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O 2 和产生CO 2, 在不稳定时期,当CO 2 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O 2和CO 2 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:

式中　nO2 , nCO 2—— 包装内O 2, CO 2 的物质量; PO 2 ,P CO 2——O 2, CO 2 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 ou tO2 , p inO2—— 分别表示外界环境中与包装容器内的O 2 分压; p ou tCO2 , p inCO2—— 分别表示外界环境中与包装容器内的CO 2 分压; R O 2 , R CO 2 表示果蔬产品O 2、CO 2 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O 2 和CO 2 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O 2 和CO 2 的分压差等的不同而不同。由于果蔬吸收氧气排出CO 2, 在包装初期, 包装内O 2 的浓度下降,CO 2 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CO 2 浓度处于相对平衡。当包装内气体达到动态平衡时有

    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 annapperum a 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; F ishm an 等[ 15 ] 提出了微孔包装内氧气和水蒸气变化的数学模型; Renan lt 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O 2 和CO 2 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:

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 s2Mou lton 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O 2 和CO 2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 &Ho rst[ 29 ]基于质量平衡提出了一模型用于计算包含水分吸附剂的包装内的湿度, 但模型中没有考虑热量平衡的影响。在此基础上, Song 等[ 36 ]提出了一可调节的呼吸—蒸发模型, 预测含有新鲜农产品和水分吸收剂的气调包装系统的相对湿度。这种模型是建立在产品热度和质量数据呼吸对照及蒸发现象、包装的运输系统、吸收剂的水分吸附的基础上的。同时进行了包括不同质量的蓝莓、多种类型吸收剂的一系列实验。发现除了起初的短时间外, 模型预测与实验数据非常吻合。

5　结　语

    由于果蔬气调包装过程极其复杂, 同时欲准确测量相关工艺参数比较困难。目前的研究虽然取得了一定成果, 但其理论基础尚不充分, 特别是果蔬呼吸、表面蒸发机理尚不清楚。主要表现为:

1) 现已建立的呼吸模型实际是基于经验的推测,而果蔬的呼吸过程极为复杂, 表现为多步骤的新陈代谢过程, 呼吸速率应取决于多种呼吸酶及其它作用物质的影响, 有待进一步研究与论证。

2) 气调包装容器内影响果蔬呼吸速率的因素较多, CO 2 作为不同形式的竞争性气体、温湿度变化以及包装内容积的变化等对果蔬呼吸速率变化的作用机理尚不清楚。

3) 包装内外气体交换过程是动态变化的, 受众多工况条件的影响。现已建立的模型忽略了多种因素的影响, 例如包装内温度的变化、温度的不均匀分布以及对果蔬呼吸、包装材料渗透性能的影响等, 是一种理想工况下的结果。

4) 由于对产品表面由呼吸发热而引起的蒸发和通过包装膜渗透的动力作用原理还远没有充分地认识, 故气调包装系统中蒸发速率数学模型建立极为困难。

5) 目前大量的研究工作集中在果蔬气调包装工艺性能的理论预测与实验验证方面, 而气调包装的设计方法只是刚刚开始。

    而中国此前的研究及应用主要集中在果品的气调贮藏, 果蔬气调包装的研究只是最近几年才开始。一些学者对荔枝、草莓、生菜、芦笋、蘑菇等果蔬的气调包装进行研究[ 9, 37- 40 ] , 但这些研究大都局限于从几种气体组分、薄膜材料、贮藏条件的组合中筛选对某种果蔬的贮藏效果试验。果蔬气调包装基础理论的研究较缺乏。

    对气调包装的机理与设计理论的研究、认识是实现果蔬高质量气调保鲜的前提和关键。这一领域还有大量的问题有待今后进一步的研究探讨。