3　包裝內外氣體交換模型

3. 1　密封容器包裝內外氣體交換模型

    包裝內氣體成分的調節是一個動態過程, 它包括果蔬的呼吸和氣體對薄膜的滲透兩個環節。在氣調包裝過程中, 產品一直在消耗O 2 和產生CO 2, 在不穩定時期,當CO 2 同時在相反的方向流動時,O 2 開始滲透入包裝中。最后當呼吸率和滲透率達到平衡時, 包裝內部的O 2和CO 2 達到一個穩定的水平。為了預測包裝內氣體壓力(濃度) 的變化以及狀態穩定后氣體局部壓力, 需要建立包裝內外氣體交換模型。

    由于氣調包裝內部氣體濃度變化是一個動態的過程, 根據包裝內各組分氣體物質量的變化關系:

式中　nO2 , nCO 2—— 包裝內O 2, CO 2 的物質量; PO 2 ,P CO 2——O 2, CO 2 透過包裝材料的滲透系數; A —— 包裝材料的表面積; z —— 包裝材料的厚度; W —— 果蔬產品的質量; p ou tO2 , p inO2—— 分別表示外界環境中與包裝容器內的O 2 分壓; p ou tCO2 , p inCO2—— 分別表示外界環境中與包裝容器內的CO 2 分壓; R O 2 , R CO 2 表示果蔬產品O 2、CO 2 呼吸速率; V —— 包裝容器內的自由體積。

    包裝內氣體的濃度根據O 2 和CO 2 向包裝內的透過率與包裝內氣體向外部擴散的速度、包裝材料、溫度以及O 2 和CO 2 的分壓差等的不同而不同。由于果蔬吸收氧氣排出CO 2, 在包裝初期, 包裝內O 2 的濃度下降,CO 2 的濃度上升。在經過初期的誘導期后, 包裝內部達到穩定狀態,O 2 和CO 2 濃度處于相對平衡。當包裝內氣體達到動態平衡時有

    同時應當看到, 目前這些模型的建立是有條件的,都是基于以下一些假設:

1) 產品包裝的頂部空間和周圍環境初始狀態在相同的溫度下;
2) 由于一般包裝容器頂部空間很小, 故假設產品和頂部空間之間在很短的時間內就達到熱平衡;
3) 呼吸的熱能僅僅是內部的熱源, 且僅考慮葡萄糖的氧化而不考慮其它物質氧化產生的熱量。由產品釋放的呼吸能量大部分作為熱量散發出去。
4) 頂部空間里的溫度變化很小, 因此, 它對呼吸模型的參數和包裝薄膜的滲透性的影響可以忽略。

3. 2　帶微孔材料包裝的內外氣體交換模型

    氣調包裝過程中保持一最優的氣體成分組成和相對濕度是保證保鮮質量的關鍵因素[ 29 ]。由于常用的包裝膜在氣體和水蒸氣透過率的限制, 常導致包裝內氣體濃度達不到最優的氣體成分組成與濕度要求。包裝膜打微孔或針孔氣調包裝作為一種調節控制包裝內氣體成分組成和相對濕度的有效方法被提出和采用, 以提高包裝內外氣體與水蒸氣的交換。

    M annapperum a 等[ 30 ]提出了一質量平衡模型預測微孔包裝內最優氣體成分組成; F ishm an 等[ 15 ] 提出了微孔包裝內氧氣和水蒸氣變化的數學模型; Renan lt 和L ee[ 31, 32 ] 應用Stephan2M axw ell 定律分析氣體通過微孔的流動, 提出了一預測包裝內O 2 和CO 2 濃度的模型, 同時分析了微孔數量、微孔尺寸等參數變化對包裝內氣體濃度的影響。

    H irata[ 33 ]基于分子動力學理論, 結合Graham 擴散定律, 提出了一表征微孔材料包裝的內外氣體交換模型:

的摩爾質量; R —— 氣體常數; T —— 絕對溫度。此后Dong 等[ 34 ]進一步研究了微孔包裝內氣體和濕度變化的動力過程, 建立了數學模型。模型基于包裝內氣體和水蒸氣的質量平衡, 包括包裝膜內外的傳輸、呼吸以及水蒸發。以揭皮蒜牙為對象, 在5℃和20℃下比較氣體和濕度的理論預測和實驗測試結果而證明了提出的模型。

4　包裝內溫度、濕度變化數學模型

     濕度控制也是氣調包裝的一個重要環節, 由于果蔬產品具有蒸發性, 同時大多數包裝材料的濕氣透過率較低, 故包裝容器內會形成較高的相對濕度, 從而引起水蒸氣的凝聚, 繼而會導致微生物的增長和果蔬產品的腐敗[ 12 ]。同時包裝容器內相對濕度的變化與產品的呼吸熱密切相關。故探討產品呼吸蒸發和材料濕氣滲透對包裝容器內相對濕度的影響不容忽視。但由于呼吸蒸發機理復雜, 同時測試過程較困難, 故目前這一方面的研究成果還只是剛剛起步。

     Song 等[ 35 ] 應用熱量和質量傳輸原理建立了一個呼吸—蒸發模型用于預測氣體成分、RH 和溫度變化。模型以熱量和質量平衡為基礎同時考慮到新鮮產品的呼吸和蒸發以及通過包裝的氣體交換現象, 用A dam s2Mou lton 模型同時解熱量和質量傳遞方程。氣調包裝系統中蒸發速率數學模型目前還未很好地建立。主要原因有兩個: 一是需要對產品表面由于呼吸發熱而引起的蒸發和通過包裝膜滲透的動力相互作用原理有一充分的認識, 遺憾的是在變化的O 2 和CO 2的環境中產品的蒸發現象還未很好地認識, 在氣調包裝預測RH 和溫度的研究工作做的很少。另一方面, 已有的預測水蒸氣和溫度變化的模型局限于分析產品冷卻過程和大量儲存的工況。

    研究發現目前大量單獨使用的塑料薄膜包裝, 其包裝內相對濕度不能低于100%。因此, 推薦使用水分吸收劑來控制相對濕度是一種簡單有效的方法。此前一些研究人員使用吸收劑降低包裝內部的相對濕度, 但都基于實驗研究, 未涉及理論分析。直到1996 年, Evelo &Ho rst[ 29 ]基于質量平衡提出了一模型用于計算包含水分吸附劑的包裝內的濕度, 但模型中沒有考慮熱量平衡的影響。在此基礎上, Song 等[ 36 ]提出了一可調節的呼吸—蒸發模型, 預測含有新鮮農產品和水分吸收劑的氣調包裝系統的相對濕度。這種模型是建立在產品熱度和質量數據呼吸對照及蒸發現象、包裝的運輸系統、吸收劑的水分吸附的基礎上的。同時進行了包括不同質量的藍莓、多種類型吸收劑的一系列實驗。發現除了起初的短時間外, 模型預測與實驗數據非常吻合。

5　結　語

    由于果蔬氣調包裝過程極其復雜, 同時欲準確測量相關工藝參數比較困難。目前的研究雖然取得了一定成果, 但其理論基礎尚不充分, 特別是果蔬呼吸、表面蒸發機理尚不清楚。主要表現為:

1) 現已建立的呼吸模型實際是基于經驗的推測,而果蔬的呼吸過程極為復雜, 表現為多步驟的新陳代謝過程, 呼吸速率應取決于多種呼吸酶及其它作用物質的影響, 有待進一步研究與論證。

2) 氣調包裝容器內影響果蔬呼吸速率的因素較多, CO 2 作為不同形式的競爭性氣體、溫濕度變化以及包裝內容積的變化等對果蔬呼吸速率變化的作用機理尚不清楚。

3) 包裝內外氣體交換過程是動態變化的, 受眾多工況條件的影響。現已建立的模型忽略了多種因素的影響, 例如包裝內溫度的變化、溫度的不均勻分布以及對果蔬呼吸、包裝材料滲透性能的影響等, 是一種理想工況下的結果。

4) 由于對產品表面由呼吸發熱而引起的蒸發和通過包裝膜滲透的動力作用原理還遠沒有充分地認識, 故氣調包裝系統中蒸發速率數學模型建立極為困難。

5) 目前大量的研究工作集中在果蔬氣調包裝工藝性能的理論預測與實驗驗證方面, 而氣調包裝的設計方法只是剛剛開始。

    而中國此前的研究及應用主要集中在果品的氣調貯藏, 果蔬氣調包裝的研究只是最近幾年才開始。一些學者對荔枝、草莓、生菜、蘆筍、蘑菇等果蔬的氣調包裝進行研究[ 9, 37- 40 ] , 但這些研究大都局限于從幾種氣體組分、薄膜材料、貯藏條件的組合中篩選對某種果蔬的貯藏效果試驗。果蔬氣調包裝基礎理論的研究較缺乏。

    對氣調包裝的機理與設計理論的研究、認識是實現果蔬高質量氣調保鮮的前提和關鍵。這一領域還有大量的問題有待今后進一步的研究探討。