劉馨心，陳宗瑞，高振杰，袁明龍，江登榜，袁明偉

(云南民族大學(xué) 生物基材料綠色制備技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，云南 昆明 650504)

隨著對(duì)食品保存需求的增長(zhǎng)，納米材料包裝技術(shù)以其優(yōu)異的性能在食品包裝領(lǐng)域飛速發(fā)展[1-3].納米氧化鋅作為一種耐高溫性能極好的廣譜無(wú)機(jī)殺菌劑[4-6]，因其抗紫外線能力強(qiáng)、無(wú)細(xì)胞毒性、遷移率低、抗氧化性較好[7-8]、廉價(jià)易得等特性，在食品添加劑、食品包裝、橡膠制品等領(lǐng)域都有著廣泛的用途[9-11].同時(shí)，聚乳酸（PLA）出色的機(jī)械性能和生物相容性使其在食品包裝和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等受到了廣泛的關(guān)注[12]，但是PLA阻隔氣體和水分的性能較差，納米復(fù)合技術(shù)可以改善PLA的性能[13-14].然而，納米材料雖然性能優(yōu)異，但其安全隱患也需要引起重視[15-17]，大量的研究數(shù)據(jù)和食品安全性檢測(cè)評(píng)估報(bào)告結(jié)果顯示，納米材料內(nèi)的納米粒子存在向食物中遷移的動(dòng)力和趨勢(shì)[18-19].有關(guān)納米氧化鋅的生物毒性在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究較多[20-21]，而針對(duì)納米氧化鋅對(duì)食品包裝的安全性評(píng)價(jià)還較少.為探討對(duì)表面接枝聚乳酸（PLLA）的氧化石墨烯納米氧化鋅-聚乳酸/聚乳酸種類(lèi)復(fù)合薄膜（5%GO-ZnO-PLLA/PLLA）的安全性，本文采用全浸泡法對(duì)薄膜進(jìn)行浸泡遷移實(shí)驗(yàn)[22-23]，從食品模擬液種類(lèi)、溫度和接觸時(shí)間3個(gè)因素分別進(jìn)行遷移實(shí)驗(yàn)研究.利用原子吸收光譜分析，對(duì)試樣中的Zn2+做定量檢測(cè)以考察復(fù)合薄膜中納米氧化鋅的遷移量，探究規(guī)律并計(jì)算其顯著性.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑采用轉(zhuǎn)矩流變儀（XSS-300，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司）將復(fù)合材料制成薄膜；采用恒溫培養(yǎng)箱（HWS-80，北京中興偉業(yè)儀器有限公司）模擬食品包裝薄膜的應(yīng)用環(huán)境；Zn用原子吸收光譜儀（novAA400P，Analytik Jena AG，Jena，Germany）分析.

乙酸、正己烷、硝酸、高氯酸、乙酸鋅、1，4-二氧六環(huán)購(gòu)自富裕精細(xì)化工有限公司（天津）、科龍化工試劑有限公司（成都）或大茂化學(xué)試劑廠（天津）；納米氧化鋅（分析級(jí)，粒徑30 nm）和辛酸亞錫（分析級(jí)）購(gòu)自上海阿拉丁生化科技有限公司（中國(guó)上海）；氧化石墨烯（分析級(jí)）購(gòu)自蘇州富碳石墨烯科技有限公司（蘇州），規(guī)格：純度約99%，厚度0.6～1.0 nm，直徑0.5～5 μm，1～2層，比表面積1 000～1 217 m2·g-1；L-丙交酯（分析級(jí)，4032D級(jí)）由美國(guó)NatureWorks公司PURAC提供.

1.2 薄膜樣品制備及處理按照文獻(xiàn)[23]的步驟自制5%的GO-ZnO-PLLA/PLLA復(fù)合薄膜，將制備好的GO-ZnO-PLLA/PLLA復(fù)合薄膜裁剪成4 cm×4 cm的正方形，用蒸餾水進(jìn)行洗滌后真空干燥后備用.

1.3 食品遷移測(cè)試本實(shí)驗(yàn)按照美國(guó)FDA制定的關(guān)于遷移浸泡的標(biāo)準(zhǔn)“每4 g復(fù)合薄膜試樣中準(zhǔn)確加入50 mL食品浸泡模擬液”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).即準(zhǔn)確稱(chēng)取4 g樣品置于100 mL錐形瓶中，分別加入50 mL超純水、正己院、4%的乙酸3類(lèi)浸泡模擬液做浸泡處理，浸泡時(shí)用錫紙密封進(jìn)行避光處理，置于70 ℃條件下恒溫反應(yīng)2 h，反應(yīng)結(jié)束后分別將其轉(zhuǎn)移至30、45、60 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行浸泡，反應(yīng)時(shí)間分別為3、5、7 d及10 d.

1.4 鋅標(biāo)準(zhǔn)液的配制用移液槍準(zhǔn)確移取1 000 μg·mL-1的鋅單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液0.1 mL至燒杯中，用5%的硝酸溶液（體積分?jǐn)?shù)）進(jìn)行稀釋?zhuān)?00 mL容量瓶定容，即得質(zhì)量濃度為1 μg·mL-1的鋅標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，放入冰箱冷藏備用.

1.5 原 子 吸 收 分 析稱(chēng) 取0.200 0 g遷 移 前 的5%GO-ZnO-PLLA/PLLA復(fù)合膜初始樣品，進(jìn)行微波消解，將消解液定容稀釋至50 mL，利用原子吸收光譜儀(AAS)對(duì)復(fù)合膜的ZnO進(jìn)行定量檢測(cè).

在浸泡遷移實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出薄膜，在電磁爐上蒸干食品模擬液，提取出固體遷移物，用配制好的5%的硝酸再次溶解并定容到50 mL.用原子吸收光譜設(shè)備(AAS)對(duì)試樣中的Zn2+做定量檢測(cè)，分析復(fù)合薄膜中Zn2+的遷移量.

1.6 電鏡分析將在3種食物模擬液中浸泡10 d后的復(fù)合膜取出后烘干，干燥后制樣，噴金，進(jìn)行掃描電鏡分析.

1.7 水汽透過(guò)率測(cè)試水蒸氣透過(guò)率是食品包裝材料中非常重要的一項(xiàng)指標(biāo).復(fù)合薄膜具有一定的阻隔性能，可以減少外界環(huán)境與食品之間水蒸氣的傳輸[24].本文采用ASTM E96-95的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合膜的水汽透過(guò)率進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)每個(gè)膜樣品平行測(cè)試5次，取平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 5%GO-ZnO-PLLA/PLLA復(fù) 合 薄 膜 的 原 子吸收測(cè)試分析利用原子吸收光譜測(cè)得初始膜材料中Zn元素質(zhì)量濃度為12.4 mg·L-1，則初始復(fù)合薄 膜 的 包 埋 量 為12.4 mg·L-1.與 理 論 計(jì) 算 出 的GO-ZnO-PLLA/PLLA復(fù)合薄膜中氧化鋅質(zhì)量濃度為12 mg·L-1相一致，同時(shí)證明了參與聚合的GO-ZnO的用量0.5%，接枝率為60.2%.

2.2 食物模擬液在納米氧化鋅遷移中的影響本實(shí)驗(yàn)選擇的超純水、4%乙酸和正己烷3種食品模擬液分別代表水性物質(zhì)、酸性物質(zhì)及油性食物.由圖1可知，隨著浸泡時(shí)間的增加納米氧化鋅的遷移率均呈顯著上升趨勢(shì)（p<0.05），且隨著遷移時(shí)間的增加，ZnO的遷移速率逐漸增大，且溫度越高ZnO的遷移量越大.在相同溫度相同浸泡時(shí)間下，正己烷中的納米氧化鋅的遷移速率明顯大于4%乙酸，水的遷移量最低.遷移率比對(duì)結(jié)果總結(jié)如下：正己烷>4%乙酸>超純水，即油性物質(zhì)>酸性物質(zhì)>水性物質(zhì).

圖1 食物模擬液對(duì)納米氧化鋅遷移的影響Fig.1 Effect of food simulants on migration of ZnO nanoparticles

在這個(gè)遷移反應(yīng)中，食品包裝膜本身就屬于有機(jī)物質(zhì)，根據(jù)相似相溶的原理，納米ZnO遷移到正己烷類(lèi)油性物質(zhì)中的趨勢(shì)更大.4%醋酸溶液在浸泡食品包裝膜的過(guò)程中創(chuàng)造了一個(gè)酸性環(huán)境，對(duì)鋅離子有一定的溶融作用，從而導(dǎo)致鋅離子的釋放，增大了氧化鋅的遷移量.純水幾乎不與ZnO和食品包裝膜發(fā)生反應(yīng)，故遷移的速率最慢，產(chǎn)生遷移的概率最低.

2.3 溫度對(duì)納米氧化鋅遷移的影響實(shí)驗(yàn)選定30、45 ℃及60 ℃ 3個(gè)溫度來(lái)研究溫度對(duì)納米氧化鋅遷移的影響，由圖2溫度對(duì)納米氧化鋅的影響中可看出：在同種食品模擬液和同等浸泡時(shí)間下，納米氧化鋅的遷移量隨溫度的升高而呈顯著上升的趨勢(shì)（p<0.05）.隨著溫度的升高，納米氧化鋅的遷移量和遷移速率都有所升高.在60 ℃時(shí)，純水5 d的遷移量等同于純水在45 ℃下10 d的遷移量，即在60 ℃的環(huán)境下，純水和正己烷溶液中納米氧化鋅都有提前遷移的趨勢(shì).綜上所述，溫度對(duì)納米ZnO的遷移影響較大，且溫度越高，納米氧化鋅的遷移量越大.

圖2 溫度對(duì)納米氧化鋅遷移的影響Fig.2 Influence of temperature on the migration of nano-zinc oxide

2.4 浸泡時(shí)間對(duì)納米氧化鋅遷移的影響實(shí)驗(yàn)設(shè)定分別在浸泡3、5、7、10 d時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行遷移浸泡實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試.結(jié)合圖1和圖2可知：在同種食品浸泡模擬液中，當(dāng)溫度相同時(shí)，浸泡的時(shí)間越長(zhǎng)則納米氧化鋅遷移的數(shù)量越多.隨著浸泡時(shí)間的增加，食物模擬液破壞膜結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)會(huì)不斷增大，導(dǎo)致納米氧化鋅向食品模擬液的遷移量變大.故時(shí)間也是納米氧化鋅遷移的重要因素，即浸泡的時(shí)間越久，納米氧化鋅的遷移量越大.

2.5 復(fù)合薄膜在不同模擬液下浸泡后微觀截?cái)嗝鎾呙桦婄R圖從圖3中的電鏡圖可知，浸泡遷移前復(fù)合薄膜截?cái)嗝娼Y(jié)構(gòu)（a）相對(duì)平整，在60 ℃中浸泡10 d后，復(fù)合薄膜在純水中的結(jié)構(gòu)（b）、在4%乙酸中的斷面結(jié)構(gòu)（c）和在正己烷中的斷面結(jié)構(gòu)（d）粗糙程度越來(lái)越明顯.這是由于GO-ZnO納米粒子嵌入在聚乳酸基質(zhì)當(dāng)中，納米氧化鋅粒子的小尺寸效應(yīng)與表面效應(yīng)子的存在使其產(chǎn)生靜電結(jié)合，使聚乳酸形成微孔.如前文所述，納米粒子的遷移量油性物質(zhì)>酸性物質(zhì)>水性物質(zhì)，所以粗糙度越來(lái)越大.模擬液的不同，會(huì)導(dǎo)致納米粒子在聚乳酸當(dāng)中聚集，形成團(tuán)簇，導(dǎo)致微孔變大，這種現(xiàn)象與文獻(xiàn)報(bào)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[25-26].

同時(shí)，通過(guò)對(duì)比3種不同模擬液的微觀截?cái)嗝娼Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：復(fù)合膜的微觀截?cái)嗝娼Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的褶皺現(xiàn)象，粗糙程度變大，這是由于在遷移過(guò)程中，不僅食品模擬液會(huì)遷移到復(fù)合膜體系，納米粒子也會(huì)遷入到GO-ZnO-PLLA/PLLA復(fù)合膜體系中，這種遷入與遷出會(huì)導(dǎo)致聚乳酸內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，結(jié)晶度降低.

圖3 復(fù)合薄膜的電鏡圖Fig.3 SEM images of the composite films.

2.6 不同遷移浸泡階段復(fù)合膜的水蒸氣透過(guò)性測(cè)試（WVP）由表1可以看出，在不同的浸泡時(shí)間、不同的模擬液環(huán)境中，水蒸氣透過(guò)量有所增加.7 d后，油性模擬液水汽透過(guò)率顯著高于水性和酸性模擬液（p<0.05）.這種現(xiàn)象是由于聚乳酸基質(zhì)加入一定量納米GO-ZnO粒子后，納米粒子會(huì)增加水蒸氣出入復(fù)合薄膜膜材料的路徑，導(dǎo)致水蒸氣透過(guò)率降低[27].Marra等也制備了納米氧化鋅與聚乳酸混合的新型復(fù)合膜材料，并得出水蒸氣透過(guò)率隨著納米粒子含量的增加先升高后降低的結(jié)果[28].用GO-ZnO-PLLA改性的聚乳酸薄膜在浸泡后，納米粒子出現(xiàn)一定的遷移.隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，遷移的粒子數(shù)量增加，到一定量后納米粒子被嵌入到聚乳酸薄膜基質(zhì)材料中，并出現(xiàn)部分團(tuán)聚的現(xiàn)象.團(tuán)聚導(dǎo)致薄膜產(chǎn)生一些微孔，水蒸氣可以通過(guò)微孔出入于包裝材料內(nèi)部及外界環(huán)境，導(dǎo)致水蒸氣透過(guò)率再次增高.由于復(fù)合薄膜大分子自身分子鏈間的作用力加強(qiáng)，出現(xiàn)鏈段收縮聚攏，導(dǎo)致復(fù)合膜內(nèi)部晶度降低，出現(xiàn)一些微孔，使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，最終導(dǎo)致水蒸氣阻隔性能降低，使水蒸氣容易出入復(fù)合膜內(nèi)部與外界環(huán)境之間.其中，酸性模擬液下的納米粒遷移量更大，所以水蒸氣透過(guò)率更高，說(shuō)明阻隔性變差.油性模擬液遷移量最大，阻隔性最差.

表1 在60 ℃下不同遷移浸泡階段復(fù)合膜的水蒸氣透過(guò)性能參數(shù)Tab.1 WVP of composite membranes at different migration and immersion stages at 60 ℃

3 結(jié)論

通過(guò)浸泡遷移實(shí)驗(yàn)可知，模擬液種類(lèi)、溫度、浸泡時(shí)間3種條件對(duì)5%GO-ZnO-PLLA/PLLA的薄膜的納米氧化鋅遷移量有一定影響.用超純水、4%乙酸和正己烷3種溶液分別模擬水、酸性食物及油性食物，其中，油性環(huán)境的遷移量>酸性環(huán)境的遷移量>純水環(huán)境的遷移量.隨著溫度和浸泡時(shí)間的提升，納米ZnO的遷移量逐漸上升.實(shí)驗(yàn)表明，GO-ZnO-PLLA/PLLA復(fù)合薄膜材料在浸泡前，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻、緊密，浸泡后復(fù)合膜在浸泡遷移后表面結(jié)構(gòu)變得粗糙，出現(xiàn)了明顯的褶皺.在60 ℃，復(fù)合膜浸泡后的水蒸氣透過(guò)性增加，阻隔性降低.實(shí)驗(yàn)顯著性較好，有一定的參考意義.