邻苯二甲酸酯增塑剂在可得然包装膜中的迁移研究

2021-06-27潘磊庆朱静怡

包装学报 2021年2期

潘磊庆朱静怡王茜韩璐张充彭菁屠康

南京农业大学食品科技学院江苏南京 210095

1 研究背景

近年来，生物基包装材料以其安全性、可生物降解等特点，逐渐成为研究热点。可得然多糖（curdlan，CD）是一种理想的天然高分子膜材料，它是由农杆菌属中的粪产碱杆菌合成的次级代谢产物，是β-(1, 3)糖苷键连接的D-葡聚糖，加热即可形成凝胶[1-2]。

单一成分的生物基包装材料难以达到包装材料的性能要求，需要通过物理方法将多种材料共混或向其中添加加工助剂，以改善其性能。Sun Y.等[3]制备了一种可得然多糖和壳聚糖复合薄膜，其抗拉强度、断裂伸长率等均比纯可得然多糖膜和纯壳聚糖膜高，具有较好的阻水性。但随着包装种类的日渐丰富，复合膜的包装性能依旧不能满足包装要求，而添加增塑剂不仅可以降低生产成本，还可以显著提高生物基材料的包装性能。

邻苯二甲酸酯类是塑料工业最主要的增塑剂之一，广泛用于食品包装材料、医疗器械以及儿童玩具等领域[4-6]。但它是一种内分泌干扰物，对生殖系统具有致癌作用，同时能结合并激活雌激素受体的转录而破坏雌激素功能[7-8]。邻苯二甲酸酯类增塑剂是一个庞大的体系，其中有23种被认为有害并限制使用[9]，最常见且研究最多的有邻苯二甲酸二甲酯（dimethyl phthalate，DMP）、邻苯二甲酸二正丁酯（dibutyl phthalate，DBP）及邻苯二甲酸二（2-乙基己）酯（di (2-ethylhexyl) phthalate，DEHP）。邻苯二甲酸酯类在塑料制品中含量高且常以游离状态存在，故其容易通过多途径迁移至食品基质中，迁移过量则会对人体健康造成危害。目前邻苯二甲酸酯类增塑剂在普通包装材料中迁移的报道较多，还没有研究报道其在生物基包装材料中的迁移情况。因此，研究可得然包装膜中DMP、DBP以及DEHP的迁移规律并建立迁移模型意义重大。

迁移模型主要分为Fick模型和非Fick模型。可得然生物基包装膜在与食品模拟物接触时通常会发生较为明显的溶胀现象，膜厚在迁移过程中会随时间发生变化，无法满足Fick扩散模型所假设的前提条件。Weibull模型由瑞典数学家Waloddi Weibull提出，是一种概率分布模型，可以很好描述具有高可变性的复杂过程，具有适应性强、参数少的特点。因此，本研究选择Weibull模型描述增塑剂的迁移情况。

本文选取DMP、DBP及DEHP增塑剂作为主要研究对象，将其添加至可得然多糖膜中，并研究温度、时间、食品模拟物及增塑剂添加量对可得然薄膜中增塑剂迁移量的影响，同时基于Weibull分布函数，建立3种增塑剂在正己烷中的迁移模型，并进行模型预测能力验证。

2 实验

2.1 材料与试剂

可得然多糖，分析纯，日本麒麟控股株式会社；邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二正丁酯、邻苯二甲酸二（2-乙基己）酯，色谱纯，纯度不低于99%，上海瑞永生物科技有限公司；吐温-80、正己烷、乙腈、乙酸乙酯，均为色谱纯，天津赛孚瑞科技有限公司；聚四氟乙烯板，尺寸为10 cm×10 cm，东莞市优咖塑胶有限公司。

实验过程中所用的试剂及其溶解度参数如表1所示。

表1 各试剂的溶解度参数Table 1 Solubility parameter of the reagents

2.2 仪器与设备

电子精密天平，AR64-CN型，奥豪斯仪器有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，DHG-9070A型，上海精宏实验设备有限公司；恒温恒湿箱，CTHI-250B型，施都凯仪器设备（上海）有限公司；可调高速匀浆机，FS-2型，常州国华仪器有限公司；气相色谱质谱联用仪（gas chromatography mass spectrometry，GC-MS），Agilent 7890A/5975C型，安捷伦科技有限公司；恒温磁力搅拌器，HWJB-2100KJ型，常州国华仪器有限公司；精密pH计，FE20型，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；涡旋混合仪，MX-S型，大龙兴创实验仪器（北京）有限公司。

2.3 实验方法

2.3.1 可得然多糖膜的制备

先称取4.0 g可得然多糖、0.8 g吐温-80、并分别添加一定量的3种增塑剂（DMP、DBP和DEHP）至100 mL的去离子水中，磁力搅拌器搅拌30 min；同时，将聚四氟乙烯板放入100 ℃的烘箱中预热；待悬浊液搅拌均匀后，用稀释后的乳酸调节其pH至4，均质2 min；再将成膜液倒入聚四氟乙烯板中，放入100 ℃烘箱中干燥4 min；最后，将聚四氟乙烯板置于恒温恒湿箱中（25 ℃，50% RH），12 h后揭膜[10]。制好的可得然多糖膜如图1。

图1 自制的可得然多糖膜Fig. 1 Self-made curdlan-based film

2.3.2 食品模拟物

食品中通常含有其他干扰物质，不利于迁移实验的进行，所以选择用食品模拟物替代。根据GB 31604.1—2015《食品安全国家标准食品接触材料及制品迁移试验通则》规定，选用蒸馏水、体积分数为4%的乙酸、体积分数为50%的乙醇和正己烷4种食品模拟物分别代表水性食品（pH＞4.5）、酸性食品（pH≤4.5的水性食品）、含酒精食品和含油脂食品。

2.3.3 食品模拟物的预处理

为了确保迁移量测定数据的准确性，实验前需要对食品模拟物进行预处理[11-12]。蒸馏水、乙酸、乙醇中迁移量测定的预处理方法相同，操作如下：吸取2 mL样品至10 mL玻璃试管内，加入1 g氯化钠和2 mL的乙酸乙酯，涡旋2 min，静置分层，注射器吸取1 mL上清液，过孔隙大小为0.22 μm的有机滤膜，装入棕色进样瓶中，GC-MS待测。正己烷中迁移量测定的预处理方法：直接用注射器吸取1 mL样品，过0.22 μm有机滤膜，装入棕色进样瓶中，GC-MS待测。

2.3.4 迁移试验

根据GB 31604.1—2015《食品安全国家标准食品接触材料及制品迁移试验通则》规定，6 dm2的包装材料接触1 L的食品模拟物，迁移温度设置低温（4 ℃）、常温（25 ℃）与高温（40 ℃）3个温度。GB 9685—2016《食品安全国家标准食品接触材料及制品用添加剂使用标准》中规定，3种增塑剂的最大质量分数为5%，但由前期预实验得知，添加质量分数为5%的增塑剂，其迁移量远远超出迁移限量，无实际意义。因此，本研究设置增塑剂的质量分数分别为0.1%、0.5%、1%和3%，制备不同添加量的可得然多糖膜；将其完全浸泡在4种食品模拟物中，每个样品做3个平行试验，迁移时间设置为0.5, 1, 1.5,2, 2.5, 3, 5, 8 d。

2.3.5 迁移模型

与Fick模型相比，Weibull模型具有更好的S型迁移曲线，是一种应用广泛、简便、可靠地评估材料安全性的手段。此外，Weibull模型在描述变动性大且复杂的动力学模型方面也表现了独特的优势。Weibull模型最基本的公式为

式中：τ为尺寸参数，与迁移物迁移快慢有关，受温度影响；β为形状参数，与介质的性质有关，不受温度影响，取一定值[13-14]；t为时间。

结合包装材料迁移性研究的条件，令

食品模拟溶液中迁移量计算公式为

式（2）～（3）中：MF,0为初始时食品模拟物中迁移物的质量，mg；MF,t为t时刻食品模拟物中迁移物的质量，mg；MF,∞为迁移平衡时食品模拟物中迁移物的质量，mg；MP为食品模拟物的质量，kg；Ct为t时刻食品模拟物中的迁移量，C0=0，mg/kg。

本研究中Weibull模型使用的公式为

式中：Cm是增塑剂添加量的函数；Cm、τ和β为3个待拟合的参数，由Origin 9的非线性拟合功能模拟获得，3个参数均大于0。

3 结果与讨论

3.1 迁移量的影响因素分析

3.1.1 食品模拟物和时间

图2是添加质量分数为3%的3种增塑剂在4种食品模拟物（40 ℃）中的迁移情况。由图2可以看出，随着食品模拟物的不同，3种增塑剂迁移量的变化趋势大体一致，但迁移量差别较大。首先，在4种不同的食品模拟物中，DMP、DBP和DEHP的迁移量均在前3 d内随着时间延长呈现显著增加趋势，3 d后达到迁移平衡，迁移量达到最大值，并保持稳定。这是因为在迁移初期，大量的增塑剂迁移到模拟物中，浓度逐渐增加；但迁移一段时间后，模拟物中的增塑剂也会反向迁移至可得然多糖膜中，造成多糖膜溶胀；当可得然多糖膜中的增塑剂的迁出速率与模拟物中增塑剂迁入速率相等时，即达到迁移平衡，此时，在模拟物中的迁移量达到最大值，不再随时间的延长而增加。

图2 DMP、DBP和DEHP在4种食品模拟物中的迁移情况Fig. 2 Migration of DMP, DBP and DEHP in four food simulants

其次，整体上增塑剂在4种不同食品模拟物中的迁移量从高到低依次为：正己烷、50%乙醇、4%乙酸、蒸馏水，3种增塑剂均符合这一规律。DMP、DBP和DEHP在正己烷中的最大迁移量分别为81.38,73.14, 31.47 mg/kg，在蒸馏水中的最大迁移量分别为 30.96, 8.99, 6.34 mg/kg，且在0.5 d时，DBP和DEHP在蒸馏水中未发生迁移，由此可见3种增塑剂在正己烷中的迁移量远远大于在蒸馏水中的迁移量。这是因为3种增塑剂均属于亲油脂类化合物，所以在正己烷中迁移量最高，也最容易溶出。不同基质的食品模拟物对邻苯二甲酸酯类增塑剂的迁移有着至关重要的影响。

最后，DMP在蒸馏水、4%乙酸、50%乙醇和正己烷中的最大迁移量分别为30.96, 44.38, 56.21,81.38 mg/kg；DBP在蒸馏水、4%乙酸、50%乙醇和正己烷中的最大迁移量分别为8.99, 14.67, 47.59,73.14 mg/kg；DEHP在蒸馏水、4%乙酸、50%乙醇和正己烷中的最大迁移量分别为6.34, 11.67, 22.89,31.47 mg/kg。可以看出，在4种不同食品模拟物中DMP的迁移量最大，其次是DBP，DEHP的迁移量最小。这是因为DMP相对分子质量较小，苯环上的两个支链较短，容易发生迁移，而DBP、DEHP的相对分子质量比DMP的大，同时苯环上的两个支链较长，不易发生迁移。在相同的迁移情况下，增塑剂的分子结构对其迁移的影响较大[15-16]。

3.1.2 温度

图3是质量分数为3%的DMP、DBP和DEHP分别在4, 25, 40 ℃条件下，迁移2 d时的迁移量。由图3可以看出，随着温度的升高，3种增塑剂的迁移量均增加，但增加速率不同。DBP和DEHP在蒸馏水和4%乙酸中的迁移量随温度的上升未有大幅度增加，DMP则增加较明显； 3种增塑剂在50%乙醇和正己烷中的迁移量，随温度的升高均增加较为明显，DEHP在正己烷中迁移量增加最为显著。这是因为温度升高后，可得然多糖膜内部一些增塑剂的分子链获得足够的自由能，热运动能力增强，并发生自由选择，从而使生物基膜与增塑剂的结合力变弱，促进了增塑剂朝着脂溶性的食品模拟物发生迁移，迁出可得然多糖膜的速率加快，故迁移量变大。其次，受热使可得然多糖膜发生膨胀，膜中大分子链间距离增加，更利于穿插于其中的小分子增塑剂溶出。因此，在达到迁移平衡前，温度升高增塑剂的迁移量大大增加，温度是影响增塑剂迁移的一个重要因素[17-18]。

图3 不同温度下DMP、DBP和DEHP的迁移情况Fig. 3 Migration of DMP、DBP and DEHP at different temperatures

3.1.3 增塑剂的添加量

图4是在40 ℃时，质量分数分别为0.1%、0.5%、1%和3%的DMP、DBP和DEHP在4种食品模拟物中迁移2 d时的迁移量。由图4可以看出，3种增塑剂的迁移量均随添加量的增加而增加，但在不同的食品模拟物中增加的幅度有所不同。

图4 不同浓度下DMP、DBP和DEHP的迁移情况Fig. 4 Migration of DMP, DBP and DEHP at different concentrations

图4a中，DMP是相对分子质量较小的增塑剂，其在蒸馏水及4%乙酸中的迁移量，随添加量的增加明显增加，尤其是质量分数从1%增至3%，较DBP和DEHP，其迁移量增加最大；在50%乙醇和正己烷中，质量分数由0.5%增至1%，迁移量增加不明显，但由1%增至3%，迁移量增加也最大。图4b～c中，随添加量的增加，DBP、DEHP在蒸馏水和4%乙酸中迁移量增加的趋势不明显，质量分数为0.1%的DBP、DEHP在蒸馏水和4%乙酸中均未发生迁移；在50%乙醇和正己烷中，两者的迁移量均变化显著，几乎呈直线增长，尤其由0.5%增至1%时，DBP的迁移量增加最大。

由以上结论可以看出，增塑剂的添加量越大，其迁移量越大，但迁移量并不与增塑剂的添加量成正比。通常情况下，增塑剂的添加量越大，单位面积包装材料中的增塑剂越多，在迁移前期迁移量会越大。同时，添加量低的DBP和DEHP在蒸馏水和4%乙酸中未发生迁移，这是根据相似相溶原理，增塑剂的溶度参数与溶剂的溶度参数越接近，增塑剂越会发生迁移，而DBP和DEHP都属于相对分子质量较大的增塑剂，在脂肪含量越低的食品模拟物中越难迁移出。DBP的溶解度参数为19.3，与正己烷的溶解度参数最接近[19]，所以其在正己烷中的迁移现象越明显，迁移量远远大于在其它3种食品模拟物中的。

3.2 Weibull迁移模型

3.2.1 模型建立

在4 ℃的正己烷中，添加DMP质量分数为1%的可得然多糖膜发生迁移时，利用Origin 9软件中的非线性拟合功能，模拟的Ct-t曲线如图5所示，其中a、b、c分别代表Cm、τ和β。

图5 Origin模拟正己烷中DMP迁移Ct-t图Fig. 5 Ct-t diagram of DMP migration in n-hexane simulated by Origin

由图5可知，模拟的相关系数R2为0.961 23，表明相关性良好。每次模拟都会得到一组Cm、τ和β的值，再利用一系列拟合参数（见表2）得到Cm、τ和β值与温度、增塑剂添加量之间的联系。

由表2可知，Cm与DMP添加量、温度相关，不同温度下Cm与DMP添加量的关系如图6所示；τ影响小分子的迁移速率，受温度影响；β在传质过程中与DMP添加量、温度无关[20]，不同温度、不同添加量对应的β值无大变化，所以β取平均值，约为1.30；拟合关系式得到的相关系数R2均大于0.95，表明拟合效果较好。

表2 Origin模拟正己烷中DMP迁移参数表Table 2 DMP migration parameters in Origin's simulated n-hexane

图6 不同温度下Cm与DMP添加量的关系Fig. 6 Relationship between migration amount Cm and DMP addition at different temperatures

由图6可知，不同温度下，Cm与DMP添加量呈现线性相关，且相关系数R2均在0.97以上，相关性良好。

根据表2中不同温度下DMP添加量对应的τ值，以及DMP相对分子质量为194，密度为1.189 g/cm³，溶解度参数δ=22.1 (J/cm3)1/2，R=8.314，由式（5）可以得到对应的τ0值，结果如表3所示。

由表3可知，温度越高τ越小，作lnτ0与热力学温度（T）的关系图（见图7），发现lnτ0与T线性相关，相关系数为0.993 14，相关性较好。

表3 正己烷中DMP迁移参数τ对应τ0及lnτ0的值Table 3 DMP migration parameter τ corresponding to τ0 and lnτ0 in n-hexane

图7 lnτ0与T的关系Fig. 7 Relationship between lnτ0 and T

同理可得DBP和DEHP的Weibull迁移模型中各参数的拟合结果和关系式，其中DBP的β为1.21，DEHP的β为1.29，τ0和Cm详见表4。至此，得到了可得然多糖膜中DMP、DBP和DEHP在正己烷中的迁移模型。其中τ0通过与T的指数关系式得出，Cm通过不同温度下与添加量（w）的线性关系得出，再将得到的Cm与τ0带入式（4）中，即可得到t时刻下的迁移量。

表4 DMP、DBP和DEHP在正己烷中迁移的参数关系式及相关系数Table 4 Parameters relationship and correlation coefficient of DMP、DBP and DEHP migration in n-hexane

由表4可知，DMP、DBP与DEHP的Weibull迁移模型中lnτ0与T的关系比较，三者的斜率不同，表明不同的增塑剂对温度的响应不同。其中DEHP的斜率最大，表明升高相同温度的情况下，DEHP迁移速率变化最大，达到平衡的时间最短。这与前文的结论一致，DEHP随温度升高，迁移量的增加较明显。

3.2.2 模型验证

目前已得到DMP、DBP和DEHP在正己烷中的迁移模型，为了验证模型的预测能力，将可得然多糖膜用于包装酱状食品，选用食品模拟物正己烷对应的油性酱状食品（“老干妈”油制辣椒酱）来验证Weibull预测模型的准确性。

本研究以质量分数为0.1%的DMP、DBP在4℃下，以及0.5%的DEHP在25 ℃下的迁移情况为例，对同一时刻DMP、DBP和DEHP模型的预测值与真实食品测定值进行分析，对比结果如图8所示。

图8 DMP、DBP和DEHP在正己烷中迁移的模型验证Fig. 8 Model veri fication of DMP, DBP and DEHP migration in n-hexane

由图8可知，散点为Weibull模型预测迁移量，带误差线的折线图为迁移量实际测定值，模型预测值与实际的迁移值较为接近，尤其在迁移后期（3 d以后），两者迁移值几乎吻合。由此说明，本研究所建立的可得然多糖膜中DMP、DBP和DEHP在正己烷中迁移的Weibull模型可以反映迁移的整体趋势，有较准确的预测能力。