非常规加工诱导聚合物食品包装材料中IAS/NIAS迁移行为及安全评估研究进展

《Food Control》：Research progress on non-conventional processing-induced IAS/NIAS migration behavior and safety assessment of polymeric food packaging materials

　　

食品接触材料(FCMs)在保护产品质量和安全方面发挥着关键作用，其作为物理屏障抵抗外部环境并有助于延长货架期。然而，食品、包装与环境之间的相互作用可导致化学物质从材料向食品转移，这一现象被称为迁移。迁移是一个复杂现象，受聚合物性质、食品成分以及加工和储存条件的影响。其中涉及的化合物包括制造过程中有意添加的物质(IAS)，如添加剂和残留单体，以及非有意添加的物质(NIAS)，其形成于材料的生产、加工或降解过程。由于加工条件是影响迁移的因素之一，包装材料在加工过程中的性能始终受到关注。商业上，传统食品加工主要依赖热灭活技术，包括热灌装或包装内加工。承受这些过程的包装材料必须耐受高温、高压、高湿或热水条件，同时在整个过程及之后保持其物理完整性和密封完整性。与此同时，非传统食品加工技术的进步增加了在较少影响感官和营养属性的情况下保藏食品的可能性。多种非传统处理技术已被研究和应用，包括超高压处理、等离子体、脉冲光、超声处理、辐照、紫外线处理及微波辅助热灭菌等。然而，当包装材料承受非传统食品加工技术时，它们同时暴露于剧烈的物理和物理化学条件中。机械压力、光学及电离辐射、电磁场、活性物种和声空化可诱导聚合物包装材料的结构和化学改性，影响阻隔性能，并可能改变IAS和NIAS的迁移行为。鉴于迁移行为的变异性，NIAS的存在对承受非传统技术加工的FCMs安全评估构成了重大挑战。在此背景下，色谱联用质谱等精密分析方法已能够更准确地识别和定量迁移物质，支持法规遵从和风险评估。从监管角度来看，FCMs的安全性主要由欧洲食品安全局(EFSA)和美国食品药品监督管理局(FDA)等机构指导，这些机构为已知物质(尤其是IAS)设定指南和限值。然而，对于NIAS，评估主要基于风险导向方法，如毒理学关注阈值(TTC)。尽管对非传统食品加工技术应用的兴趣日益增长，但评估这些技术对物质迁移及其对食品安全和毒理学风险潜在影响的研究仍不充分。因此，本综述探讨了IAS和NIAS迁移的影响，旨在综合现有关于非传统食品加工技术对食品-包装相互作用影响的知识，并系统化相关机制、监管影响和分析局限性信息，从而为推进食品-包装相互作用评估策略和改善基于食品安全的方法提供全面视角。

1. 引言
食品接触材料在保持产品品质和安全性方面起着关键作用，其作为物理屏障可抵御外部环境并延长货架期。然而，食品、包装与环境之间的相互作用会导致化学物质从材料向食品转移，这一现象称为迁移。迁移受聚合物性质、食品组成以及加工和储存条件的影响。涉及的化合物包括制造过程中有意添加的物质(IAS)，如添加剂和残留单体，以及非有意添加的物质(NIAS)，后者在材料生产、加工或降解过程中形成。由于加工条件是影响迁移的因素之一，包装材料在加工过程中的表现始终受到关注。传统食品加工主要依赖热灭活技术，包括热灌装或包装内加工。承受这些过程的包装材料必须耐受高温、高压、高湿或热水条件，同时在加工期间和之后保持其物理完整性和密封完整性，需避免针孔、密封失效、收缩或分层等缺陷，并保持气体阻隔性能。因此，聚合物包装材料的热学和力学性能、氧气和水蒸气阻隔性能以及食品-包装相互作用被广泛研究以支持传统热加工包装材料的选用。与此同时，非传统食品加工技术的发展为在较少影响感官和营养属性的同时保藏食品提供了更多可能性。多种非传统处理技术已被研究和应用，包括超高压处理、等离子体、脉冲光、超声处理、辐照、紫外线处理、微波辅助热灭菌等。这些技术已应用于许多食品加工系统，包括对已包装食品的加工。然而，当包装材料承受非传统食品加工技术时，会同时暴露于剧烈的物理和物理化学条件。机械压力、光学和电离辐射、电磁场、活性物种及声空化可诱导聚合物包装材料发生结构和化学改性，影响阻隔性能并可能改变IAS和NIAS的迁移行为。遗憾的是，在非传统食品加工技术背景下，这些食品-包装相互作用机制仍知之甚少。鉴于迁移行为的变异性，NIAS的存在对承受非传统技术加工的FCMs安全评估提出了重大挑战，尤其是考虑到检测和表征NIAS所涉及的高度结构多样性和分析复杂性。在此背景下，色谱联用质谱等精密分析方法已能够更准确地识别和定量迁移物质，支持法规遵从和风险评估。从监管角度看，FCMs的安全性主要由欧洲食品安全局(EFSA)和美国食品药品监督管理局(FDA)等机构指导，这些机构为已知物质(尤其是IAS)设定指南和限值。然而，对于NIAS，评估主要基于风险导向方法，如毒理学关注阈值(TTC)，一种按化学结构对物质进行分类的实用工具。尽管对非传统食品加工技术应用的兴趣日益增长，但评估这些技术对物质迁移及其对食品安全和毒理学风险潜在影响的研究仍不充分。因此，本综述探讨了IAS和NIAS迁移的影响，旨在综合现有关于非传统食品加工技术对食品-包装相互作用影响的知识，并系统化相关机制、监管影响和分析局限性信息，从而为推进食品-包装相互作用评估策略和改善基于食品安全的方法提供全面视角。

2. 非传统食品加工技术及其对FCMs的影响
近年来，多种新兴食品加工技术被研究作为传统巴氏杀菌和灭菌等热方法的替代方案，旨在延长食品货架期同时保留大部分感官和营养特性。非传统技术也被用作减少配方中化学添加剂的替代方案，有利于食品更接近天然状态。非热食品加工技术因微生物去污能力、保留热敏营养素以及相比传统方法更优越的能效而脱颖而出。这些技术包括超声波、超高压、等离子体、微波、辐照、紫外线和脉冲光。每种技术的原理和食品应用概述见原文。

2.1 超高压处理(HPP)
HPP是最有希望替代传统热保藏工艺的非热技术之一，处于更先进的工业应用阶段。HPP可生产清洁标签食品，通过灭活微生物和酶来避免化学添加剂、保持产品品质并延长货架期。HPP过程中压力瞬时均匀传递至整个食品体积，避免温度或压力梯度。工业规模上HPP主要采用批量模式，柔性或半刚性包装材料在加工前使用，包装必须承受高达15%的压缩并在减压后恢复原状，不能有不良物质迁移到食品中。HPP主要影响细胞膜、细菌细胞壁和蛋白质，而对颜色、风味和营养素等小分子影响较小，从而更好地保留感官特性。PET、PP、PE、EVOH、PA等化石基聚合物因优异的热机械性能被认为是HPP技术的合适选择。研究显示，高压处理对多层柔性包装的水蒸气阻隔影响很小，但氧阻隔可能随工艺条件变化而变化。高压与高温组合可能降低阻隔性能并缩短货架期。HPP还可改善生物聚合物的强度和阻隔性，因帕斯卡原理使体积减小，形成更致密的网络微结构。例如，HPP处理后PLA-TiO₂复合膜中TiO₂纳米粒子迁移率降低，与结晶度增加有关。加工过程中聚合物基质的压缩倾向于限制分子流动性，从而限制组分向食品的迁移，处理结束后聚合物逐渐恢复原始状态，迁移水平趋向于与处理前相似。

2.2 超声波
超声波技术定义为频率在20 kHz至100 kHz之间的声波处理，是一种非电离、非侵入性、无污染的机械能形式。低功率超声波通常作为无损分析工具用于质量评估；高功率超声波用于诱导结构改性，通过空化作用改变食品的物理、化学/生物化学和微生物属性。与其他技术相比，超声波具有缩短处理时间、降低能耗、减少热损伤和改善感官属性的优点，但其传播和空化效率受食品多相异质性的显著影响。声处理对薄膜性能的影响已被研究，包括生物基材料(PLA、PHA、淀粉、纤维素、蛋白质、蜡等)和合成材料(PP、PE、PVC)。有报道称高功率处理后BOPP-AcPVDC薄膜的亲水性增加。PE和PP等聚烯烃材料通常疏水，但在处理后可降低疏水性或引入C=O、–OH等官能团，使聚合物更易降解。LLDPE和PPAcPVDC薄膜经超声处理后整体迁移具有统计学显著性，乙酸模拟物中迁移量高于乙醇模拟物。相反，PET/Al/PP层压膜在超声处理30 min内未发生化学组成、热稳定性、密封强度或阻隔性能的变化。

2.3 等离子体
等离子体处理是一种新兴的食品保鲜技术，可在无明显加热的情况下灭活沙门氏菌、大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌等微生物，从而保留感官和营养特性。等离子体是物质的第四态，通过气体部分电离产生，包含活性物种、离子和紫外辐射。冷等离子体(非热)中高电子温度与离子和中性分子解耦，产生包括活性氧物种(ROS)和活性氮物种(RONS)的高活性物种，如臭氧(O₃)、羟基自由基(•OH)、过氧化氢(H₂O₂)、一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)等，而不会显著传热至食品。等离子体处理参数(电压、时间)直接影响脂质氧化，可能改变风味。介质阻挡放电(DBD)冷等离子体处理可提高薄膜的拉伸强度、弹性、阻隔性能(水蒸气和氧气透过率)、润湿性、粗糙度和表面自由能，并引起蛋白质链重排、晶体结构微调等结构变化。等离子体还可引入新官能团并诱导交联或降解，交联会增加扩散路径的曲折度，从而减少添加剂的迁移。

2.4 微波
微波辐射用于酶抑制或灭活、微生物消除等。微波是一种非电离辐射，频率300 MHz至300 GHz。微波加热主要通过离子传导和偶极旋转两种机制产生快速体积加热。微波辅助热灭菌(MATS)结合长波长微波与热水浸没，对聚合物包装中的食品进行灭菌。MATS由华盛顿州立大学开发，已获FDA批准用于商业规模灭菌。微波处理可诱导聚合物材料结构改变，尤其是结晶度和阻隔性能的变化。一些多层EVOH薄膜经MATS处理后因吸水导致氧气透过率(OTR)劣化。带有双金属氧化物层的PET包装在微波处理后阻隔性能无变化，而EVOH基包装显著受影响。带有单金属氧化物层的聚合物包装在MATS处理后OTR和水蒸气透过率增加，归因于热加工或储存期间产生的裂纹和针孔。

2.5 辐照
辐照技术利用受控电离辐射(γ射线、电子束或X射线)诱导自由基氧化损伤和微生物DNA、蛋白质、膜组分的结构损伤，从而灭活病原体。电离辐射不依赖温度，可减少微生物风险而无热加工带来的变化。电子束和γ辐照常用于包装表面灭菌、植物检疫处理和病原体消除。FDA允许生鲜冷藏红肉最高4.5 kGy、冷冻产品最高7 kGy的剂量，WHO认为10 kGy以下剂量无毒理学风险。聚合物材料暴露于电离辐射可引发交联和断链。低氧条件下(真空或惰性气氛)交联占主导，减少聚合物基质中的扩散速率。在氧存在下断链倾向占优，导致低分子量降解产物(烃类、醇、醛、酮、羧酸)生成，这些产物具有更高迁移性并可形成新的氧化产物。交联和断链可同时发生，取决于剂量、剂量率、聚合物分子结构和氧可用性。

2.6 紫外线辐射
UV处理是一种成熟技术，具有强力杀菌和去污能力。UV是非电离辐射，波长约100–400 nm，分为UV-A(320–400 nm)、UV-B(280–320 nm)和UV-C(200–280 nm)。微生物灭活主要通过形成环丁烷嘧啶二聚体等DNA光产物实现。UV处理可有效消除细菌和酵母，延长货架期并保留营养和感官品质。聚合物材料暴露于UV辐射可引发光化学过程如断链和形成新的含氧官能团。LDPE单层经脉冲UV辐照可形成醛和酮基团，表明光氧化降解；而复合多层材料在极端UV下仍能抵抗光降解。UV辐射也可促进聚合物结构重组，提高结晶度，降低链流动性从而减少物质总体迁移。PET瓶暴露于UV(尤其结合高温储存)可促进催化剂锑的浸出，但PET/EVOH/PE包装在UV-C处理后未观察到相关的物化或迁移变化。

2.7 脉冲光
脉冲光(PL)是一种非热去污替代技术，利用氙灯产生极强、短时脉冲，光谱覆盖约200–1100 nm(紫外线、可见光和近红外区域)。PL强度约比阳光强2000倍，通过光化学、光物理和光热机制快速破坏微生物。光化学效应被认为是主要机制，同时脉冲瞬时功率诱导膜、细胞壁和孢子结构损伤。PL穿透深度有限，主要影响表面层，阴影效应限制其对不规则表面的应用。在生物聚合物中，PL处理可增加机械强度，可能与光交联有关。在加工条件下，较长曝光时间可诱导局部加热和表面光化学反应，导致表面氧化或聚合物结构重组。

2.8 法规
FDA(21 CFR Part 179)规范辐照、紫外线和脉冲光在食品加工中的使用，规定可辐照食品、辐照源、剂量限值和标签要求。欧盟指令1999/2/EC和1999/3/EC也监管食品辐照。MATS已获FDA批准用于商业规模灭菌，包括土豆泥、鸡肉面团和酱汁鲑鱼等包装食品。加拿大《食品药品条例》B部分第26分部规范食品辐照。巴西仅针对食品辐照有技术法规，未发现针对其他新兴技术的具体规定。国际食品法典委员会《辐照食品通用标准》(CXS 106-1983)提供国际参考。

3. FCMs中迁移的基本原理
包装材料与食品接触时，物质可双向转移，形成食品-包装相互作用。迁移是物质从包装向食品的转移，可分为总迁移(不区分化合物的总量)和特定迁移(针对单一化合物)。迁移测试需根据食品特性、接触类型和储存条件确定食品模拟物及时间和温度条件。食品模拟物根据Regulation (EU) n° 10/2011定义。FCMs含有多种IAS，如增塑剂、润滑剂、抗氧剂、光稳定剂、热稳定剂、爽滑剂和抗静电剂等，以及单体和催化剂残留。NIAS定义为“所用物质中的杂质、生产过程中形成的反应中间体或分解或反应产物”，可分为聚合反应副产物、反应/降解产物和外来污染物。NIAS因参考标准缺乏，传统靶向分析方法难以识别。食品常在包装内进行非传统加工，因此包装材料在处理过程中的行为可影响IAS和NIAS迁移。

4. 非常规食品加工技术对IAS和NIAS迁移的影响
现有研究表明，非传统加工技术可改变材料性能，与物质传质变化直接相关。加工引起的改性可增加或减少迁移，并可能促进降解和氧化反应，形成新化合物。图3总结了这些技术影响聚合物材料的四条主要途径。表2汇总了相关迁移研究。总体而言，迁移行为随材料类型(可降解膜、亲水/疏水聚合物)、技术类型和操作条件而变化。例如，超声空化能量可破坏薄膜表面并增强食品-包装相互作用，从而增加迁移；等离子体表面交联和UV辐射诱导的结晶度增加可能阻碍扩散，降低迁移；HPP后迁移减少归因于聚合物基质自由体积压缩。处理温度反复被确定为促进迁移的关键因素，储存时间延长结合高温也显著增加迁移。

5. IAS和NIAS的检测分析方法
IAS和NIAS的测定主要基于色谱联用质谱，气相色谱-质谱(GC-MS)和液相色谱-质谱(LC-MS)是互补的主要方法。GC-MS适用于挥发性、弱极性和低分子量化合物，单四极杆GC-MS具有重现性和谱库匹配优势。LC-MS适用于非挥发性、极性或热不稳定化合物，HPLC和UHPLC提供高分离效率。多维色谱如GC×GC、二维HPLC和HPLC-GC可解决共流出干扰。高分辨质谱(HRMS)如QTOF和Orbitrap提供高质量精度和同位素模式，有利于未知NIAS鉴定。计算工具用于特征提取、谱图去卷积和分子式预测。识别策略分为靶向分析(基于标准品)、可疑筛查(依据候选列表)和非靶向分析(NTA)。NIAS分析仍面临缺乏标准品、痕量水平和基质复杂等挑战，需要整合多种技术和方法。

6. 法规和风险评估
IAS受“阳性列表”监管，有特定迁移限量(SML)。巴西、欧盟和美国有各自法规：巴西ANVISA RDC No. 91/2001等；欧盟Regulation (EU) n° 10/2011；美国FDA 21 CFR Parts 175和177及食品接触通知。欧盟和巴西设定总迁移限量为10 mg/dm²或60 mg/kg食品，美国未设定固定总迁移限量。NIAS无监管列表和迁移限值，但须符合总迁移安全限量且不构成毒理学风险。风险评估方法包括：当有毒理学数据时，计算估计每日摄入量(EDI)并与每日可耐受摄入量(TDI)比较得到危害商数(HQ)；缺乏数据时使用毒理学关注阈值(TTC)方法，按Cramer分类设定暴露限值(如遗传毒性警报物质0.15 μg/人/天，Cramer III类90 μg/人/天等)。TTC不适用于高 potency致癌物、生物蓄积物质、金属、类固醇等。美国FDA还采用阈值法规(ToR)方法，每日暴露低于0.5 ppb视为可接受。

7. 挑战和未来展望
非传统加工对NIAS迁移影响的数据仍然有限，聚合物化学复杂性、加工条件多样性阻碍了可比数据的获取。需标准化实验方案，包括时间、强度变化和食品模拟物定义，建立更接近真实食品和动态条件的暴露评估。未来优先发展预测性迁移模型、安全设计材料概念，并关注生物聚合物和回收材料的NIAS形成。NIAS鉴定和定量仍是挑战，需更全面的谱库、人工智能工具和HRMS方法。监管方面，需统一NIAS评估指南，建立更清晰的标准以确保毒理学安全。

8. 结论
非传统技术加工过程中IAS和NIAS迁移仍未完全阐明，文献数据有限且难以比较。虽然无法断言新兴技术与迁移增加存在直接关系，但许多研究表明加工温度升高或其他高估的条件(如辐照剂量)可强化迁移。温度的影响突显了非热非传统技术在食品安全方面的潜力。NIAS的识别和定量尤其困难，需发展更灵敏全面的分析技术、整合数据库并加强毒理学研究，以缩小现有差距并提供可靠的食品安全评估。