食品安全背景下食品級鋁合金表面處理技術研究

莊乾浩，魏 華

（臨朐縣鋁合金型材及制品質量檢驗中心，山東濰坊 262600）

鋁合金是以鋁為基材，添加一定量其他合金化元素的合金，屬于輕金屬材料之一。鋁合金作為日常生活中最為常見的一類有色金屬材料，具有耐腐蝕、導熱性能強、低溫性能好以及質量輕等優(yōu)點，在食品加工生產線、包裝工作臺、分揀流水線、擺放物料架等方面有著大量應用，使用量僅次于鋼[1]。近年來，隨著我國食品裝備和包裝機械行業(yè)的迅速發(fā)展，鋁合金作為食品加工行業(yè)的重要組成部分，被廣泛應用于食品機械及包裝領域，在食品市場受到眾多企業(yè)的青睞。但由于鋁合金中含有鋁、銅、硅、鎂、鋅等重金屬成分，如果食品機械設備使用材料選擇不當，鋁合金制品質量把關不嚴，不僅加工設備會受到腐蝕破壞，而且還會出現(xiàn)重金屬遷移超標的問題，造成食品污染，出現(xiàn)食物中毒及食源性疾病事件。因此，選擇合適的食品機械及包裝材料，采取有效的金屬表面處理技術，對于加強食品安全管理具有重要的現(xiàn)實意義。

1 鋁合金制品在食品中的應用領域

1.1 在食品機械行業(yè)的應用

在食品機械材料物理性能選擇方面，要保證材料導熱性能好、抗粘性強等；在化學性能選擇方面，要保證金屬離子具有較強的穩(wěn)定性和抗氧化能力，不容易與外界物質發(fā)生化學反應[2]。基于上述因素，食品機械中主要選擇的有色金屬材料是鋁合金、銅合金等，而鋁合金價格相對便宜，經常作為合金鋼、銅的金屬替代材料。由于鋁合金材料相對穩(wěn)定，具有耐腐蝕性和良好的導熱性能、低溫性能、加工性能以及密度小等優(yōu)點[3]，應用在食品機械加工中機械性能好、重量輕、耐用、易于儲存和運輸貨物，不易在食品介質中發(fā)生化學反應，對人體健康無毒無害，符合國家衛(wèi)生檢疫機關的安全規(guī)定。例如，經常應用在食品加工設備、食品存儲、薄板加工件等，主要用于加工需要有良好的成形性能、耐腐蝕性、可焊接性能強的零部件，常適用于碳水化合物類、脂肪類、乳制品類的食品加工中。

1.2 在食品包裝行業(yè)的應用

與食品接觸的主要材料除了加工環(huán)節(jié)，還有食品包裝環(huán)節(jié)，包裝材料除需要滿足食品的理化特性外，還要考慮到材料的密封效果、耐高溫、耐腐蝕等安全要素。食品級鋁合金大部分為3004 型號，具有獨特的金屬光澤、良好的觸感和外觀[4]。該食品級鋁板成形性、溶解性、耐蝕性效果較好，主要采取薄板或箔材的材料形式應用在金屬包裝中，通常制作成易拉罐、瓶蓋、桶、包裝箔等產品，能夠阻擋陽光、隔絕空氣和潮濕環(huán)境，最大限度降低外部條件對食品的影響，廣泛應用在啤酒、飲料和其他食品罐等包裝材料，還可應用于有機酸以及水果汁、葡萄酒等具有微弱腐蝕性的酸性食品。同時鋁箔器皿美觀、重量輕、傳熱性能好，還常用于快餐的包裝中。

2 鋁合金制品存在的食品安全風險

2.1 機械腐蝕風險

食品機械加工是保障食品安全的重要環(huán)節(jié)，如若選材不當就會造成食品污染，所以控制食品加工機械表面清潔衛(wèi)生至關重要。機械設備的耐腐蝕程度取決于材料的化學性質和表面狀態(tài)以及受力狀態(tài)，物料介質的種類、濃度和溫度等參數。有些食品自身就具有酸性或堿性，食品機械設備在加工過程中與酸類或弱堿類物質相接觸，如醋酸、檸檬酸、乳酸、脂肪酸、純堿和小蘇打等，這些物料會腐蝕許多金屬材料，造成食品污染。有的食品自身不具有腐蝕性，但如果長時間暴露在空間中，食品表面就會出現(xiàn)微生物繁殖問題，產生具有腐蝕性的代謝物。因此，食品機械設備所用材料選擇不當而造成的腐蝕，不僅容易造成機器本身的破壞，更會造成食品污染。鋁屬于電位非常負的有色金屬，其標準電極電位為-1.67 V，使得鋁的鈍化能力很強，鋁表面極易形成致密而牢固的氧化鋁膜，氧化鋁是致密耐酸堿的氧化物，而且被破壞后又可快速生成，確保鋁制品不易被腐蝕。鋁合金中加入鎂、錳或鉻成分，使得鋁合金具有較好的物理性能、機械性能和抗腐蝕性能，因此它在大部分的中性和部分弱酸性溶液當中以及在空氣中都具有較強的穩(wěn)定性，避免相互之間產生化學反應從而防止腐蝕。

2.2 重金屬遷移風險

食品接觸材料遷移是指食品接觸材料及制品的組分或成分通過擴散、滲透、揮發(fā)、釋放等方式轉移到與之接觸的食品中的過程。食品級鋁合金是由多種元素制成的合金，含有銅、硅、鎂、鋅、錳等金屬元素，如果食品級鋁合金制作不符合國家標準，當金屬遷移的量超過一定的界限，就會給食品安全帶來嚴重影響，輕則破壞食品的營養(yǎng)，重則危害人們的身體健康。食品檢測部門規(guī)定選擇人造自來水、檸檬酸溶液、堿及油脂模擬物以及預期最極端接觸溫度來選擇試驗條件，測定鋁制品的遷移物總量和特定遷移量是否在國家安全標準范圍內。梅煉等[5]在對接觸食品的鋁及鋁合金制品中有害金屬遷移規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn)，鋅、鉻、鎳、錳4 種元素在高溫條件下較易發(fā)生遷移，尤其是鋅在高溫環(huán)境中的時間越長，遷移量越高。張泓等[6]在食品接觸用鋁和鋁合金材料及制品中鋁元素的遷移及風險評估研究中，采用4%的乙酸、5 g·L-1的檸檬酸和人造自來水3 種食品模擬遷移量，發(fā)現(xiàn)鋁元素遷移量隨沸騰時間的增長顯著增加。因此，鋁合金制品不適合應用在高溫度的食品行業(yè)中，如果長期在高溫環(huán)境中使用，各類元素遷移至食品的風險將陡然增加。

3 食品機械及包裝中鋁合金制品表面處理技術

在食品生產加工過程中，如果加工環(huán)境、食品機械、食品包裝材料選擇出現(xiàn)問題，就會導致食品機械出現(xiàn)腐蝕情況，更嚴重者還會出現(xiàn)鋁、鉻、鎳等有害金屬元素遷移到食物中，進而危害人們的健康。食品機械腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕，如果在鋁合金表面形成一種致密的保護膜，將食品與機械設備隔離開，就能夠起到防腐蝕的效果。鋁合金之所以能應用在食品行業(yè)，主要是采取有效的技術對表面做涂層處理，防腐蝕、防靜電，而且還不用涂油漆，不會有甲醛等氣體產生，很適合應用在食品行業(yè)中。因此，要想提高食品機械加工安全，就必須對鋁合金制品采取相應的表面處理，以確保不被食品腐蝕，以此滿足食品行業(yè)的安全需求。鋁合金制品表面處理技術眾多，主要有電鍍、氧化、表面涂層處理等。

3.1 電鍍及化學鍍技術

電鍍技術是通過化學的方法在鋁及鋁合金表面重新沉淀一層其他金屬，由此改變鋁合金表面的金屬性能。由于鋁合金本身易形成天然氧化膜，使得鋁合金表面電鍍較為困難，嚴重影響鍍層與鋁合金的結合力。因此鋁合金電鍍技術首要前提是保證表面沒有氧化膜，一般都會先在鋁合金表面預鍍鎳，然后再將鋁合金制品放入電解液當中，利用電解原理在鋁合金表面鍍上一層其他金屬。例如，在鋁合金表面上鍍銅或錫能夠改變鋁合金的焊接性，在食品機械加工中增強設備的連接性；在鋁合金表面鍍鉻或鍍鎳可以提高鋁合金的整體硬度和耐磨性，增加食品機械設備的使用周期。鋁合金電鍍大多屬于功用性鍍層，通過電鍍增強鋁合金的屬性，使機械設備符合功能和更美觀。

化學鍍則是依靠金屬的催化作用，通過氧化-還原反應將鍍液中的金屬離子沉積到鋁合金表面，達到在金屬表面成膜的效果。與電鍍技術相比較具有一定優(yōu)勢，化學鍍對整體環(huán)境的污染較低，鍍層與鋁合金的結合力較強，得到的鋁合金鍍層能夠起到很好的保護作用。但是由于化學鍍技術復雜，材料耗費大，鋁合金鍍層的質量無法更好地控制。

3.2 微弧氧化技術

該技術又稱為微等離子體氧化技術，作為一種新型的金屬表面處理技術，主要是將電解液與設定的相應電參數結合，在鋁合金表面采取弧光放電的形式，在短時間內高溫高壓的作用下，在鋁合金表面形成一種以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜層。采用微弧氧化技術對鋁及其合金材料進行氧化處理，具有操作便捷、處理能力強、生產效率高等優(yōu)點。陶瓷膜是一種多孔狀、與基體結合牢固、具有陶瓷特征的氧化物，在材料硬度、耐磨、耐蝕等性能上與傳統(tǒng)表面處理技術相比有很大進步，高溫抗氧化性能好，可制作食品機械零部件和包裝材料。微弧氧化電解液不含有毒物質和重金屬元素，電解液抗污染能力強和再生重復使用率高，因而該技術對環(huán)境污染較低，能夠滿足食品安全綠色生產的規(guī)定，符合我國走可持續(xù)化和低碳化的發(fā)展之路。

3.3 表面涂層處理技術

鋁容易受到酸的侵蝕，能夠在濃堿溶液中溶解，為保證食品接觸用金屬材料及制品安全，國家出臺了《食品安全國家標準 食品接觸用金屬材料及制品》（GB 4806.9—2016）嚴格要求金屬材料和制品，食品接觸面未覆有機涂層的鋁和鋁合金不得接觸酸性食品。激光熔覆是一種新的表面改性技術，通過在基材表面添加熔覆材料，采取高能束激光在鋁合金表面進行激光熔覆處理，形成與鋁合金結合的添料熔覆層，能夠較好地增強鋁合金表面的硬度和耐磨性，在食品加工中普遍應用。復合涂層是在鋁合金表面噴涂納米材料，與傳統(tǒng)技術相比，納米結構涂層在強度、韌性、耐腐蝕性方面效果更為明顯。另外，在鋁合金表面進行等離子弧噴涂能夠形成陶瓷涂層，也同樣具有提高硬度、增強耐磨性和抗腐蝕性等功能。

4 結語

在食品生產過程中，食品機械及包裝是必備的生產工具，是重要的加工環(huán)節(jié)。鋁合金作為食品機械及包裝的重要材料，需結合鋁合金的金屬屬性，不斷揚長避短，采取電鍍及化學鍍技術、微弧氧化技術等合適的表面處理技術，促使鋁合金材料更具有安全性、抗腐蝕性等特點，以便更廣泛應用于食品機械及包裝領域，為我國食品安全保駕護航。