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顶空分析技术在纸质食品包装材料中VOC迁移评价中的应用

张春云  
【摘要】:挥发性有机物(VOC)是纸质食品包装材料中重要的污染物,其从纸质食品包装向食品的迁移评价是关乎纸质食品包装化学安全的重要问题。模型评价是纸质食品包装材料化学安全评价的重要手段,而模型参数(初始含量、扩散系数、分配系数等)的测定是使得模型评价发挥作用的关键步骤。传统基于特定装置的模型参数检测方法大多复杂耗时,且由于特定装置的使用,测定结果对比性较差,不利于方法标准化。顶空分析技术是基于顶空进样器进行VOC相关过程(扩散、分配、吸附)模拟分析的重要手段,它可以使过程的发生、结果的检测原位、连续地进行,使得参数测定的准确性更加可靠,测定方法的标准化更容易实现。因此,基于顶空分析技术,建立纸质食品包装中VOC迁移特征参数的检测方法,并将其用于纸质食品包装中VOC向食品迁移的模型评价,将对提高纸质食品包装化学安全评价效率和可靠性具有重要的现实意义。建立了基于顶空分析技术测定VOC不同介质中扩散、分配、吸附系数的系统方法学。包括:基于相率变化法和多次抽提法测定VOC在不同介质间(气-液、气-固、液-液、液-固)分配系数的方法、基于多次抽提法和曲线拟合法测定VOC在固相和液相中扩散系数的方法、基于相率变化法和曲线拟合法测定VOC在固相表面吸附参数的方法。这些方法学的建立扩大了顶空分析技术在相平衡过程研究中的应用。建立了纸质食品包装材料中甲醇扩散系数和气-固分配系数同时测定的顶空气相色谱法。通过对纸质食品包装中VOC在封闭体系中扩散、分配理论分析,建立了分别基于顶空分析技术的相率变化(多次独立测量)法、曲线拟合法、直线拟合法测定模型中的扩散系数和分配系数的方法。在方法中,采用溶剂辅助气体吸收技术可加快加深甲醇从纸质包装材料向气相的扩散和脱附,有利于方法的测试效率和精度。建立了测定甲醇在液态食品模拟物中扩散系数的顶空气相色谱法。采用多次抽提的顶空分析技术,实现了甲醇在液态食品模拟物中扩散过程的动态监测,从而结合扩散理论模型,测定了甲醇在液态食品模拟物中的扩散系数。该方法操作简单可靠,容易实现方法标准化。建立了基于顶空分析技术的纸质食品包装中甲醇含量、水系液态食品中甲醇乙醇含量、油系液态食品中甲醇含量、水系液态食品中总酸含量的检测方法。采用相平衡顶空分析技术测定了纸质食品包装中的甲醇含量,甲醇定量是基于碱萃取时的固液相平衡和顶空分析时的气液相平衡。分别采用全挥发顶空分析技术测定了水系和油系液态食品中的甲醇、乙醇含量,溶剂辅助可以实现油系(高沸点)样品中甲醇的全挥发。基于酸碱中和反应,采用碳酸氢钠溶液将水系液态食品中总酸转化成二氧化碳,从而通过GC-TCD分析实现了对水系液态食品中总酸含量的间接测定,该方法简单快速,适用于微量样品的批量检测。建立了纸质食品包装中VOC在各种条件下向液态食品迁移的数学模型。利用菲克第二定律,以及在各种迁移过程中的初始条件和边界条件,求解了纸质食品包装中VOC在各种条件下向液态食品迁移的数学模型。包括:封闭体系和敞开体系中纸质食品包装中VOC向气相迁移的数学模型、纸质食品包装与食品短时接触和长期接触时VOC向液态食品直接接触迁移的数学模型、封闭体系和敞开体系中纸质食品包装中VOC向液态食品间接迁移的数学模型。根据纸质食品包装中VOC向液态食品总迁移量的预测模型,在60 oC时,厚度为0.032 cm,与食品直接接触迁移面积为75 cm2,间接迁移面积为25cm2,初始甲醇含量为200 mg/L的纸质包装材料中甲醇向体积为80 m L,空体积(气相体积)为20m L的液态食品在封闭体系和敞开体系中迁移7 h的迁移量分别为2 mg/L、1.75 mg/L,平衡迁移量分别为4 mg/L、3.5 mg/L。建立了化学浆生产过程中甲醇生成量的预测模型。从化学反应动力学角度出发,建立了蒸煮过程中考虑过程碱浓动态变化的甲醇生成量的预测模型,建立了氧脱木素过程中甲醇生成量的预测模型。结果表明:提早进入氧脱木素过程可有效减少单位木素脱除量的甲醇生成量。考察了纸浆洗涤和纸页涂布对甲醇去除和迁移的影响。结果表明:在纸浆洗涤过程中,随着纸浆持有液体的不断稀释,纸浆内部的甲醇会继续溶出。然而,甲醇在纸浆纤维和洗涤液之间存在固液分配平衡,即单次洗涤会存在溶出瓶颈。涂布对扩散系数的影响不大,对平衡分配系数的影响较大。因此,对于由扩散速率而非脱附速率决定的VOC释放过程,涂布对其释放的影响不大。


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