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    農業論文

    塑料食品包裝材料的環境污染綜述

    時間:2021年07月23日 所屬分類:農業論文 點擊次數:

    摘要:塑料食品包裝材料是食品包裝的重要組成部分,但其與食品直接接觸時易釋放大量化學品和添加劑,且廢棄后會分解成粒徑小的微塑料,由此造成的環境污染和生態健康風險受到世界各國的廣泛關注,并針對食品包裝塑料中有害化學品向食品中的釋放遷移過程、微

      摘要:塑料食品包裝材料是食品包裝的重要組成部分,但其與食品直接接觸時易釋放大量化學品和添加劑,且廢棄后會分解成粒徑小的微塑料,由此造成的環境污染和生態健康風險受到世界各國的廣泛關注,并針對食品包裝塑料中有害化學品向食品中的釋放遷移過程、微塑料及其中化學品的環境污染過程等開展了大量研究。本文綜述了常用塑料食品包裝材料的種類、用途及其中的化學物質,詳細總結了食品包裝塑料自身及其中化學品的環境污染過程和生態健康毒性效應,并據此提出了塑料食品包裝材料今后的控制措施及相關研究的發展方向。

      關鍵詞:塑料食品包裝;微塑料;食品安全;生態效應;健康風險

    食品包裝

      食品包裝是指對加工好的食品進行包裝,使其免受外界的污染和破壞,以便食品在運輸和儲藏中保持其營養價值和原有狀態,同時為消費者提供配料成分和營養成分信息[1]。但因其中的化學成分可通過接觸遷移至食品中并造成潛在風險,所以食品包裝材料的安全性是衡量食品安全的一個重要指標[2],國內外均對其中特定化學物質的遷移量進行了嚴格的規定。

      食品包裝論文范例:塑料食品包裝隱藏的安全威脅及安全保障策略

      目前常用的食品包裝材料有塑料、紙、金屬、玻璃、復合材料、陶瓷、麻袋、布袋、竹等。其中,塑料因為具有:1)原材料來源豐富,價廉易得,利潤空間大;2)可塑性強,加工方式簡單且多樣化如吹塑、擠塑、注塑、模壓、復合等,可滿足不同食品包裝需求;3)力學性能良好,具有一定的強度和彈性,不易受損,且質量輕,方便攜帶;4)保氣性、隔防滲性、熱封性等物理性能好;5)化學穩定性好,抗酸堿等腐蝕能力強;6)包裝外形輕巧、美觀,深受消費者歡迎等優點,在食品包裝中應用最為廣泛。我國現有食品包裝中塑料包裝超過50%[3],且近年來隨著人民生活節奏的加快以及O2O(onlinetooffice)新型消費模式的發展,外賣餐飲行業一直保持著高速發展的態勢,一次性塑料餐飲盒的使用量也急劇上升。

      雖然這些塑料樹脂本身無毒,但其中的添加劑卻具有不同程度的毒性,且因為缺少化學鍵束縛,極易向與其接觸的食品中遷移,并通過飲食進入人體并逐漸累積,進而產生各種毒性效應損害健康;一些化合物還被發現具有致癌、致畸和致突變作用。鑒于此,歐盟食品和飼料類快速預警系統(rapidalertsystemforfoodandfeed,RASFF)將塑料食品包裝材料作為關注重點,2019年共發布食品包裝材料通報172例,其中,125例來自我國且有51例為塑料制品[4]。

      此外,近年來在我國,甘肅“毒奶粉”事件[5]、臺灣“塑化劑風波”[6]、外賣餐盒醫療垃圾黑色產業鏈等一系列食品包裝安全問題的曝光,也使得塑料食品包裝材料的安全性和潛在健康風險引起了人們的高度關注。此外,這些塑料被廢棄后還會通過各種方式變成塑料碎片繼續污染環境,尤其是近年來廣受關注的微塑料(microplastics,MPs),粒徑小(<5mm),化學性質穩定,難降解,可在環境中存在數百至數千年[7]。

      MPs易富集在近海沉積物、土壤等介質中,也可懸浮水中并被浮游生物、魚類、鳥類、海洋哺乳動物等攝食,通過食物鏈傳遞富集,威脅生態系統和人類健康,已成為近年來環境領域的研究重點和熱點。本文通過檢索相關文獻,概述了常用塑料食品包裝材料的種類、用途及其中的有害化學品,并重點綜述了這些塑料自身及其中化學品的環境污染過程和生態健康效應,為此類塑料今后的污染控制和研究方向提供參考。

      塑料食品包裝材料簡介Introductionoplasticfoodpackagingmaterials)塑料食品包裝材料以合成樹脂高分子聚合物為基礎,在一定溫度和壓力下加入適量的穩定劑、塑化劑、抗氧劑、熒光增白劑、印刷油墨等來改進性能。常用的塑料食品包裝材料有聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚苯乙烯(polystyrene,PS)、聚氯乙烯(polyvinylchloride,PVC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneglycolterephthalate,PET)、聚偏二氯乙烯(polyvinylidenechloride,PVDF)、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)、聚酰胺(polyamides,PA)、聚乙烯醇(polyvinylalcohol,PVA)等[8−9]。其中,PE、PP和PET熱穩定性好,無毒無味,透明度高,被廣泛用作飯盒、礦泉水瓶、飲料果汁瓶等;其他材料因為自身理化特性、成型工藝、添加助劑等的不同,在性能和用途上也表現出較大差異。

      根據歷史使用情況,我國使用的外賣餐盒經歷了個階段,分別是發泡塑料、PP塑料、可降解餐盒。目前我國建議外賣餐盒使用可降解材料如淋膜紙碗等,但因為缺乏強制性的法律法規,目前的外賣餐盒仍以塑料餐盒為主,可降解材料的用量相對有限,由此產生的潛在污染和人體健康風險值得關注。

      2塑料食品包裝材料中的化學品(Chemicalsinplasticfoodpackagingmaterials)

      塑料食品包裝材料中所含的化學品主要來自個方面:1)塑料添加劑及材料單體;2)包裝印刷過程中的油墨及溶劑殘留物;3)包裝復合過程中使用的膠粘劑及其稀釋劑。

      2.1合成樹脂單體常見的合成樹脂單體包括:PVC單體氯乙烯(vinylchloride,VCM)、PS單體苯乙烯、乙烯、丙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯塑料(acrylonitrilebutadienestyreneplastic,ABS)的單體丙烯腈(acrylonitrile,AN)、三聚氰胺甲醛樹脂(melamineformaldehyderesin,MF)等。

      2.2塑料助劑用于食品包裝的塑料大部分為熱塑性樹脂,其加工流動性比較差。為了改善其品質和性能,廠家常會在其生產加工過程中添加大量助劑,如增塑劑、抗氧化劑、穩定劑、著色劑、潤滑劑、抗靜電劑等。

      2.2.1增塑劑

      增塑劑也叫塑化劑,用于增強塑料制品的可塑性和柔軟性,是產量和消費量最大的塑料添加劑之一。常用的增塑劑有鄰苯二甲酸酯類(phthalate,PAEs)、雙酚類(bisphenolics,BPs)、氯化石蠟(chlorinatedparaffin,CPs)、聚酯類、檸檬酸酯類、環氧酯類、脂肪酸酯類、磷酸酯類、偏苯三酸酯類等。

      PAEs又稱酞酸酯類,在增加塑料可塑性和柔韌性方面性能優越,是目前使用量最大的增塑劑,市場份額約為80%,全球年產量已超過200萬,在塑料中的質量比例高達20%~30%[10]。多數PAEs為無色透明、難溶于水但易溶于有機溶劑的油狀液體,屬于弱極性有機物,有微弱特殊氣味,難揮發,熔點較低,沸點高。最常用的PAEs增塑劑有鄰苯二甲酸二(2乙基己酯(bis(2ethylhexyl)phthalate,DEHP)、鄰苯二甲酸二丁酯(dibutylphthalate,DBP)、鄰苯二甲酸二乙酯(diethylphthalate,DEP)、鄰苯二甲酸二辛酯(dioctylphthalate,DNOP)、己二酸二(2乙基己基酯(diadipate(2ethylhexyl)ester,DEHA)等,其中DEHP的產量占PAEs總量的51%。

      BPs具有個羥苯基結構,是生產環氧樹脂和PC的重要化工原料,也是塑料生產中重要的添加劑,具有增塑、防老、改性和阻燃等功能。常溫狀態下BPs為白色晶體、粉末或者淡黃色油狀粘稠液體,易溶于丙酮、甲醇、乙腈等有機溶劑,難揮發且脂溶性強。食品包裝中最常用的BPs有雙酚A(bisphenolA,BPA)、雙酚B(bisphenolB,BPB)、雙酚C(bisphenolC,BPC)、雙酚F(bisphenolF,BPF)、雙酚S(bisphenolS,BPS)、雙酚AF(bisphenolAF,BPAF)、雙酚二環氧甘油醚及其衍生物等。上述BPs的結構信息和理化性質參數如表所示。其中BPA或雙酚二環氧甘油醚可使塑料具有無色透明、耐用、輕巧、防沖擊性突出等特性,被廣泛用于奶瓶、塑料瓶、一次性飯盒、保鮮膜、水杯及容器等。

      近年來,BPS、BPF等因結構上與BPA具有相似性而被作為BPA的替代品,廣泛用于禁止或限制BPA使用的食品包裝材料及容器的生產中,如以合成聚砜醚塑料替代PC塑料奶瓶。BPAF是BPA的氟化衍生物,廣泛用于耐高溫PC復合材料中。

      雙酚二環氧甘油醚則是在儲存過程中包裝材料與食品反應的生成物:當與酸性食物、水或鹽酸接觸時,雙酚二縮水甘油醚(bisphenolAdiglycidylether,BADGE)會出現水解與氫氧化反應,獲得相應的水解產物與氫氧化產物,繼而滲入食品內,危害人體健康[11]。

      CPs是正構烷烴經氯化氯質量在30%~70%)衍生后的復雜混合物。常溫下除氯化度為70%的CPs為白色固體,其余為無色或淡黃色液體,揮發性低、阻燃性高、電絕緣性高和價格低廉。按碳鏈長度可分為短鏈氯化石蠟(shortchainchlorinatedparaffins,SCCPs,C1013、中鏈氯化石蠟(mediumchainchlorinatedparaffin,MCCPs,C1417和長鏈氯化石蠟(longchainchlorinatedparaffins,LCCPs,1830。其中SCCPs常作為增塑劑、潤滑劑、阻燃劑、加工助劑改良劑被廣泛應用于皮革制品、膠粘劑、橡膠制品、日用消費品與PVC食品包裝材料[12]。

      2.2.2抗氧化劑

      受氧、光、熱等外界作用,塑料中的聚合物分子鏈會斷裂生成自由基,若不能及時消滅則會引起塑料分子斷裂,最終使塑料老化并失去使用價值,因此塑料加工時常需添加一些抗氧化劑來捕獲自由基,從而抑制和阻緩塑料老化變質,延長產品的使用壽命。

      常用的抗氧劑有取代酚類、芳香族胺類、亞磷酸酯類、含硫酯類等。其中酚類抗氧劑具有毒性低、不易污染等優點,被大量應用于食品包裝塑料中。常用的酚類抗氧化劑有2,6二叔丁基對甲酚(2,6butylatedhydroxyltoluene,BHT)、叔丁基羥基茴香醚(butylatedhydroxylanisole,BHA)、叔丁基對苯二酚(tertutylhydroquinone,TBHQ)、(3,5二叔丁基羥基苯基丙酸正十八烷醇酯rganox1076)、四甲基β(3,5二叔丁基羥基苯基丙酸酯季戊四醇酯rganox1010)等[13],其中irganox1010和irganox1076的使用量最大,前者以相對分子量大、材料相容性好、抗氧化效果強等優點而成為塑料抗氧劑中最優秀的產品[14]。歐盟食品接觸塑料材料和制品的最新法規(EUNo10/2011)[15]和中國的國家標準GB/T9685—2016)[16]均詳細規定了塑料食品包裝材料中酚類抗氧化劑被允許使用的種類、范圍和特定遷移量(specificmigrationlimit,SML)等。

      2.2.3穩定劑

      塑料在生產過程中受高溫易分解,在陽光和紫外線照射下易老化降解。因此,許多廠家在塑料加工過程中加入相應的穩定劑,來抑制或減緩其光熱老化速度,提高材料的耐光熱性,延長使用壽命[17−18]。從原料成分上分,目前常用的穩定劑包括鉛鹽、金屬皂、有機錫、有機銻、有機稀土、純有機化合物等。從功能上分,穩定劑包括熱穩定劑如鉛鹽、有機錫、金屬皂類、光穩定劑如受阻胺光穩定劑和有機鎳螯合物和紫外線穩定劑如鄰羥基二苯甲酮類、苯并三唑類等。當添加有金屬穩定劑的塑料制品接觸食品后,其中的金屬易遷入食品中對人體造成危害,尤其是鉛鎘穩定劑。

      2.2.4熒光增白劑

      熒光增白劑是一類熒光染料,也稱為白色染料,能吸收350~400nm波長的紫外光,然后再發射出肉眼可見的420~480nm波長的藍光或藍紫色熒光,該熒光與基質上的黃光互補,使所染物質獲得類似螢石閃閃發光的光學效應,從而顯著提高白度和光澤[19−20]。

      目前全球在產的熒光增白劑有1000余種,年總產量達15萬以上[21]。按化學結構可將熒光增白劑分為二苯乙烯型、香豆素型、吡唑啉型、苯并惡唑型、苯二甲酰亞胺型五大類。二苯乙烯型是目前工業生產中最常用的熒光增白劑,產量占全部熒光增白劑的80%以上[22],其中的三嗪氨基二苯乙烯類熒光增白劑使用量最大,市場占有率超過80%[21]。塑料制品中常用的幾種熒光增白劑有熒光增白劑WS、熒光增白劑PF、熒光增白劑OB、熒光增白劑EBF、熒光增白劑EGM、熒光增白劑KCB、熒光增白劑SN、熒光增白劑OB等。

      2.2.5阻燃劑

      作為石化產品的衍生物,多數塑料聚合物易燃。為滿足消防安全要求,常在塑料制品中加入阻燃劑以增強塑料的阻燃性能,降低燃燒速度。不同類型阻燃劑的阻燃機理主要有:1)通過改變火焰的燃燒鏈反應機理實現阻燃;促進聚合物表面生成具有保護作用的焦炭層,從而使火焰和熱源與未燃聚合物隔開;3)在熱源上添加水分,稀釋可燃性氣體,急冷和冷卻燃燒反應[23]。

      3食品包裝塑料的環境污染過程(Environmentalpollutionprocessoffoodpackagingplastics)

      3.1塑料

      微塑料的環境污染過程據統計,全球每年生產的億塑料中,有2.6億被丟棄,但其中只有16%被機械回收,3%被填埋,25%被焚燒,近20%則被丟棄進入環境,隨地表徑流遷移并在河口、海灣等近岸海域漂浮、沉積或聚集造成污染[28];這其中約10%最終進入海洋,占所有海洋廢棄物的60%~80%[29]。

      這些極難降解的塑料垃圾可在風化、海水侵蝕、生物分解等物理、化學、生物作用下形成塑料碎片,長期存在于環境中,并在風力、潮汐、洋流等外力作用下進行遠距離遷移擴散。據推算,全球每年經河流傳輸作用進入海洋的塑料總量可高達200萬以上,這些塑料廢棄物中包含大量的微塑料[30]。Mai等[31]估算每年通過珠江流域水體進入南中國海的微塑料質量在2400~3800t之間。

      3.1.1塑料

      微塑料的來源包括食品包裝塑料在內的塑料制品在廢棄后進入環境,其中的大塊塑料可在太陽輻射下發生氧化降解,從而脆化成塑料碎片,并進一步在風沙吹掃、海浪侵蝕、水體擾動等機械磨損作用下分解成粒徑更小的微塑料,如粒徑5mm的MPs。

      陸地環境中的MPs主要來源于生活垃圾、農用塑料薄膜、污泥農田施用、含MPs的污水灌溉、添加有MPs的個人護理品牙膏、洗面奶、化妝品和洗滌劑的使用、工業生產過程釋放塑料制品的生產、空氣爆破、纖維紡織物洗滌過程中MPs的脫落、大氣沉降等過程[32−33]。經模型估算,目前陸地環境中的MPs總量超過40萬,遠高于淡水和海洋環境中MPs的總和[34]。

      4生態與健康風險(Ecologicalandhealthrisks

      4.1塑料及其中化學品的生態效應

      4.1.1塑料

      微塑料的生態毒性效應由于MPs粒徑小,很容易被生物誤食,特別是海洋生物,其次是淡水生物和土壤生物。自然界中,超過220個物種被發現能夠攝食MPs,小至浮游生物、魚類、貝類、龜類、鳥類,大到鯊魚、鯨魚等哺乳動物,其中超過150種是海洋魚類[81]。目前對于淡水和土壤環境的研究較少,僅發現淡水魚、大型溞Daphniamagna、蚯蚓Pheretima、秀麗隱桿線蟲Caenorhabditiselegans能夠攝入MPs。

      由于MPs很難降解,一旦進入生物體將會對腸道系統產生大量機械性損傷,比如飲食器官和消化道梗阻、假性飽腹感和由此引發的攝食效率降低[82]、腸道功能紊亂、營養不良、生長緩慢、行為異常、受傷甚至死亡[83]。雖然大部分被生物攝入的MPs能夠通過排泄過程排出體外,但仍有少量MPs存在于腸道中,甚至穿過腸道壁進入其他臟器,進一步產生毒害效應。粒徑較大的MPs除了被生物攝食外,還能附著在生物體表面,甚至富集在水生生物的鰓、肝臟、淋巴組織、肌肉等組織和器官中[84],從而引發生物體的滲透壓和呼吸作用異常,引起腸道炎癥等。粒徑較小的MPs可能會進入血液循環系統或其他周邊組織,進而對整個生物機體產生毒害作用。

      5總結與展望Summaryandprospect)

      我國不僅是塑料包裝食品的生產大國,也是外賣餐飲消費大國。據我國互聯網絡信息中心《第47次中國互聯網絡發展狀況統計報告》:截至2020年12月,我國網上外賣用戶規模達4.19億,手機網上外賣用戶達4.18億[151];外賣市場交易規模達8352億元,同比增長14.8%[152]。但大量使用的一次性塑料餐盒和其中的各類化學品尤其是PAEs、BPA及其替代物、CPs等塑料添加劑,以及廢棄后產生的塑料垃圾和MPs污染對生態環境和人體健康的潛在危害值得進一步關注。鑒于此,今后的研究應著重于以下方面。

      (1)重點研發高效低廉、可生物降解、可再生、可再加工重復利用的綠色環保食品包裝材料,如鋁箔材料、可食用材質等;尋找低毒甚至無毒無害的增塑劑替代DBP、DEHP、BPA、BPS、BPF等常用的且存在生物毒性的增塑劑;用安全材料替代受限制或可疑材料,如采用PET替代PVC,PP替代PS。

      (2)加強對一次性塑料餐盒中各類化學品在食品中的遷移特征和毒性風險研究,尤其是PAEs、BPA及其替代物、CPs等塑料添加劑,并重點開展多種塑料添加劑對人體的聯合毒性試驗,探索其是否存在毒性相互促進協同或拮抗效應,科學全面地評估塑料餐盒使用及廢棄全過程對生態系統和人體健康帶來的潛在風險,特別是對胎兒和嬰幼兒暴露風險。

      (3)加強對MPs污染現狀和遷移規律的系統研究,利用基因組學、蛋白組學、代謝組學和同位素示蹤定量技術等分子生物學新技術,綜合考慮真實環境中不同生物的生活習性、構造特征及復合污染,深入探索MPs的生態毒性效應,尤其是其生物毒性機制及食物鏈傳遞效應以探究生物體攝入MPs的毒性機理。

      (4)完善食品塑料包裝材料的生產使用和廢棄塑料制品回收的相關法律法規,嚴格監督規范企業生產塑料食品包裝材料時使用PAEs、BPA及其替代物、CPs等有毒有害化學品的用量,加強監管部門對企業的監督檢查。同時強化企業的安全責任,建立健全的企業生產工藝體系,引進先進的技術也設備,使用新型環保溶劑醇溶性油墨或開發推廣無溶劑復合工藝,嚴格生產過程,保證食品塑料材料的生產質量。

      (5)加強社會宣傳,提高消費者的食品安全意識和對塑料污染危害的認識,進而改變消費行為、積極主動減少塑料制品的使用和塑料垃圾的排放、促進垃圾的循環使用和無害化處理等,都有助于從源頭上解決塑料污染問題。

      參考文獻(Reference):

      [1]何澤.塑料餐盒中鄰苯二甲酸酯的遷移規律研究[D].天津:天津科技大學,2017:1HeZ.Migrationregularityofphthalateinplasticfoodcontainer[D].Tianjin:TianjinUniversityofScience&Technology,2017:1(inChinese)

      [2]郝倩,蘇榮欣,齊崴,等.食品包裝材料中有害物質遷移行為的研究進展[J].食品科學,2014,35(21):279286HaoQ,SuRX,QiW,etal.Reviewofcurrentknowledgeonthemigrationofharmfulsubstancesfromfoodpackagingmaterials[J].FoodScience,2014,35(21):279286(inChinese)

      [3]洪夢寒,陳晉陽,顧婕.淺析我國食品包裝材料的問題與發展趨勢[J].上海包裝,2019(4):2225

      [4]姜歡.2019年歐盟食品接觸材料快速預警系統通報(RASFF)情況[EB/OL].(20200109)[202121].https://mp.weixin.qq.com/s/YUCdrYt2WJsCmMbJxfThrw

      作者:藍敏怡1,2,李會茹,2,*,胡立新1,2,楊愿愿1,2,應光國

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