果蔬气调包装理论研究进展.pdf

第21卷 第7期 2005年7月 农 业 工 程 学 报 T ransactions of the CSA E Vol . 21 No. 7 July 2005 果蔬气调包装理论研究进展 卢立新 (江南大学包装工程系,江苏无锡214122) 摘 要:气调包装是一种可延长新鲜水果货架寿命的重要技术。气调包装的质量主要取决于包装内气体成分、 温湿度的调 节。 建立气调包装的理论模型是保证气调包装质量、 进行气调包装系统设计的关键。 该文综述了国内外这方面的研究成果, 着重论述了果蔬呼吸模型、 呼吸速率的测定方法、 包装内外气体交换模型、 包装内温度与湿度变化数学模型,并分析了目前 研究存在的不足,为果蔬气调包装的深入研究提供参考。 关键词:气调包装;果蔬;模型;呼吸速率;气体交换;温湿度 中图分类号: S609. 3; S379 文献标识码: A 文章编号: 100226819(2005)0720175206 卢立新.果蔬气调包装理论研究进展J .农业工程学报, 2005, 21(7): 175- 180. L u L ixin. Research advances in theories for modified atmosphere packaging of fruits and vegetablesJ .T ransactions of the CSA E, 2005, 21(7): 175- 180. (in Chinese w ith English abstract) 收稿日期: 2004203225 修订日期: 2004211204 作者简介:卢立新(1966- ),男,副教授,博士研究生,主要研究保鲜 与贮运包装、 包装工艺与设备等。无锡市蠡湖大道1800号 江南大 学包装工程系, 214122。Email:LuLxsytu. edu. cn 0 引 言 自1917年英国科学与工业研究所食品调查委员会 首先观察到更换气体组成可使苹果延长货架寿命这一 结果以来,已促使许多研究者去认识改善气体成分对储 存新鲜果蔬产品的机理研究。 目前气调包装已成为新鲜 果蔬产品或半成品保鲜包装的有效技术手段而得到国 内外学者的高度重视。 气调包装根据不同果蔬产品的生理特性,用二种或 多种气体组成的混合气体取代包装体内的气体,借助果 蔬产品的呼吸作用与包装材料的选择性渗透,构成一更 适合产品保藏的环境气氛,以有效地降低果蔬的生理消 耗,防止无氧呼吸所引起的发酵、 腐烂,延长果蔬产品的 保鲜贮运周期。 气调包装的效果和质量取决于包装容器内气体成 分、 温湿度的调节。 它受多种因素的影响,主要包括果蔬 产品的呼吸速率、 产品质量和尺寸、 原始气体组成、 包装 薄膜的特性、 包装容量大小以及贮藏温度、 湿度等。 同时 气体成分的调节是一个动态过程,它包括果蔬的呼吸和 气体对薄膜的渗透两个环节,气调包装的机理、 果蔬包 装理论模型的建立和表征是气调包装的关键。 本文主要对现已研究建立的果蔬呼吸模型、 呼吸速 率的测定方法、 包装内外气体交换模型、 包装内温度与 湿度变化数学模型等进行评述。 1 产品呼吸理论模型 在气调包装模型中,呼吸速率的表征与测定至关重 要。它是气调包装技术机理的基础。自从20世纪60年 代起,国外开始建立模型来分析气调包装中的微气氛动 力过程。但由于果蔬产品整个呼吸过程的复杂性、 潜在 的实验误差以及实验所需的时间等因素,都限制了理论 模型的建立。 因此有时人们认为产品的呼吸速率是一个 常数,然而这只能作为一种简化模型被接受。但是实际 气调包装建模中要把呼吸过程中所有的因素都考虑进 去是很困难的,甚至是不可能的。因此通常采用的办法 是对每一种产品建立经验模型。 一些学者针对具体的果 蔬产品进行了研究,并提出了表征这些产品呼吸过程的 具体方程。但都只限制在解释产品的呼吸过程,而缺乏 理论基础。 直到20世纪80年代后期人们应用酶动力理 论与L angmuir吸收理论来建立果蔬产品的呼吸模型。 1. 1 以酶动力理论为基础建立的模型 1988年Yang和Chinnan 1首先提出动力酶原理 可适用于模拟产品呼吸的推想。但未作进一步的研究。 1991年L ee等2认为新鲜果蔬可能受到酶反应、 allosteric酶的催化作用及反馈抑制的限制,植物组织中 的O2和CO2的可溶性和扩散性可能限制了呼吸速率。 因此推断果蔬呼吸与微生物呼吸具有相似性,继而提出 M ichaelis2M enten式方程可用于模拟果蔬的呼吸。 在不 考虑CO2抑制情况下,依赖O2的呼吸速率可表示为: R= VmO2 Km+O2 式中 R 果蔬的呼吸速率; O2 包装内部的 氧气浓度;Vm 果蔬的最大呼吸速率;Km 米氏 常数。 大量的研究表明降低氧气浓度或者升高CO2浓度 可抑制果蔬的呼吸作用,因此果蔬的呼吸速率应受O2 和CO2浓度的影响。为此一些学者开始关注CO2对呼 吸速率的影响。 L ee等 2首先提出把 CO2作为O2的非竞争抑制建 立了如下果蔬呼吸速率方程(假定在有氧呼吸的条件 下 ): R= VmO2 Km+ (1 + CO2?Ku ) O 2 式中 CO2 包装内部的CO2浓度;KuCO2 571 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 非竞争抑制系数。 同时L ee利用此前一些试验研究结果3, 4,对上述 模型进行验证,结果表明实验结果与模型有很好的一致 性。 此后一些学者应用上述模型进行了果蔬呼吸速率的 描述和验证5- 9。 Peppelenbos等 10对绿豆芽、 菊苣、 苹果、 西红柿、 芦笋等果实的呼吸测试研究中发现,对于芦笋,存在 CO2对O2的竞争性抑制作用;而对于绿豆芽、 菊苣、 苹 果、 西红柿,存在CO2对O2的反竞争性抑制作用。为此 得到CO2作为O2的竞争抑制的呼吸速率方程 R= VmO2 O2 +Km+ (1 + CO2?Kc) 以及CO2作为O2的反竞争抑制的呼吸速率方程 R= VmO2 (Km+O2 (1 + CO2?Kn) 式中 KcCO2竞争抑制系数;KnCO2反竞争 抑制系数。 同时Peppelenbos在对芦笋、 花椰菜等呼吸研究 后,进一步提出CO2作为O2的竞争与反竞争性抑制的 联合方式影响果蔬呼吸速率的模型: R= VmO2 Km (1 + CO2?Kc ) + O2 (1 + CO2?Kn) 1. 2 以L angmuir吸收理论为基础建立的模型 M akino等认为果蔬产品实际的呼吸过程包含了多 步新陈代谢反映,继而认为酶动力模型可能不适合描述 果蔬呼吸。为此他们基于L angmuir吸收理论提出了一 数学模型用于描述O2的消耗速率11: R= abp0 1 +ap0 式中 p0 包装内O2的分压;b 最大O2消耗速 率;a 方程系数,a=S KaK - 1 d,S,ka,kd 比例常 数。 同时M akino等将此模型应用于切制莴苣、 花椰 菜、 香蕉等的气调包装,理论计算与实验结果符合的较 好。但这一模型未得到其他学者的研究证实。 1. 3 温度对呼吸速率的影响 一般地,温度在025范围内,较低的温度将降 低果蔬生理反应速度,继而降低果蔬的呼吸速率。目前 温度对呼吸率的影响主要通过以下两种方法表征: 1) 采用温度每增加10时呼吸速率所增加的值 Q10来表示,即 Q10= R2 R1 10?(T2-T1) 式中 R2 温度T2时果蔬的呼吸速率;R1 温 度T1时果蔬的呼吸速率。 对于不同的果蔬,一些学者测 定了Q10的变化范围12, 13。 2) 应用A rrhenius方程式分析温度对呼吸速率的 影响。 其表达形式为 RO2,CO2=R 3 O2,CO2exp -Ea3O2,CO2 R T 式中 R 3 O2,CO2O2或CO2的呼吸指数;Ea3O2,CO2 以O2或CO2表示的呼吸速率的活化能;R 气体常 数;T 绝对温度。 Chen 14分析了不同温度对辣椒呼吸强度的影响。 结果表明呼吸强度随着温度的上升而上升。当温度从 0上升到30时,辣椒的呼吸强度增加3倍。 2 呼吸速率的测定方法 呼吸速率的精确测定是保证呼吸速率模型精度的 基础。 国外从20世纪60年代开始采用红外技术测定果 蔬呼吸速率,中国于20世纪80年代中期开始采用这一 技术,在此之前主要采用碱吸收法。 但总体上看,这两种 方法通常只能测定单一气体的变化规律。为便于分析, 通常在研究过程中假设呼吸商RQ为某一常数(例如 RQ= 1),而推断另一种气体的消耗率或生成率。而实 际果蔬呼吸过程中O2和CO2浓度都发生变化,且两种 气体浓度的变化都将影响果蔬的呼吸速率。 为此,研究同时测定估算两种气体呼吸或生成速率 的方法十分必要。 多年来一些学者在研究过程中提出了 一些新的实验测量方法,总体上分成3种工况即静态封 闭系统、 流动系统、 渗透性系统进行测定。 在静态封闭系统测定过程中,把产品装在一个已知 体积的密封容器中,容器中原始气体和周围环境一致。 每隔一定的时间测量容器中O2和CO2浓度的变化,继 而通过以下方程估计呼吸速度4, 15, 16: RO2= (C ti O2-C tf O2)V M(tf-ti) RCO2= (C tf CO2-C ti CO2)V M(tf-ti) 式中 ti,tf 分别为测量起始、终止时间;C ti O2, C tf O2 分别为测量起始、终止时O2浓度;C ti CO2, C tf CO2 分别为测量起始、 终止时CO2浓度;V 密 封容器的自由体积;M 产品质量。 在流动系统测定过程中,同样把产品装在密封容器 中,气体混合物以恒定的速度流动注入容器中。 当系统 达到稳定状态时由内部和外部气体浓度的绝对差值计 算呼吸速度17, 18。 即 RO2= (C in O2-C out O2)F M RCO2= (C out CO2-C in CO2)F M 式中 C in O2,C out O2 分别为稳定状态时注入、 流出O2浓 度;C in CO2,C out CO2 分别为稳定状态时注入、 流出CO2浓 度;F 气体流速。 在渗透性系统测定过程中,产品装在一已知容积大 小和渗透膜组成的包装中。 测定稳定状态下的O2和 CO2的浓度。 通过质量平衡方程估计呼吸速度19- 21,即 RO2= PO2A LM (C e O2-CO2) RCO2= PCO2A LM (CCO2-C e CO2) 式中 PO2,PCO2 分别包装膜O2、CO2的透过系数; CO2,C e O2 分别为包装内、 外O2浓度;CCO2,C e CO2 671农业工程学报2005年 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 分别为包装内、外CO2浓度;A 包装膜面积; L 包装膜厚度。 所有这些方法都存在局限性。 在静态密封系统的测 量过程中,时发生的O2的损耗和CO2的产生会影响呼 吸速度。 为了确定采样周期,要考虑到两个方面:一方面 浓度的差值必须很充分以保证有显著的调节;另一方面 浓度的调节必须最小化以免影响到呼吸速度。 在流动系统中要预测气体流动的速度通常比较困 难。 同时要准确地测量包装内部和外部的气体浓度的差 值,必须谨慎选择气体的流速。因此在实验之前需要预 测可能的呼吸速度。 对流动系统来说存在的最大缺陷是 对比较低的呼吸速度的预测不够精确。 通常低呼吸速度 的产品,在低温和低O2水平条件下,不能用这种方法 测量呼吸速度。 在渗透性系统中呼吸强度的测算是基于包装内外 气体交换模型来实现的。可比较全面地反映MA P相关 参数之间的关联,使得测算值更能客观地反映MA P条 件下产品呼吸强度的真实值。但需测量的参量很多,包 括包装的自由体积、 表面积、 渗透膜厚度以及渗透性等。 要保证测量精度需要谨慎进行。 同时对柔性包装的自由 体积等参量的测量将更加困难。 为了克服静态封闭系统和渗透性系统中方法的局 限性,一些学者提出了相应的调整方法。对于封闭系统 的调整, Jacxsens等22提出了充入一种已知的混合气 体并立即关紧容器的方法;而Peppelenbos等23尝试在 特定的一段时间里充入一种已知混合气体以使气体平 衡的方法加以解决。 对于渗透性系统,L ee等24提出使用不同于环境浓 度的气体以及使用试验过程中的非稳定部分参数加以 调整。 3 包装内外气体交换模型 3. 1 密封容器包装内外气体交换模型 包装内气体成分的调节是一个动态过程,它包括果 蔬的呼吸和气体对薄膜的渗透两个环节。 在气调包装过 程中,产品一直在消耗O2和产生CO2,在不稳定时期, 当CO2同时在相反的方向流动时 ,O 2开始渗透入包装 中。最后当呼吸率和渗透率达到平衡时,包装内部的O2 和CO2达到一个稳定的水平。为了预测包装内气体压 力(浓度)的变化以及状态稳定后气体局部压力,需要建 立包装内外气体交换模型。 由于气调包装内部气体浓度变化是一个动态的过 程,根据包装内各组分气体物质量的变化关系: 包装内 i组分 气体增量 = 产品吸收 ? 放出i组分 气体的增量 + 通过包装材料 进入 ? 透出i组 分气体量 可建立包装内外气体交换模型5, 7, 25- 28: dnO2 dt = PO2A(p out O2-p in O2) z -RO2W ?V dnCO2 dt = PCO2A(p out CO2-p in CO2) z +RCO2W ?V 式中 nO2,nCO2 包装内O2,CO2的物质量;PO2, PCO2O2,CO2透过包装材料的渗透系数;A 包 装材料的表面积;z 包装材料的厚度;W 果蔬 产品的质量;p out O2,p in O2 分别表示外界环境中与包装 容器内的O2分压;p out CO2,p in CO2 分别表示外界环境中 与包装容器内的CO2分压;RO2,RCO2表示果蔬产品O2、 CO2呼吸速率;V 包装容器内的自由体积。 包装内气体的浓度根据O2和CO2向包装内的透 过率与包装内气体向外部扩散的速度、 包装材料、 温度 以及O2和CO2的分压差等的不同而不同。由于果蔬吸 收氧气排出CO2,在包装初期,包装内O2的浓度下降, CO2的浓度上升。在经过初期的诱导期后,包装内部达 到稳定状态 ,O 2和CO2浓度处于相对平衡。 当包装内气 体达到动态平衡时有 dnO2 dt = dnCO2 dt = 0 同时应当看到,目前这些模型的建立是有条件的, 都是基于以下一些假设: 1) 产品包装的顶部空间和周围环境初始状态在相 同的温度下; 2) 由于一般包装容器顶部空间很小,故假设产品 和顶部空间之间在很短的时间内就达到热平衡; 3) 呼吸的热能仅仅是内部的热源,且仅考虑葡萄 糖的氧化而不考虑其它物质氧化产生的热量。 由产品释 放的呼吸能量大部分作为热量散发出去。 4) 顶部空间里的温度变化很小,因此,它对呼吸模 型的参数和包装薄膜的渗透性的影响可以忽略。 3. 2 带微孔材料包装的内外气体交换模型 气调包装过程中保持一最优的气体成分组成和相 对湿度是保证保鲜质量的关键因素29。由于常用的包 装膜在气体和水蒸气透过率的限制,常导致包装内气体 浓度达不到最优的气体成分组成与湿度要求。 包装膜打 微孔或针孔气调包装作为一种调节控制包装内气体成 分组成和相对湿度的有效方法被提出和采用,以提高包 装内外气体与水蒸气的交换。 M annapperuma等 30提出了一质量平衡模型预测 微孔包装内最优气体成分组成; Fishman等15提出了 微孔包装内氧气和水蒸气变化的数学模型; Renanlt和 L ee 31, 32应用 Stephan2M axw ell定律分析气体通过微 孔的流动,提出了一预测包装内O2和CO2浓度的模 型,同时分析了微孔数量、 微孔尺寸等参数变化对包装 内气体浓度的影响。 H irata 33基于分子动力学理论, 结合Graham扩散 定律,提出了一表征微孔材料包装的内外气体交换模 型: dnO2 dt =(p out O2-p in O2) S 2MO2R T + PO2A z -RO2W dnCO2 dt = ( p out CO2-p in CO2) S 2MCO2R T + PCO2A z +RCO2W 式中 S 微孔的总面积;MO2,MCO2 为O2,CO2 771 第7期卢立新等:果蔬气调包装理论研究进展 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 的摩尔质量;R 气体常数;T 绝对温度。 此后Dong等34进一步研究了微孔包装内气体和 湿度变化的动力过程,建立了数学模型。模型基于包装 内气体和水蒸气的质量平衡,包括包装膜内外的传输、 呼吸以及水蒸发。以揭皮蒜牙为对象,在5和20下 比较气体和湿度的理论预测和实验测试结果而证明了 提出的模型。 4 包装内温度、 湿度变化数学模型 湿度控制也是气调包装的一个重要环节,由于果蔬 产品具有蒸发性,同时大多数包装材料的湿气透过率较 低,故包装容器内会形成较高的相对湿度,从而引起水 蒸气的凝聚,继而会导致微生物的增长和果蔬产品的腐 败12。同时包装容器内相对湿度的变化与产品的呼吸 热密切相关。 故探讨产品呼吸蒸发和材料湿气渗透对包 装容器内相对湿度的影响不容忽视。 但由于呼吸蒸发机 理复杂,同时测试过程较困难,故目前这一方面的研究 成果还只是刚刚起步。 Song等 35应用热量和质量传输原理建立了一个 呼吸蒸发模型用于预测气体成分、RH和温度变化。 模型以热量和质量平衡为基础同时考虑到新鲜产品的 呼吸和蒸发以及通过包装的气体交换现象,用A dam s2 M oulton模型同时解热量和质量传递方程。 气调包装系统中蒸发速率数学模型目前还未很好 地建立。主要原因有两个:一是需要对产品表面由于呼 吸发热而引起的蒸发和通过包装膜渗透的动力相互作 用原理有一充分的认识,遗憾的是在变化的O2和CO2 的环境中产品的蒸发现象还未很好地认识,在气调包装 预测RH和温度的研究工作做的很少。另一方面,已有 的预测水蒸气和温度变化的模型局限于分析产品冷却 过程和大量储存的工况。 研究发现目前大量单独使用的塑料薄膜包装,其包 装内相对湿度不能低于100%。因此,推荐使用水分吸 收剂来控制相对湿度是一种简单有效的方法。 此前一些 研究人员使用吸收剂降低包装内部的相对湿度,但都基 于实验研究,未涉及理论分析。直到1996年, Evelo fruits and vegetables; model;respiration rate;gas exchange; temperature and hum idity 农业工程学报 被中国科学引文数据库CSCD收录及检索指标 中国科学引文数据库(Chinese Science Citation Database)简称CSCD,是国家自然科学基金委员会 和中国科学院共同资助,由中国科学院文献情报中心 研建的一个多功能的大型数据库。 中国科学引文数据 库收入中国数学、 物理、 化学、 天文学、 地学、 生物学、 农林科学、 医药