从速热食品加热剂的化学原理和成本分析市场价值

谭贺元

摘 要：速食食品是现代饮食生活中的一个重要组成部分，而速热食品，则是速食食品中的新品种，能够完美满足人们在没有热水的情况下想要吃到热的速食食品的需求。本篇论文将从放热途径方面考虑加热剂的便利性，反应物和生成物的安全性与材料成本三个方面进行讨论，并给出合理结论。

关键词：加热剂;速热食品;安全性;便利性;成本

中图分类号：TS213.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0226-02

速热食品，可以说是继方便面与固体饮料后又一个将饮食方便到极致的发明，但较低的安全性、相对较高的价格、以及对于人们来说仍然较为新颖的速热概念使其受众面远低于方便面等老牌速食产品，且如外卖等便捷的吃饭方式也阻碍了速热食品的发展，但随着技术的不断发展、速热食品安全设计的不断提高和人们对于这一新鲜事物的认知不断增加，速食食品的市场也在不断扩大。虽然相对于外卖等较新鲜的蔬菜、肉类、鱼类而言，由于将其制成的加热与食用时的加热都会造成营养的流失，速热食品的营养要低许多，但是相较于方便面等老牌速食食品，速热食品可选择的食品种类大大增多（如速食火锅、速食米饭等），在营养价值方面也更胜一筹。随着其不断的发展，也成为了更多人的选择。

速热食品，在户外活动、驱车旅行的时候作为主食，或是作为在家中的快餐，都要比方便面还要方便营养，既无需用开水冲，又有更多的种类。因其极高的便利性，最初被用作军用食品;随着军用技术转向民用，速热食品现在已成为超市与便利店常见的商品。但其加热剂一直都是一个安全隐患，为了达到快速加热食物的需求，加热剂需达到150-200℃的温度，十分危险;自热食品主要由被加热的食品、热源、激活剂及包装材料构成，其传热过程高度复杂，不仅有热传导，还有对流传热和相变传热，同时也存在流固耦合的传热问题[1]。在生产、运输环节也不免会有个别加热剂包装的损坏，这也是极大的安全隐患。本文从加热剂便利性和安全性进行重点分析讨论。

1 从放热途径方面考虑加热剂的便利性

加热剂放热有两种途径，一是溶解放热，二是反应放热。

1.1 溶解放热

溶解放热看似是一种便利可行的方法，但实际上并非如此。虽然溶解反应有着不少优点，如：溶解所需要的水十分容易得到，并且加水溶解的过程十分简单，经过对包装盒的设计，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应物放出的热量往往极少，使得加热食物所需加热剂的量会很大，这导致利用溶解放热将会使速热食品重量过大，发挥不了便携的优势;其次，放热量大的氢氧化钠粉末，浓硫酸等试剂往往十分危险，与皮肤接触易造成烧伤;还有很重要的一点，溶解放热需要水，而水本身的比热容就很大，会吸收部分热量，所以利用溶解放热来加热食品其实是不可取的方法。

1.2 反应放热

利用放热反应来加热是另一种加热方法，放热反应种类很多，常见的有：

（1）所有燃烧或爆炸反应;（2）酸碱中和反应;（3）活泼金属与水或酸生成氢气的反应;（4）多数氧化还原反应。

但也并不是所有放热反应都可以用于加热，如燃烧及爆炸反应太过剧烈;反应放热速度适中，但需要大量氧气支持，无法在较密闭空间内完成，从便利性的方面来说是不合适的。再如氧化还原反应，一部分氧化还原反应的条件通常是难以达到的，如氢气还原氧化铜需要在高温条件下发生反应，虽然是放热反应，但也不可取。活泼金属与酸或水的反应有氢气生成，不能在密闭空间里进行。而利用固体或液体、且不生成气体的反应则可以在密闭空间中进行，且易操作，部分氧化还原反应不需要特殊条件，但利用这些反应与利用化合反应相比，单位质量加热剂释放的热量相对较少，相对的总重就会变大，不方便携带，成本也较高。

2 反应物和生成物的安全性

由于已经排除利用溶解放热，所以只讨论反应放热。

大多数放热反应都有一定的危险，有些反应放出的热量太大，太剧烈，有些则是反应物本身泄漏可能对人造成伤害;其次，虽然加热剂与食品是分开放的，但也不排除加热时其与食物接触的可能性。

2.1 反应放热太剧烈

速热食品很大一部分是纸质包装，其燃点仅有130-250℃，若使用反应放热过于剧烈的加热剂，可能会导致食品盒被烧穿;即使未被烧穿，在加热速热食品时，燃烧、爆炸明显的方法不可取，危险性太大。活泼金属与酸反应也会使产生的氢气进一步与氧气反应导致燃烧或爆炸，用CaO制成的发热包在存储，运输过程中一定要注意包装完整，密封保存[2]。

2.2 反应物腐蚀性

为了防止反应物泄漏后对包装盒及人的伤害，反应物本身应不易对包装盒造成侵蚀，强酸、强碱不宜使用。如硫酸，硝酸，烧碱等强酸、强碱都会造成对包装盒的侵蚀，且一旦泄露，极易造成危险，不宜使用。

2.3 反应条件

反应物之间的反应条件应不易达到。试想如反应极易发生，在运输过程中，集装箱中一个不合格产品发生反应放热，极高的高温引起周围受热，极易反应的性质导致连锁反应，后果将不堪设想。亦或者夏天产品在阳光下曝晒，导致盒内温度较高，产品提前加热引起自燃。考虑到这点，反应物之间的反应条件应是通常难以达到的，但这又违背了方便的原则，所以，将加热剂分为两部分，一部分易反应，分开放置，用来方便快速的释放热量，来达到另一部分的反应条件，并以第二部分的释放的热量作为加热食物的主要热量[3]。利用这种方法，可以满足在反应条件方面的问题。

2.4 反应物毒性

如果发现反应物泄漏，相信大部分人会选择把食品扔掉，但也不排除有老人或小孩会选择更换加热方法继续食用，这时，如果泄漏的反应物已经渗透到食物中，就会有危险。而如果加热剂无毒，速热食品的安全性就会大大提升。

2.5 生成物安全性

（1）易在反应中生成大量气体的加热剂应排除。加热时放出的大量气体如无法顺利排出，则会有重大隐患。如苏打粉和酸反应释放大量的二氧化碳，如无法在包装中正常排出，就可能将包装挤炸，应排除。（2）易释放有毒物质的加热剂应排除。如硝酸在反应时往往会释放有毒气体二氧化氮，对人体有害，应排除。（3）易生成强腐蚀性物质的加热剂应排除，如过氧化钠和水反应时生成强腐蚀性物质氢氧化钠，强腐蚀性的氢氧化钠可能腐蚀包装甚至对人体造成伤害，应排除。

3 材料成本分析

经过对反应物和生成物的安全性的讨论，基本可得出结论：

（1）溶解放熱不可行;（2）放热太过剧烈的反应不可行;（3）反应物及生成物有腐蚀性或毒性的反应不可行;（4）极易发生的反应不可行;（5）反应释放出有毒有害物质的也不可行。

通过分析反应物和生成物的安全性，在使用材料方面，也有尽量降低成本的要求。由于企业是批量生产，为了获得尽可能多的利润，就需要降低个体成本，这也就要求加热剂的生产成本要低，加热剂能大量获得。可供利用选择的方法不多，可行的方案如下：

（1）单纯利用生石灰与水的反应;（2）利用生石灰与水的反应引发铁粉与氧气的反应。

只是利用生石灰与水的反应的话，就需要加入抑制剂;这时通常会使用枸橼酸盐或磷酸盐作为抑制剂，抑制剂量较少，可以忽略其成本，而生石灰的价格大约600-700元/吨，生石灰与水反应，每摩尔生石灰在标准状况下可放出65.2千焦的热量，以加热一份约500克的食品为例，这大约需要40-50千焦的热量，若以40%的利用率计算，则需要100-125千焦耳的热量，对应约是1.5-2摩尔生石灰，约是85-110克;以100克生石灰计算，只有0.056元/份，算上加热剂包装的成本，大批量生产每份成本在0.1-0.2元，成本很低，可以接受;但生石灰会有约130克，在总质量不过三四百克的食品中，所占比例过大，便携性较差。

如果利用铁粉与氧气反应加热，同理，需100-125千焦的热量，不考虑生石灰与水反应生成的热量，每摩尔铁可与氧气反应生成412.2千焦热量，仅需不到20克的铁粉。在重量上比起全部使用生石灰来说轻了很多，还原铁粉市场价约为4000-6000元，每份价格则需要0.1元左右，还需要加入氯化钠与碳酸钠以活性炭为载体催化，并在设计上增加更多通风口来获取氧气。成本会比利用生石灰略高，约有0.2-0.3元/份[4]。使用铁粉作加热剂，最大的优点是可以大大减轻本身反应物的重量，提高产品的便携性;其次，由于反应物和生成物都是固体，即使操作不当也可以极大地避免加热剂与产品之间的接触，提高了产品的安全性。

4 结语

综上所述，加热剂主要有两种选择，生石灰与水成本低但重量大;还原铁粉与氧气反应成本相对较高、方便程度相对较低，但较为轻巧。并且都有较高的安全性，不易在如太阳曝晒，较高温度等条件下自动发生反应，在适量抑制剂的抑制作用下，加热时只要注意不去触摸加热部位，就没有烫伤的危险。通过包装的设计，利用按压使盒内的尖端扎破水袋，使水与无纺布带中装有的加热剂反应，从而发生化学反应放热，需要亲自动手的部分只有按压扎破水袋一个步骤，在现在快节奏的生活中，加热剂的方便性为速热食品提供了很强的市场竞争力。

参考文献

[1] 张文华.自热食品传热过程及热吸收率影响因素研究[R].（Doctoral dissertation，北京工商大学，2015.

[2] 杨洁.自热米饭中的化学奥秘[J].中学生数理化（八年级物理）（配合人教社教材），2011（9）：46-46.

[3] 张轶儒.“新煮艺”特殊渠道里卖自热米饭[J].糖烟酒周刊，2005（13）：28-29.

[4] 田智超.自热米饭——发热原理的探讨及成分探究[J].中学化学教学参考，2010（12）：46-46.