食品接觸用塑料包裝中納米材料遷移的研究進展

石鎏杰，韋存茜，李潔君，王永香，張麗媛，楊建平

上海市質量監督檢驗技術研究院（上海 200233）

近年來，隨著納米技術的快速發展，納米材料以其優良的阻隔性能、機械性能、耐熱性能和抗菌性等特點越來越多地被應用于食品接觸材料中。但是由于納米材料與傳統材料的理化性質完全不同，人們對其生物毒性的認知尚未成熟，因此它的安全性備受關注。

眾所周知，任何物質對人類的毒理學風險總是包括該物質本身的危害及其進入人體的途徑。例如，納米材料作為食品添加劑直接被人體攝入，和其由包裝材料遷移到食品中再被人體攝入，這兩種方式具有很大差別。

迄今為止，研究者對于納米添加劑中的納米顆粒是否會從聚合物納米復合材料中遷移到食品中仍未達成統一意見。總的來說，納米顆粒的釋放主要有四種途徑：擴散、降解、溶解和表面脫落。聚合物中的納米顆粒遵循菲克擴散定律，會從高濃度區向低濃度區遷移；聚合物會通過光降解、機械磨損、水解等方式降解并釋放納米顆粒；聚合物中的納米顆粒被氧化成離子，隨之擴散到食物中；另外，聚合物表面的納米層可能會由于鍵能較弱發生脫落[1-3]。

旨在總結近年來納米復合材料在食品接觸用塑料包裝中的應用，以及納米復合材料中納米成分的檢測和表征，重點闡述國內外學者對于納米材料向食品或食品模擬物遷移的研究進展。

1 納米材料在食品接觸用塑料包裝中的應用

在食品包裝材料中添加納米材料不僅可以改善材料的特性，還能增強包裝的功能性。許多文獻指出，納米材料在食品包裝材料的應用中具有很大的發展潛力[4]。

天然黏土礦是聚合物納米復合材料中最常見的納米組分，這種硅酸鹽礦物由納米片層組成，主要用于加強聚合物的熱穩定性和機械穩定性，改善其吸附性、離子交換性等特性。最常用的一種天然黏土礦物是蒙脫土，它由眾多納米片層堆疊而成，可以分散在聚合物中，形成聚合物納米復合材料。在分散過程中，納米片層層間距大大增加，甚至被完全剝離，但是要使其完全分散到非極性聚合物中，需要采用芐基二甲基烷基銨或氨基十二烷酸銨鹽等進行改性處理[5]。

食品接觸材料中經常使用的納米材料還包括納米SiO2。它可以與聚合物復合，提高其熱性能、力學性能、抗磨損、阻隔性等特性。此外，納米SiO2涂覆在包裝表面時，會形成致密的納米膜層，上面豐富的硅氧鍵可以調節膜內外的CO2和O2的交換量，抑制果蔬的呼吸強度，起到抑菌、保鮮的作用[6]。

納米氮化鈦常在PET瓶的生成過程被用作熱穩定劑，它可以使PET材料在拉伸過程中有更好的傳熱效果，不僅可以提高生產效率，還能節約能耗。此外，TiN納米粒子作為高分子材料的一部分，可以阻塞分子間隙，使氣體難以擴散滲透，從而提高PET瓶的阻隔性[7-8]。

目前，聚合物納米復合材料研究的主要趨勢是通過改善材料性能使食物更好地保鮮。通常采用金屬或金屬氧化物提高納米材料的抗菌能力，如氧化鋅和納米銀[9-10]。值得注意的是，材料的抗菌效果和與之釋放的金屬離子或與之直接接觸的微生物之間的相互作用有關。它的另一個主要的能力參數——除氧能力，靠二氧化鈦或者其他金屬氧化物等納米級除氧劑的添加來實現。

2 食品接觸用塑料包裝中納米成分的檢測

納米材料，尤其是食品包裝中納米材料遷移能力的檢測與表征是一個具有挑戰性的任務。納米顆粒固有的特性使食品和食品模擬物中的納米材料很難被檢測。納米材料在不合適的介質中會分散得很差。周圍介質的性質會很大程度上地決定納米材料是會很好地分散，還是會由于溶解或沉積而消失。而且，要想在復雜的介質中得到確切的檢測結果，那這種檢測方法必須能夠將納米材料與周圍其他組分進行有效的區分。

適用于傳統聚合物添加劑分析的色譜法不適用于具有特殊物理化學性質的納米材料的檢測。只有少數表征方法可以用來檢測納米材料。對于聚合物中的納米材料的檢測，通常會采用X射線衍射（XRD）或者透射電子顯微鏡（TEM）等分析技術。XRD可以獲得納米材料化學組成和結構的信息，而TEM可以給出顆粒形狀、尺寸和聚合情況等信息。結合TEM和X射線能譜法（EDX）則可以分析材料的化學組成。TEM是唯一能夠直接分析顆粒尺寸分布的表征手段，但是數據分析的過程比較耗時。TEM一般適用于聚合物介質中納米顆粒的檢測，但是對于像食品或食品模擬物這種復雜介質中納米顆粒遷移的檢測，還需要結合其他表征手段。例如用非對稱流分離（AF4）方法配上多角度光散射（MALS）或者動態光散射（DLS）檢測器，來分離不同尺寸的納米材料，以準確測量其粒度分布[11]。AF4還可以與電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）聯用，定量金屬組分[12]。基礎的ICP-MS不能區分納米級的金屬元素和金屬離子，單顆粒ICPMS技術（sp-ICP-MS）則可以定量地區分金屬元素和金屬離子，而且當使用合適的分散劑和特定尺寸的標樣時，這種方法的效果顯著[13]。Glover等[14]對納米銀和銅進行了模擬試驗，發現金屬會溶解為金屬離子，然后邊擴散邊還原成0價的金屬，從而在金屬的周圍產生納米顆粒。由于氧化還原變化造成的這種現象，極易影響TEM的測試結果。

因此，任何單一的表征技術都不能對納米材料進行完整的分析，只能提供某些特征信息。如果要嚴格地評估食品接觸材料中納米顆粒的遷移風險，則需要結合多種表征技術、建立合適的方法進行檢測和量化分析。

3 食品接觸用塑料包裝中納米顆粒的遷移研究

近年來，納米復合材料的遷移規律逐漸成為研究熱點，表1總結了一些關于食品包裝中納米成分向食品或食品模擬物遷移的研究，其中以納米銀為主，還包括氮化鈦、蒙脫土等納米添加劑。研究者們對于納米顆粒是否會從聚合物中遷移出來仍未達成共識。

納米銀的遷移試驗都是通過ICP-MS或者原子吸收光譜（AAS）定量總銀，并未對銀離子和金屬銀顆粒進行區分。Goetz等[15]對市售的PP容器和PE袋子進行了試驗，他們發現雖然PE袋子（37 μg/g）中的銀含量高于PP容器（12 μg/g），但是在相同遷移條件下，PP容器在3%乙酸中的遷移量為0.95～3 μg/dm2，而PE袋子只有0.05 μg/dm2。Bott等[16]用LDPE袋子進行試驗，也得到了相似的結果。

大多數研究顯示，納米銀在10%乙醇等非酸性水溶液中的遷移量比3%乙酸低，這是因為在酸性介質中銀被氧化為銀離子的速率更快。Mackevica等[18]采用ICP-MS、sp-ICP-MS和TEM-EDS方法檢測了市售聚合物納米復合材料中的銀遷移量，也發現在酸性介質中銀的遷移量高于10%乙醇和水。Artiaga等[19]在試驗中發現，在20和40 ℃時，納米銀在乙酸中的遷移趨勢更顯著，但是在70 ℃時，納米銀在乙酸和水中的遷移量基本一致，對于此現象，他們并未做出解釋。Metak等[21]以水和3%乙酸為模擬物，對納米銀含量相同的PE容器和PE復合膜進行遷移試驗，發現容器中納米銀的遷移量比復合膜低很多，而且在水中的遷移量比在3%乙酸中低了一個數量級。

在這些研究中，只有一小部分納米復合材料中的銀會遷移到模擬物或者食物中。眾所周知，納米銀的抗菌活性是基于銀離子的釋放，但是這就可能造成釋放出來的銀離子又被還原為銀。實際上，Golver等[14]在研究中發現，從基質上釋放出來的銀離子會在微弱的還原條件下重新生成納米銀。但即使納米銀顆粒是遷移出的物質，我們還要重點考慮銀元素的化學穩定性。Bott等[16]采用AF4方法研究模擬物中納米銀顆粒的穩定性，試驗發現常溫下，在3%乙酸中，10 nm的銀顆粒的半衰期只有0.6 h，這說明它在幾小時之內就會完全溶解為銀離子。而它在水中的穩定性較高，24 h之后仍然有80%的顆粒保留。Addo等[22]的研究也證實了這一結果。

重復的遷移試驗可以用來區分遷移是由表面效應產生的，還是由菲克擴散引發的。Von等[15]以3%乙酸為模擬物，對PP盒子進行了三次遷移試驗，試驗發現，第二次接觸比第一次接觸的遷移量減小了15倍，而第三次保持不變。這種變化規律不符合菲克擴散，說明銀的遷移是由乙酸對表面納米銀的溶解產生的。Addo等[22]的研究也證實了這個觀點，他們以3%乙酸為模擬物，對LDPE袋子和PP容器進行了重復的遷移試驗。LDPE袋子第二次的遷移結果是第一次的50%，PP容器第二次的遷移結果是第一次的1/7。因此，他們認為遷移過程不是由擴散控制的，而是由于納米銀表面的銀氧化溶解產生的。

Cushen等[17]在PE膜中加入相同量的納米銀和納米銅，然后分析在實際接觸條件下，遷移到雞肉中的銀和銅的總量。結果顯示，銀的遷移量為3～5 μg/dm2，銅為24～29 μg/dm2。銅和銀一樣，可以通過釋放離子達到抗菌效果，而且銅離子也會像銀離子一樣還原為納米銅。因此，這項研究并不能確切地說明物質發生了遷移。

除了球形的納米銀、納米銅，還有學者研究從天然黏土礦中所得的片狀納米粒子。Schmidt等[24]將改性黏土礦與聚乳酸復合，擠出成膜（PLA），以95%乙醇為模擬物，于40 ℃遷移10 d。這是比較嚴苛的遷移條件，會使材料發生溶脹。AF4-MALS的分析結果顯示有50～800 nm的顆粒遷移出來，但是ICP-MS未檢測到有黏土礦遷移出來。可能是因為在嚴苛的遷移條件下，PLA基質的碎片會從表面脫落，影響分析結果。

Farhoodi等[23]采用全浸沒法研究PET瓶中改性黏土礦的遷移，他們測試了模擬物中Si和Al的遷移總量，發現酸性模擬物中的Al/Si的比值比固體樣品材料中的Al/Si比高出23倍，因此認為確實發生了離子遷移，而且很可能來自于樣品切割形成的邊界。Lin等[26]采用同樣的方法分析了LDPE膜中納米TiO2的遷移，他們將樣品裁剪成18片1 cm2的小塊，在模擬物中浸泡，用ICPMS測試總Ti，發現在3%乙酸和50%乙醇中的遷移量分別為12.1和2.1 μg/kg，因此，納米顆粒的遷移很可能是切割邊界上TiO2的溶解造成的結果。

Bott等[25]采用AF4-MALS法測試了LDPE和PS中碳黑的遷移，試驗顯示，無論是在60 ℃的3%乙酸和95%乙醇浸泡10 d，還是在40 ℃的異辛烷中浸泡24 h這樣嚴苛的條件下，都未發現碳黑的遷移[27]。他們在進行LDPE中納米TiN的遷移試驗時，采用同樣嚴苛的模擬條件，也未檢測到TiN的遷移。在LDPE中納米SiO2的遷移試驗中，也出現了一樣的結果[28]。

表1 納米復合物中納米材料的遷移研究概況

接表1

4 結語

納米技術在包裝材料上的應用，不僅很大程度上滿足了人們對食品保存更加健康、營養、方便的需求，而且也有效地推動了納米技術產業化的步伐。然而，在研究納米材料的加入促使食品包裝性能提升的同時，其安全性研究也應該受到重視。越來越多的國內外研究者對納米材料向食品潛在的遷移風險進行了試驗探究，但是由于缺乏食品包裝材料中納米粒子的有效鑒定和分離方法、尚未建立完善的遷移試驗方法、鑒于納米材料穩定性的原因和分析表征技術的限制，人們對于納米材料能否遷移到食品或食品模擬物中仍未達成統一意見。

因此，為了保障食品包裝安全，需要加強對食品接觸用納米材料的研究，提升納米粒子檢測技術和分析手段，完善食品接觸用納米材料的安全性能評估體系，為合理應用納米材料提供理論條件和科學依據。