納米銅/聚丙烯復合膜中銅向食品模擬物的遷移及其對膜性能的影響

姜紫薇，胡長鷹,*，石玉杰，張策

1(暨南大學 食品科學與工程系，廣東 廣州，510632) 2(廣東省普通高校產品包裝與物流重點實驗室，廣東 珠海，519070)

食品包裝具有保護食品品質、延長食品貨架期的作用[1]。聚丙烯(polypropylene, PP)因原料價格低廉、綜合性能優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，小尺寸效應等特點[3]，因此將納米材料加入PP基質以改善其性能已成為目前的研究熱點。納米銅具有廣泛的抗菌性[4],將其加入到PP基質中制備復合材料，賦予材料抗菌性的同時，可增強材料的拉伸性，阻隔性，耐熱性等[5]。納米銅已被廣泛地應用于與人類接觸的領域[6]，這為研究應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，納米成分可能會緩慢地遷移到食品中，進而引發食品安全問題。目前，已證實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，可轉移到其他器官和組織進一步誘發某些病變[7-9]。因此，對納米銅食品包裝膜進行科學準確的安全性評價極為重要。目前，GB 9685—2016[10]及(EU) 2016/1416[11]中均規定，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。但至今國內外都沒有針對納米銅遷移及其安全評價的標準和法規。

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

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

食品級PP-H母粒,中國石化北海煉化有限責任公司；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%)、銅標準溶液(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(優級純),廣州化學試劑廠；怡寶純凈水,華潤怡寶(中國)有限公司。

1.2 儀器與設備

雙螺桿擠出造粒機(MEDU-22/40)，廣州市普同實驗分析儀器有限公司；小型吹膜機(JYC-28 )，廣州市金中機械有限公司；高性能微波消解系統(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)，鞏義予華儀器責任有限公司；生化培養箱(PYX-250S-B型)，韶關市科力儀器有限公司；定時恒溫磁力攪拌器(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；抗張試驗機(RS-8427)，東莞市華誼創鴻試驗設備有限公司；掃描電子顯微鏡(XFlash 6130)，德國布魯克公司；原子力顯微鏡(Bioscope Catylyst Nanoscope-V),美國(布魯克)公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 納米銅粉的改性[14]

將硅烷偶聯劑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 復合膜的制備

將食品級PP-H母粒與納米銅粉(或經偶聯劑KH550改性的納米銅粉)按表1的配比方式配比并混合均勻后，倒入造粒機重復造粒3次得到納米銅/PP-H復合母粒。造粒時模頭溫度為175 ℃，料筒1～9區溫度分別為：150、155、155、160、160、160、170、170 和 175 ℃。將復合母粒倒入吹膜機中，吹塑得到納米銅/PP-H復合膜。吹膜機1～4區的溫度均為165 ℃。

表1 復合膜各組分配比(質量分數) 單位：%

1.3.3 復合膜中銅真實含量的測定

測定方法參照石玉杰等[12]的方法進行。

1.3.4 遷移研究

HETZER等[15]、MACKEVICA等[16]研究發現，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生遷移，依據(EU) 2017/752[17]，本實驗選擇質量濃度為30 g/L乙酸食品模擬物代表酸性食品，遷移溫度設置為20、40和70 ℃。為探究溫度對遷移的影響，增補55 ℃作為遷移溫度。

1.3.4.1 室溫避光貯存的復合膜中銅的遷移

(EU) No 10/2011[18]中建議每6 dm2的食品包裝材料應與1 kg或1000 mL的食品模擬物接觸進行遷移實驗。本實驗將復合膜裁成3 cm×3 cm的尺寸，稱重，選取質量適中、表面平整的1片復合膜放入具塞玻璃錐形瓶中，對應加入15 mL質量濃度30 g/L乙酸，蓋緊玻璃塞。分別在20、40、55和70 ℃下進行遷移，待達到特定的時間點后，快速收集模擬物，冷卻后用ICP-OES測定其中銅的濃度，每組3個平行。

1.3.4.2 伽馬射線輻照處理的復合膜中銅的遷移

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

1.3.4.3 循環使用的復合膜中銅的遷移

依據(EU) No 10/2011，根據“1.3.4.1”的操作，將同1片膜樣品在70 ℃ 2 h下進行3次遷移實驗，測定每次遷移后模擬物中銅的濃度，每組3個平行。做70 ℃ 6 h下的對照實驗。

1.3.4.4 復合膜在不同濃度乙酸模擬物中銅的遷移

歐盟和中國分別用質量濃度為30 g/L、體積分數為4%的乙酸作為遷移研究的酸性模擬物。為探究乙酸濃度對復合膜中銅遷移的影響，根據“1.3.4.1”的方法，進行復合膜在質量濃度為0、10、20、30和40 g/L的乙酸模擬物中70 ℃ 2 h條件下的遷移實驗。

1.3.5 ICP-OES條件

參照劉芳所設置的ICP-OES工作參數[13]。

1.3.6 銅遷移量和遷移率的計算

銅遷移量的計算如公式(1)所示:

(1)

銅遷移率的計算如公式(2)所示:

(2)

式中：ρi為用ICP-OES檢測到乙酸食品模擬物中銅的質量濃度(μg/mL)；15為乙酸食品模擬物的體積(mL)；ρo為復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量(g)；m為遷移實驗中3 cm×3 cm單片膜的質量(g)。

1.3.7 復合膜遷移前后的性能測定

1.3.7.1 機械性能

根據GB/T 1040.1—2006[20]、GB/T 1040.3—2006[21]測定膜的拉伸強度和斷裂標稱應變。將復合膜裁成長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行遷移實驗，遷移完成后，測膜厚度，用抗張試驗機測定樣品的機械性能，夾具間初始距離為50 mm，拉伸速度為50 mm/min，每組10個平行。同時測定未經遷移的膜的機械性能。計算如公式(3)、(4)所示：

(3)

(4)

式中：F為膜斷裂時最大拉力(N)；S為膜斷裂時的橫截面積(mm2)；ΔL為斷裂時膜的形變量(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 數據處理

利用Origin Pro 9作圖，采用Minitab 17進行顯著性分析(P<0.05)。所有數據均以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 復合膜中銅真實含量的測定

6種納米銅/PP-H復合膜中銅的真實含量均低于制備時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含量(n=6) 單位：mg/kg

納米銅真實含量的標準差相對較小，說明納米銅在復合膜中分布較均勻。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，使納米銅具有高的表面活性，且對光、溫度、氣氛、濕度等周圍環境十分敏感[22]。因此，復合膜中納米銅在制備過程中會有所損失。

2.2 遷移研究

2.2.1 室溫避光貯存的復合膜中銅的遷移

以復合膜中銅在55 ℃時的遷移曲線為例(圖1)，隨著遷移時間的延長，銅的遷移率逐漸增大，直至遷移平衡，平衡時CF-1膜的遷移量為(4.72±0.23) mg/kg。偶聯劑KH550對銅的遷移率無顯著影響(P>0.05)，這與石玉杰等[12]的研究結果一致。隨著納米銅初始含量的增加，銅的遷移率呈增大趨勢，但在較短時間內并不符合這一趨勢，故對20 ℃ 5 d、40 ℃ 6 h、55 ℃ 2 h、70 ℃ 2 h更短時間段的遷移實驗進一步驗證，結果表明(圖2)在更短的遷移時間內，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膜中銅在相對短時間內向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性質上的相似性，推測當納米銅的添加量增大時，在遷移初始階段，納米銅可能由于團聚而使遷移率下降。

2.2.2 γ射線輻照處理的復合膜中銅的遷移

由表3所示，在相同的遷移條件下，經過γ射線輻照處理后復合膜中銅的遷移量顯著增加(P<0.05),CF-1膜經輻照處理后最大遷移量為(3.45±0.19) mg/kg(40 ℃，10 d)。PP對輻照的穩定性較差[24]，經γ射線輻照的PP-H基質發生氧化降解，基質中氧氣增大[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]，從而使內部的納米銅易被氧化從而遷出。

表3 γ射線輻照處理對納米銅/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 循環使用的復合膜中銅的遷移

在70 ℃條件下(圖3)，復合膜中的銅連續遷移6 h的遷移量顯著多于循環累計遷移6 h的遷移量(P<0.05)，這可能是連續的高溫環境使復合膜的基質穩定性降低，內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次循環時銅的遷移能力最大，顯著高于其他2次循環遷移量(P<0.05)。類比納米銀包裝[27]，推測復合膜中銅的遷移機制可能是復合膜表面的銅粒子先被釋放，隨后膜內部中被氧化的銅發生溶解。當納米銅含量較低時，在PP-H基質中分布較為分散，與食品模擬物接觸時，膜表面的納米銅首先被釋放；當納米銅含量增大時，基質中納米銅較多，在短時間內不能完全氧化溶解，所以在第1次循環時的遷移量不及第2次。

圖3 納米銅/PP-H膜中銅在循環使用時遷移至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)，隨著乙酸質量濃度的增加，銅的遷移量顯著提高(P<0.05)；復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，隨后被氧化成二價銅鹽。乙酸濃度和膜中銅的含量影響反應速率[28]。復合膜中銅遷移量與乙酸濃度的擬合趨勢較好，能真實準確地反映復合膜中銅的遷移量隨模擬物濃度變化的關系。CF-1膜在質量濃度為40 g/L的乙酸食品模擬物中銅的遷移量為(1.34±0.14) mg/kg，未超過法規中規定的上限5 mg/kg。

圖4 納米銅/PP-H膜中的銅遷移至不同質量濃度的乙酸的遷移量的擬合趨勢(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 復合膜的機械性能

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

圖5 納米銅/PP-H膜遷移前后的拉伸強度(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稱應變(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基質中，無明顯團聚,說明復合膜制備較為均勻。在70 ℃下遷移2 h后膜表面團聚的粒子明顯增多(圖7-b)，銅粒子分散性變差；至遷移平衡時，膜表面團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×)

這是由于膜內的納米銅有從高濃度向低濃度擴散的趨勢，逐步向膜表面遷移，堆積在膜表面，隨著遷移實驗的進行，逐步掉落在乙酸中，這與LIU等[31]的研究結果一致。

如圖8所示，遷移前復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。這可能是當納米銅含量較少時在基質中分布相對均勻，隨著遷移實驗逐步由基質中向膜表面遷移，堆積在膜表面，故粗糙度增加，這與在FE-SEM下的形貌圖分析結果一致；當納米銅含量較多時，其在基質中分散性相對減弱，隨著遷移實驗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 結論

遷移時間的延長、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，這些條件都促進了銅的遷移。循環使用的復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合膜的斷裂標稱應變。遷移后復合膜機械性能比較穩定，且影響了納米銅的聚集狀態和粗糙度。本研究所制復合膜中銅的遷移量都不超過食品安全國家標準、歐盟塑料食品接觸材料法規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，納米結構的銅毒性研究尚不完善，沒有相關標準，有待進一步研究。