不同温度下牛奶的保质时间

不同温度下牛奶的保质时间北京十一学校李逸男史舒迟指导教师：侯立伟论文提要：牛奶是我们每天都在饮用的一种饮品，，营养价值高，对人体好处很多。每人每天都应该摄入大概500毫升牛奶。但是，变质的纽乃饮用后对人体有害。副食商店里，卖牛奶的的确不少，可是你知道他们卖的牛奶是否新鲜？牛奶买回家后，应该如何保存？牛奶放在什么样的温度里能保存的时间更长一些呢？这就是我们研究的问题。我们通过查找资料、做化学实验、利用数学软件建立数学模型，并通过对函数图象的分析，来讨论在不同温度下，牛奶的保质时间。关键词：袋装巴氏消毒牛奶（牛奶处于无菌状态）、巴氏消毒（把牛奶加热到75℃左右，持续15秒钟，可杀死大部分有害细菌）、变质（当牛奶中的乳酸含量在0.12%-0.18%时，为正常，超过0.18%时，我们就可以说这袋牛奶变质了）、时间（以小时为单位，等时间段测量）、温度（我们分别测定了牛奶在5℃--三月平均室外温度，20℃--三月平均室内温度，43℃暖气上的温度；三个温度进行测定）。一、问题的提出每一种食品，在不同温度下的保质期是不同的，在不同的时期，变质的速率也各有不同。牛奶是我们每天都要饮用的一种饮品，也是比较容易变质的东西。日常生活中，难免会遇到味道不对的牛奶，是不是说变味的牛奶就叫变质呢？或者说，牛奶在还没变味的时候就已经变质了呢？一般家庭中有时会发现牛奶感觉不好，又未发现结块现象，不知道牛奶是否变质了，这时该怎么办呢？有人回认为牛奶已经变质而将其扔掉，即使牛奶还没有变质，也被白白地浪费掉了。有人会将它喝掉，结果因为喝了变质的牛奶而导致身体不适。其实，只要能了解牛奶保存的大致时间，测量一下室温，就可以粗略地知道牛奶是否变质了。为此，我们设计了如下的研究方向：1.牛奶在不同温度下变质的时间2.牛奶在这段时间内的变化趋势二、实验方案及记录（一、）实验原理：牛奶中含有的乳酸可以与氢氧化钠按物质的量比1：1反应，生成乳酸钠与水。反应方程式：计算公式：（二、）酸碱滴定原理：（三、）实验器材；仪器：酸式滴定管、碱式滴定管、滴定管夹、铁架台、锥行瓶、烧杯、量筒（100ml）、天平、胶头滴管药品：NaOH（0.1mol/L）、酚酞、经过巴氏消毒的袋装牛奶其他：恒温箱、温度计（四、）实验过程：1.将买来的同一天生产的牛奶分别放入三个调节好温度的恒温箱（温度分别为5℃、20℃、43℃）2.从滴定管夹上取下碱式滴定管，用标准的0.1mol/L氢氧化钠溶液润洗2~3次，然后把0.1mol/L氢氧化钠溶液注入碱式滴定管，使液面位于零刻度以上2~3厘米处，再把碱式滴定管固定在滴定管夹上，在滴定管下放一个烧杯，轻轻挤压玻璃球，使滴定管的尖嘴部分充满溶液。待滴定管内没有气泡，并使液面处在零刻度或以下某一刻度处，记下准确读数，并填入表一。3.取其中的两袋牛奶，倒入烧杯中。4．用待测浓度的牛奶（未经稀释）把酸式滴定管润洗2~3次，然后装满待测浓度的牛奶，将其固定在滴定管夹上。调节活塞使滴定管的尖嘴部分充满溶液且没有气泡，之后调节滴定管液面，使液面处在零刻度或以下某一刻度处。记下准确读数，并填入表一。5．用酸式滴定管向锥形瓶中注入待测浓度的牛奶25ml，再向锥形瓶中滴加2滴酚酞试液，此时无明显现象；6．把锥形瓶放在碱式滴定管的下面，瓶下垫一张白纸，滴加碱溶液，边滴边摇动锥形瓶，直到假如一滴碱溶液后，溶液突然呈现粉红色。这表示已滴到终点，记下滴定管的液面读数，并填入表一。7．倒掉锥形瓶中的溶液，用蒸馏水清洗干净，按上述操作重复两次，将所得结果分别填入表一。8．取三次数值的平均值，计算待测牛奶中乳酸的浓度。待测牛奶的体积（mL）标准碱溶液的体积（mL）滴定次数滴定前刻度滴定后刻度体积百分比滴定前刻度滴定后刻度体积第一次第二次第三次平均表一9.2小时后，从43℃的恒温箱中取出一袋牛奶，重复2—8的操作。10.按照表一所示的时间，进行2—8的操作。温度5℃（三月室外平均温度）20℃（室内）43℃（暖气上）000882161642424640408481116时间（时）24表一（五、）实验记录：氢氧化钠物质的量浓度(mol/L)0.1056牛奶的密度(g/mL)1.3牛奶的体积(mL)25牛奶的质量(g)32.5（1.）5℃，25ml牛奶，质量32.5g保存时间（h）滴定次数滴定前读数（ml）滴定后读数（ml）NaOH体积百分比105.45.40.01579125.410.75.30.015499310.715.54.80.0140370平均5.1670.01510916.511.65.10.014914211.616.650.014622317.322.55.20.0152068平均5.1000.014914114.8205.20.01520642202550.01462154305.35.30.0154988316平均5.1670.0151089210550.014621542510.45.40.0157912624310.415.450.01462154平均5.1330.01501145105.25.20.015206425.210.65.40.01579126310.6165.40.0157912640平均5.3330.01559631（2.）20℃，25ml牛奶，质量32.5g保存时间（h）滴定次数滴定前读数（ml）滴定后读数（ml）NaOH体积百分比105.45.40.01579125.410.75.30.015499310.715.54.80.0140370平均5.1670.015109116.511.65.40.0149139721.525201.65.10.0157912631.64.54.90.014329118平均5.1330.01501145105.15.10.0149139725.110.150.01462154310.114.94.80.0140366816平均4.9670.01452406115.320.55.20.015206420.525200.35.20.015206430.35.55.20.015206424平均5.20.0152064105.25.20.015206425.210.65.40.01579126310.6165.40.0157912640平均5.3330.01559631（3.）43℃，25ml牛奶，质量32.5g保存时间（h）滴定次数滴定前读数（ml）滴定后读数（ml）NaOH体积百分比105.45.40.01579125.410.75.30.015499310.715.54.80.0140370平均5.1670.0151092105.45.40.0157912625.410.55.10.01491397310.5165.50.01608369平均5.3330.0155963110550.014621542510.45.40.01579126310.415.450.014621544平均5.1330.01501145105.55.50.0160836925.511.15.60.01637612311.116.65.50.016083696平均5.5330.01618117105.65.60.0163761225.6115.40.0157912631116.15.10.014913978平均5.3670.01569378115.824.18.30.02427175207.27.20.0210550237.215.17.10.0207625811平均7.5330.0220297810770.020470152713.26.20.01813071313.220.57.30.0213474516平均6.8330.019982771010.910.90.031875210.92312.10.03538424平均11.50.03363三、实验数据分析与数学建模（一）43摄氏度时牛奶中乳酸含量随时间的变化图象1．函数解析式和图象恒温箱43摄氏度时间（小时）乳酸浓度（%）用去的氢氧化钠体积(mL)00.0151098985.16720.0160836925.540.014621538560.0162299085.5580.0149139695.1110.022028817.533180.0248566158.5240.03362953811.5我们首先建立了平面直角坐标系，以牛奶放置的时间为横坐标，以牛奶中乳酸含量（百分比）为纵坐标。将实验数据描在坐标系上，发现8小时前的数据点分布与四次函数的图形较相像。利用TI的函数拟合功能将函数拟合出来，此四次函数为：y=-2.995132E-4x4+0.004741x3-0.023107x2+0.34513x+0.151099(x≤8)8小时以后，数据点的分布与三次函数相象，拟合出来的函数为：y=1.738517E-4x3-0.0084x2+0.135858x-0.489123(x8)我们把上面的两个图组合起来，可以更直观地看出43摄氏度时牛奶中乳酸含量随时间变化的情况：2．函数分析这个函数是一个分段函数。由函数图象可以看出，8小时以前牛奶中乳酸的浓度在0.015%左右波动，变化并不大。8小时之后，乳酸浓度呈加速上升趋势。9小时左右牛奶中乳酸的浓度达到18%，并有结块现象，说明此时牛奶已经变质不能饮用。牛奶在43摄氏度下的保质时间约为9小时。（二）20摄氏度时牛奶中乳酸含量随时间的变化图象1．函数解析式和图象恒温箱20摄氏度时间（小时）乳酸浓度（%）用去氢氧化钠体积00.0151098985.16780.0150104715.133160.0145250364.967240.01520645.2400.0193969336.633对这个实验的数据（25小时前）进行描点后，发现其与三次函数的图象相象，用TI拟合出的函数如下：y=-3.015687E-5x2+1.169712E-4x+0.15109925小时后数据点的分布有所变化，这一段数据点与二次函数相象，拟合如下：y=7.364076E-5x2-0.002094x+0.159901我们把上面的两个图组合起来，可以更直观地看出25摄氏度时牛奶中乳酸含量随时间变化的情况：2．函数分析这个函数是一个分段函数。由函数图象可得知，16小时前牛奶中乳酸浓度变化不大。16小时后乳酸的增加速率明显加快。36小时后，乳酸浓度超标，牛奶变质。牛奶在25摄氏度下的保质期约为36小时。（三）5摄氏度时牛奶中乳酸含量随时间的变化图象1．函数解析式和图象恒温箱5摄氏度时间（小时）乳酸浓度（%）用去的氢氧化钠体积00.0151098985.16780.0149139695.1160.0151098985.167240.0149139695.1400.0155953335.333在平面直角坐标系中对数据进行描点，发现数据点的分布与四次函数相象，拟合后的函数如下：y=1.096139E-7x4-7.815282E-6x3+1.691162E-4x2-0.1154x+0.1510992．函数分析此函数的图线比较平稳。由函数图象可知，5摄氏度牛奶中乳酸浓度变化较小。24小时前乳酸浓度保持在0.015%左右，24小时后乳酸浓度略有上升，但没有变质。趋势预测（如下图）说明牛奶在5摄氏度下能够保持较长时间，约为58小时。这比牛奶包装袋上标明的保质期“0~4摄氏度48小时”时间略长。这说明，如果牛奶存放在0~4摄氏度的环境中，在48小时内饮用还是比较可靠的。四、综述与对生活中的建议在实际生活中，牛奶保存处的温度并不是一定的，怎么拌呢？为了解决这个问题，我们按照上述的实验方法重新做了几组实验，并对数据进行了分析。我们发现，牛奶的保质期与其存放地点的温度的关系，大致符合二次函数y=0.30511x2-3.09611x+85.717773。函数图像如下：由此，只要知道牛奶保存处的大致温度，就可以大略地推算出牛奶的保质期。通过对实验数据的分析，我们得出以下结论，供生活中参考。1.对于卖牛奶的人（室外