劉芳，胡長鷹，2*，石玉杰,鐘懷寧，黃金宇,陳汝佳

1(暨南大學 食品科學與工程系，廣東 廣州,510632)2(廣東省普通高校產(chǎn)品包裝與物流重點實驗室，廣東 珠海,519070)3(廣東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心,廣東 廣州,510623)

納米銅/低密度聚乙烯復合膜中銅向食品模擬物遷移量的測定

劉芳1，胡長鷹1，2*，石玉杰1,鐘懷寧3，黃金宇3,陳汝佳1

1(暨南大學 食品科學與工程系，廣東 廣州,510632)2(廣東省普通高校產(chǎn)品包裝與物流重點實驗室，廣東 珠海,519070)3(廣東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心,廣東 廣州,510623)

建立了電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(inductively coupled plasma optical emission spectrometry, ICP-OES)和石墨爐原子吸收光譜法(graphite furnace atomic absorption spectrometry, GFAAS)對納米銅/低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)中銅向食品模擬物遷移量的檢測方法。將納米銅和經(jīng)3-氨丙基三乙氧基硅烷((3-Aminopropyl)triethoxysilane, KH550)處理的納米銅分別添加到LDPE母粒中制備成納米銅/LDPE復合膜。在40 ℃下，將納米銅/LDPE復合膜在3%乙酸和10%乙醇2種食品模擬物中浸泡10 d，以ICP-OES測定3%乙酸中銅的含量，以GFAAS測定10%乙醇中銅的含量。結(jié)果表明：2種模擬物中，銅分別在0.02～0.5 μg/mL和2.5～25 μg/L范圍內(nèi)線性良好，R2大于0.999，回收率分別在81.42%～100.22%和81.71%～96.05%，RSD分別為1.02%～8.87%和1.66%～8.24%(n=6)，檢出限為0.90 μg/L和0.20 μg/L，定量限為3.10 μg/L和0.68 μg/L，表明這2種方法精密度好，靈敏度高，定性定量準確。

納米銅；低密度聚乙烯(LDPE)；復合膜；電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)；石墨爐原子吸收光譜(GFAAS)；食品模擬物；遷移量

銅作為最早被應用的無機抗菌材料，具有廣譜抗菌、抗菌效果持久和無二次污染等優(yōu)點[1]。而納米銅尺寸小、比表面積大、化學性質(zhì)活潑，與普通粒徑的銅相比具有更強、更長效的抗菌性[2]，且與納米銀、納米金等貴重金屬材料相比成本更低，因此應用廣泛。在食品包裝領域,目前研究較多的是以聚合物為基底的納米銅復合材料[3-4],納米銅的加入可以增強這些材料的抗菌活性，提高材料的阻隔性、抗拉伸性、熱穩(wěn)定性和抗紫外輻照性等。因此，納米銅在食品抗菌活性包裝和復合增強型包裝中具有廣闊的應用前景。

然而，食品包裝材料在與食品接觸過程中，其中的納米成分會遷移進入食品，引發(fā)安全問題。因此，快速、準確地檢測納米復合包裝中納米成分的真實含量以及遷移量對食品安全至關重要。目前，國內(nèi)外有關納米銅復合包裝中銅向食品模擬物遷移量的檢測以及遷移規(guī)律的研究未見報道。現(xiàn)已有國家標準GB/T 5009.60—2003采用顯色檢測法測定食品包裝用聚乙烯等成型品中重金屬(以鉛計)的遷移量[5]，規(guī)定遷移量不得超過1 mg/L，但該方法無法對各種重金屬進行具體量化測定，不能真實反映食品包裝材料中銅的遷出量；歐盟塑料食品接觸材料法規(guī)EU 10/2011規(guī)定塑料及制品中銅對食品或食品模擬物的遷移量不得超過5 mg/kg，但尚未規(guī)定食品接觸用塑料及制品中銅遷移量的檢測方法。

ICP-OES是測定食品包裝材料中金屬元素的常用方法，快速準確，但在測定揮發(fā)性強的有機溶劑時錐口積碳嚴重，易造成堵塞致使等離子體熄滅或儀器靈敏度下降[6]，并且其檢測限較高，測定痕量、超痕量金屬元素時需將待測物濃縮，存在一定誤差。預實驗發(fā)現(xiàn)復合膜中銅在10% 乙醇食品模擬物中遷移量很小，因此，ICP-OES 不適合本研究中10% 乙醇食品模擬物中痕量銅元素的測定。而GFAAS 是測定痕量、超痕量金屬元素的常用分析方法，具有靈敏度高、用樣量少、操作簡便等特點[7]。因此，本研究用ICP-OES 測定3% 乙酸食品模擬物中銅的遷移量，用GFAAS測定 10% 乙醇食品模擬物中銅的含量，并應用這兩種檢測方法對不同尺寸復合膜中銅的遷移量進行測定，為進一步遷移研究以及納米銅/LDPE復合食品包裝膜的生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

2426H型LDPE母粒，揚子石化巴斯夫南京有限責任公司；3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)(98%)、納米銅粉末(平均粒徑50 nm,99%)，阿拉丁試劑上海有限公司；冰乙酸、無水乙醇(優(yōu)級純)，天津市津東天正精細化學試劑廠；超純水(18.2 MΩ/cm)由MILLIPORE純水系統(tǒng)制得；銅標準溶液(1 000 μg/mL)，國家有色金屬及電子材料分析測試中心；Mg(NO3)2(優(yōu)級純)，美國Perkin Elmer儀器有限公司。

1.2 主要儀器設備

35型同向平行雙螺桿混煉擠出造粒機,南京科倍隆機械有限公司；FYC-25 型小型吹膜機,廣州市金方圓機械制造有限公司；THERMO iCAP6500電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、AAnalyst600 石墨爐原子吸收光譜儀配AS800自動進樣器 ,美國Perkin Elmer儀器有限公司；ULTER55 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM),德國Carl Zeiss Jena 公司；HH-S4二列四孔水浴鍋,鞏義市予華儀器責任有限公司；Milli-Q Integral 10超純水機,美國Millipore有限公司；90-2型定時恒溫磁力攪拌器,上海滬西分析儀器有限公司；101A-1型電熱鼓風干燥箱,上海實驗儀器廠有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 納米銅粉的預處理

偶聯(lián)劑能增加納米顆粒在高分子樹脂中的界面相容性，提高納米顆粒在介質(zhì)中的分散性[8]，因此本研究對納米銅進行表面處理，以制備均勻的納米銅/LDPE復合膜。將1 mL的硅烷偶聯(lián)劑KH550溶于無水乙醇中，在磁力攪拌器上均勻攪拌5 min,加入納米銅粉后再攪拌1 h，攪拌物80 ℃下烘干[9]，處理后的納米銅粉密封保存，待用。

1.3.2 膜的制備

根據(jù)市售納米銀保鮮膜中納米銀含量[10]及相關文獻的報道[11]，將LDPE母粒、納米銅粉及經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH550處理后的納米銅粉按表1配比后填入造粒機中制成納米銅/LDPE復合母粒，料筒一區(qū)至九區(qū)溫度分別為：165、190、190、190、190、200、200、200和195 ℃；模頭溫度為190 ℃。新的母粒填入小型吹膜機中，吹塑以制得相應的復合膜，吹膜機一區(qū)至四區(qū)的溫度分別為170、175、175和190 ℃。

1.3.3 膜的形貌分析

SEM可以直觀分析材料中納米顆粒的分布情況及復合膜的表面微觀結(jié)構，經(jīng)常應用于納米復合材料的形貌表征[12]。將復合膜用無水乙醇擦拭干凈并風干后，通過導電膠固定在銅臺上，在真空下進行濺射鍍金，利用FE-SEM 觀察納米銅粉及復合膜中納米銅的分布情況。

表1 復合膜各組分配比 單位：%(質(zhì)量分數(shù))

1.3.4 標準儲備液的配制

準確移取銅標準溶液(1 000 μg/mL)5 mL用質(zhì)量分數(shù)為3%的乙酸定容至100 mL，配制成50 μg/mL銅標準儲備溶液A；準確移取銅標準溶液10 mL用體積分數(shù)為10%的乙醇定容至100 mL，配制成100 μg/mL銅標準儲備液B；準確移取質(zhì)量分數(shù)為100% 的Mg(NO3)21 mL用超純水定容至100 mL，配制成質(zhì)量分數(shù)為1% Mg(NO3)2溶液作為基體改進劑。以上溶液置于4 ℃冰箱冷藏密封保存，使用時根據(jù)需要稀釋成不同濃度的標準工作液。

1.3.5 標準曲線的繪制

用質(zhì)量分數(shù)為3%的乙酸稀釋銅標準儲備液A，配制濃度分別0.02、0.05、0.10、0.20和0.50 μg/mL的ICP-OES系列標準工作溶液。

用體積分數(shù)為10%的乙醇稀釋銅標準儲備液B，配制成25 μg/L的母液，然后用GFAAS自動稀釋功能，將其稀釋成濃度分別為2.50、5.00、15.00和25.00 μg/L的GFAAS系列標準工作溶液。

以上標準溶液的各個濃度點做3次平行進行線性相關性的考察。

1.3.6 遷移實驗

在實際使用中，與食品接觸的塑料一般不具有切口，但遷移實驗一般采用切割部分作為試樣并將其完全浸入食品模擬液中以進行更為嚴厲的試驗[13-14]，然而切割尺寸越小切口邊緣面積就越大，遷移物從切口邊緣的遷出可能造成遷移值上升甚至超過遷移限量(邊緣效應)[12]，因此，遷移試驗中合理的試樣切割尺寸才能獲得有效的遷移數(shù)據(jù)。因此，本實驗將復合膜裁成3 cm×3 cm以及1 cm×1 cm的尺寸，參照歐盟法規(guī)EU 10/2011[15]，選用40 ℃作為遷移溫度，質(zhì)量分數(shù)3%的乙酸和體積分數(shù)為10%的乙醇作為食品模擬物，取1片3 cm×3 cm大小的復合膜或9片1 cm×1 cm大小的復合膜放入盛有15 mL食品模擬液的玻璃三角瓶中，蓋好后放入水浴鍋中進行40 ℃ / 10 d的遷移實驗。達到設定的遷移時間后，將復合膜取出，模擬液冷卻后直接進行ICP-OES和GFAAS測定，每組6個平行，同時做空白實驗。

1.3.7 ICP-OES和GFAAS條件

ICP-OES工作參數(shù)：射頻功率1 150 W，蠕動泵泵速50 r/min，輔助氣(Ar)流量0.5 L/min，霧化氣(Ar)流量0.7 L/min，冷卻氣(Ar)流量12 L/min，采樣速率1.0 L/min，檢測波長324.8 nm，積分時間30 s。

GFAAS工作條件：分析波長324.8 nm，燈電流10 mA，狹縫寬度0.7 nm，進樣體積20 μL，基體改進劑體積5 μL。石墨爐升溫程序見表2。

表2 石墨爐升溫程序

1.3.8 檢出限和定量限

按照測定條件，分別對3%乙酸和10%乙醇空白試樣測定11次，以測量結(jié)果的標準偏差的3倍和10倍計算得到2種檢測方法的檢出限和定量限。

1.3.9 加標回收和精密度測定

ICP-OES法的加標回收率和精密度測定：以空白LDPE復合膜為本底，分別向其中加入適量的銅標準儲備液A，使加標濃度分別為0.02、0.10和0.50 μg/mL，每個水平測定6次，按“1.3.6”進行處理后，計算加標回收率和相對標準偏差，同時做空白實驗。

GFAAS法的加標回收率和精密度測定：以空白LDPE復合膜為本底，將銅標準儲備液B稀釋至適當濃度后再加入其中，使加標濃度分別為5.00、15.00和25.00 μg/L，每個水平測定6次，按“1.3.6”進行處理，計算加標回收率和相對標準偏差，同時做空白實驗。

1.3.10 銅遷移量的計算

銅遷移量的計算按照公式(1)進行：

(1)

式中：Mi為3%乙酸(i=1)食品模擬物中銅的遷移量(mg/kg)和10%乙醇(i=2)食品模擬物中銅的遷移量(μg/kg)；Ci為3%乙酸(i=1)食品模擬物中銅的含量(μg/mL)和10%乙醇(i=2)食品模擬物中銅的含量(μg/L)；mi分別為15 mL 3%乙酸(i=1)和10%乙醇(i=2)食品模擬物的質(zhì)量(g)。

1.3.11 數(shù)據(jù)分析

用Office軟件Excel以及 Minitab 17對測定的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和差異顯著性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 方法的線性相關性、檢出限和定量限

ICP-OES檢測方法的標準曲線方程為y=2 712.619x+18.105，R2為0.999 9，可見在0.02～0.50μg/mL濃度范圍內(nèi)線性關系良好，GFAAS檢測方法的標準曲線方程為y=0.003 72x+0.002 56，R2為0.999 6，在2.50～25.00μg/L濃度范圍內(nèi)線性關系良好。2種檢測方法的檢出限分別為0.90μg/L和0.20μg/L，定量限分別為3.10μg/L和0.68μg/L。

2.2 方法的加標回收率和精密度

表3為方法的加標回收率和精密度，2種檢測方法的加標回收率分別為81.42%～100.22%和81.71%～96.05%，RSD分別為1.02%～8.87%和1.66%～8.24%，其準確度和精密度均滿足分析要求。

表3 加標回收率和相對標準偏差(n=6)

2.3 掃描電鏡下納米銅粉及復合膜的形貌

對納米銅粉及復合膜在FE-SEM下放大20萬倍觀測，見圖1。納米銅顆粒呈不規(guī)則球形，有團聚，見圖1(a)。由于納米顆粒的小尺寸效應和表面效應，促使納米金屬顆粒成團聚狀態(tài)存在。與圖1(b)相比，圖1(c)、圖1(d)中納米銅較均勻地分散在LDPE基質(zhì)中，無明顯團聚。圖1(c)和圖1(d)顯示，2種膜雖添加等量的納米銅，但由于偶聯(lián)劑增加了納米銅顆粒在介質(zhì)中的界面相容性，從而提高了納米銅顆粒在LDPE中的分散性, 在圖1(d)中看到較少的納米銅顆粒。

2.4 邊緣效應的測定

3 cm×3 cm以及1 cm×1 cm尺寸的復合膜中銅向食品模擬物中的遷移量見表4，可知裁剪尺寸不同盡管造成切口邊緣與食品模擬物的接觸面積不同，但對復合膜中銅向食品模擬物遷移量的影響無顯著差異(P>0.05)，即不存在邊緣效應，且復合膜中銅的遷移量均低于歐盟法規(guī)EU 10/2011限量5 mg/kg。相同條件下，復合膜CF-0.25#中銅的遷移量均高于復合膜CF-0.25中銅的遷移量(P<0.05)，表明偶聯(lián)劑KH550能提高納米銅在LDPE中的分散性,對銅的遷移有一定促進作用。

a: 納米銅粉; b: CF-0; c: CF-0.25; d: CF-0.25#圖1 納米銅粉及復合膜的SEM圖(200 000×)Fig.1 SEM images of nanocopper powders and the composite films(200 000×)

食品模擬物CF-0.25CF-0.25#3cm×3cm1cm×1cm3cm×3cm1cm×1cm3%乙酸/(mg·kg-1)0.28±0.010.28±0.010.34±0.020.33±0.0210%乙醇/(μg·kg-1)4.46±1.025.87±1.496.38±1.406.55±1.18

注:表中數(shù)據(jù)為(平均值±標準差);平行測定6組。

3 結(jié)論

食品包裝中有應用潛力的納米銅/LDPE復合膜在與3%乙酸和10%乙醇2種食品模擬物接觸過程中，銅會遷移到其中，由于遷移量的差別，本研究用ICP-OES法測定3%乙酸中銅的遷移量，用GFAAS法測定10%乙醇中銅的遷移量，相對標準偏差分別為1.02%～8.87%和1.66%～8.24%，加標回收率為81.42%～100.22%和81.71%～96.05%，表明2種方法精密度好，靈敏度高，定性定量準確，可準確、快速的測定食品模擬物中銅元素含量。相比于ICP-OES，GFAAS法檢出限更低，更適合食品模擬物中痕量銅元素的檢測。應用這兩種方法對裁成3 cm×3 cm和1 cm×1 cm的復合膜中銅的遷移量進行測定，測定結(jié)果無顯著差異，表明不存在邊緣效應，且復合膜中銅的遷移量均低于歐盟法規(guī) EU 10/2011限量5 mg/kg。同時，對偶聯(lián)劑對銅的遷移的影響作了初步探索。納米銅/LDPE復合膜和食品模擬物中銅含量檢測方法的建立，為進一步遷移研究提供基礎，并為納米銅/LDPE復合膜的生產(chǎn)應用提供參考依據(jù)。

[1] BORKOW G, GABBAY J. Copper as a biocidal tool[J]. Current Medicinal Chemistry, 2005, 12: 2 163-2 175.

[2] RAFFI M, MEHRWAN S, BHATTI T M, et al. Investigations into the antibacterial behavior of copper nanoparticles againstEscherichiacoli[J]. Annals of Microbiology, 2010, 60(1): 75-80.

[3] BIKIARIS D N, TRIANTAFYLLIDIS K S. HDPE/Cu-nanofiber nanocomposites with enhanced antibacterial and oxygen barrierproperties appropriate for food packaging applications[J]. Materials Letters, 2013, 93(7): 1-4.

[4] CONTE A, LONGANO D, COSTA C, et al. A novel preservation technique applied to fiordilatte cheese[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2013, 19(4): 158-165.

[5] 上海市衛(wèi)生防疫站. GB/T 5009.60-2003 食品包裝用聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯成型品衛(wèi)生標準的分析方法[S]. 北京：中國標準出版社，2003.

[6] ARTIAGA G, RAMOS K, RAMOS L, et al. Migration and characterisation of nanosilver from food containers byAF4-ICP-MS[J]. Food Chemistry, 2015, 166C(S1-3): 76-85.

[7] YINING X, RUBINO M, AURAS R. Detection and quantification of montmorillonite nanoclay in water-ethanol solutions by graphite furnace atomic absorption spectrometry[J]. Food Additives & Contaminants: Part A, 2013, 30(12): 2 177-2 183.

[8] MALLAKPOUR S, MADANI M. A review of current coupling agents for modification of metal oxide nanoparticles[J]. Progress in Organic Coatings, 2015, 86: 194-207.

[9] JU S, ZHANG H, CHEN M, et al. Improved electrical insulating properties ofLDPE based nanocomposite: Effect of surface modification of magnesia nanoparticles[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2014, 66(6): 183-192.

[10] 李波.聚乙烯塑料食品包裝材料中有毒有害物質(zhì)的測定及遷移研究[D]. 太原：山西大學，2011.

[11] BEIGMOHAMMADI F, PEIGHAMBARDOUST S H, HESARI J, et al. Antibacterial properties of LDPE nanocomposite films in packaging of UF cheese[J]. LWT-Food Science and Technology, 2016, 65: 106-111.

[12] LIN Q-B, LI H, ZHONG H-N, et al. Determination of titanium in nano-titanium oxide (TiO2) composite food packaging by microwave digestion and inductively coupled plasma atomic emission spectrometry and inductively coupled plasma mass spectrometry[J]. Analytical Letters, 2014, 47(12): 2 095-2 103.

[13] CUSHEN M, KERRY J, MORRIS M, et al. Silver migration from nanosilver and a commercially available zeolite filler polyethylene composites to food simulants[J].Food Additives & Contaminants: Part A, 2014, 31(6): 1 132-1 140.

[14] SU Q Z, LIN Q B, CHEN C F, et al. Effect of antioxidants and light stabilisers on silver migration from nanosilver-polyethylene composite packaging films into food simulants[J]. Food Additives & Contaminants: Part A, 2015, 32(9): 1 561-1 566.

[15] EUEOPEANCOMMISSION. European commission regulation (EU) NO. 10/2011 of 14 january 2011 on plastic materials and articles intended to come into contact with food[S].

Determination of the migration of copper from nanocopper/low density polyethylene composite film in food simulants

LIU Fang1, HU Chang-ying1, 2*, SHI Yu-jie1, ZHONG Huai-ning3,HUANG Jin-yu3, CHEN Ru-jia1

1 (Department of Food Science and Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632, China) 2 (Key Laboratory of Product Packaging and Logistics of Guangdong Higher Education Institutes, Zhuhai 519070, China) 3 (Guangdong Inspection and Quarantine Technology Center, Guangzhou 510623, China)

Methods were developed for determination of the migration of copper from nanocopper/low density polyethylene (nanocopper/LDPE) composite films into food simulants by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) or graphite furnace atomic absorption spectrometry (GFAAS). Nanocopper and modified nanocopper by (3-Aminopropyl) triethoxysilane (KH550) were mixed with LDPE granules, new granules containing nanocopper and modified nanocopper were added into the composite films by a film-blowing machine. The films were exposure to 3% acetic acid and 10% ethanol at 40 ℃ for 10 days, the migration of copper in 3% acetic acid and 10% ethanol were determined by ICP-OES and GFAAS respectively. For both food simulants, the results showed the calibration curves of copper were linear in the range of 0.02-0.50 μg/mL and 2.50-25.00 μg/L with correlation coefficients not less than 0.999. The spiked recoveries at different spiked levels were in the range of 81.42%-100.22% and 81.71%-96.05% with relative standard deviation (RSD) of 1.02%-8.87% and 1.66%-8.24%, respectively. The limit of detection were 0.90 μg/L and 0.20 μg/L and the limit of quantitation were 3.10 μg/L and 0.68 μg/L, respectively. The results indicated that both methods were precise, highly sensitive and accurate.

nanocopper; low density polyethylene (LDPE); composite film; inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES); graphite furnace atomic absorption spectrometry (GFAAS); food simulant; migration

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201701033

碩士研究生(胡長鷹教授為通訊作者,E-mail: hucy0000@sina.com)。

國家自然科學基金(31571762，21277061)；國家質(zhì)檢總局科技項目(2014IK078)

2016-05-19，改回日期：2016-06-21