由于食品接触材料和食品的多样性,开展迁移实验需要花费大量的时间和金钱。实际上各种化合物迁移过程遵循基本的物理化学定律,因此,建立合适的数学模型来预测迁移过程显得尤为重要。但由于纸张本身性质的复杂性,在目前得到的模型中,或形式较为复杂,或参数不易求得,亟需建立简单有效的数学模型。
来自天津大学化工学院、湖南出入境检验检疫局检验检疫技术中心的韩博、丁利、齐崴等人,研究了食品包装牛皮纸中4 种紫外吸收剂在不同温度条件下的迁移规律,并分析了其影响规律。进一步,基于菲克第二扩散定律提出了一个简单适用的数学模型,并探究了其预测准确性。
结果与分析
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迁移影响因素分析
随着时间的延长,迁移量逐渐增大,经过一段时间后,达到一个动态平衡,迁移量不再发生明显变化。由此可见,温度在紫外吸收剂从食品包装纸迁移到Tenax?的过程中起到了重要的作用。温度越高,迁移过程发生的越快,达到迁移平衡所需的时间越短,且平衡时达到的迁移量越大。
不同的紫外吸收剂在同一温度条件下,随迁移时间的变化趋势基本相同,但最终达到的平衡迁移率却不同。UV-9和UV-P的平衡迁移率明显大于UV-531和UV-327,即UV-9和UV-P相比较另外两种紫外吸收剂而言更易于从包装纸中迁出。相对分子质量、油水分配系数和沸点越小的物质,越易于从食品包装纸中迁出,更易对食品安全产生危害。
实验结果表明,UV-531和UV-327添加到纸质食品包装中迁出量更少,更加安全,而且,应尽量避免纸质食品包装在高温条件下使用。
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构建模型
分配系数是迁移达到平衡时迁移物在食品包装纸和食品模拟物中的浓度比,分配系数越小,迁移物分子越容易进入到食品模拟物中,对食品安全的危害越大。分配系数随温度的升高而降低,这是因为温度越高,分子运动越激烈,越容易迁出到食品模拟物中。另外,分配系数还与迁移物的相对分子质量和分子结构等有关,如UV-9和UV-P的相对分子质量较小,则其分配系数远小于UV-531和UV-327。
随着温度的升高,各吸收剂的扩散系数均有不同程度的提高。扩散系数分布在2.69×10-10 cm2/s和1.93×10-8 cm2/s之间。而且,在由模型得到扩散系数的过程中,线性相关性良好,说明该模型可较好地预测紫外吸收剂从纸质食品包装材料到Tenax?的迁移过程。不同温度条件下的扩散系数符合阿伦尼乌斯关系式,根据各温度下的扩散系数,求得参数指前因子(D0)和活化能(Ea)。如表3所示,UV-9的Ea最小,说明其从纸中迁出所需要的能量最少,即其最容易迁出。反之,UV-531和UV-327的Ea较大,则其较难从纸中迁出。另外,r2均大于0.94,说明在50~100 ℃条件下,lnD与1/T的线性关系良好。因此由D0和Ea值可预测50~100 ℃之间任意温度条件下的扩散系数,进而求得迁移量。
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模型应用
应用已建立的模型预测UV-P在70 ℃条件下的迁移量并与实验值进行比较。在未达到迁移平衡前的一段时间里,预测值与实验值具有良好的一致性,说明所建立的模型可以较准确地进行迁移量的预测。将该模型应用于纸质食品包装材料中,预测化学污染物的迁移具有极大的可行性。
结 论
4 种紫外吸收剂均可由纸质食品包装材料迁移到固态食品模拟物Tenax?中,且随温度的升高,迁移率增加,初始阶段迁移较快,再逐渐达到动态平衡。
温度对达到迁移平衡时间起到了重要作用,温度越高,所需时间越短;不同种类紫外吸收剂本身的物理化学性质对最终平衡迁移率产生一定影响,相对分子质量越小、油水分配系数越小和沸点越低的物质更易于迁出。
UV-531和UV-327相对于UV-9和UV-P添加到食品包装纸中因其迁移量较少更加安全,且应尽量避免纸质食品包装在高温条件下使用。
所建立的数学模型可较好地预测在50~100 ℃之间,紫外吸收剂从食品包装纸迁移到固态食品模拟物Tenax?中未达到平衡阶段的迁移行为。