納米銅/低密度聚乙烯復合膜在乳制品中的銅遷移

盧 珊,胡長鷹,,*,張勤軍,鐘懷寧,胡曉紅

(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(chǎn)品包裝與物流重點實驗室,廣東 珠海 519070;3.廣東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心,廣東 廣州 510623)

納米材料應用于食品包裝中[1-4],除了能改善包裝的機械性能[5]、阻隔性[6]外,還能使包裝具有良好的抗菌效果[7-10],從而使食品貨架期延長。在納米金屬復合包裝材料中,納米銅具有廣譜抗菌性,對抑制革蘭氏陽性和陰性菌及酵母菌都有效果[11]。因此,納米銅在食品包裝中具有一定應用前景[12]。

己有研究表明,納米材料應用于食品包裝中,會通過擴散、表面解吸附或溶解等方式釋放到食品中[13-14],進而對人體健康產(chǎn)生潛在危害[15]。所以,在納米材料應用之前,需要對其進行充分的安全性評估。納米材料的遷移研究是安全性評估的重要環(huán)節(jié)[16],目前,納米銅復合包裝材料的遷移研究主要注重納米銅在食品模擬物中的遷移研究[17-19],關于納米銅在真實食品中的遷移研究較少[20]。雖然使用食品模擬物能使遷移實驗更加方便,但是,常規(guī)的遷移方法中使用的食品模擬液是否適用于有著特殊性能的納米復合包裝材料還值得商榷[21]。

為了研究納米銅在真實食品中的遷移行為,本實驗選擇乳制品為實驗對象,而市場上乳制品的包裝大部分為利樂包,利樂包的內(nèi)層由低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)制成。本實驗選擇LDPE為基材,主要研究納米銅/LDPE復合膜中銅在純?nèi)楹退崛橹械倪w移,對比復合膜中銅在乳制品及其對應食品模擬物的遷移,重點考察現(xiàn)行標準中關于食品模擬液的選擇在納米銅遷移研究中的適用性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

純牛乳、風味發(fā)酵乳 市購;LDPE母粒 陶氏杜邦有限責任公司;納米銅粉(平均粒徑50 nm,純度99%) 阿拉丁試劑(上海)有限公司;濃硝酸(色譜純)、調(diào)諧液 賽默飛世爾科技(中國)有限公司;過氧化氫(30%、優(yōu)級純) 廣州化學試劑廠;一級水(18.2 MΩ/cm)由Millipore純水系統(tǒng)制得;銅標準溶液(1 000 μg/mL) 國家有色金屬及電子材料分析測試中心;Ge、Y標準溶液(1 000 μg/mL) 美國O2si公司;無水乙醇(分析純) 廣州化學試劑廠;冰乙酸(分析純) 天津市科密歐化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

MEDU-22/40型雙螺桿擠出造粒機 廣州市普同實驗分析儀器有限公司;小型流延膜實驗機 佛山市金中河機械有限公司;ETHOS UP微波消解系統(tǒng) 意大利Milestone有限公司;ICP RQ電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductive coupled plasma-mass spectrometry,ICP-MS)儀美國Thermo Fisher Scientific公司;Optima 8000電感耦合等離子體發(fā)射光譜(inductively coupled plasma optical emission spectrometry,ICP-OES)儀 美國PerkinElmer公司;SHA-B水浴恒溫振蕩器 金壇市醫(yī)療儀器廠;V5平面袋真空保鮮機 深圳瑞朗克斯科技有限公司;ST5000實驗室pH計 奧豪斯儀器(常州)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 膜的制備

將LDPE母粒和納米粉末充分混勻后通過造粒機進行造粒,重復造粒3 次[22],得到納米銅/LDPE復合母粒,料筒1～9 區(qū)的溫度分別為155、155、165、165、165、165、165、165、165 ℃;模頭溫度為165 ℃。造粒完成后將復合母粒用小型流延膜實驗機進行流延成膜,得到納米銅/LDPE復合膜,流延機1～3 區(qū)的溫度分別為180、185、185 ℃,合流區(qū)溫度為190 ℃,模具區(qū)溫度為195 ℃。納米銅和LDPE母粒的比例見表1。CF-0.5的厚度為(74.80±6.272)μm,密度為(0.827 2±0.017 98)g/cm3。C F-1的厚度為(7 3.6 8±7.5 3 5)μ m,密度為(0.878 5±0.012 37)g/cm3。

表1 復合膜中各組分的配比Table 1 Formulation of composite films%

1.3.2 標準溶液配制

使用體積分數(shù)為1%的硝酸溶液將Cu標準溶液(1 000 μg/mL)和Ge、Y標準溶液(1 000 μg/mL)進行逐級稀釋,配制Cu標準溶液質(zhì)量濃度為0.1、1、5、10、20、50 μg/L的微波消解-ICP-MS標準工作液;Ge、Y內(nèi)標使用液質(zhì)量濃度為20 μg/L。內(nèi)標使用液由三通管在線加入ICP-MS。

分別使用體積分數(shù)為3%和4%的乙酸溶液將Cu(1 000 μg/mL)標準溶液逐級稀釋為0.5、1、2、5、10、20 μg/mL的ICP-OES標準工作液。

1.3.3 遷移實驗

常用于牛乳包裝的利樂包里層通常為LDPE,本實驗為了模擬牛乳包裝內(nèi)層與牛乳的實際接觸情況,并保持牛乳在遷移過程中的完整性,選擇制袋法進行遷移實驗。GB 23296.1—2009《食品接觸材料及制品遷移試驗通則》[23]中規(guī)定遷移實驗中,采用袋裝實驗的表面積-體積比一般為2 dm2食品接觸面積比100 mL食品模擬物。用封口機將納米銅/LDPE復合膜制成6 cm×10 cm的食品包裝袋,裝入30 mL的食品或者食品模擬液,再將包裝袋密封嚴實,根據(jù)后續(xù)實驗需求,在一定的遷移溫度和遷移時間條件下進行遷移實驗。遷移實驗完成后,待樣品冷卻至室溫后,將樣品取出裝好存放在4 ℃的冰箱中待測。每組3 個平行,同時做空白對照。

1.3.4 樣品前處理

1.3.4.1 乳制品的前處理

稱取乳制品2 g左右(精確到0.000 1 g)放入聚四氟乙烯消解罐內(nèi),加入5 mL濃硝酸,加蓋靜置1 h以上,再加入2 mL H2O2,旋緊外蓋后放入微波消解儀中進行消解,微波消解程序[24]見表2。微波消解程序完成后,取出聚四氟乙烯罐,緩慢旋開外蓋后用少量的一級水沖洗內(nèi)蓋,將消解罐在超聲水浴箱中超聲脫氣10 min,用一級水將溶液轉(zhuǎn)移并定容到100 mL容量瓶中,再用0.45 μm針式過濾器過濾后進行測定。

表2 微波消解程序Table 2 Microwave digestion program

1.3.4.2 食品模擬液的前處理

由于50%乙醇溶液無法直接用ICP-MS進行檢測,需進行一定的前處理。準確量取10 mL的50%乙醇模擬液于25 mL具塞試管中,將試管放置在氮吹儀中進行氮吹處理,當溶液體積低于5 mL時取出試管,用1%的硝酸溶液將樣品溶液定容到25 mL容量瓶中,用0.45 μm針式過濾器過濾后進行測定。銅向乙酸中的遷移檢測方法己由課題組劉芳等[19]建立,因此3%和4%乙酸模擬液無需前處理,可直接用ICP-OES進行檢測。

1.3.5 儀器工作條件

用調(diào)諧液對ICP-MS進行優(yōu)化,確保儀器靈敏度、背景強度、雙離子強度等在制定范圍內(nèi)。優(yōu)化后ICP-MS和ICP-OES的工作參數(shù)見表3。

表3 ICP-MS和ICP-OES操作條件Table 3Operating conditions of ICP-MS and ICP-OES

1.3.6 方法的線性相關性、曲線穩(wěn)定性檢出限和定量限

以標準工作溶液各元素的質(zhì)量濃度為橫坐標,各元素與內(nèi)標計數(shù)值的比值為縱坐標,繪制標準曲線。對曲線的高、中、低質(zhì)量濃度點進行重復6 次測定,觀察曲線的穩(wěn)定性。對11 份樣品空白進行測定,以測量結(jié)果3 倍標準偏差作為方法的檢出限,以測量結(jié)果10 倍標準偏差作為方法的定量限。

1.3.7 加標回收率和精密度測定

在空白膜制成的包裝袋中加入30 mL純?nèi)?再分別加入15 μL的100 mg/L的銅標準溶液、15 μL的1 000 mg/L的銅標準溶液、75 μL的1 000 mg/L的銅標準溶液分別使加標質(zhì)量濃度為0.05、0.5、2.5 mg/L。按照1.3.3節(jié)進行遷移實驗之后按1.3.4.1節(jié)進行前處理,每個添加水平進行6 次測定,同時做空白實驗。

1.3.8 遷移量的計算

乳制品中及不同溶液中銅遷移量的計算如式(1)～(4)所示:

式中:M1、M2、M3、M4分別為乳制品、50%乙醇、3%乙酸、4%乙酸模擬液中銅的遷移量/(μg/kg);Ci1和Ci2分別為ICP-MS測得的乳制品、50%乙醇經(jīng)前處理后的銅的質(zhì)量濃度/(μg/L);Ci3和Ci4分別為ICP-OES測得的3%、4%乙酸中銅的質(zhì)量濃度/(μg/L);V為試樣消化液定容的體積/mL;fi為試樣稀釋倍數(shù);m1為稱取乳制品的質(zhì)量/g;m2為30 mL 50%乙醇的質(zhì)量/g;m3和m4分別為30 mL 3%和4%乙酸的質(zhì)量/g。

1.3.9 遷移實驗

1.3.9.1 納米銅/LDPE復合膜中銅在乳制品中的遷移

實驗探究納米銅/LDPE復合膜中銅在純?nèi)楹退崛橹械倪w移。按照1.3.3節(jié)方法進行遷移實驗后按1.3.4.1節(jié)進行樣品前處理,同時做空白實驗。遷移量為遷移后乳制品中的銅含量與乳制品本身含有的銅含量之差。

1.3.9.2 納米銅/LDPE復合膜中銅在乳制品及其對應的食品模擬物中的遷移對比

GB 31604.1—2015《食品接觸材料及制品遷移試驗通則》[25]以及歐盟標準EU 10/2011[26]中規(guī)定,純?nèi)閷氖称纺M物均為50%乙醇溶液,而對于酸乳的食品模擬物的規(guī)定則不一樣,國標規(guī)定體積分數(shù)4%乙酸為酸乳的食品模擬物,而歐盟規(guī)定質(zhì)量分數(shù)3%乙酸為酸乳的食品模擬物。實驗分別選擇了50%乙醇、3%乙酸及4%乙酸3 種食品模擬液進行遷移實驗,并且對比納米銅在真實食品中的遷移,以考察現(xiàn)行標準中關于食品模擬液的選擇在納米成分遷移研究中的適用性。按照1.3.3節(jié)方法進行遷移實驗,3%乙酸和4%乙酸溶液中銅質(zhì)量濃度用ICPOES進行定量測定,50%乙醇溶液需按照方法1.3.4.2節(jié)進行前處理后用ICP-MS進行定量分析。

1.3.9.3 紫外照射處理后的復合膜中銅在乳制品中的遷移

紫外光常用于食品接觸材料的消毒,為研究紫外照射對遷移的影響,在遷移實驗開始前用紫外照射處理納米銅/LDPE復合膜。將裁剪好的納米銅/LDPE復合膜均勻放置在紫外波長為254 nm的環(huán)境中處理30 min,按照1.3.3節(jié)方法進行遷移實驗后按1.3.4.1節(jié)進行樣品前處理。

1.3.9.4 蒸煮條件下復合膜中銅在純?nèi)橹械倪w移

純?nèi)榘b在實際使用過程中可能會涉及蒸煮條件,為了研究納米銅在蒸煮狀態(tài)下在純?nèi)檫w移的情況,因此將灌裝好牛乳的包裝袋在蒸煮條件下進行遷移實驗。取1 000 mL燒杯裝入適量純水,置于電熱板上加熱到水沸騰,沸騰后將灌裝好樣品的納米銅/LDPE復合包裝袋浸沒在沸水中15 min。按照1.3.3節(jié)方法進行遷移實驗后按1.3.4.1節(jié)進行樣品前處理,同時做空白實驗。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Office軟件Excel對數(shù)據(jù)結(jié)果進行統(tǒng)計分析并作圖,用Minitab 17對結(jié)果進行差異顯著性分析,采用t檢驗,取95%置信度,差異顯著,P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 方法的建立

ICP-MS檢測銅元素的方法的標準曲線方程為y=5 600.077 2x+189.734 1,儀器檢出限為0.016 μg/L,方法檢出限為8.42 μg/kg,方法定量限為28.06 μg/kg。相關系數(shù)r＞0.999 9,這說明用ICP-MS法檢測銅在0.10～50.00 μg/L范圍內(nèi)的線性關系較好,相對標準偏差均小于5%,說明曲線比較穩(wěn)定。用微波消解結(jié)合ICP-MS法檢測銅在乳制品中的遷移,方法的加標回收率在97.46%～107.30%之間,精密度在1.98%～6.06%之間,說明此方法滿足分析測定的要求。

2.2 遷移結(jié)果

2.2.1 納米銅/LDPE復合膜中銅在乳制品中的遷移

圖1 納米銅/LDPE復合膜中銅在乳制品中的遷移（n=3）Fig. 1 Migration of nano-copper from nano-copper/LDPE composite film to milk products (n = 3)

圖1 顯示,銅在純?nèi)橹械倪w移量為46.32～64.21 μg/kg,在酸乳中的遷移量為49.91～171.57 μg/kg。不論是在純?nèi)橹羞€是酸乳中,CF-1比CF-0.5中銅的遷移量大(P＜0.05),這說明,復合膜中納米銅的添加量對納米銅的遷移量有影響,這與其在食品模擬液中遷移的規(guī)律一致[27]。同時,從圖1還可以看出,納米銅在酸乳中的遷移量比純?nèi)橹懈叱?.59～107.37 μg/kg。在CF-1中,當納米銅初始添加量為1%時,差異更為明顯(P＜0.05)。用pH計測得純?nèi)榈膒H 6.64,酸乳的pH 4.18,推測可能是因為酸乳的pH值比純?nèi)樾?符合納米銅在酸性大的溶液中更容易發(fā)生遷移行為的規(guī)律[27]。

2.2.2 納米銅/LDPE復合膜中銅在乳制品和食品模擬液中的遷移對比

食品模擬液是能夠接近真實地反映食品接觸材料及制品中組分向與之接觸的食品中的遷移,具有某類食品的典型共性,用于模擬食品進行遷移實驗的測試介質(zhì)[25]。從圖2可以看出,納米銅/LDPE復合膜中銅在純?nèi)橹械倪w移量比向50%乙醇溶液中的遷移量高出39.19～48.94 μg/kg,且存在顯著性差異(P＜0.05);但從圖3發(fā)現(xiàn),納米銅在酸乳中的遷移量遠小于在3%和4%乙酸溶液中的遷移量(P＜0.05),差值分別在1 598.66～1 760.92 μg/kg和1 868.97～2 159.58 μg/kg之間。這說明,用50%乙醇溶液模擬牛乳,以及用3%和4%乙酸模擬酸乳進行納米復合膜中納米金屬的遷移實驗并不合適,需要選擇更為合適的食品模擬液代替真實食品進行遷移研究。

圖2 納米銅/LDPE復合膜中銅在純?nèi)楹?0%乙醇溶液中的遷移（n=3）Fig. 2 Migration of nano-copper from nano-copper/LDPE composite film to pure milk and 50% ethanol solution (n = 3)

圖3 納米銅/LDPE復合膜中銅在酸乳和乙酸溶液中的遷移（n=3）Fig. 3 Migration of nano-copper from nano-copper/LDPE composite film to yogurt and acetic acid solution (n = 3)

2.2.3 紫外照射處理的納米銅/LDPE復合膜中銅在乳制品中的遷移

圖4 紫外照射處理的納米銅/LDPE復合膜中銅在乳制品中的遷移（n=3）Fig. 4 Migration of nano-copper in UV-treated nano-copper/LDPE composite film to milk products (n = 3)

如圖4所示,紫外照射處理復合膜后,復合膜中銅在純?nèi)楹驮谒崛橹械倪w移規(guī)律與2.2.1節(jié)一致,即當納米銅添加量為1%時,納米銅在酸乳中的遷移量顯著高于在純?nèi)橹械倪w移量。但經(jīng)過紫外照射處理后的復合膜與未經(jīng)紫外照射處理的復合膜中銅在純?nèi)楹退崛橹械倪w移無顯著差異(P＞0.05),說明紫外照射對納米銅的遷移沒有影響。

2.2.4 蒸煮處理的納米銅/LDPE復合膜中銅向乳制品中的遷移

圖5 100 ℃、15 min條件下納米銅/LDPE復合膜中銅在純?nèi)橹械倪w移（n=3）Fig. 5 Migration of nano-copper from nano-copper/LDPE composite film to pure milk after 15 min cooking at 100 ℃ (n = 3)

如圖5所示,經(jīng)蒸煮處理的復合膜中銅的遷移量在23.63～60.35 μg/kg之間,說明,在模擬蒸煮這種惡劣條件下,即使如本實驗選用較大添加量的納米銅(一般不超過質(zhì)量分數(shù)0.5%),納米銅在純?nèi)橹械倪w移量也遠小于GB 9685—2016《食品接觸材料及制品用添加劑使用標準》[28]及EU 2016/1416[29]規(guī)定中的特定遷移量為5 mg/kg。但盡管如此,復合膜中遷移出的納米銅在溶液中可能以離子形態(tài)或納米粒子形態(tài)存在,當以納米粒子形態(tài)遷移時,其毒理機制復雜,有待進一步的毒理學研究[30],而納米銅的遷移形態(tài)和毒理也正是課題組后期的研究重點。

3 結(jié) 論

納米材料作為一種非常有應用前景的材料,在其應用于市場前應該進行充分的安全性評估。本實驗建立納米銅/LDPE復合膜中銅向牛乳中的遷移檢測方法,方法檢出限為8.42 μg/L,方法定量限為28.06 μg/L,方法回收率和精密度均滿足分析方法建立的要求。實驗發(fā)現(xiàn),食品基質(zhì)的pH值可能會對納米銅的遷移產(chǎn)生影響,當納米銅添加量為1%時,復合膜中銅在酸乳中的遷移量顯著大于在純?nèi)橹械倪w移量。但總體來說,納米銅向乳制品中的遷移量比較小,在遷移實驗中,納米銅在純?nèi)橹械淖畲筮w移量不超過65 μg/kg,在酸乳中的遷移量也不超過190 μg/kg,遠低于法規(guī)中的限量。同時,在納米銅的遷移實驗中,用50%乙醇作為純?nèi)榈氖称纺M物、3%和4%乙酸作為酸乳的食品模擬物都不能很好地和相應的乳制品吻合,說明現(xiàn)行標準中對純?nèi)楹退崛槟M物的設定不適用于納米銅,應尋找更合適的食品模擬物模擬納米銅在乳制品中的遷移實驗。