掃描電子顯微鏡揭示牛奶包裝的微結構

牛奶從生產到消費者手中經歷了多個必要的階段，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，并確保以最佳狀態送達消費者手中。

牛奶包裝分為兩個主要類別：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，具有更長的保質期，可以達到幾個月甚至一年。冷藏牛奶通常存放在 2-6℃ 的環境中，保質期相對較短，大約幾周。不同類型牛奶的保質期與生產滅菌方法和選擇的包裝技術等因素密切相關。本文利用掃描電子顯微鏡（SEM）研究這兩種包裝材料的微觀特性，探討其與保鮮能力的關系。

01./ 利用飛納臺式掃描電鏡測試/

我們選擇牛奶紙盒包裝進行這個實驗。為了揭示牛奶包裝的復雜性，從紙盒的兩個部位截取樣本橫截面。第一個樣本取自牛奶紙盒的主體區域，該部分在包裝生產過程中經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。第二個樣本取自紙盒的接縫處，這個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 的低真空模式來減小測試過程中的充電效應，并直接獲取樣本 SEM 圖像。使用全景拼圖軟件（AIM）對紙盒接縫區域進行大面積成像，并將圖像無縫拼接在一起。此外，進行 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。通過掃描電鏡 EDS 元素分析功能并結合包裝材料供應商的公開信息，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，起到阻擋光線和氧氣的屏障作用。通過 EDS 結果分析，這一鋁箔層由高純鋁制成，阻擋了光線和氧氣。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來。

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程的關鍵步驟，可以防止牛奶泄漏，并在運輸過程中保持結構完整。需要說明的是，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。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）沒有鋁箔層。其設計類似三明治結構，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的影響。此外，圖 4 展示了冷藏牛奶盒的接縫處密封，是通過邊緣重疊進行封口，但沒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量和安全至關重要，但在回收過程中會帶來較大挑戰。僅有 8 微米厚的鋁箔層比人的頭發還要薄，使得在回收過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、自動全景拼圖（AIM）和 EDS 元素分析功能探究了牛奶包裝的微觀結構和密封方式。揭示了包裝的保鮮能力與其微觀結構之間的聯系。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量和安全方面的理解。