3　包裝內(nèi)外氣體交換模型

3. 1　密封容器包裝內(nèi)外氣體交換模型

    包裝內(nèi)氣體成分的調(diào)節(jié)是一個動態(tài)過程, 它包括果蔬的呼吸和氣體對薄膜的滲透兩個環(huán)節(jié)。在氣調(diào)包裝過程中, 產(chǎn)品一直在消耗O 2 和產(chǎn)生CO 2, 在不穩(wěn)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(nèi)部的O 2和CO 2 達到一個穩(wěn)定的水平。為了預(yù)測包裝內(nèi)氣體壓力(濃度) 的變化以及狀態(tài)穩(wěn)定后氣體局部壓力, 需要建立包裝內(nèi)外氣體交換模型。

    由于氣調(diào)包裝內(nèi)部氣體濃度變化是一個動態(tài)的過程, 根據(jù)包裝內(nèi)各組分氣體物質(zhì)量的變化關(guān)系:

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

    包裝內(nèi)氣體的濃度根據(jù)O 2 和CO 2 向包裝內(nèi)的透過率與包裝內(nèi)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(nèi)O 2 的濃度下降,CO 2 的濃度上升。在經(jīng)過初期的誘導(dǎo)期后, 包裝內(nèi)部達到穩(wěn)定狀態(tài),O 2 和CO 2 濃度處于相對平衡。當包裝內(nèi)氣體達到動態(tài)平衡時有

    同時應(yīng)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(shè):

1) 產(chǎn)品包裝的頂部空間和周圍環(huán)境初始狀態(tài)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(shè)產(chǎn)品和頂部空間之間在很短的時間內(nèi)就達到熱平衡;
3) 呼吸的熱能僅僅是內(nèi)部的熱源, 且僅考慮葡萄糖的氧化而不考慮其它物質(zhì)氧化產(chǎn)生的熱量。由產(chǎn)品釋放的呼吸能量大部分作為熱量散發(fā)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(shù)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(nèi)外氣體交換模型

    氣調(diào)包裝過程中保持一最優(yōu)的氣體成分組成和相對濕度是保證保鮮質(zhì)量的關(guān)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(dǎo)致包裝內(nèi)氣體濃度達不到最優(yōu)的氣體成分組成與濕度要求。包裝膜打微孔或針孔氣調(diào)包裝作為一種調(diào)節(jié)控制包裝內(nèi)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(nèi)外氣體與水蒸氣的交換。

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

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

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

4　包裝內(nèi)溫度、濕度變化數(shù)學模型

     濕度控制也是氣調(diào)包裝的一個重要環(huán)節(jié), 由于果蔬產(chǎn)品具有蒸發(fā)性, 同時大多數(shù)包裝材料的濕氣透過率較低, 故包裝容器內(nèi)會形成較高的相對濕度, 從而引起水蒸氣的凝聚, 繼而會導(dǎo)致微生物的增長和果蔬產(chǎn)品的腐敗[ 12 ]。同時包裝容器內(nèi)相對濕度的變化與產(chǎn)品的呼吸熱密切相關(guān)。故探討產(chǎn)品呼吸蒸發(fā)和材料濕氣滲透對包裝容器內(nèi)相對濕度的影響不容忽視。但由于呼吸蒸發(fā)機理復(fù)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(yīng)用熱量和質(zhì)量傳輸原理建立了一個呼吸—蒸發(fā)模型用于預(yù)測氣體成分、RH 和溫度變化。模型以熱量和質(zhì)量平衡為基礎(chǔ)同時考慮到新鮮產(chǎn)品的呼吸和蒸發(fā)以及通過包裝的氣體交換現(xiàn)象, 用A dam s2Mou lton 模型同時解熱量和質(zhì)量傳遞方程。氣調(diào)包裝系統(tǒng)中蒸發(fā)速率數(shù)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(chǎn)品表面由于呼吸發(fā)熱而引起的蒸發(fā)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(huán)境中產(chǎn)品的蒸發(fā)現(xiàn)象還未很好地認識, 在氣調(diào)包裝預(yù)測RH 和溫度的研究工作做的很少。另一方面, 已有的預(yù)測水蒸氣和溫度變化的模型局限于分析產(chǎn)品冷卻過程和大量儲存的工況。

    研究發(fā)現(xiàn)目前大量單獨使用的塑料薄膜包裝, 其包裝內(nèi)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(nèi)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(zhì)量平衡提出了一模型用于計算包含水分吸附劑的包裝內(nèi)的濕度, 但模型中沒有考慮熱量平衡的影響。在此基礎(chǔ)上, Song 等[ 36 ]提出了一可調(diào)節(jié)的呼吸—蒸發(fā)模型, 預(yù)測含有新鮮農(nóng)產(chǎn)品和水分吸收劑的氣調(diào)包裝系統(tǒng)的相對濕度。這種模型是建立在產(chǎn)品熱度和質(zhì)量數(shù)據(jù)呼吸對照及蒸發(fā)現(xiàn)象、包裝的運輸系統(tǒng)、吸收劑的水分吸附的基礎(chǔ)上的。同時進行了包括不同質(zhì)量的藍莓、多種類型吸收劑的一系列實驗。發(fā)現(xiàn)除了起初的短時間外, 模型預(yù)測與實驗數(shù)據(jù)非常吻合。

5　結(jié)　語

    由于果蔬氣調(diào)包裝過程極其復(fù)雜, 同時欲準確測量相關(guān)工藝參數(shù)比較困難。目前的研究雖然取得了一定成果, 但其理論基礎(chǔ)尚不充分, 特別是果蔬呼吸、表面蒸發(fā)機理尚不清楚。主要表現(xiàn)為:

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

2) 氣調(diào)包裝容器內(nèi)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(nèi)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(nèi)外氣體交換過程是動態(tài)變化的, 受眾多工況條件的影響。現(xiàn)已建立的模型忽略了多種因素的影響, 例如包裝內(nèi)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(jié)果。

4) 由于對產(chǎn)品表面由呼吸發(fā)熱而引起的蒸發(fā)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(diào)包裝系統(tǒng)中蒸發(fā)速率數(shù)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(diào)包裝工藝性能的理論預(yù)測與實驗驗證方面, 而氣調(diào)包裝的設(shè)計方法只是剛剛開始。

    而中國此前的研究及應(yīng)用主要集中在果品的氣調(diào)貯藏, 果蔬氣調(diào)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(diào)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(diào)包裝基礎(chǔ)理論的研究較缺乏。

    對氣調(diào)包裝的機理與設(shè)計理論的研究、認識是實現(xiàn)果蔬高質(zhì)量氣調(diào)保鮮的前提和關(guān)鍵。這一領(lǐng)域還有大量的問題有待今后進一步的研究探討。