余廣榮，王攀登，蔣晨光，楊應(yīng)龍，楊鈺淳，石巖

可視化鮮奶儲存溫度識別包裝技術(shù)與設(shè)計

余廣榮，王攀登，蔣晨光，楊應(yīng)龍，楊鈺淳，石巖

（天津商業(yè)大學(xué)，天津 300134）

讓消費者通過鮮奶包裝上的可視化鮮奶儲存溫度標(biāo)識識別鮮奶是否按規(guī)定的溫度儲存，降低時間溫度指示標(biāo)簽技術(shù)的成本，使其更易應(yīng)用于鮮奶包裝。通過設(shè)計3種不同類型的時間溫度指示標(biāo)簽，幫助消費者識別鮮奶的存放溫度是否合適。油墨消色型和油墨顯色型時間溫度指示標(biāo)簽適合瓶裝鮮奶的儲存溫度識別，擴(kuò)散型時間溫度指示標(biāo)簽適合利樂包裝鮮奶的儲存溫度識別?？梢暬瘍Υ鏈囟茸R別包裝技術(shù)可確保鮮奶質(zhì)量安全，讓消費者放心購買，同時也提升了奶制品企業(yè)品牌的形象。

鮮奶；時間溫度指示標(biāo)簽；智能包裝

近年來，隨著人們生活水平的提高，營養(yǎng)、新鮮的低溫奶逐漸成為人們對乳制品的首選。由于低溫奶（即巴氏殺菌奶）的特殊處理方式，其從生產(chǎn)再到消費者手中的整個過程都有著嚴(yán)格的低溫要求[1]，因此，低溫奶的質(zhì)量安全成為制約其在國內(nèi)市場的生產(chǎn)及消費的重要因素之一。如何讓消費者購買到安全未變質(zhì)的低溫奶成為奶制品企業(yè)需要考慮并努力的方向。在國外，智能指示標(biāo)簽已經(jīng)應(yīng)用到了多個行業(yè)的產(chǎn)品上，其中時間溫度指示標(biāo)簽可以有效地控制食品安全，讓消費者買得放心吃得安心[2-4]。在國內(nèi)，時間溫度指示標(biāo)簽研發(fā)和使用較晚，存在成本過高，標(biāo)簽易脫落等問題，隨著人們食品安全意識的逐漸加強(qiáng)及科研投入的提高，這些問題的解決指日可待。

1 鮮奶及其變質(zhì)原因

鮮奶是十分常見的一種食品，含有脂肪、蛋白質(zhì)、無機(jī)鹽、乳糖、大部分已知的維生素，以及豐富的鈣、磷、鉀及多種人體所需的微量元素，營養(yǎng)價值十分高[5]?，F(xiàn)今乳品市場主要以常溫奶和低溫保鮮奶為主，常溫奶具有保存時間長的特點，但營養(yǎng)物質(zhì)會受到一定的損失。低溫保鮮奶，也稱巴氏殺菌奶，是指采用巴氏殺菌法將生奶進(jìn)行瞬時高溫滅菌，殺死有害微生物，保留部分對人體無害的微生物，能最大限度地保留鮮奶中的營養(yǎng)物質(zhì)，其營養(yǎng)價值明顯高于常溫奶。巴氏殺菌工藝使得部分微生物被保留下來，這些微生物在合適的條件下能夠迅速繁殖從而導(dǎo)致鮮奶變質(zhì)，因此巴氏殺菌奶的運輸、銷售及存儲等各個環(huán)節(jié)的環(huán)境溫度都要求在4 ℃以下，俗稱“冷鏈”[6-7]。如果在運輸或存儲過程中長時間處于4 ℃以上，就會使一些耐高溫的細(xì)菌和芽孢繁殖，從而引發(fā)一系列的化學(xué)反應(yīng)，最終導(dǎo)致牛奶變質(zhì)[8]。這時雖然牛奶在保質(zhì)期內(nèi)，但消費者喝到的卻是變質(zhì)的牛奶。溫度越高存放時間越短，如果長期飲用就會對身體造成傷害，因此對巴氏殺菌奶的整個物流環(huán)節(jié)的低溫控制十分必要。針對上述問題，文中提出2種可視化鮮奶儲存溫度識別包裝技術(shù)方案，即油墨型時間溫度指示標(biāo)簽和擴(kuò)散型時間溫度指示標(biāo)簽。

2 油墨型時間溫度指示標(biāo)簽設(shè)計

油墨型時間溫度指示標(biāo)簽分消色型和顯色型2種，是根據(jù)熱敏油墨在不同溫度下顯示出不同的顏色來表示時間和溫度之間的關(guān)系，用熱敏油墨制作成熱敏標(biāo)簽，可以幫助消費者直觀判斷鮮奶的儲存溫度[9-10]。

2.1 消色型鮮奶用時間溫度指示標(biāo)簽

2.1.1 設(shè)計思路與原理說明

考慮到大多數(shù)商品的包裝上印有條形碼，且熱敏油墨顏色變化分顏色逐漸變深、顏色逐漸變淺以及從一種顏色變到另一種顏色這3類，因此選用熱致變不可逆油墨中的消色油墨來印刷條形碼。當(dāng)鮮奶一直儲存于4 ℃以下時，鮮奶并未變質(zhì)，此時條形碼清晰，掃碼槍可以準(zhǔn)確地識別掃描，消費者可以進(jìn)行購買。當(dāng)鮮奶曾經(jīng)長時間存放于4 ℃以上時，這時鮮奶雖然在保質(zhì)期內(nèi)但是由于儲存溫度不適宜，其品質(zhì)有可能已經(jīng)不佳甚至變質(zhì)。此時的條形碼逐漸模糊、變淺直至消失，當(dāng)消費者看到不清晰的條形碼時就不會購買了，即使有一部分粗心的消費者沒有注意到這一問題，當(dāng)消費者在掃碼付款的時候，由于條形碼的不清晰，掃碼槍無法掃描識別產(chǎn)品進(jìn)行出售，這樣就能從源頭上制止了不新鮮或變質(zhì)的鮮奶的銷售，從而保護(hù)了消費者的消費權(quán)益。

2.1.2 熱致變不可逆油墨的選擇

熱敏油墨的顏色多種多樣，有紅色、橘色、黃色、綠色、天空藍(lán)、深藍(lán)色、黑色等15種顏色[11]，根據(jù)熱敏油墨熱變色的可逆性，可以將熱敏油墨分為可逆熱敏油墨和不可逆熱敏油墨。不可逆熱敏油墨在降溫后不會恢復(fù)到原來的顏色[12]。由于牛奶的品質(zhì)隨溫度和時間的積累會發(fā)生不可逆的變化，即當(dāng)溫度降回至4 ℃以下時也不能變?yōu)楹细竦呐Ｄ?。所以油墨選用不可逆熱敏油墨，且油墨的變色溫度在4～5 ℃，根據(jù)油墨在達(dá)到4 ℃及以上時顯示出的不同顏色，示意鮮奶曾在不適宜的溫度下儲存，并且當(dāng)鮮奶重新放回4 ℃以下時油墨顏色也不會恢復(fù)到之前的顏色，這時消費者就知道鮮奶雖然仍在保質(zhì)期內(nèi)，但也有可能已經(jīng)變質(zhì)了。熱敏油墨常用變色溫度區(qū)間為?15～70 ℃，該設(shè)計選擇變色溫度在4～5 ℃的不可逆熱敏油墨。熱敏油墨分為有機(jī)熱敏變色油墨、無機(jī)熱敏變色油墨和液晶熱敏變色油墨這3種[13]，如表1所示，可選擇液晶熱敏變色油墨作為油墨型時間溫度指示標(biāo)簽的印刷材料。如日本中外藥品公司的熱敏變色液晶TCA，變色溫度范圍廣，其變色溫度可以為?30～100 ℃的任何溫度點，且變色溫度的寬度可以任意調(diào)節(jié)，同時其變色溫度可以在1～20 ℃連續(xù)變化，溫度精度可達(dá)±0.2 ℃[14]。為了方便掃碼槍掃描，消色型鮮奶用時間溫度指示標(biāo)簽使用顏色為黑色（000000）的熱敏油墨，變色溫度為4 ℃。

表1 熱敏油墨

Tab.1 Temperature sensitive ink

對于不可逆變色，有以下2個關(guān)系。加熱時間與變色溫度的關(guān)系：log，式中：為變色溫度，℃；為加熱時間，min；、為某一實測的油墨常數(shù)。由公式可以看出變色溫度與加熱時間的對數(shù)成正比關(guān)系，加熱時間越長，變色溫度越高。加熱速度與變色溫度的關(guān)系：log，式中：為變色溫度，℃；為加熱速度，℃/min；、為某一實測油墨的常數(shù)。由公式可以看出變色溫度與加熱速度的對數(shù)成正比關(guān)系，加熱速度越快，變色溫度就越高[15]，因此，當(dāng)鮮奶在不適宜的溫度中時間越長或所處的環(huán)境溫度升溫越快，不可逆熱敏油墨的變色溫度越高。

2.1.3 消色型鮮奶用時間溫度指示標(biāo)簽設(shè)計

這款油墨型時間溫度指示標(biāo)簽的設(shè)計打破了傳統(tǒng)一維條形碼的形狀，將條形碼的形狀設(shè)計為奶牛的形狀，與鮮奶包裝主題相契合，圖案新穎，造型美觀，奶牛的圖案更吸引消費者，如圖1所示。隨溫度上升，油墨的顏色逐漸變淺，直至消失，變化過程如圖2所示。鮮奶封口處采用藍(lán)色和橘紅色搭配，色彩亮麗，引人注目。隨著溫度的升高，油墨型時間溫度指示標(biāo)簽的顏色逐漸變淺直至消失，標(biāo)簽由圖3a變?yōu)閳D3b。

圖1 奶牛輪廓的條形碼

圖2 隨著溫度上升黑色油墨的顏色變化

2.2 顯色型鮮奶用時間溫度指示標(biāo)簽

使用熱敏油墨在鮮奶包裝瓶的開口處印刷圖案或文字，隨溫度升高逐漸顯示出印刷的圖案或文字，以此來提醒消費者，達(dá)到提示的目的。

圖3 消色型時間溫度指示標(biāo)簽效果

2.2.1 設(shè)計思路與原理說明

當(dāng)鮮奶存放于4 ℃以下時，油墨顏色與瓶蓋上的顏色相同，均為白色，提示的圖案或文字不顯示，與普通鮮奶包裝并無差異，此時消費者可以放心購買。當(dāng)鮮奶長時間儲存在4 ℃以上的環(huán)境中時，熱敏油墨的顏色隨著溫度的升高或時間的積累逐漸變深，瓶蓋上的提示圖案或文字變得越來越清晰，此時，消費者看到警示的圖案或文字就知道鮮奶雖然仍在保質(zhì)期內(nèi)，但其品質(zhì)可能因儲存溫度不當(dāng)已經(jīng)欠佳或變質(zhì)，消費者可以仔細(xì)甄別后再決定要不要購買。

2.2.2 材料選擇

選用熱致變不可逆油墨中的顯色油墨在瓶蓋上印刷圖案，由于牛奶在4 ℃時開始變質(zhì)，因此選用變色溫度為4 ℃的油墨，且為了能夠很好地提醒消費者，圖案采用更為醒目的紅色作為升溫后最終的油墨顏色。如日本松井色素化學(xué)工業(yè)所的Thermolock系列油墨，主要采用微膠囊制劑，其變色溫度范圍廣，有?14～?15、4～5、23～24、38～39、30～31、36～37 ℃等6種，且顏色多樣，如圖4所示[16]。最終，通過篩選比較，選擇日本松井色素化學(xué)工業(yè)所的Thermolock系列中變色溫度范圍為4～5 ℃、顏色為0#的金橙色油墨作為油墨型時間溫度指示標(biāo)簽的印刷材料。

圖4 油墨的顏色

2.2.3 顯色型鮮奶用時間溫度指示標(biāo)簽設(shè)計

將這個油墨型時間溫度指示標(biāo)簽的圖案設(shè)計為一個紅色的盾牌內(nèi)帶一個溫度計，意為防止溫度升高，如果牛奶的儲存溫度不當(dāng)，當(dāng)消費者購買或準(zhǔn)備開蓋飲用時，即可發(fā)現(xiàn)瓶蓋上的警示圖案，不管是對家長還是兒童圖案都簡單明了，具有明顯的警示作用，提示消費者鮮奶品質(zhì)不佳或已經(jīng)變質(zhì)。熱敏油墨完全顯示后的圖案如圖5所示。隨著溫度的上升，油墨顏色由白色變?yōu)榧t色（從左至右），具體變化過程如圖6所示，標(biāo)簽也會由圖7a變?yōu)閳D7b，瓶子的整體效果如圖7c所示。熱敏油墨為日本松井色素化學(xué)工業(yè)所Thermolock系列油墨，顏色為0#號顏色。

圖5 印刷圖案

圖6 隨溫度上升油墨的顏色變化

圖7 顯色型鮮奶用時間溫度指示標(biāo)簽效果

3 擴(kuò)散型時間溫度指示標(biāo)簽設(shè)計

擴(kuò)散型時間溫度指示標(biāo)簽是根據(jù)指示劑在一定溫度下融化，指示劑從固態(tài)變成液態(tài)的流動來表示產(chǎn)品所經(jīng)歷的時間與溫度的關(guān)系，以此來顯示產(chǎn)品的狀態(tài)以及使用壽命。

3.1 設(shè)計思路與原理說明

利用物質(zhì)受熱融化的性質(zhì)，使指示劑的熔點等于或略高于4 ℃，當(dāng)鮮奶存放于4 ℃以上的環(huán)境中時，指示劑就會融化，通過指示劑是否受熱融化來識別鮮奶的儲存溫度是否低于4 ℃以下，可以讓消費者更加直觀地了解到鮮奶的新鮮程度和質(zhì)量。

3.2 溫度指示標(biāo)簽材料的選擇

3.2.1 指示劑材料的選擇

根據(jù)一些物質(zhì)的熔點和價格[17]（如表2所示），最終選擇花生油作為標(biāo)簽的指示劑，將花生油的最低凝固溫度4 ℃作為臨界變化溫度，試驗證明通過控制在泡罩內(nèi)部所裝入油的體積（≤1 mL），即使局部升溫，融化的花生油因表面張力作用也不能流過中間細(xì)的連通管?；ㄉ偷娜诨^程如圖8所示，隨著溫度升高花生油逐漸融化，見圖8a—b，并且完全融合至少要0.5 h。由于花生油顏色較淺，不易識別，在常溫下為淡黃色液體，在完全凝固時為白色固體，因此在花生油中還加入紅色的油溶性染料，使指示劑的顏色更加明顯，方便消費者的識別?？傊唧w的融化時間與油的體積需要根據(jù)外界環(huán)境溫度進(jìn)一步試驗來確定。

表2 油脂的熔點

Tab.2 Melting point of oils

圖8 試驗中花生油的融化過程

3.2.2 標(biāo)簽用指示劑泡罩材料的選擇

指示標(biāo)簽采用透明泡罩包裝的形式，因其密封性好可以有效低防止指示劑流出而污染包裝[18]。整個標(biāo)簽有2個小泡罩，中間用一個小通道連接2個小泡罩，其中指示劑放在靠近上部的泡罩中。由于標(biāo)簽需要盛裝花生油，因此，整個標(biāo)簽需要有良好的阻隔性，防止花生油滲出以及外界氣體對花生油造成影響。同時，由于該指示劑融化與鮮奶儲存的外界溫度有關(guān)，因此，封裝材料要具備良好的導(dǎo)熱性，這樣標(biāo)簽和鮮奶的溫差較小，溫度更加精準(zhǔn)，且在外界溫度發(fā)生變化時能及時反饋，不會發(fā)生滯后現(xiàn)象。泡罩的材質(zhì)主要有聚偏二氯乙烯（PVDC）、聚氯乙烯（PVC）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚丙烯（PP）這4種[19]，4種材料的性能和價格如表3所示。根據(jù)上述要求，因為PVC具有更加良好的阻隔性和更高的性價比，所以最終選擇PVC作為泡罩材料。

表3 泡罩包裝材料

Tab.3 Blister package material

由于鋁箔具有良好的阻隔性以及導(dǎo)熱性，可以使泡罩內(nèi)的花生油和鮮奶間的溫差減小，更加符合指示標(biāo)簽對材料的要求，因此選擇鋁箔作為襯底材料。各材料的性能如表4所示。

表4 泡罩襯底材料

Tab.4 Liner material for blister package

3.3 擴(kuò)散型時間溫度指示標(biāo)簽設(shè)計

時間溫度指示標(biāo)簽的整體設(shè)計為上下分布的2個弧形泡罩，將這個弧形的泡罩置于卡通牛（如圖9a）嘴部的位置，標(biāo)簽與卡通牛的表情相結(jié)合，將其分開來看剛好與標(biāo)簽上的2個圓圈分別組成了微笑的臉和傷心的臉，如圖9b和9c所示。在與無菌磚黏合之前，凝固的花生油位于標(biāo)簽上部的泡罩內(nèi)。當(dāng)標(biāo)簽黏合在鮮奶包裝上時，由于鮮奶一直存放于低溫條件下（即4 ℃以下），此時環(huán)境溫度低于花生油的熔點，花生油并未融化，仍然位于標(biāo)簽上方的泡罩內(nèi)，并與標(biāo)簽上的2個圓圈組成微笑的臉。當(dāng)鮮奶經(jīng)過儲存和運輸來到消費者手中時，如果凝固的花生油與圓圈組成微笑的臉，就意味著在這一過程中鮮奶一直存放于4 ℃以下，可以放心購買，標(biāo)簽樣式如圖10a所示。當(dāng)鮮奶在儲存或運輸過程中高于4 ℃時，即達(dá)到花生油的熔點時，在重力的作用下花生油就會順著2個弧形泡罩之間的小通道流入標(biāo)簽下方的泡罩中，這樣就和標(biāo)簽上的圓圈組成了一個傷心的臉，標(biāo)簽樣式如圖10b所示。

圖9 擴(kuò)散型時間溫度指示標(biāo)簽及包裝效果

圖10 指示標(biāo)簽效果圖

如果排除運輸途中包裝盒可能由于上下倒置、左右顛簸等情況，這樣這個標(biāo)簽由于重力的原因花生油只可能向下流，具有不可逆性。當(dāng)消費者在購買鮮奶時發(fā)現(xiàn)鮮奶的標(biāo)簽是一個傷心的臉，就意味著鮮奶在儲存或運輸環(huán)節(jié)中可能有一段時間是處于4 ℃以上的，而時間的長短可以通過下方的泡罩內(nèi)含有融化的花生油的含量來判斷，此時的鮮奶雖然還在保質(zhì)期內(nèi)，但在一定程度上已經(jīng)發(fā)生了變質(zhì)，消費者在購買時需要多加甄別。

4 結(jié)語

隨著消費者對食品質(zhì)量及安全意識的提高，巴氏殺菌奶的特殊性導(dǎo)致消費者對其質(zhì)量安全非常重視，文中設(shè)計的消色型鮮奶時間溫度指示標(biāo)簽在形狀上將條形碼與奶牛圖案相結(jié)合，新穎獨特；在材料上使用了黑色的熱敏油墨，使條形碼圖案可以隨溫度升高而變淺直至消失，最終使掃碼槍不能識別條形碼，消費者無法購買。設(shè)計的顯色型鮮奶時間溫度指示標(biāo)簽采用熱敏油墨將盾牌溫度計圖案印刷在瓶蓋上，當(dāng)溫度升高時，盾牌溫度計會顯現(xiàn)出紅色，以此來警示消費者牛奶的儲存溫度是否高于要求溫度。設(shè)計的擴(kuò)散型時間溫度指示標(biāo)簽與卡通牛相結(jié)合，通過卡通牛的表情和指示劑是否融化來提示消費者，讓消費者在購買的時候可以清楚地看到鮮奶的儲存溫度是否適宜?？傊?種可視化鮮奶儲存溫度識別包裝能讓消費者對產(chǎn)品更加信任，可吸引更多的消費者，提升企業(yè)的品牌形象，為企業(yè)帶來巨大的效益，但還需要做相關(guān)的試驗來驗證這個方案的可行性，如由凝固花生油體積有限，局部升溫可能不影響牛奶品質(zhì)，但因凝固花生油溶解可能導(dǎo)致消費者錯判與浪費。由于在運輸途中未考慮包裝盒可能發(fā)生上下倒置、左右顛簸的問題，不能確?；ㄉ蜆?biāo)簽一直處于正立狀態(tài)，不能確定標(biāo)簽狀態(tài)不可逆，對消費者判定會產(chǎn)生不準(zhǔn)確性，所以為了保證標(biāo)簽可靠的不可逆性，可以在連通管內(nèi)設(shè)置一層搭片，保證油的單向流動。

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Packaging Technology and Design for Visual Storage Temperature Identification of Fresh Milk

YU Guang-rong, WANG Pan-deng, JIANG Chen-guang, YANG Ying-long, YANG Yu-chun, SHI Yan

(Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

The work aims to enable consumers to identify whether the fresh milk is stored at the specified temperature by the visual label of fresh milk storage temperature on the package and lower the cost of time and temperature indicator label technology to make it easier to be applied in fresh milk package. Three types of time and temperature indicator labels were designed to help consumers identify whether the storage temperature of fresh milk was appropriate. Achromatic-type time and temperature indicator label and chromogenic-type time and temperature indicator labelbased on ink were suitable for identifying storage temperature of bottled fresh milk, and diffusion-type time and temperature indicator label was suitable for identifying storage temperature of fresh milk inTetraPak package. Visual storage temperature identification packaging technology may ensure the quality and safety of fresh milk, let consumers buy fresh milk with confidence, and also enhance the brand image of milk product manufacturers.

fresh milk; time and temperature indicator label; intelligent packaging

TB482；TS206

A

1001-3563(2023)05-0156-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.05.020

2022?09?13

國家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃（201810069029）；天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（202110069126）

余廣榮（1997—），女，碩士生，主攻食品包裝材料。

石巖（1975—），女，博士，教授，主要研究方向為生物質(zhì)基功能材料。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋