基于汉森溶解度参数（HSPs）的食品包装聚合物筛选简易方法及其迁移风险评估

《Polymers》：A Simple Method for Polymer Screening for Selection of Food Packaging Material

　　

提出了一种用于食品包装应用聚合物筛选的简易方法。该方法基于汉森溶解度参数（HSPs），考虑了迁移风险以及对氧气和挥发性风味化合物的渗透性。此外，还考虑了聚合物的玻璃化转变温度（Tg）、食品的储存温度以及材料的最高暴露温度（例如热灌装情况）。基于这些数据，针对特定食品和每种聚合物，计算五个子分数。对于给定的食品，22种聚合物根据其总分进行排名，总分为五个子分数之和。然而，最终的材料选择并非仅依据总分，因为子分数提供了关于每种聚合物作为特定食品包装使用时具体优缺点的见解。所提出的方法有助于识别合适的候选聚合物，排除对特定食品显然不适宜的聚合物，甚至设计性能改进的多层复合材料。该方法的基本假设之一是食品-聚合物相互作用对评估迁移风险至关重要。在两个不同食品模拟物中进行的迁移试验为该假设提供了初步支持。

一、研究背景与问题

随着食品包装法规日益严格，对包装材料的规格要求持续提高。金属、陶瓷、聚合物及复合材料均可用于食品包装，其中聚合物因其低重量、低成本、易加工及良好机械性能而最为常用。然而，聚合物相较于玻璃和金属存在较差的阻隔性能。此外，在聚合物加工过程中会使用增塑剂、抗氧剂、颜料等低分子量添加剂，这些物质可能从包装迁移至食品中，构成环境和健康风险。因此，如何为特定食品选择合适的包装材料是一个涉及多方面因素的复杂决策问题。现有决策工具虽然考虑了湿度、储存温度、T_g及O₂和CO₂渗透性等因素，却未涵盖两个重要方面：一是挥发性风味化合物的渗透，二是食品-聚合物相互作用及其引发的迁移风险。由于风味化合物种类繁多（可达数百种），实验获取其与各种聚合物的渗透性数据极为有限。为此，研究人员开发了基于汉森溶解度参数（HSPs）的简易筛选方法，旨在综合考虑迁移风险、气体和风味化合物渗透性及热力学因素，为食品包装材料的选择提供支持。

二、关键技术方法

研究人员主要采用以下关键技术方法：

1. 1.
   汉森溶解度参数（HSPs）理论框架：利用HSPs预测物质间相互作用，包括分散力、极性作用和氢键贡献，据此评估食品-聚合物相容性及渗透风险。
2. 2.
   多指标评分体系：构建包含五个子分数的评分系统，分别对应食品-聚合物相互作用（score1和score2）、氧气及风味化合物渗透性（score3）、储存温度（score4）和最高暴露温度（score5）相对于聚合物T_g的关系。
3. 3.
   混合体系HSP估算方法：根据食品营养成分（脂肪、蛋白质、碳水化合物）的体积分数，运用混合物HSP计算公式（式2-4）推算食品的表观HSP值。
4. 4.
   迁移实验验证：选用聚苯乙烯（PS）和聚乙烯醇（PVA）两种聚合物薄膜，嵌入橄榄油作为模型迁移物，在欧盟规定的亲水性模拟物A（10%乙醇水溶液）和疏水性模拟物D1（50%乙醇水溶液）中进行24小时浸泡迁移测试，通过质量损失率评估迁移行为。

三、研究结果

3.1 迁移实验验证结果

迁移实验结果表明，PS在疏水性模拟物D1中的总迁移量和橄榄油迁移量均高于亲水性模拟物A，这可由迁移物（橄榄油）-模拟物相互作用解释。然而，PVA在亲水性模拟物A中的迁移量反而高于疏水性模拟物D1，这一现象无法用迁移物-模拟物相互作用解释，而只能归因于聚合物-模拟物相互作用：PVA与亲水性模拟物A发生强相互作用导致溶胀，增加了自由体积和链流动性，从而促进了橄榄油的扩散迁移。该结果有力支持了研究方法的基本假设——聚合物-食品相互作用是影响迁移风险的重要因素。

3.2 醋（亲水性简单食品）的聚合物筛选

对22种聚合物进行排序，聚碳酸酯（PC）和聚丙烯腈（PAN）总分并列最高。PC因具有最高的T_g而在score4和score5中获得满分1分，迁移风险子分数可接受，渗透性分数中等；PAN则因极低的氧气和乙酸渗透性获得高score3分，其他分数中等。尽管聚苯乙烯（PS）排名第三，但其T_g（>85°C）远高于醋的典型填充和储存温度，且迁移风险子分数显著优于PC和PAN，因此被认为是更优选择之一。此外，可设计PS涂覆PAN的多层复合膜以综合提升各项性能。

3.3 番茄酱（复杂亲水性食品，热灌装工艺）的聚合物筛选

考虑热灌装温度88°C后，PC和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）被认为是最适合的材料。PS因T_g接近热灌装温度导致score5极低而被排除；PAN同样因低score5被排除。聚维酮（PVP）虽总分高但其他分数低也不适宜。当聚合物T_g低于储存或最高暴露温度时，相应子分数会出现负值。

3.4 橄榄油（疏水性食品）的聚合物筛选

PC和PVP因高T_g再次排名靠前，但其他分数很低。PAN和PVA虽然score4和score5较低，但其T_g仍足够高于橄榄油的储存和暴露温度，且在score1、score2和score3上表现优异，因此被视为最佳选项。

四、讨论与结论

讨论部分总结：研究方法可作为专家决策辅助工具，总分可用于排除明显不适用的聚合物，但最终材料选择不能仅依赖总分，必须结合子分数综合判断。方法存在若干局限性：其一，未考虑半结晶聚合物的结晶度影响，导致聚丙烯（PP）等常见包装聚合物因T_g低于零度而排名靠后；其二，子分数基于候选聚合物中的最大值或最小值归一化，引入新聚合物可能导致所有子分数重新调整，但比例变化不会严重改变排序；其三，天然聚合物如纤维素和甲壳素的HSP值难以通过溶解实验可靠测定，限制了方法的应用范围。未来工作可通过设定排除标准、采用固定参考值和考虑结晶度来完善方法。

研究结论翻译：提出了一种用于食品包装应用聚合物筛选的简易方法。该方法考虑了迁移风险、聚合物对氧气和挥发性风味化合物的渗透性，以及聚合物的T_g、食品的储存温度和最高暴露温度。聚合物根据其总分进行排序，总分为各子分数之和。子分数比总分更为重要，有助于识别每种聚合物在特定食品应用中的优缺点。该方法有助于发现合适的候选材料、排除明显不适宜的聚合物，甚至设计性能改进的多层复合材料。方法的基本假设之一——聚合物-食品相互作用可作为迁移风险的间接度量——得到了PVA和PS薄膜在两种食品模拟物中迁移试验的初步支持。该结论具有重要意义，因为欧盟法规仅基于迁移物-模拟物相互作用推荐食品模拟物，而研究结果表明聚合物-食品相互作用也应纳入迁移风险评估考量。当然，需要在更多迁移物和食品模拟物中开展进一步迁移实验，以获得对迁移过程更全面深入的理解。