虞建中，印雄飞，徐雯，孙海滨
（浙江机电职业技术学院,杭州,310053杭州娃哈哈集团有限公司 杭州 310018）
摘要：目的研究影响碳酸饮料货架期的各种因素.方法以PET瓶装碳酸饮料为研究对象,分析了PET瓶的二氧化碳泄漏的途径,通过4类实验分析了温度,壁厚,二氧化碳阻隔剂,气含量等因素对其泄漏速度的影响.结果常温下瓶体是二氧化碳泄露的主要途径,降低仓储温度,增加瓶子壁厚,在PET料里添加二氧化碳阻隔剂以及增加气体含量都可以有效延长货架期,而高温下气体含量高的饮料的货架期可能更短.结论实验得到了不同仓储温度,瓶子壁厚,不同初始含气量以及添加二氧化碳阻隔剂与产品货架期的关系.
关键词：碳酸饮料 PET瓶 货架期 泄漏 阻隔剂
碳酸饮料是指在一定条件下充入一定量的二氧化碳的饮料，因其口感特别、清凉舒爽而受到消费者的喜爱。目前在中国碳酸饮料占据了约30%的饮料市场份额，其中大多数采用了PET瓶灌装。PET塑料的中文全称是聚对苯二甲酸乙二醇酯，它是一种高分子聚合物，PET饮料瓶具有阻隔性好、耐腐蚀性强、机械性能高、呈透明状、可以多次回收再利用等优点，被大量应用于各种饮料产品的包装。
［1］但是PET饮料瓶的阻隔性能与瓶子的壁厚，储藏的温度以及瓶子和盖子的密封形式等都有关系，随着储存时间的推移，饮料瓶中的二氧化碳逐步泄漏出来，使得产品含气不足，影响饮料风味。目前企业普遍把碳酸饮料从灌装结束到二氧化碳泄漏到一定程度的时间称为碳酸饮料的保存期或者货架期。如果PET碳酸饮料瓶阻隔性能达不到要求，则货架期减小，就会造成未销售产品下架处理，对企业造成损失。［2~4］
文中以PET瓶装碳酸饮料为研究对象，分析了PET瓶的二氧化碳泄漏的途径，同时分析了温度、壁厚、二氧化碳阻隔剂、气含量等因素对其泄漏速度的影响，为保证碳酸饮料货架期而设计合适的PET包装以及设计合适的气体含量提供正确的方向。
1、试验材料与方法
1.1 PET碳酸饮料瓶二氧化碳泄漏途径分析试验
PET碳酸饮料瓶的二氧化碳泄漏途径通常有两处：瓶盖与瓶身连接处、瓶身。利用瓶坯壁厚远大于瓶子的特点，认为瓶坯壁气体透过率为零，分析PET瓶的二氧化碳泄漏途径。选择某PET碳酸瓶（330mL，21.5g）及其瓶坯作为研究对象，测得瓶坯与瓶子的体积后，分别在其中添加4倍体积气含量的干冰后封盖。将样品置于40℃、23℃环境下储存，使用精度为0.001g的天平定期测试样品重量，并计算失重重量。
1.2 瓶身壁厚对PET碳酸饮料二氧化碳泄漏的影响分析试验
增加瓶身壁厚理论上可有效提高PET瓶身部分的阻隔性能，为评估增加瓶身壁厚对提高碳酸饮料瓶的作用，分别选择21.5g和26g的瓶坯选择相同瓶型进行吹瓶，灌装饮料后并充入4倍体积气含量的二氧化碳后封盖。将样品置于40℃、23℃环境下储存，使用精度为0.001g的天平定期测试样品重量，并计算失重重量。
1.3 二氧化碳阻隔剂对PET碳酸饮料瓶二氧化碳泄漏的影响分析试验
为评估瓶身二氧化碳阻隔剂对改善碳酸饮品瓶身泄漏的作用，选择了三种主流二氧化碳阻隔剂进行是试验，简称阻隔剂A、阻隔剂B、阻隔剂C，三种阻隔剂均为被动性阻隔剂，即仅被动阻隔产品内二氧化碳逃出，不会发生化学反应。
分别将三种阻隔剂以4%的比例添加到瓶子中，并将这三组添加阻隔剂的瓶子以及未添加阻隔剂的瓶子（对照组）分别添加3.2倍体积的二氧化碳（添加干冰）后封盖，静置一天后称重并置于23℃和40℃环境下保温，定期测试样品重量，分析样品失重情况。
1.4 气含量对PET碳酸饮料失重的影响分析试验
为保证产品在货架期内气含量尽可能接近最佳赏味气含量，试验适当提高产品初始气含量，并观察气含量的增加对产品二氧化碳泄漏的影响。
选择两组相同空瓶，灌装相同的饮料后，分别添加3.2倍和3.4倍体积气含量的二氧化碳后封盖。将样品置于30℃、23℃环境下储存，使用精度为0.001g的天平定期测试样品重量，并计算失重重量。
2、结果与分析
2.1 PET碳酸饮料瓶二氧化碳泄漏途径分析
定期测试瓶坯组和瓶子组在不同储存温度下的克重变化，由于瓶坯组与瓶子组样品的瓶口与瓶盖是一样的，可以认为当两组样品气含量一致时，瓶坯组与瓶子组样品的瓶口处泄漏速度一致，即可以认为瓶坯组样品在某气含量时瓶坯的二氧化碳泄漏率，即为在该气含量时该瓶型瓶口处的二氧化碳泄漏率。
根据测试数据进行计算并拟合，两个储存温度下不同气含量时瓶口处和瓶子的总泄漏量如图1、2所示。
由以上两组图可画出泄漏速率曲线，如图2所示：
由图2可知，随着气含量的降低，瓶口、瓶身处的泄漏速率均逐步降低，并逐步趋于平衡。瓶身与瓶口相比，气含量的变化对瓶身的泄漏量影响更为显著。在40℃保温条件下，气含量为4倍时，瓶身泄漏速率为0.062g/天，占总泄漏量的77%；当气含量为3.6倍时，瓶身泄漏速率为0.01g/天，占总泄漏量的50% 。
温度是影响瓶身、瓶口泄漏的关键因素，当气含量为4.0倍时，放置在23℃下的样品总泄漏量为放置在40℃下样品泄漏量的19% 。总体来说，瓶身泄漏量高于瓶口的泄漏量；在一定范围内温度越低，气含量越低，那么两种途径的泄漏量差别越不明显，反之则越明显。
2.2 瓶身壁厚对PET碳酸饮料二氧化碳泄漏的影响
将瓶子克重由21.5g提高至26g可有效提高瓶身壁厚，由于吹瓶后瓶身壁厚分布有差异，较难评估壁厚增加多少，因此测试这两种克重的瓶坯壁厚，21.5g的瓶坯壁厚约2.6mm，26g的瓶坯壁厚约3.7mm。两种克重的样品在不同储存温度下样品的总泄漏量如图3所示：
由图3可知，随着时间的推移，各组样品的泄漏量与时间呈正比，即泄漏速率为定值。温度越高、瓶子克重越小，那么泄漏速率越高。在40℃温度下，26g瓶子灌装产品的泄漏速度约为21.5g瓶子的79.9%；在23℃温度下，26g瓶子灌装产品的泄漏速度约为21.5g瓶子的80.9%；储存温度为23℃时21.5g样品的泄漏速率为40℃时该样品泄漏速率的30.5%。
因此，在40℃储存条件下，将瓶子克重从21.5g增加至26g，货架期预计可延长25.2%，而若能将储运温度控制在较低值（常温23℃左右），货架期预计可延长227.6% 。
2.3 二氧化碳阻隔剂对PET碳酸饮料瓶二氧化碳泄漏的影响
对三种阻隔剂进行红外光谱扫描，结果显示阻隔剂A和阻隔剂B的主要成分为聚酰氨类物质（即尼龙类），阻隔剂C的成分为聚酰氨（尼龙类）和PET。 因此，以上三种阻隔剂均通过添加改性尼龙的方式，增加PET瓶阻隔氧气和二氧化碳性能。
四组样品在两种储存温度下样品的泄漏情况如图4所示。
由图5可知，在其他条件相同的前提下，添加了阻隔剂的样品瓶子其二氧化碳渗透率均低于未添加阻隔剂的样品，但是区别并不显著。这三种二氧化碳阻隔剂中，阻隔剂C效果相对较差，该组样品与未添加阻隔剂的样品的泄漏情况较接近；阻隔剂A、阻隔剂B的效果较为接近，这两组样品的二氧化碳渗透情况明显优于未添加阻隔剂的样品，在40℃温度下储存4周后，添加阻隔剂A的样品其二氧化碳渗透量约为未添加阻隔剂样品的92.2% ；在23℃温度下，添加阻隔剂A的样品其二氧化碳渗透率约为未添加阻隔剂样品的74% 。
添加二氧化碳阻隔剂一定程度上可以提高PET瓶的阻二氧化碳性能，添加4%阻隔剂B与增加瓶身克重至26g相比，前者对应产品阻二氧化碳的效果与后者对应产品的效果接近，但是阻隔剂成本相对较高，阻隔剂B的价格约为8000美元/吨，折合下来成本约增加0.045元/瓶，而瓶子增重至26g成本仅增加0.008元/瓶。
2.4 气含量对PET碳酸饮料失重的影响
不同储存温度下，气含量分别为3.2倍和3.4倍的样品泄漏失重情况如图5所示。
由图5可知，当储藏温度低于23℃时，气含量3.2倍和3.4倍的样品泄漏程度基本一致。此时温度相对较低时，样品内二氧化碳活跃度相对较低，液体持有二氧化碳能力较高，气含量从3.2倍升至3.4倍并未对包装渗透率有显著影响，因此气含量的增加将在一定程度上延长货架期，预计货架期延长10% 。当储存温度30℃左右时，两种气含量的样品泄漏程度出现差别，气含量越高的泄漏量越多，气含量3.4倍的样品泄漏速率约为气含量3.2样品泄漏速率的1.17倍。因此，若储存温度过高，气含量增加带来的泄漏速率的提高程度将超出气含量提高本身带来的改善程度，高温下长时间储存后气含量3.4倍的样品货架期可能比气含量3.2倍样品的货架期更短。
3 、结论
（1）PET含气瓶的两个泄漏途径中（瓶身、瓶口配合处），整体来看瓶身二氧化碳泄漏量高于瓶口的泄漏量（图3）：当温度不高于23℃时，瓶口配合处泄漏量极低，瓶身是主要泄漏途径；当温度在40℃左右时，气含量对程度其关键作用，当气含量为初始气含量时，瓶身泄漏量约占总泄漏量的77%，随着气含量逐步降低，瓶身泄漏量约占总泄漏量的50% 。
（2）温度是影响样品泄漏速率的最关键因素之一。根据文中试验数据，40℃时样品泄漏速率约为23℃时样品泄漏速率的3.2倍。
（3）随着时间的推移，温度越高、瓶子克重越小，那么泄漏速率越高。在40℃储存环境下，将含气样品的克重从21.5g增加至26g，实际货架期预计可延长25.2%。
（4）在PET瓶中添加4%的二氧化碳阻隔剂一定程度上可以提高PET瓶的阻二氧化碳性能，文中添加4%的二氧化碳阻隔剂的效果与瓶身克重从21.5g增加至26g的效果接近，但使用阻隔剂的成本要高很多。
（5）当储藏温度为室温时，气含量从3.2倍升至3.4倍预计可延长货架期10%；当储存温度30℃甚至更高时，气含量增加带来的泄漏速率的提高程度将超出气含量提高本身带来的改善程度，高温下长时间储存后气含量3.4倍的样品货架期可能比气含量3.2倍样品的货架期更短。
参考文献：
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[4] 谢新艺，薛华育，高阻隔性塑料材料在食品包装中的应用[J],塑料包装，2008，18（1）：42~44
文章源自《包装工程》 - 2016
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