石墨烯/聚乙烯復(fù)合食品包裝膜中兩種紫外吸收劑向食品模擬物的遷移研究

潘靜靜 單利君 林勤保 鐘懷寧 李 忠 廖 佳

（1 暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系 廣州510632 2 廣州海關(guān)技術(shù)中心 廣東省動植物與食品進(jìn)出口技術(shù)措施研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州510623 3 暨南大學(xué)包裝工程研究所 廣東珠海519070 4 拱北海關(guān)技術(shù)中心 廣東珠海519070）

低密度聚乙烯（LDPE）具有很多優(yōu)良性能，大量用于食品包裝。聚合物吸收紫外線后會導(dǎo)致高分子聚合物制品強(qiáng)度降低[1]。紫外線吸收劑可防止紫外線對聚合物的破壞，在特定條件下，紫外線吸收劑會以滲透、遷移等方式進(jìn)入食品中[2]。目前國內(nèi)外對于石墨烯/聚合物納米復(fù)合材料的制備和物理性能等有大量研究[3]，聚合物基主要有：聚乙烯[4]、聚乳酸[5]、聚對苯二甲酸乙二醇酯[6]、聚碳酸酯[7]、聚丙烯[8-10]、線型低密度聚乙烯（LLDPE）[11]、高密度聚乙烯[12-13]、聚苯乙烯[14]、聚乙烯醇[15]等聚合物[16]。然而，石墨烯納米復(fù)合材料中石墨烯對添加劑在食品中遷移的影響研究卻很少。

目前，對于納米復(fù)合包裝的遷移研究主要集中在納米成分的檢測與遷移，如Lin[17]、Song[18]、Su[19]等對納米銀復(fù)合包裝材料中銀遷移進(jìn)行研究，Lin、Li 等[20-21]對二氧化鈦復(fù)合包裝材料中鈦向食品模擬物的遷移進(jìn)行研究。然而，對于納米復(fù)合材料中添加劑與納米成分之間相互作用的研究很少，Abreu[22]研究了納米黏土對幾種添加劑在尼龍中向食品中遷移，表明納米黏土?xí)档吞砑觿┑倪w移量。本課題組先前研究納米銀-聚乙烯復(fù)合包裝中抗氧化劑和光穩(wěn)定劑對銀向食品模擬物遷移的影響[19，23]，表明不同類型的助劑對銀的遷移影響有所差異。

本文選取了兩種使用廣泛的紫外線吸收劑（UV-531、UV-P）。對石墨烯/低密度聚乙烯復(fù)合食品包裝薄膜中兩種紫外線吸收劑在食品模擬物的檢測和遷移進(jìn)行研究，為石墨烯納米復(fù)合食品包裝材料中石墨烯的性能研究及紫外線吸收劑的檢測提供了一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 材料 石墨烯，江蘇常州第六元素材料科技股份有限公司；紫外吸收劑UV-531、UV-P，天津利安隆新材料股份有限公司；11 種塑料薄膜樣品如表1所示，樣品均由1.2.1 節(jié)所述方法制得。

1.1.2 試劑 正己烷（色譜純）、二氯甲烷（色譜純），美國TEDIA 公司；異辛烷（色譜純），瑞典OCEANPAK 公司；甲苯（分析純），天津大茂化學(xué)試劑廠；紫外線吸收劑標(biāo)準(zhǔn)品信息見表2。

表1 11 種薄膜樣品的基本信息Table1 Basic information of 11 film samples

表2 2 種紫外線吸收劑的基本信息Table2 Basic information of 2 ultraviolet absorbents standards

1.1.3 儀器 Agilent 7890A-5975C 型氣相色譜-質(zhì)譜儀，美國安捷倫公司；雙螺桿擠出造粒機(jī)，廣州普同實(shí)驗(yàn)分析儀器有限公司；FYC-25 小型實(shí)驗(yàn)吹膜機(jī)，廣州金中機(jī)械有限公司；SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件21.0 版，美國IBM 公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 薄膜制備 分別將石墨烯、 紫外吸收劑UV-531、UV-P（添加量詳見表1）同LLDPE 混合均勻后填入雙螺桿擠出造粒機(jī)中熔融共混制得塑料母粒，重復(fù)造粒2 次，經(jīng)小型吹膜機(jī)制得薄膜。采用同樣方法制備LDPE 空白膜。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制 準(zhǔn)確稱取各標(biāo)準(zhǔn)品10.0 mg（精確至0.1 mg），用正己烷溶解定容至10 mL容量瓶中，配成1 000 mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液；在4℃冰箱內(nèi)冷藏保存，使用時(shí)用正己烷稀釋成所需濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.2.3 提取兩種紫外吸收劑

1） 方法一：甲苯溶解提取法 清洗薄膜樣品，剪碎約0.3×0.3 cm2，稱取1.0 g 于具塞試管中，加入10 mL 甲苯，100 ℃靜置30 min，待完全溶解，取0.1 mL 于試管中，氮吹，加入10 mL 正己烷稀釋，振蕩試管后靜置5 min，吸取溶液，過濾膜，待GC-MS 檢測。空白膜按同樣方法處理，每組3 次平行。

2） 方法二：二氯甲烷浸提法 剪碎（同方法一），加入10 mL 二氯甲烷，加鋁箔密封，常溫靜置10 d，取0.5 mL 于試管中，氮吹，加入10 mL 正己烷稀釋，振蕩試管靜置5 min，取少量溶液，過濾膜，待GC-MS 檢測。空白膜按同樣方法處理，每組3 次平行。

1.2.4 遷移條件 清洗薄膜樣品，剪碎至約為1.0×6.0 cm2，每組取3 個平行，各取一片于具塞試管，再加10 mL 異辛烷，密封，置于鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行特定遷移試驗(yàn)，70 ℃下浸泡2 h，（另外一批在20 ℃下浸泡10 d，同樣取3 個平行）取0.1 mL 溶液于試管中，加入10 mL 異辛烷稀釋，振蕩試管并靜置5 min，取少量溶液，過0.45 μm 有機(jī)濾膜，待GC-MS 檢測。

根據(jù)歐盟法規(guī)[24-25]，溫度為40 ℃的遷移試驗(yàn)的測試時(shí)間為10 d。然而在做溫度為40 ℃的遷移預(yù)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩種光穩(wěn)定劑在2 d 內(nèi)就達(dá)到了遷移平衡狀態(tài)。為節(jié)約時(shí)間以及研究紫外線吸收劑的遷移規(guī)律，在做溫度為40 ℃的遷移試驗(yàn)時(shí)把時(shí)間定為2 d。

樣品剪碎至4.0×4.5 cm2，各取一片于錐形瓶，再加30 mL 異辛烷，在40 ℃下浸泡2 d，分別在2，4，8，12，18，24，36，48 h 的時(shí)間點(diǎn)上各取一次樣，每次取樣0.2 mL 溶液于另一試管中，加10 mL 異辛烷稀釋，振蕩試管并靜置5 min，取少量溶液，過濾膜，待GC-MS 檢測。

1.2.5 計(jì)算遷移結(jié)果 兩種抗氧化劑的遷移量用模擬物中測得的抗氧化劑的質(zhì)量與食品模擬物質(zhì)量的比值表示：

式中，M遷移——抗氧化劑遷移量（mg/kg）；M1——浸泡后抗氧化劑在食品模擬物中的質(zhì)量（mg）；M2——食品模擬物的質(zhì)量（kg）；C檢測值——試驗(yàn)測定得到的抗氧化劑的質(zhì)量濃度（mg/L）；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(jī)，則N=1）。

1.2.6 儀器分析條件 氣相色譜條件：Agilent 19091S-433HP-5MS 5%Phenyl Methyl Silox（30.0 m×250 μm×0.25 μm）色譜柱；升溫程序：初始溫度60 ℃，以50 ℃/min 的速率升溫至250 ℃，再以20℃/min 的速率升溫至300 ℃，保持2 min；進(jìn)樣方式為不分流進(jìn)樣，進(jìn)樣量為1 μL；進(jìn)樣口溫度為250 ℃；載氣為氦氣（純度≥99.99%），流速為1.1 mL/min；溶劑延遲4.0 min。

質(zhì)譜條件：離子源溫度230 ℃；四極桿溫度150 ℃；電離方式為電子轟擊離子化（EI 源）；電子能量為70 V；全掃描模式（m/z 范圍為50-550）用于色譜條件優(yōu)化，選擇離子掃描模式進(jìn)行定量，UV-P 定量離子為225，UV-531 定量離子為213。

2 結(jié)果與分析

2.1 GC-MS 檢測兩種紫外吸收劑

2.1.1 線性范圍、檢出限、定量限 采用峰面積外標(biāo)法定量，以質(zhì)量濃度（0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.5，1 μg/mL）為橫坐標(biāo)，以各化學(xué)物質(zhì)的色譜峰面積為縱坐標(biāo)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。依次進(jìn)樣兩種紫外線吸收劑的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，根據(jù)S/N=3 和S/N=10 得到各物質(zhì)儀器的檢出限（LOD）和定量限（LOQ）；兩種化學(xué)物的線性方程、相關(guān)系數(shù)（R）、檢出限以及定量限見表3。

表3 2 種紫外線吸收劑的線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限以及定量限（n=3）Table3 Linear equations，correlation coefficient，LOD and LOQ of 2 ultraviolet absorbents （n=3）

2.1.2 甲苯溶解提取法的精密度及加標(biāo)回收率空白樣品剪碎至0.3×0.3 cm2，稱取1.0 g 樣品于具塞試管中，加入10 mL 甲苯，再分別加入質(zhì)量濃度為0.1，0.2，0.5 μg/mL 的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，經(jīng)1.2.3 方法一處理后進(jìn)GC-MS 檢測，結(jié)果見表4?？梢钥闯觯瑑煞N紫外線吸收劑的平均回收率在82.0%～104.2%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在3.7%～10.0%之間，說明甲苯溶解提取法可靠。

2.1.3 遷移試驗(yàn)的精密度及加標(biāo)回收率 空白樣品剪碎至0.3×0.3 cm2，稱取1.0 g 樣品于20 mL 具塞試管中，加10 mL 異辛烷，再加質(zhì)量濃度分別為0.1，0.2，0.5 μg/mL 的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，70 ℃下靜置2 h，取少量溶液，過0.45 μm 有機(jī)濾膜，待GCMS 檢測，結(jié)果見表5。兩種紫外線吸收劑的平均回收率在84.6%～95.2%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在3.7%～9.8%之間，說明遷移試驗(yàn)方法可靠。

表4 甲苯溶解提取法中2 種紫外線吸收劑的加標(biāo)回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=3）Table4 Recoveries and RSD of 2 ultraviolet absorbents in the dissolution extraction method with methylbenzene （n=3）

表5 遷移試驗(yàn)中2 種紫外線吸收劑的加標(biāo)回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=3）Table5 Recoveries and RSD of 2 ultraviolet absorbents in the migration experiment （n=3）

2.1.4 甲苯溶解法檢測10 種樣品中兩種紫外線吸收劑的初始含量 按1.2.3 甲苯溶解提取方法提取兩種紫外線吸收劑在10 種樣品中的初始含量，見表6。利用SPSS 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在置信水平為95%時(shí)，通過單因素方差分析方法對不同薄膜中同種助劑的初始含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。分別比較添加量0.5%、添加量1%的UV-P 和UV-531結(jié)果表明同一添加濃度下，在不同膜中的初始含量無顯著性差異（P＞0.05）；即同一添加濃度下的塑料中兩種紫外線吸收劑的初始含量近似相等。

2.2 兩種前處理方法的對比及優(yōu)化

按照1.2.3 方法處理，結(jié)果見表6。結(jié)果可以看出甲苯溶解提取法得到的兩種紫外線吸收劑的初始含量比二氯甲烷浸提法所得到的高，并且甲苯法得到的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差更小，原因可能是甲苯對LDPE 塑料的溶解破壞了LDPE 分子結(jié)構(gòu)，使紫外線吸收劑暴露在甲苯中，更容易被提取。綜上，本試驗(yàn)選擇甲苯溶解提取法。

2.3 遷移試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)1.2.4 遷移試驗(yàn)條件以及1.2.5 遷移結(jié)果計(jì)算公式得到不同溫度下10 種膜中兩種紫外吸收劑向異辛烷遷移的最大遷移量，如表7所示。40 ℃不同膜中UV-531（圖1a）及UV-P（圖1b）向異辛烷的遷移規(guī)律，如圖1所示。

表6 兩種前處理方法分別檢測10 種樣品中2 種紫外線吸收劑的初始含量（n=3）Table6 The content of 2 ultraviolet absorbents in 10 samples with two pretreatments （n=3）

表7 遷移試驗(yàn)中2 種紫外線吸收劑向異辛烷遷移的最大遷移量（n=3）Table7 Maximum migration amounts of 2 ultraviolet absorbents to isooctane in migration （n=3）

圖1 40 ℃下，不同膜中UV531（a）及UV-P（b）向異辛烷的遷移（n=3）Fig.1 Migration of UV531 （a） and UV-P （b） from different films to isooctane at 40°C （n=3）

2.3.1 遷移時(shí)間及溫度對紫外線吸收劑遷移量的影響 由圖1可知，同一溫度下，遷移時(shí)間越長，兩種紫外吸收劑向異辛烷的遷移量越多，塑料中越多的紫外吸收劑能夠與異辛烷溶液接觸從而溶入其中，當(dāng)其達(dá)到溶解度后，就不再向異辛烷溶液遷移而達(dá)到平衡；從表7可知，在不同溫度下，隨著遷移溫度的升高，兩種紫外吸收劑向異辛烷中的遷移量也增加。這是因?yàn)榉肿訜徇\(yùn)動與溫度有關(guān)，溫度越高，分子的運(yùn)動越快，兩種紫外線吸收劑向異辛烷的遷移量越大。

2.3.2 紫外線吸收劑質(zhì)量濃度對紫外線吸收劑遷移量的影響 由表7可知，在相同時(shí)間內(nèi)，紫外線吸收劑的遷移量隨著質(zhì)量濃度的增加而增加 （比較1#～5#與6#～10#樣品）。物質(zhì)分子從高質(zhì)量濃度區(qū)域向低質(zhì)量濃度區(qū)域轉(zhuǎn)移，直到均勻分布，擴(kuò)散的速率與物質(zhì)的質(zhì)量濃度梯度成正比。紫外線吸收劑添加質(zhì)量濃度大的樣品與模擬液之間的質(zhì)量濃度梯度更大，在相同的時(shí)間內(nèi)遷移的量就更大。

2.3.3 紫外線吸收劑的相互作用效應(yīng)對紫外線吸收劑遷移量的影響 工業(yè)生產(chǎn)中紫外線吸收劑一般不會單一使用，通常是兩種或幾種紫外線吸收劑共同使用。圖1可知，含一種及含兩種紫外吸收劑樣品中紫外線吸收劑的遷移量進(jìn)行對比，用SPSS 軟件對含單一紫外線吸收劑的樣品及含兩種紫外線吸收劑樣品的遷移量分析對比可知，兩者遷移量無明顯差異（P＞0.05），可以判斷UV-531和UV-P 這兩種紫外線吸收劑對彼此向異辛烷的遷移無影響。然而，這并不能說明所有的紫外線吸收劑都是如此，還需要大量研究證明。

2.3.4 石墨烯對紫外線吸收劑遷移量的影響 由圖1對含有和不含有石墨烯的薄膜樣品中紫外線吸收劑的遷移量進(jìn)行對比可知，不含石墨烯的樣品中紫外線吸收劑的遷移量明顯高于含有石墨烯的樣品，說明不含石墨烯的樣品中紫外線吸收劑向異辛烷遷移的量更大。這說明石墨烯加入阻礙了低密度聚乙烯薄膜中兩種紫外線吸收劑向異辛烷的遷移。分析原因有以下3 點(diǎn)：首先，石墨烯是納米材料，納米成分存在小分子效應(yīng)和表面效應(yīng)，以熔融共混的方式添加到塑料內(nèi)部后，由于石墨烯在黏度較大的聚合物熔體中的流動性較差，使得制備出復(fù)合材料容易出現(xiàn)分散不均勻的情況，會產(chǎn)生一定的團(tuán)聚現(xiàn)象，石墨烯會以分散狀或者團(tuán)聚狀態(tài)鑲嵌或者粘合在塑料材料上面，而紫外吸收劑的遷移是一種分子擴(kuò)散過程，石墨烯的團(tuán)聚現(xiàn)象可能會阻礙紫外吸收劑的擴(kuò)散行為，進(jìn)而抑制了紫外吸收劑向異辛烷的遷移。其次，石墨烯具有很強(qiáng)的吸附性，通常分子很難逃脫石墨烯的吸附。第三，石墨烯本身具有非常好的阻隔作用，其會阻隔紫外吸收劑的擴(kuò)散。

3 結(jié)論

本文利用GC-MS 建立了石墨烯/低密度聚乙烯復(fù)合食品包裝薄膜中兩種紫外線吸收劑UV-531 和UV-P 的檢測方法。對兩種前處理方法進(jìn)行討論與分析，發(fā)現(xiàn)使用甲苯溶解提取法處理樣品效果更好。依據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)，選取異辛烷作為脂類食品模擬物，對樣品中兩種紫外線吸收劑的遷移進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，兩種紫外線吸收劑的遷移量受遷移時(shí)間、溫度、紫外線吸收劑質(zhì)量濃度和是否添加石墨烯等因素的影響，具體影響表現(xiàn)為：在一定范圍內(nèi)，隨著時(shí)間、溫度和紫外線吸收劑質(zhì)量濃度的增加，兩種紫外線吸收劑向異辛烷的遷移量不斷增加；石墨烯的加入阻礙了兩種紫外線吸收劑向異辛烷的遷移；此外，兩種紫外線吸收劑相互作用較小，對彼此向異辛烷的遷移基本沒有影響。