用于烹饪的红外反射材料的制作方法

专利名称：用于烹饪的红外反射材料的制作方法
用于烹饪的红外反射材料
背景技术：
传统的活性微波食品包装是基于真空-金属化(VM)的薄膜。众所周知， VM薄膜会用做微波(MW)接受器，并可用于微波炉中，将MW射频能量转化 成辐射热。所述VM薄膜可用作独立的加热元件，但是一般用作层压薄膜，结合 纸或纸板基片，例如可以在MW爆米花袋(ACT II 爆米花，Orville Redenbacher's 爆米花)或MW加热套管(Hot Pockets )中找到。活性MW食品包装可以包括 以下部分；
1. 牛皮纸类型的纸(可以用蜡制乳液涂敷)。这是外层。
2. 层压粘合剂(通常是水基的)。
3. 金属化层* (通常是铝)。
4. 聚酯层*。这是内层，与食物接触。
*层3和4是VM薄膜的基本部分(参见US 6，896，919 B2， US 7,015,442 B2)。尽管现有的活性MW食品包装可用于在微波炉中烹饪食品，仍然缺乏 商业上成功的产品，它能够使最终用户烹饪较大的基于蛋白质的食品，如整个家 禽或烤肉。另外，现有的MW包装技术采用起着微波接受器作用的材料，随着所 述材料与微波辐射相互作用会变热。

发明内容
本发明涉及用于微波烹饪的产品，它包括诸如树脂的基体和分散在基体 中的金属颗粒，基本上不起微波接受器的作用，并且提供红外辐射(IR)能量反 射特性。所述产品可以是较薄的薄膜形式。本发明还涉及利用所述薄膜的烹饪方 法，和利用所述产品的食品容器。


图l-3是曲线图，分别示出加载有4%红外反射材料的两种低密度聚乙 烯(LDPE)薄膜和没有加载任何红外反射材料的一种LDPE薄膜的微波辐射的透 射率，吸收率和反射率；
图4是用于评估试验薄膜的红外透射和反射的装置的示意图；和
图5是曲线图，示出了加载有4%红外反射材料的两种LDPE薄膜和没 有加载任何红外反射材料的一种LDPE薄膜的红外反射特性。
具体实施例方式如上文所述，本发明涉及用于MW烹饪的产品，它包括诸如树脂的基 体和分散在基体中的金属颗粒，基本上不起微波接受器的作用，并且提供红外(IR) 能量反射特性。例如，分散的颗粒对于MW能量可以是基本透过的。在一个实施 例中，分散的颗粒表现出特性，例如非常低的微波辐射吸收，通常低于1%。传统 的微波接受器包装，最常见的是由VM薄膜组成，通常吸收25% - 50%的入射微 波辐射。因此，产品允许至少90%的入射微波辐射通过它，优选至少95%，更优 选至少99%，并且相对于没有金属颗粒的结合基体，反射的入射红外辐射至少多 10%,优选至少30%。FCC业已分配了不同的频率，用于射频频谱的无线电波和微波部分的电 介质加热，又被称作工业、科学和医学频段或"ISM"。用于家用目的的微波炉专 门使用2,450 MHz。大容量工业加热和烹饪应用通常采用915 MHz。用于射频段烹 饪的频率通常在27.12 MHz和13.56 MHz。本发明利用分散在树脂基体中的金属颗粒。分散的金属颗粒基本是离散 和单独的。换句话说，分散在树脂的金属颗粒的层基本是不连续的金属层。这与 通过真空金属化工艺形成的连续薄膜相反，它在用于微波烹飪时用作微波接受器。产品可以是单层薄膜的形式，即大量色素的材料的单一 (非层压的)形 式。"单层"材料在它们的设计中不结合任何叠层，阻挡层，粘合层，和/或食品接 触层。所述产品由于简化的制造工艺和由此的成本降低是有优势的。不过，产品 也可以是层压的形式，其中，具有分散的金属颗粒的树脂被层压或涂敷有额外层， 以提供需要的特性的和效果。—般来说，颗粒或薄片取向与聚合物流动方向一致。在本实施例中，颗 粒或薄片取向沿所述部分的外表面明显更大，并且朝向所述部分的最里面部分变 得更小。该取向度会根据用于制造所述部分的工艺而变化。用于本发明目的的不 同取向是可接受的。本发明的产品消除了在使用VM薄膜时所遇到的若干设计和应用问题。现有的VM接受器薄膜具有下述局限性
1. 在长时间暴露于高的烹饪温度时，连续的VM薄膜中的金属化层会裂化。
这导致薄膜的热容降低，反过来妨碍所述薄膜多次使用并具有一致的结 果。
2. 连续的VM薄膜受限于它们控制热生成模式的能力。为了克服这个限制， 食品包装制造商己设计了若干种包装，使用VM薄膜中的图案，以将热量 集中在食品的特定区域(参见美国专利6,150,646)。
3. 连续的VM薄膜受限于它们调控由薄膜产生的热量的能力。这个限制也通 过使用VM材料中的图案在MW食品包装中来克服。
4. 包含VM薄膜的烹饪包装一般不是用单层材料制成；而是，它是用若干层 不同的材料制成，因此涉及若干不同的制造步骤，最终影响制造成本。当今的MW"烹饪"一般涉及对食物进行加热或再加热。另外，很多食物， 特别是即食的膳食，专门针对MW烹饪进行包装，已经部分或完全预烹饪了 (Stouffer's 主菜，Healthy Choice 主菜)。在这些情况下，MW"烹饪"实际上表 示完成加热或烹饪过程。相反的，本发明允许最终用户使用微波炉来完全烹饪部 分烹饪过的，冷冻或生鲜未经烹饪的食品-包括例如，动物蛋白，如肉，家禽和 鱼，蔬菜蛋白，蔬菜，意大利面食和面糊浸渍和涂面包屑后烹制的食品-并且将 它们烹饪到通常只能通过采用传统烹饪方法(烘焙，烤，铁烧，烧烤，炸等)才 能获得的相同的最终质量。例如，本发明的薄膜可适用于烹饪食物，如火鸡鸡胸， 火腿和烤猪肉或烤牛肉。本发明薄膜形式的产品是柔性的，因此可用于现有的食品包装设备，包 括但不限于，热封机，热成形机，和自动包装机。本发明的产品可用于形成所有 或部分不同的食品容器，并且它可应用于或结合在不同的食品容器中。所述食品 容器可以是开口的容器，如容纳食物的盘或碟，闭合的容器，如基本或完全封闭 食物的袋子或盒子或两者的组合。本发明的产品可用于形成所有或只是部分的容 器。赋予所述容器的刚性，美观性，结构一体性或其他特性可能是必需的。本发明还提供了烹饪冷冻，生鲜，或生鲜-冷冻食品的方法，通过在微 波炉中对所述食物施加微波能量，所述食物由包括本发明产品的容器容纳或封装。 本发明烹饪方法的优点是可以均匀和有效地烹饪食物。本发明的产品由微细金属颗粒形式的红外反射材料构成，所述金属颗粒例如以粉末或薄片的形式，优选铝粉末或薄片，结合基体，例如但不限于热塑性 树脂。金属颗粒可以通过任何合适的方法整合入基体，如通过挤压，热成型，压 延，注模，或压縮，以形成可用于烹饪食物的产品。金属粉末和/或薄片会携带在 水，溶剂，增塑剂或树脂粘合剂中，但也可以干燥状态结合。本发明还涉及可微波使用的食物容器，它采用红外辐射反射颗粒，所述 颗粒可为微波辐射透过，用于对食物进行有效和彻底烹饪，所述食物包括但不限 于生鲜，冷冻，或生鲜-冷冻食品。该材料可用作包装，作为密封袋或袋状物或盘， 或碟或其他容器来容纳和储存食物。该密封的烹饪系统然后可放入微波炉进行烹 饪。红外反射颗粒的加载量可以变化或调整，以满足被烹饪食物的特定加热要求。金属颗粒可以是微细金属粉末或薄片的形式。本发明的微细金属粉末或 薄片可以由不同合适的有色金属，它们的混合物或合金组成。可以采用不同几何 形状的颗粒，如下文所述。具用功能性或美观性涂层的涂敷金属薄片也可用于本 发明。铝颗粒尤其有用，因为在铝上形成的天然氧化层有助于保持颗粒之间的实 际隔离，即使产品中包括相对高水平的颗粒，并且结果颗粒相对紧密在一起。金属粉末通过具有低纵横比来表征； 一般小于IO，最通常的小于3。颗 粒的纵横比是它的长度(颗粒的最大尺寸)除以它的厚度(垂直于长度测量的最 小尺寸)。金属粉末通常通过对熔融金属进行雾化，然后快速固化制成，并常见用 于粉末冶金，作为金属薄片的前体(如下文所述)，和用于活性金属，在爆炸物和 烟火制造术中。在某些情况，金属粉末可以进行温和抛光，例如在球磨机或磨碎 机中抛光，以使表面平滑，并且在某些情况，除去粉末表面上的某些氧化物；以 便增大粉末的亮度，以提供更宜人的美学效果。在本发明的使用中，金属粉末的 平均粒度(长度)应当在0.005微米-1000微米之间，更优选在0.1微米-800微米 之间，更优选在l微米-500微米之间。金属薄片通过具有高纵横比来表征，通常在10-10，000的范围内。它们 通常用作色素在液体和粉末涂层，油墨，和塑料中，赋予希望的功能特性；如传 导性，或提供对氧或水迁移的屏障；并且用于增强美观度；如在小视角下的明亮 外观结合在大视角下的较暗外观("face-flop"现象)，并且在某些情况有颜色。最 常见的金属薄片色素是铝，这是由于它的延展性和高的镜面反射率。金属薄片最 通常是通过利用球磨机，磨碎机等将金属粉末或箔片研磨成具有高纵横比的小颗 粒而制成。通过上述方法制成的薄片可以进一步通过几何形状细节来表征，如下文所述。"玉米片"金属薄片通过具有毛边，不均匀的表面，和较高的纵横比为大 约50-2000来表征。它们的平均粒度在大约4微米-大约600微米的范围内，而它 们的平均厚度为大约0.05微米-0.5微米。"玉米片"色素的例子是由Silberline Mfg. 公司以Sparkle Silver 商标出售的产品。"银元"或"透镜状"金属薄片通过具有(与"玉米片"材料相比)更规则的， 更接近圆边，更光滑的表面，和更低的纵横比为大约10-200来表征。它们的平均 粒度在大约4微米-大约80微米的范围内，而它们的平均厚度为大约0.1微米-2.0 微米；并且它们与"玉米片"材料相比具有更窄的粒度分布。"银元"色素的例子是由 Silberline Mfg.公司以Sparkle Silver Premier⑧为商标出售的产品。"银元"薄片的子 集是"抗降解"产品，除了略低一些的纵横比之外具有类似的特征，其中纵横比在大 约10-50的范围内。"抗降解银元"色素的例子是由Silberline Mfg.公司以Tufflake 为商标出售的产品。生产金属薄片色素的另一种方法使用柔性基片，它涂敷有聚合树脂释放 涂层，随后通过物理蒸汽沉积金属化。释放涂层通过浸渍在合适的溶剂中溶解， 释放非常细的金属颗粒，所述颗粒随后被降解到希望的粒度。与其他金属薄片色 素类似，所述真空金属沉积("VMD")色素最通常由铝制成。与通过传统研磨技 术制成的金属薄片色素相比，"VMD"色素更细，并且具有更光滑的表面，由于增 强的镜面反射率而产生非常明亮的外观。"VMD"色素通常的厚度在0.005-0.05微 米(50-500 A)的范围内，并且平均粒度为大约5-30微米，具有非常高的纵横比 为大约100-10,000。 "VMD"色素的例子是由Silberline Mfg.公司以StarBrite⑧为商 标出售的产品。业已评估了大约平均粒度在9和55微米的颗粒，它们相应的纵横比在 50-2000的范围内。已知这些颗粒表现出本文所述的IR反射性，并且还对微波辐 射可透过。不过，本领域技术人员会认识到，表现出类似特性的其他粒度和纵横 比也可以使用。颗粒的平均粒度和粒度分布可以通过任何传统的技术来测量。在涂层行 业，这通常利用激光衍射方法进行，利用诸如Malvern Mastersizer的设备。为了计 算纵横比，需要测量或计算颗粒的厚度。可以通过利用在J. D. Edwards and R.I. Wray; Aluminum Paint and Powder (3rd edition), pp 16 to 22， Reinhold PublishingCorp.， New York (1955)中所述的方法，确定单层材料的水覆盖面积(WCA)， 来计算平均厚度的估值。如本文所述，颗粒的平均厚度(d， pm)按照下述公式获 得
d (拜)=0.4 (m2x拜xg-1) /WCA (n^xg-1)
本发明的组合物可以整合入热塑性，热固性或其他合适的材料，所述材 料通过多种公知方法用作微波制备食品的包装。该基体材料通过挤压，压延和三 辊研磨等可以形成薄或厚的薄膜；可以用作单一食品包装或通过层压、热成型和 类似技术涂层部分或全部的微波包装容器。材料的目标厚度取决于所使用的确切 金属粉末或薄片，烹饪食物所需的加热和/或褐变程度，以及希望的美学效果。用 于食品包装的材料应当能够承受烹饪的温度。这可以通过选择材料本身和/或添加 热稳定添加剂来实现。基体材料中的金属颗粒量一般为基体材料重量的大约0.5% -25%，优选1%-15%。上限一般会通过形成产品的能力来控制，所述产品从实践 观点看可以进行方便地工作和处理。含有1%- 15%金属颗粒的产品表现出良好的 性能，并且通常能够没有困难地处理。由于本发明的组合物要用于食物的制备，非常希望所有的组合物成分都 适用于食品接触用途。每种成分应当或者在公认安全的(GRAS)材料清单中，或 者应当根据美国联邦法规汇编(CFR)的适当章节或被其他相应管理机构批准用于 特定用途和树脂系统。如果最终包装使用了能避免食物与本发明的基体材料直接 接触的透微波涂层和/或叠层，则不需要上述批准。在这里，可透微波的涂层必须 只能由适于食品接触用途的材料组成，如上文所定义，并且必须阻止本发明的组 合物的任何成分迁移通过可透微波的涂层，以确保不发生食品接触。不过，所述 可透微波的涂层和/或叠层的使用添加了额外的制造步骤，并因此增加了最终产品 的成本。可用作基体材料的例子包括热塑性、热固性或其他合适的材料，例如， 但不局限于聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚酰胺("尼龙(Nylon)")，聚酰亚胺，聚 碳酸酯，聚丙烯酸酯，酚醛树脂("酚醛塑料(Bakelite)"),环氧树脂，纤维素，黏 土，或它们的组合物或复合物。类似的材料可用作微波透波涂层和/或叠层，如果 它们是GRAS，或根据美国CFR的适当章节或被其他相应管理机构批准用于特定 用途和树脂系统。本发明涉及，例如，制成但不局限于一次性使用包装，用于包装食品以便从制造商装运到消费者，并随后用于在被丢弃之前对食物进行微波烹饪并呈褐 色；制成多次使用的包装，其内装有食物用于微波烹饪和褐变，随后进行后续清 洗和再利用；或制成可取出、可再利用的插入件，被置入适合微波烹饪的容器中， 以便使置于其内的食物获得更均勾的加热和烹饪，然后进行后续清洗和再利用。用本发明的薄膜制成的容器可用于制备任何食物，所述食物可以通过微 波辐射加热，但最有效的是用于对生鲜，冷冻，或生鲜冷冻状态的食物进行充分 烹饪。例子包括，但不限于；肉类，家禽，鱼，和海产品(所有这些可以在涂面 包屑后烹制或不涂面包屑);意大利面食，面团食品如比萨饼，披萨包饼(strombolis)， 内包馅水饺，肉馅饼，玉米煎饼，玉米粉圆饼，蛋巻，馄饨，皮塔饼，沙拉三明 治，和皮塔三明治等；以及蔬菜，如胡椒，洋葱，蘑恭，茄子，南瓜，和番茄等。本发明将通过下述非限定性示例进行说明。例1.通过吹膜工艺生产出厚度为2.5 mil的含有4%按重量计IR反射颗 粒的低密度聚乙烯(LDPE)薄膜(样品1和样品2)。用于样品1的金属颗粒是"银 元"类型的薄铝片，它的平均粒度(D50)为9pm。用于样品2的金属颗粒是"银元" 类型的薄铝片，它的平均粒度(D50)为55pm。利用蜡型粘合剂以球团形式将金 属颗粒携带入工艺中。然后利用HP8510C Network Analyzer (网络分析器)对所述 薄膜进行波导测试。图1-3中的图表示出了由每种材料吸收、透射和反射的微波能 量。可以看到，接近100%的入射微波辐射透过每个样品。例2.通过垂直安装LDPEIR反射薄膜的单个片材，并在金属测试架上 拉伸，来评估用于例1的相同4%加载的薄膜。111源随后设置在该垂直薄膜的一侧， 并且IR检测器设置在薄膜的两侧。然后开启IR源，利用检测器来量化由薄膜反 射和透射通过薄膜的IR辐射量。图4的示意图示出了测试设置。图5的曲线图示出了相对于未加载过的薄膜，由每种薄膜反射的IR辐 射量。可以看到，本发明的产品允许来自微波发生源的微波辐射透射到目标， 例如要通过微波辐射加热或烹饪的食品，同时足够反射红外辐射，以改进对食品 的加热效果。本发明使得用微波炉烹饪的食品具有与传统烤箱烹饪一致的质量。尽管上文已提供了本发明的详细说明，本发明并不局限于此。本发明由 所附权利要求书限定。
权利要求
1. 一种用于微波烹饪的产品，包括结合基体和分散在所述基体中的金属颗粒，它基本上不会导致产品起微波接受器的作用，并且提供红外辐射(IR)能量反射特性。
2. 根据权利要求l所述的产品，它是下述形式的材料吹制，挤压，热成型， 压延，注模，或压縮成型或通过其他制造设备形成。
3. 根据权利要求2所述的产品，它是单层。
4. 根据权利要求l所述的产品，其中，对于频率为2.45GHz的微波，颗粒不 会导致产品起微波接受器的作用。
5. 根据权利要求l所述的产品，其中，大约90%或以上的入射微波辐射穿透 通过产品。
6. 根据权利要求5所述的产品，其中，大约95%或以上的入射微波辐射穿透 通过产品。
7. 根据权利要求6所述的产品，大约99%或以上的入射微波辐射穿透通过产口
8. 根据权利要求l所述的产品，其中，相对于没有金属颗粒的结合基体，由 所述产品反射的入射红外辐射至少多10%。
9. 根据权利要求8所述的产品，其中，相对于没有金属颗粒的结合基体，由 所述产品反射的入射红外辐射至少多30%。
10. 根据权利要求1所述的产品，其中，颗粒是薄片或粉末形式，具有的粒度 不大于1000微米。
11. 一种食品容器，包括整体或部分是权利要求1所述的产品。
12. 根据权利要求11所述的食品容器，还包括要烹饪的食品。
13. 根据权利要求11所述的食品容器，它是以包装的形式用于食物的。
14. 一种通过反射和/或截留红外辐射烹饪食品的方法，将微波能量施加到存放在权利要求11所述的食品容器的食物。
全文摘要
本发明提供了一种开发用于在微波炉中烹饪食品的红外反射材料。微波食品容器包括基体中的金属颗粒。本发明的组合物对于微波辐射基本是极小的，但作为红外辐射的反射器是有效的。这促进了更大热量的产生，通过将IR能量反射回食品，同时允许微波辐射穿透容器以帮助烹饪过程，使得热量更均匀地施加在容器内。所述用于微波用途的包装允许有效、彻底地烹饪冷冻，生鲜，和生鲜-冷冻食品。
文档编号C08K3/08GK101434752SQ200810167860
公开日2009年5月20日 申请日期2008年10月14日 优先权日2007年10月15日
发明者J·J·布加拉, 格伦·艾瑞希 申请人:西尔伯莱恩制造公司