低碳型自熱式牛奶包裝盒的研制

陳明明，龔彩蓮，殷丹婷，李艾黎

(東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030)

低碳型自熱式牛奶包裝盒的研制

陳明明，龔彩蓮，殷丹婷，李艾黎*

(東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030)

目的:利用氧化鈣和水發生化學反應產生熱量來研制可自動快速加熱牛奶的新型包裝盒。方法:通過單因素實驗比較不同氧化鈣和水的比例、不同材質包裝和不同啟熱方式對加熱牛奶效率的影響。結果:氧化鈣和水分別為40g和60g時、外包裝盒為紙質材料、消費者自行注水的加熱效率最好，且牛奶初始溫度為10℃時，可在4min內使牛奶溫度達到43℃，保溫7min。結論:本研究提供了一種可自動快速加熱牛奶的紙質包裝盒，其結構簡單、操作簡單，而且體積小、質量輕。

自熱，包材，牛奶

Abstract:Objective:The heat from the reaction of calcium oxide and water could be developed a new type of automatically and quickly heating milk box.Methods:Single factor experiments to compare the proportion of calcium oxide and water，packaging different materials and different methods of heating milk Kai thermal efficiency.Results:The proportion of calcium oxide and water was 40，60g，the outer box of materials was paper，and the consumers owned the best efficiency of heating water.The initial temperature of the milk increased from 10℃ to 43℃ in 4min and insulated 7min.Conclusion:This study provided a paper packaging box of milk which could be heated rapidly and also had simple structure，simple operation，small size and light weight.

Key words:self-heating;packaging materials;milk

袋裝液態奶已成為城市居民的日常飲品，不少消費者有飲用前將牛奶加熱的習慣，但傳統牛奶加熱需經過微波爐、開水等人工加熱，受到了水、電、設備等外在條件限制，因此急需一種新型自熱式牛奶包裝盒，使人們在沒有水源、火源和電源的情況下就能夠喝到熱牛奶。因此本研究預研究出一種自動快速加熱包裝盒，具有加熱速度快、無明煙明火、衛生安全、攜帶方便和低碳環保等優點，是一種全新概念的自熱式餐飲包裝，具有較高的使用價值和推廣價值。近年來，出現了很多關于自熱材料與裝置的研究，尤其是長春應化所的系列高能自熱材料研發成功使我國自熱材料的研究走在了國際的前列［1］，但由于成本以及一些技術方面的局限，還沒有走向推廣階段，同樣國際上也有很多自熱領域的研究，但研究范圍僅限于對膨化機［2］，方便面，牛肉，米飯［3］以及一些生物［4］與工業上的應用，污染大，能耗高，而且沒有有關牛奶自熱裝置的研究，本研究提出了一種低碳環保的加熱裝置。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

醫用紗布等 市售;蒙牛純牛奶、純凈水 潤通礦泉水有限責任公司;氧化鈣 西隴化工股份有限公司;紙杯 臺州市清麗日用品有限公司;ALCB10.3型電子分析天平 北京賽系利斯儀器有限公司;BCD-248WDCS_LA型冰箱 青島海爾股份有限公司;DL-CJ-1N型超凈工作臺 北京東聯哈爾儀器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 紙質包材時，使牛奶加熱效率最好的氧化鈣和水的比例探索［5］選擇紙質包裝盒作為牛奶的外包裝，以水60g(放置加熱材料的空間所能容納的最大量)為標準，分別取氧化鈣為 20、25、30、35、40、45、50g與水反應，確定加熱效率最好時的氧化鈣和水的比例。

1.2.2 比較不同包材對牛奶加熱效率影響 在制作好的加熱裝置中加入牛奶200mL(市售牛奶凈含量為200mL)后，每隔1min記錄所測溫度，并比較不同加熱裝置中牛奶溫度的變化趨勢。

1.2.3 牛奶初始溫度不同時加熱效率的對比研究 選取不同初溫的牛奶進行加熱效率的對比研究，確定在寒冷季節，哪種初溫的牛奶的加熱效率最好。

1.2.4 拉環式，螺旋式和自行啟動裝置的優劣性分析 比較不同啟熱方式對加熱牛奶效率的影響。其中拉環式加熱裝置是將水袋固定在盒子底部，用拉環連接撕碎，使水與氧化鈣接觸放熱;螺旋式加熱裝置是將水袋放置在盒子底部，利用螺釘的尖部將水袋戳破，使氧化鈣與水接觸放熱;自行啟動裝置是直接將水袋固定在盒子一側，讓消費者自行撕碎水袋(帶有埡口)啟動加熱裝置。

2 結果與討論

2.1 紙質包材時，使牛奶加熱效率最好的氧化鈣和水的比例探索［5］

氧化鈣的質量小于40g時由于熱在水中擴散較多，所以加熱效率隨著氧化鈣的量逐漸增多而升高，而當氧化鈣的質量大于40g時，反應不充分，氧化鈣的覆蓋作用也影響了加熱效率，所以加熱效率逐漸降低，氧化鈣和水分別為40g和60g時，加熱效率最好，此時初始溫度為23℃的牛奶在4min內達到了最高溫度，45℃保溫8min。而加熱效率最低的組氧化鈣和水分別為20g和60g，牛奶最高溫度僅達到了38℃，保溫時間僅為5min(見圖1)。

圖1 不同氧化鈣和水比例下牛奶加熱效率的比較Fig.1 Effect of different ratio of calcium oxide and water heating efficiency comparison under the milk

2.2 不同包材對牛奶加熱效率影響的對比研究

有前面的探索可知，氧化鈣和水分別為40g和60g時，牛奶加熱效率最好，所以在氧化鈣和水分別為40g和60g時，做不同包裝盒下牛奶的升溫折線圖，確定最好的包裝材料(見圖2)。對比折線圖可知，不同包材下牛奶的最高溫度均在45℃左右，保溫時間均為9min左右，所以不同包材對牛奶的加熱效率影響差別不大。但從造價方面考慮，選擇紙質包材比較合理，紙質包材對環境影響最小，符合低碳的理念。

圖2 不同包材下牛奶加熱效率的比較Fig.2 Different packaging materials heating efficiency comparison of milk

上述實驗最高溫度達到了45℃，使紙質包裝盒發生了碳化現象，所以實驗過程中發生了紙質包裝底部碳化的現象，所以在紙質包裝底部植入金屬板防止碳化，并進行以下的研究。

2.3 牛奶初始溫度不同時加熱效率的對比研究［6］

上面的實驗均在室溫條件下完成，考慮到寒冷季節的溫度低于室溫，進行以下三組組實驗(見圖3)，從折線圖上可以得知，在低溫環境下，牛奶的初始溫度為10℃時，牛奶的加熱效率最好，牛奶最高達到了43℃的溫度，且保溫時間為7min，符合消費者的最適飲用溫度，說明低碳型自熱牛奶包裝盒滿足了消費者方便快捷的加熱牛奶的需求。

圖3 不同初溫時牛奶加熱效率比較Fig.3 Different initial temperature of the heating efficiency of milk

2.4 拉環式，螺旋式和自行啟動裝置的優劣性分析

成品過程主要需要解決的問題是加熱裝置的起動問題。實驗加熱裝置歸結為以下三種類型:拉環式，螺旋式和直接啟動裝置。為了使實驗結果更接近實際情形，在實驗前先對牛奶進行了冷藏，使牛奶的初始溫度為10℃，啟動裝置對牛奶進行加熱。

2.4.1 拉環式啟動裝置的優劣性分析 啟動方便，只需要拉動拉環即可;外觀精巧，由于氧化鈣位于盒子內部，且拉環不會影響包裝盒的外觀;使用安全，不會發生包裝盒的撕裂現象。但是其生產工藝復雜，將拉環與水袋連接需要很復雜的生產工藝;加熱材料反應不是很完全，反應過程中有一部分底部的氧化鈣并沒有和水充分接觸;加熱效率不是很高，由于氧化鈣和水反應不是很完全，所以牛奶并沒有達到30℃的最高溫度。

2.4.2 螺旋式啟動裝置的優劣性分析 加熱效率高，牛奶最高達到了40℃;節省原料，螺釘造價便宜(0.5元/2個);生產工藝簡單，只需要將螺釘旋入底部即可。但是其啟動時間長，因為將螺釘旋入需要很長的時間;不好固定，螺釘位于包裝盒底部，承受壓力比較大;容易發生漏水現象，螺釘旋如過程中會對包裝盒造成破壞。

2.4.3 自行啟動裝置的特點分析 在實驗室條件下，自行加熱型裝置是最優的加熱裝置，并且在實驗過程中總結了自行加熱裝置所具有的以下優點:加熱效率好，加熱牛奶最高溫度達到了45℃，飲用衛生安全。啟動方便易行，飲用者只需將附著的水袋撕開加入牛奶盒的一側，便可自行加熱。安全方便，此裝置不用考慮拉環或者螺旋式裝置可能發生的撕裂現象。

2.5 成本核算

核算結果如表1所示。

表1 自熱型牛奶的成本核算Table 1 Cost of self-heating milk

3 結論

本實用新型的一種自動快速加熱杯，由紙杯、反應裝置、水包等組成。外包裝使用紙質包裝，造價低廉，符合低碳環保的理念，使用前將裝有60g水的水袋撕破注入裝有40g氧化鈣的側壁中，使水與氧化鈣發生充分反應，放出熱量在4min內自動加熱杯內牛奶，溫度可達45℃(人的最適合飲用溫度為40℃)左右，保溫時間可達8min。尤其是在寒冷季節，牛奶初始溫度為10℃時，牛奶加熱效率最好，最高溫度達到了43℃，保溫時間達到了7min，本實用新型紙杯加熱性能好，特別適用于液態食品的加熱。

［1］于柏林，石明山.系列高能自熱材料研發成功［N］.科學時報，2008(8).

［2］白洪濤，張曉文.淺論自熱膨化機的節能措施［J］.農業工程技術，新能源產業，2011(Cz1):57-59.

［3］田智超.自熱米飯——發熱原理的探討及成分探究［J］.中學化學教學參考，2011(12):46.

［4］LIU Jingming，SUN Dongdong，LIU Hui NIE.Biodegradation kinetics for pre-treatment of klebsiella pneumoniae waste with autothermal thermophilic aerobic digestion［N］.中國化學工程學報:英文版，2010(6):905-909.

［5］姜豐艷，薛桂蓬 徐建國.阿司匹林片成型工藝研究［J］.西北藥學雜志，2011(3):209-211.

［6］張曉星，丁偉.開發吸熱反應和放熱反應的新實驗［J］.教學儀器與實驗，2011(5):17-18.

Preparation for the low-carbon type of self-heating milk box

CHEN Ming-ming，GONG Cai-lian，YIN Dan-ting，LI Ai-li*
(College of Food，Northeast Agricultural University，Harbin 150030)

TS206.4

A

1002-0306(2012)12-0336-03

2011-09-23 *通訊聯系人

陳明明(1991-)，男，本科，研究方向:乳品工程。

東北農業大學開放性實驗資助。