掃描電子顯微鏡揭示牛奶包裝的微結構

牛奶從生產(chǎn)到消費者手中經(jīng)歷了多個(gè)必要的階段，包括滅菌、包裝、儲存和運輸。牛奶包裝能夠保護牛奶免受外界污染物的影響，防止變質(zhì)，并確保以最佳狀態(tài)送達消費者手中。

牛奶包裝分為兩個(gè)主要類(lèi)別：常溫牛奶包裝和冷藏牛奶包裝。常溫牛奶通常存放在室溫下，具有更長(cháng)的保質(zhì)期，可以達到幾個(gè)月甚至一年。冷藏牛奶通常存放在 2-6℃ 的環(huán)境中，保質(zhì)期相對較短，大約幾周。不同類(lèi)型牛奶的保質(zhì)期與生產(chǎn)滅菌方法和選擇的包裝技術(shù)等因素密切相關(guān)。本文利用掃描電子顯微鏡（SEM）研究這兩種包裝材料的微觀(guān)特性，探討其與保鮮能力的關(guān)系。

01./ 利用飛納臺式掃描電鏡測試/

我們選擇牛奶紙盒包裝進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗。為了揭示牛奶包裝的復雜性，從紙盒的兩個(gè)部位截取樣本橫截面。第一個(gè)樣本取自牛奶紙盒的主體區域，該部分在包裝生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)歷了一系列標準化的工藝步驟，代表了牛奶紙盒內的典型結構。第二個(gè)樣本取自紙盒的接縫處，這個(gè)部位通常被認為是包裝材料中最脆弱的部分之一，有助于評估接縫的密封效果和材料的穩定性。

由于牛奶紙盒包裝材料由非導電材料組成，使用飛納臺式掃描電鏡大樣品室版 Phenom XL G2 的低真空模式來(lái)減小測試過(guò)程中的充電效應，并直接獲取樣本 SEM 圖像。使用全景拼圖軟件（AIM）對紙盒接縫區域進(jìn)行大面積成像，并將圖像無(wú)縫拼接在一起。此外，進(jìn)行 EDS 分析以確定包裝材料的各層成分組成。

圖1常溫牛奶包裝紙盒的截面掃描電鏡 SEM 圖

表1包裝盒截面元素分析結果

常溫牛奶包裝紙盒的微觀(guān)分析：如圖 1 所示，常溫牛奶包裝紙盒截面呈現多層結構，由外到內共有六層。通過(guò)掃描電鏡 EDS 元素分析功能并結合包裝材料供應商的公開(kāi)信息，最外層是一種聚合物，設計用于阻隔水汽。第二層是圖案印刷層，在 SEM 圖像中可以看到該層由顆粒狀材料組成，含有較高濃度的鈣元素。第三層，厚度約 220 微米，是一層由空心纖維組成的紙板層，增強了包裝強度和硬度，是包裝材料的主要構成。第四層是將紙板層粘合到約 8 微米厚的鋁箔層上。第五層是鋁箔層，起到阻擋光線(xiàn)和氧氣的屏障作用。通過(guò) EDS 結果分析，這一鋁箔層由高純鋁制成，阻擋了光線(xiàn)和氧氣。最內層是一層聚合物層，密封了牛奶并將其與包裝材料隔離開(kāi)來(lái)。

圖2利用全景拼圖（AIM）功能檢測常溫牛奶包裝盒接縫處的密封方式

包裝的接縫處密封：接縫處密封是包裝過(guò)程的關(guān)鍵步驟，可以防止牛奶泄漏，并在運輸過(guò)程中保持結構完整。需要說(shuō)明的是，接縫密封是指包裝盒主體上的封口處，而不是灌裝牛奶后的頂部或底部封口。圖2展示了包裝公司采用的兩種不同接縫密封技術(shù)。第一種方法（如圖 2a 所示）是將接口處邊緣重疊，并在內部加上額外的高分子密封層，防止牛奶與密封處的內部材料接觸。相比之下，第二種方法（如圖 2b 所示）采用折疊的方式，為了方便折疊將紙板層以外的部分剪去，內壁被粘合在一起，因此無(wú)需額外的隔離層。

圖3冷藏牛奶包裝紙盒的截面掃描電鏡（SEM）圖

圖4利用全景拼圖（AIM）功能檢測冷藏牛奶包裝盒接縫處的密封方式

冷藏牛奶包裝盒的微觀(guān)分析：與常溫牛奶包裝盒結構不同，冷藏牛奶包裝（如圖 3 所示）沒(méi)有鋁箔層。其設計類(lèi)似三明治結構，中央層為厚度約 400 微米的紙板，不僅提高包裝盒的強度，也可提高包裝的熱絕緣性能，避免牛奶受外部溫度波動(dòng)的影響。此外，圖 4 展示了冷藏牛奶盒的接縫處密封，是通過(guò)邊緣重疊進(jìn)行封口，但沒(méi)有額外的隔離材料介于牛奶和接縫之間。

02./ 包裝材料的可持續性探究/

常溫牛奶包裝中的鋁箔層對密封質(zhì)量和安全至關(guān)重要，但在回收過(guò)程中會(huì )帶來(lái)較大挑戰。僅有 8 微米厚的鋁箔層比人的頭發(fā)還要薄，使得在回收過(guò)程中難以分離并使回收成本增加。這一難題促使包裝材料供應商不斷探索可持續的替代方案。

利用飛納臺式掃描電鏡的低真空成像、自動(dòng)全景拼圖（AIM）和 EDS 元素分析功能探究了牛奶包裝的微觀(guān)結構和密封方式。揭示了包裝的保鮮能力與其微觀(guān)結構之間的聯(lián)系。這種全方面的分析方法提升了我們對包裝材料在維持牛奶質(zhì)量和安全方面的理解。