纳米二氧化钛改性LDPE薄膜中纳米钛粒子在食品模拟物中的迁移研究

黄皓，李莉，秦雨，罗自生，陈杭君，茹巧美

（1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江杭州 310058）（2.浙江省农业科学院，浙江杭州 310021）（3.杭州万向职业技术学院，浙江杭州 310023）

低密度聚乙烯（LDPE）膜是一种广泛应用于食品领域的包装材料，具有良好的阻水和阻气性[1,2]。然而，由于LDPE膜的韧性、热稳定性、抗菌性的不足，它的应用受到了一定的限制。Chaudhry等[3]研究证实运用纳米技术能够有效地克服普通LDPE膜存在的不足。目前研究较多的纳米材料是纳米二氧化钛。金蓓等[4]研究表明纳米二氧化钛具备良好的抗菌性。张荣飞等[5]研究证实采用纳米TiO2/SiO2复合膜对双孢菇的保鲜效果显著。Luo等[6]研究发现纳米TiO2改性LDPE膜能够维持南美白对虾的品质，延长其货架寿命。罗自生等[7]研究表明纳米二氧化钛改性LDPE膜具有比普通LDPE膜更好的保鲜效果。Xing等[8]则研究证实利用纳米二氧化钛改性聚合膜，能够提升膜的抑菌能力以及物理性能。

但是，在加工或者贮藏过程中，用于改性的纳米粒子有可能会迁移到食品中，引起食品安全问题[9]。鉴于从纳米改性膜（NMFs）中迁移出的纳米粒子的潜在毒性，纳米粒子的迁移问题逐渐成为研究热点。von Goetz等[10]便研究了纳米银粒子在食品模拟物中的迁移情况。根据欧洲食品安全局发布的(EU) No.10/2011规定纳米改性包装材料必须进行迁移实验。为了验证纳米二氧化钛改性LDPE膜的安全性，本研究将选取四种食品模拟物，采用(EU) No. 10/2011规定的方法进行迁移实验，探究不同食品模拟物及不同温度对纳米粒子迁移规律的影响，并探究微波和紫外处理对迁移量的影响，旨在为纳米二氧化钛改性膜的应用提供一定的理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

LDPE树脂，购于中国石化茂名分公司；纳米二氧化钛，购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；钛酸酯偶联剂，购于南京道宁化工有限公司；蒸馏水、冰醋酸、无水乙醇、优级纯浓硝酸、30%过氧化氢，购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

HAAKE Polylab OS双螺杆挤出机，德国Thermo Electron GmbH公司；KE19单螺杆挤出机，德国Brabender仪器公司；JEM-1200EX透射电子显微镜，日本JEOL公司；HH-2恒温水浴箱，浙江俊思仪器设备厂；Nexlon 300XX电感耦合等离子体质谱，美国PE公司；ETHOS ONE高压微波消解仪，中国milestone公司；UPW-I-60/90Z优普定量分析型超纯水机，西安优普仪器设备有限公司；WD800ASL23-3微波炉，广东格兰仕公司；30W/G30T8低压汞蒸气紫外放电杀菌灯，荷兰Philips公司；TAINA TN-2254手持式紫外线，台湾TAINA公司。

1.3 试验方法

1.3.1 纳米二氧化钛改性膜的制备

本实验采用钛酸酯偶联剂改性纳米二氧化钛，于高速混合机内加入LDPE树脂和改性纳米二氧化钛，混合均匀。利用双螺杆挤出机进行造粒，进料速率1.5 kg/h，进料到模头的温度分别为180 ℃、190 ℃、200 ℃和210 ℃，螺杆转速300 r/min。所得造粒和LDPE树脂再次混合进行二次造粒。再利用单螺杆挤出机制备改性膜，进料到模头的温度分别为200 ℃、200 ℃、200 ℃和210 ℃，螺杆转速40 r/min。制备所得的纳米二氧化钛改性LDPE膜厚度为40±2 μm。在预实验中，对比了纳米二氧化钛添加量为0.5%、1.0%、1.5%和2.0%改性膜的力学性能、透气性、透湿性及透光率等性质，结果显示1%添加量的纳米二氧化钛改性膜性能最好，因此采用添加量为1%的纳米二氧化钛改性LDPE膜和普通LDPE膜进行实验。

1.3.2 纳米二氧化钛改性膜内部纳米粒子分散性表征

采用透射式电子显微镜对纳米粒子分散性进行表征。将干燥的样品膜置于碳包覆铜网格上，于75 kV的加速电压下进行透射电子显微观测。

1.3.3 样品的消解

参考余优军[11]的方法，将纳米二氧化钛改性LDPE膜和普通LDPE膜剪成1 cm×1 cm的碎片。取0.1 g样品碎片于聚四氟乙烯微波消解罐中，加入6 mL浓HNO3和2 mL H2O2后，置于微波消解仪中进行消解。设置消解功率为1000 W，压力为3.5 MPa。消解温度在10 min内上升至150 ℃后在10 min内上升至210 ℃，保持10 min。消解完毕后冷却1 h，再次加热除去残余的酸。最后将消解液加入100 mL比色管中定容。采用ICP-MS测定Ti的初始浓度。

使用带有微量雾化器的喷射器将消解液加入ICP-MS仪器中，喷雾室冷至2 ℃。运载气体为氦气。采用带有样品溶液的蠕动泵加入1 μg/mL的内部标准液钪。ICP-MS参数设置：射频功率为1100 W，等离子体气体流动速率为16.0 L/min，雾化器流速0.91 L/min，测量模式为KED模式，测定同位素为Ti47。

ICP-MS测得Ti浓度的标准曲线为：

y(μg/L)=845.73x+702.19(R2=0.9994)

这表明检测强度与Ti浓度呈正相关关系。采用换算公式：

将Ti浓度的单位由μg/L转换为mg/kg。最终Ti的迁移结果全部采用mg/kg表示。

图1 Ti浓度的标准曲线Fig.1 The standard curve of Ti

1.3.4 迁移实验

根据欧盟法规（EU）NO. 10/2011，采用蒸馏水、3%乙酸溶液（m/V）、10%乙醇溶液（V/V）、95%乙醇溶液（V/V）分别作为中性、酸性、脂肪性和酒精性食品模拟物。先用蒸馏水将样品膜洗净，剪成3.5 cm×3.5 cm的碎片。将0.1 g样品碎片分别放入装有50 mL食品模拟物的玻璃瓶后，置于恒温水浴锅中进行的迁移反应。温度和时间设置如下：在40 ℃下分别进行2 h，1、4、7 d的迁移实验，在70 ℃下进行2 h的迁移实验。反应结束后将样品膜取出，采用ICP-MS测定食品模拟物中的Ti浓度。

1.3.5 微波处理对纳米钛粒子迁移的影响

将样品膜剪成3.5 cm×3.5 cm的碎片。分别取0.1 g样品碎片，放入装有50 mL中性和酸性食品模拟物的容器中，单面接触。采用250 W和600 W的微波功率处理6 min。反应结束后，取出样品膜，利用ICP-MS测定食品模拟物中的Ti浓度。

1.3.6 紫外处理对纳米钛粒子迁移的影响

采用低压蒸汽紫外杀菌灯（灯管直径2.4 cm，长度89 cm，功率30 W，波长254 nm）作为紫外光源。将样品膜剪成3.5 cm×3.5 cm的碎片。分别取0.1 g样品碎片置于紫外强度6 W/m2的紫外光源下，于40 ℃分别反应0、8、40 h。紫外处理结束后，将样品置于酸性模拟物中在40 ℃下迁移1 d，最后将样品膜取出，利用ICP-MS测定食品模拟物中的Ti浓度。

1.4 数据分析

各指标测定均重复3次，数据统计分析采用SPSS 20软件进行，所得实验数据均以平均值±标准方差来表示。采用Origin 9.0软件作图。

2 结果与讨论

2.1 纳米改性膜中纳米粒子的分布

图2 普通LDPE和纳米二氧化钛改性LDPE膜的透射电镜图Fig.2 TEM images of normal LDPE and nano-TiO2 modified LDPE films

如图2所示，纳米二氧化钛粒子均匀地分布于改性膜中，无团聚现象。在透射式电子显微镜下观测到的纳米二氧化钛粒子的粒径约为100 nm。这表明纳米二氧化钛在加入LDPE膜后仍然保持纳米尺寸。

这是由于经过钛酸酯偶联剂的改性，纳米二氧化钛粒子由亲水性变为疏水性， LDPE树脂是非极性聚合物，使其能在LDPE膜中充分分散，保持原有的纳米尺寸[12]。

2.2 40 ℃下纳米钛粒子的迁移情况

普通LDPE膜和纳米二氧化钛改性LDPE膜中初始的Ti浓度分别为44.49 mg/kg和5013.80 mg/kg。如图3所示，在四种食品模拟物中，改性LDPE膜中钛的迁移量高于普通LDPE膜。这表明较高的钛迁移量是源自用于改性的纳米二氧化钛。Cushen等[13]研究表明纳米复合材料中纳米粒子的迁移量与所加入纳米粒子的百分比有着高度的相关性。

由图3可见，40 ℃下，纳米改性膜在酸性食品模拟物中迁移7 d，Ti迁移量为0.61 mg/kg，比40 ℃下迁移1 d升高了26%。在中性食品模拟物中，40 ℃下迁移7 d的Ti迁移量要比迁移1 d的高8%。而在脂肪性和酒精性食品模拟物中，Ti的迁移量较小，而且迁移1 d和7 d的迁移量没有显著变化（p>0.05）。这表明在脂肪性和酒精性食品模拟物中，钛的迁移1 d之内便已经达到平衡。这可能是由于非极性的乙醇在膜的表面形成了一层屏障，阻止了外部食品模拟物与纳米粒子的直接接触，使得迁移量显著降低[14]。

总体而言，纳米钛粒子迁移至食品模拟物中的量仅为膜中初始量的9.6×10-5%～1.2×10-2%，这表明大部分的纳米粒子仍然留在膜中。纳米钛粒子的迁移量范围为0.0046 mg/kg～0.61 mg/kg，低于欧盟规定所允许的最大迁移量5 mg/kg。

如图3所示，四种食品模拟物中Ti迁移量由高到低分别为：酸性食品模拟物、中性食品模拟物、酒精性食品模拟物和脂肪性食品模拟物。这表明食品模拟物酸性的升高和极性的增大能够促进纳米钛粒子的迁移。相关研究显示，纳米银在酸性模拟物中的迁移量高于中性和酒精性模拟物[15,16]。而在脂肪性食品模拟物中，纳米银改性包装材料中纳米银粒子迁移量极低[14]。上述研究结果与本研究结果相符。

2.3 70 ℃下纳米钛粒子的迁移情况

如图4所示，在四种食品模拟物中，70 ℃下迁移2 h，纳米钛的迁移量高于40 ℃下迁移2 h。在中性模拟物中，70 ℃下迁移2 h的迁移量比40 ℃迁移2 h提高了748%。酸性模拟物中，70 ℃下迁移2 h的迁移量比40 ℃下迁移2 h提高了653%。

图3 40 ℃下，普通LDPE膜和纳米改性LDPE膜在食品模拟物中迁移1、4、7 d的迁移量Fig.3 Migration of Ti from normal LDPE films and NMFs in food simulants at 40 ℃ for 1, 4 and 7 d

而脂肪性和酒精性食品模拟物中，70 ℃下迁移2 h比40下迁移2 h分别提高了770%与541%。且在70 ℃下迁移2 h的迁移量几乎能够达到40 ℃下迁移1 d的迁移水平。上述结果表明温度的升高能够促进纳米钛粒子的迁移。Lin等[17]研究不同温度下纳米二氧化钛改性聚乙烯膜中钛的迁移，结果表明随温度的升高，迁移量增大，与本研究结果一致。

图4 不同食品模拟物中40 ℃下迁移2 h、1 d和70 ℃下迁移2 h的纳米钛迁移量Fig.4 Migration of Ti from NMFs in different food simulants at 40 ℃ for 2 h, 1 d and 70 ℃ for 2 h

2.4 微波处理对纳米钛粒子迁移的影响

图5 微波处理下食品模拟物中40 ℃迁移1 d的纳米钛迁移量Fig.5 Migration of Ti from NMFs into food simulants in 40 ℃for 1 d under microwave treatment

如图5所示，在酸性食品模拟物中，与对照相比，250 W和600 W的微波处理使纳米钛的迁移量分别提高了约8%和21%。而在中性食品模拟物中，250 W和600 W的微波处理则分别使迁移量提高了约5%和8%。这表明微波处理能够促进纳米钛粒子的迁移，而且微波功率越大，促进作用越强。这是由于微波处理能够使溶液和膜之间的相互作用更强烈，从而加速膜的降解，提高纳米粒子的迁移量[18]。Echegoyen和Nerín[16]报道了在用700 W和1000 W微波处理后，纳米银粒子在中性和酸性食品模拟物中的迁移量增加，与本实验的结果相符。

2.5 紫外处理对纳米钛粒子迁移的影响

图6 紫外处理下，在酸性食品模拟物中40 ℃迁移1 d的纳米钛迁移量Fig.6 Migration of Ti from NMFs into acidic food simulant in 40 ℃ for 1 d under ultraviolet treatment

如图6所示，在酸性模拟物中，紫外处理对纳米钛的迁移影响并不显著。这是由于纳米二氧化钛具有吸收和散射紫外线的能力[19]。因此，紫外处理对于纳米二氧化钛改性LDPE膜的纳米钛粒子迁移影响较小。

3 结论

本文以纳米二氧化钛改性LDPE膜为研究对象，探究了纳米二氧化钛改性LDPE膜中纳米钛粒子的迁移规律。采用四种食品模拟物，在不同温度以及紫外或微波辅助处理下进行迁移实验，结果表明，四种食品模拟物中纳米钛迁移量从高到低依次为：酸性食品模拟物、中性食品模拟物、酒精性食品模拟物和脂肪性食品模拟物。温度的升高对纳米钛的迁移有促进作用。微波处理能够促进纳米钛的迁移，而紫外处理对迁移没有显著的影响。总体而言纳米钛的迁移量较小，大部分纳米粒子仍留在膜内，符合（EU）NO.10/2011规定。因此，纳米二氧化钛改性LDPE膜能够作为一种安全的食品包装膜使用。

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