CN112601659A - 包含具有金属纳米粒子的基材的食品包装制品 - Google Patents

Abstract

本发明的一个实施方案是具有金属纳米粒子的食品包装制品。所述金属纳米粒子可以吸收微波辐射并将微波辐射转换成热。

Description

包含具有金属纳米粒子的基材的食品包装制品

相关申请的交叉引用

本公开要求于2018年8月30日提交的名称为“Food Packaging ArticlesIncluding Substrates with Metal Nanoparticles”的美国临时申请62/724,744号的优先权和权益，通过参考将其全部内容并入本申请中。本申请还是于2018年7月12日提交的名称为“Substrates With Metal Nanoparticles,Related Articles,And A ContinuousProcess For Making Same”的美国申请序列号16/069,595的部分继续申请，所述申请为2017年1月14日提交的PCT申请PCT/US2017/013608号在35U.S.C 371下的国家阶段进入，所述PCT申请要求于2016年1月14日提交的美国临时申请序列号62/278,748的权益和优先权，通过参考将其全部内容并入本申请中。

技术领域

本公开涉及由具有金属纳米粒子的基材形成的食品包装制品，包括涉及这种食品包装制品的方法。

背景技术

当前将感受器添加到微波加热包装中以增强食物的褐变和/或脆变。尽管典型的微波炉是用于均匀烹饪的合适能源，但对于选择性加热效果如褐变和脆变却并不令人满意。在典型的微波布置中，烹饪后的材料的外表面，特别是如果希望是酥脆的，则趋于湿透并且在外观上不令人胃口大开。参见例如美国专利4,959,516号。

通过微波食品包装来增强褐变的常规手段包括使用并入到包装中的感受器。感受器是微波能量相互作用材料的薄层。当暴露于微波能量下时，感受器倾向于吸收一部分微波能量，并通过电阻损耗将其转换为热能(即热)。剩余的微波能量被感受器反射或透射。在大多数情况下，烹饪后的材料需要在加热的最初几分钟内达到至少350℉(177℃)的温度，以产生理想的褐变和脆变效果。

感受器通常由感受器膜和支撑层如纸或纸板构成。感受器膜可以包含负载在聚合物膜上的厚度为约500埃的铝涂层。通常使用胶粘剂或其他方式将感受器膜接合到支撑层，以赋予感受器膜尺寸稳定性并防止铝层损坏。参见例如美国专利公布2010/0213192号。通过聚合物膜层压体粘附到纸基支撑层，防止食物在微波中加热时液体从食物中流出。聚合物层通常是疏水性聚合物如聚对苯二甲酸乙二醇酯。抑制水通过感受器的传输可能导致食物湿透和不完全的褐变。因此，常规的感受器包装被设计为套子以装配在食物周围，但是不完全包封食物。套子的设计导致烹饪过程中水分和热量从食物中流失。

发明内容

需要提供能够使烹饪时间更快并且具有更好的褐变和脆变效果的食品包装制品和感受器。本公开的实施方案包括尺寸稳定的基材，所述基材具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面。尺寸稳定的基材还包含直接设置在第一侧面上并且由多个金属纳米粒子构成的金属层，所述金属纳米粒子在至少一个维度上的尺寸范围为1至约200纳米。金属层具有其可以吸收微波辐射并将微波辐射转换成热的厚度。金属层不抑制水分流过尺寸稳定的基材层。

本公开的另一个实施方案包括一种可微波食品包装，包含具有容纳至少一种食物的内部空间的可微波制品。所述可微波食品包装还包含在可微波制品的内部空间内并具有如下组件的感受器：a)尺寸稳定的基材，所述基材具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面；和b)沿第一侧面设置的金属层。金属层由多个金属纳米粒子构成，所述金属纳米粒子在至少一个维度上的尺寸范围为1纳米至约200纳米。金属层具有一定的厚度使其可以吸收微波辐射并将微波辐射转换成热。金属层不抑制水分流过尺寸稳定的基材层。

本公开的另一个实施方案包括一种可微波食品包装制品，所述可微波食品包装制品包含三维成型结构，所述三维成型结构具有纤维素纸浆和金属纳米粒子的均质混合物，所述金属纳米粒子被直接设置到纤维素纸浆上或被嵌入纤维素纸浆内。所述金属纳米粒子在至少一个维度上的尺寸范围为1纳米至约200纳米。金属纳米粒子在三维成型结构中以足以吸收微波辐射并将微波辐射转换成热的量存在。

本公开的另一个实施方案包括一种形成金属化食品包装的方法。所述方法包括形成包含纤维素纤维的浆料。所述方法还包括将金属前体溶液添加到浆料中，所述金属前体溶液具有一种或多种金属盐和还原剂。所述方法还包括将含有金属前体溶液的浆料沉积到一种或多种模具形式上。所述方法还包括使沉积到一种或多种模具形式上的含有金属前体溶液的浆料暴露于热能下，以引发金属离子和浆料的反应，从而使金属纳米粒子沉积到纤维素纤维上或嵌入纤维素纤维中，以形成金属化三维成型结构。所述方法还包括从一种或多种模具形式中移除金属化三维成型结构。

本公开的另一个实施方案包括一种形成金属化食品包装的方法。所述方法包括形成包含纤维素纤维的浆料和将浆料沉积到一种或多种模具形式上。所述方法包括将金属前体溶液施加到沉积到一种或多种模具形式上的浆料中。所述方法还将金属前体溶液暴露于热能下，从而使金属纳米粒子沉积到纤维素纤维上或嵌入纤维素纤维中以形成金属化三维成型结构。所述方法还包括从一种或多种模具形式中移除金属化三维成型结构。

附图说明

当结合附图阅读时，将更好地理解前述内容以及以下对本申请的说明性实施方案的详细描述。为了说明本申请，在附图中显示了本公开的说明性实施方案。然而，应当理解，本申请不限于所示的精确布置和手段。在附图中：

图1是根据本公开实施方案的微波感受器的示意性截面图；

图2是根据本公开实施方案的用于形成图1所示的感受器的加工线的示意图。

图3A是根据本公开另一个实施方案的微波感受器的示意性平面图；

图3B是图3A所示的微波感受器的示意性截面图；

图4是根据本公开实施方案的可微波食品包装制品的示意性截面图；

图5是根据本公开另一个实施方案的可微波食品包装制品的示意性截面图；

图6A是根据本公开另一个实施方案的可微波食品包装制品的示意性透视图；

图6B是图6A所示的可微波食品包装制品的示意性截面图；

图7是用于形成图6A和6B所示的可微波食品包装制品的平面坯料的顶视图；

图8是根据本公开另一个实施方案的可微波食品包装制品的示意性顶视图；

图9是图8所示的可微波食品包装的示意图；

图10是显示用于形成图8和图9所示的可微波食品包装制品的方法的工艺流程图；并且

图11是显示用于形成可微波食品包装制品的另一种方法的工艺流程图。

具体实施方式

本公开的实施方案包括食品包装制品和包含用于这种食品包装制品中的金属纳米粒子的材料。尽管典型的微波炉是用于均匀烹饪的合适能源，但对于选择性加热效果如褐变和脆变却并不令人满意。如上所述，典型的微波布置产生烹饪后的食物，其可能是湿透并且在外观上不令人胃口大开。参见例如美国专利4,959,516号。为了使得在烹饪期间水通过感受器传输，本公开的实施方案跳过聚合物粘合剂(或所使用的膜)并且将感受器直接粘附到基础基材层。

本公开的实施方案可以包含如图1所示的微波感受器10。微波感受器10具有：尺寸稳定的基材层40，所述基材层40具有第一侧面42和与第一侧面42相对的第二侧面44；和直接设置在所述第一侧面42上的金属层20。构造基材层40以向感受器10提供结构支撑，但是允许水分从中通过。如下面进一步解释的，构造金属层20以使得食物在用于微波期间能够褐变，同时还允许足够的水分传输通过感受器10。金属层20可以基本上沿基材层40的宽度和长度L的整体延伸，使得如果存在的话，金属层20沿基材层的第一侧面42的连续性的断裂是有限的。此外，在替代实施方案中，金属层可以延伸到基材层的整个深度中。

尺寸稳定的基材层40可以包含用于食品包装用途的任何合适的基材。在所示的实施方案中，基材层40包含纤维素基材。例如，纤维素基质可以包含纸或纸板。在替代实施方案中，基材层40可以包含非织造材料或纤维素基材与非织造材料的层压体。基材层40可以被压印，压接，折叠，压制，成型，形成或以其他方式在结构或质地上具有一些变化。在其他实施方案中，基材层40是纤维素层。这种纤维素层可以包含一个或多个的材料层。

示例性的纤维素基材可以由纤维素纤维或纤维素材料形成。纤维素纤维可以是木质纸浆、棉、人造丝或任何其他纤维素材料，无论是天然来源的还是合成的。在一个实例中，纤维素纤维是用于形成纸或纸板的木质纸浆。纤维素基材可以是单层或多层结构。示例性纸包括但不限于棉纸、滤纸、卡片纸、瓦楞纸板、再生纸和/或原纸。纸在质地上可能起皱或光滑。

示例性非织造材料可以由非纤维素纤维、纤维素纤维或纤维素纤维和非纤维素纤维的混合物制成。例如，基材层40可以包含聚合物纤维。示例性聚合物纤维包括但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯和聚乳酸。因此，非织造材料可以包括：纺粘、熔喷、纺粘-熔喷层压、水刺、干法或湿法非织造物或其层压层；或任意这些材料的组合。总之，可以使用范围广泛的基材层。

构造基材层40以使水分能够通过感受器10传输。为了实现期望水平的水分传输，基材层40可以具有能够有效进行水分传输的重量、厚度、孔隙率和吸水率。通常，基材层40可以具有适合于食品包装制品的重量范围。在一个实例中，基材层40的基本重量为30g/m²(gsm)至约400gsm，所述重量是根据TAPPI方法T 410“Grammage of Paper and Paperboard(Weight Per unit area)(纸和纸板的克重(每单位面积的重量))”测量的，通过参考将所述方法并入到本公开中。TAPPI方法T 410是在最早提交本申请时有效的方法。

基材层40具有被选择以能够进行水分传输的厚度T1。如图所示，厚度T1从第一侧面42延伸到第二侧面44。厚度T1基本上垂直于基材层40的平面。在一个实例中，基材层的厚度T1为约5纳米至500微米，所述厚度是根据TAPPI方法411厚度(纸、纸板和组合板的厚度)测量的，通过参考将其并入到本公开中。所述TAPPI方法411是在最早提交本申请时有效的方法。

还选择基材层40的孔隙率以能够传输水分。例如，基材层40具有可以在每100mL 1秒至30秒的范围内的诸如格利(Gurley)孔隙率的孔隙率，所述孔隙率是根据TAPPI方法T460om-02“Air resistance of paper(Gurley method)(纸的空气阻力(格利方法))”测量的，通过参考将其并入本公开中。所述TAPPI方法T460是在最早提交本申请时有效的方法。据认为，在感受器10中较低的格利孔隙率测量值对应于在微波中使用时更好的褐变。例如，具有较低格利值的更多孔的结构应使得食物中的液体更有效地从食物中迁移出来，这可能导致食物以更快的速率获得更高程度的褐变。由此，格利孔隙率越低，液体通过感受器10的传输越快，并且微波中的褐变越快。然而，实际上，通过感受器10迁移的水分的量可以取决于待加热食物中的水分含量。例如，某些食物将在加热过程中导致更大的水流失，并需要更多的液体移除。还可能的是，源自食物的油/脂(其也能够被感受器10吸收)的损失会在某种程度上影响加热过程。据认为，根据本公开制成的感受器可以在总厚度和孔隙率感受器变化的情况下有效地工作。

此外，基材可以具有高吸水率。基材通常是疏水的并且能够迅速吸收水。例如，基材能够具有给定的每单位时间的吸收体积，其为高吸收率的指示。在一个实例中，如本文中所述的基材层能够在5秒至20秒内吸收多达约50μL。

金属层20包含在基材中形成的或直接添加到基材层40的多个金属纳米粒子。构造金属纳米粒子以充当感受器，以在微波加热期间快速产生局部加热并将微波反射到食物的目标区域中。短语“在基材中”是指金属纳米粒子可以在基材的表面上、在纤维的表面上、在由纤维基质形成的间隙空间内并且可能在纤维本身内找到。金属纳米粒子可以包括如下中的至少一种：银、金、铂、钯、铝、铁、锌、铜、钴、镍、锰、钼、镉、铱及其混合物。在一个实例中，金属纳米粒子包括银。在另一个实例中，金属纳米粒子可以包括铜。

金属纳米粒子在至少一个维度上的尺寸范围为1至约200纳米。然而，应当理解，本文所述的金属纳米粒子可以以非常大、例如几百纳米的聚集体的形式来形成。在一个实例中，聚集的纳米粒子的尺寸可以大于200nm。然而，离散金属纳米粒子的直径的尺寸应在约1nm至约200nm之间。在优选的实例中，尺寸应为在1nm至约100nm之间。在一个实例中，纳米粒子的尺寸在约1nm至约150纳米之间。在另一个实例中，纳米粒子的尺寸在约1nm至约100纳米之间。在又一个实例中，纳米粒子的尺寸在约1nm至约50纳米之间。应当理解，根据处理条件、线速度等，本文所述的方法可以产生一些纳米粒子尺寸。粒径可以具有多种类型的粒径分布。因此，基材中的纳米粒子可能存在尺寸范围。在一个实例中，观察到的粒径的至少90％应小于约200nm。优选地，观察到的粒径的90％应小于约100nm。如本文中所使用的，金属纳米粒子的尺寸是根据用于测量纳米粒子的粒径的已知图像分析方法观察到的在至少一个维度上的尺寸。如图所示，为了便于说明，使用“直径”来描述尺寸。如本领域中已知的，术语“直径”是指在粒子的SEM图像中界定观察到的粒子的圆的直径。使用术语直径，并不意味着金属纳米粒子是完美的球形结构。平均粒径，也可用于指代金属纳米粒子的尺寸，是在给定样品或测试方案中观察到的测量值的平均粒径。金属纳米粒子能够具有一些不同的形状，包括但不限于棒状、三角形、球形、立方体、纳米线等。

金属层20具有适合用作感受器的厚度。如图1所示，金属层20具有第一侧面22和与第一侧面22相对的第二侧面24，并且具有沿与层40的平面基本垂直的方向从第一侧面22延伸到第二侧面24的厚度T2。可以选择金属层20的厚度T2以在使用过程中吸收微波辐射并将微波辐射转换成热能以使食物褐变(未示出)。然而，厚度T2不应太厚，以免在微波中产生电弧。在一个实例中，金属层20的厚度可以为约5nm至500μm。在一个实例中，金属层20的厚度T2有变化。在另一个实例中，金属层20的厚度T2基本上是一致的。如在别处所描述的，金属层40可以为亚纳米级至微米级的层厚度，并且仅在旨在与食物相邻的一侧上。

此外，金属层20不会抑制水分流过尺寸稳定的基材层40。在所示实施方案中，金属层20基本上显示在基材层40的侧面或表面上。在替代实施方案中，金属层20也可以存在于基材层40的内部结构内，例如在纤维之间和空隙内。然而，在这种实施方案中，金属层20朝向一侧设置，并且通常不穿透基材层40的厚度T2。

金属层20通过在基材层40上金属盐和还原剂的合成而被施加到基材层40上。更具体地，包含金属盐和还原剂的纳米粒子前体的水溶液可以如图2所示通过施加单元122沉积到基材层40的表面上。在这种实例中，将金属纳米粒子直接形成在基材层40的表面上，类似于PCT公布WO2017124057号所公开的表面沉积方法，通过参考将其全部内容并入本申请中以用于所有目的。

如上所述，水溶液包含纳米粒子前体和还原剂。纳米粒子前体可以是金属盐的形式，所述金属包括但不限于银、金、铂、钯、铝、铁、锌、铜、钴、镍、锰、钼、镉、铱及其混合物。在一个实例中，金属盐包含银。典型的银盐包括但不限于硝酸银、乙酸银、氧化银、硫酸银、六氟磷酸银、四氟硼酸银、高氯酸银、碳酸银、氯化银或三氟甲磺酸银。在所示的实施方案中，这种银盐的摩尔浓度可以在0.05mM至1000mM的范围内。在其他实例中，当预期的纳米粒子包含铜时，可以使用铜盐。金属纳米粒子前体如硝酸银或其他水溶性银盐或水溶性铜盐的建议范围可以为1ppm至10000ppm。

在制造基材层40的过程中，针对金属盐，可以使用几种不同的还原剂。合适的还原剂包括但不限于醛和形成醛的化学物质。在一个实例中，还原剂可以是糖。糖可以为单糖、二糖、三糖和/或多糖或其一些混合物，包括前述任何一种糖与其他添加剂的混合物。在一个实例中，还原糖包括但不限于葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖、乳糖、麦芽糖、核糖、山梨糖及混合物，所述混合物包括但不限于玉米糖浆、葡萄糖糖浆、高果糖玉米糖浆、麦芽糖糖浆及其混合物。可以使用形成醛的化学物质。示例性的醛和形成醛的化学物质可以包括但不限于乙醛、甘油醛以及非还原糖如蔗糖、抗坏血酸、醇或其混合物。还原剂可以是用于两步法的其他化合物如硼氢化钠。可以一起使用或单独使用其他的醛和形成醛的化学物质以及其他糖衍生物，以还原金属离子并在基材中形成纳米粒子。此外，能引发Tollen试剂(氨银)以形成银涂层的任何化学物质都是合适的。

水溶液可以包含其他试剂。其他试剂可以包括填料、粘合剂、颜料、施胶剂、湿强度剂和其他常见的造纸添加剂。也可以将其他试剂添加到溶液中以调节所得基材的某些性质。本领域普通技术人员将理解，除了上述纳米粒子前体之外，可以使用什么其他试剂。本文所述的示例性水溶液可以包含1份金属盐对20-120份之间的还原剂。这种比例可以适合于将水溶液单步骤施加到基材层40上。在一个实例中，水溶液可以具有1份银金属盐对20至120份之间的糖如果糖、葡萄糖、葡萄糖和/或果糖的混合物或其他糖。在其他实例中，例如当在施加过程中将前体分成两个独立的相时，金属盐对还原剂的比例可以改变。示例性的两相溶液可以具有1份金属盐对5份或更多份的还原剂如硼氢化钠。

纳米粒子的形成是还原过程，其中在涂层制造过程期间，还原剂过量存在(10倍至1000倍)，并被来自干燥部分的热所催化。在纳米粒子形成期间，并非所有的还原糖都被氧化，并且一些未反应的糖单体仍存在于纳米粒子涂层中。在微波加热这种感受器期间，还原糖将通过微波加热和源自金属纳米粒子的局部热量的组合而被加热，并开始通过自由基介导的葡萄糖的副反应开始形成焦糖色素，所述葡萄糖在高于320℉(160℃)的温度下发生复杂的焦糖化反应。如果感受器与食物直接接触，则焦糖可以迁移到食物的表面，以获得附加的风味和质地特征。在食品工业中通常使用糖来提供松脆和酥脆的质地(例如硬糖、烘焙物上的糖衣、蜜饯坚果)，其中金属纳米粒子感受体的局部加热作用会增强脆性。类似地，食品表面可能其上具有糖衣，并且能够以类似的方式焦糖化。先前，在Dankovich，2014中，微波加热已显示可以从纸基材的葡萄糖饱和中产生焦糖色素。此外，在微波加热高葡萄糖水平(0.5M或更高)的纸基材后，纸片立即因水分流失而非常易碎和酥脆并且在微波加热过程中随后焦糖化。(参见例如Dankovich,T.A.2014.Microwave-assisted incorporation ofsilver nanoparticles in paper for point-of-use water purification.ESNano 1(4),367.)由于微波加热中的焦糖化过程而使糖还能够产生令人愉悦的香气。

参考图2，显示了用于在基材层40上形成金属层20的加工线110。图2中所示的加工线110是卷轴到卷轴的加工线。加工线110包含容纳基材层40的展开卷轴114、施加单元122、干燥部126和卷取卷轴130。在图2中，加工线110将基材层40的卷从卷轴114上展开并将基材层20引导到施加单元122。施加单元122将含有金属盐和还原剂的水溶液施加到基材层40。接着，干燥部126将基材层40干燥，所述干燥部126还在基材层40上引发金属纳米粒子的合成。形成的基材经由卷轴130卷绕成卷的形式。在一个实例中，金属浓度可以为制品的0.05％至约2.0％。在另一个实例中，金属浓度可以占制品的0.05重量％至约1.0重量％。此外，从施加单元拾取的固体可以在5％至约30％的范围内。另外，在施加单元处的固体含量可以在10-60％之间，其中大部分包含还原剂。在一个实例中，固体含量可以在约40％至60％之间。在另一个实例中，固体含量可以在约50％至60％之间。

施加单元122将包含金属盐和还原剂的纳米粒子前体的上述水溶液施加到移动的基材层40上。施加单元122相邻着干燥部126安置。因此，在施加单元122中将溶液施加到基材层40上之前，基材层40基本上是干燥的。如图所示，施加单元122可以是造纸技术中已知的施胶压机。通过在两个辊之间的辊隙处保持水溶液的浅浸池，使基材层40垂直向下穿过辊隙并使基材层40吸收水溶液，施加单元可将涂层施加到基材层40的表面上。施胶压机可以使用托盘或Dixon涂布机以使基材层40与水溶液接触。本领域技术人员将认识到，存在几种类型的用于将水溶液施加到基材层40上的施加单元和方法。例如，施加单元122可以包括但不限于喷雾系统、浸池型、气刀、计量、刮刀涂布机、缝模、凹版印刷机、迈耶(meyer)杆和其他涂布机。此外，施加单元122可以在任何方向上取向，包括垂直、水平或倾斜的布置。

图3A和3B显示了用于食品包装制品中的感受器110的替代实施方案。更具体地，图3A和3B显示了将金属层220图案化地施加到基材层40上以限定感受器110。图3A和3B所示的感受器110可以包含与图1所示相似的基材层40。因此，相同的附图标记用于标识在图1所示的感受器10与图3A和3B所示的感受器110之间的共同特征。然而，根据所示的替代实施方案，沿感受器110的长度L和宽度W方向以包含一个或多个不连续部分的图案元素将图案化的金属层220施加到基材层40上。可以在基材层40的整个内部和沿基材层40的表面以规定的图案来沉积金属层220。这种图案化的沉积对于在食物的中心施加目标加热效果可以是有利的。

在一些实施方案中，金属层220可以以一种或多种离散形状沉积为图案化元素。在图3A和3B所示的实施方案中，图案元素是多条线222a、222b、222c。如图所示，线222a-222c沿感受器的宽度W延伸。然而，所述线能够沿任何特定的方向如长度L或相对于长度L和宽度W成一定角度延伸。在这种实例中，当烹饪时，一系列的线能够在食物上产生烧烤线。其他实例包括感受器图案化布置，其中将金属粒子作为印刷的字母放置在纸包装上，所述金属粒子在加热时会产生局部热点，从而使褐变或脆变以人的名字的形式出现在食物上，例如由特定制造商“烙印”的早餐三明治。可替代地，可以以类似的方式将徽标、图形或其他图形元素的轮廓制成食物上的“褐变或烤制”特征。因此，金属层220可以在感受器内限定图案元素。在一个实例中，图案元素是一系列平行线。在另一个实例中，图案元素包含一个或多个字母数字字符。此外，图案元素可以包含具有曲线部分和线性部分中至少一个的一个或多个二维形状。例如，图案元素包括基本类似于正多边形的形状。在又一个实例中，图案元素是一个或多个徽标。此外，为了辅助目标加热过程，除了图案化之外，还可以改变沉积的金属感受器涂层的厚度以加热食物的特定区域。因此，可以根据需要改变各个图案元素内的金属层220的厚度。

应当理解，可以通过任何数量的机制来施加金属层220。在一个实例中，金属层220可以通过柔性印刷来施加。在这种实例中，通过形成柔性印刷浮雕板来完成图案施加，所述柔性印刷浮雕板具有的凸起元素形成期望放置在感受器110上的图案。施加到柔性印刷板上的“油墨”是金属纳米粒子前体溶液，其中将所述溶液的粘度调整为类似于柔性印刷油墨的。在施加金属纳米粒子前体之后，形成金属纳米粒子的图案化层的过程将通过干燥部分后施加来进行。还可以使用其他方法。例如，金属层220可以用缝模机来施加。在另一个实例中，金属层220可以用凹版印刷机来施加。在另一个实例中，金属层220可以用平板印刷机来施加。

可以以多种食品包装构造来使用上述感受器10和110。如图4所示，本公开的一个实施方案包括食品包装制品200，设计所述食品包装制品200以在使用期间有助于促进水分从食物F中传输出去。所示的食品包装制品200包含用于包封至少一种食物F的可微波外壳205。可微波外壳205具有：底部210；与底部210隔开的顶部212；在底部210与顶部212之间延伸的侧面214；以及由底部、顶部和侧面限定的内部空间I。感受器10在内部空间I中接合到可微波外壳205并悬挂在底部210上方，以形成上部空间和下部空间或空腔C。感受器10为如上所述并且包含尺寸稳定的基材40，并且金属层20沿第一侧面设置并且由多个金属纳米粒子构成。同样，金属层20具有吸收微波辐射并将微波辐射转换成热能的厚度。然而，金属层20不抑制水分W流过尺寸稳定的基材层20。在使用中，基材层40可以形成为被切成一定尺寸的制品。例如，制品可以是具有2-30cm长度和2-30cm宽度的切割纸，其中宽度垂直于长度。切割制品可具有适合其预期用途的任何形状，并且可以不是直线的。如从图4中所能看出的，所传输的水分W从食物F转移并保持远离所述食物F。如图所示，设计所述制品以使得感受器10悬挂离开食品包装制品200的底部。悬挂的感受器10产生传输的水分W在其中排出的空的空间C。

图5是使用具有图案化布置的感受器110的微波食品包装制品300的另一个实施方案。此处使用的感受器110具有与食物F直接相邻的金属层20的图案化布置以实现目标加热效果。除此之外，图5所示的制品300与图4所示的制品200基本相似，并且相同的附图标记用于标识两个实施方案的共同特征。所示的食品制品300包含用于包封至少一种食物F的可微波外壳305。可微波外壳305具有：底部310；与底部310隔开的顶部312；在底部310与顶部312之间延伸的侧面314；以及由底部、顶部和侧面限定的内部空间I。感受器10在内部空间I中接合到可微波外壳305并悬挂在底部310上方，以形成上部空间和下部空间或空腔C。

感受器110在内部空间中接合到可微波外壳并悬挂在底部上方，以形成上部空间和下部空间或空腔C。感受器110为如上所述并且包含尺寸稳定的基材层40，所述基材层40具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面。金属层20沿第一侧面设置并且由多个金属纳米粒子构成。同样，金属层20具有吸收微波辐射并将微波辐射转换成热的厚度。然而，金属层20不抑制水分W流过尺寸稳定的基材层40。如图5中所能看出的，所传输的水分W从食物F转移并保持远离所述食物F。如图所示，设计所述制品以使得感受器110悬挂离开食品包装制品200的底部。悬挂的感受器产生将传输的水分W排出的空的空间C。

本公开的实施方案包括包装制品的替代形式。例如，如图6A至7所示，微波感受器可以是由平面坯料605形成的套子600的形式。套子600可以包含壁602，所述壁602具有第一开口端604和与所述第一开口端604相对的第二开口端606。如图7所示，套子由平面坯料605形成。平面坯料605是切割或成形的基材层40，所述基材层40具有第一端610、沿长度L与第一端612相对的第二端612、第一侧边缘616和沿宽度W与第一侧边缘616相对的第二侧边缘618。第一侧边缘616和第二边缘618各自从第一端610延伸到第二端612，使得通常会形成直线坯料。金属层420沿宽度W从第一侧边缘延伸到第二侧边缘。然而，金属层沿长度L沿基材层20的一部分延伸以形成重叠表面部分630。重叠表面部分630可以承载胶粘剂或某种其他粘合剂，以将坯料固定为套子形式，如图6B所示。坯料605可以具有多个折叠线630、632、634、636，其有助于形成套子605。如图所示，套子600本身形成为具有彼此相对的两个开口端。在替代实施方案中，微波感受器为具有角撑端的封闭套子的形式。在又一个实例中，微波感受器为平面盘的形式。在又一个实例中，微波感受器沿袋装食品制品的侧壁设置。在又一个实例中，微波感受器为贴片层压托盘的形式。

在本公开的另一个实施方案中，食品包装制品400包含外壳和感受器410，所述感受器410形成为包含金属纳米粒子的成型纸浆结构。图8和图9显示了这种微波食品包装制品400。在所示的实施方案中，食品包装制品400被构造为承载至少一种食物F的成型托盘。食品包装制品400包含制品主体405，所述制品主体405具有：底部415；顶部430；从底部415向上延伸到顶部430的侧壁425；和由底部415和侧壁425限定的内部空间C。制品主体405本身由纤维素材料形成并且可以包含沉积在其上的或在其中形成的金属纳米粒子以形成成型托盘感受器。在该实施方案中，如图10所示，成型托盘由纤维素纸浆形成，并且在托盘形成制造过程700期间在纸浆上或纸浆中形成金属纳米粒子。

形成在成型托盘400中或上的金属纳米粒子在至少一个维度上的尺寸范围为1至约200纳米。然而，应当理解，本文所述的金属纳米粒子可以以非常大、例如几百纳米的聚集体的形式来形成。在一个实例中，聚集的纳米粒子的尺寸可以为大于200nm。然而，离散金属纳米粒子的直径的尺寸应在约1nm至约200nm之间。在优选的实例中，尺寸应在约1nm至约100nm之间。在一个实例中，纳米粒子的尺寸在约1nm至约150纳米之间。在另一个实例中，纳米粒子的尺寸在约1nm至约100纳米之间。在又一个实例中，纳米粒子的尺寸在约1nm至约50纳米之间。应当理解，根据处理条件等，本文所述的方法可以产生一些纳米粒子尺寸。粒径可以具有多种类型的粒径分布。因此，基材中的纳米粒子可能存在尺寸范围。在一个实例中，观察到的粒径的至少90％应小于约200nm。优选地，观察到的粒径的90％应小于约100nm。如本文中所使用的，金属纳米粒子的尺寸是根据用于测量纳米粒子的粒径的已知图像分析方法在至少一个维度上观察到的尺寸。平均粒径，也可用于指代金属纳米粒子的尺寸，是在给定样品或测试方案中观察到的测量值的平均粒径。金属纳米粒子能够具有一些不同的形状，包括但不限于棒状、三角形、球形、立方体、纳米线等。

继续图10，纸浆三维结构方法700包括纤维素浆料的形成704。浆料可以由纤维素纤维制成。纤维素纤维可以是木质纸浆、棉、人造丝或任何其他纤维素材料，无论是天然来源的还是合成的。例如，纤维素纤维可以是用于形成纸板的木质纸浆。

接下来，方法700包括将金属前体溶液添加708到纤维素浆料中。金属前体溶液可以包含金属盐和还原剂。另外，可以在步骤708中将其他试剂如粘合剂等添加到浆料中。这种试剂可以包括填料、粘合剂、颜料、施胶剂、湿强度剂和其他常见的造纸添加剂。也可以将其他试剂添加到溶液中以调节所得基材的特定性质。本领域普通技术人员将理解，除了上述纳米粒子前体之外，可以使用什么其他试剂。

前体溶液中使用的金属盐包括但不限于银、金、铂、钯、铝、铁、锌、铜、钴、镍、锰、钼、镉、铱及其混合物。在一个实例中，金属盐包括银。典型的银盐包括但不限于硝酸银、乙酸银、氧化银、硫酸银、六氟磷酸银、四氟硼酸银、高氯酸银、碳酸银、氯化银或三氟甲磺酸银。

如上所述，前体溶液可以还包含还原剂，其可以包括但不限于醛和形成醛的化学物质。在一个实例中，还原剂可以是糖。糖可以为单糖、二糖、三糖和/或多糖或其一些混合物，包括前述任何一种糖与其他添加剂的混合物。在一个实例中，还原糖包括但不限于葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖、乳糖、麦芽糖、核糖、山梨糖及混合物，所述混合物包括但不限于玉米糖浆、葡萄糖糖浆、高果糖玉米糖浆、麦芽糖糖浆及其混合物。可以使用形成醛的化学物质。示例性的醛和形成醛的化学物质可以包括但不限于乙醛、甘油醛以及非还原性糖如蔗糖、抗坏血酸、醇或其混合物。还原剂可以是用于两步法的其他化合物如硼氢化钠。可以一起使用或单独使用其他醛和形成醛的化学物质以及其他糖衍生物，以还原金属离子并在基材中形成纳米粒子。此外，能引发Tollen试剂(氨银)以形成银涂层的任何化学物质都是合适的。用于步骤708的示例性前体溶液可以包含1份金属盐对20-120份的还原剂。这种比例可能适合于将水溶液施加到纤维的单个步骤。

一旦将前体溶液与纤维素纸浆组合并且已经发生足够的混合以形成金属前体-纸浆浆料，在步骤712中，立即将纸浆-金属浆料沉积到具有期望的食品包装制品形状的模具上。模具可以包括多组形式以促进生产率的提高。在步骤716中，通过真空或其他手段将沉积在模具上的纸浆-金属浆料中多余的水排出。

在步骤720中，将排干的纸浆-金属浆料进料至加热单元(未示出)，其中施加足够的热能以从纸浆-金属浆料中除去残留的水分。用热能干燥纸浆-金属浆料可除去水分，但也会通过引发纸浆上的金属纳米粒子的合成而在成型托盘形式中形成金属纳米粒子。更具体地，例如，干燥激活了金属盐和还原剂的化学反应，从而将金属盐还原为基材中的金属纳米粒子。本领域的技术人员将容易地认识到，干燥阶段的时间和温度曲线将取决于各种因素，例如基材的基本重量(克重)、施加溶液期间残留的水、水溶液的组成和在干燥阶段过程中达到的期望的最高温度。此外，热能的施加还导致纸浆金属托盘形式中的可见颜色变化，从第一颜色如白色变为橙色、黄色、红色、紫色、蓝色和/或绿色纸，表明在纤维素纸浆结构表面上形成了多种类型的金属纳米粒子。

在步骤720中，可以将纸浆-金属浆料干燥，直到浆料的水分含量为5-10％。在步骤720之后，可以将成型托盘从模具中脱模。然后将成型托盘400与任何其他需要的包装和食物组合。

继续图11，根据本公开的替代实施方案，对方法800进行了描述，由此形成纤维素三维结构，类似于上述方法700。然而，根据替代实施方案，所述方法在将浆料添加到模具形式中之后施加金属前体溶液。因此，在步骤804中，形成纤维素浆料。浆料可以由纤维素纤维制成。纤维素纤维可以是木质纸浆、棉、人造丝或任何其他纤维素材料，无论是天然来源的还是合成的。

在步骤808中，将纸浆浆料沉积到具有期望的食品包装制品形状的模具上。模具可以包含多组形式以促进生产率的提高。例如，可以将纸浆添加到一种或多种模具形式中。

在步骤812中，将金属前体溶液施加到已经沉积在模具形式上的纤维素浆料上。如上所述，金属前体溶液可以包含金属盐和还原剂。另外，可以在步骤812期间将其他试剂如粘合剂等添加到浆料中。这种试剂可以包括填料、粘合剂、颜料、施胶剂、湿强度剂和其他常见的造纸添加剂。也可以将其他试剂添加到溶液中以调节所得基材的特定性质。本领域普通技术人员将理解，除了上述纳米粒子前体之外，可以使用什么其他试剂。另外，可以使用不同的技术将金属纳米粒子并入三维纸浆结构中。在步骤812中，可以使用喷雾罐来施加金属加压溶液。在另一个实例中，在步骤812之后，可以使用幕涂法将纳米金属添加到三维结构上的排干的浆料中。在替代实施方案中，可以在步骤812之前将金属纳米粒子添加到三维结构中。

在步骤816中，通过真空或其他手段将沉积在模具上的纸浆-金属浆料中多余的水排出。

在步骤820中，将纸浆和模具形式进料至加热单元(未示出)，其中施加足够的热能以从纸浆-金属浆料中除去残留的水分。用热能干燥纸浆-金属浆料可除去水分，但也会通过引发纸浆上的金属纳米粒子的合成而在成型托盘形式中形成金属纳米粒子。更具体地，例如，干燥激活了金属盐和还原剂的化学反应，从而将金属盐还原为基材中的金属纳米粒子。本领域的技术人员将容易地认识到，干燥阶段的时间和温度曲线将取决于各种因素，例如基材的基本重量(克重)、施加溶液期间残留的水、水溶液的组成和在干燥阶段过程中达到的期望的最高温度。此外，热能的施加还导致纸浆金属托盘形式中的可见颜色变化，从第一颜色如白色变为橙色、黄色、红色、紫色、蓝色和/或绿色纸，表明在纤维素纸浆结构表面上形成了多种类型的金属纳米粒子。在步骤820中，可以将纸浆-金属浆料干燥，直到浆料的水分含量在5-10％之间。在步骤820之后，可以将成型托盘从模具中脱模。然后将成型托盘400与任何其他需要的包装和食物组合。

由于将纸和塑料组合成单一材料的层压层而导致常规感受器包装的可回收性和可堆肥性是不可能的。然而，本公开将金属感受器直接添加到基材层，这使得能够回收。从纸质材料中除去金属粒子的化学方法类似于用于回收办公室废物、杂志和新闻纸的常规脱墨方法。具体而言，脱墨方法利用过氧化氢和漂白剂以从消费后的纸废物中除去粒子和填料。从纸包装中除去金属之后，能够将纤维重新制浆并再用于再生的纸产品中。

本公开的实施方案还包括可以增强和/或改善食品质量的特征。例如，诸如银和/或铜形式的金属纳米粒子提供一定水平的抗微生物活性，其可以抑制并且在某些情况下潜在地防止食用前微生物在食品上的生长。因此，可以认为微波感受器是抗微生物微波感受器。

在特定实施方案中，可以构造本文所述的感受器以用于金属回收。金属回收过程还涉及材料再利用过程，其中金属粒子能够通过诸如酸洗的化学处理而溶解为金属离子。在该过程之后，可将金属离子镀敷到金属基材上，或者可从溶液中沉淀出金属盐。两者都能够产生能够再用于生产未来的感受器和/或其他产品的金属产品。

下面阐述的接下来的定义适用于本公开。

冠词“一”和“一个”在本文中用于指代所述冠词的语法对象中的一个或多个(即，至少一个)。举例来说，“一个元件”是指一个元件或多于一个元件。

在提供值的范围的情况下，应理解，除非上下文另外明确指出，否则在该范围的上限与下限之间的各个中间值(至下限的单位的十分之一)和在所述范围内的任意其他所述的或中间值都包括在本发明内。本文中通过端点引用的数值范围包括该范围内所包括的所有数字和分数(例如1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.90、4和5)。这些更小范围的上限和下限可以独立地包括在更小的范围内，并且包括在本发明内，遵守所述范围内的任何明确排除的界限。在所述范围包含一个或两个界限的情况下，排除一个或两个那些所包含的界限的范围也包括在本发明中。

在本文中利用在数值之前带有术语“约”给出了特定的范围。术语“约”在本文中用于为其后的确切数字以及与所述术语后的数字接近或近似的数字提供文字支持。在确定数字是否接近或近似于具体列举的数字时，接近或近似的未列举数字可以是某个数字，在给出所述数字的上下文中所述数字提供了具体列举的数字的基本等同形式。例如，术语“约”在本文中用于修饰在所述值之上和之下变化5％的数值。

尽管本文使用有限数量的实施方案对本公开进行了描述，但是这些特定实施方案无意于限制如本文另外描述和要求保护的本公开的范围。在此描述的制品和方法的各种元件的精确布置以及步骤的顺序不应认为是限制性的。例如，尽管参考附图中的参考符号的顺序系列和方框的进程对所述方法的步骤进行了描述，但是所述方法能够按照期望的特定顺序来实施。

Claims (32)

1.一种感受器，包含：

a)尺寸稳定的基材层，所述基材层具有第一侧面和与所述第一侧面相对的第二侧面；和

b)被直接设置到所述第一侧面上并且由多个金属纳米粒子构成的金属层，所述金属纳米粒子在至少一个维度上的尺寸范围为1纳米至约200纳米，所述金属层具有一定厚度以吸收微波辐射并将微波辐射转换成热，其中所述金属层不抑制水分流过所述尺寸稳定的基材层。

2.根据权利要求1所述的感受器，其中所述尺寸稳定的基材层是纤维素层。

3.根据权利要求2所述的感受器，其中所述纤维素层由两个或更多个层构成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的感受器，其中所述金属层的厚度为约5纳米至500微米。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的感受器，其中所述金属层限定图案元素。

6.根据权利要求5所述的感受器，其中所述图案元素是一系列平行线。

7.根据权利要求5所述的感受器，其中所述图案元素包括一个或多个字母数字字符。

8.根据权利要求5所述的感受器，其中所述图案元素包含具有曲线部分和线性部分中至少一种的一个或多个二维形状。

9.根据权利要求5所述的感受器，其中所述图案元素包含基本类似于正多边形的形状。

10.根据权利要求5所述的感受器，其中所述图案元素是一个或多个徽标。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的感受器，其中所述金属纳米粒子包括下组中的至少一种：银、金、铂、钯、铝、铁、锌、铜、钴、镍、锰、钼、镉、铱及其混合物。

12.一种可微波食品包装，包含：

可微波制品，所述可微波制品具有容纳至少一种食物的内部空间；和感受器，所述感受器位于所述可微波制品的内部空间内并具有：a)尺寸稳定的基材层，所述基材层具有第一侧面和与所述第一侧面相对的第二侧面；和b)沿所述第一侧面设置并且由多个金属纳米粒子构成的金属层，所述金属纳米粒子在至少一个维度上的尺寸范围为1纳米至约200纳米，所述金属层具有一定厚度使其吸收微波辐射并将微波辐射转换成热，其中所述金属层不抑制水分流过所述尺寸稳定的基材层。

13.根据权利要求12所述的可微波食品包装，其中所述感受器是套子。

14.根据权利要求12或13所述的可微波食品包装，其中所述尺寸稳定的基材层是纤维素层。

15.根据权利要求14所述的可微波食品包装，其中所述纤维素层由两个或更多个层构成。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的可微波食品包装，其中所述金属层的厚度为约5纳米至500微米。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的可微波食品包装，其中所述金属层限定图案元素。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的可微波食品包装，其中所述金属纳米粒子包括下组中的至少一种：银、金、铂、钯、铝、铁、锌、铜、钴、镍、锰、钼、镉、铱及其混合物。

19.根据权利要求12至18中任一项所述的可微波食品包装，其中所述感受器在所述内部空间内被固定至所述可微波制品并悬挂在底部上方以形成上部空间和下部空间，从而将所述食物悬挂在底部上方。

20.一种可微波食品包装制品，其包含：

三维成型结构，所述三维成型结构具有纤维素纸浆和金属纳米粒子的均质混合物，所述金属纳米粒子被直接设置在所述纤维素纸浆上或被嵌入所述纤维素纸浆内，所述金属纳米粒子在至少一个维度上的尺寸范围为1纳米至约200纳米，所述金属纳米粒子在所述三维成型结构内以足以吸收微波辐射并将微波辐射转换成热的量存在。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述金属纳米粒子占所述三维成型结构的0.05重量％至约2.0重量％。

22.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述三维成型结构是具有底部、顶部和从所述底部延伸到所述顶部的侧壁的成型托盘。

23.一种形成金属化食品包装的方法，该方法包括：

形成包含纤维素纤维的浆料；

将金属前体溶液添加至所述浆料，所述金属前体溶液具有一种或多种金属盐和还原剂；

将含有所述金属前体溶液的浆料沉积到一种或多种模具形式上；

使沉积到一种或多种模具形式上的含有所述金属前体溶液的浆料暴露于热能下，以引发金属离子和浆料的反应，从而使金属纳米粒子沉积到所述纤维素纤维上或嵌入所述纤维素纤维内，形成金属化三维成型结构；和

从所述一种或多种模具形式中移除所述金属化三维成型结构。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括将外壳和三维成型结构组装到食品包装制品中。

25.根据权利要求23或24所述的方法，其中所述金属纳米粒子在至少一个维度上的尺寸范围为1纳米至约200纳米。

26.根据权利要求23、25或25所述的方法，其中所述金属纳米粒子占所述三维成型结构的0.05重量％至约2.0重量％。

27.一种形成金属化食品包装的方法，该方法包括：

形成包含纤维素纤维的浆料；

将所述浆料沉积到一种或多种模具形式上；

向沉积到一种或多种模具形式上的所述浆料施加金属前体溶液；

将所述金属前体溶液暴露于热能下，从而使金属纳米粒子沉积到所述纤维素纤维上或嵌入所述纤维素纤维内以形成金属化三维成型结构；和

从所述一种或多种模具形式中移除所述金属化三维成型结构。

28.根据权利要求27所述的方法，还包括将外壳和三维成型结构组装到食品包装制品中。

29.根据权利要求27或28所述的方法，其中向所述浆料施加所述金属前体溶液包括将所述金属前体溶液喷施到所述浆料上。

30.根据权利要求27或28所述的方法，其中向所述浆料施加所述金属前体溶液包括将所述金属前体溶液幕涂到所述浆料上。

31.根据权利要求27至30中任一项所述的方法，其中所述金属纳米粒子在至少一个维度上的尺寸范围为1纳米至约200纳米。

32.根据权利要求27至30中任一项所述的方法，其中所述金属纳米粒子占所述三维成型结构的0.05重量％至约2.0重量％。

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