郭 盼, 曾少甫, 3, 朱 蕾, 吳永寧, 王志偉, 3*, 胡長鷹, 2*

（1. 暨南大學(xué) 包裝工程學(xué)院, 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；2. 暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系, 廣東 廣州 510632；3. 暨南大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 廣東 廣州 510632；4. 國家食品安全風(fēng)險評估中心, 北京100022）

塑料被廣泛應(yīng)用于食品包裝, 其需求呈指數(shù)性增長。再生聚乙烯（PE）作為第二大食品接觸塑料包裝材料, 可通過擠出流延、吹塑成型等方式加工制備各種包裝容器或薄膜等制品, 其制品具有良好的機械性能、加工性能以及優(yōu)異的阻隔性能。食品接觸用塑料約占塑料使用量的27. 9%[1］, 而塑料包裝回收率僅為14%[2］, 其中大部分被填埋或焚燒, 造成環(huán)境污染和資源浪費。目前已有多位學(xué)者和相關(guān)機構(gòu)證實食品接觸用PE材料可實現(xiàn)同級回收[3-7］, 使其再次應(yīng)用于食品包裝。

針對食品接觸用再生塑料的研究主要集中在“瓶對瓶”閉環(huán)回收模式。由于分揀難度大、脫墨處理復(fù)雜、復(fù)合薄膜回收技術(shù)不發(fā)達等問題, 導(dǎo)致薄膜回收技術(shù)尚不成熟。目前, 回收薄膜的主要來源是工業(yè)邊角料和消費后薄膜, 而消費后的薄膜會受到復(fù)雜流通環(huán)境、污染物等因素的影響, 其回收難度較高, 因此加工后廢棄邊角料的閉環(huán)回收成為薄膜回收的重點關(guān)注方式[7-9］。歐盟允許將邊角料、加工廢料作為回收材料使用, 并更新相關(guān)法規(guī)確定安全評估程序以取代原有法規(guī)[10］。美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）《在食品包裝中使用再生塑料的注意事項：化學(xué)方面的考慮》行業(yè)指南中, 提出了“初級再生”邊角料的概念, 不同于消費后回收的塑料, 未經(jīng)消費使用的邊角料可作為食品接觸材料使用[11］。

歐洲食品安全局（EFSA）批準少量高密度聚乙烯（HDPE）硬質(zhì)包裝可作為食品接觸材料使用[4-5］, 但食品接觸用再生PE薄膜的安全性研究仍處于實驗室階段。Radusin等[3］對再生PE作為中間層的食品接觸用復(fù)合塑料進行遷移研究, 發(fā)現(xiàn)樣品在95%乙醇食品模擬物中的總遷移量均低于10 mg/dm2, 抗氧劑及其降解產(chǎn)物、增塑劑、低聚物等化合物的特定遷移量（SML）均在規(guī)定限值內(nèi), 但未進行再生PE作為直接接觸食品內(nèi)層的遷移研究。Curtzwiler等[6］研究發(fā)現(xiàn)不同比例再生料的HDPE樣品萃取殘留物均符合美國聯(lián)邦法規(guī)的食品接觸材料應(yīng)用要求, 但未使用食品模擬物進行遷移研究。邊角料作為工業(yè)生產(chǎn)中被忽略的回收材料, 盡管未受到消費、回收等過程的污染, 其作為食品接觸用回收塑料的安全性還有待研究, 需要進一步關(guān)注含邊角料食品接觸用再生PE材料中潛在的風(fēng)險物質(zhì)。已有學(xué)者使用化學(xué)計量法鑒別原生和再生聚合物, 取得良好的效果[12-13］。為了探究邊角料含量對再生PE薄膜的影響, 可使用化學(xué)計量法對PE薄膜中邊角料比例進行評估分類。

本研究采用不同比例邊角料制備再生PE薄膜樣品, 對其進行顏色、總遷移量測定, 利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）結(jié)合MS-DIAL和保留指數(shù)對揮發(fā)性化合物進行非靶向篩查, 并建立主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘-判別分析（OPLS-DA）模型對特征化合物進行篩選, 以分析不同比例邊角料對再生PE薄膜樣品的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

食品接觸用PE顆粒和破碎后PE邊角料（同一批次）均由浙江某公司提供；二氯甲烷、乙醇（色譜純, 上海麥克林生化科技有限公司）；冰乙酸（分析純, 上海麥克林生化科技有限公司）；正構(gòu)烷烴（C7～C40, 1 000 mg/L, 上海安譜璀世標準技術(shù)服務(wù)有限公司）。UltraScan PRO型分光測色儀（美國HunterLab公司）；DRK203B薄膜測厚儀（濟南德瑞克儀器公司）；JYLG-30型雙螺桿擠出流延機（廣東金中河機械有限公司）；Agilent 7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜儀（美國Agilent公司）；DHG-9140A型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏儀器設(shè)備有限公司）；AR224CN電子天平（奧豪斯儀器有限公司）。

1.2 總遷移量實驗

根據(jù)GB 31604. 1-2015[14］要求, 總遷移條件為70℃, 2 h, 選取4%（體積分數(shù), 下同）乙酸、10%乙醇、50%乙醇、95%乙醇為食品模擬物, 選用直徑75 mm的遷移池, 參考GB 31604. 8-2021[15］實驗步驟對樣品進行總遷移量的測定, 做3組平行并設(shè)置空白組。計算公式如下：X=（m1-m2）V/（V1S）。式中：X為總遷移量（mg/dm2）；m1為樣品浸泡液殘渣的質(zhì)量（mg）；m2為空白浸泡液殘渣的質(zhì)量（mg）；V為浸泡液總體積（mL）；V1為樣品浸泡液體積（mL）；S為樣品與浸泡液的接觸面積（dm2）。

1.3 GC-MS儀器條件

氣相色譜條件：色譜柱：DB-5MS（30 m×0. 25 mm×0. 25μm）；升溫程序：50℃保持1 min, 以15℃/min升至300℃, 保持8 min；載氣（氦氣）流速：1. 2 mL/min；進樣量：1μL；不分流；傳輸線溫度：280℃。

質(zhì)譜條件：電子轟擊離子源（EI源）；電離能量：70 eV；離子源溫度：230℃；四極桿溫度：150℃；檢測方式：全掃描模式；溶劑延遲：3 min；選擇離子監(jiān)測模式；質(zhì)量掃描范圍（m/z）：50～650。

1.4 實驗方法

1.4.1 樣品制備與處理將破碎的邊角料與PE原生母粒分別按質(zhì)量比0%、3%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、50%、75%、100%混合均勻, 在40℃下烘干2 h。含不同比例邊角料的再生PE薄膜樣品由雙螺桿擠出流延機制得。熔融區(qū)溫度分別為：175、180、185℃；合流區(qū)和模具區(qū)溫度均為185℃；主機螺桿轉(zhuǎn)速為20 rad/min, A、B、C輥輪速度分別為10、10、11 rad/min。使用UltraScan PRO型分光測色儀測得并記錄每個樣品的顏色參數(shù)L*、a*、b*, 每種樣品平行測定5次。

將樣品剪成規(guī)格約5 mm×5 mm的碎片, 稱取1. 00 g（精確至0. 01 g）樣品于試管中, 加入15 mL二氯甲烷, 密封后超聲萃取0. 5 h, 過0. 22μm有機濾膜, 取1 mL提取液于進樣小瓶, 待檢測。

1.4.2 正構(gòu)烷烴混合標準溶液配制取正構(gòu)烷烴（C7～C40）標準品稀釋至1 mg/L, 按照“1. 3”實驗條件上機檢測, 結(jié)合NIST17譜庫和線性升溫公式計算保留指數(shù)[16］。

式中：RI為保留指數(shù)；n為正構(gòu)烷烴碳數(shù)；tx為被測組分的保留時間（min）；tn為碳數(shù)為n的正構(gòu)烷烴的保留時間（min）；tn+1為碳數(shù)為n+1的正構(gòu)烷烴的保留時間（min）；且tx＜tn＜tn+1。

1.4.3 數(shù)據(jù)處理使用MS-DIAL和NIST17質(zhì)譜庫, 結(jié)合保留指數(shù), 對所有揮發(fā)性化合物進行定性。NIST17譜庫可增加檢索結(jié)果的可信度, MS-DIAL能對化合物的色譜峰進行解卷積分析, 提高重疊峰的解析能力。參數(shù)設(shè)置如下：質(zhì)量數(shù)分析范圍50～650 Da, 最小峰高1 000, 定性時保留指數(shù)容差為20%, 保留時間容差為0. 5 min, 質(zhì)荷比容差為0. 5 Da, EI相似度為70%, 總體得分不低于70%。峰對齊處理時設(shè)置保留指數(shù)容差值為20%, EI相似度不低于70%。

將扣除空白值的定性數(shù)據(jù)矩陣導(dǎo)出, 對數(shù)據(jù)進行l(wèi)g對數(shù)變換以縮小最大最小數(shù)據(jù)間的差異, 導(dǎo)入SIMCA軟件建立PCA、OPLS-DA模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 再生薄膜色差分析

圖1為實驗室自制不同比例邊角料的再生PE薄膜樣品, 成卷樣品外觀顏色存在明顯差異。借助分光測色儀測定樣品的顏色指標（樣品疊加至厚度1 mm）, 以原生薄膜為參考進行顏色參數(shù)ΔE*分析, 結(jié)果如表1所示。再生PE薄膜的L*、b*均比原生薄膜暗黃, b*隨邊角料比例的增加呈上升趨勢, 且添加比例為75%、100%的樣品與原生薄膜具有顯著性差異, 這是由于邊角料在破碎、電暈處理、破碎、熔融過程中發(fā)生氧化降解, 生成羰基、過氧化羥等發(fā)色官能團和自由基[3, 6, 17］。再生PE薄膜樣品（厚度1 mm）的色差值ΔE*在2. 0～6. 0之間, 能夠肉眼分辨顏色差異[18］, 但單層薄膜較薄, 添加邊角料的再生薄膜實際色差引起的感官影響可忽略不計。

表1 不同比例邊角料再生PE薄膜的色差分析（n=5）Table 1 Analysis of color difference of recycled PE films with different proportions of scraps（n=5）

圖1 食品接觸用再生PE薄膜樣品圖Fig. 1 Sample diagram of recycled PE film for food contact

2.2 再生薄膜總遷移量的測定

為驗證添加邊角料樣品的安全性, 對樣品的總遷移量進行測定。如圖2所示, 原生和再生PE薄膜（100%邊角料）在4種食品模擬物中的總遷移量均小于GB 4806. 7-2016[19］規(guī)定的塑料制品總遷移量限量標準10 mg/dm2。原生和再生PE薄膜在不同食品模擬物中的遷移量無顯著性差異, 說明加入邊角料對總遷移量的影響不明顯。

圖2 原生與再生PE薄膜在4種食品模擬物中的總遷移量（n=3）Fig. 2 Overall migration of virgin and recycled PE films in four food simulants（n=3）

2.3 再生薄膜GC-MS篩查

分別對不同邊角料比例的再生PE薄膜樣品進行GC-MS非靶向篩查, 總離子流圖如圖3所示。使用MS-DIAL軟件結(jié)合保留指數(shù)解卷積處理和NIST17譜庫檢索共同定性, 由于邊角料和原生母粒來自同一批次樣品, 不同比例邊角料樣品色譜圖的特征出峰位置基本相同, 而峰面積略有差異。共定性出90種揮發(fā)性化合物, 包括46種脂肪烷烴、14種酯類、3種脂肪醛、3種脂肪酸、2種脂肪酮、4種脂肪酰胺、6種脂肪醇、7種苯及其取代衍生物、5種其他物質(zhì)。

圖3 不同比例邊角料再生PE薄膜的總離子流色譜圖Fig. 3 Total ion flow chromatograms of recycled PE film with different proportion scraps

不同比例邊角料樣品均檢測到脂肪烴, 如十四烷、十六烷、環(huán)二十烷、1-十六烯、1-十四烯、支鏈飽和烴等, 這是由于PE邊角料在電暈處理、破碎、儲存、高溫熔融加工過程中發(fā)生機械和熱（光）氧化降解、斷鏈, 產(chǎn)生大量的鏈烷烴和烯烴等揮發(fā)性化合物, 并揮發(fā)到外界環(huán)境中[20-21］。隨著邊角料添加量的增多, 再生薄膜中脂肪烴化合物的峰面積逐漸減少[13］。此外在樣品中還篩查出大量醛類、醇類等化合物, 如E-15-十七烯醛、3-十七酮、十六醇、二十酸等。由于PE聚合物在熱（光）氧化下會奪取氫原子形成大量烷基自由基, 與不飽和基團或氧氣形成初級氧化產(chǎn)物氫過氧化物或過氧化物, 通過O—O鍵斷裂降解成烷氧自由基和羥基自由基, 形成各種化學(xué)物質(zhì), 例如醛、酮、醇、羧酸等氧化產(chǎn)物[22-24］。

樣品中也檢測到抗氧劑168、抗氧劑BHT、芥酸酰胺和鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯等提高PE薄膜性能的添加劑?？寡鮿?68和抗氧劑BHT可抑制聚合物氧化降解, 提高擠出流延加工過程中的熱穩(wěn)定性。同時檢測出抗氧劑168的降解產(chǎn)物2, 4-二叔丁基苯酚, 說明邊角料中的抗氧劑168在存儲過程中發(fā)生了降解[25］。芥酸酰胺為爽滑劑, 可有效降低聚合物鏈間的摩擦力, 防止薄膜間粘連。鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯為增塑劑, 可用于提高聚合物的柔韌性和可加工性。

結(jié)合SML、半數(shù)致死量（LD50）和Cramer法則對17種化合物進行重點關(guān)注, 以探究不同邊角料比例樣品中物質(zhì)的潛在風(fēng)險, 如表2所示。SML可參考歐盟食品接觸塑料法規(guī)（EU）No. 10/2011授權(quán)物質(zhì)清單[26］；LD50數(shù) 據(jù) 可 從PubChem（https：//pubchem. ncbi. nlm. nih. gov）、Chemical Book（https：//www. chemicalbook. com）檢索獲得；Cramer分類使用Toxtree軟件將物質(zhì)分為CramerⅠ、CramerⅡ、CramerⅢ3類, 安全閾值分別為1 800、540、90μg/（人·d）[27］。其中抗氧劑BHT、1-十六醇、棕櫚酸、硬脂酸、抗氧劑168、芥酸酰胺、鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯7種物質(zhì)均在（EU）No. 10/2011添加劑清單中?？寡鮿〣HT為3類致癌物（IARC）, 其SML限量為3 mg/kg, 鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯為2B類致癌物（IARC）, 其SML限量為1. 5 mg/kg。部分脂肪酰胺類物質(zhì)（如癸酰胺、十二酰胺、棕櫚酰胺）被歸類為CramerⅢ。

表2 不同比例邊角料樣品二氯甲烷萃取液中的重點關(guān)注化合物Table 2 Key compounds from dichloromethane extract of different proportions of scrap samples

PE聚合物斷鏈、氧化降解產(chǎn)生大量相對無味的烷烴化合物以及烯烴、酮、醛、羧酸等揮發(fā)性有機物, 導(dǎo)致樣品具有蠟質(zhì)、脂肪等異味[28］。長鏈烷烴一側(cè)帶有雙鍵的烯烴（十七烯除外）是引起異味的主要原因, 如1-十四烯、2-丁基-1-癸烯、1-十五烯、1-十六烯[29］。壬醛為爽滑劑芥酸酰胺或PE聚合物的熱降解產(chǎn)物[22, 30］, 具有油脂味道和柑橙味[28］；抗氧劑168的降解產(chǎn)物2, 4-二叔丁基苯酚具有椰子味[29］；硬脂酸、棕櫚酸具有類似于牛脂的特征氣味[31］。這些氣味會影響PE再生薄膜制品的感官評價。

2.4 PE薄膜樣品中邊角料含量分析

2.4.1 PCA與OPLS-DA分析主成分分析是一種無監(jiān)督線性降維方法, 能夠?qū)⒋罅繑?shù)據(jù)通過線性變換轉(zhuǎn)化為不相關(guān)特征變量, 可觀察樣品間的差異?；贕C-MS得到不同比例邊角料樣品中化合物峰面積所組成的矩陣X, 分別使用單位方差換算（UV）和帕萊托換算（Par）兩種方法對數(shù)據(jù)矩陣X進行PCA分析, 結(jié)果表明樣品均在t[1］軸具有明顯差異（圖4A、B）, 添加邊角料≤10%（包括不添加邊角料）的樣品在t[1］軸負坐標軸區(qū)域, 而75%、100%邊角料含量的樣品主要分布在t[1］軸正坐標軸區(qū)域, 其余樣品聚集在坐標原點附近。

圖4 樣品的UV-scaling PCA得分圖（A）、Par-scaling PCA得分圖（B）、UV-scaling OPLS-DA得分圖（C）與Par-scaling OPLS-DA得分圖（D）Fig. 4 UV-scaling PCA score（A）, Par-scaling PCA score（B）, UV-scaling OPLS-DA score（C）and Par-scaling OPLS-DA score（D）of samples

為進一步研究添加不同比例邊角料樣品間的差異并篩選特征化合物, 根據(jù)PCA模型初步將再生PE樣品分為3類（A類：邊角料含量為0%、3%、5%、10%；B類：邊角料含量為15%、20%、25%、30%、50%；C類：邊角料含量為75%、100%）, 建立具有監(jiān)督模式的OPLS-DA模型, 對3類樣品進行預(yù)測分析。如圖4C、D所示, 相較于PCA非監(jiān)督的模式識別方法, OPLS-DA對樣品進行分組處理后, 基于正交信號校正方法濾除與分類無關(guān)的信息, 可更好地觀察組間聚類趨勢和組間差異。使用UV歸一化（擬合參數(shù)：R2Xcum：0. 806, R2Ycum：0. 994, Q2cum：0. 825）比Par歸一化（擬合參數(shù)：R2Xcum：0. 588, R2Ycum：0. 88, Q2cum：0. 749）建立的OPLS-DA模型具有更好的穩(wěn)定性和預(yù)測性, 在UV-scaling OPLS-DA得分圖中, 3組不同比例樣品的聚集趨勢更明顯（圖4C）。

2.4.2 特征成分的篩選為探索造成樣品差異的特征成分, 根據(jù)UV-scaling OPLS-DA模型, 以每個變量投影重要性（VIP）＞1和|p（corr）值|＞0. 7為標準篩選出26個變量, 其中15個變量為脂肪烴化合物, 且再生PE薄膜（100%邊角料）中上述15種脂肪烴化合物的峰面積約為原生薄膜的1. 5倍。由于PE邊角料中的脂肪烴化合物經(jīng)前述加工過程揮發(fā)至外界環(huán)境, 當與原生顆粒混合再次制備成薄膜時, 樣品中脂肪烴化合物的峰面積會隨之減少, 相關(guān)研究中也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)論[13］。添加劑及其降解產(chǎn)物也是造成樣品差異的原因, 如十二酰胺、7, 9-二叔丁基-1-氧雜螺（4, 5）癸-6, 9-二烯-2, 8-二酮、壬醛分別為表面活性劑、抗氧劑1010的降解產(chǎn)物[32-33］、爽滑劑芥酸酰胺或聚合物PE的降解產(chǎn)物[22, 30］, 在再生薄膜（C類）中的峰面積較高。因此經(jīng)同批次邊角料回收再次制備薄膜制品, 雖未出現(xiàn)明顯的新物質(zhì), 但邊角料經(jīng)電暈、破碎、儲存、高溫熔融等加工過程會導(dǎo)致脂肪烴化合物的峰面積減少, 添加劑及其降解產(chǎn)物的峰面積增加。根據(jù)不同比例邊角料樣品的GC-MS篩查數(shù)據(jù), 建立的PCA和OPLS-DA模型可將樣品分為3類：邊角料添加比例在10%以下的樣品與原生薄膜較為相似；當添加比例為10%～50%時, 開始與原生薄膜產(chǎn)生差異, 需對其安全性進行進一步評估；當添加比例達到50%以上時與原生薄膜產(chǎn)生明顯差異, 需對其安全性重點關(guān)注。

3 結(jié) 論

基于GC-MS對自制的不同比例PE再生薄膜進行了非靶向篩查, 檢測出90種揮發(fā)性有機化合物, 主要為脂肪烴、添加劑及其降解產(chǎn)物、中間體等。分析發(fā)現(xiàn)了17種重點關(guān)注物質(zhì), 如抗氧劑BHT、抗氧劑168、芥酸酰胺、鄰苯二甲酸二（2-乙基己）酯、1-十六烯等。通過建立PCA和OPLS-DA模型將樣品分為3類, 發(fā)現(xiàn)邊角料比例在10%以下的樣品與原生薄膜差異不大, 比例在10%～50%之間需進一步評估其安全性, 比例在50%以上需重點關(guān)注。造成不同比例邊角料再生PE薄膜差異的主要原因是脂肪烴、添加劑及其降解產(chǎn)物, 脂肪烴化合物的峰面積隨邊角料添加比例的增加而減少, 十二酰胺、抗氧劑1010的降解產(chǎn)物7, 9-二叔丁基-1-氧雜螺（4, 5）癸-6, 9-二烯-2, 8-二酮、芥酸酰胺或聚合物降解產(chǎn)物壬醛的峰面積隨邊角料添加比例的增加而增大。因此, 邊角料作為再生料同級應(yīng)用到食品接觸用再生PE薄膜時, 需重點關(guān)注再生薄膜中添加劑及其降解產(chǎn)物的遷移情況。本研究為邊角料應(yīng)用于食品級“膜對膜”同級回收工藝提供了數(shù)據(jù)支持, 有助于加快塑料循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展。