低碳型自热式牛奶包装盒的研制

陈明明，龚彩莲，殷丹婷，李艾黎

(东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030)

低碳型自热式牛奶包装盒的研制

陈明明，龚彩莲，殷丹婷，李艾黎*

(东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030)

目的:利用氧化钙和水发生化学反应产生热量来研制可自动快速加热牛奶的新型包装盒。方法:通过单因素实验比较不同氧化钙和水的比例、不同材质包装和不同启热方式对加热牛奶效率的影响。结果:氧化钙和水分别为40g和60g时、外包装盒为纸质材料、消费者自行注水的加热效率最好，且牛奶初始温度为10℃时，可在4min内使牛奶温度达到43℃，保温7min。结论:本研究提供了一种可自动快速加热牛奶的纸质包装盒，其结构简单、操作简单，而且体积小、质量轻。

自热，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

袋装液态奶已成为城市居民的日常饮品，不少消费者有饮用前将牛奶加热的习惯，但传统牛奶加热需经过微波炉、开水等人工加热，受到了水、电、设备等外在条件限制，因此急需一种新型自热式牛奶包装盒，使人们在没有水源、火源和电源的情况下就能够喝到热牛奶。因此本研究预研究出一种自动快速加热包装盒，具有加热速度快、无明烟明火、卫生安全、携带方便和低碳环保等优点，是一种全新概念的自热式餐饮包装，具有较高的使用价值和推广价值。近年来，出现了很多关于自热材料与装置的研究，尤其是长春应化所的系列高能自热材料研发成功使我国自热材料的研究走在了国际的前列［1］，但由于成本以及一些技术方面的局限，还没有走向推广阶段，同样国际上也有很多自热领域的研究，但研究范围仅限于对膨化机［2］，方便面，牛肉，米饭［3］以及一些生物［4］与工业上的应用，污染大，能耗高，而且没有有关牛奶自热装置的研究，本研究提出了一种低碳环保的加热装置。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

医用纱布等 市售;蒙牛纯牛奶、纯净水 润通矿泉水有限责任公司;氧化钙 西陇化工股份有限公司;纸杯 台州市清丽日用品有限公司;ALCB10.3型电子分析天平 北京赛系利斯仪器有限公司;BCD-248WDCS_LA型冰箱 青岛海尔股份有限公司;DL-CJ-1N型超净工作台 北京东联哈尔仪器制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 纸质包材时，使牛奶加热效率最好的氧化钙和水的比例探索［5］选择纸质包装盒作为牛奶的外包装，以水60g(放置加热材料的空间所能容纳的最大量)为标准，分别取氧化钙为 20、25、30、35、40、45、50g与水反应，确定加热效率最好时的氧化钙和水的比例。

1.2.2 比较不同包材对牛奶加热效率影响 在制作好的加热装置中加入牛奶200mL(市售牛奶净含量为200mL)后，每隔1min记录所测温度，并比较不同加热装置中牛奶温度的变化趋势。

1.2.3 牛奶初始温度不同时加热效率的对比研究 选取不同初温的牛奶进行加热效率的对比研究，确定在寒冷季节，哪种初温的牛奶的加热效率最好。

1.2.4 拉环式，螺旋式和自行启动装置的优劣性分析 比较不同启热方式对加热牛奶效率的影响。其中拉环式加热装置是将水袋固定在盒子底部，用拉环连接撕碎，使水与氧化钙接触放热;螺旋式加热装置是将水袋放置在盒子底部，利用螺钉的尖部将水袋戳破，使氧化钙与水接触放热;自行启动装置是直接将水袋固定在盒子一侧，让消费者自行撕碎水袋(带有垭口)启动加热装置。

2 结果与讨论

2.1 纸质包材时，使牛奶加热效率最好的氧化钙和水的比例探索［5］

氧化钙的质量小于40g时由于热在水中扩散较多，所以加热效率随着氧化钙的量逐渐增多而升高，而当氧化钙的质量大于40g时，反应不充分，氧化钙的覆盖作用也影响了加热效率，所以加热效率逐渐降低，氧化钙和水分别为40g和60g时，加热效率最好，此时初始温度为23℃的牛奶在4min内达到了最高温度，45℃保温8min。而加热效率最低的组氧化钙和水分别为20g和60g，牛奶最高温度仅达到了38℃，保温时间仅为5min(见图1)。

图1 不同氧化钙和水比例下牛奶加热效率的比较Fig.1 Effect of different ratio of calcium oxide and water heating efficiency comparison under the milk

2.2 不同包材对牛奶加热效率影响的对比研究

有前面的探索可知，氧化钙和水分别为40g和60g时，牛奶加热效率最好，所以在氧化钙和水分别为40g和60g时，做不同包装盒下牛奶的升温折线图，确定最好的包装材料(见图2)。对比折线图可知，不同包材下牛奶的最高温度均在45℃左右，保温时间均为9min左右，所以不同包材对牛奶的加热效率影响差别不大。但从造价方面考虑，选择纸质包材比较合理，纸质包材对环境影响最小，符合低碳的理念。

图2 不同包材下牛奶加热效率的比较Fig.2 Different packaging materials heating efficiency comparison of milk

上述实验最高温度达到了45℃，使纸质包装盒发生了碳化现象，所以实验过程中发生了纸质包装底部碳化的现象，所以在纸质包装底部植入金属板防止碳化，并进行以下的研究。

2.3 牛奶初始温度不同时加热效率的对比研究［6］

上面的实验均在室温条件下完成，考虑到寒冷季节的温度低于室温，进行以下三组组实验(见图3)，从折线图上可以得知，在低温环境下，牛奶的初始温度为10℃时，牛奶的加热效率最好，牛奶最高达到了43℃的温度，且保温时间为7min，符合消费者的最适饮用温度，说明低碳型自热牛奶包装盒满足了消费者方便快捷的加热牛奶的需求。

图3 不同初温时牛奶加热效率比较Fig.3 Different initial temperature of the heating efficiency of milk

2.4 拉环式，螺旋式和自行启动装置的优劣性分析

成品过程主要需要解决的问题是加热装置的起动问题。实验加热装置归结为以下三种类型:拉环式，螺旋式和直接启动装置。为了使实验结果更接近实际情形，在实验前先对牛奶进行了冷藏，使牛奶的初始温度为10℃，启动装置对牛奶进行加热。

2.4.1 拉环式启动装置的优劣性分析 启动方便，只需要拉动拉环即可;外观精巧，由于氧化钙位于盒子内部，且拉环不会影响包装盒的外观;使用安全，不会发生包装盒的撕裂现象。但是其生产工艺复杂，将拉环与水袋连接需要很复杂的生产工艺;加热材料反应不是很完全，反应过程中有一部分底部的氧化钙并没有和水充分接触;加热效率不是很高，由于氧化钙和水反应不是很完全，所以牛奶并没有达到30℃的最高温度。

2.4.2 螺旋式启动装置的优劣性分析 加热效率高，牛奶最高达到了40℃;节省原料，螺钉造价便宜(0.5元/2个);生产工艺简单，只需要将螺钉旋入底部即可。但是其启动时间长，因为将螺钉旋入需要很长的时间;不好固定，螺钉位于包装盒底部，承受压力比较大;容易发生漏水现象，螺钉旋如过程中会对包装盒造成破坏。

2.4.3 自行启动装置的特点分析 在实验室条件下，自行加热型装置是最优的加热装置，并且在实验过程中总结了自行加热装置所具有的以下优点:加热效率好，加热牛奶最高温度达到了45℃，饮用卫生安全。启动方便易行，饮用者只需将附着的水袋撕开加入牛奶盒的一侧，便可自行加热。安全方便，此装置不用考虑拉环或者螺旋式装置可能发生的撕裂现象。

2.5 成本核算

核算结果如表1所示。

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

3 结论

本实用新型的一种自动快速加热杯，由纸杯、反应装置、水包等组成。外包装使用纸质包装，造价低廉，符合低碳环保的理念，使用前将装有60g水的水袋撕破注入装有40g氧化钙的侧壁中，使水与氧化钙发生充分反应，放出热量在4min内自动加热杯内牛奶，温度可达45℃(人的最适合饮用温度为40℃)左右，保温时间可达8min。尤其是在寒冷季节，牛奶初始温度为10℃时，牛奶加热效率最好，最高温度达到了43℃，保温时间达到了7min，本实用新型纸杯加热性能好，特别适用于液态食品的加热。

［1］于柏林，石明山.系列高能自热材料研发成功［N］.科学时报，2008(8).

［2］白洪涛，张晓文.浅论自热膨化机的节能措施［J］.农业工程技术，新能源产业，2011(Cz1):57-59.

［3］田智超.自热米饭——发热原理的探讨及成分探究［J］.中学化学教学参考，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］.中国化学工程学报:英文版，2010(6):905-909.

［5］姜丰艳，薛桂蓬 徐建国.阿司匹林片成型工艺研究［J］.西北药学杂志，2011(3):209-211.

［6］张晓星，丁伟.开发吸热反应和放热反应的新实验［J］.教学仪器与实验，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 *通讯联系人

陈明明(1991-)，男，本科，研究方向:乳品工程。

东北农业大学开放性实验资助。