聚乳酸材料遷移試驗(yàn)研究及未來發(fā)展趨勢(shì)分析

姜方方

（江蘇澄信檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證股份有限公司，江蘇 江陰 214431）

1. 研究背景

近年來，人們?nèi)找骊P(guān)注環(huán)保和食品接觸材料的可持續(xù)發(fā)展問題，因此生物基可降解材料受到越來越廣泛的關(guān)注。而聚乳酸（PLA）是一類新型的可降解、生物兼容性好的生物基高分子材料，常被應(yīng)用于食品包裝材料中。然而，PLA 作為包裝材料在與食物接觸時(shí)，會(huì)存在著一定程度向食物中遷移的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而對(duì)食物的質(zhì)量和安全造成威脅，也對(duì)人類健康產(chǎn)生了潛在的危害。[1]所以，為了解決聚乳酸在食物中的遷移問題，有必要開展相應(yīng)的試驗(yàn)和分析，以確保其在食物中的應(yīng)用安全。本文內(nèi)容將為聚乳酸（PLA）和其它可降解材料的開發(fā)利用，奠定了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。在此背景下，本論文主要針對(duì)聚乳酸在食品包裝材料中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)分析，通過模擬該材料在實(shí)際使用條件下的環(huán)境進(jìn)行遷移試驗(yàn)，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

2. 食品接觸材料聚乳酸的性質(zhì)及其在食品包裝材料中的應(yīng)用

2.1 聚乳酸的性質(zhì)

聚乳酸（PLA）又稱聚丙交酯，是一類以乳酸類為主要原料的生物可降解高分子材料,也是一種性能優(yōu)異的高分子聚合物，原料來源充分而且可以再生。聚乳酸（PLA）也是一種具有良好生物兼容性的新型可降解生物基高分子材料，經(jīng)常在食品包裝領(lǐng)域得到應(yīng)用。聚乳酸的制造過程環(huán)保無污染，同時(shí)這種材料能在自然環(huán)境中自我生物降解并有效循環(huán)利用，使其成為理想的綠色高分子材料。聚乳酸的物理和化學(xué)性能都很優(yōu)異，它的熱穩(wěn)定性好，也有很好的抗溶劑性。除此之外，聚乳酸還具備良好的絕緣性，抗疲勞性，力學(xué)性能，特別是在高強(qiáng)度與高硬度方面，更是遠(yuǎn)超其它生物基材料。這是因?yàn)樗姆肿恿糠秶軓V，從幾百到幾十萬之間，較高分子量的機(jī)械性能較好，而較低分子量的聚乳酸具有一定的親水性。PLA 分子結(jié)構(gòu)中存在多個(gè)羥基，對(duì)水分非常敏感，因此它在食品包裝中極易產(chǎn)生遷移。聚乳酸作為一種新型的食物包裝材料，可以制作成吸管、薄膜、瓶蓋、塑料袋、拉鏈袋等食品包裝材料。[2]PLA 與常規(guī)塑料接觸材料相比，在生產(chǎn)過程中不會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，具有良好的環(huán)保特性。但是，聚乳酸會(huì)在食品中產(chǎn)生的遷移問題也引起了人們的廣泛重視。聚乳酸（PLA）在與食品接觸時(shí)極易與油脂、酸等有機(jī)物質(zhì)反應(yīng)而發(fā)生不同程度溶解，從而產(chǎn)生大量的溶解產(chǎn)物，給人類的健康帶來了較大的危害。為了保證食品接觸材料的品質(zhì)和安全性，有必要對(duì) PLA 的遷移行為進(jìn)行有效的試驗(yàn)和評(píng)估。[3]

2.2 聚乳酸在食品包裝材料中的應(yīng)用

聚乳酸（PLA）是一種新型可降解的高分子材料，被廣泛應(yīng)用于食品包裝材料中。PLA 常用作塑料基體，用于制作食物的外包裝材料。[4]PLA是一種可降解、可再生、理化性能優(yōu)良的新型高分子材料。近幾年來，由于人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益關(guān)注，PLA 這一可生物降解的高分子材料得到了越來越廣泛的關(guān)注。

PLA 作為一種新型的食品包裝材料，其研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。擠出級(jí)PLA 樹脂是PLA 的重要應(yīng)用領(lǐng)域，它經(jīng)常用作大型超市新鮮蔬果的包裝材料，這種包裝已在歐洲市場(chǎng)產(chǎn)品鏈中占據(jù)重要位置。此外，這種材料也常用于包裝一些強(qiáng)調(diào)安全、節(jié)能和環(huán)保的電子產(chǎn)品。在PLA注塑市場(chǎng)的應(yīng)用中，改性PLA 樹脂的應(yīng)用尤為普遍。盡管純PLA 具有高透明度和高光澤度等優(yōu)勢(shì)，但其硬脆性、加工困難以及耐熱性不足等缺點(diǎn)限制了其在注塑應(yīng)用中的使用。目前，雙向拉伸膜是最成功的PLA 包裝膜應(yīng)用。PLA 膜經(jīng)過雙向拉伸和熱定型處理后，其耐熱溫度能夠達(dá)到100℃，這有效地補(bǔ)償了PLA 對(duì)高溫的不耐受性?？偟膩碚f，聚乳酸是一種具有巨大發(fā)展前景的生物可降解塑料。當(dāng)聚乳酸（PLA）被用作食品包裝材料時(shí)，不僅能降低環(huán)境污染，同時(shí)也有利于延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。PLA 既可以用于作為單獨(dú)的包裝材料，也可以與其它材料進(jìn)行復(fù)合。該材料可用于制造各種食品包裝材料，如塑料瓶，軟包裝袋，保鮮膜，吸管等。此外，PLA 還可應(yīng)用于涂料的配制，用PLA 對(duì)其進(jìn)行涂層，能夠改善產(chǎn)品的透氣性、阻酸性和耐熱性。[5]但是，PLA 作為一種新型的食品包裝材料，其在生產(chǎn)和使用中會(huì)產(chǎn)生一些問題。PLA 的遷移是指從包裝材料中轉(zhuǎn)移到食物中的過程。這些物質(zhì)在食物中慢慢發(fā)生遷移，將會(huì)對(duì)食物的質(zhì)量和安全產(chǎn)生一定的影響。[6]因此，我們需要深入了解 PLA 在食品中的遷移現(xiàn)象并對(duì)其有效分析，對(duì)確保食品安全有著十分重要的作用。結(jié)果表明，影響 PLA 在食品包裝材料中遷移的主要因素有：溫度、時(shí)間、模擬物種類等。所以，PLA 在生產(chǎn)中的使用，必須綜合考慮以上幾個(gè)方面的影響，并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。此外，由于PLA 在生產(chǎn)時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生一定的有害物質(zhì)殘留，如甲醛和苯酚。PLA 的易遷移性質(zhì)嚴(yán)重地影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。有學(xué)者認(rèn)為，PLA 產(chǎn)生的遷移物會(huì)對(duì)食品的風(fēng)味、顏色、質(zhì)地等特性產(chǎn)生一定的影響。此外，PLA中殘留的一些物質(zhì)對(duì)人類健康也有一定的影響，如對(duì)肝、腎等器官的影響?，F(xiàn)有的研究方法可分為兩大類。一是采用適宜的生產(chǎn)技術(shù)及助劑，降低產(chǎn)品中殘留物質(zhì)的含量；另外，在產(chǎn)品的包裝上，選用合適的材質(zhì)，可以有效地減少PLA 與食品的直接接觸，減小其在食物中的遷移量。[7]

綜上所述，聚乳酸是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ纳锟山到馑芰?。聚乳酸（PLA）用于食物的外包裝，不僅能減少對(duì)環(huán)境的污染，而且能保障人們的身體健康。然而，在將PLA 用作食品包裝材料時(shí)，仍需重視PLA 在食品中的遷移情況，并對(duì)其進(jìn)行深入的研發(fā)。

3. 聚乳酸遷移試驗(yàn)研究

為研究聚乳酸的遷移情況，我們采用了模擬法進(jìn)行試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用模擬實(shí)際使用情況的條件，通過模擬該產(chǎn)品使用時(shí)食品與包裝材料的接觸環(huán)境，觀察聚乳酸在接觸材料中的遷移情況。本試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.156-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品接觸材料及制品遷移試驗(yàn)預(yù)處理方法通則》和GB 31604.1-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品接觸材料及制品遷移試驗(yàn)通則》進(jìn)行相關(guān)預(yù)處理和試驗(yàn)條件的選擇。

3.1 試樣的前處理及試劑準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)樣品由玉米之戀生物降解新材料有限公司提供，樣品為食品包裝用聚乳酸袋。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.156-2016 要求，本樣品采用全浸沒法進(jìn)行試驗(yàn)。按每1.2 dm2接觸面積加入0.2 L（V）模擬物進(jìn)行試驗(yàn)[8]。此樣品接觸食品類別為水性食品（乙醇含量≤10%）、含酒精飲料食品（乙醇含量>10%），根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 31604.1-2016 要求，模擬物需選擇4%乙酸、10%乙醇、20%乙醇、50%乙醇、95%乙醇進(jìn)行試驗(yàn)，此次測(cè)試該樣品在短期試驗(yàn)（70℃，1-4 h）條件下產(chǎn)生的遷移量[9]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果的分析與評(píng)估

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB31604.8-2021《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品接觸材料及制品 總遷移量的測(cè)定》要求，遷移試驗(yàn)后，量取模擬物200 mL（V1）于已于100℃干燥2 h 的空蒸發(fā)皿中，水浴蒸干后，擦去皿底的水滴，于100℃干燥2 h，取出后冷卻后稱量，記錄數(shù)據(jù)，此為蒸干后蒸發(fā)皿質(zhì)量。二者之差為相應(yīng)的殘?jiān)|(zhì)量。

m1為試樣殘?jiān)|(zhì)量；m0為空白試驗(yàn)殘?jiān)|(zhì)量[10]。

本次試驗(yàn)測(cè)試了該樣品接觸5 種食品類別，在短期接觸條件下的遷移情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示，酸性條件下聚乳酸的遷移量會(huì)隨著時(shí)間的增加，遷移量也會(huì)明顯變大。酸性條件下遷移量大于水性條件下的值，說明聚乳酸（PLA）在與食品接觸時(shí)極易與酸發(fā)生水解反應(yīng)，從而產(chǎn)生大量的水解產(chǎn)物。95%乙醇濃度條件下遷移量也會(huì)隨著時(shí)間增加而變大，明顯高于其它醇類條件下的測(cè)試結(jié)果。而95%乙醇常用作油脂類替代試驗(yàn)[11]，說明在接近油性介質(zhì)環(huán)境下，聚乳酸（PLA）也容易與油性介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量的遷移產(chǎn)物。

5 種模擬物不同時(shí)間條件下的測(cè)試結(jié)果

4. 食品接觸材料聚乳酸的未來發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)是世界上最大的乳酸生產(chǎn)國(guó)與供應(yīng)國(guó)，聚乳酸在包裝領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，并具有廣闊的發(fā)展前景。在可持續(xù)發(fā)展的背景下，生物可降解材料受到了廣泛的關(guān)注。聚乳酸（PLA）是一種具有良好生物相容性的可降解高分子聚合物，在食品包裝等方面有著重要的應(yīng)用。[12]因此，我國(guó)科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)密切關(guān)注國(guó)外研究動(dòng)向，加快聚乳酸的研究進(jìn)程。 當(dāng)前，聚乳酸的制備多采用玉米淀粉為主，此工藝雖可取代某些不可生物降解的塑膠，但對(duì)我國(guó)的糧食和市場(chǎng)造成了很大的沖擊。于是，尋找替代原料，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，是一項(xiàng)很有實(shí)際意義的工作。

近幾年來，人們?cè)絹碓街匾暰廴樗岬目沙掷m(xù)發(fā)展，致力于推動(dòng)聚乳酸的開發(fā)與應(yīng)用，并盡量利用各種可再生資源。[13]比如，聚乳酸可從再生物質(zhì)、廢舊塑料、食物廢料等中提取原材料，既可降低對(duì)常規(guī)能源的依賴性，又可降低廢棄物的產(chǎn)生。此外，聚乳酸的制造技術(shù)也有待提高。現(xiàn)有聚乳酸的生產(chǎn)過程存在能耗高、二氧化碳、廢水排放等一系列問題。近年來，人們對(duì)聚乳酸的合成工藝進(jìn)行了改良，技術(shù)上采用了新菌種，優(yōu)化了酶催化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了聚乳酸的綠色制造。此外，采用新工藝、新原料，對(duì)聚乳酸的開發(fā)與制造以及聚乳酸在食品包裝中的推廣具有重要意義。[14]本項(xiàng)目擬開展如下工作：（1）通過對(duì)PLA原料組成進(jìn)行調(diào)控，保證PLA 原料在加工過程中的穩(wěn)定性，減少物料在加工過程中產(chǎn)生遷移。（2）對(duì)PLA 與食物長(zhǎng)期暴露后的化學(xué)成分的溶出物進(jìn)行更加深入研究，并持續(xù)提高 PLA 的安全性能。（3）從PLA 的實(shí)際用途出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件，全面地對(duì)PLA 的安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而為 PLA的制造與使用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

總的來說，PLA 可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今社會(huì)的一個(gè)熱門話題，也是一個(gè)難題，值得從多個(gè)角度去探討。本項(xiàng)目擬采用多種可再生資源為原料，優(yōu)化制備工藝，促進(jìn)聚乳酸的開發(fā)與應(yīng)用，從而促進(jìn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展。

5. 總結(jié)

本文對(duì)PLA 在食物包裝材料中的遷移特性進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)生的遷移情況進(jìn)行了針對(duì)性的總結(jié)，并對(duì)PLA 在食物包裝材料中的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。結(jié)果表明，PLA 在食品包裝材料中會(huì)產(chǎn)生不同程度的遷移，但遷移量都需符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的限量要求。由于社會(huì)對(duì)食物的安全性能越來越重視，無論是國(guó)家還是企業(yè)都在加強(qiáng)對(duì)食物的監(jiān)督管理。PLA 作為一種新型的食品包裝材料，在包裝行業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的使用。然而，在與食物的接觸的過程中，某些化學(xué)物質(zhì)會(huì)被轉(zhuǎn)移到食物中，對(duì)人體健康構(gòu)成威脅。因此，需深入了解PLA 在不同環(huán)境下的遷移特性，對(duì)于保障其作為包裝材料對(duì)食品的安全性有著十分重要的作用。近年來，PLA 被越來越多地用于食品包裝，餐具，醫(yī)藥等領(lǐng)域，具有較好的發(fā)展前景。