從速熱食品加熱劑的化學原理和成本分析市場價值

譚賀元

摘 要：速食食品是現(xiàn)代飲食生活中的一個重要組成部分，而速熱食品，則是速食食品中的新品種，能夠完美滿足人們在沒有熱水的情況下想要吃到熱的速食食品的需求。本篇論文將從放熱途徑方面考慮加熱劑的便利性，反應物和生成物的安全性與材料成本三個方面進行討論，并給出合理結(jié)論。

關鍵詞：加熱劑;速熱食品;安全性;便利性;成本

中圖分類號：TS213.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0226-02

速熱食品，可以說是繼方便面與固體飲料后又一個將飲食方便到極致的發(fā)明，但較低的安全性、相對較高的價格、以及對于人們來說仍然較為新穎的速熱概念使其受眾面遠低于方便面等老牌速食產(chǎn)品，且如外賣等便捷的吃飯方式也阻礙了速熱食品的發(fā)展，但隨著技術的不斷發(fā)展、速熱食品安全設計的不斷提高和人們對于這一新鮮事物的認知不斷增加，速食食品的市場也在不斷擴大。雖然相對于外賣等較新鮮的蔬菜、肉類、魚類而言，由于將其制成的加熱與食用時的加熱都會造成營養(yǎng)的流失，速熱食品的營養(yǎng)要低許多，但是相較于方便面等老牌速食食品，速熱食品可選擇的食品種類大大增多（如速食火鍋、速食米飯等），在營養(yǎng)價值方面也更勝一籌。隨著其不斷的發(fā)展，也成為了更多人的選擇。

速熱食品，在戶外活動、驅(qū)車旅行的時候作為主食，或是作為在家中的快餐，都要比方便面還要方便營養(yǎng)，既無需用開水沖，又有更多的種類。因其極高的便利性，最初被用作軍用食品;隨著軍用技術轉(zhuǎn)向民用，速熱食品現(xiàn)在已成為超市與便利店常見的商品。但其加熱劑一直都是一個安全隱患，為了達到快速加熱食物的需求，加熱劑需達到150-200℃的溫度，十分危險;自熱食品主要由被加熱的食品、熱源、激活劑及包裝材料構(gòu)成，其傳熱過程高度復雜，不僅有熱傳導，還有對流傳熱和相變傳熱，同時也存在流固耦合的傳熱問題[1]。在生產(chǎn)、運輸環(huán)節(jié)也不免會有個別加熱劑包裝的損壞，這也是極大的安全隱患。本文從加熱劑便利性和安全性進行重點分析討論。

1 從放熱途徑方面考慮加熱劑的便利性

加熱劑放熱有兩種途徑，一是溶解放熱，二是反應放熱。

1.1 溶解放熱

溶解放熱看似是一種便利可行的方法，但實際上并非如此。雖然溶解反應有著不少優(yōu)點，如：溶解所需要的水十分容易得到，并且加水溶解的過程十分簡單，經(jīng)過對包裝盒的設計，完全可以做到快速安全的使用。但是，在溶解放熱中安全的反應物放出的熱量往往極少，使得加熱食物所需加熱劑的量會很大，這導致利用溶解放熱將會使速熱食品重量過大，發(fā)揮不了便攜的優(yōu)勢;其次，放熱量大的氫氧化鈉粉末，濃硫酸等試劑往往十分危險，與皮膚接觸易造成燒傷;還有很重要的一點，溶解放熱需要水，而水本身的比熱容就很大，會吸收部分熱量，所以利用溶解放熱來加熱食品其實是不可取的方法。

1.2 反應放熱

利用放熱反應來加熱是另一種加熱方法，放熱反應種類很多，常見的有：

（1）所有燃燒或爆炸反應;（2）酸堿中和反應;（3）活潑金屬與水或酸生成氫氣的反應;（4）多數(shù)氧化還原反應。

但也并不是所有放熱反應都可以用于加熱，如燃燒及爆炸反應太過劇烈;反應放熱速度適中，但需要大量氧氣支持，無法在較密閉空間內(nèi)完成，從便利性的方面來說是不合適的。再如氧化還原反應，一部分氧化還原反應的條件通常是難以達到的，如氫氣還原氧化銅需要在高溫條件下發(fā)生反應，雖然是放熱反應，但也不可取。活潑金屬與酸或水的反應有氫氣生成，不能在密閉空間里進行。而利用固體或液體、且不生成氣體的反應則可以在密閉空間中進行，且易操作，部分氧化還原反應不需要特殊條件，但利用這些反應與利用化合反應相比，單位質(zhì)量加熱劑釋放的熱量相對較少，相對的總重就會變大，不方便攜帶，成本也較高。

2 反應物和生成物的安全性

由于已經(jīng)排除利用溶解放熱，所以只討論反應放熱。

大多數(shù)放熱反應都有一定的危險，有些反應放出的熱量太大，太劇烈，有些則是反應物本身泄漏可能對人造成傷害;其次，雖然加熱劑與食品是分開放的，但也不排除加熱時其與食物接觸的可能性。

2.1 反應放熱太劇烈

速熱食品很大一部分是紙質(zhì)包裝，其燃點僅有130-250℃，若使用反應放熱過于劇烈的加熱劑，可能會導致食品盒被燒穿;即使未被燒穿，在加熱速熱食品時，燃燒、爆炸明顯的方法不可取，危險性太大?；顫娊饘倥c酸反應也會使產(chǎn)生的氫氣進一步與氧氣反應導致燃燒或爆炸，用CaO制成的發(fā)熱包在存儲，運輸過程中一定要注意包裝完整，密封保存[2]。

2.2 反應物腐蝕性

為了防止反應物泄漏后對包裝盒及人的傷害，反應物本身應不易對包裝盒造成侵蝕，強酸、強堿不宜使用。如硫酸，硝酸，燒堿等強酸、強堿都會造成對包裝盒的侵蝕，且一旦泄露，極易造成危險，不宜使用。

2.3 反應條件

反應物之間的反應條件應不易達到。試想如反應極易發(fā)生，在運輸過程中，集裝箱中一個不合格產(chǎn)品發(fā)生反應放熱，極高的高溫引起周圍受熱，極易反應的性質(zhì)導致連鎖反應，后果將不堪設想。亦或者夏天產(chǎn)品在陽光下曝曬，導致盒內(nèi)溫度較高，產(chǎn)品提前加熱引起自燃?？紤]到這點，反應物之間的反應條件應是通常難以達到的，但這又違背了方便的原則，所以，將加熱劑分為兩部分，一部分易反應，分開放置，用來方便快速的釋放熱量，來達到另一部分的反應條件，并以第二部分的釋放的熱量作為加熱食物的主要熱量[3]。利用這種方法，可以滿足在反應條件方面的問題。

2.4 反應物毒性

如果發(fā)現(xiàn)反應物泄漏，相信大部分人會選擇把食品扔掉，但也不排除有老人或小孩會選擇更換加熱方法繼續(xù)食用，這時，如果泄漏的反應物已經(jīng)滲透到食物中，就會有危險。而如果加熱劑無毒，速熱食品的安全性就會大大提升。

2.5 生成物安全性

（1）易在反應中生成大量氣體的加熱劑應排除。加熱時放出的大量氣體如無法順利排出，則會有重大隱患。如蘇打粉和酸反應釋放大量的二氧化碳，如無法在包裝中正常排出，就可能將包裝擠炸，應排除。（2）易釋放有毒物質(zhì)的加熱劑應排除。如硝酸在反應時往往會釋放有毒氣體二氧化氮，對人體有害，應排除。（3）易生成強腐蝕性物質(zhì)的加熱劑應排除，如過氧化鈉和水反應時生成強腐蝕性物質(zhì)氫氧化鈉，強腐蝕性的氫氧化鈉可能腐蝕包裝甚至對人體造成傷害，應排除。

3 材料成本分析

經(jīng)過對反應物和生成物的安全性的討論，基本可得出結(jié)論：

（1）溶解放熱不可行;（2）放熱太過劇烈的反應不可行;（3）反應物及生成物有腐蝕性或毒性的反應不可行;（4）極易發(fā)生的反應不可行;（5）反應釋放出有毒有害物質(zhì)的也不可行。

通過分析反應物和生成物的安全性，在使用材料方面，也有盡量降低成本的要求。由于企業(yè)是批量生產(chǎn)，為了獲得盡可能多的利潤，就需要降低個體成本，這也就要求加熱劑的生產(chǎn)成本要低，加熱劑能大量獲得?？晒├眠x擇的方法不多，可行的方案如下：

（1）單純利用生石灰與水的反應;（2）利用生石灰與水的反應引發(fā)鐵粉與氧氣的反應。

只是利用生石灰與水的反應的話，就需要加入抑制劑;這時通常會使用枸櫞酸鹽或磷酸鹽作為抑制劑，抑制劑量較少，可以忽略其成本，而生石灰的價格大約600-700元/噸，生石灰與水反應，每摩爾生石灰在標準狀況下可放出65.2千焦的熱量，以加熱一份約500克的食品為例，這大約需要40-50千焦的熱量，若以40%的利用率計算，則需要100-125千焦耳的熱量，對應約是1.5-2摩爾生石灰，約是85-110克;以100克生石灰計算，只有0.056元/份，算上加熱劑包裝的成本，大批量生產(chǎn)每份成本在0.1-0.2元，成本很低，可以接受;但生石灰會有約130克，在總質(zhì)量不過三四百克的食品中，所占比例過大，便攜性較差。

如果利用鐵粉與氧氣反應加熱，同理，需100-125千焦的熱量，不考慮生石灰與水反應生成的熱量，每摩爾鐵可與氧氣反應生成412.2千焦熱量，僅需不到20克的鐵粉。在重量上比起全部使用生石灰來說輕了很多，還原鐵粉市場價約為4000-6000元，每份價格則需要0.1元左右，還需要加入氯化鈉與碳酸鈉以活性炭為載體催化，并在設計上增加更多通風口來獲取氧氣。成本會比利用生石灰略高，約有0.2-0.3元/份[4]。使用鐵粉作加熱劑，最大的優(yōu)點是可以大大減輕本身反應物的重量，提高產(chǎn)品的便攜性;其次，由于反應物和生成物都是固體，即使操作不當也可以極大地避免加熱劑與產(chǎn)品之間的接觸，提高了產(chǎn)品的安全性。

4 結(jié)語

綜上所述，加熱劑主要有兩種選擇，生石灰與水成本低但重量大;還原鐵粉與氧氣反應成本相對較高、方便程度相對較低，但較為輕巧。并且都有較高的安全性，不易在如太陽曝曬，較高溫度等條件下自動發(fā)生反應，在適量抑制劑的抑制作用下，加熱時只要注意不去觸摸加熱部位，就沒有燙傷的危險。通過包裝的設計，利用按壓使盒內(nèi)的尖端扎破水袋，使水與無紡布帶中裝有的加熱劑反應，從而發(fā)生化學反應放熱，需要親自動手的部分只有按壓扎破水袋一個步驟，在現(xiàn)在快節(jié)奏的生活中，加熱劑的方便性為速熱食品提供了很強的市場競爭力。

參考文獻

[1] 張文華.自熱食品傳熱過程及熱吸收率影響因素研究[R].（Doctoral dissertation，北京工商大學，2015.

[2] 楊潔.自熱米飯中的化學奧秘[J].中學生數(shù)理化（八年級物理）（配合人教社教材），2011（9）：46-46.

[3] 張軼儒.“新煮藝”特殊渠道里賣自熱米飯[J].糖煙酒周刊，2005（13）：28-29.

[4] 田智超.自熱米飯——發(fā)熱原理的探討及成分探究[J].中學化學教學參考，2010（12）：46-46.