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扫描电子显微镜揭示牛奶包装的微结构

 更新时间:2024-07-05 点击量:177

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牛奶从生产到消费者手中经历了多个必要的阶段,包括灭菌、包装、储存和运输。牛奶包装能够保护牛奶免受外界污染物的影响,防止变质,并确保以最佳状态送达消费者手中。

牛奶包装分为两个主要类别:常温牛奶包装和冷藏牛奶包装。常温牛奶通常存放在室温下,具有更长的保质期,可以达到几个月甚至一年。冷藏牛奶通常存放在 2-6℃ 的环境中,保质期相对较短,大约几周。不同类型牛奶的保质期与生产灭菌方法和选择的包装技术等因素密切相关。本文利用扫描电子显微镜(SEM)研究这两种包装材料的微观特性,探讨其与保鲜能力的关系。

01./ 利用飞纳台式扫描电镜测试/

我们选择牛奶纸盒包装进行这个实验。为了揭示牛奶包装的复杂性,从纸盒的两个部位截取样本横截面。第一个样本取自牛奶纸盒的主体区域,该部分在包装生产过程中经历了一系列标准化的工艺步骤,代表了牛奶纸盒内的典型结构。第二个样本取自纸盒的接缝处,这个部位通常被认为是包装材料中最脆弱的部分之一,有助于评估接缝的密封效果和材料的稳定性。

由于牛奶纸盒包装材料由非导电材料组成,使用飞纳台式扫描电镜大样品室版 Phenom XL G2 的低真空模式来减小测试过程中的充电效应,并直接获取样本 SEM 图像。使用全景拼图软件(AIM)对纸盒接缝区域进行大面积成像,并将图像无缝拼接在一起。此外,进行 EDS 分析以确定包装材料的各层成分组成。

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图1常温牛奶包装纸盒的截面扫描电镜 SEM 图

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表1包装盒截面元素分析结果

常温牛奶包装纸盒的微观分析:如图 1 所示,常温牛奶包装纸盒截面呈现多层结构,由外到内共有六层。通过扫描电镜 EDS 元素分析功能并结合包装材料供应商的公开信息,最外层是一种聚合物,设计用于阻隔水汽。第二层是图案印刷层,在 SEM 图像中可以看到该层由颗粒状材料组成,含有较高浓度的钙元素。第三层,厚度约 220 微米,是一层由空心纤维组成的纸板层,增强了包装强度和硬度,是包装材料的主要构成。第四层是将纸板层粘合到约 8 微米厚的铝箔层上。第五层是铝箔层,起到阻挡光线和氧气的屏障作用。通过 EDS 结果分析,这一铝箔层由高纯铝制成,阻挡了光线和氧气。最内层是一层聚合物层,密封了牛奶并将其与包装材料隔离开来。

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图2利用全景拼图(AIM)功能检测常温牛奶包装盒接缝处的密封方式

包装的接缝处密封:接缝处密封是包装过程的关键步骤,可以防止牛奶泄漏,并在运输过程中保持结构完整。需要说明的是,接缝密封是指包装盒主体上的封口处,而不是灌装牛奶后的顶部或底部封口。图2展示了包装公司采用的两种不同接缝密封技术。第一种方法(如图 2a 所示)是将接口处边缘重叠,并在内部加上额外的高分子密封层,防止牛奶与密封处的内部材料接触。相比之下,第二种方法(如图 2b 所示)采用折叠的方式,为了方便折叠将纸板层以外的部分剪去,内壁被粘合在一起,因此无需额外的隔离层。

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图3冷藏牛奶包装纸盒的截面扫描电镜(SEM)图

 

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图4利用全景拼图(AIM)功能检测冷藏牛奶包装盒接缝处的密封方式

冷藏牛奶包装盒的微观分析:与常温牛奶包装盒结构不同,冷藏牛奶包装(如图 3 所示)没有铝箔层。其设计类似三明治结构,中央层为厚度约 400 微米的纸板,不仅提高包装盒的强度,也可提高包装的热绝缘性能,避免牛奶受外部温度波动的影响。此外,图 4 展示了冷藏牛奶盒的接缝处密封,是通过边缘重叠进行封口,但没有额外的隔离材料介于牛奶和接缝之间。

02.包装材料的可持续性探究/

常温牛奶包装中的铝箔层对密封质量和安全至关重要,但在回收过程中会带来较大挑战。仅有 8 微米厚的铝箔层比人的头发还要薄,使得在回收过程中难以分离并使回收成本增加。这一难题促使包装材料供应商不断探索可持续的替代方案。

利用飞纳台式扫描电镜的低真空成像、自动全景拼图(AIM)和 EDS 元素分析功能探究了牛奶包装的微观结构和密封方式。揭示了包装的保鲜能力与其微观结构之间的联系。这种全方面的分析方法提升了我们对包装材料在维持牛奶质量和安全方面的理解。



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