商业塑料包装袋在烹饪过程中产生的微塑料排放：释放动态的异质性及材料特异性机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Culinary-driven microplastics emission from commercial plastic sachets: Heterogeneous release dynamics and material-specific mechanisms

微塑料释放机制研究：通过对比PET与PA在盐、油及纯水中的释放特性，发现PA在高盐（15.19 mg/L）及高温油环境（因表面改性加剧释放），而PET相对稳定。运用TOC、SEM及UV-Vis光谱证实亚微米颗粒（<1 μm）占主导（10? particles/mL），盐离子催化降解和油相表面效应是关键驱动因素。建议食品包装优先选用PET。

　　

李坤|李伟毅|陈星月|叶志东|陈章格

南京信息科学技术大学环境科学与工程学院，中国南京210044

摘要

塑料食品接触材料的广泛使用引发了人们对人类暴露于微塑料（MPs）的担忧。本研究系统地探讨了在模拟烹饪条件下聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰胺（PA）包装袋中微塑料的释放情况。研究发现，释放量受到浸泡介质、浸泡时间和聚合物类型的影响显著。采用多方法定量分析技术，结合总有机碳（TOC）分析、扫描电子显微镜（SEM）和紫外-可见光谱法（UV-Vis），对微塑料的释放量进行了量化。PET的最大TOC浸出浓度达到6.33 mg L^-1，PA的最大TOC浸出浓度达到15.19 mg L^-1。SEM分析显示，释放的颗粒以亚微米级（<1 μm）为主，其数量为10^8颗粒/mL^-1，远高于微米级（>1 μm）颗粒的数量。长时间浸泡会增强微塑料的释放，其中5%盐溶液沸腾时的释放量最高，其次是1%油溶液沸腾和100°C纯水沸腾。机制分析表明，盐离子起催化作用，而油则改变了材料表面性质并提高了沸点，共同促进了微塑料的释放。傅里叶变换红外光谱和SEM分析揭示了塑料成分和形态的变化。鉴于PET和PA的稳定性差异，建议在高盐/油环境中优先使用PET。本研究为设计更安全的塑料包装袋提供了关键见解，并为相关行业提供了理论依据。

引言

近年来，由于塑料制品具有耐用性、轻便性和成本效益，其在工业生产和日常生活中得到了广泛应用[1]。然而，由此产生的大量塑料废弃物进入自然环境，导致了严重的环境污染[2]。微塑料（MPs）是指尺寸小于5毫米的塑料颗粒，由于其广泛的环境分布和潜在的危害性，已成为科学研究的重点[3]。微塑料分为初级微塑料和次级微塑料[4]。初级微塑料是直接以小尺寸制造的塑料颗粒，而次级微塑料是由较大的塑料碎片通过光降解、生物降解、水解和机械磨损等过程形成的[5]。

越来越多的塑料材料被用于食品包装袋（如茶包、炖料包），可能导致人类摄入微塑料[6]。在日常生活中，茶包和炖料包常用于泡茶、熬汤等场景，因其便利性而受到消费者的青睐。然而，在特定条件下，塑料材料会发生物理或化学变化，从而释放微塑料，这一现象引起了科学界的广泛关注。现有研究表明，温度对塑料降解和微塑料的释放具有双向影响：高温可能促进塑料聚合物链的断裂，从而通过自由基介导的热降解过程释放微塑料单体[7]；同时，水解过程也会加速，导致更多塑料颗粒释放到环境中[8]；低温则使塑料变得更脆，分子运动性降低，增加了破碎的可能性[9]。这些发现突显了使用塑料包装袋时微塑料污染的潜在风险。尽管有多种因素可以导致塑料降解，但本研究重点关注与烹饪实践最相关的条件：在水、盐和油环境中长时间煮沸，这些条件是人类暴露于微塑料的主要途径之一，但目前相关研究较少。

许多国内外研究已经探讨了塑料包装袋中微塑料的释放机制以及食品基质中微塑料的来源、含量和检测方法[10],[11]。然而，大多数现有研究主要集中在一次性塑料杯和瓶等塑料包装袋在使用过程中的微塑料迁移行为[12],[13]。相比之下，关于在各种烹饪或冲泡条件下广泛使用的塑料包装袋中微塑料释放的研究仍然有限[14]。当前的研究空白主要体现在两个方面：首先，缺乏对塑料包装袋在典型使用场景（如泡茶、腌制、熬汤等）中微塑料释放行为的系统研究；其次，不同材料制成的塑料包装袋在微塑料释放特性上的差异尚未得到充分探索。

本研究选择聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰胺（PA）作为代表性材料，因为它们广泛用于食品接触材料，尤其是含有液体或油基产品的包装袋[15]。PET是一种聚酯，具有高强度、优异的气体和防潮阻隔性能以及一般的化学耐性[16]；而PA（通常称为尼龙）则具有出色的韧性、良好的热稳定性和高耐油性及耐磨性[17]。然而，在高温和长时间浸泡等苛刻条件下，它们的稳定性可能会受到影响[18]。因此，在模拟烹饪条件下比较化学稳定但易碎的PET与坚韧且耐油的PA的微塑料释放情况，可以提供关于材料特定风险的关键见解。本研究的目标是：（1）确定塑料包装袋在模拟烹饪条件下的释放行为；（2）明确微塑料释放与材料类型和使用条件之间的关系；（3）分析释放颗粒的尺寸分布和形态特征。通过结合定性和定量分析方法，对释放的微塑料进行了全面表征。本研究不仅有助于更好地了解日常使用塑料包装袋时微塑料的潜在暴露风险，还为开发更环保、更安全的食品接触塑料材料提供了科学依据和技术支持。

材料基本信息

关于材料的基本信息

本研究中使用的PET和PA塑料包装袋为市售产品（Cooker King，淘宝）。样品1为白色PET，尺寸为6 × 7 cm，厚度为0.04 mm；样品2为白色PA，尺寸为5.5 × 7 cm，厚度为0.03 mm。合成油水介质使用100%纯芝麻油（Lee Kum Kee品牌）制备。

塑料包装袋中微塑料的释放实验

本研究设计了四个实验组来研究两种类型包装袋中微塑料的释放情况

塑料包装袋的热重分析结果

为了明确商业包装袋的成分，进行了热重分析（TG分析）。图1展示了两种塑料包装袋在30–800°C温度范围内的TG曲线（实线）。具体来说，图1a和图1b分别展示了PET和PA的质量变化情况。PET的质量损失分为两个阶段：第一阶段（30–145°C）损失0.0268 mg（占总质量的1.16%），主要是水分蒸发；第二阶段（145–800°C）...

结论

本研究采用多方法（包括TOC分析、UV-Vis和SEM）系统评估了商业塑料包装袋在各种烹饪条件下的微塑料释放情况。研究发现，微塑料的释放受到浸泡介质、接触时间和聚合物内在性质的复杂相互作用的影响。PA和PET的主要释放机制不同，并且受环境因素影响。对于PA来说，微塑料的释放主要通过水解链断裂实现...

作者贡献声明

李坤：资金获取。李伟毅：写作 – 审稿与编辑。陈星月：写作 – 初稿撰写。叶志东：实验研究。陈章格：方法学设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42577447、42307488）和江苏省研究生研究与实践创新计划（项目编号：SJCX25_0538）的支持。