活性塑料瓶盖中抗氧剂的特定迁移与模拟迁移对比研究

任纪州 张珍红 林勤保 汪钰文 李 忠

1.武汉轻工大学机械工程学院湖北 武汉 430023

2.暨南大学包装工程研究所广东 珠海 519070

3.珠海拱北海关技术中心广东 珠海 519020

1 研究背景

高密度聚乙烯（high density polyethylene，HDPE）传热性能好，具有较短的成型周期，被广泛应用于塑料瓶单件盖和封口的制造[1-2]。近年来，为满足消费者对食品安全更高的需求，活性包装等新型食品保存技术迅猛发展。例如为防止氧气对敏感食品的氧化，采用加入抗氧化剂的抗氧化活性包装，是当前主要抗氧技术之一[3-5]。

在食品行业中，丁基羟基茴香醚（butyl hydroxyanisole，BHA）和2, 6-二叔丁基对甲酚（butylated hydroxytoluene，BHT）是目前使用最为广泛的两种酚类抗氧化剂[6]。迄今为止，国内外有许多研究人员采用BHA和BHT制备塑料膜，并研究其抗氧化性与抗氧化剂的迁移特性[3,7-9]；而对于该类抗氧化剂在HDPE瓶盖中的使用及迁移方面的研究甚少。

通常抗氧化剂迁移到食品中，可产生一定的毒性，BHA、BHT的迁移有致癌的风险。GB 9685—2016《食品安全国家标准 食品接触材料及制品用添加剂使用标准》[10]和欧盟法规NO10/2011对食品接触用添加剂种类、最大使用量和特定迁移量均有明确规定。

迁移实际上是指化学物从高浓度区向低浓度区的传质过程，该过程极易受包装中化学物含量、材料厚度、温度和时间等因素的影响[11-13]，通常用菲克（Fick）扩散定律[14]描述。用传统的迁移实验来评估抗氧化性瓶盖的安全性，具有过程繁琐、耗时长、费用高等缺点；而采用模拟迁移试验更加便捷、低耗。

美国与欧盟已开始广泛使用数学模型模拟迁移实验，为满足实际使用还专门设计了界面友好的模拟软件，例如法国的AKTS-SML软件、瑞士的EXDIF软件和德国Migratest Lite软件等。其中，AKTS-SML软件具有丰富的聚合物和添加剂种类，可模拟多种包装材料结构，应用范围较广，但其分配系数的数学模型较少而难以适应不同条件[12]。A.O’Brien等[15-16]使用Migratest Lite软件中的Piringer迁移模型，预测在各种塑料包装中助剂向橄榄油的迁移量，发现95%的结果超过实际迁移值；同时又对比分析了的Migratest Lite软件中Piringer模型和FDA模型对HDPE瓶中添加剂的迁移；丁从阳等[12]用AKTS-SML软件，预测了5种塑料薄膜中有机助剂向脂肪食品模拟液的迁移，均验证了迁移软件的适用性。

本文先制备抗氧化活性瓶盖，再对其进行迁移实验和模拟迁移实验，研究抗氧化剂的迁移规律，以及用数学模拟代替具体化学实验的可行性。

2 实验

2.1 实验材料、试剂与仪器设备

2.1.1 材料与试剂

丁基羟基茴香醚（BHA），纯度为98%，上海麦克林股份有限公司。2, 6-二叔丁基对甲酚（BHT），色谱纯，纯度大于99.0%，上海麦克林股份有限公司。色母粒（白），牌号为R41411A，东莞金富科技有限公司。高密度聚乙烯（HDPE），牌号为2200JP，中国石油化工股份有限公司茂名分公司。甲醇，色谱纯，纯度大于99.9%，上海麦克林股份有限公司。乙醇，高效液相色谱纯，纯度大于99.8%，上海麦克林股份有限公司。无水甲酸，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。乙腈，色谱纯，上海麦克林股份有限公司。乙酸乙酯，色谱纯，纯度为99.9%，阿拉丁试剂（上海）股份有限公司。

2.1.2 仪器与设备

双螺杆造粒实验线，MEDU-22/40，广州市普同实验分析仪器有限公司。注塑机，HTF60W2-II，东莞东华机械有限公司。电热鼓风干燥箱，GZX-9420MBE，上海博讯实业有限公司。超纯水器，EPED-10TS，南京易普达科技发展有限公司。Agilent In finityLab LC/MSD单四极杆HPLC-MS，安捷伦科技（中国）有限公司。样品自动浓缩工作站，Turbo VAP Ⅱ，美国Caliper公司。AKTS-SML软件，Advanced Version 5.231，法国凯璞公司。

2.2 实验方法

将自制抗氧化性瓶盖进行迁移实验和模拟迁移实验，再将二者的实验数据进行对比，以评估模拟的准确性。模拟迁移实验采用AKTS-SML软件，并将瓶盖简化为平板结构。对比实验具体流程如图1所示。

图1 对比实验流程图Fig.1 Comparative experimental flow chart

2.2.1 瓶盖样品制备

1）用双螺杆挤出机制备出复合材料母粒。挤出时各段挤出温度分别为160, 165, 165, 170, 175, 175,175, 175 ℃，进料速度为10 r/min，螺杆转速为30 r/min。

2）将制得的复合材料母粒倒入注塑机中，制备出含抗氧化剂的瓶盖。设置注塑机各区温度，一、二、三、四区分别为：200, 210, 220, 220 ℃；射胶时间为0.3 s，射胶压力为8 MPa。

3）按上述类似的方法，制备不含抗氧化剂的HDPE瓶盖样品作为空白对照组。

各瓶盖样品配方如表1所示。

表1 瓶盖样品配方Table 1 Bottle cap sample formula

2.2.2 标准溶液的配制

准确称取BHA、BHT标准品各0.02 g置于20 mL的容量瓶中，用乙醇定容配制成质量浓度为1 g/L的标准溶液母液，于4 ℃下冷藏。使用时再根据标准曲线质量浓度范围，用不同的食品模拟液，即体积分数为50%和95%乙醇，稀释成不同质量浓度的标准溶液待测。

2.2.3 食品模拟液

根据GB 31604.1—2015《食品安全国家标准 食品接触材料及制品迁移试验通则》[17]和GB 5009.156—2016《食品安全国家标准 食品接触材料及制品迁移试验预处理方法通则》[18]，选用体积分数为50%和95%的乙醇分别作为含酒精饮料和含油脂食品的模拟液。

2.2.4 样品中抗氧化剂初始含量萃取

分别将4种含有抗氧化剂的瓶盖样品剪碎，精确称取0.2 g置于试管内，用20 mL乙酸乙酯振荡萃取，室温下超声3 h；取10 mL萃取液氮吹至1 mL，用食品模拟液定容至20 mL，并取1 mL经0.22 μm滤膜过滤后，待高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）分析。为防止微波温度过高造成抗氧剂的损失，在超声过程中放入冰袋降温。用不含抗氧化剂的HDPE瓶盖样品作为对照，每种样品做3组平行样。

先分别用甲醇、乙腈和乙酸乙酯3种溶剂进行萃取预试验，对比发现乙酸乙酯溶剂的萃取效果最佳。

2.2.5 高效液相色谱法工作条件

用高效液相色谱（HPLC）法检测瓶盖中抗氧化剂的初始含量，以及两种抗氧化剂在食品模拟物中的特定迁移量，其工作条件如下。

Agilent EC-C18色 谱 柱（2.7 μm，4.6 mm×100 mm），柱温为36 ℃；进样量为4 μL，流速为0.8 mL/min；流动相：A为甲醇，B为体积分数为0.1%的甲酸水溶液；洗脱程序：用体积分数为85%和15%的A、B等梯度洗脱0～6 min；波长：278 nm（BHA）、280 nm（BHT），无参比波长。

2.2.6 迁移试验

选用体积分数为50%和95%乙醇分别作为含酒精饮料和含油脂食品的模拟液。将厚度为680 μm、表面积为40.38 cm2的抗氧化瓶盖，分别用60 mL的两种食品模拟液分别在70 ℃、2 h和40 ℃、不同时间（1, 2, 5, 10 d）下全浸泡，以不含抗氧化剂的瓶盖作空白对照，每个条件下制作3个平行样。待迁移完成后取迁移液并根据标准曲线范围稀释到合适倍数后，用0.22 μm滤膜过滤，上机检测。

2.3 迁移模拟参数设置

1） 扩散系数。扩散系数决定模拟迁移的动力学过程，扩散系数越大表示达到平衡的时间越短。本实验采用软件配置的普适性广的Piringer模型和欧美众多专家及学者所认同的Brandsch模型[19-20]，由模型计算抗氧化剂从HDPE瓶盖向食品模拟物迁移的扩散系数。

2）分配系数。分配系数表示聚合物中的物质向食品或食品模拟物迁移达到平衡时，聚合物中该物质的浓度与食品或食品模拟物中该物质浓度的比值。本文中代表BHA、BHT在瓶盖中和食品模拟液中的浓度比，其数值取决于聚合物和迁移物的极性差异。一般采用数学模拟预测迁移量时，若迁移物易溶于食品模拟物，分配系数的取值为1，若难溶则取值为1000。BHA、BHT均不溶于水，但易溶于乙醇，因此本实验选择分配系数K=1。

3）其他参数。软件的数据库具有HDPE、BHA和BHT的相关参数，具体如表2所示。

表2 抗氧化剂的相关参数Table 2 Related parameters of antioxidants

3 结果与分析

3.1 标准曲线的建立与检验

3.1.1 线性关系、定量限和检出限

在保证仪器为最优状态下选取合适的线性范围，对体积分数为50%和95%的乙醇标准溶液进行分析，分别以标准溶液中BHA或BHT的质量浓度（mg/L）为横坐标，响应的峰面积为纵坐标，绘制出BHA、BHT各自的标准曲线，使相关系数（r）均大于0.999，同时根据信噪比值为3和10，确定出检出限与定量限，具体结果如表3所示。

表3 两种食品模拟物中BHA和BHT的标准曲线、定量限和检出限Table 3 Linear equation, LOD and LOQ of BHA and BHT in two food simulants

3.1.2 加标回收率与相对标准偏差

根据外标法分别采用体积分数为50%和95%的乙醇进行加标回收实验。在50%乙醇中抗氧化剂的添加水平为0.4, 15.0, 40.0 mg/L，95%乙醇中抗氧化剂的添加水平为4.0, 25.0, 80.0 mg/L。上机测定结果如表4所示。由表4 可知，BHA、BHT的加标平均回收率为78.8%～111.0%，相对标准偏差为0.10%～4.00%，表明本文采用的分析方法较好。

表4 食品模拟液中抗氧化剂的加标平均回收率与相对标准偏差Table 4 The recoveries and RSD of antioxidants in food simulants

3.2 样品中抗氧化剂的初始含量

瓶盖样品中BHA和BHT的初始含量检测结果如表5所示。

表5 抗氧化瓶盖中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，抗氧化瓶盖样品中，抗氧化剂BHA或BHT的初始含量为1 966.4～5 993.5 mg/kg，相对标准偏差为4.0%～13.9%。这表明瓶盖中BHA或BHT的初始含量比制备时的添加量小，可能是由以下原因所造成：一是抗氧化剂与HDPE的混合不均匀[21]；二是瓶盖挤出时的高温导致抗氧化剂挥发或副反应产生其他物质；三是BHA和BHT均为相对分子量较小的受阻酚类抗氧化剂，二者结构也相近，在聚合物基体中容易挥发释放[22]；四是所用的检测方法未将瓶盖中的抗氧化剂完全萃取。

抗氧化瓶盖中检测出BHT的初始含量小于BHA的，这与Granda-Restrepo等[23]研究的抗氧化剂在挤出膜中的残留结果相同。二者在HDPE瓶盖中残留量的差异，可能的原因是：1）在相同的加工温度下，BHT具较高的挥发性，同时高温导致了BHT的热降解及自身氧化作用；2）二者结构的差异，BHA的分子结构中增加了一个醚键，而BHT分子更为对称，导致了BHT的稳定性不如BHA[24]；3）BHT的抗氧化机制是通过捕获自由基形成稳定的苯氧基自由基，所以当BHT从HDPE链中捕获自由基时，自身可能发生变化[24-25]。

3.3 迁移实验结果与分析

瓶盖样品在食品模拟液中，70 ℃、2 h条件下，抗氧化剂向食品模拟液的迁移结果如表6所示。

表6 70 ℃、2 h条件下瓶盖中抗氧化剂向食品模拟液中的迁移结果Table 6 Migration results of antioxidants from HDPE caps into food simulants in samples at 70℃, 2 h

由表6可知，抗氧化剂BHA与BHT在食品模拟液中的迁移量，与其在瓶盖样品中的含量变化趋势相似。对比抗氧化剂质量分数为2%的样品2和样品4可知，BHT的释放速度比BHA快，这可能是由于分子量较大的BHT难以插入HDPE基体中而附着在瓶盖表面，导致在70 ℃、2 h的加速试验中，BHT迁移量更高。

在40 ℃下，抗氧化剂BHA与BHT在食品模拟液中的迁移量，随时间的变化规律如图2所示。

图2 40 ℃下BHA和BHT在食品模拟液中迁移量的变化情况Fig.2 Changes in the migration amount of BHA and BHT in food simulant at 40 ℃

由图2可知，随着时间的延长BHA和BHT在食品模拟液中的迁移量逐渐增多，且两种抗氧化剂迁移趋势相似，说明实验结果符合一般的迁移规律。在40 ℃、10 d的条件下，BHA的释放速度比BHT快，这是因为BHT具有更大的相对分子质量和体积（即多了两个丁基），在聚合物内阻碍了BHT的迁移。在相同实验条件下，质量分数为2%的BHA、BHT（样品2、样品4）的迁移量明显高于1%的（样品1、样品3），表明瓶盖中抗氧化剂的含量对抗氧化剂的迁移有很大的影响，初始含量越高，迁移量越大。无论瓶盖中抗氧化剂是BHA还是BHT，当其他变量保持一致时，在脂肪模拟物（95%乙醇）中的迁移量远要高于50%乙醇中的迁移量。根据相似相溶定理，BHA和BHT的溶解度参数与95%乙醇的溶解度参数更为接近，从而加速了抗氧化剂的迁移[26-30]。

由图2b可知，在40 ℃时，BHT在50%乙醇模拟液中第10 d的迁移量低于第5 d的，这可能是因为BHA与BHT抗氧化作用的机制不同：前者放出氢原子阻断氧化反应，而后者通过自身氧化起作用，因此在该条件下BHT发生了自动氧化变成其他化合物，使测得的抗氧化剂迁移量降低。也可能是水分的含量变化增加了模拟液的极性，从而对抗氧化剂的氧化反应有促进作用[22,31-32]，这些问题值得以后进一步研究。

根据GB 9685—2016《食品安全国家标准 食品接触材料及制品用添加剂使用标准》[10]和GB 2760—2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》[33]，允许在食品接触材料及其制品中使用BHA和BHT的最大迁移限量（speci fic migration substances，SML）分别为30 mg/kg、3 mg/kg；在食品中两种抗氧化剂允许最大使用量为200 mg/kg。本研究中将抗氧化剂添加到包装中是为了起到活性包装的作用，其中抗氧化的迁移限量应综合两者来看，即可以超过其规定的SML，但不得超过食品中允许的最大使用量。因此抗氧化剂的迁移量不仅可以达到抗氧化的效果，同时还符合国家食品安全标准，不会产生食品安全风险。

3.4 数学模拟结果与分析

通过AKTS-SML软件对迁移进行数学模拟得到的结果与实际迁移实验结果的对比如图3～5所示。采用Brandsch模型预测时，为提高模型的适用性，在经验公式中引入了附加项，使得迁移条件比未引入附加项时更为严格[34-35]。

图3 70 ℃、2 h条件下BHA和BHT在食品模拟液中迁移的实验值与模拟值对比Fig.3 Comparison of the actual and simulated values of migration of BHA and BHT in food simulant solution at 70 ℃/2 h

图4 40 ℃下BHA在食品模拟液中迁移的实验值与模拟值对比Fig.4 Comparison of the actual and simulated values of migration of BHA in food simulant solution at 40 ℃

图5 40 ℃下BHT在食品模拟液中迁移的实验值与模拟值对比Fig.5 Comparison of the actual and simulated values of migration of BHT in food simulant solution at 40 ℃

由图3～5可知，两种抗氧化剂的模拟迁移量都远大于实际迁移量，这是由于Brandsch模型和Piringer模型在预估迁移量时采用最为苛刻的模拟条件，其中Brandsch预测模型采用了经验公式的附加项，较多的公式条件导致Brandsch模型模拟迁移量普遍高于Piringer模型。此外抗氧化剂在HDPE瓶盖中的迁移不同于其在一般的薄膜或是塑料平板中的迁移。瓶盖的不规则结构使其具备阻隔功能[36]，该结构限制了抗氧化剂从包装到食品模拟液中的迁移；而软件中的平板模型，并未考虑包装结构的功能屏障，从而导致了模拟结果与实际结果的偏差较大。

由图5a和 5c可知，第5～10 d的迁移趋势与实际迁移有所差异，表明软件模拟未考虑抗氧化剂可能会在迁移过程中发生反应。

由图3b可知，BHT在70 ℃、2 h条件下向乙醇中迁移的结果与图3a、图4和图5显示Brandsch模型与Piringer模型的差异有所不同，可能是迁移时间过短、温度过高和模拟液极性低三者综合作用的结果，致使Piringer模型预测值比Brandsch模型预测值偏大。

在95%乙醇食品模拟物条件下，Piringer模型的模拟结果是迁移实验结果的20～30倍，而在50%乙醇条件下的Piringer模型的模拟迁移量与实验结果相差更大。这是由于模拟实验对于两种模拟液中抗氧化剂的分配系数选用的都是1，实际上两种抗氧化剂更易溶于95%乙醇。文献[28-29]表明，一些通过基团贡献法算出的不同浓度乙醇溶液的分配系数存在差异，同时计算得出的分配系数与实际测量的分配系数存在偏差。而目前获取模拟物的分配系数主要是借助于基团贡献法以及正规溶液理论[37]，这两种方法的应用较为局限，对于较复杂的化合物需要通过大量计算才得以获得参数。因此建立更为有效的方法估算化合物的扩散系数和分配系数，将是下一步研究的课题。

总之，抗氧化塑料瓶盖中抗氧化剂迁移的数学模拟结果要大于实验测定结果，其原因主要有：1）数学模拟本身会考虑到极端情况，一般会高估迁移量；2）瓶盖这种不规则结构的包装，在数学模拟时计算偏差会比规则、平板等包装结构的大；3）抗氧化剂会发生降解，使得检测出的迁移量减小，而数学模拟目前并未考虑这个因素。

4 结论

综上所述，可得如下结论：

1）在采用BHA、BHT制作抗氧化瓶盖的过程中，抗氧化剂存在较大程度的损失，且BHT的损失更严重。

2）BHA和BHT在两种食品模拟液中的迁移符合一般的迁移规律，迁移结果受抗氧化剂的浓度、迁移时间、相对分子质量和体积以及模拟液极性的影响。

3）根据特定迁移实验条件采用AKTS-SML软件，对BHA和BHT在两种食品模拟液中的迁移进行模拟，模拟迁移值均大于实验值。这说明利用数学软件，对HDPE瓶盖这类不规则包装中抗氧化剂向食品模拟物迁移情况的模拟，还需要进一步研究和完善。