何金鳳，林勤保*，任紀(jì)州，呂新廣，李 忠

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 珠海 519070；2．武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430023；3．拱北海關(guān)技術(shù)中心，廣東 珠海 519000）

生物基聚合物最重要的市場之一是食品包裝。在生物基材料中，聚乳酸（PLA）是眾所周知且被廣泛研究的材料，PLA材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的透氣性和生物相容性，且可生物降解、易加工、節(jié)能、低毒，可用于食品包裝材料[1]。然而PLA固有的脆性、低熱變形溫度、低沖擊強(qiáng)度、耐熱性差等不足，使之應(yīng)用受到限制[2]。聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯（PBAT）是一種柔性材料，具有高斷裂伸長率、良好的耐熱性、高沖擊性能、生物降解性以及良好的親水性和加工性能[3]。研究發(fā)現(xiàn)，與純PLA相比，PLA/PBAT共混聚合物的彈性模量、斷裂伸長率增加[4]。

無機(jī)填料通常被添加到聚合物中以降低成本并改善聚合物性能。碳酸鈣（CaCO3）因成本低、化學(xué)純度高、研磨性低、分散性良好被廣泛使用[5]。Rocha等[6]發(fā)現(xiàn)PLA/PBAT/CaCO3復(fù)合材料的楊氏模量、拉伸強(qiáng)度和最大應(yīng)變因CaCO3的加入而增加。

目前，國內(nèi)外對碳酸鈣在生物降解復(fù)合膜中的遷移以及可能的食品安全風(fēng)險(xiǎn)還缺乏關(guān)注和研究。此外，生物可降解材料在使用過程中也可能會(huì)暴露在陽光或紫外線下，但缺乏紫外處理對生物降解復(fù)合膜中碳酸鈣遷移的影響方面的研究。

為探討食品包裝用PLA/PBAT/CaCO3復(fù)合膜的安全性，本研究分析測定了5種PLA/PBAT/CaCO3復(fù)合膜中的鈣在酸性食品模擬物中的遷移，考察了經(jīng)不同紫外老化時(shí)間處理的復(fù)合膜中鈣的遷移情況，并研究了5種復(fù)合膜在不同食品模擬物中的總遷移情況及其作為食品接觸材料的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

XMTD－701微控?cái)?shù)顯電熱板（江蘇鹽城軒源加熱設(shè)備科技有限公司）；DK－98－Ⅱ電子萬用電爐（天津泰斯特儀器有限公司）；AL20電子分析天平（上海梅特勒－托利多儀器有限公司）；GZX－9420MBE鼓風(fēng)式烘箱（上海博迅有限公司）；EPED－10TS超純水器（南京易普達(dá)科技發(fā)展有限公司）；5100 ICP－OES電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（美國安捷倫公司）；DENZ－PA紫外老化加速試驗(yàn)機(jī)（廈門德儀設(shè)備公司）；Ultra 55場發(fā)射掃描電鏡（德國上科亨蔡司公司）。

硝酸（HNO3）、高氯酸（HClO4）和氫氟酸（HF）均為分析純，購自廣州化學(xué)試劑廠；冰醋酸（CH3COOH）購自天津大茂化學(xué)試劑廠；鈣元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 mg/L）購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

5種不同含量CaCO3的PLA/PBAT/CaCO3薄膜由中國某公司提供，具體配方見表1，文中以CaCO3的含量來命名，比如：PA/PB/C5表示該薄膜中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的CaCO3，其中，PA表示PLA，PB表示PBAT。

表1 5種PLA/PBAT/CaCO3薄膜的具體配方Table 1 The formulation of the five kinds of PLA/PBAT/CaCO3 films （w/%）

1.2 復(fù)合薄膜中鈣的初始含量測定

將PLA/PBAT/CaCO3薄膜裁成5 mm×5 mm大小的碎片，稱取0．100 0 g（精確至0．000 1 g）置于錐形瓶內(nèi)，于電子萬能電爐上碳化。碳化完成后，冷卻至室溫，加入10 mL混酸（硝酸∶高氯酸=4∶1，體積比）。待混合物完全加熱消解后，冷卻至室溫，用超純水定容至50 mL，濾液經(jīng)0．22μm濾膜過濾后，稀釋至標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍內(nèi)，于ICP－OES上檢測。每組3個(gè)平行。

ICP－OES工作條件如下：發(fā)射功率1 200 W，霧化器流量0．7 L/min，等離子體氣流量11．0 L/min，輔助氣體流量1 L/min，補(bǔ)償氣體流量0 L/min；觀察方向：徑向，觀察高度8 mm，穩(wěn)定時(shí)間15 s，泵速12 r/min，重復(fù)次數(shù)兩次，讀取時(shí)間5 s。

1.3 SEM形貌表征

將PLA/PBAT/CaCO3薄膜用導(dǎo)電膠粘貼在干凈的銅臺(tái)上，表面噴金處理；工作電壓為25 kV。

1.4 紫外老化

將5種薄膜置于紫外老化加速試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行紫外老化試驗(yàn)，根據(jù)GB/T 16422．3－2014選擇UVB燈管，波長為313 nm，光照強(qiáng)度為0．48 W·m－2·nm－1。每種薄膜均照射24、72、144 h，共得到不同配比不同紫外老化時(shí)間的薄膜15種。

1.5 總遷移試驗(yàn)

為了探究Ca含量與總遷移之間的關(guān)系，進(jìn)行總遷移試驗(yàn)。根據(jù)歐盟法規(guī)No 10/2011[7]選擇3%乙酸、10%乙醇和95%乙醇作為食品模擬物。將薄膜裁成5 cm×6 cm大小，充分混合均勻后，取兩片置于250 mL廣口瓶中，加入100 mL食品模擬物，同時(shí)，進(jìn)行空白食品模擬物遷移實(shí)驗(yàn)?？傔w移條件選擇70℃下遷移2 h。使用電熱板加熱蒸發(fā)皿至模擬物完全蒸發(fā)，隨后將蒸發(fā)皿置于（100±5）℃的恒溫箱內(nèi)加熱2 h，最后于干燥器內(nèi)穩(wěn)定0．5 h，稱重。根據(jù)公式（1）計(jì)算薄膜在對應(yīng)的食品模擬物中的總遷移量。

其中：W代表總遷移量，mg/dm2；m1為遷移后食品模擬物殘?jiān)闹亓?，mg；m2為空白食品模擬物殘?jiān)闹亓?，mg；V為用于蒸發(fā)的食品模擬物的體積，mL；V1為用于總遷移試驗(yàn)的食品模擬物的體積，mL；S表示用于總遷移試驗(yàn)的薄膜的表面積，此處S=0．6 dm2。由于選擇蒸發(fā)100 mL食品模擬物，因此V/V1=1。

1.6 鈣含量測定方法驗(yàn)證及遷移加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

為檢測PLA/PBAT/CaCO3薄膜中Ca的初始含量（或Ca向食品模擬物中的遷移量），使用ICP－OES分析了5個(gè)質(zhì)量濃度（2、4、6、8、10 mg/L）的鈣元素的5%硝酸（或3%乙酸）標(biāo)準(zhǔn)工作液，得到線性方程及相關(guān)系數(shù)，方法的檢出限（LOD）和定量下限（LOQ）分別為11次空白樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍和10倍。

為了驗(yàn)證遷移試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對遷移實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行加標(biāo)回收，向3%乙酸中添加鈣元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，使鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度為2、6、10 mg/L，樣品溶液在70℃的條件下放置2 h，每組3個(gè)平行。

1.7 鈣的遷移試驗(yàn)

選擇3%乙酸作為食品模擬物。將未紫外老化和紫外老化后的薄膜裁成3 cm×3 cm大小，充分混合均勻后，各取一塊放入玻璃試管中，加入15 mL食品模擬物，將試管密封后，置于恒溫箱內(nèi)進(jìn)行遷移。由于預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在40℃，4 h的條件下可達(dá)到遷移平衡，因此遷移條件選擇40℃下遷移24 h和70℃下遷移2 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合膜中鈣的初始含量

復(fù)合膜中鈣的含量主要來自CaCO3，鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占CaCO3總質(zhì)量的40%。通過ICP－OES測定鈣含量，并計(jì)算CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。結(jié)果表明，除PA/PB/C5膜外，膜中CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略低于理論值（表2）。推測由制膜過程的損耗及混合不均造成。

表2 PLA/PBAT/CaCO3薄膜中鈣和CaCO3的總量Table 2 The actual contents of calcium and CaCO3 in PLA/PBAT/CaCO3 films

2.2 復(fù)合膜表面CaCO3的分布形貌

5種PLA/PBAT/CaCO3薄膜的表面形態(tài)如圖1（A－E）所示。放大5 000倍后，CaCO3的白色片狀結(jié)構(gòu)清晰可見。這些片狀結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，分布不均勻。圖1A顯示，分散在PLA/PBAT襯底中的片狀結(jié)構(gòu)的直徑約為2μm。隨著CaCO3含量的增加，片狀結(jié)構(gòu)逐漸增加，面積增加，甚至從表面突出，如圖1C所示。當(dāng)CaCO3含量達(dá)25%（圖1E）時(shí)，片狀結(jié)構(gòu)的直徑增加至約6μm。薄片暴露在基板表面，導(dǎo)致薄膜表面不均勻。這表明在靜電力和范德華力的作用下，碳酸鈣顆粒的逐漸增加使團(tuán)聚程度增加。

圖1 PLA/PBAT/CaCO3薄膜的SEM表面形貌Fig．1 SEM surface morphologies of PLA/PBAT/CaCO3 films

Gu等[8]通過先進(jìn)的流變擴(kuò)展系統(tǒng)研究了PLA/PBAT熔體的線性和非線性剪切流變行為，發(fā)現(xiàn)PLA/PBAT混合物是一個(gè)互不相熔的兩相系統(tǒng)。然而，在圖1中未觀察到明顯的縫隙或裂紋，表明含量較小的PLA在PBAT基體中分散良好。

2.3 總遷移及其與鈣含量的關(guān)系

總遷移是指包裝材料中的非揮發(fā)性物質(zhì)向食品模擬物的遷移。中國與歐盟對塑料食品接觸材料向食品模擬物的總遷移限值（OML）為 10 mg/dm2[7]。5種薄膜在3種食品模擬物中的總遷移如圖2所示。由圖可見，5種薄膜在3%乙酸中的總遷移均超過OML值，在10%乙醇中的總遷移低于在90%乙醇中的總遷移。結(jié)果可以理解為，3%乙酸對無機(jī)填料有溶解作用，導(dǎo)致CaCO3濃度更高。極性物質(zhì)10%乙醇和90%乙醇對CaCO3的溶解能力很小；但90%乙醇溶液可能導(dǎo)致基質(zhì)膨脹，釋放CaCO3。Iuliano等[9]發(fā)現(xiàn)，PLA/PBAT共混物在10%乙醇、異辛烷和改性聚苯醚（MPPO）中的總遷移率低于OML，但在酸性食品模擬物（3%乙酸）中的總遷移量比限值高3倍；遷移產(chǎn)物為乙酸鈣，是碳酸鈣與乙酸的反應(yīng)產(chǎn)物。與本研究的結(jié)論基本一致。

圖2 5種PLA/PBAT/CaCO3薄膜在3種食品模擬物中的總遷移量（70℃，2 h，n=3）Fig．2 The overall migrations of five kinds of PLA/PBAT/CaCO3 films into different food simulants（70 ℃，2 h，n=3）

此外，通過數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)鈣含量與3%乙酸中的總遷移量間存在線性關(guān)系，擬合方程為y=0．001 29x－14．123 74，其中y為3%乙酸（mg/dm2）中的總遷移量，x為鈣含量（mg/kg）。該結(jié)果表明，可以根據(jù)鈣的含量來估計(jì)總遷移量。

2.4 鈣含量測定方法驗(yàn)證及遷移加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

根據(jù)“1．6”方法，對于5%硝酸溶液，線性方程為y=57 460．8x+10 771．2，相關(guān)系數(shù)為0．999 9，方法的定量下限和檢出限分別為2．5、8．2μg/L；對于3%乙酸溶液，線性方程為y=2 231．4x+97．6，相關(guān)系數(shù)為0．999 8，方法的定量下限和檢出限分別為0．2、0．8μg/L。其中x代表Ca的質(zhì)量濃度（mg/L），y代表鈣的響應(yīng)。

根據(jù)“1．6”方法進(jìn)行加標(biāo)實(shí)驗(yàn)，對于3%乙酸溶液，其在2、6、10 mg/L 3個(gè)水平下的加標(biāo)回收率為98．7%～101%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0．40%～0．60%。以上結(jié)果表明提出的方法適用于遷移實(shí)驗(yàn)。

2.5 鈣的遷移測試

圖3為遷移實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從圖中可以看出，隨著薄膜中CaCO3含量的增加，鈣的遷移量隨之增加，并很快達(dá)到遷移平衡（40℃，4 h）。另外，通過計(jì)算，PA/PB/C5、PA/PB/C10、PA/PB/C15、PA/PB/C20、PA/PB/C25 5種薄膜在 70 ℃，2 h條件下的最大遷移率分別為（75．95 ± 1．21）%、（83．22 ±1．18）%、（85．60± 3．82）%、（85．10± 8．32）%、（93．60 ± 1．29）%；在40 ℃，4 h條件下的最大遷移率分別為（75．81± 0．46）%、（81．43 ± 0．62）%、（87．01 ± 1．45）%、（90．91 ± 1．10）%、（94．19±1．61）%?？梢钥闯?，40℃和70℃條件下，隨著薄膜中CaCO3含量的增加，遷移率整體呈現(xiàn)升高的趨勢，且兩個(gè)溫度條件下的最大遷移率幾乎相同。CaCO3含量較少時(shí)，其在薄膜中的分散比較均勻，而當(dāng)CaCO3含量較高時(shí)，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，形成CaCO3簇。研究表明，無機(jī)粒子的遷移首先發(fā)生于材料的表面和切邊處，然后材料內(nèi)部才發(fā)生遷移。當(dāng)CaCO3含量較高時(shí)，切邊處和表面的CaCO3簇較大，遷移到食品模擬物中的量多，導(dǎo)致遷移率增加。

圖3 5種PLA/PBAT/CaCO3薄膜中Ca在40℃（A）和70℃（B）下向3%乙酸的遷移Fig．3 Migration of calcium from five kinds of PLA/PBAT/CaCO3 films into 3% acetic acid at 40℃（A）and 70℃（B）

2.6 紫外老化對鈣遷移的影響

用于食品包裝的PLA/PBAT/CaCO3薄膜可能因紫外殺菌等受到紫外線輻射。因此，探索紫外線老化對PLA/PBAT中CaCO3遷移的影響具有重要意義。圖4顯示了5種薄膜經(jīng)紫外老化后鈣向3%乙酸的遷移情況。值得討論的是，當(dāng)紫外老化時(shí)間達(dá)到72 h時(shí)，鈣的遷移突然轉(zhuǎn)移到一個(gè)較低的值。當(dāng)紫外老化時(shí)間達(dá)到144 h時(shí)，鈣的遷移量略有增加，但仍低于紫外老化后0 h和24 h的遷移量。結(jié)果表明，復(fù)合材料的分子鏈在紫外線老化條件下發(fā)生斷裂和交聯(lián)，有效地抑制了鈣向食品模擬物的遷移。

圖4 不同紫外老化時(shí)間后5種PLA/PBAT/CaCO3薄膜中Ca向3%乙酸的遷移（70℃，2 h，n=3）Fig．4 Migration of calcium from five kinds of PLA/PBAT/CaCO3 films（treated by different ultra?violet aging times）into3% acetic acid（70 ℃，2h，n=3）

Stloukal等[10]發(fā)現(xiàn)，光氧化可導(dǎo)致PBAT的鏈交聯(lián)，從而在PLA發(fā)生鏈斷裂時(shí)形成不溶性聚合物凝膠。Kijchavengkul等[11]在太陽照射下觀察到PBAT的交聯(lián)和鏈斷裂。本小組的研究也發(fā)現(xiàn)，PLA/PBAT材料表面在紫外線老化處理后形成了一層致密的交聯(lián)層[12]。這會(huì)抑制鈣的遷移。此外，Gardette等[13]和Mucha等[14]發(fā)現(xiàn)，PLA光氧化引起的鏈斷裂，有可能導(dǎo)致遷移增加。紫外照射抑制生物降解復(fù)合膜中鈣遷移的機(jī)理尚待進(jìn)一步深入研究。

3 結(jié) 論

本文探究了5種PLA/PBAT/CaCO3薄膜中鈣向食品模擬物的總遷移及其與鈣含量的關(guān)系，并采用ICP－OES檢測了鈣向食品模擬物3%乙酸中的遷移情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鈣含量與3%乙酸中的總遷移量之間呈近似線性的關(guān)系，5種薄膜中的鈣向3%乙酸中的總遷移量均超過總遷移限量。當(dāng)薄膜中鈣含量過高時(shí)，鈣向95%乙醇中的總遷移量也會(huì)超過限量。隨著薄膜中鈣含量的增加，鈣向食品模擬物中的遷移量和遷移率均增加。對薄膜進(jìn)行較長時(shí)間紫外處理以后，鈣的遷移量減少，可能的原因是薄膜中的PBAT發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，抑制了鈣的遷移。因此，此類生物降解復(fù)合膜作為食品接觸材料的安全性需要進(jìn)一步深入研究和關(guān)注。本文研究結(jié)果對政府和行業(yè)開展食品接觸用復(fù)合生物降解膜材料的安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。