活性塑料瓶蓋中抗氧劑的特定遷移與模擬遷移對比研究

任紀州 張珍紅 林勤保 汪鈺文 李 忠

1.武漢輕工大學機械工程學院湖北 武漢 430023

2.暨南大學包裝工程研究所廣東 珠海 519070

3.珠海拱北海關技術中心廣東 珠海 519020

1 研究背景

高密度聚乙烯（high density polyethylene，HDPE）傳熱性能好，具有較短的成型周期，被廣泛應用于塑料瓶單件蓋和封口的制造[1-2]。近年來，為滿足消費者對食品安全更高的需求，活性包裝等新型食品保存技術迅猛發(fā)展。例如為防止氧氣對敏感食品的氧化，采用加入抗氧化劑的抗氧化活性包裝，是當前主要抗氧技術之一[3-5]。

在食品行業(yè)中，丁基羥基茴香醚（butyl hydroxyanisole，BHA）和2, 6-二叔丁基對甲酚（butylated hydroxytoluene，BHT）是目前使用最為廣泛的兩種酚類抗氧化劑[6]。迄今為止，國內外有許多研究人員采用BHA和BHT制備塑料膜，并研究其抗氧化性與抗氧化劑的遷移特性[3,7-9]；而對于該類抗氧化劑在HDPE瓶蓋中的使用及遷移方面的研究甚少。

通?？寡趸瘎┻w移到食品中，可產生一定的毒性，BHA、BHT的遷移有致癌的風險。GB 9685—2016《食品安全國家標準 食品接觸材料及制品用添加劑使用標準》[10]和歐盟法規(guī)NO10/2011對食品接觸用添加劑種類、最大使用量和特定遷移量均有明確規(guī)定。

遷移實際上是指化學物從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的傳質過程，該過程極易受包裝中化學物含量、材料厚度、溫度和時間等因素的影響[11-13]，通常用菲克（Fick）擴散定律[14]描述。用傳統(tǒng)的遷移實驗來評估抗氧化性瓶蓋的安全性，具有過程繁瑣、耗時長、費用高等缺點；而采用模擬遷移試驗更加便捷、低耗。

美國與歐盟已開始廣泛使用數學模型模擬遷移實驗，為滿足實際使用還專門設計了界面友好的模擬軟件，例如法國的AKTS-SML軟件、瑞士的EXDIF軟件和德國Migratest Lite軟件等。其中，AKTS-SML軟件具有豐富的聚合物和添加劑種類，可模擬多種包裝材料結構，應用范圍較廣，但其分配系數的數學模型較少而難以適應不同條件[12]。A.O’Brien等[15-16]使用Migratest Lite軟件中的Piringer遷移模型，預測在各種塑料包裝中助劑向橄欖油的遷移量，發(fā)現95%的結果超過實際遷移值；同時又對比分析了的Migratest Lite軟件中Piringer模型和FDA模型對HDPE瓶中添加劑的遷移；丁從陽等[12]用AKTS-SML軟件，預測了5種塑料薄膜中有機助劑向脂肪食品模擬液的遷移，均驗證了遷移軟件的適用性。

本文先制備抗氧化活性瓶蓋，再對其進行遷移實驗和模擬遷移實驗，研究抗氧化劑的遷移規(guī)律，以及用數學模擬代替具體化學實驗的可行性。

2 實驗

2.1 實驗材料、試劑與儀器設備

2.1.1 材料與試劑

丁基羥基茴香醚（BHA），純度為98%，上海麥克林股份有限公司。2, 6-二叔丁基對甲酚（BHT），色譜純，純度大于99.0%，上海麥克林股份有限公司。色母粒（白），牌號為R41411A，東莞金富科技有限公司。高密度聚乙烯（HDPE），牌號為2200JP，中國石油化工股份有限公司茂名分公司。甲醇，色譜純，純度大于99.9%，上海麥克林股份有限公司。乙醇，高效液相色譜純，純度大于99.8%，上海麥克林股份有限公司。無水甲酸，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司。乙腈，色譜純，上海麥克林股份有限公司。乙酸乙酯，色譜純，純度為99.9%，阿拉丁試劑（上海）股份有限公司。

2.1.2 儀器與設備

雙螺桿造粒實驗線，MEDU-22/40，廣州市普同實驗分析儀器有限公司。注塑機，HTF60W2-II，東莞東華機械有限公司。電熱鼓風干燥箱，GZX-9420MBE，上海博訊實業(yè)有限公司。超純水器，EPED-10TS，南京易普達科技發(fā)展有限公司。Agilent In finityLab LC/MSD單四極桿HPLC-MS，安捷倫科技（中國）有限公司。樣品自動濃縮工作站，Turbo VAP Ⅱ，美國Caliper公司。AKTS-SML軟件，Advanced Version 5.231，法國凱璞公司。

2.2 實驗方法

將自制抗氧化性瓶蓋進行遷移實驗和模擬遷移實驗，再將二者的實驗數據進行對比，以評估模擬的準確性。模擬遷移實驗采用AKTS-SML軟件，并將瓶蓋簡化為平板結構。對比實驗具體流程如圖1所示。

圖1 對比實驗流程圖Fig.1 Comparative experimental flow chart

2.2.1 瓶蓋樣品制備

1）用雙螺桿擠出機制備出復合材料母粒。擠出時各段擠出溫度分別為160, 165, 165, 170, 175, 175,175, 175 ℃，進料速度為10 r/min，螺桿轉速為30 r/min。

2）將制得的復合材料母粒倒入注塑機中，制備出含抗氧化劑的瓶蓋。設置注塑機各區(qū)溫度，一、二、三、四區(qū)分別為：200, 210, 220, 220 ℃；射膠時間為0.3 s，射膠壓力為8 MPa。

3）按上述類似的方法，制備不含抗氧化劑的HDPE瓶蓋樣品作為空白對照組。

各瓶蓋樣品配方如表1所示。

表1 瓶蓋樣品配方Table 1 Bottle cap sample formula

2.2.2 標準溶液的配制

準確稱取BHA、BHT標準品各0.02 g置于20 mL的容量瓶中，用乙醇定容配制成質量濃度為1 g/L的標準溶液母液，于4 ℃下冷藏。使用時再根據標準曲線質量濃度范圍，用不同的食品模擬液，即體積分數為50%和95%乙醇，稀釋成不同質量濃度的標準溶液待測。

2.2.3 食品模擬液

根據GB 31604.1—2015《食品安全國家標準 食品接觸材料及制品遷移試驗通則》[17]和GB 5009.156—2016《食品安全國家標準 食品接觸材料及制品遷移試驗預處理方法通則》[18]，選用體積分數為50%和95%的乙醇分別作為含酒精飲料和含油脂食品的模擬液。

2.2.4 樣品中抗氧化劑初始含量萃取

分別將4種含有抗氧化劑的瓶蓋樣品剪碎，精確稱取0.2 g置于試管內，用20 mL乙酸乙酯振蕩萃取，室溫下超聲3 h；取10 mL萃取液氮吹至1 mL，用食品模擬液定容至20 mL，并取1 mL經0.22 μm濾膜過濾后，待高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）分析。為防止微波溫度過高造成抗氧劑的損失，在超聲過程中放入冰袋降溫。用不含抗氧化劑的HDPE瓶蓋樣品作為對照，每種樣品做3組平行樣。

先分別用甲醇、乙腈和乙酸乙酯3種溶劑進行萃取預試驗，對比發(fā)現乙酸乙酯溶劑的萃取效果最佳。

2.2.5 高效液相色譜法工作條件

用高效液相色譜（HPLC）法檢測瓶蓋中抗氧化劑的初始含量，以及兩種抗氧化劑在食品模擬物中的特定遷移量，其工作條件如下。

Agilent EC-C18色 譜 柱（2.7 μm，4.6 mm×100 mm），柱溫為36 ℃；進樣量為4 μL，流速為0.8 mL/min；流動相：A為甲醇，B為體積分數為0.1%的甲酸水溶液；洗脫程序：用體積分數為85%和15%的A、B等梯度洗脫0～6 min；波長：278 nm（BHA）、280 nm（BHT），無參比波長。

2.2.6 遷移試驗

選用體積分數為50%和95%乙醇分別作為含酒精飲料和含油脂食品的模擬液。將厚度為680 μm、表面積為40.38 cm2的抗氧化瓶蓋，分別用60 mL的兩種食品模擬液分別在70 ℃、2 h和40 ℃、不同時間（1, 2, 5, 10 d）下全浸泡，以不含抗氧化劑的瓶蓋作空白對照，每個條件下制作3個平行樣。待遷移完成后取遷移液并根據標準曲線范圍稀釋到合適倍數后，用0.22 μm濾膜過濾，上機檢測。

2.3 遷移模擬參數設置

1） 擴散系數。擴散系數決定模擬遷移的動力學過程，擴散系數越大表示達到平衡的時間越短。本實驗采用軟件配置的普適性廣的Piringer模型和歐美眾多專家及學者所認同的Brandsch模型[19-20]，由模型計算抗氧化劑從HDPE瓶蓋向食品模擬物遷移的擴散系數。

2）分配系數。分配系數表示聚合物中的物質向食品或食品模擬物遷移達到平衡時，聚合物中該物質的濃度與食品或食品模擬物中該物質濃度的比值。本文中代表BHA、BHT在瓶蓋中和食品模擬液中的濃度比，其數值取決于聚合物和遷移物的極性差異。一般采用數學模擬預測遷移量時，若遷移物易溶于食品模擬物，分配系數的取值為1，若難溶則取值為1000。BHA、BHT均不溶于水，但易溶于乙醇，因此本實驗選擇分配系數K=1。

3）其他參數。軟件的數據庫具有HDPE、BHA和BHT的相關參數，具體如表2所示。

表2 抗氧化劑的相關參數Table 2 Related parameters of antioxidants

3 結果與分析

3.1 標準曲線的建立與檢驗

3.1.1 線性關系、定量限和檢出限

在保證儀器為最優(yōu)狀態(tài)下選取合適的線性范圍，對體積分數為50%和95%的乙醇標準溶液進行分析，分別以標準溶液中BHA或BHT的質量濃度（mg/L）為橫坐標，響應的峰面積為縱坐標，繪制出BHA、BHT各自的標準曲線，使相關系數（r）均大于0.999，同時根據信噪比值為3和10，確定出檢出限與定量限，具體結果如表3所示。

表3 兩種食品模擬物中BHA和BHT的標準曲線、定量限和檢出限Table 3 Linear equation, LOD and LOQ of BHA and BHT in two food simulants

3.1.2 加標回收率與相對標準偏差

根據外標法分別采用體積分數為50%和95%的乙醇進行加標回收實驗。在50%乙醇中抗氧化劑的添加水平為0.4, 15.0, 40.0 mg/L，95%乙醇中抗氧化劑的添加水平為4.0, 25.0, 80.0 mg/L。上機測定結果如表4所示。由表4 可知，BHA、BHT的加標平均回收率為78.8%～111.0%，相對標準偏差為0.10%～4.00%，表明本文采用的分析方法較好。

表4 食品模擬液中抗氧化劑的加標平均回收率與相對標準偏差Table 4 The recoveries and RSD of antioxidants in food simulants

3.2 樣品中抗氧化劑的初始含量

瓶蓋樣品中BHA和BHT的初始含量檢測結果如表5所示。

表5 抗氧化瓶蓋中BHA或BHT的初始含量Table 5 Initial concentration of BHA or BHT in antioxidative bottle caps

由表5可知，抗氧化瓶蓋樣品中，抗氧化劑BHA或BHT的初始含量為1 966.4～5 993.5 mg/kg，相對標準偏差為4.0%～13.9%。這表明瓶蓋中BHA或BHT的初始含量比制備時的添加量小，可能是由以下原因所造成：一是抗氧化劑與HDPE的混合不均勻[21]；二是瓶蓋擠出時的高溫導致抗氧化劑揮發(fā)或副反應產生其他物質；三是BHA和BHT均為相對分子量較小的受阻酚類抗氧化劑，二者結構也相近，在聚合物基體中容易揮發(fā)釋放[22]；四是所用的檢測方法未將瓶蓋中的抗氧化劑完全萃取。

抗氧化瓶蓋中檢測出BHT的初始含量小于BHA的，這與Granda-Restrepo等[23]研究的抗氧化劑在擠出膜中的殘留結果相同。二者在HDPE瓶蓋中殘留量的差異，可能的原因是：1）在相同的加工溫度下，BHT具較高的揮發(fā)性，同時高溫導致了BHT的熱降解及自身氧化作用；2）二者結構的差異，BHA的分子結構中增加了一個醚鍵，而BHT分子更為對稱，導致了BHT的穩(wěn)定性不如BHA[24]；3）BHT的抗氧化機制是通過捕獲自由基形成穩(wěn)定的苯氧基自由基，所以當BHT從HDPE鏈中捕獲自由基時，自身可能發(fā)生變化[24-25]。

3.3 遷移實驗結果與分析

瓶蓋樣品在食品模擬液中，70 ℃、2 h條件下，抗氧化劑向食品模擬液的遷移結果如表6所示。

表6 70 ℃、2 h條件下瓶蓋中抗氧化劑向食品模擬液中的遷移結果Table 6 Migration results of antioxidants from HDPE caps into food simulants in samples at 70℃, 2 h

由表6可知，抗氧化劑BHA與BHT在食品模擬液中的遷移量，與其在瓶蓋樣品中的含量變化趨勢相似。對比抗氧化劑質量分數為2%的樣品2和樣品4可知，BHT的釋放速度比BHA快，這可能是由于分子量較大的BHT難以插入HDPE基體中而附著在瓶蓋表面，導致在70 ℃、2 h的加速試驗中，BHT遷移量更高。

在40 ℃下，抗氧化劑BHA與BHT在食品模擬液中的遷移量，隨時間的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 40 ℃下BHA和BHT在食品模擬液中遷移量的變化情況Fig.2 Changes in the migration amount of BHA and BHT in food simulant at 40 ℃

由圖2可知，隨著時間的延長BHA和BHT在食品模擬液中的遷移量逐漸增多，且兩種抗氧化劑遷移趨勢相似，說明實驗結果符合一般的遷移規(guī)律。在40 ℃、10 d的條件下，BHA的釋放速度比BHT快，這是因為BHT具有更大的相對分子質量和體積（即多了兩個丁基），在聚合物內阻礙了BHT的遷移。在相同實驗條件下，質量分數為2%的BHA、BHT（樣品2、樣品4）的遷移量明顯高于1%的（樣品1、樣品3），表明瓶蓋中抗氧化劑的含量對抗氧化劑的遷移有很大的影響，初始含量越高，遷移量越大。無論瓶蓋中抗氧化劑是BHA還是BHT，當其他變量保持一致時，在脂肪模擬物（95%乙醇）中的遷移量遠要高于50%乙醇中的遷移量。根據相似相溶定理，BHA和BHT的溶解度參數與95%乙醇的溶解度參數更為接近，從而加速了抗氧化劑的遷移[26-30]。

由圖2b可知，在40 ℃時，BHT在50%乙醇模擬液中第10 d的遷移量低于第5 d的，這可能是因為BHA與BHT抗氧化作用的機制不同：前者放出氫原子阻斷氧化反應，而后者通過自身氧化起作用，因此在該條件下BHT發(fā)生了自動氧化變成其他化合物，使測得的抗氧化劑遷移量降低。也可能是水分的含量變化增加了模擬液的極性，從而對抗氧化劑的氧化反應有促進作用[22,31-32]，這些問題值得以后進一步研究。

根據GB 9685—2016《食品安全國家標準 食品接觸材料及制品用添加劑使用標準》[10]和GB 2760—2014《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》[33]，允許在食品接觸材料及其制品中使用BHA和BHT的最大遷移限量（speci fic migration substances，SML）分別為30 mg/kg、3 mg/kg；在食品中兩種抗氧化劑允許最大使用量為200 mg/kg。本研究中將抗氧化劑添加到包裝中是為了起到活性包裝的作用，其中抗氧化的遷移限量應綜合兩者來看，即可以超過其規(guī)定的SML，但不得超過食品中允許的最大使用量。因此抗氧化劑的遷移量不僅可以達到抗氧化的效果，同時還符合國家食品安全標準，不會產生食品安全風險。

3.4 數學模擬結果與分析

通過AKTS-SML軟件對遷移進行數學模擬得到的結果與實際遷移實驗結果的對比如圖3～5所示。采用Brandsch模型預測時，為提高模型的適用性，在經驗公式中引入了附加項，使得遷移條件比未引入附加項時更為嚴格[34-35]。

圖3 70 ℃、2 h條件下BHA和BHT在食品模擬液中遷移的實驗值與模擬值對比Fig.3 Comparison of the actual and simulated values of migration of BHA and BHT in food simulant solution at 70 ℃/2 h

圖4 40 ℃下BHA在食品模擬液中遷移的實驗值與模擬值對比Fig.4 Comparison of the actual and simulated values of migration of BHA in food simulant solution at 40 ℃

圖5 40 ℃下BHT在食品模擬液中遷移的實驗值與模擬值對比Fig.5 Comparison of the actual and simulated values of migration of BHT in food simulant solution at 40 ℃

由圖3～5可知，兩種抗氧化劑的模擬遷移量都遠大于實際遷移量，這是由于Brandsch模型和Piringer模型在預估遷移量時采用最為苛刻的模擬條件，其中Brandsch預測模型采用了經驗公式的附加項，較多的公式條件導致Brandsch模型模擬遷移量普遍高于Piringer模型。此外抗氧化劑在HDPE瓶蓋中的遷移不同于其在一般的薄膜或是塑料平板中的遷移。瓶蓋的不規(guī)則結構使其具備阻隔功能[36]，該結構限制了抗氧化劑從包裝到食品模擬液中的遷移；而軟件中的平板模型，并未考慮包裝結構的功能屏障，從而導致了模擬結果與實際結果的偏差較大。

由圖5a和 5c可知，第5～10 d的遷移趨勢與實際遷移有所差異，表明軟件模擬未考慮抗氧化劑可能會在遷移過程中發(fā)生反應。

由圖3b可知，BHT在70 ℃、2 h條件下向乙醇中遷移的結果與圖3a、圖4和圖5顯示Brandsch模型與Piringer模型的差異有所不同，可能是遷移時間過短、溫度過高和模擬液極性低三者綜合作用的結果，致使Piringer模型預測值比Brandsch模型預測值偏大。

在95%乙醇食品模擬物條件下，Piringer模型的模擬結果是遷移實驗結果的20～30倍，而在50%乙醇條件下的Piringer模型的模擬遷移量與實驗結果相差更大。這是由于模擬實驗對于兩種模擬液中抗氧化劑的分配系數選用的都是1，實際上兩種抗氧化劑更易溶于95%乙醇。文獻[28-29]表明，一些通過基團貢獻法算出的不同濃度乙醇溶液的分配系數存在差異，同時計算得出的分配系數與實際測量的分配系數存在偏差。而目前獲取模擬物的分配系數主要是借助于基團貢獻法以及正規(guī)溶液理論[37]，這兩種方法的應用較為局限，對于較復雜的化合物需要通過大量計算才得以獲得參數。因此建立更為有效的方法估算化合物的擴散系數和分配系數，將是下一步研究的課題。

總之，抗氧化塑料瓶蓋中抗氧化劑遷移的數學模擬結果要大于實驗測定結果，其原因主要有：1）數學模擬本身會考慮到極端情況，一般會高估遷移量；2）瓶蓋這種不規(guī)則結構的包裝，在數學模擬時計算偏差會比規(guī)則、平板等包裝結構的大；3）抗氧化劑會發(fā)生降解，使得檢測出的遷移量減小，而數學模擬目前并未考慮這個因素。

4 結論

綜上所述，可得如下結論：

1）在采用BHA、BHT制作抗氧化瓶蓋的過程中，抗氧化劑存在較大程度的損失，且BHT的損失更嚴重。

2）BHA和BHT在兩種食品模擬液中的遷移符合一般的遷移規(guī)律，遷移結果受抗氧化劑的濃度、遷移時間、相對分子質量和體積以及模擬液極性的影響。

3）根據特定遷移實驗條件采用AKTS-SML軟件，對BHA和BHT在兩種食品模擬液中的遷移進行模擬，模擬遷移值均大于實驗值。這說明利用數學軟件，對HDPE瓶蓋這類不規(guī)則包裝中抗氧化劑向食品模擬物遷移情況的模擬，還需要進一步研究和完善。