低密度聚乙烯/線性低密度聚乙烯-納米氧化銅復合膜中銅向檸檬酸溶液的遷移研究

王琦，胡長鷹,2*，肖前

1(暨南大學包裝工程研究所，廣東 珠海， 519070)2(暨南大學 食品科學與工程系，廣東 廣州， 510632)3(廣州海關技術中心，廣東 廣州， 510623)

低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)和線性低密度聚乙烯(linear low density polyethylene，LLDPE)因其價格低廉、可回收，具有良好的化學穩定性而被廣泛應用于食品包裝中，兩者復合既可提高LDPE的機械性能，又可改善其加工性能[1]。此外，為滿足某些產品更高的使用及儲存需要，功能性增強助劑被加入包裝材料中以改善其相關性能。有研究表明，納米氧化銅(CuO nanoparticles，CuO-NPs)作為一種經濟實惠的納米材料，可以為包裝基材提供更好的阻隔、機械和廣譜抗菌性能[2-7]，同時當遷移出的銅元素在安全范圍內，且存在形式對人體無害時，亦可為人體提供人體所需的微量元素銅。但是當CuO-NPs以納米形式遷移并存在于食品中時，納米顆粒會對人體健康存在潛在危害[8-9]。目前還沒有標準對CuO-NPs的安全使用量及特定遷移量等做出限制，因此需要積累相關的遷移及安全評估實驗數據庫，進而總結出CuO-NPs的遷移規律和安全使用范圍[10]。DUNCAN等[11-12]提出了4D工程納米材料釋放途徑，包括脫附、擴散、溶解和基質降解。此外，在包裝產品的生命周期中，包裝會不可避免地受到輻射(例如紫外線、可見光和微波)和加熱條件的影響，因此，了解這些因素對納米顆粒遷移的影響同樣重要。本實驗的目的是研究納米氧化銅添加量、紫外輻照(UV)對CuO-NPs遷移行為的影響，探究在一定條件下CuO-NPs從納米復合膜向5 g/L檸檬酸的釋放途徑，解釋LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜的結構變化與CuO-NPs遷移的關系。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

LDPE母粒(MFI：2 g/10min；密度：0.920 g/cm3；熔點：112 ℃)，陶氏杜邦有限責任公司；LLDPE粉末(MFI：8 g/10min；密度：0.918 g/cm3)，中國石化茂名石化有限公司；納米氧化銅粉(平均粒徑40 nm，球形，99%)，上海麥克林生化科技有限公司；65%濃HNO3(優級純)，廣州化學試劑廠；30%H2O2(優級純)，廣州化學試劑廠；一級水(18.2 MΩ/cm)由MILLIPORE 純水系統制得；銅標準溶液(1 000 μg/mL)，阿拉丁試劑上海有限公司；無水乙醇(分析純)，廣州化學試劑廠；一水合檸檬酸(優級純)，阿拉丁試劑上海有限公司；聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone，PVP，MW: 40 000)，北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器與設備

MEDU-22/40型雙螺桿擠出造粒機，廣州市普同實驗分析儀器有限公司；小型流延膜實驗機，佛山市金中河機械有限公司；ETHOS One微波消解系統，意大利萊伯泰科邁爾斯通儀器有限公司；KMS-181E型加熱恒溫磁力攪拌器，精鑿科技(上海)有限公司；平面袋真空保鮮機V5，深圳瑞朗克斯科技有限公司；GZX-9240MBE型電熱鼓風干燥箱，上海博迅實業有限公司醫療設備廠；Agilent 5100 型電感耦合等離子體發射光譜儀(inductive coupled plasmaoptical emission spectromety，ICP-OES)，安捷倫科技有限公司；電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；ULTER55 型場發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)，德國Zeiss Jena Carl公司；VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)，德國布魯克公司；DSC1型差示掃描量熱儀(DSC)，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；Evolution 201型紫外-可見光光譜儀，美國Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 納米氧化銅的改性

為了穩定納米顆粒，避免納米顆粒團聚[13]，使用PVP修飾CuO-NPs。首先將3 g PVP (CuO-NPs的15%，質量分數)加入到200 mL超純水中，電磁攪拌器在50 ℃條件下均勻攪拌5 min后加入20 g CuO-NPs，混合物在50 ℃下繼續攪拌30 min。將均勻混合的溶液移入離心管中，以9 000 r/min的轉速離心30 min，棄上清液，收集沉積物并將其置于烘箱中，在80℃下干燥1 h。最后，研磨并避光封存改性后的納米氧化銅粉末。

1.3.2 復合膜的制備

首先，將LLDPE粉末和CuO-NPs(質量比為40∶1和20∶1)在一個干凈的密封袋中混合，直到納米顆粒均勻地分布在LLDPE粉末中(當LLDPE與納米氧化銅顆粒混合物呈均勻的灰色粉末時，認為混合均勻)。將為4∶1的LDPE和LLDPE-CuO-NPs用雙螺桿擠出造粒機進行3次混合造粒。料筒一區至九區的溫度分別為150、155、165、165、175、175、165、165、155和150 ℃。主螺桿轉速為50.0 r/min，進給螺桿轉速為15.0 r/min。造粒完成后，使用小型流延膜實驗機制備LDPE/LLDPE-CuO-NPs雙層復合膜，一層為空白LDPE膜(無CuO-NPs)，另一層為LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜(0.5% CuO-NPs和1% CuO-NPs)，并分別命名為“0.5%CuO-film”“1%CuO-film”，而空白膜命名為“Blank film”。擠出區、合流區和模具的加工溫度分別為170、185和190 ℃。擠出機和包裝機的螺桿轉速分別為5.0和10.0 r/min。

1.3.3 復合膜中銅真實含量的測定

測定方法參照石玉杰等[14]的方法進行。

1.3.4 遷移研究

由于檸檬酸在許多果汁、飲料及果味食品中廣泛使用，則根據GB 5009.156—2016選擇5 g/L檸檬酸作為食品模擬物。膜的遷移試驗依照GB/T 23296.1—2009進行，LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜被制成有效遷移面積為6 cm × 10 cm的遷移袋(所取薄膜通過測量樣品四角和中心厚度，滿足厚度為(0.059±0.002) mm，且質量(0.67±0.01) g，盛有30 mL食品模擬物(即表面積-體積比為2 dm2食品接觸面積-100 mL食品模擬物)[15]，CuO-NPs復合層作為內層與食品模擬物接觸。

此外，為了研究UV照射對納米復合材料中CuO-NPs遷移的影響，將薄膜置于254 nm UV照射下1 h作為實驗組。樣品分別命名為0.5%CuO-C、0.5%CuO-UV、1%CuO-C和1%CuO-UV，其中“UV”表示UV照射，“C”表示對照組。

遷移試驗在70 ℃下進行，待達到特定的時間點后，快速收集模擬物，冷卻后無需前處理，直接用ICP-OES 測定遷移液中銅的濃度，每組3個平行。遷移實驗前，用無水乙醇擦拭干凈的棉花，以避免表面污染物的干擾。ICP-OES的工作參數依據LIU[16]的參數設置。遷移量按照公式(1)計算：

(1)

式中：Ci，ICP-OES法檢測食品模擬物中銅的質量濃度，μg/mL；V，為食品模擬物的體積，mL；A，材料與食品模擬物接觸面積，dm2。

值得注意的是，ICP-OES測定的結果為總的銅元素，即包括以各種形式存在的銅元素。

1.3.5 復合膜的表征

1.3.5.1 紅外光譜分析

在衰減全反射模式下獲得紅外光譜。每個光譜在透射模式下進行32次掃描，在400～4 000 cm-1范圍內分辨率為2 cm。

1.3.5.2 紫外-可見光光譜分析

利用紫外-可見分光光度計測定了LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜的紫外-可見光透過率，測量范圍為200～800 nm。

1.3.5.3 熱性能分析

采用DSC測定LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜的熔融溫度Tm和結晶度Xc的變化。取5～10 mg的樣品，裝入帶蓋鋁坩堝中，設備從25 ℃以10 ℃/min的升溫速率加熱至140 ℃，N2氣相流速為50 mL/min。為了得到遷移條件對薄膜的影響，記錄了第1次升溫曲線。結晶度的計算的比例融合加熱的樣品和100%結晶聚乙烯(ΔH100%)[17]。ΔH100%基于參考293 J/g[18]。

1.3.5.4 形貌分析

利用FE-SEM對改性CuO-NPs和LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜進行了形貌分析，以觀察納米氧化銅粒子的原始形態及遷移測試前后其在LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜中的分布。取大小約0.6 cm×0.6 cm，重約0.001 6 g的LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜來觀察復合膜表面；取遷移前后復合膜，用陶瓷剪刀截取斷面，觀察遷移前后納米氧化銅在截面上的分布情況。

1.3.6 數據處理

使用Origin Pro 9.1解釋數據。采用SPSS 20軟件進行統計分析，應用T檢驗，取95%置信度，即當P<0.05時2組數據存在顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 復合膜中納米氧化銅真實含量的測定

復合膜中CuO-NPs的初始濃度如表1所示(此處認為氧化銅與ICP-OES所測得的銅含量摩爾比為1∶1)。CuO-NPs的損失可能是由于它們在制造過程中附著在容器和機器上[19]。

表1 LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜中CuO納米粒子的初始濃度(n=3)Table 1 The initial concentration of CuO nanoparticles in LDPE/LLDPE-nano CuO composite films (n=3)

2.2 復合膜的表征

2.2.1 紅外光譜分析

由圖1可知，與空白膜相比，LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜的峰沒有發生位置變化，也沒有新的峰生成。紅外光譜圖中，717 cm-1處是C—H的搖擺彎曲振動峰；1 463 cm-1處是C—H鍵的變形振動峰；2 851 cm-1，2 919 cm-1分別為C—H鍵的對稱、不對稱伸縮振動峰[20]。這說明CuO-NPs的加入以及UV照射都沒有促使新的化學鍵生成。以Blank film的4個峰強度做參比，在統一基線后，分別將4種膜的對應峰強度與之作比，得到在不同條件下各個峰的相對強度變化，結果如圖1-b所示，當實驗組化學鍵振動強度大于空白組時，相對強度值大于1；反之，則小于1。由圖1-b可以看到，CuO-NPs的加入，使C—H的搖擺彎曲振動和變形振動減弱而使C—H鍵的對稱和不對稱伸縮振動增強；UV照射使C—H的搖擺彎曲振動、變形振動、對稱和不對稱伸縮振動均減弱，且UV照射后，1%CuO-film中4個特征峰的振動強度減弱程度更深，由此推斷UV照射破壞了聚乙烯分子鏈，使4種振動峰強度均減弱。

a-紅外光譜；b-主要吸收峰的相對強度比較圖1 遷移前CuO-NPs初始濃度和紫外輻照對LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜紅外光譜的影響Fig.1 Effects of initial concentration of CuO-NPs and UV irradiation on FTIR spectra of LDPE/LLDPE-nano CuO composite films before migration

2.2.2 紫外-可見光光譜分析

遷移前，LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜的紫外-可見光阻隔性比空白膜提高了10%～15%，其中CuO-NPs添加量為1%時，阻擋紫外線的能力更強(圖2)。SWARLP等[21]也發現因為CuO-NPs的存在，納米復合膜的紫外線阻隔性能提高。

圖2 遷移前納米氧化銅添加量對薄膜的紫外-可見透射率的影響Fig.2 UV-vis transmittance differences between films with different concentrations of CuO nanoparticles before migration

2.2.3 熱性能分析

如圖3所示，CuO-NPs的存在提高了聚乙烯基體的結晶度(Xc)，但2種納米氧化銅復合膜的Xc差異不顯著。另外，與空白膜相比，CuO-NPs的加入使LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜的熔融溫度略微升高。

圖3 空白膜和LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜的DSC分析Fig.3 DSC analysis of Blank film and LDPE/LLDPE-nano CuO composite films

2.2.4 形貌分析

FE-SEM圖像(圖4)顯示了改性CuO-NPs的形貌及其在薄膜表面的分布。由圖4-b可看到直徑約為40 nm的改性球形納米氧化銅顆粒團聚在一起，由圖4-c和圖4-d可以看出，1%CuO-film表面的CuO-NPs尺寸大于0.5%CuO-film表面的CuO-NPs尺寸。在材料制備過程中，由于納米尺寸小比表面積大的原因，難免會出現CuO-NPs聚集，添加濃度越高，聚集概率越大。

a-Blank film；b-改性CuO-NPs；c-0.5 %CuO-film；d-1%CuO-film圖4 FE-SEM電鏡圖Fig.4 FE-SEM micrographs

2.3 遷移結果

2.3.1 LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜中銅向5 g/L檸檬酸中的遷移

70 ℃ 下，LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜中銅向5 g/L檸檬酸中的遷移隨時間的變化如圖5所示。在未經過UV處理的情況下，24 h內銅的遷移量隨著時間的推移而增加，0.5%CuO-film中銅的遷移量比1%CuO-film中銅的遷移量多(P<0.05)。可以認為，薄膜表面尺寸較大的CuO團聚物需要更長的時間溶解成較小尺寸的NPs及銅離子一并進入到食品模擬物中，而小尺寸的CuO顆粒會更容易脫落至食品模擬物中[22]。在本實驗條件下，銅的遷移量是5.92～33.83 μg/dm2膜，對應0.99～5.64 μg/kg食物(按照GB 31604.1—2015，每6 dm2食品接觸材料對應1 kg食物)。

圖5 初始CuO濃度和UV預處理對LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜中銅向5 g/L檸檬酸釋放的影響 (70 ℃，n=3，曲線由冪函數方程擬合)Fig.5 Impacts of initial CuO concentrations and UV pretreatment on copper release from LDPE/LLDPE-nano CuO composite films in 5 g/L citric acid at 70 ℃ (n=3)fitted with power function

2.3.2 紫外處理對納米氧化銅復合膜中銅的遷移影響

紫外照射常用于食品或包裝材料殺菌。由圖5可以看出，UV預處理加速了銅的遷移。具體來說，UV照射后，1%CuO-film中銅的遷移量是0.5%CuO-film中遷移出的銅的2倍。其可能的原因是CuO-NPs可以促進LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜的光降解。當UV照射CuO-NPs時，促進活性氧(reactive oxygen species，ROS)的生成，ROS可以攻擊鄰近的聚合物鏈，形成以碳為中心的自由基，從而依次衍生出其他自由基和衍生物[23]，破壞高分子鏈，導致Xc的下降。隨著CuO-NPs含量的增加，產生的ROS增加，使聚乙烯基體的Xc降低，這意味著在基體內產生了更多的自由體積。HAN等[24]在對聚乙烯-納米黏土復合材料的研究中也得出了同樣的結論，即紫外線照射能夠改變LDPE薄膜的物理、結構和熱特性，從而誘導納米顆粒的釋放。

2.4 納米氧化銅遷移機理推斷

3 結論

納米復合膜上CuO-NPs和團聚體的尺寸和分布影響銅的遷移速度和遷移量。CuO-NPs會通過表面溶解、脫落，釋放到食品或食品模擬物中；薄膜表面的孔洞、缺陷以及聚合物內部的自由體積也可為食品模擬物提供了滲透到聚合物內部的通道，從而影響銅的釋放。LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜在紫外線和可見光阻隔方面表現出良好的性能，但CuO-NPs可以吸收UV并產生ROS，引起聚乙烯基體的光降解，進而促進銅的遷移。因此，在對納米氧化銅復合膜進行滅菌時，應優化紫外線照射的條件。與此同時，確保消費者安全的方法是將離子銅的釋放量控制在最低水平(即使在極端的使用條件下)，并排除CuO-NPs的釋放，因為目前CuO-NPs對人體的潛在毒性研究較少，仍需要引起警惕。

a1-遷移試驗前的0.5%CuO-film橫截面; b1-遷移試驗前的1%CuO-film橫截面; a2-24 h遷移試驗后的0.5%CuO-film橫截面(虛線表示空白層與納米氧化銅復合層的原始邊界); b2-24 h遷移試驗后的1%CuO-film橫截面(虛線表示空白層與納米氧化銅復合層的原始邊界); c-0.5%CuO-film的納米氧化銅復合層橫截面(方塊為納米復合膜表面到內層的部分通道);d-顯微照片0.5%CuO-film(方塊顯示顆粒附近的一個切口)圖6 FE-SEM電鏡圖Fig.6 FE-SEM micrographs

圖7 遷移后LDPE/LLDPE-納米氧化銅復合膜的紅外光譜圖Fig.7 FTIR spectra of LDPE/LLDPE-nano CuO composite films after migration