姜紫薇，胡長(zhǎng)鷹,*，石玉杰，張策

1(暨南大學(xué) 食品科學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 珠海，519070)

食品包裝具有保護(hù)食品品質(zhì)、延長(zhǎng)食品貨架期的作用[1]。聚丙烯(polypropylene, PP)因原料價(jià)格低廉、綜合性能優(yōu)良而被廣泛地用于食品包裝，然而，PP也存在一些缺陷，如：易老化、韌性差等[2]。納米材料具有表面效應(yīng)，小尺寸效應(yīng)等特點(diǎn)[3]，因此將納米材料加入PP基質(zhì)以改善其性能已成為目前的研究熱點(diǎn)。納米銅具有廣泛的抗菌性[4],將其加入到PP基質(zhì)中制備復(fù)合材料，賦予材料抗菌性的同時(shí)，可增強(qiáng)材料的拉伸性，阻隔性，耐熱性等[5]。納米銅已被廣泛地應(yīng)用于與人類接觸的領(lǐng)域[6]，這為研究應(yīng)用含納米銅的食品包裝膜提供了可行性。

然而，納米包裝材料與食品接觸時(shí)，納米成分可能會(huì)緩慢地遷移到食品中，進(jìn)而引發(fā)食品安全問題。目前，已證實(shí)納米銅具有一定的毒性，高劑量的納米銅可造成大鼠肝損傷，小鼠腦組織損傷，可轉(zhuǎn)移到其他器官和組織進(jìn)一步誘發(fā)某些病變[7-9]。因此，對(duì)納米銅食品包裝膜進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的安全性評(píng)價(jià)極為重要。目前，GB 9685—2016[10]及(EU) 2016/1416[11]中均規(guī)定，食品接觸材料及制品在食品模擬物中銅的遷移量不得超過5 mg/kg。但至今國(guó)內(nèi)外都沒有針對(duì)納米銅遷移及其安全評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。

由石玉杰等[12]的研究可知，在40和70 ℃下，復(fù)合膜中銅向乙酸食品模擬物中遷移至平衡時(shí)，以均聚聚丙烯(homo polypropylene, PP-H)為基質(zhì)的復(fù)合膜中銅的遷移率最大。故本研究選擇PP-H為基質(zhì)來探究納米銅復(fù)合膜的安全性，利用劉芳等[13]所建立的電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(inductively coupled plasma optical emission spectrometer, ICP-OES)探究各條件對(duì)納米銅/PP-H復(fù)合膜中銅向食品模擬物遷移的影響，并探究遷移對(duì)復(fù)合膜性能的影響，從而對(duì)復(fù)合膜進(jìn)行安全性及實(shí)用性評(píng)價(jià)，為該膜在真實(shí)食品包裝中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

食品級(jí)PP-H母粒,中國(guó)石化北海煉化有限責(zé)任公司；γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550, 98%)、球狀納米銅粉末(平均粒徑50 nm, 99%)、銅標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL),阿拉丁試劑上海有限公司；無水乙醇、冰乙酸、濃HNO3(分析純),30% H2O2(優(yōu)級(jí)純),廣州化學(xué)試劑廠；怡寶純凈水,華潤(rùn)怡寶(中國(guó))有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

雙螺桿擠出造粒機(jī)(MEDU-22/40)，廣州市普同實(shí)驗(yàn)分析儀器有限公司；小型吹膜機(jī)(JYC-28 )，廣州市金中機(jī)械有限公司；高性能微波消解系統(tǒng)(ETHOS One)，意大利萊伯泰科邁爾斯通儀器有限公司；電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Agilent 5100)，安捷倫科技有限公司；二列四孔水浴鍋(HH-S4)，鞏義予華儀器責(zé)任有限公司；生化培養(yǎng)箱(PYX-250S-B型)，韶關(guān)市科力儀器有限公司；定時(shí)恒溫磁力攪拌器(90-2),上海滬西分析儀器有限公司；電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)(RS-8427)，東莞市華誼創(chuàng)鴻試驗(yàn)設(shè)備有限公司；掃描電子顯微鏡(XFlash 6130)，德國(guó)布魯克公司；原子力顯微鏡(Bioscope Catylyst Nanoscope-V),美國(guó)(布魯克)公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 納米銅粉的改性[14]

將硅烷偶聯(lián)劑KH550溶于無水乙醇中(ρ(KH550)=25 g/L)，于磁力攪拌器上均勻攪拌30 min，加入納米銅粉(ρ(納米銅)=83.3 g/L)后，再攪拌1 h，超聲處理30 min，于60 ℃下烘干，最后研磨并封存得到改性納米銅粉。

1.3.2 復(fù)合膜的制備

將食品級(jí)PP-H母粒與納米銅粉(或經(jīng)偶聯(lián)劑KH550改性的納米銅粉)按表1的配比方式配比并混合均勻后，倒入造粒機(jī)重復(fù)造粒3次得到納米銅/PP-H復(fù)合母粒。造粒時(shí)模頭溫度為175 ℃，料筒1～9區(qū)溫度分別為：150、155、155、160、160、160、170、170 和 175 ℃。將復(fù)合母粒倒入吹膜機(jī)中，吹塑得到納米銅/PP-H復(fù)合膜。吹膜機(jī)1～4區(qū)的溫度均為165 ℃。

表1 復(fù)合膜各組分配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 單位：%

1.3.3 復(fù)合膜中銅真實(shí)含量的測(cè)定

測(cè)定方法參照石玉杰等[12]的方法進(jìn)行。

1.3.4 遷移研究

HETZER等[15]、MACKEVICA等[16]研究發(fā)現(xiàn)，納米金屬在酸性食品模擬物中的遷移量較大，而在水性、醇性模擬物中幾乎不發(fā)生遷移，依據(jù)(EU) 2017/752[17]，本實(shí)驗(yàn)選擇質(zhì)量濃度為30 g/L乙酸食品模擬物代表酸性食品，遷移溫度設(shè)置為20、40和70 ℃。為探究溫度對(duì)遷移的影響，增補(bǔ)55 ℃作為遷移溫度。

1.3.4.1 室溫避光貯存的復(fù)合膜中銅的遷移

(EU) No 10/2011[18]中建議每6 dm2的食品包裝材料應(yīng)與1 kg或1000 mL的食品模擬物接觸進(jìn)行遷移實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)將復(fù)合膜裁成3 cm×3 cm的尺寸，稱重，選取質(zhì)量適中、表面平整的1片復(fù)合膜放入具塞玻璃錐形瓶中，對(duì)應(yīng)加入15 mL質(zhì)量濃度30 g/L乙酸，蓋緊玻璃塞。分別在20、40、55和70 ℃下進(jìn)行遷移，待達(dá)到特定的時(shí)間點(diǎn)后，快速收集模擬物，冷卻后用ICP-OES測(cè)定其中銅的濃度，每組3個(gè)平行。

1.3.4.2 伽馬射線輻照處理的復(fù)合膜中銅的遷移

輻照是利用原子能射線的輻照能量進(jìn)行殺菌處理的一種常用方法，具有環(huán)保、安全、高效的特點(diǎn)[19]。用伽馬(gamma, γ)射線輻照處理復(fù)合膜，使其吸收劑量在32～34 kGy。再根據(jù)“1.3.4.1”的方法，分別進(jìn)行20 ℃ 10 d、40 ℃ 10 d、55 ℃ 2 h和 70 ℃ 2 h的遷移實(shí)驗(yàn)，每組3個(gè)平行。

1.3.4.3 循環(huán)使用的復(fù)合膜中銅的遷移

依據(jù)(EU) No 10/2011，根據(jù)“1.3.4.1”的操作，將同1片膜樣品在70 ℃ 2 h下進(jìn)行3次遷移實(shí)驗(yàn)，測(cè)定每次遷移后模擬物中銅的濃度，每組3個(gè)平行。做70 ℃ 6 h下的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

1.3.4.4 復(fù)合膜在不同濃度乙酸模擬物中銅的遷移

歐盟和中國(guó)分別用質(zhì)量濃度為30 g/L、體積分?jǐn)?shù)為4%的乙酸作為遷移研究的酸性模擬物。為探究乙酸濃度對(duì)復(fù)合膜中銅遷移的影響，根據(jù)“1.3.4.1”的方法，進(jìn)行復(fù)合膜在質(zhì)量濃度為0、10、20、30和40 g/L的乙酸模擬物中70 ℃ 2 h條件下的遷移實(shí)驗(yàn)。

1.3.5 ICP-OES條件

參照劉芳所設(shè)置的ICP-OES工作參數(shù)[13]。

1.3.6 銅遷移量和遷移率的計(jì)算

銅遷移量的計(jì)算如公式(1)所示:

(1)

銅遷移率的計(jì)算如公式(2)所示:

(2)

式中：ρi為用ICP-OES檢測(cè)到乙酸食品模擬物中銅的質(zhì)量濃度(μg/mL)；15為乙酸食品模擬物的體積(mL)；ρo為復(fù)合膜中納米銅的初始含量(mg/kg)；M為15 mL乙酸食品模擬物的質(zhì)量(g)；m為遷移實(shí)驗(yàn)中3 cm×3 cm單片膜的質(zhì)量(g)。

1.3.7 復(fù)合膜遷移前后的性能測(cè)定

1.3.7.1 機(jī)械性能

根據(jù)GB/T 1040.1—2006[20]、GB/T 1040.3—2006[21]測(cè)定膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂標(biāo)稱應(yīng)變。將復(fù)合膜裁成長(zhǎng)140 mm、寬15 mm，表面和邊沿均無凹陷、缺口的樣品，將其按“1.3.4.1”的方法在不同條件下進(jìn)行遷移實(shí)驗(yàn)，遷移完成后，測(cè)膜厚度，用抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)測(cè)定樣品的機(jī)械性能，夾具間初始距離為50 mm，拉伸速度為50 mm/min，每組10個(gè)平行。同時(shí)測(cè)定未經(jīng)遷移的膜的機(jī)械性能。計(jì)算如公式(3)、(4)所示：

(3)

(4)

式中：F為膜斷裂時(shí)最大拉力(N)；S為膜斷裂時(shí)的橫截面積(mm2)；ΔL為斷裂時(shí)膜的形變量(mm)；L0為夾具間初始距離(mm)。

1.3.7.2 形貌分析

將膜裁成約8 mm×8 mm大小固定在銅臺(tái)上，在真空下濺射鍍金，采用高倍掃描電子顯微鏡拍取20 000倍下清晰圖像，加速電壓為5 kV。

將膜裁成1 cm×1 cm大小固定于載玻片上，在原子力顯微鏡下觀察膜表面的微觀形貌，利用NanoScope Analysis 1.40 處理微觀形貌圖，得到膜樣品均方根粗糙度(root-mean-square roughness,Rq)和表面平均粗糙度(average surface roughness,Ra)。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理

利用Origin Pro 9作圖，采用Minitab 17進(jìn)行顯著性分析(P<0.05)。所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合膜中銅真實(shí)含量的測(cè)定

6種納米銅/PP-H復(fù)合膜中銅的真實(shí)含量均低于制備時(shí)納米銅的初始添加量(表2)。

表2 納米銅/PP-H膜中銅的初始添加量和真實(shí)含量(n=6) 單位：mg/kg

納米銅真實(shí)含量的標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較小，說明納米銅在復(fù)合膜中分布較均勻。由于納米銅粒子的粒徑小、比表面積大、有大量的懸鍵和不飽和鍵等特點(diǎn)，使納米銅具有高的表面活性，且對(duì)光、溫度、氣氛、濕度等周圍環(huán)境十分敏感[22]。因此，復(fù)合膜中納米銅在制備過程中會(huì)有所損失。

2.2 遷移研究

2.2.1 室溫避光貯存的復(fù)合膜中銅的遷移

以復(fù)合膜中銅在55 ℃時(shí)的遷移曲線為例(圖1)，隨著遷移時(shí)間的延長(zhǎng)，銅的遷移率逐漸增大，直至遷移平衡，平衡時(shí)CF-1膜的遷移量為(4.72±0.23) mg/kg。偶聯(lián)劑KH550對(duì)銅的遷移率無顯著影響(P>0.05)，這與石玉杰等[12]的研究結(jié)果一致。隨著納米銅初始含量的增加，銅的遷移率呈增大趨勢(shì)，但在較短時(shí)間內(nèi)并不符合這一趨勢(shì)，故對(duì)20 ℃ 5 d、40 ℃ 6 h、55 ℃ 2 h、70 ℃ 2 h更短時(shí)間段的遷移實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，結(jié)果表明(圖2)在更短的遷移時(shí)間內(nèi)，納米銅的初始含量越多，銅的遷移率越小(P<0.05)。

圖1 納米銅/PP-H膜中銅在55 ℃時(shí)遷移至30 g/L乙酸的遷移率(n=3)Fig.1 Migration rates of copper from nano-copper/PP-H films into 30 g/L acetic acid at 55 ℃(n=3)

圖2 納米銅/PP-H膜中銅在相對(duì)短時(shí)間內(nèi)向30 g/L乙酸的遷移率(n=3)Fig.2 Migration rates of copper from nano-copper/PP-H films into 30 g/L acetic acid during a relatively short time period(n=3)

由ZHANG等[23]的研究可知，納米銀粒子的粒徑越大，釋放速率越慢。由于納米銅和納米銀在粒徑和物理化學(xué)性質(zhì)上的相似性，推測(cè)當(dāng)納米銅的添加量增大時(shí)，在遷移初始階段，納米銅可能由于團(tuán)聚而使遷移率下降。

2.2.2 γ射線輻照處理的復(fù)合膜中銅的遷移

由表3所示，在相同的遷移條件下，經(jīng)過γ射線輻照處理后復(fù)合膜中銅的遷移量顯著增加(P<0.05),CF-1膜經(jīng)輻照處理后最大遷移量為(3.45±0.19) mg/kg(40 ℃，10 d)。PP對(duì)輻照的穩(wěn)定性較差[24]，經(jīng)γ射線輻照的PP-H基質(zhì)發(fā)生氧化降解，基質(zhì)中氧氣增大[25]，高能量的γ射線輻照使納米銅原子之間的間距減小，比表面積增大[26]，從而使內(nèi)部的納米銅易被氧化從而遷出。

表3 γ射線輻照處理對(duì)納米銅/PP-H膜中銅向30 g/L乙酸中遷移的影響(n=3)Table 3 Effect of γ ray irradiation on the migration ofcopper from nano-copper/PP-H films into 30 g/Lacetic acid(n=3)

2.2.3 循環(huán)使用的復(fù)合膜中銅的遷移

在70 ℃條件下(圖3)，復(fù)合膜中的銅連續(xù)遷移6 h的遷移量顯著多于循環(huán)累計(jì)遷移6 h的遷移量(P<0.05)，這可能是連續(xù)的高溫環(huán)境使復(fù)合膜的基質(zhì)穩(wěn)定性降低，內(nèi)部銅粒子附著能力減弱，從而易于遷出。CF-0.25、CF-0.5、CF-1膜，分別在第1、2、2次循環(huán)時(shí)銅的遷移能力最大，顯著高于其他2次循環(huán)遷移量(P<0.05)。類比納米銀包裝[27]，推測(cè)復(fù)合膜中銅的遷移機(jī)制可能是復(fù)合膜表面的銅粒子先被釋放，隨后膜內(nèi)部中被氧化的銅發(fā)生溶解。當(dāng)納米銅含量較低時(shí)，在PP-H基質(zhì)中分布較為分散，與食品模擬物接觸時(shí)，膜表面的納米銅首先被釋放；當(dāng)納米銅含量增大時(shí)，基質(zhì)中納米銅較多，在短時(shí)間內(nèi)不能完全氧化溶解，所以在第1次循環(huán)時(shí)的遷移量不及第2次。

圖3 納米銅/PP-H膜中銅在循環(huán)使用時(shí)遷移至30 g/L乙酸的遷移量(n=3)Fig.3 Migration amount of copper from nano-copper/PP-H films into 30 g/L acetic acid during repeated use(n=3)

2.2.4 復(fù)合膜在不同濃度乙酸模擬物中銅的遷移

在70 ℃下遷移2 h(圖4)，隨著乙酸質(zhì)量濃度的增加，銅的遷移量顯著提高(P<0.05)；復(fù)合膜中納米銅的含量越多，銅的遷移量越大(P<0.05)。這是由于膜中的銅在加熱條件下易生成易溶于乙酸的氧化亞銅，隨后被氧化成二價(jià)銅鹽。乙酸濃度和膜中銅的含量影響反應(yīng)速率[28]。復(fù)合膜中銅遷移量與乙酸濃度的擬合趨勢(shì)較好，能真實(shí)準(zhǔn)確地反映復(fù)合膜中銅的遷移量隨模擬物濃度變化的關(guān)系。CF-1膜在質(zhì)量濃度為40 g/L的乙酸食品模擬物中銅的遷移量為(1.34±0.14) mg/kg，未超過法規(guī)中規(guī)定的上限5 mg/kg。

圖4 納米銅/PP-H膜中的銅遷移至不同質(zhì)量濃度的乙酸的遷移量的擬合趨勢(shì)(n=3)Fig.4 Fitting curves of migration amount of copper from nano-copper/PP-H films into acetic acid with different mass concentrations(n=3)

2.3 復(fù)合膜的機(jī)械性能

如圖5所示，納米銅的加入和遷移行為對(duì)復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度無顯著影響(P>0.05)。如圖6所示，隨著納米銅含量的增加，遷移前復(fù)合膜的斷裂標(biāo)稱應(yīng)變呈先升高后降低的趨勢(shì)，但都顯著大于純PP-H膜(P<0.05)，CF-0.25膜的斷裂標(biāo)稱應(yīng)變達(dá)最大292.60%，這與劉芳[29]、王通文等[30]的研究結(jié)果一致。在各條件下遷移后，僅有CF-1膜在55、70 ℃下，斷裂標(biāo)稱應(yīng)變與遷移前相比顯著降低(P<0.05)。由上文可知，當(dāng)納米銅含量較大時(shí),在相同時(shí)間內(nèi)銅的遷移量較多，使基體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙,較高的溫度加大了裂隙程度，從而使斷裂標(biāo)稱應(yīng)變下降。

圖5 納米銅/PP-H膜遷移前后的拉伸強(qiáng)度(n=10)Fig.5 Tensile strength of nano-copper/PP-H films before and after migration tests(n=10)

圖6 納米銅/PP-H膜遷移前后的斷裂標(biāo)稱應(yīng)變(n=10)Fig.6 Nominal tensile strain at break of nano-copper/PP-H films before and after migration tests(n=10)

2.4 復(fù)合膜的微觀形貌分析

以CF-0.25膜為例，遷移前(圖7-a)納米銅較均勻地分散在PP-H基質(zhì)中，無明顯團(tuán)聚,說明復(fù)合膜制備較為均勻。在70 ℃下遷移2 h后膜表面團(tuán)聚的粒子明顯增多(圖7-b)，銅粒子分散性變差；至遷移平衡時(shí)，膜表面團(tuán)聚的粒子比遷移前稍有增加(圖7-c)。

a-CF-0.25膜；b-CF-0.25膜(70 ℃ 2 h)；c-CF-0.25膜(70 ℃遷移平衡)圖7 納米銅/PP-H膜遷移前后的FE-SEM圖(20000×)Fig.7 FE-SEM images of nano-copper/PP-H films before and after migration tests(20000×)

這是由于膜內(nèi)的納米銅有從高濃度向低濃度擴(kuò)散的趨勢(shì)，逐步向膜表面遷移，堆積在膜表面，隨著遷移實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，逐步掉落在乙酸中，這與LIU等[31]的研究結(jié)果一致。

如圖8所示，遷移前復(fù)合膜的粗糙度隨納米銅含量的增加而增加；遷移后(70 ℃ 2 h)，CF-0.25膜的粗糙度明顯增大，CF-1膜的粗糙度明顯減小，純PP-H膜和CF-0.5膜的粗糙度變化不大。這可能是當(dāng)納米銅含量較少時(shí)在基質(zhì)中分布相對(duì)均勻，隨著遷移實(shí)驗(yàn)逐步由基質(zhì)中向膜表面遷移，堆積在膜表面，故粗糙度增加，這與在FE-SEM下的形貌圖分析結(jié)果一致；當(dāng)納米銅含量較多時(shí)，其在基質(zhì)中分散性相對(duì)減弱，隨著遷移實(shí)驗(yàn)逐步溶解于模擬物中，故遷移后粗糙度降低。

圖8 遷移前后納米銅/PP-H膜的粗糙度(n=5)Fig.8 Roughness of nano-copper/PP-H films before and after migration tests(n=5)

3 結(jié)論

遷移時(shí)間的延長(zhǎng)、溫度的增加、納米銅含量的增加、γ射線輻照處理、乙酸食品模擬物濃度的增加，這些條件都促進(jìn)了銅的遷移。循環(huán)使用的復(fù)合膜中銅的遷移能力因銅含量的不同有所差異。添加納米銅能提高復(fù)合膜的斷裂標(biāo)稱應(yīng)變。遷移后復(fù)合膜機(jī)械性能比較穩(wěn)定，且影響了納米銅的聚集狀態(tài)和粗糙度。本研究所制復(fù)合膜中銅的遷移量都不超過食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、歐盟塑料食品接觸材料法規(guī)中所限定的塑料及制品中銅在食品模擬物中的最大遷移量。但是，納米結(jié)構(gòu)的銅毒性研究尚不完善，沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，有待進(jìn)一步研究。