聚乳酸發(fā)泡餐盒中兩種爽滑劑向食品模擬物的遷移

何金鳳，呂新廣*，林勤保*，李忠，許彩蕓，謝德明

1(暨南大學(xué) 包裝工程研究所，廣東普通高校產(chǎn)品包裝與物流重點實驗室，廣東 珠海,519070) 2(拱北海關(guān)技術(shù)中心，廣東 珠海,519015) 3(暨南大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州,510623)

由于石油資源豐富，石化塑料大量用作包裝材料，而聚乙烯(polyethylene, PE)、聚丙烯(polypropylene, PP)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)等塑料制品使用后難以在環(huán)境中降解，只能通過填埋、堆棄、焚燒等的方式處理，導(dǎo)致嚴(yán)重的白色污染現(xiàn)象[1-4]。近年來，由于對可再生材料需求的不斷增加，環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展以及廢物管理得到立法的支持，這些因素均推動了市場開發(fā)生態(tài)友好型的生物降解材料[5-6]。其中，聚乳酸(polylactic acid, PLA)具有突出的生物相容性、完全無毒無害、可生物降解等優(yōu)點而被廣泛使用[4, 7]。但大多數(shù)生物可降解材料會添加一些添加劑，如增塑劑、抗氧化劑、熱穩(wěn)定劑、爽滑劑、增容劑等，來提高材料各方面的性能和加工性能[8]。

爽滑劑能夠在增加聚合物鏈段運動的同時又不會影響聚合物的外觀，因此，通常會向聚合物中添加少量的爽滑劑來提高加工過程的整體速率或在擠出、注塑、壓縮成型等過程中提高表面脫模作用[9]。油酸酰胺、芥酸酰胺、硬脂酰胺及山崳酰胺是幾種常用的爽滑劑[9-11]。研究表明，硬脂酰胺添加到生物可降解材料中能夠降低在加工過程中產(chǎn)生的摩擦剪切熱，減少生物可降解材料的熱降解[12]。芥酸酰胺能夠提高聚烯烴薄膜的開口性能[9, 11, 13-14]。雖然爽滑劑的毒理學(xué)還沒有完全得到評估，但研究表明爽滑劑有潛在的毒性，能夠?qū)е缕つw刺激等不良反應(yīng)，其中芥酸酰胺能夠使小鼠行動變緩，認(rèn)知能力下降，而且芥酸酰胺容易水解成芥酸，引起皮膚損傷[15-16]。爽滑劑易從聚合物內(nèi)遷移出來，并隨溫度和接觸時間的增加而不斷提高[9]，因此研究生物降解食品接觸材料中爽滑劑向食品中的遷移是很有必要的。

本文在前人研究爽滑劑的基礎(chǔ)上[9-10, 15-18]，建立PLA生物降解餐盒中2種爽滑劑硬脂酰胺和芥酸酰胺的氣相色譜-質(zhì)譜檢測方法，研究2種爽滑劑從PLA發(fā)泡餐盒向食品模擬物中的遷移，并利用毒理學(xué)關(guān)注閾值方法(TTC)法對2種爽滑劑進(jìn)行風(fēng)險評估，為食品安全提供參考。

1 材料、試劑與儀器

1.1 材料與試劑

聚乳酸(PLA)生物可降解餐盒由國內(nèi)某公司提供；甲醇、二氯甲烷、異辛烷(色譜純)，瑞典Oceanopak公司；無水乙醇(色譜純)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硬脂酰胺標(biāo)準(zhǔn)品(>90%，CAS號：124-26-5)，梯希愛(上海)化成工業(yè)發(fā)展有限公司；芥酸酰胺標(biāo)準(zhǔn)品(98%，CAS號：12-84-5)，北京百靈威科技有限公司。

1.2 儀器

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(Agilent 7890A-5975C)，美國安捷倫有限公司；電子分析天平(AL20)，上海梅特勒-托利多儀器有限公司；樣品自動濃縮工作站(Turbo VAP? II)，美國Caliper公司；鼓風(fēng)式烘箱(GZX-9420MBE)，上海博迅有限公司；超純水器(EPED-10TS)，南京易普達(dá)科技發(fā)展有限公司。

2 實驗方法

2.1 色譜與質(zhì)譜條件

色譜條件：色譜柱：Agilent HP-5MS (30.0 m×250 μm×0.25 μm)；升溫程序：初始溫度為60 ℃，以40 ℃/min的速率升至200 ℃，再以20 ℃/min的速率升至280 ℃，保持5 min，載氣(He)流速1 mL/min，進(jìn)樣量1 μL；分流比為20∶1。

質(zhì)譜條件：電子轟擊離子源；電子能量70 eV；傳輸線溫度275 ℃；離子源溫度230 ℃；選擇離子掃描模式，硬脂酰胺定量離子為59,72,43，芥酸酰胺定量離子為59,72,55。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

使用4種溶劑配制標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別為V(二氯甲烷)∶V(甲醇)=1∶2溶液、異辛烷、無水乙醇、體積分?jǐn)?shù)95%的乙醇。稱取硬脂酰胺、芥酸酰胺各0.01 g(精確到0.000 1 g)，分別溶解于10 mLV(二氯甲烷)∶V(甲醇)=1∶2溶液、無水乙醇或體積分?jǐn)?shù)95%乙醇中，配制成質(zhì)量濃度1 000 mg/L標(biāo)準(zhǔn)儲備液。稱取硬脂酰胺、芥酸酰胺各0.01 g(精確到0.000 1 g)，溶解于100 mL異辛烷中，配制成質(zhì)量濃度100 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)儲備液。將儲備液密封后置于4 ℃冰箱中冷藏保存，使用時根據(jù)需要進(jìn)行稀釋。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

(1)為檢測餐盒中硬脂酰胺和芥酸酰胺的初始含量，對于硬脂酰胺，將標(biāo)準(zhǔn)儲備液用V(二氯甲烷)∶V(甲醇)=1∶2溶液稀釋成質(zhì)量濃度為0.5、1、2、5、10和20 mg/L的工作液；對于芥酸酰胺，將標(biāo)準(zhǔn)儲備液用V(二氯甲烷)∶V(甲醇)=1∶2溶液稀釋成質(zhì)量濃度為1.5、3、6、15、30和60 mg/L的工作液。

(2)為檢測硬脂酰胺在異辛烷中的遷移，將標(biāo)準(zhǔn)儲備液用異辛烷稀釋成質(zhì)量濃度為0.5、1、2、5、10和20 mg/L的工作液；為檢測在無水乙醇和體積分?jǐn)?shù)95%乙醇(體積分?jǐn)?shù)95%乙醇無法直接上機檢測，用無水乙醇的標(biāo)曲來代替)中的遷移，將標(biāo)準(zhǔn)儲備液用無水乙醇稀釋成質(zhì)量濃度為1、2、4、10、20和40 mg/L的工作液。

(3)為檢測芥酸酰胺在異辛烷中的遷移，將標(biāo)準(zhǔn)儲備液用異辛烷稀釋成質(zhì)量濃度為0.5、1、2、5、10、20 mg/L和質(zhì)量濃度為1.5、3、6、15、30、60 mg/L的工作液；為檢測在無水乙醇和體積分?jǐn)?shù)95%乙醇中的遷移，將標(biāo)準(zhǔn)儲備液用無水乙醇稀釋成質(zhì)量濃度為1、2、5、10、20和100 mg/L的工作液。

2.4 餐盒中爽滑劑初始含量檢測

采用“溶解-沉淀”方法。將餐盒剪碎，稱取0.1 g (精確到0.0001 g)放置于50 mL具塞三角瓶內(nèi)，向其中加入10 mL二氯甲烷振蕩，使其充分溶解，然后加入20 mL甲醇沉淀高聚物，靜置24 h至上清液清澈，取適量上清液，過0.22 μm濾膜后，上機檢測，取3個平行。

2.5 餐盒溶解度實驗

將發(fā)泡餐盒裁成1 cm×1 cm大小，在烘箱內(nèi)干燥24 h，稱取0.1 g(精確至0.000 1 g)放入10 mL模擬物中，在70 ℃下浸泡2 h，取出后擦拭干凈放入恒溫箱內(nèi)干燥24 h后再次稱重，比較不同模擬物對餐盒質(zhì)量的影響，每組3個平行。餐盒的溶解程度為：

(1)

式中：m0為浸泡前餐盒質(zhì)量，mh為浸泡后餐盒質(zhì)量。

2.6 餐盒中爽滑劑遷移實驗

依據(jù)歐盟法規(guī)NO 10/2011[19]進(jìn)行遷移試驗。遷移實驗溫度為40、70 ℃，食品模擬物選用異辛烷、95%體積分?jǐn)?shù)的乙醇和無水乙醇，采用6 dm2食品接觸材料及制品接觸1 kg的食品或食品模擬物,將餐盒裁成1 cm×1 cm大小，充分混合均勻后，取3塊置于具塞試管中(為避免餐盒片材浮起，片材用不銹鋼絲穿過以使其完全浸泡于模擬物中)，加入10 mL模擬物，蓋好塞子并用保鮮膜密封后放入恒溫箱內(nèi)進(jìn)行遷移實驗。對于異辛烷和無水乙醇，每次到達(dá)設(shè)定的時間后，將試管充分振蕩，用注射器吸取適量溶液，過0.22 μm有機濾膜，待GC-MS檢測。對于95%體積分?jǐn)?shù)的乙醇，每次到達(dá)設(shè)定的時間后，將試管充分振蕩，用移液槍取2 mL進(jìn)行氮吹，待溶劑吹干后，向其加入2 mL無水乙醇，充分振蕩、靜置10 min左右，用注射器吸取適量溶液，過0.22 μm有機濾膜，待GC-MS檢測。每組3個平行。

2.7 遷移方法驗證

為了驗證遷移實驗的可靠性，進(jìn)行加標(biāo)回收實驗。向異辛烷、無水乙醇、95%體積分?jǐn)?shù)的乙醇中添加質(zhì)量濃度1,5和10 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，樣品溶液在70 ℃的條件下放置2 h(模擬歐盟法規(guī)中遷移的苛刻條件)，每組3個平行，按照2.6節(jié)的遷移實驗方法進(jìn)行前處理，上機檢測。

2.8 遷移量及遷移率的計算

遷移量用食品模擬物中測得的硬脂酰胺(或芥酸酰胺)的質(zhì)量與食品模擬物質(zhì)量的比值表示[20]，如公式(2)所示：

(2)

式中：M，硬脂酰胺(或芥酸酰胺)的遷移量，mg/kg；m1，硬脂酰胺(或芥酸酰胺)在食品模擬物中的質(zhì)量，mg；m2，食品模擬物的質(zhì)量，kg；ρ檢測值，實驗測得的硬脂酰胺(或芥酸酰胺)的質(zhì)量濃度；V浸泡液，食品模擬物的體積，L；N，稀釋倍數(shù)(若直接取食品模擬液上機，則N=1)。

遷移率用食品模擬物中測得的硬脂酰胺(或芥酸酰胺)的遷移量與餐盒中硬脂酰胺(或芥酸酰胺)的初始含量的比值表示，如公式(3)所示：

(3)

式中：MR，遷移率；M，硬脂酰胺(或芥酸酰胺)的遷移量，mg/kg；M0，餐盒中硬脂酰胺(或芥酸酰胺)的初始含量，mg/kg。

2.9 毒理學(xué)關(guān)注閾值方法

毒理學(xué)關(guān)注閾值(TTC)法是一種風(fēng)險評估工具，適合評估極低暴露水平且缺少毒理數(shù)據(jù)或無毒理學(xué)數(shù)據(jù)物質(zhì)[21]。TTC的原則是，為化學(xué)物(組)制定人體暴露水平閾值，人體攝入量低于該閾值，就不會對人體產(chǎn)生危害[22]。本文采用Toxtree(Version 2.6.13)中的Cramer決策樹對2種爽滑劑的毒性進(jìn)行預(yù)測，基于從TTC分析獲得的安全閾值來計算2種爽滑劑的理論最大遷移量(mg/kg)。2種爽滑劑的暴露量根據(jù)美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration,FDA)提出的估計日攝入量(EDI)來計算，如

公式(4)所示[23]：

Migration=(f水+f酸)·M10%乙醇+f酒精·M50%乙醇+f脂肪·M脂肪

(4)

EDI/(mg/(人·d))=Migration×3kg×CF

(5)

式中：Migration為遷移量，mg/kg;Mi為在每種食品模擬物中的遷移量，mg/kg;CF為消費因子，是日常飲食中預(yù)期接觸特定包裝材料的部分。這里假設(shè)每人每天的食品及飲料的消費量為3 kg。食品種類分散因子(fT)反映接觸每種包裝材料的所有食品的不同類別，包括水性食品、酸性食品、酒精食品和脂肪性食品。

水性食品、酒精食品和脂肪類食品分別用體積分?jǐn)?shù)為10%，50%和95%的乙醇作為食品模擬物，在這3種食品模擬物中的遷移實驗與2.6節(jié)95%體積分?jǐn)?shù)乙醇操作步驟一樣，每種食品模擬物3個平行。

3 結(jié)果與討論

3.1 標(biāo)準(zhǔn)品配制溶劑優(yōu)化

在配制標(biāo)準(zhǔn)儲備液時發(fā)現(xiàn)，在70 ℃，5 min的條件下，V(二氯甲烷)∶V(甲醇)=1∶2、無水乙醇和體積分?jǐn)?shù)95%的乙醇能夠?qū)⒂仓０泛徒嫠狨０返臉?biāo)準(zhǔn)品溶解；在70 ℃，15 min的條件下，異辛烷能夠?qū)⒔嫠狨０窐?biāo)準(zhǔn)品溶解，但硬脂酰胺的標(biāo)準(zhǔn)品不溶，當(dāng)溶解的芥酸酰胺恢復(fù)到室溫以后，溶液中充滿了芥酸酰胺的絮狀物，將溶液稀釋后，絮狀物消失。因此，將0.01 g(精確至0.001 g)標(biāo)準(zhǔn)品溶解在100 mL異辛烷中，芥酸酰胺在70 ℃，15 min條件下可以完全溶解且恢復(fù)室溫以后沒有絮狀物產(chǎn)生，而硬脂酰胺要在70 ℃，數(shù)個小時才能夠完全溶解，放在4 ℃條件下二者仍舊有絮狀物質(zhì)產(chǎn)生，每次配工作液時加熱使其溶解，恢復(fù)室溫后再進(jìn)行稀釋。說明硬脂酰胺、芥酸酰胺在乙醇中的溶解度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在異辛烷中的溶解度。

3.2 線性方程、檢出限以及定量限

硬脂酰胺、芥酸酰胺的線性方程、檢出限、定量限如表1所示，Y表示峰面積，x表示分析物的濃度。

表1 硬脂酰胺和芥酸酰胺線性等式、檢出限、定量限

注：a,b,c分別代表V(二氯甲烷)∶V(甲醇)=1∶2溶液(初始含量檢測)、異辛烷(遷移實驗)、無水乙醇(遷移實驗，體積分?jǐn)?shù)95%的乙醇標(biāo)曲同乙醇)

3.3 初始含量

PLA餐盒中硬脂酰胺、芥酸酰胺的含量分別為(1 881.597±59.10)和(11 123.46±202.67) mg/kg。

3.4 餐盒溶解度結(jié)果

發(fā)泡餐盒在70 ℃，2 h條件下，在無水乙醇、體積分?jǐn)?shù)95%乙醇和異辛烷中的溶解度分別為2.71%，2.62%，0.93%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為6.67%，4.73%，7.58%。

3.5 遷移方法加標(biāo)回收結(jié)果

遷移實驗的加標(biāo)回收率及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差結(jié)果見表2。

表2 兩種爽滑劑的加標(biāo)回收率及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)

由表2可知，硬脂酰胺在異辛烷，無水乙醇和體積分?jǐn)?shù)95%乙醇中的加標(biāo)回收率分別為93.8%～101.5%，86.2%～104.2%，91.4%～101.0%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.7%～8.8%，1.7 %～6.7%,2.8%～5.3%。芥酸酰胺在異辛烷，無水乙醇和體積分?jǐn)?shù)95%乙醇的加標(biāo)回收率分別為 94.2%～112.8%，98.4%～112.3%，99.2%～115.9%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.4%～5.8%，0.9%～2.7%，5.0%～8.5%，說明該方法的準(zhǔn)確度和精密度較好，滿足實驗要求。

3.6 遷移實驗結(jié)果

3.6.1 兩種爽滑劑在無水乙醇、體積分?jǐn)?shù)95%乙醇中遷移量的對比

從圖1可以看出，硬脂酰胺或芥酸酰胺在2種食品模擬物中的遷移量幾乎相同，到達(dá)遷移平衡的時間也無明顯差異。由3.4節(jié)餐盒溶解度實驗可知，餐盒在乙醇和體積分?jǐn)?shù)為95%乙醇中的溶解程度基本無差異，因此2種爽滑劑向乙醇和體積分?jǐn)?shù)為95%乙醇中的遷移量幾乎相同。而體積分?jǐn)?shù)為95%乙醇在上機檢測之前需要經(jīng)過氮吹和復(fù)溶的操作過程，因此對于2種爽滑劑在70 ℃，95%體積分?jǐn)?shù)的乙醇中遷移，只進(jìn)行了2 h情況下的遷移。

圖1 兩種爽滑劑向無水乙醇和95%體積分?jǐn)?shù)乙醇中的遷移(40 ℃，n=3)

Fig.1 Migration of two slip agents in ethanol and 95% ethanol

3.6.2 食品模擬物對2種爽滑劑遷移的影響

實驗對比了3種食品模擬物(異辛烷、無水乙醇、95%體積分?jǐn)?shù)乙醇)對餐盒中2種爽滑劑遷移的影響。由圖2可知，2種爽滑劑在異辛烷的遷移量均低于在無水乙醇和95%體積分?jǐn)?shù)乙醇中的遷移。原因可能是：(1)2種爽滑劑在異辛烷中的溶解度較低，餐盒在異辛烷中的溶解度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在無水乙醇和95%體積分?jǐn)?shù)乙醇中的溶解度；(2)無水乙醇和95%體積分?jǐn)?shù)的乙醇對PLA材料存在溶脹現(xiàn)象。

a-硬脂酰胺;b-芥酸酰胺圖2 兩種爽滑劑在3種食品模擬物中的遷移(n=3)

Fig.2 Migration of two slip agents in three food simulants

研究表明，對體積分?jǐn)?shù)50%的乙醇接觸之前和接觸之后的PLA薄膜進(jìn)行掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)觀察，發(fā)現(xiàn)無論是無定形的PLA還是半結(jié)晶的PLA，與50%體積分?jǐn)?shù)乙醇接觸以后，薄膜都會產(chǎn)生很大的孔腔，說明50%體積分?jǐn)?shù)乙醇對薄膜強大的溶脹和滲透作用，在50%體積分?jǐn)?shù)的乙醇中乳酸的遷移量會增加，也是因為50%體積分?jǐn)?shù)乙醇對聚合物的強親和力作用，對PLA產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象，從而促進(jìn)乳酸的遷移[24]。而95%體積分?jǐn)?shù)乙醇和無水乙醇與50%體積分?jǐn)?shù)乙醇相比含有更多的乙醇，對PLA的溶脹程度更大，因此遷移量也更大。

3.6.3 爽滑劑的物化特性對遷移的影響

表3為2種爽滑劑在40 ℃和70 ℃下向異辛烷和無水乙醇遷移的最大遷移率。通過圖2和表3可以看出，硬脂酰胺比芥酸酰胺到達(dá)遷移的平衡時間短，也更易遷移，這是因為硬脂酰胺的分子量(283.5)比芥酸酰胺的(337.6)小，爽滑劑遷移到表面的遷移速度很大程度上取決于添加劑碳鏈的長度和聚合物的結(jié)晶度，爽滑劑越大(碳原子越多)，越易與聚合物相容，遷移的越少[9]。

表3 兩種爽滑劑在異辛烷和無水乙醇中的最大遷移率(n=3)

3.6.4 溫度對兩種爽滑劑的遷移影響

通過圖2和表3可以看到，無論是哪種食品模擬物，在同一遷移時間下，40 ℃下2種爽滑劑的遷移量比70 ℃下的遷移量小，這是因為溫度的升高會加快分子的熱運動，而且高溫提高了2種潤滑劑在食品模擬物中的溶解度，從而提高2種爽滑劑在食品模擬物中的遷移量。

3.7 硬脂酰胺及芥酸酰胺風(fēng)險性評估

按TTC決策樹將待評價的物質(zhì)歸類(使用Toxtree軟件，將物質(zhì)分為CramerⅠ、Ⅱ、Ⅲ類)，從而得出該化學(xué)物質(zhì)的TTC安全閾值，其中CramerⅠ、Ⅱ、Ⅲ類物質(zhì)的安全閾值分別為1.8、0.54、0.09 mg/(人·d)[25]。通過Toxtree軟件查得，2種爽滑劑均屬于CramerⅢ類物質(zhì)，因此安全閾值為0.09 mg/(人·d)。聚乳酸是以乳酸為原料聚合而成的聚酯，屬于聚酯家族[26-27]。FDA提供的聚酯類的消費因子CF=0.05。2種爽滑劑在70 ℃，2 h條件下在各種食品模擬物中的遷移量以及聚酯中各種食品模擬物的分配系數(shù)見表4。

硬脂酰胺的估計日攝入量為EDI=0.34 mg/(人·d)，芥酸酰胺的估計日攝入量EDI=0.73 mg/(人·d)，均大于安全閾值0.09 mg/(人·d)，說明此生物可降解餐盒中2種爽滑劑的遷移是遠(yuǎn)超過安全閾值的。

表4 兩種爽滑劑在70 ℃，2 h下食品模擬物中的遷移量以及分配系數(shù)(n=3) 單位：mg/kg

注：“-”，公式中沒有使用到酸性食品模擬物的遷移量，因此沒有做2種物質(zhì)在3%乙酸中的遷移;用95%乙醇代替橄欖油來模擬脂肪類食品。

4 結(jié)論

建立了聚乳酸發(fā)泡餐盒中2種爽滑劑的檢測方法，探究2種爽滑劑在3種食品模擬物中的遷移，結(jié)果表明，建立的方法簡單，不需要對2種爽滑劑進(jìn)行衍生化處理，具有良好的準(zhǔn)確度和精密度，適用于PLA發(fā)泡餐盒中2種爽滑劑的檢測。由于乙醇和95%體積分?jǐn)?shù)乙醇存在溶脹和滲透作用，2種爽滑劑在異辛烷中的溶解度低于在乙醇和95%體積分?jǐn)?shù)乙醇中的溶解度，因此2種爽滑劑在乙醇和95%體積分?jǐn)?shù)乙醇中的遷移量更大，與芥酸酰胺相比，硬脂酰胺有更快的遷移速度和更高遷移率，更容易從餐盒遷移而進(jìn)入食品。餐盒中2種爽滑劑的遷移均超過限量，建議企業(yè)在滿足產(chǎn)品性能以及加工工藝的前提下，極大可能降低2種爽滑劑的添加量，使2種潤滑劑的遷移量在安全閾值范圍內(nèi)。