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食品用软包装材料的检测

食品包装的安全性又是食品安全的一个重要影响因素。然而没有哪种材料的使用是绝对安全的,塑料薄膜也是一样,因此对于食品用软包装材料的检测是完全必要而且非常重要的。
    1、检测的重点和必要性
    塑料薄膜是一种高分子聚合物,为了使得实际包装所使用的薄膜材料具有一定的实用性能,通常会在其制造过程中添加一些添加剂和助剂来实现。例如通常来讲塑料硬度很大,因此为了使塑料薄膜更适合软包装的应用,需要在聚合物内添加一定的助剂来提高薄膜的柔软性。单纯一种材料综合性能并不佳,因此对材料进行改性、复合都是最有效的改善材料综合性能的方式。材料改性和多层复合都有各自的应用领域,但是由于改性材料价格相对较高,所以复合塑料薄膜的应用更加广泛。
    综合来讲,尽管塑料薄膜本身具有一些不利于应用的弊端,但是现在这些问题都可以依靠后期的加工处理加以改善。因此,目前我们使用的塑料薄膜都可以很方便地用于,印刷、覆膜、加工、包装等,而且多层复合材料的广泛应用真正实现了按照包装需要控制包装成本。
    尽管如今可以通过一些处理工艺来解决塑料薄膜材料综合性能的缺陷问题,然而由于高分子聚合物本身在一定的条件下,或者是在与一些物质接触时,会发生化学反应导致游离单体析出,同时在材料的制造过程中,所加入的一系列助剂、添加剂在材料的贮存及实际使用过程中也会存在析出的问题(其成分往往对人体有害),因此需要引起特别的关注,尤其值得注意的是复合包装袋中使用的胶水,印刷过程中产生的溶剂残留问题,若出现这些问题会使材料的卫生性能没有任何保障,这些材料若是与食品直接接触,析出的物质就会直接进入食品中,严重危害消费者的健康和安全,例如前一阵曾经出现的有毒食品包装袋事件。因此必须对食品包装用软包材进行严格的理化性能检测。
     同时还需要注意的是,随着单体的析出,材料的物理性能也会出现变化,而且这些变化往往不利于材料的包装功能。例如如果在复合薄膜的粘合成分中有物质析出的话,薄膜则更易出现分层,则其原有的物理性能都将大大降低,如包装的密封效果、机械强度等。可以想象,如果物理指标不过关,则包装的基础保护能力就会有所下降,这样包装在运输、贮存过程中出现包装破损的概率就会有所增加。而倘若包装出现破损,则对食品来讲不但没有起到包装的保护作用,相反还会对一同存放的其他物品带来严重的影响,使损失进一步扩大。因此物理性能也是包装材料的检测重点,需要在包装前进行充分的检测。
    2. 主要的检测项目
    软包材的范畴主要包括非复合膜、复合膜,当然也包括纸品包装(尤其是经过塑料涂覆的纸板包装)。然而厚度较大、硬度较高的塑料片材和塑料容器由于其原材料、主要检测指标与薄膜包装都非常相似,因而往往也归在这个范围之内。本文将把软包装物作为检测介绍的重点,因为材料本身是无法承担包装用途的,必须制成包装物才能被使用,而对于软包材的检测也是为了实现包装物的保护功能。
    检测项目可以分为感观、物理检测指标和理化检测指标三类,应依照相应食品级产品的制造标准进行检测。
2.1 理化检测项目
    理化检测的检测项目主要有溶剂残留量检测、蒸发残渣(4%乙酸、65%乙醇、正己烷)、高锰酸钾消耗量、重金属、脱色试验(乙醇、冷餐油、浸泡液)等。理化指标是对于任何与食品相接触的材料都应该进行的检测项目,但是针对材料的制造工艺以及应用领域的不同,有些检测可以有选择的进行,例如蒸发残渣试验和脱色试验。
    高聚物材料用于食品包装的安全性一直是一个争议较大的焦点,过去争论的主题往往是围绕高聚物材料在使用过程中,是否会产生对人体有害的游离单体,近几年,由于包装袋上残留溶剂总量超标事件层出不穷,使得高聚物包装袋的使用安全性再次受到了广泛的关注。随着食品包装3C认证的强制施行,进行高聚物材料的溶剂残留检测已不再是可有可无的事情。理化检测中每一项都关系到包装的卫生安全性,因此是非常重要的。
    通常在包装内的残留溶剂主要含有甲苯、二甲苯、丁酮、异丙醇、乙酸丁酯、乙酸乙酯等物质,依据具体使用的材料以及油墨而存在差异。对软包装厂而言,造成溶剂残留超标的因素较多,例如:基材选择不当、生产工艺不规范、设备简陋老化、生产各环节缺少必需的检测控制等。此外,软包装生产设备若是存在烘道加热温度不合适、烘干风量不足、添加剂涂布不均匀、生产速度不合理等现象也会引起复合包装的溶剂残留量超标。无苯型油墨、水性油墨、各类环保粘合剂的开发和使用,为彻底解决复合包装的溶剂残留问题带来了光明的前景,但是目前价格因素以及对现有设备的更换等问题限制了它们的广泛使用。现在,复合包装要做到溶剂残留量达标,还必须依靠改善现有的生产制作工艺,并加强检测机制来实现。
    溶剂残留量检测可以利用气相色谱仪进行,不但可以使材料使用者对材料在印刷、复合中使用的各类助剂、添加剂、溶剂的安全性(是否含有不符合使用要求的成分、或者某种成分的含量是否超标)有一个整体的认识,而且还可以有效解决一些包装材料存在“异味”(残留溶剂所引起的)的问题,因而通过该项检测,可以很好地控制包装的卫生安全性。图1是使用Labthink GC-7800型气相色谱仪检测标准物质所获得的标准谱图,可以检测酮类、酯类、醇类、苯类(甲苯、二甲苯等)等软包装制造过程中常用溶剂的残留量,是专门为软包装企业量身定做的一款溶剂残留量检测设备。通过专门配置的气相色谱工作站。(软件),不仅能直接检测出复合包装中各类残留溶剂的名称,而且可以直接显示出该类溶剂的残留含量(mg/m2),便于试验人员参考检测标准进行数据分析,此外还可检测所使用溶剂的纯度。
    2.2 物理检测项目
    物理检测主要是对材料的力学性能、阻隔性能、热性能、光学性能等的检测,主要的检测项目包括拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度、剥离强度、落镖冲击性能、密封性能、热封性能、热收缩率、气体透过率(包括氧气、二氧化碳、氮气、空气等)、水蒸气透过率、透光率、雾度等等。针对材料种类的不同以及应用领域的差异,具体每种材料的测试项目也有不同。例如对于容器来讲,瓶盖开启时所需要的扭矩力也是需要检测的。材料的气体透过率检测往往没有必要检测多种气体,应该根据实际的包装用途进行选择,例如如果氧气是引起内容物食品变质的主要原因,则包装材料应该对氧气有很好的阻隔性能,应该检测材料的氧气透过率,至于二氧化碳、氮气等气体的检测这里是不需要的。如果影响内容物品质的不但有氧气,还有二氧化碳、氮气的含量,那么在检测材料的阻隔性能时,不但需要检测材料的氧气透过率,氮气透过率、二氧化碳透过率也需要检测。
(1)阻隔性能
    阻隔性是软包装的一个重要指标,它的优劣直接影响到内容物保质期的长短。一般来讲,氧气、水蒸气都能对产品的品质产生影响,是致使食品变质的主要原因。因此,要想让食品达到理想的保质效果,切断包装内的氧气或水气来源是预防变质的有效途径。
    过去我们只能检测薄膜、片材的阻隔性,但是在实际包装中,我们所见到的包装形式都是容器、包装袋等,试验证明,检测材料的阻隔性只能为最终的包装选择给出一个参考值,由于容器外形的特殊性,使得对容器进行阻隔性检测具有自己的特点,相对薄膜来讲,容器的测试方法发展缓慢。以前往往通过检测容器片材来估算容器的透气量、透湿量,可是容器的壁厚很不均匀,而且材料性质在生产过程中发生了变化,所以估算结果与实际检测结果存在一定的差距。由于检测技术发展不一,目前容器的透氧性检测方法发展最快,ASTM F 1307容器透氧检测方法标准的推出更加速了容器透氧性设备的研发及推广,也使得测试结果更加科学、准确,大大改变了以往测试方法混乱、数据可信性低的状况。Labthink兰光已于2004年成功研制出国内第一台等压法薄膜/容器透氧仪,并于次年率先推出了可进行容器透湿性检测的电解法水蒸气透过率测试仪。
    需要特别声明的是阻隔性不等同于密封性,阻隔性与密封性的检测对象都是气体,但是检测范围相差很大:密封性用于评定大量气体的泄漏,而阻隔性用于检测微量气体的渗透。对材料进行阻隔性检测是建立在材料无缺陷(对于包装成品而言就是整体密封性良好)的基础之上的,否则没有任何意义。
(2)常规检测
    物理检测的结果会直接影响到包装的实际保护功能,检测时应在满足基础指标检测的基础上,根据实际情况(包装内容物的特性、贮存环境以及保值期的确定等等)对包装材料的性能进行全面的检测。
    常规物理性能的检测是质量保证的基础,其检测目的是要避免包装物在完成预定的包装功效前,出现包装破损的情况。如果包装材料的常规物理性能检测不合格,可能出现的包装物破损,会使得包装材料的全部保护功能都失效,采用任何功能性材料以及化学性能再好的材料都是徒劳的。常规物理性能检测包括对材料力学性能、热性能、光学性能等的检测,此外根据材料的不同应用场合,对材料的燃烧性能、电性能、耐介质性能等也有不同的要求,因此材料的检测项目应按照具体的包装应用来确定。
    对于广大软包装厂商来讲,材料力学性能指标的检测需求是最强的。力学性能包括拉伸性能、弯曲性能、冲击性能、剪切性能、摩擦性能、热封性能等,任何一项不达标都可能导致包装物的破裂或者生产线运作失误。热性能包括热稳定性、线膨胀系数、导热系数、低温试验等,其中软包装相关行业最关注材料的热稳定性和低温试验。材料的热收缩性就是材料的热稳定性之一,这项指标后来成为收缩膜的一项重要检测指标。光学性能也是一项非常重要的指标,在对光敏感食品进行包装时,尤其要注意材料的光学性能检测,主要检测项目有材料的透光率和雾度。下面着重介绍一下热封性能、密封性、以及揉搓性能的检测。
A、热封性能
    材料的热封性能(Heatsealability)包括在热封部分仍然比较热(尚未冷却到环境温度)时检测它的热封强度(Hot Tack),以及热封部分冷却稳定后的热封强度(Ultimate Strength)两方面。热封制袋普遍应用在日化产品包装、食品药品包装等领域,软包装生产线上的充填方式多数是让产品从一定高度落入包装袋中,会对包装袋底部形成冲击,如果在充填过程中包装袋底部无法承受由于内容物充填所引起的破裂力作用,就会出现底部开裂的情况,从而出现破袋。为了有效控制生产线的破袋率,我们更关注材料热封后,在热封层尚未完全冷却时的热封强度,这就是通常所说的材料的热粘性(Hot Tack)。然而由于包装物在储运过程中多是叠放在一起的,如果内容物是液体或者采用气调包装形式,包装物的热封强度在储运过程中无法承受外界的压力,就会出现破袋现象,因此对于材料热封部分冷却后的热封强度也有一定要求。
B、密封性   
    包装最重要的性能就是密封性能,如果气体或液体通过包装件的泄漏点泄出或进入包装,就会加速内容物的变质,同时使得包装材料的阻隔性失去效用。然而对于每种具体包装形式来讲,与密封性能相关的指标都不相同。对于热封制袋来讲,热封操作的高温处理会影响到附近包装材料的机械强度,所以热封边附近的材料也常常会成为软包装袋密封性的薄弱点;而且在对软包装袋加压时,实际上袋子各处所受的压力分布并不均匀,而最先出现泄露的位置是承压强度最低的部分,所以要正确评价软包装袋的密封性能,必须对包装成品进行测试。软包装袋整体密封性检测的方法主要是依靠袋内增压,因此我们在检测软包装袋密封性能时,需要在软包装袋内外形成压力差,来模拟它的实际受压状态,实现方法有正压法(向包装袋内充气直接增加包装袋内的压力,Labthink推出的LSSD-01泄漏与密封强度测试仪就是采用这种方法)和负压法(通过抽真空方式降低包装袋外的压力,典型产品是Labthink MFY-01密封性测试仪)两种。而对于容器类包装来讲,普遍采用螺纹密封方式,因此体现塑料瓶盖与瓶口配合好坏的瓶盖密封性能,成为影响塑料容器整体密封性能的首要因素。瓶盖的密封性能关系到内容物的保存质量和时间,是塑料类容器最受关注的指标之一,使用LSSD-01泄漏与密封强度测试仪可以检测。
C、揉搓性能
    作为当今零售品的主要包装方式,软包装物在包装完成之后到消费者使用之前,需要经过或长或短的运输、贮存、销售阶段,而且在每一个阶段中都可能遭遇揉搓、折压等外力作用,从而对材料的物理性能产生影响。然而目前进行的各种软包材性能检测,多是针对未进行包装之前的材料,而对于那些已经完成包装、正在出售中、或者即将使用的包装物,除仅有的密封试验、老化试验以及一些理化检测外,对于包装材料的性能检测(例如初期非常关注的一些物理性能:阻隔性能、力学性能)几乎完全没有,因此在流通过程中,包装物所使用的包装材料,其抗揉搓性能是否满足设计要求是无法确定的。这种情况的出现与过去难以模拟材料在生产、加工、运输过程中遭遇的揉搓、折压等作用有关,若采用实际包装物随机抽样进行检测的方式,则测试数据也同样具有随机性。通常,揉搓过程会对软包装材料的物理性能(如材料阻隔性能)产生影响。然而随着包装要求的提升,材料抗揉搓性能已经成为包装选材的一个重要因素,对该项性能指标进行标准检测的需求越来越高。
    以前只能通过人为操作来模拟揉搓情况,然而人工模拟在试验频率以及力度上都难以量化,因此对材料的抗揉搓性能也只能作出定性评价。至于如何是“抗揉搓性能好”,以及同属于“抗揉搓性能好”等级的材料哪一种又更好?依靠人工模拟方式很难给出答案。ASTM F392是世界上第一个专门用于检测软包装材料抗揉搓性能的方法标准,通过检测试样在揉搓试验前后针孔数量的变化,或阻隔性能的变化来判断材料的抗揉搓性能,可以为包装设计与材料的实际应用提供量化依据。Labthink兰光研发的FDT-01揉搓试验仪采用ASTM F392标准,图2中的数据就是兰光实验室利用该设备检测真空镀铝PET(VMPET,12μm)、PET(20μm)、PE/EVOH/PE(76μm)三种材料抗揉搓性的透湿量数据,可以看出虽然这三种材料的阻隔性能都在中高阻隔性的范围内,然而他们的抗揉搓性能却差距明显。
2.3测试的影响因素
    常规物理检测项目基本上都可以使用相应的检测设备进行检测,而对于同一项指标,检测方法可能不止一种,而且测试环境和试样的尺寸以及预处理都会对试验结果产生影响。综合来看,测试的影响因素主要有:测试环境、预处理以及采用的测试方法。
    测试环境会对试验结果产生影响,例如温度不同会导致摩擦系数的显著变化。湿度也会对部分高聚物的测试结果产生影响,尤其对极性高聚物的影响更加显著。
预处理环境以及预处理时间长短都会对试验结果产生影响,这主要是因为试样的制造环境不一致、内应力消除不完全所致,对比试验需要在相同的预处理环境以及预处理时间下进行。
    试验方法不同,试验结果没有可比性,因此在进行材料性能对比时,一定要在测试方法以及各种测试条件(环境温湿度、测试速度等)都相同的前提下进行。对于我国的软包装行业,选购完全执行我国国家标准的检测设备是提高材料数据可比性的一种有效方法。
3、总结
    现在包装用塑料材料在欧美等发达国家中所占包装材料的总消耗量多在20%~25%之间,而且逐年呈增长的趋势,未来发展的方向是推出高性价比以及环保化的新品种、新材料,塑料薄膜已经是当今最重要的包装材料之一。与塑料包装的发展紧密联系的,就是要对包装材料各种性能进行全面的检测,切忌只看重材料部分性能的提高,而忽视某些性能下降可能带来的危害,更要杜绝检测不达标就用于包装的现象,因为食品的包装安全与食品安全息息相关。

 

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