综述：对金属有机框架在食品包装中的毒性、安全性及监管状况的全面评估

MOFs在食品包装中的应用具有高活性与多功能性，但面临金属离子泄漏、有机配体解离、活性物质过量释放及溶剂残留等毒性风险，需通过生物兼容材料选择、绿色合成工艺及纳米特异性安全评估实现安全设计。

Kunpeng Zhao|Abubakar Shuaibu|Zuyao Fu|Jing Xie|Zhaoyang Ding

上海海洋大学食品科学与技术学院，中国上海201306

摘要

金属有机框架（MOFs）由于其多孔结构和高比表面积，在活性和智能食品包装方面具有巨大潜力。然而，潜在的成分迁移问题引发了安全担忧，这阻碍了其商业化。本文批判性地分析了MOFs在食品接触应用中的四种主要毒性机制：金属离子的渗出、有机配体的解离、负载活性物质的过量释放以及合成过程中残留的有机溶剂。除了标准的生物相容性评估外，我们还探讨了MOFs通过“特洛伊木马”机制进入细胞的过程以及当前迁移测试标准的局限性。比较分析表明，尽管MOFs在阻隔性能上优于传统生物聚合物，但它们的环境足迹要求我们转向绿色合成方法。最后，本文强调了制定“纳米特定”监管框架的迫切需求，并为开发安全设计的MOF包装提供了路线图。

引言

全球食品包装行业目前正在经历一个复杂的转型期，这一过程受到延长保质期以减少食物浪费和降低包装材料的环境及毒理学影响的双重驱动，这两种需求往往相互冲突。传统的石油基聚合物，如低密度聚乙烯（LDPE）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），长期以来因其优异的阻隔性能、机械韧性和经济可行性而成为行业的主流[1]。然而，这些材料仅作为物理屏障的被动特性已越来越无法满足现代供应链的需求，后者需要主动干预来管理乙烯的产生和微生物的繁殖。此外，这些材料的环境持久性促使人们转向聚乳酸（PLA）和壳聚糖等生物聚合物，尽管它们具有可持续性，但通常在阻隔性能和机械强度方面表现不佳[2]。在这种技术空白下，金属有机框架（MOFs）作为一种多孔配位聚合物应运而生，具有变革潜力。与被动塑料不同，MOFs可以被设计成主动捕获成熟气体、释放抗菌离子或感知新鲜度，使其成为下一代食品安全的关键技术[3],[4]。

科学界对这一潜力表现出极大的兴趣。2020-2026年的文献计量分析显示，相关研究产出呈指数级增长，从2020年的约185篇论文增加到2026年的预计680篇（图1A）。这一趋势反映了全球对寻找活性包装解决方案的强烈关注。同时，关键词共现网络（图1B）表明，该领域已从基础合成发展到实际应用，最近的文献越来越强调“毒性”和“食品安全”的验证[5]。除了数量增长外，图2还展示了该领域的质量演变过程，从早期的抗菌研究（如Co-SIM-1杀菌膜（2014年）和可食用环糊精-MOF载体（2016年）到最近开发的高度稳定系统。值得注意的是，2024年至2026年期间，研究重点明确转向了“绿色合成”和复杂的安全性验证，从基础性的Zn-MOF研究发展到用于活性水果保鲜的Fe(III)-HMOF-5和UiO-66复合材料。

年度出版物数量（彩色条形图）与年增长率（红线）叠加，展示了该领域的快速扩张及随后的稳定（A）。VOSviewer关键词共现网络图显示了四个主要领域：安全与传感（红色）、智能包装系统（蓝色）、机制（绿色）和毒性（黄色）（B）。节点大小表示关键词的频率。

为了严格证明这些先进材料的合理性，必须将它们与它们旨在替代的传统塑料进行对比。一项技术分析（表1）表明，尽管MOF基复合材料的成本较高，但它们占据了独特的功能定位。例如，虽然PLA等生物聚合物的蒸汽阻隔性能较差（150-200 g/m²·天），但加入ZIF-8纳米颗粒后，其渗透率降低了40-60%，使生物聚合物的性能接近PET[6],[7]。此外，与仅抑制生长的抑菌剂不同，基于MOF的薄膜通过持续释放离子表现出杀菌效果（>3 Log降低），提供了传统材料无法比拟的主动杀菌水平[8],[9]。

然而，尽管具有这些功能优势，材料创新与安全验证之间仍存在危险脱节。目前，由于对MOFs毒理学特性的不确定性，其在食品接触材料（FCMs）中的应用受到阻碍。正是MOFs的高表面积和金属离子释放特性如果控制不当，会带来重大风险。本文旨在通过系统评估四种主要毒性机制来弥合这一关键差距：（1）金属离子泄漏、（2）有机连接体解离、（3）活性物质的过量释放以及（4）合成过程中残留的有机溶剂——这一经常被忽视的因素。通过分析MOFs进入细胞的“特洛伊木马”机制，并提出“安全设计”策略（如使用内源性生物连接体和水相合成），本文为开发符合监管要求的安全MOF包装提供了全面的路线图。

章节摘录

金属离子泄漏

MOFs是一种有机杂化材料，由金属离子或金属簇通过配位键与有机连接体连接形成的多孔结构[28]。其优异的抗菌和抗氧化性能使其在食品包装中得到广泛应用[29]。然而，MOFs在食品包装中的潜在毒性体现在四个方面（图3）。金属离子在MOFs的抗菌过程中起着关键作用。

金属离子泄漏的评估

由于其独特的孔结构和高比表面积，MOFs在食品储存和保鲜方面具有巨大潜力[67]。但MOFs的毒性对其在食品中的应用带来了一些限制[68]。因此，采用了多种测试方法来评估其生物相容性，以确保其在食品保鲜应用中的安全性。研究发现，MOFs的抗菌性能主要取决于金属离子（如Zn²⁺、Cu²⁺或Ag⁺）的持续释放。

安全MOFs的设计方法

用于食品接触应用的安全MOFs的设计策略基于网状化学原理，即从分子构建块自下而上构建安全设计的框架。通过选择生物相容性或天然来源的金属节点和有机连接体，可以在最基本的组成层面降低MOFs的毒性风险[。本节将讨论和分析安全MOFs的设计（图7）。

关键验证和监管环境

从选择生物相容性成分到工程化稳定框架，“安全设计”原则的成功实施最终需要通过实证测试来验证。然而，MOFs独特的物理化学性质给标准的安全评估协议带来了挑战。与传统塑料不同，MOFs不仅会释放溶解的小分子，还会释放完整的

结论与未来展望

将金属有机框架整合到食品包装中代表了食品科学领域一个技术上卓越但毒理学上复杂的前沿。MOFs在提供活性功能方面无疑优于传统填充剂，具有更强的乙烯捕获和抗菌作用。然而，“特洛伊木马”机制导致的细胞毒性以及缺乏具体的监管框架，成为商业化的重大障碍。

CRediT作者贡献声明

Kunpeng Zhao：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论、数据管理。Abubakar Shuaibu：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论、数据管理。Zuyao Fu：撰写——审稿与编辑、数据管理。Jing Xie：指导、项目管理。Zhaoyang Ding：撰写——审稿与编辑、指导、方法论、概念构思、资金筹集。

资助

我们衷心感谢国家重点研发计划（项目编号：2023YFD2401405）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。