微波处理与热处理对牛奶包装材料机械性能影响的研究

唐亚丽，赵 伟，卢立新

(1.江南大学机械工程学院包装工程系，江苏无锡214122; 2.中国包装总公司食品包装技术与安全重点实验室，江苏无锡214122; 3.江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡214122)

微波处理与热处理对牛奶包装材料机械性能影响的研究

唐亚丽1，2，*，赵 伟3，卢立新1，2

(1.江南大学机械工程学院包装工程系，江苏无锡214122; 2.中国包装总公司食品包装技术与安全重点实验室，江苏无锡214122; 3.江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡214122)

研究了微波处理与热处理对于牛奶包装材料机械性能的影响。结果表明，微波处理和热处理均会影响牛奶包装的热封强度和拉伸强度。随着微波功率和处理时间的增加，三种被测材料的热封强度和拉伸强度均呈下降趋势，尤其是C的拉伸强度变化幅度最大;随着加热温度的增加，三者热封强度升高，除B膜外，拉伸强度同样呈现上升趋势;而随着加热时间的增加，A、B热封强度相对比较稳定，但是C的热封强度呈明显上升趋势，对于拉伸强度而言，除B平均值略高于初始值以外，A与C的拉伸强度均呈明显的随时间增加而上升的趋势。特别是高温、大功率、长时间处理对包装材料的影响尤为显著。

牛奶，包装材料，机械性能，微波，热处理

牛奶作为一种营养价值较高的食品，含有100多种人体所需要的营养物质，例如蛋白质、脂肪、乳糖、多种维生素和矿物质等，因而越来越受到人们的青睐。随着人们对健康的重视，牛奶已经成为日常必不可少的食品。目前软塑包装以其价格低廉，包装简单，流通方便等优点占据牛奶包装销售相当大的比例。包装袋的稳定性直接影响到乳品的安全性和卫生性。在日常生活中，多数市民习惯加热后喝袋装奶，或者直接将袋奶放进沸水中加热，或者把袋奶直接放进微波炉加热。由于包装材料、配方、结构、加工助剂、生产工艺、环境条件等的原因，导致包装袋中活性成分的分解、迁移、吸附甚至与内容物发生化学反应［1］，进而影响乳品质量，如异味、奶香味丧失、分层、组织结构变化等，严重的甚至会引起人体副作用［2］。而加热处理，无疑会加速这一进程，包装袋在一定温度水或牛奶中浸泡发生分层、收缩、脱色、粘连等现象，将会极大地影响其功能，拉伸强度、抗戳穿强度、热封性能和透气透湿性等都会有所降低，而且塑料中的某些物质也会分解进入到牛奶中［3－4］。同时，微波加热由于具有省时、卫生、方便、节能和营养损失少等优点，近年来在食品领域被广泛研究和应用［5－6］。但是，微波烹调食品也存在一些亟待解决的问题，比如微波加热对食品的色泽、风味、质构及营养素的影响［7－9］。乳脂氧化是鲜牛奶自身营养成分改变的一种重要形式，而且其最终产物不仅会影响乳品的营养，甚至还会危害人体健康［10－11］。本实验旨在研究日常使用的两种加热方法，即微波加热和热水浸泡对袋装牛奶包装的机械性能的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

牛奶包装材料 聚乙烯黑白共挤包装膜，主要成份为PE和黑白母料，厚度分别为0.099mm(A)、0.101mm(B)、0.093mm(C)，袋包装规格为140× 105mm(A)、150×105mm(B)、150×110mm(C)，市场购得。

P70D20TL－D4型微波炉 广东格兰仕集团有限公司;LRXPlus电子材料实验机 英国LLOYD公司; YJ501型超级恒温水浴锅 江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 热封强度实验 按照QB/T 2358－98标准进行热封强度实验。实验结果以10个试样的算术平均值作为该部位的热合强度，单位以N/15mm表示。

1.2.2 拉伸强度实验 拉伸强度试样取长条型试样，所取试样宽度为15mm，试样长度为150mm。用裁刀沿宽度方向等间隔裁取，每组试样6个，选用400mm/min速度进行实验。

式中，σt为拉伸强度(MPa);p为最大负荷(N); b为试样宽度(mm);d为试样厚度(mm)［12］。

2 结果与讨论

2.1 微波处理对包装材料热封强度的影响

2.1.1 微波处理功率对热封强度的影响 在保持时间为120s不变的条件下，三种材料的热封强度表现出不同的变化模式。

如图1所示，A袋在119W和280W下，热封强度均比初始值(0W)略有下降，并相对稳定，而在462W时突然升高，在595W和700W时平稳下降。出现这种情况，可能是由于随着微波功率的增加，封口处的分子间作用力发生变化，分子链出现断裂，导致热封强度降低。B袋随功率变化的趋势不显著，曲线的前后段均呈现先升高后降低的趋势，其中280W功率时突然下降，若刨除实验误差的影响，可以发现曲线中段热封强度均比初始值有所升高，只是在曲线末端，微波功率较大，造成热封强度明显下降。C牛奶黑白袋热封强度随功率变化趋势明显，在小于595W处理时，热封强度呈逐渐上升趋势，这可能是由于微波和温度的原因消除了应力集中，使得分子链出现交联，分子间作用力增大［13］，而在700W功率时，可能由于较高的温度造成封口处热粘度下降，导致热封强度降低。三者的共同特征是在经过700W功率微波处理过后，热封强度均有所降低。

图1 微波功率对膜热封强度的影响

2.1.2 微波加热时间对热封强度的影响 保持微波功率700W输出不变，热封强度随加热时间变化如图2所示。由图2可看出，三种材料的热封强度随微波加热时间变化的趋势比较一致，总体上来说都是随时间增加而下降的，特别是A和C黑白袋热封强度下降趋势明显，基本上呈现稳步下降的态势，这说明在大功率下，微波处理对这两种袋子的热封强度影响较大，微波时间越长，效果越显著。B袋的曲线虽然在60s处略有升高，但是末端还是逐渐下降的，由此可以说明，其热封强度在经受大功率长时间微波处理后会有较大变化。同时，在微波大功率处理时，90s以内，三种材料热封强度变化趋势比较平稳，而120s和150s时，呈明显下降趋势，这可以说明，在700W的微波功率下，120s以内的加热对黑白袋热封强度影响不明显，120s以上时黑白袋的热封强度将发生较大变化。

图2 微波加热时间对热封强度的影响

2.2 热处理对包装材料热封强度的影响

2.2.1 热处理时间对热封强度的影响 保持100℃水温不变，不同袋子热封强度随处理时间变化如图3所示。

由图3可以看出，A、B袋热封强度相对比较稳定，其热封强度平均值分别为(19.195±0.068)N/ 15mm和(19.045±0.050)N/15mm，与初始值的19.24N/15mm和19.03N/15mm相差不大，但是A袋热封强度曲线整体呈下降趋势，且曲线平稳，这说明出现应力集中现象，影响了封口部位的整体封合强度［14］。而C袋的热封强度曲线虽然在3min处略有下降，但整体呈明显上升趋势，而且其热封强度平均值为(18.568±0.100)N/15mm，比初始值的18.46N/ 15mm有明显上升，这可能是由于在制袋时没有很好地消除封口处材料的应力集中［15］，而在高温水浴中长时间浸泡，逐渐地消除了内部的应力，使得其强度升高。

2.2.2 热处理温度对热封强度的影响 保持加热时间为5min不变，三种材料的热封强度随热处理温度变化如图4所示。C袋的热封强度随热处理温度的增加一直在增加，所以造成的原因也应是相同的，都是因为高温水浴消除了应力集中。A袋热封强度值呈先降低后升高趋势，而B袋热封强度曲线呈先升高再降低再升高趋势，但二者整体的变化幅度都不大。

图3 热处理时间对热封强度的影响

图4 热处理温度对热封强度的影响

2.3 微波处理对包装材料拉伸强度的影响

2.3.1 微波处理功率对拉伸强度的影响 如图5所示，C膜在开始时经119W功率处理，拉伸强度变化还不是很明显，但是随着功率不断增大，强度降低程度开始变大，最大处与最小处相差1.1MPa。而B膜的拉伸强度下降趋势比较平缓，最大值与最小值只相差0.41MPa。A膜的拉伸强度最大值与最小值只相差1.01MPa，整体变化与C比较相似，只是前者的曲线末端比较平缓，有趋于稳定的趋势。

图5 微波处理功率对拉伸强度的影响

2.3.2 微波处理时间对拉伸强度的影响 保持微波功率700W输出不变的情况下，三种膜的拉伸强度随微波处理时间变化如图6所示。

由图6所示，A膜的拉伸强度曲线最为平滑，呈缓慢下降趋势。而B膜的拉伸强度除在90s这一点上略有上升以外，其他各处均呈缓慢下降趋势，且下降幅度在三者之中最小。C膜的拉伸强度曲线在前半段表现的很平稳，但是从60s处开始急剧下降，C膜的强度下降的是三者之中最多的，下降了1.27MPa。

图6 微波处理时间对拉伸强度的影响

2.4 热处理对包装材料拉伸强度的影响

2.4.1 热处理时间对拉伸强度的影响 保持水温为100℃不变，三种黑白膜的拉伸强度随热处理时间变化如图7所示。经过0～5min的沸水加热处理后，三种黑白膜的拉伸强度变化明显与经微波处理过的材料不同。在图5与图6中三种材料的拉伸强度曲线均呈下降趋势，而在图7中，我们发现，除B膜的拉伸强度平均值略高于初始值以外，A与C膜的拉伸强度曲线都呈现明显的随处理时间增加而上升的趋势，特别是C膜，除在1min处理时略有上升以外，其后其拉伸强度值几乎是直线上升。这些说明，沸水浴加热与微波处理对三种膜的影响有很大的区别，其根本原因值得探讨。

图7 热处理时间对拉伸强度的影响

2.4.2 热处理温度对拉伸强度的影响 保持加热时间5min不变，三种黑白膜的拉伸强度随热处理温度变化如图8所示。

图8 热处理温度对拉伸强度的影响

三种膜的拉伸强度曲线反差很大，B膜的拉伸强度曲线虽然有些小波动，但是波动范围不大，曲线整体呈稳定趋势。A膜的拉伸强度曲线在开始时略有降低，但是从60℃到90℃时明显升高，而在100℃时又转为下降趋势。C膜拉伸强度曲线上升势头强劲，在前半段一直低于B和A，到了90℃和100℃时分别超过了前两者，这说明C膜的拉伸强度受长时间水浴影响明显，特别是当温度较高时，其强度上升较多。

3 结论

通过测试三种牛奶黑白袋和膜的两项主要机械性能，可以发现微波处理和热处理虽然都会影响其热封强度，但是其变化范围很小，而且两种加热方式对袋子热封强度影响有很大的不同。不但如此，不同膜的热封强度对处理方式的敏感度也不同，其中最稳定的是B膜，变化程度最大的是C膜。三种膜的拉伸强度经微波和热处理之后变化比较明显，特别是C膜，经过100℃5min沸水处理之后，其拉伸强度变化最大，达到了14.26%。最值得注意的一点是，C膜和A膜在经过微波处理后，拉伸强度下降了，但是经水浴加热处理后，其拉伸强度却呈明显上升的趋势，这很值得深入研究。经过对比曲线发现，上述变化最剧烈的地方基本都是发生在曲线末端，也就是温度最高、微波功率最大、处理时间最长的地方，这提醒我们在日常生活中尽量避免极端条件处理袋装奶，以避免对身体健康产生危害。在实验中，我们还发现经过处理的材料，会比较容易脱色，至于其是否会影响牛奶品质，还需进一步的研究。

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Influence of microwave and heating on the mechanical properties of milk packaging

TANG Ya－li1，2，*，ZHAO Wei3，LU Li－xin1，2
(1.Department of Packaging Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China; 2.Key Laboratory of Food Packaging Techniques＆Safety of China National Packaging Corporation，Jiangnan University，Wuxi 214122，China;3.State Key Laboratory of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

To investigate the influence of heating modes on the food package safety，the present work was designed to compare changes on the mechanical properties of packaging materials of milk submitted to microwave treatment and heating.The result showed that microwave and heat treatment could both influence the mechanical properties of the films.With the increase in microwave power and treatment time，the heat－sealing intensity and tensile strength of three tested materials were downtrend，especially for the tensile strength of C.The heat－sealing intensity and tensile strength increased as the heating temperature increased，except the tensile strength of B. Along with the increase in heating time，the heat－sealing intensity of A and B was stable，relatively，but that of C obviously tended to ascent.A clear upward trend was seen in the tensile strength of A and C with the increase in heating time except B.The radical changes always appeared under high temperature，high power and long treatment time.

milk;package material;mechanical properties;microwave;heat treatment

TS206.4

A

1002－0306(2011)12－0397－04

2011－08－04 *通讯联系人

唐亚丽(1982－)，女，博士，副教授，研究方向:食品包装技术与安全。

国家自然科学基金青年科学基金项目(31101376，31000829);江苏省农业自主创新资金项目(CX(10)231)。