全球食品工业高度依赖塑料包装来维持食品完整性和延长保质期，通过提供对氧气、水分和污染物的关键屏障来实现这一目标（Golriz等人，2026年；Marsh和Bugusu，2007年）。除保护功能外，塑料还具备优异的加工性能，可制成薄膜和托盘等形式，从而实现低成本的大规模应用（Nair等人，2023年；Rapisarda等人，2020年）。此外，塑料包装的轻量化特性相比玻璃或金属替代品，减轻了运输负担并降低了相关的生命周期环境影响（Dolci等人，2024年；Novakovic等人，2023年）。尽管具有这些功能优势，石油基塑料的广泛使用已造成严重的废弃物管理危机（Jiao等人，2026年）。大约40%的塑料制品用于包装，其中几乎全部在单次使用后成为废弃物（Dokl等人，2024年）。大部分废弃物被填埋、焚烧或不当处置，导致长期的陆地和水体污染以及温室气体排放（Dokl等人，2024年；Geyer等人，2017年）。
这些环境压力推动了向可持续生物基替代品的转变（Hussain等人，2024年；Yin和Woo，2024年）。其中，聚乳酸（PLA）虽然在包装领域的市场份额相对较低，但凭借其可再生来源、热塑性加工性能及光学透明度，已成为替代聚乙烯、聚丙烯等石油基塑料的突出候选材料（De Luca等人，2023年；Naja Hasoon和Panicker，2026年；O'Loughlin等人，2023年）。
与聚烯烃不同，PLA在室温下（Tg ≈ 60°C）具有固有的刚性和脆性。为满足PLA柔性包装应用的需求，需要掺入三丁乙酰柠檬酸酯（TBAC）等增塑剂，以提高链段流动性、降低玻璃化转变温度并改善柔韧性（Hasanoglu等人，2024年；Lazaro-Hdez等人，2025年；Sun等人，2024年）。PLA包装中还含有多种添加剂，分别承担不同的功能角色；例如，BHT和Irgafos 168等抗氧化剂和稳定剂可抑制加工和使用过程中的氧化和热降解（Dopico Garcia等人，2004年；Kirchkeszner等人，2022年）。
此类添加剂从包装材料迁移至食品中的行为是消费者安全问题，受到特定迁移限量（SMLs）的监管（European Commission, 2011）。虽然抗氧化剂迁移是许多食品接触性聚合物共有的风险（Dopico-García等人，2007年；Mesquita和Abrantes，2022年；Yin等人，2025年），但在增塑PLA中这一风险更为加剧（Petrovics等人，2022年）。由此产生两个定量的问题：（i）迁移速率有多快——这是一个动力学问题，由添加剂在聚合物基体中的扩散所控制；以及（ii）最终有多少添加剂转移——这是一个热力学问题，由添加剂在聚合物和食品之间的分配所控制。
实验迁移测试是必不可少的，但本质上耗资源（Fang & Vitrac, 2017），因为涉及诸多变量，包括储存温度、包装几何形状、材料配方和食品模拟液类型。数学建模提供了一种稳健且实用的替代方案。在利用有限的实验数据进行验证后，机理模型可预测广泛使用条件下的迁移行为。这种预测能力支持基于安全设计的包装开发，促进对SMLs的合规性评估，并通过保守的最坏情况筛选大幅减少对手工实验测试的依赖（Fang和Vitrac，2017年；Gupta等人，2024年；Rodríguez-Ramos等人，2024年）。
大多数现有迁移模型依赖于Piringer方法或简化的菲克型框架，假设添加剂具有恒定的扩散系数（García Ibarra等人，2019年；Jamshidian等人，2012年；Kirchkeszner等人，2022年；Li等人，2019年；Li，2019年；Ortiz-Vazquez等人，2011年；Samsudin等人，2018年）。在PLA的情况下，该假设无法反映其与脂肪性食品成分接触期间的动态演化。关键是，PLA的极性使其对这些成分的亲和力显著高于非极性的聚烯烃（Kirchkeszner等人，2022年）。当脂肪性成分扩散进入PLA时，会在基体增塑（由模拟液吸收和内部增塑剂共同引发）与溶剂诱导结晶之间触发复杂的相互作用（I?iguez-Franco等人，2016年；Petrovics等人，2023年）。增塑作用虽然提高了链段流动性和自由体积以有利于添加剂迁移（Chaos等人，2019年；Dragan等人，2024年；Maiza等人，2015年），但结晶则限制了链的流动性（Jamshidian等人，2012年）。现有框架无法从机理上将这些溶胀诱导的结构转变进行耦合，因而无法预测PLA中添加剂的复杂迁移行为。
本工作的创新之处在于构建了一个耦合的输运-动力学模型，将分子层面的信息与宏观输运相结合，以克服PLA固有的局限性。溶剂诱导结晶的时空演化——作为局部溶剂和内部增塑剂浓度的函数——通过Vrentas-Duda自由体积理论结合修正的Avrami方程来描述。此外，添加剂在聚合物-溶剂界面的分配通过将Hansen溶解度参数与Flory-Huggins相互作用参数相联系来预测，以确保边界条件反映系统固有的热力学特性。这种方法建立了一种预测性的基于安全设计的工具，能够在不同条件下唯一地确定宏观结果，如达到SMLs的时间和平衡迁移水平。通过提供实验上无法获取且非耦合模型无法触及的添加剂流动性微观分布，该框架促进了生物基聚合物在食品包装中作为化石燃料基塑料替代品的应用。
本研究针对抗氧化剂和增塑剂从PLA薄膜向脂肪性食品的同时迁移问题。上述新模型使用实验数据进行验证，包括聚合物结晶度和添加剂（BHT和Irgafos 168抗氧化剂以及TBAC增塑剂）向95%（v/v）乙醇中迁移的数据，乙醇是脂肪性食品迁移测试的替代介质之一（European Commission, 2011）。经验证的框架随后可用于对内部浓度分布进行机理性研究，阐明溶剂诱导增塑与基体结晶之间的相互作用。
