食品包裝紙中甲醛檢測平臺的構建與優化

趙甜甜，牟 冬，孫桂軍，姜 薇，孫玉華

（濰坊市產品質量檢驗所，山東濰坊 261031）

近年來，隨著食品多樣化的發展，食品包裝紙得到了廣泛應用，如干果等使用的牛皮紙和白卡紙、蛋糕等使用的硅油紙、糖果等使用的玻璃紙等，但這些紙產品在生產過程中使用的原紙、膠水和油墨等可能會引入甲醛[1]。甲醛是一種無色、有強烈刺激性氣味的氣體，嚴重威脅著人體的生命健康。甲醛可直接損傷人的口腔、咽喉和食道，長期接觸低濃度甲醛，會對人體的免疫系統、呼吸系統等造成損傷，使人體出現頭暈、乏力等中毒癥狀，甚至有致癌風險，所以測定食品包裝紙中的甲醛具有重要意義[2]。傳統的甲醛檢測方法包括分光光度法[3-4]、氣相色譜法[5-6]、液相色譜法[7-8]等，其中分光光度法受限于分光光度計的樣品室，不利于多樣品的同時快速檢測，而氣相色譜法和液相色譜法均需要大型昂貴的儀器，這都限制了這些方法的應用。

紙芯片是一種微流控芯片，因其具有成本低廉、操作簡單、不需要復雜的設備，以及其基底與其他化學或生物檢測物具有很好的兼容性等優點，已經在醫學診斷[9-10]、環境檢測[11-12]以及食品質量控制[13-14]等方面得到了廣泛應用。本文以紙芯片作為檢測平臺，在乙酸-乙酸銨緩沖體系中，甲醛與乙酰丙酮反應生成黃色物質，通過將生成物轉移到紙芯片上，干燥后拍照，用軟件獲取灰度值，建立了以紙芯片為平臺的食品包裝紙中甲醛的檢測方法。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

乙酸、正庚烷，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；乙酸銨、乙酰丙酮，分析純，天津市鑫鉑特化工有限公司；凡士林，天津博迪化工股份有限公司；甲醛溶液標準物質（10.3 mg·mL-1），中國計量科學標準研究院；石蠟，拼多多工品蠟業店；烷基烯酮二聚體，山東旺升新材料科技有限公司；超純水（18 MΩ·cm），所有的試劑均為現用現配。

烘箱，上海賀德實驗設備有限公司；數控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；電熱恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司；華為9XPRO手機（4 800萬像素）；1號定性濾紙，Whatman公司；繪圖模板，濟陽市宇一文具店。

1.2 實驗方法

1.2.1 紙芯片的構建

取一支普通的書寫用中性筆，吸除里面的墨水后將筆芯截斷，保留筆尖以上約2 cm部分，然后灌注疏水性溶液。將0.1 g凡士林和1.0 g烷基烯酮二聚體加入12.5 mL正庚烷中，超聲溶解后，將此混合液作為疏水性溶液。用注射器吸取0.05 mL疏水性溶液并注入改裝的筆中，以直徑為10 mm的孔板為模具，在Whatman#1濾紙上繪出圓形圖案，于100 ℃下烘干2 min。

1.2.2 乙酰丙酮溶液的配制

根據《食品安全國家標準 食品接觸材料及制品甲醛遷移量的測定》（GB 31604.48—2016）[15]中3.2.2方法配制乙酰丙酮溶液。稱取15.0 g無水乙酸銨溶于適量水中，移入100 mL容量瓶中，加40 μL乙酰丙酮和0.5 mL冰乙酸，用水定容至刻度，混勻。

1.2.3 甲醛標準溶液的配制

取0.97 mL甲醛溶液標準物質于100 mL水中，得到100 mg·L-1甲醛儲備液。使用時，分別用超純水將其稀釋成0 mg·L-1、1.0 mg·L-1、2.0 mg·L-1、3.0 mg·L-1、4.0 mg·L-1、5.0 mg·L-1和6.0 mg·L-1的甲醛標準溶液。

1.2.4 甲醛的檢測方法

（1）甲醛檢測原理。在乙酸-乙酸銨緩沖體系中，甲醛與乙酰丙酮反應會生成黃色化合物（3,5-二乙酰-1,4-二氫二甲基吡啶），該反應過程中顏色的變化程度與甲醛含量成正比[16]。

（2）甲醛的檢測方法。取兩個食品包裝紙樣品，根據《食品安全國家標準 食品接觸用紙和紙板材料及制品》（GB 4806.8—2016）[17]附錄A中A.5.3冷水提取方法提取甲醛，然后分別取5 mL樣品溶液和不同濃度的甲醛標準溶液于10 mL比色管中，分別加入5.0 mL乙酰丙酮溶液，蓋上瓶塞充分搖勻。將比色管于40 ℃水浴中放置30 min，取出后于室溫下冷卻，用移液器分別吸取5 μL反應后的溶液于紙芯片上，干燥2 min后用手機拍照，照片用ImageJ軟件處理后得到灰度值（顏色越深，灰度值越小）。以甲醛溶液濃度為橫坐標，以灰度值為縱坐標，用OriginPro軟件繪制標準曲線。

2 結果與分析

2.1 疏水溶質的選擇

紙芯片的疏水邊界是由疏水溶質負載在紙上滲透整張紙后固化形成的，實驗中選擇了石蠟和烷基烯酮二聚體兩種常用的疏水溶質，分別取相同質量的疏水溶質，溶解在正庚烷中，得到相同濃度的疏水性溶液，灌注在改裝筆中制作紙芯片。結果發現，兩種疏水溶質配制的疏水性溶液都能制作紙芯片，可以很好地將溶液限制在疏水邊界內。但是石蠟配制的疏水性溶液極易凝固，會出現堵塞改裝筆筆頭的現象，無法連續制作紙芯片；而烷基烯酮二聚體配制的疏水性溶液較穩定，未出現凝固堵塞筆頭的現象，所以本實驗選擇烷基烯酮二聚體作為疏水溶質。

此外，由于正庚烷的黏度較小，所以其在紙上的擴散速率較快，使紙芯片的疏水邊界寬度不一致，從而導致檢測面積不一致。為了降低正庚烷在紙上的擴散速度，使制作的紙芯片檢測面積一致，實驗時在正庚烷中加入了適量的凡士林，增大了溶液黏度，限制了疏水性溶液的擴散，保證了紙芯片檢測面積的一致。

2.2 轉移到紙芯片上的生成物體積的選擇

本實驗研究了轉移到紙芯片上的生成物體積對檢測結果的影響。將不同體積的甲醛標準溶液（5.0 mg·L-1）與乙酰丙酮反應后的生成物轉移到紙芯片上，干燥后拍照處理，結果如圖1所示。生成物體積為3～5 μL時，隨著體積的增大，灰度值逐漸減小；當生成物體積超過5 μL時，灰度值幾乎不再發生變化。這可能是因為轉移到紙芯片上的生成物體積太少時，生成物無法完全充滿整個檢測區域，檢測區域的平均顏色深度淺，灰度值大，而隨著體積的逐漸增大，檢測區域的顏色深度逐漸加深，灰度值逐漸減小。當轉移到紙芯片上的生成物充滿檢測區域后，檢測區域的平均顏色深度不再發生變化，因此灰度值不再變化。考慮到生成物體積對紙芯片的干燥時間也有影響，所以本實驗選擇轉移到紙芯片上的生成物體積為5 μL。

圖1 轉移到紙芯片上的生成物體積對檢測結果的影響（n=3）

2.3 干燥時間的選擇

將5 μL甲醛標準溶液（5.0 mg·L-1）與乙酰丙酮反應后的生成物轉移到紙芯片后，每隔30 s拍照，檢測區域的灰度值和干燥時間的關系如圖2所示。檢測區域的灰度值隨干燥時間的延長而增大，并在2.0 min后灰度值基本不再變化。這可能是因為生成物轉移到紙芯片后，水浸濕了檢測區域，拍照時本底顏色過深，灰度值偏小；隨著檢測區域的干燥，本底顏色逐漸變淺，灰度值變大，在2.0 min時已達到完全干燥，灰度值不再發生變化。由此確定干燥時間（拍照時間）為生成物轉移到紙芯片后2.0 min。

圖2 干燥時間對檢測結果的影響（n=3）

2.4 直接比色管拍照和轉移到紙芯片上拍照結果對比

取濃度為5.0 mg·L-1的甲醛標準溶液和乙酰丙酮進行反應，反應后的生成物在比色管中直接拍照，結果如圖3（a）所示；將5 μL生成物轉移到紙芯片，干燥后拍照，結果如圖3（b）所示。由圖可知，生成物在比色管中直接拍照后的灰度值非常不均勻，玻璃介質對光線的反射和折射等因素影響了拍照結果，使每個比色管中溶液在照片中所呈現的顏色強度不一致，導致灰度值不一致，標準差大（σ=8.58，n=10）。而在紙芯片上拍照則可以避免這個問題，灰度值均勻，標準差小（σ=2.05，n=10）。

圖3 反應后拍照結果對比圖

2.5 方法的回收率

為考察以紙芯片為檢測平臺方法的準確度，本文取濃度為5.0 mg·L-1甲醛溶液作為待測樣品，添加甲醛標準溶液使其理論濃度為6.0 mg·L-1和8.0 mg·L-1，然后測定加標后的濃度，計算加標回收率。由表1可知，方法的回收率為97.1%～108.0%，表明該方法準確可靠。

表1 添加不同濃度的甲醛溶液的回收率（n=3）

2.6 甲醛的測定

采用建立的紙芯片檢測平臺對甲醛進行了測定，標準曲線和檢測結果實物圖如圖4所示。可以看出，檢測區域的顏色隨著甲醛標準溶液濃度的增大而逐漸加深，灰度值逐漸減小。當甲醛濃度在0～6.0 mg·L-1時，檢測區域的灰度值與甲醛濃度呈良好的線性關系，線性方程為y=-13.152 3x+244.716 1，r=0.986 8，該方法的檢出限為0.18 mg·L-1（3σ/slope）。所測的兩個樣品中均未檢出甲醛（＜0.18 mg·L-1）,表明該方法適用于食品包裝紙中甲醛的檢測。

3 結論

本文以紙芯片作為檢測平臺，通過將反應生成物轉移到紙芯片上干燥后拍照，最后獲取灰度值的方法測定食品包裝紙中的甲醛。相比較其他的檢測平臺，本方法不需要昂貴的儀器設備，不需要復雜的操作步驟，并且可實現多個樣品的同時測定。