食品安全背景下食品级铝合金表面处理技术研究

庄乾浩，魏 华

（临朐县铝合金型材及制品质量检验中心，山东潍坊 262600）

铝合金是以铝为基材，添加一定量其他合金化元素的合金，属于轻金属材料之一。铝合金作为日常生活中最为常见的一类有色金属材料，具有耐腐蚀、导热性能强、低温性能好以及质量轻等优点，在食品加工生产线、包装工作台、分拣流水线、摆放物料架等方面有着大量应用，使用量仅次于钢[1]。近年来，随着我国食品装备和包装机械行业的迅速发展，铝合金作为食品加工行业的重要组成部分，被广泛应用于食品机械及包装领域，在食品市场受到众多企业的青睐。但由于铝合金中含有铝、铜、硅、镁、锌等重金属成分，如果食品机械设备使用材料选择不当，铝合金制品质量把关不严，不仅加工设备会受到腐蚀破坏，而且还会出现重金属迁移超标的问题，造成食品污染，出现食物中毒及食源性疾病事件。因此，选择合适的食品机械及包装材料，采取有效的金属表面处理技术，对于加强食品安全管理具有重要的现实意义。

1 铝合金制品在食品中的应用领域

1.1 在食品机械行业的应用

在食品机械材料物理性能选择方面，要保证材料导热性能好、抗粘性强等；在化学性能选择方面，要保证金属离子具有较强的稳定性和抗氧化能力，不容易与外界物质发生化学反应[2]。基于上述因素，食品机械中主要选择的有色金属材料是铝合金、铜合金等，而铝合金价格相对便宜，经常作为合金钢、铜的金属替代材料。由于铝合金材料相对稳定，具有耐腐蚀性和良好的导热性能、低温性能、加工性能以及密度小等优点[3]，应用在食品机械加工中机械性能好、重量轻、耐用、易于储存和运输货物，不易在食品介质中发生化学反应，对人体健康无毒无害，符合国家卫生检疫机关的安全规定。例如，经常应用在食品加工设备、食品存储、薄板加工件等，主要用于加工需要有良好的成形性能、耐腐蚀性、可焊接性能强的零部件，常适用于碳水化合物类、脂肪类、乳制品类的食品加工中。

1.2 在食品包装行业的应用

与食品接触的主要材料除了加工环节，还有食品包装环节，包装材料除需要满足食品的理化特性外，还要考虑到材料的密封效果、耐高温、耐腐蚀等安全要素。食品级铝合金大部分为3004 型号，具有独特的金属光泽、良好的触感和外观[4]。该食品级铝板成形性、溶解性、耐蚀性效果较好，主要采取薄板或箔材的材料形式应用在金属包装中，通常制作成易拉罐、瓶盖、桶、包装箔等产品，能够阻挡阳光、隔绝空气和潮湿环境，最大限度降低外部条件对食品的影响，广泛应用在啤酒、饮料和其他食品罐等包装材料，还可应用于有机酸以及水果汁、葡萄酒等具有微弱腐蚀性的酸性食品。同时铝箔器皿美观、重量轻、传热性能好，还常用于快餐的包装中。

2 铝合金制品存在的食品安全风险

2.1 机械腐蚀风险

食品机械加工是保障食品安全的重要环节，如若选材不当就会造成食品污染，所以控制食品加工机械表面清洁卫生至关重要。机械设备的耐腐蚀程度取决于材料的化学性质和表面状态以及受力状态，物料介质的种类、浓度和温度等参数。有些食品自身就具有酸性或碱性，食品机械设备在加工过程中与酸类或弱碱类物质相接触，如醋酸、柠檬酸、乳酸、脂肪酸、纯碱和小苏打等，这些物料会腐蚀许多金属材料，造成食品污染。有的食品自身不具有腐蚀性，但如果长时间暴露在空间中，食品表面就会出现微生物繁殖问题，产生具有腐蚀性的代谢物。因此，食品机械设备所用材料选择不当而造成的腐蚀，不仅容易造成机器本身的破坏，更会造成食品污染。铝属于电位非常负的有色金属，其标准电极电位为-1.67 V，使得铝的钝化能力很强，铝表面极易形成致密而牢固的氧化铝膜，氧化铝是致密耐酸碱的氧化物，而且被破坏后又可快速生成，确保铝制品不易被腐蚀。铝合金中加入镁、锰或铬成分，使得铝合金具有较好的物理性能、机械性能和抗腐蚀性能，因此它在大部分的中性和部分弱酸性溶液当中以及在空气中都具有较强的稳定性，避免相互之间产生化学反应从而防止腐蚀。

2.2 重金属迁移风险

食品接触材料迁移是指食品接触材料及制品的组分或成分通过扩散、渗透、挥发、释放等方式转移到与之接触的食品中的过程。食品级铝合金是由多种元素制成的合金，含有铜、硅、镁、锌、锰等金属元素，如果食品级铝合金制作不符合国家标准，当金属迁移的量超过一定的界限，就会给食品安全带来严重影响，轻则破坏食品的营养，重则危害人们的身体健康。食品检测部门规定选择人造自来水、柠檬酸溶液、碱及油脂模拟物以及预期最极端接触温度来选择试验条件，测定铝制品的迁移物总量和特定迁移量是否在国家安全标准范围内。梅炼等[5]在对接触食品的铝及铝合金制品中有害金属迁移规律的研究中发现，锌、铬、镍、锰4 种元素在高温条件下较易发生迁移，尤其是锌在高温环境中的时间越长，迁移量越高。张泓等[6]在食品接触用铝和铝合金材料及制品中铝元素的迁移及风险评估研究中，采用4%的乙酸、5 g·L-1的柠檬酸和人造自来水3 种食品模拟迁移量，发现铝元素迁移量随沸腾时间的增长显著增加。因此，铝合金制品不适合应用在高温度的食品行业中，如果长期在高温环境中使用，各类元素迁移至食品的风险将陡然增加。

3 食品机械及包装中铝合金制品表面处理技术

在食品生产加工过程中，如果加工环境、食品机械、食品包装材料选择出现问题，就会导致食品机械出现腐蚀情况，更严重者还会出现铝、铬、镍等有害金属元素迁移到食物中，进而危害人们的健康。食品机械腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀，如果在铝合金表面形成一种致密的保护膜，将食品与机械设备隔离开，就能够起到防腐蚀的效果。铝合金之所以能应用在食品行业，主要是采取有效的技术对表面做涂层处理，防腐蚀、防静电，而且还不用涂油漆，不会有甲醛等气体产生，很适合应用在食品行业中。因此，要想提高食品机械加工安全，就必须对铝合金制品采取相应的表面处理，以确保不被食品腐蚀，以此满足食品行业的安全需求。铝合金制品表面处理技术众多，主要有电镀、氧化、表面涂层处理等。

3.1 电镀及化学镀技术

电镀技术是通过化学的方法在铝及铝合金表面重新沉淀一层其他金属，由此改变铝合金表面的金属性能。由于铝合金本身易形成天然氧化膜，使得铝合金表面电镀较为困难，严重影响镀层与铝合金的结合力。因此铝合金电镀技术首要前提是保证表面没有氧化膜，一般都会先在铝合金表面预镀镍，然后再将铝合金制品放入电解液当中，利用电解原理在铝合金表面镀上一层其他金属。例如，在铝合金表面上镀铜或锡能够改变铝合金的焊接性，在食品机械加工中增强设备的连接性；在铝合金表面镀铬或镀镍可以提高铝合金的整体硬度和耐磨性，增加食品机械设备的使用周期。铝合金电镀大多属于功用性镀层，通过电镀增强铝合金的属性，使机械设备符合功能和更美观。

化学镀则是依靠金属的催化作用，通过氧化-还原反应将镀液中的金属离子沉积到铝合金表面，达到在金属表面成膜的效果。与电镀技术相比较具有一定优势，化学镀对整体环境的污染较低，镀层与铝合金的结合力较强，得到的铝合金镀层能够起到很好的保护作用。但是由于化学镀技术复杂，材料耗费大，铝合金镀层的质量无法更好地控制。

3.2 微弧氧化技术

该技术又称为微等离子体氧化技术，作为一种新型的金属表面处理技术，主要是将电解液与设定的相应电参数结合，在铝合金表面采取弧光放电的形式，在短时间内高温高压的作用下，在铝合金表面形成一种以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。采用微弧氧化技术对铝及其合金材料进行氧化处理，具有操作便捷、处理能力强、生产效率高等优点。陶瓷膜是一种多孔状、与基体结合牢固、具有陶瓷特征的氧化物，在材料硬度、耐磨、耐蚀等性能上与传统表面处理技术相比有很大进步，高温抗氧化性能好，可制作食品机械零部件和包装材料。微弧氧化电解液不含有毒物质和重金属元素，电解液抗污染能力强和再生重复使用率高，因而该技术对环境污染较低，能够满足食品安全绿色生产的规定，符合我国走可持续化和低碳化的发展之路。

3.3 表面涂层处理技术

铝容易受到酸的侵蚀，能够在浓碱溶液中溶解，为保证食品接触用金属材料及制品安全，国家出台了《食品安全国家标准 食品接触用金属材料及制品》（GB 4806.9—2016）严格要求金属材料和制品，食品接触面未覆有机涂层的铝和铝合金不得接触酸性食品。激光熔覆是一种新的表面改性技术，通过在基材表面添加熔覆材料，采取高能束激光在铝合金表面进行激光熔覆处理，形成与铝合金结合的添料熔覆层，能够较好地增强铝合金表面的硬度和耐磨性，在食品加工中普遍应用。复合涂层是在铝合金表面喷涂纳米材料，与传统技术相比，纳米结构涂层在强度、韧性、耐腐蚀性方面效果更为明显。另外，在铝合金表面进行等离子弧喷涂能够形成陶瓷涂层，也同样具有提高硬度、增强耐磨性和抗腐蚀性等功能。

4 结语

在食品生产过程中，食品机械及包装是必备的生产工具，是重要的加工环节。铝合金作为食品机械及包装的重要材料，需结合铝合金的金属属性，不断扬长避短，采取电镀及化学镀技术、微弧氧化技术等合适的表面处理技术，促使铝合金材料更具有安全性、抗腐蚀性等特点，以便更广泛应用于食品机械及包装领域，为我国食品安全保驾护航。