纳米金属/金属氧化物-聚烯烃食品包装材料中纳米成分向食品迁移的预测

Both the special excellent performance and latency harm to food safety and human health of nanocomposites in packaging are related to the migration of nanoparticles from the materials. Both the detection method and the molecular dynamics simulation technology are developed for the migration of nanoparticles from nano-metal/nano-metal oxide–polyolefin food packaging materials to food, and the dynamics process of migration of nanoparticles is investigated by experiments and molecular dynamics simulation.The migration mechanism is explored. Then, the prediction model is developed for the migration of nanoparticles from nano-metel/nano-metal oxide- polyolefin packaging materials, and the inherence relation between the migration and the size and distribution, molecular weight, original concentration, standard chemical potentials and activities of the particles in polymer and in food, the activity energy and structure of the polyolefin, food (or simulant), and the migration temperature is revealed. The model can predict the dynamics process of migration of nanoparticles, and provide a support to the safety evaluation for nano-metal/nano-metal oxide–polyolefin packaging and also for relevant food.

纳米包装材料所表现出的特殊优异性能以及对食品安全和人类健康的潜在危害性都与材料中纳米成分的迁移有关。本项目建立纳米金属/金属氧化物-聚烯烃包装材料中纳米成分向食品迁移的检测方法和分子动力学分析技术，实验研究和分子动力学模拟纳米金属/金属氧化物迁移的动力学过程，揭示其迁移的动力学机制。建立纳米金属/金属氧化物-聚烯烃包装材料中纳米成分向食品迁移的预测模型，揭示其迁移与纳米颗粒大小及分布、分子量、初始浓度、颗粒在聚烯烃材料和食品中的标准化学电势和活性、聚烯烃材料扩散激活能、聚烯烃材料结构、食品（或模拟物）种类、迁移温度等因素间的内在关系，准确预测纳米成分迁移的动力学过程，为纳米包装材料和相关食品的安全性评估提供基础和支撑。

食品包装材料中添加某些纳米金属/金属氧化物，可能会提高或增加材料的功能，如抗氧化、抑菌和光阻隔等。但是如果纳米成分迁移进入食品继而被人体摄入，可能造成食品安全隐患。由于对纳米成分的迁移机理和毒性研究不完善，目前还没有相关的标准，因而此类材料作为直接接触食品的材料至今没有被正式许可使用，市场上已使用的产品可能存在安全风险。.本项目建立了纳米金属/金属氧化物（纳米银、纳米铜、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米氧化铜）在其复合的聚烯烃（聚乙烯PE和聚丙烯PP）材料中以及其在食品模拟物中的检测方法。.开展了纳米金属/金属氧化物向食品/食品模拟物的迁移研究。通过实验研究分析得到来自材料、纳米成分、食品/食品模拟物以及环境和使用工况如温度、氧气浓度、紫外和辐照杀菌、微波等条件都会对纳米成分迁移产生影响，揭示了其迁移宏观规律。通过建立分子动力学模型理论研究了纳米成分在材料中的均方位移、自由体积和分子运动轨迹，基于Einstein和Arrhenius公式分别计算了迁移过程中纳米成分的扩散系数及迁移活化能，从分子水平研究纳米成分扩散及迁移的影响因素，在此基础上对纳米成分扩散及迁移的力学机理进行探讨，揭示了其迁移微观机理。纳米成分在模型中的运动轨迹表明其迁移的微观力学机理与扩散相似，长时间内陷入局部的空穴来回蠕动或振动。构建的分子动力学模型直观的显示了纳米成分在聚合物-食品模拟物两相间的微观运动情况。通过Scatchard-Hildebrand理论探讨了纳米成分在聚烯烃和食品模拟物中的分配系数及影响因素。.本研究对于开发和应用纳米复合包装材料、建立安全标准和法规、保障食品安全有着重要的价值和意义。.