低密度聚乙烯/线性低密度聚乙烯-纳米氧化铜复合膜中铜向柠檬酸溶液的迁移研究

王琦，胡长鹰,2*，肖前

1(暨南大学包装工程研究所，广东 珠海， 519070)2(暨南大学 食品科学与工程系，广东 广州， 510632)3(广州海关技术中心，广东 广州， 510623)

低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)和线性低密度聚乙烯(linear low density polyethylene，LLDPE)因其价格低廉、可回收，具有良好的化学稳定性而被广泛应用于食品包装中，两者复合既可提高LDPE的机械性能，又可改善其加工性能[1]。此外，为满足某些产品更高的使用及储存需要，功能性增强助剂被加入包装材料中以改善其相关性能。有研究表明，纳米氧化铜(CuO nanoparticles，CuO-NPs)作为一种经济实惠的纳米材料，可以为包装基材提供更好的阻隔、机械和广谱抗菌性能[2-7]，同时当迁移出的铜元素在安全范围内，且存在形式对人体无害时，亦可为人体提供人体所需的微量元素铜。但是当CuO-NPs以纳米形式迁移并存在于食品中时，纳米颗粒会对人体健康存在潜在危害[8-9]。目前还没有标准对CuO-NPs的安全使用量及特定迁移量等做出限制，因此需要积累相关的迁移及安全评估实验数据库，进而总结出CuO-NPs的迁移规律和安全使用范围[10]。DUNCAN等[11-12]提出了4D工程纳米材料释放途径，包括脱附、扩散、溶解和基质降解。此外，在包装产品的生命周期中，包装会不可避免地受到辐射(例如紫外线、可见光和微波)和加热条件的影响，因此，了解这些因素对纳米颗粒迁移的影响同样重要。本实验的目的是研究纳米氧化铜添加量、紫外辐照(UV)对CuO-NPs迁移行为的影响，探究在一定条件下CuO-NPs从纳米复合膜向5 g/L柠檬酸的释放途径，解释LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜的结构变化与CuO-NPs迁移的关系。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

LDPE母粒(MFI：2 g/10min；密度：0.920 g/cm3；熔点：112 ℃)，陶氏杜邦有限责任公司；LLDPE粉末(MFI：8 g/10min；密度：0.918 g/cm3)，中国石化茂名石化有限公司；纳米氧化铜粉(平均粒径40 nm，球形，99%)，上海麦克林生化科技有限公司；65%浓HNO3(优级纯)，广州化学试剂厂；30%H2O2(优级纯)，广州化学试剂厂；一级水(18.2 MΩ/cm)由MILLIPORE 纯水系统制得；铜标准溶液(1 000 μg/mL)，阿拉丁试剂上海有限公司；无水乙醇(分析纯)，广州化学试剂厂；一水合柠檬酸(优级纯)，阿拉丁试剂上海有限公司；聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone，PVP，MW: 40 000)，北京索莱宝科技有限公司。

1.2 仪器与设备

MEDU-22/40型双螺杆挤出造粒机，广州市普同实验分析仪器有限公司；小型流延膜实验机，佛山市金中河机械有限公司；ETHOS One微波消解系统，意大利莱伯泰科迈尔斯通仪器有限公司；KMS-181E型加热恒温磁力搅拌器，精凿科技(上海)有限公司；平面袋真空保鲜机V5，深圳瑞朗克斯科技有限公司；GZX-9240MBE型电热鼓风干燥箱，上海博迅实业有限公司医疗设备厂；Agilent 5100 型电感耦合等离子体发射光谱仪(inductive coupled plasmaoptical emission spectromety，ICP-OES)，安捷伦科技有限公司；电子天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；ULTER55 型场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)，德国Zeiss Jena Carl公司；VERTEX 70型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，德国布鲁克公司；DSC1型差示扫描量热仪(DSC)，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；Evolution 201型紫外-可见光光谱仪，美国Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 实验方法

1.3.1 纳米氧化铜的改性

为了稳定纳米颗粒，避免纳米颗粒团聚[13]，使用PVP修饰CuO-NPs。首先将3 g PVP (CuO-NPs的15%，质量分数)加入到200 mL超纯水中，电磁搅拌器在50 ℃条件下均匀搅拌5 min后加入20 g CuO-NPs，混合物在50 ℃下继续搅拌30 min。将均匀混合的溶液移入离心管中，以9 000 r/min的转速离心30 min，弃上清液，收集沉积物并将其置于烘箱中，在80℃下干燥1 h。最后，研磨并避光封存改性后的纳米氧化铜粉末。

1.3.2 复合膜的制备

首先，将LLDPE粉末和CuO-NPs(质量比为40∶1和20∶1)在一个干净的密封袋中混合，直到纳米颗粒均匀地分布在LLDPE粉末中(当LLDPE与纳米氧化铜颗粒混合物呈均匀的灰色粉末时，认为混合均匀)。将为4∶1的LDPE和LLDPE-CuO-NPs用双螺杆挤出造粒机进行3次混合造粒。料筒一区至九区的温度分别为150、155、165、165、175、175、165、165、155和150 ℃。主螺杆转速为50.0 r/min，进给螺杆转速为15.0 r/min。造粒完成后，使用小型流延膜实验机制备LDPE/LLDPE-CuO-NPs双层复合膜，一层为空白LDPE膜(无CuO-NPs)，另一层为LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜(0.5% CuO-NPs和1% CuO-NPs)，并分别命名为“0.5%CuO-film”“1%CuO-film”，而空白膜命名为“Blank film”。挤出区、合流区和模具的加工温度分别为170、185和190 ℃。挤出机和包装机的螺杆转速分别为5.0和10.0 r/min。

1.3.3 复合膜中铜真实含量的测定

测定方法参照石玉杰等[14]的方法进行。

1.3.4 迁移研究

由于柠檬酸在许多果汁、饮料及果味食品中广泛使用，则根据GB 5009.156—2016选择5 g/L柠檬酸作为食品模拟物。膜的迁移试验依照GB/T 23296.1—2009进行，LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜被制成有效迁移面积为6 cm × 10 cm的迁移袋(所取薄膜通过测量样品四角和中心厚度，满足厚度为(0.059±0.002) mm，且质量(0.67±0.01) g，盛有30 mL食品模拟物(即表面积-体积比为2 dm2食品接触面积-100 mL食品模拟物)[15]，CuO-NPs复合层作为内层与食品模拟物接触。

此外，为了研究UV照射对纳米复合材料中CuO-NPs迁移的影响，将薄膜置于254 nm UV照射下1 h作为实验组。样品分别命名为0.5%CuO-C、0.5%CuO-UV、1%CuO-C和1%CuO-UV，其中“UV”表示UV照射，“C”表示对照组。

迁移试验在70 ℃下进行，待达到特定的时间点后，快速收集模拟物，冷却后无需前处理，直接用ICP-OES 测定迁移液中铜的浓度，每组3个平行。迁移实验前，用无水乙醇擦拭干净的棉花，以避免表面污染物的干扰。ICP-OES的工作参数依据LIU[16]的参数设置。迁移量按照公式(1)计算：

(1)

式中：Ci，ICP-OES法检测食品模拟物中铜的质量浓度，μg/mL；V，为食品模拟物的体积，mL；A，材料与食品模拟物接触面积，dm2。

值得注意的是，ICP-OES测定的结果为总的铜元素，即包括以各种形式存在的铜元素。

1.3.5 复合膜的表征

1.3.5.1 红外光谱分析

在衰减全反射模式下获得红外光谱。每个光谱在透射模式下进行32次扫描，在400～4 000 cm-1范围内分辨率为2 cm。

1.3.5.2 紫外-可见光光谱分析

利用紫外-可见分光光度计测定了LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜的紫外-可见光透过率，测量范围为200～800 nm。

1.3.5.3 热性能分析

采用DSC测定LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜的熔融温度Tm和结晶度Xc的变化。取5～10 mg的样品，装入带盖铝坩埚中，设备从25 ℃以10 ℃/min的升温速率加热至140 ℃，N2气相流速为50 mL/min。为了得到迁移条件对薄膜的影响，记录了第1次升温曲线。结晶度的计算的比例融合加热的样品和100%结晶聚乙烯(ΔH100%)[17]。ΔH100%基于参考293 J/g[18]。

1.3.5.4 形貌分析

利用FE-SEM对改性CuO-NPs和LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜进行了形貌分析，以观察纳米氧化铜粒子的原始形态及迁移测试前后其在LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜中的分布。取大小约0.6 cm×0.6 cm，重约0.001 6 g的LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜来观察复合膜表面；取迁移前后复合膜，用陶瓷剪刀截取断面，观察迁移前后纳米氧化铜在截面上的分布情况。

1.3.6 数据处理

使用Origin Pro 9.1解释数据。采用SPSS 20软件进行统计分析，应用T检验，取95%置信度，即当P<0.05时2组数据存在显著性差异。

2 结果与分析

2.1 复合膜中纳米氧化铜真实含量的测定

复合膜中CuO-NPs的初始浓度如表1所示(此处认为氧化铜与ICP-OES所测得的铜含量摩尔比为1∶1)。CuO-NPs的损失可能是由于它们在制造过程中附着在容器和机器上[19]。

表1 LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜中CuO纳米粒子的初始浓度(n=3)Table 1 The initial concentration of CuO nanoparticles in LDPE/LLDPE-nano CuO composite films (n=3)

2.2 复合膜的表征

2.2.1 红外光谱分析

由图1可知，与空白膜相比，LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜的峰没有发生位置变化，也没有新的峰生成。红外光谱图中，717 cm-1处是C—H的摇摆弯曲振动峰；1 463 cm-1处是C—H键的变形振动峰；2 851 cm-1，2 919 cm-1分别为C—H键的对称、不对称伸缩振动峰[20]。这说明CuO-NPs的加入以及UV照射都没有促使新的化学键生成。以Blank film的4个峰强度做参比，在统一基线后，分别将4种膜的对应峰强度与之作比，得到在不同条件下各个峰的相对强度变化，结果如图1-b所示，当实验组化学键振动强度大于空白组时，相对强度值大于1；反之，则小于1。由图1-b可以看到，CuO-NPs的加入，使C—H的摇摆弯曲振动和变形振动减弱而使C—H键的对称和不对称伸缩振动增强；UV照射使C—H的摇摆弯曲振动、变形振动、对称和不对称伸缩振动均减弱，且UV照射后，1%CuO-film中4个特征峰的振动强度减弱程度更深，由此推断UV照射破坏了聚乙烯分子链，使4种振动峰强度均减弱。

a-红外光谱；b-主要吸收峰的相对强度比较图1 迁移前CuO-NPs初始浓度和紫外辐照对LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜红外光谱的影响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-可见光光谱分析

迁移前，LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜的紫外-可见光阻隔性比空白膜提高了10%～15%，其中CuO-NPs添加量为1%时，阻挡紫外线的能力更强(图2)。SWARLP等[21]也发现因为CuO-NPs的存在，纳米复合膜的紫外线阻隔性能提高。

图2 迁移前纳米氧化铜添加量对薄膜的紫外-可见透射率的影响Fig.2 UV-vis transmittance differences between films with different concentrations of CuO nanoparticles before migration

2.2.3 热性能分析

如图3所示，CuO-NPs的存在提高了聚乙烯基体的结晶度(Xc)，但2种纳米氧化铜复合膜的Xc差异不显著。另外，与空白膜相比，CuO-NPs的加入使LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜的熔融温度略微升高。

图3 空白膜和LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜的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图像(图4)显示了改性CuO-NPs的形貌及其在薄膜表面的分布。由图4-b可看到直径约为40 nm的改性球形纳米氧化铜颗粒团聚在一起，由图4-c和图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。在材料制备过程中，由于纳米尺寸小比表面积大的原因，难免会出现CuO-NPs聚集，添加浓度越高，聚集概率越大。

a-Blank film；b-改性CuO-NPs；c-0.5 %CuO-film；d-1%CuO-film图4 FE-SEM电镜图Fig.4 FE-SEM micrographs

2.3 迁移结果

2.3.1 LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜中铜向5 g/L柠檬酸中的迁移

70 ℃ 下，LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜中铜向5 g/L柠檬酸中的迁移随时间的变化如图5所示。在未经过UV处理的情况下，24 h内铜的迁移量随着时间的推移而增加，0.5%CuO-film中铜的迁移量比1%CuO-film中铜的迁移量多(P<0.05)。可以认为，薄膜表面尺寸较大的CuO团聚物需要更长的时间溶解成较小尺寸的NPs及铜离子一并进入到食品模拟物中，而小尺寸的CuO颗粒会更容易脱落至食品模拟物中[22]。在本实验条件下，铜的迁移量是5.92～33.83 μg/dm2膜，对应0.99～5.64 μg/kg食物(按照GB 31604.1—2015，每6 dm2食品接触材料对应1 kg食物)。

图5 初始CuO浓度和UV预处理对LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜中铜向5 g/L柠檬酸释放的影响 (70 ℃，n=3，曲线由幂函数方程拟合)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 紫外处理对纳米氧化铜复合膜中铜的迁移影响

紫外照射常用于食品或包装材料杀菌。由图5可以看出，UV预处理加速了铜的迁移。具体来说，UV照射后，1%CuO-film中铜的迁移量是0.5%CuO-film中迁移出的铜的2倍。其可能的原因是CuO-NPs可以促进LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜的光降解。当UV照射CuO-NPs时，促进活性氧(reactive oxygen species，ROS)的生成，ROS可以攻击邻近的聚合物链，形成以碳为中心的自由基，从而依次衍生出其他自由基和衍生物[23]，破坏高分子链，导致Xc的下降。随着CuO-NPs含量的增加，产生的ROS增加，使聚乙烯基体的Xc降低，这意味着在基体内产生了更多的自由体积。HAN等[24]在对聚乙烯-纳米黏土复合材料的研究中也得出了同样的结论，即紫外线照射能够改变LDPE薄膜的物理、结构和热特性，从而诱导纳米颗粒的释放。

2.4 纳米氧化铜迁移机理推断

3 结论

纳米复合膜上CuO-NPs和团聚体的尺寸和分布影响铜的迁移速度和迁移量。CuO-NPs会通过表面溶解、脱落，释放到食品或食品模拟物中；薄膜表面的孔洞、缺陷以及聚合物内部的自由体积也可为食品模拟物提供了渗透到聚合物内部的通道，从而影响铜的释放。LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜在紫外线和可见光阻隔方面表现出良好的性能，但CuO-NPs可以吸收UV并产生ROS，引起聚乙烯基体的光降解，进而促进铜的迁移。因此，在对纳米氧化铜复合膜进行灭菌时，应优化紫外线照射的条件。与此同时，确保消费者安全的方法是将离子铜的释放量控制在最低水平(即使在极端的使用条件下)，并排除CuO-NPs的释放，因为目前CuO-NPs对人体的潜在毒性研究较少，仍需要引起警惕。

a1-迁移试验前的0.5%CuO-film横截面; b1-迁移试验前的1%CuO-film横截面; a2-24 h迁移试验后的0.5%CuO-film横截面(虚线表示空白层与纳米氧化铜复合层的原始边界); b2-24 h迁移试验后的1%CuO-film横截面(虚线表示空白层与纳米氧化铜复合层的原始边界); c-0.5%CuO-film的纳米氧化铜复合层横截面(方块为纳米复合膜表面到内层的部分通道);d-显微照片0.5%CuO-film(方块显示颗粒附近的一个切口)图6 FE-SEM电镜图Fig.6 FE-SEM micrographs

图7 迁移后LDPE/LLDPE-纳米氧化铜复合膜的红外光谱图Fig.7 FTIR spectra of LDPE/LLDPE-nano CuO composite films after migration