜-質(zhì)譜圖如圖3所示，這說明了這兩種標(biāo)準(zhǔn)溶液中都存在乙酰丙酮。綜合考慮乙酰丙酮鈦甲醇溶液的氣相色譜圖（圖1）與液相色譜圖（圖2、3）可以確認，乙酰丙酮鈦標(biāo)準(zhǔn)溶液中存在乙酰丙酮，而不存在乙酰丙酮鈦，其定性定量需要通過分別測定乙酰丙酮和鈦綜合計算。

圖3 乙酰丙酮和乙酰丙酮鈦標(biāo)準(zhǔn)溶液的液相色譜圖Fig. 3 Liquid chromatograms of AA and TAA standard solutions

2.5 樣品中乙酰丙酮和鈦的含量檢測結(jié)果

表1 樣品中乙酰丙酮和乙酰丙酮鈦的含量（x ±s，n=3）Table 1 Contents of AA and TAA in samples (x s, n= 3)

表1 樣品中乙酰丙酮和乙酰丙酮鈦的含量（x ±s，n=3）Table 1 Contents of AA and TAA in samples (x s, n= 3)

注：—.未檢測到目標(biāo)物質(zhì)。

樣品名稱 乙酰丙酮含量/（mg/kg） 鈦含量/（mg/kg）聚乙烯薄膜 — —乙酰丙酮鈦標(biāo)準(zhǔn)品 790 000.12±1 806.15 188 676.38±295.24高滑型上光油 13 144.19±236.14 111 626.08±156.76油墨 — 19.52±2.61印刷聚乙烯薄膜 — 183.55±19.60

由表1可知，實驗所選用聚乙烯薄膜中既不含有乙酰丙酮也不含有鈦。實驗測得乙酰丙酮鈦標(biāo)準(zhǔn)品中鈦的含量和乙酰丙酮的含量與其分子式中計算所得含量基本一致，其中乙酰丙酮的含量大約為鈦含量的3.7 倍。而上光油中乙酰丙酮含量約為鈦含量的1.13 倍，即乙酰丙酮含量偏少，鈦的含量偏多，這說明了這種高滑型上光油中除了含有乙酰丙酮鈦之外，還含有鈦的其他化合物。油墨樣品中不含有乙酰丙酮，含有少量的鈦。

經(jīng)油墨和上光油印刷后的聚乙烯薄膜中鈦含量為183.55 mg/kg，未檢測到乙酰丙酮。而綜合以上分析，該印刷樣品中鈦的來源只有油墨和上光油。油墨中鈦含量相較于上光油來說極少，所以可以判定樣品中鈦的來源主要為上光油。上光油中乙酰丙酮與鈦含量之間有一個比例關(guān)系，比值約為1.13，按照此比值計算，印刷后的聚乙烯薄膜中乙酰丙酮的含量理論上應(yīng)為207 mg/kg左右，但實際樣品中并未檢出乙酰丙酮。分析乙酰丙酮鈦的作用機理：在涂料的使用過程中隨著溶劑的揮發(fā)，乙酰丙酮基團可與底材及油墨連接體中的活潑基團如—OH、—COOH、—NH2、—CONH2、—SH發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成橋架，使分子質(zhì)量增大從而使得油墨的附著力提高，同時還可以起到增加印刷品光澤度、耐磨性、防水性的作用。所以印刷樣品中未檢測到乙酰丙酮可能是因為乙酰丙酮基團發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)生成了其他物質(zhì)。由于油墨及上光油中組成成分復(fù)雜多樣，乙酰丙酮鈦在作用過程中生成的新物質(zhì)需要更深一步的實驗驗證。

2.6 乙酰丙酮鈦的穩(wěn)定性

圖4 加熱處理條件下乙酰丙酮鈦的紅外光譜圖Fig. 4 Infrared spectra of TAA before and after heat treatment

由圖4可以看出，3 500～3 300 cm-1處的吸收峰為O—H的伸縮吸收峰；2 962 cm-1處是—CH3吸收峰，1 364 cm-1和668 cm-1處的吸收峰歸屬為—CH3的變形吸收峰，2 927 cm-1處為—CH2—的吸收峰；1 606、1 531、1 389 cm-1處的吸收峰為C＝O的振動吸收；1 277 cm-1處為含有羰基的碳骨架的吸收峰；1 029 cm-1處的吸收峰歸屬為C＝O的對稱伸縮振動；664、556 cm-1處的吸收峰為O—Ti＝O的伸縮振動及螯合環(huán)的變形振動；3 143 cm-1處的吸收峰歸屬于與乙酰丙酮鈦C＝C相連的C—C的伸縮振動[13]。而乙酰丙酮鈦在70 ℃條件下加熱處理12 h后，其在波數(shù)為3 143 cm-1處的譜峰消失，說明加熱使得乙酰丙酮鈦的C＝C消失，乙酰丙酮鈦在加熱條件下發(fā)生了氧化反應(yīng)。并且乙酰丙酮鈦的標(biāo)準(zhǔn)品在未經(jīng)加熱處理時能夠溶解于甲醇溶劑中，但經(jīng)加熱12 h處理后的乙酰丙酮鈦標(biāo)準(zhǔn)品不能完全溶于甲醇溶劑中，這進一步說明乙酰丙酮鈦在經(jīng)加熱處理后，其成分發(fā)生了變化。

圖5 紫外光照射處理后乙酰丙酮鈦的紅外光譜圖Fig. 5 Infrared spectra of TAA before and after UV irradiation

乙酰丙酮鈦標(biāo)準(zhǔn)品（粉末）在254 nm紫外波長下照射1、3 d后，如圖5所示，在波數(shù)為3 143 cm-1處的譜峰同樣消失，這說明乙酰丙酮鈦的碳碳雙鍵消失，即其在紫外照射條件下也發(fā)生了氧化反應(yīng)。在波數(shù)為2 000～500 cm-1的范圍內(nèi)，乙酰丙酮鈦在紫外照射1 d和3 d的條件下其紅外光譜圖并沒有發(fā)生明顯變化。從外觀上看，乙酰丙酮鈦的顏色變淡。此時的乙酰丙酮鈦不再溶于甲醇溶液，這也從另一方面說明乙酰丙酮鈦在紫外照射的條件下成分已經(jīng)發(fā)生了變化。

3 結(jié) 論

本實驗探究了標(biāo)準(zhǔn)溶液中乙酰丙酮鈦的存在形式，對比分析了油墨、上光油及印刷樣品中乙酰丙酮和鈦含量，研究了乙酰丙酮鈦標(biāo)準(zhǔn)品在加熱和紫外照射條件下的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，乙酰丙酮鈦在配制的標(biāo)準(zhǔn)溶液中以乙酰丙酮的形式存在。乙酰丙酮鈦標(biāo)準(zhǔn)品及上光油樣品中既含有乙酰丙酮也含有鈦。油墨樣品中不含有乙酰丙酮，含有少量的鈦。印刷樣品中含有鈦而不含有乙酰丙酮，分析原因是乙酰丙酮基團與底材及油墨連接體中的活潑基團發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)，生成了其他物質(zhì)。乙酰丙酮鈦在70 ℃加熱2 h和紫外照射1、3 d后，其碳碳雙鍵消失，說明加熱和紫外照射均使其發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致其發(fā)生變質(zhì)。本研究對食品包裝材料中乙酰丙酮鈦的檢測提供了依據(jù)，為印刷樣品中乙酰丙酮鈦的遷移研究提供了基礎(chǔ)，對乙酰丙酮鈦的安全性研究具有重要的指導(dǎo)作用。