不同结构纳米铜/PP复合膜中铜向食品模拟物的迁移

石玉杰，胡长鹰,2*，姜紫薇,张策，赵泉

1(暨南大学 食品科学与工程系，广东 广州,510632)2(广东省普通高校产品包装与物流重点实验室，广东 珠海,519070) 3(暨南大学 包装工程研究所，广东 珠海，519070)4(广东出入境检验检疫局检验检疫技术中心,广东 广州,510623)

与常规铜粉相比，纳米铜粉(10～100 nm)不仅具有尺寸小、比表面积大、吸附能力强、抗菌性强、量子尺寸效应等较优异的特性，而且成本低，资源丰富，近年来在食品包装领域备受关注[1-4]，刘芳等[5]研究了用纳米铜/低密度聚乙烯材料在食品中的迁移规律。

聚丙烯(PP)的透明度高、光洁、加工性好，和其他塑料相比具有优异的综合性能，目前在食品包装领域被广泛应用[6]。按照分子链组成及序列结构的不同可分为均聚聚丙烯(PP-H)、无规共聚聚丙烯(PP-R)和嵌段共聚聚丙烯(PP-B)3种，这3种材料结构的差异使他们具有不同的应用特性。在食品包装领域,目前聚合物为基底的纳米复合材料[7-8]研究较多，如将纳米铜粉加入到聚丙烯材料中进行熔融复合，从而赋予新材料具有纳米铜的表面性质，表现出优良的抑菌性，力学性能和透气性等[9]。因此，纳米铜在食品抗菌活性包装和复合增强型包装中具有广阔的应用前景。

随着纳米材料越来越广泛地应用在生产和生活中，其安全性问题也日益凸显，关于纳米材料包装中纳米颗粒向食品迁移的动力和趋势及其对人体健康的影响已得到了初步研究证实[10-11]。但是，目前有关纳米铜复合包装中铜的安全性研究较少，现已有国家标准GB/T 5009. 60—2003以及欧盟塑料食品接触材料法规EU 2016/1416规定塑料及制品中铜的迁移量，对迁移试验的测试条件进行了详尽的说明[12-13]；刘芳[5, 14]建立了电感耦合等离子体发射光谱法(inductively coupled plasma optical emission spectrometry, ICP-OES)和石墨炉原子吸收光谱法(graphite furnace atomic absorption spectrometry, GFAAS)检测纳米铜/低密度聚乙烯中铜向食品模拟物迁移量，又探究了迁移时间、温度、材料中纳米铜的添加量以及食品模拟物对铜迁移的影响。以上研究仅针对聚乙烯材料，为进一步探讨纳米金属从聚烯烃材料向食品(或食品模拟物)的迁移行为与安全隐患，本实验选取纳米铜粉以及偶联剂(KH550)处理后的纳米铜粉，将其添加于PP-H，PP-B，PP-R母粒中，制作成膜，测定复合膜中铜的初始含量，并分别在常规避光和无氧避光条件下存储，研究不同储存条件下铜向不同食品模拟物的迁移，重点考察材料结构对迁移的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

3种PP母粒，均由中国石油化工股份有限公司上海分公司提供；3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)(98%)、纳米铜粉末(平均粒径50 nm,99%)，阿拉丁试剂上海有限公司；冰乙酸、浓HNO3(分析纯)，广州化学试剂厂；30% H2O2(优级纯)，广州化学试剂厂；超纯水(18.2 MΩ/cm)由MILLIPORE纯水系统制得；铜标准溶液(1 000 μg/mL)，阿拉丁试剂上海有限公司；30型脱氧剂，杭州绿源出品。

1.2 仪器与设备

35型同向平行双螺杆混炼挤出造粒机,南京科倍隆机械有限公司；FYC-25 型小型吹膜机,广州市金方圆机械制造有限公司；THERMO iCAP6500电感耦合等离子体发射光谱仪、PinAAcle900H 石墨炉原子吸收光谱仪配AS900自动进样器,美国Perkin Elmer仪器有限公司；微波消解仪，意大利Milestone仪器有限公司；HH-S4二列四孔水浴锅，巩义予华仪器责任有限公司；Milli-Q Integral 10 超纯水机，美国Millipore有限公司；90-2型定时恒温磁力搅拌器,上海沪西分析仪器有限公司；101A-1型电热鼓风干燥箱,上海实验仪器厂有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 膜的制备

根据本课题组的研究[15]及其他相关文献的报道[16]，先将PP母粒同纳米铜粉及经硅烷偶联剂KH550处理后的纳米铜粉[14]混匀，通过造粒机3次造粒，得到纳米铜/PP复合母粒，料筒一区至九区温度分别为：190、200、210、210、210、210、210、210和200 ℃；模头温度为200 ℃。最后将制得的复合母粒填入小型吹膜机中，吹塑得到相应的纳米铜/PP复合膜，吹膜机一区～四区的温度均为200 ℃。

1.3.2 初始含量的测定

将制得的复合膜裁成3 cm × 3 cm大小，称取约0.1 g 左右的复合膜置于聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL浓HNO3溶液和2 mL H2O2溶液后盖上内盖，将消解罐置于耐外压罐中拧紧螺帽在微波消解仪中进行消解，同时做空白实验，微波消解程序如表1。

表1 微波消解程序

待完全消解后，用超纯水将消解液定容至100 mL，并用ICP-OES进行测定。

1.3.3 迁移实验

根据欧盟法规EU 2016/1416中规定，选择20、40、70 ℃作为迁移温度，30 g/L的乙酸用来模拟酸性食品，超纯水用来模拟水性食品。

1.3.3.1 三种不同结构的复合膜中铜向30 g/L乙酸中的迁移

将常规避光储存的纳米铜/PP复合膜裁成3 cm×3 cm，取1片复合膜放入具塞玻璃三角瓶中，分别加入15 mL的30 g/L乙酸，分别在20、40、70 ℃时进行迁移，待达到特定的时间后，将薄膜取出，冷却后用ICP-OES进行测定，每组3个平行，同时做空白实验。

1.3.3.2 三种不同结构的复合膜中铜向超纯水中的迁移

根据1.3.3.1方法，选择超纯水作为食品模拟物，分别进行70 ℃，2 h和40 ℃，10 d的迁移实验，用GFAAS进行测定，每组3个平行，同时做空白实验。

1.3.3.3 常规避光储存和低氧避光储存条件下3种不同结构的复合膜中铜的迁移

根据1.3.3.1所示的方法，选择30 g/L乙酸作为食品模拟物，将两种不同储存条件下的复合膜分别进行70 ℃, 2 h和40 ℃, 10 d的迁移实验，用ICP-OES进行测定，每组3个平行，同时做空白实验。

1.3.4 ICP-OES和GFAAS

ICP-OES是测定食品包装材料中金属元素的常用方法，本文用ICP-OES 测定复合膜中铜的含量以及30 g/L乙酸食品模拟物中铜的迁移量，由于铜在超纯水食品模拟物中迁移量很小，因此，选择灵敏度更高的GFAAS来测定超纯水食品模拟物中铜的迁移量。

ICP-OES工作参数：射频功率1 150 W，蠕动泵泵速50 r/min，辅助气(Ar)流量0.5 L/min，雾化气(Ar)流量0.7 L/min，冷却气(Ar)流量12 L/min，采样速率1.0 L/min，检测波长324.8 nm，积分时间30 s。

GFAAS工作条件：分析波长324.8 nm，灯电流10 mA，狭缝宽度0.7 nm，进样体积20 μL，基体改进剂体积5 μL。

1.3.5 铜迁移率的计算

(1)

式中：Ci为食品模拟物种纳米铜的质量浓度，mg/L；V为待测食品模拟物的体积，mL；Co为复合膜中纳米铜的初始含量，mg/kg；m为膜的质量，g。

1.3.6 数据分析

用Office软件Excel和OriginPro 8 对测定的数据进行统计分析。

用Minitab 17软件对测定的数据进行差异显著性分析，采用T检验方法，取95%置信度，即当p<0.05时有两组数据有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 方法的加标回收率和精密度

2.1.1 ICP-OES法

以3种空白PP复合膜为本底，分别向其中加入适量的铜标准溶液，使加标浓度分别为0.02、0.10和0.50 μg/mL，每个水平测定6次，依据1.3.3.1方法进行实验，同时做空白实验。得到加标回收率和RSD分别在84.11%～98.71%和1.34%～8.67%之间。

2.1.2 GFAAS法

以3种空白PP复合膜为本底，分别加入适量的铜标准溶液，使加标浓度分别为5.00、15.00和25.00 μg/L，每个水平测定6次，依据1.3.3.1方法进行实验，同时做空白实验，得到加标回收率和RSD分别在82.35%～95.12%和1.73%～8.06%之间。

2.2 初始含量的测定

根据1.3.2方法对纳米铜/PP复合膜以及含KH550的纳米铜/PP复合膜中铜的含量进行测定，检测结果如表2所示。不同PP复合膜中纳米铜的含量均低于添加量，这与本课题组先前研究结果一致[5]。主要是因为纳米材料粒径小、吸附性强，在实验室制膜的过程中容易吸附在造粒机与吹塑机的料筒中，造成了纳米铜的损耗，因此在迁移实验中计算迁移率时以本法测得含量作为初始含量(Co)。

表2 纳米铜/聚丙烯复合膜中纳米铜的含量(n=6)

注:表中数据为平均值±标准差；平行测定6组；-表示数值低于检出限。

2.3 迁移结果

2.3.1 三种不同结构的复合膜中铜向30 g/L乙酸中的迁移规律

A-迁移温度为20 ℃；B-迁移温度为40 ℃；C-迁移温度为70 ℃图1 纳米铜/PP复合膜中铜向30 g/L乙酸中的迁移(n=3)Fig.1 Migration (%) of copper from nanocopper/PP composite films into 30 g/L acetic acid (n=3)

从图1可以看出，在温度一定的情况下，随着时间的延长，铜的迁移率逐渐增大，直至平衡；温度越高，铜的迁移率也越大，这符合聚烯烃材料中物质迁移的一般规律。在3种不同的温度下，当迁移达到平衡时，偶联剂KH550的加入对纳米铜的迁移率几乎没有影响(p>0.05)，而课题组研究了纳米铜/低密度聚乙烯膜中铜的迁移[5]，结果显示偶联剂KH550的加入促进了铜的迁移。因为PP比LDPE的结晶度高，结构规整，铜不易迁出，此外偶联剂的加入量较少，导致PP中铜迁移时偶联剂的作用不明显，这一现象将进行进一步的研究和优化。

3种温度下，在迁移初期，铜在纳米铜/PP-R中的迁移率最大，PP-B次之，PP-H中的迁移率最小, 这与李波的研究结果一致[6]。可能在快速迁移阶段，纳米颗粒的迁移符合一般的迁移规律。随着时间的延长，这种现象逐渐改变，在20 ℃迁移平衡时，纳米铜/PP-B中铜的迁移率大于PP-R和PP-H，最大值为3.84%，PP-R和PP-H中铜的迁移率无显著性差异(p>0.05)。在3种PP中，PP-H的结晶度最大，其次是PP-B，PP-R的结晶度最小，结晶度会影响铜的迁移率。一般而言，结晶度越大，铜越不容易从复合膜中迁出，其迁移率就越小。PP-R结构中由于少量的PE无规地插入PP中使其难以结晶，结晶度低，其无定形区存在于细小球晶内部和球晶之间，使整个形态结构接近均相体系[17]，所以纳米铜/PP-H复合膜和PP-R中铜的迁移率没有显著性差异，而PP-B的嵌段结构使其结晶度低于均相体系，导致其复合膜中铜的迁移率更大。40 ℃时，纳米铜/PP-H中铜的迁移率最大，PP-R和PP-B中铜的迁移率没有显著性差异(p>0.05)；70 ℃时，纳米铜/PP-H中铜的的迁移率大于PP-R，而PP-B中铜的迁移率最小。PP-R中含有的乙烯链段，破坏了PP的大球晶，使得其缺口冲击强度比PP-H大，但比PP-B小[18]，温度的升高可能会使复合膜缺口边缘发生变化，而PP-H受到的影响最大，溶进酸性模拟物中的铜就会越多，迁移率也就越大，40 ℃时PP-R和PP-B受到的影响不明显，迁移率无显著性差异(p>0.05)，当温度达到70 ℃时，PP-R和PP-B受到的影响也逐渐显现出来，此时PP-R复合膜中铜的迁移率大于PP-B(p<0.05)。此前研究较多的是聚烯烃中有机物质的迁移，但是对PP中纳米颗粒的迁移研究少，纳米颗粒的迁移或许不完全符合一般的迁移规律，可能纳米颗粒破坏了PP的结构，才出现了不同的迁移情况，还需要大量的实验来进一步探究。

2.3.2 三种不同结构的复合膜中铜向超纯水中的迁移

用GFAAS检测复合膜中铜向超纯水中的迁移率，结果如表3所示。当迁移条件为70 ℃，2 h和40 ℃，10 d时，纳米铜/PP复合膜的迁移液中均未检测到铜。由此可见，与水性模拟液相比，酸性模拟液中氢离子更加促进铜从复合膜中迁出，这一结论与纳米银、纳米氧化锌以及纳米二氧化钛向食品模拟物中迁移研究结果类似[19-21]。

表3 复合膜中铜向超纯水中的迁移率

注：-表示数值低于检出限。

2.3.3 不同储存条件下3种结构的复合膜中铜向30 g/L乙酸中的迁移

纳米铜尺寸小，表面活性高，易氧化，故本实验设计了低氧避光和常规避光2种储存条件，来研究纳米铜/PP复合膜中铜的迁移，由以上研究可知，30 g/L乙酸更有利于铜的迁移，所以只选择30 g/L乙酸作为食品模拟物。

如图2，当迁移条件为40 ℃，10 d时，2种储存条件下铜的迁移率无显著性差异(p>0.05)。在迁移过程中铜会溶解在食品模拟液中,在40 ℃，10 d时，达到溶解度，迁移处于平衡状态，此时氧气的影响不明显，两类膜中铜的迁移率也就没有显著性差异。在70 ℃，2 h时低氧储存条件下纳米铜/PP复合膜中铜的迁移率均低于常规储存下铜的迁移率(p<0.05)。常规储存时复合膜中的铜容易氧化成铜离子，铜离子会和酸性模拟液发生化学反应而溶于其中，使铜的迁移率增大。

A-迁移条件为40 ℃ 10 d；B-迁移条件为70 ℃ 2 h图2 不同储存条件下的纳米铜/PP复合膜中铜向30 g/L乙酸中的迁移(n=3)Fig.2 Migration (%) of copper from nanocopper/PP composite films into 30 g/L acetic acid under different storage conditions (n=3)

3 结论

温度越高、储存时氧气含量越高，越促进铜的迁移。在酸性食品模拟物中铜的迁移能力大于水性模拟物。温度不同，平衡时3种结构的PP复合膜中铜的迁移行为也不同，20 ℃时PP-B中铜的迁移率最大，PP-R和PP-H中铜的迁移率没有显著性差异；40 ℃时，PP-H复合膜中铜的的迁移率最大，PP-B和PP-R中铜的迁移率没有显著性差异；70 ℃时，仍然是PP-H复合膜中铜的迁移率最大，PP-R次之，PP-B中铜的迁移率最小。在纳米铜/PP复合膜中KH550的添加对铜的迁移行为无显著性影响。对于聚乙烯和聚丙烯复合膜，温度、时间以及食品模拟物对铜迁移的影响一致。

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