0 引言
气调保鲜包装称为MAP(ModifiedAtmospherePackaging)或CAP(ControlledAtmospherePackaging),又称为气调包装或置换气体包装,它是根据实际需求将一定比例的O2､CO2､N2混合气体充入具有气体阻隔性能的包装材料内包装食品,抑制果蔬呼吸,防止食品在物理､化学､生物等方面发生质量下降或减缓质量下降的速度,从而延长食品货架期,提升食品价值,被世界各国公认的一种有效和先进的果蔬保鲜方法之一[1-4]｡由于我国果蔬冷链物流不健全,我国每年约有1.3亿吨的蔬菜和1200万吨的果品在运输中损失,腐烂损耗的果蔬可满足近两亿人的基本营养需求,造成的经济损失达750亿元[5-6]｡随着消费者对食品安全和食品品质要求的日益提高,特别是对易腐食品的纯正口味,长保质期和有吸引力的外观包装要求｡食品已不仅是一种基本需要,而且也是衡量生活水平的一个标准｡因此,食品工业开发新的食品包装设备技术来满足客户的需求,正演变为一种市场趋势｡本文在收集､整理和研究国内外气调保鲜技术与装备现状的基础上,指出气调保鲜技术及装备存在的问题和发展方向｡以有利于气调保鲜包装技术在我国的发展｡
1 气调保鲜技术国内外研究概况
早在12世纪初期,从新西兰用船将新鲜的牛肉运到英国时,就通过增加车厢或库房里CO2和降低O2来运输或贮藏鲜肉｡到1930年,美国研发人员发现,放在密封冷藏库里的苹果和梨的呼吸活动降低了库房内O2的含量,增加CO2含量,明显降低水果呼吸速度,使保鲜期达到6个月,冷藏保鲜期延长了1倍,1950年这种利用呼吸自身气调的贮藏方式在美国各地得到很大发展｡21世纪以来,在英国､法国､德国等发达国家,气调包装应用广泛[7]｡
而我国在20世纪90年代后期开始研究开发食品包装设备和工艺,比如上海肉类加工企业引进国外气调包装设备开发新鲜猪肉气调包装市场,为我国食品气调包装市场发展打下了基础｡21世纪以来食品气调包装的研究与市场应用进入一个发展时期,许多高等院校和研究单位和有远见的企业在气调包装工艺方面做了大量的实践和研究[8-12],如气调包装模型､保鲜膜制备研究､气体混合精度､混合气体置换率､包装系统等技术都有较大的发展｡气调包装机型也多种多样,如热成型卧式､立式､盒式､预袋式和纸塑复合盒等各类气调包装机,适用于不同的产品需求｡而硬塑盒有一定的刚性,不仅能方便实现气调,可堆叠整齐,具有保护性､工艺性和美观性,气调包装装备的研发也多针对盒式气调包装[13]｡
1.1 果蔬气调包装理论模型
盒式包装主要有保鲜膜和包装盒｡目前市场对包装盒的要求相对简单,主要要求在透湿､透氧､透光方面高效阻隔,以及承载容量等特性,其包装工艺流程是:待包装盒输送—进入工作位—覆合上膜､密封工作室—气体置换—热封､分切—工作室开启—包装成品送出[14-17]｡而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,还包括果蔬产品的呼吸速率､产品质量尺寸､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､湿度等条件｡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｡而不同果蔬呼吸速率并不相同,其研究关键在于保鲜薄膜透气性与果蔬呼吸速率间的平衡关系,因此,果蔬气调包装模型的建立和表征是气调包装的关键｡
近年来,一些关于气调包装内气体成分与果蔬呼吸速度､影响呼吸速率和塑料薄膜透气性关系的数学模型不断被提出,如刘颖等人提出[18],以黄桃为例通过冷藏和气调相结合的包装方法建立呼吸数学模型;姜齐永等通过指导贮藏量､薄膜的性质､厚度和面积等对“红灯”樱桃多方面进行综合选择试验[19],建立了数学模型进行指导保鲜用相关保鲜袋的设计,用以改变袋内混合气体呼吸平衡;李方等以香菇为研究对象,通过基于Fick扩散定理,结合果蔬呼吸速率,建立微孔膜果蔬包装理论模型,预测气调包装内外气体交换过程[20]｡通过这些研究可以进一步了解包装盒内O2和CO2含量的关系,有利于促进包装盒内混合气体､保鲜薄膜等研究｡
1.2 保鲜薄膜的理论研究
塑料保鲜薄膜是目前新鲜果蔬包装比较普遍采用的包装材料,薄膜透明可以一目了然所包装产品的状况;保湿可以减少产品的水分损失,增加新鲜度;透气可以起到自发性气调的作用,延长保鲜时间;密封性可以保护产品不受污染;低廉的价格,也使得该膜的应用前景十分广阔｡先后出现了普通保鲜膜､硅窗调气保鲜膜､微孔保鲜膜､可食性保鲜膜､防雾功能保鲜膜､抗菌保鲜膜等｡李铁华探讨了硅窗对茶树菇的呼吸特性与贮藏品质变化的影响[21]｡通过试验表明,与普通气调相比较,硅窗气调能明显改善茶树菇贮藏的气体环境｡贮藏温度为3℃,硅窗面积0.9cm2以上和贮藏温度为7℃,硅窗面积1.2cm2以上,都能避免厌氧呼吸的发生,有较好的贮藏品质;再如郭玉花等以LDPE/LLDPE为基体材料[22],添加A型纳米活性分析筛研制的保鲜薄膜,用以提高保鲜膜的透气性和透湿性;王若兰利用植物蛋白制备可食性保鲜膜[23],其性能已经达到或超过资料报道的同种食品保鲜膜的各项性能指标;陈丽等人以PVC树脂为主料[24],添加含纳米粒子的TiO2母粒和其他多种功能材料,达到对O2和CO2混合气体的不同阻隔效果,李喜宏等研制的纳米抗菌保鲜膜等｡这些保鲜膜的研究,都是改变工艺配方,实现透气和透湿等效果｡
1.3 混合气体置换率
气体置换装置是气调包装机的核心部件,气体置换方式主要有气体真空置换式和冲洗式,真空置换主要原理是将原气吸真空再充入混合气体,其性能优劣将直接影响置换精度,将间接影响产品包装质量和保质期｡为提高置换精度,卢立新､卢金言､刘琳等做了针对盒式､袋式气体置换装置的优化设计和流场模拟的相关研究[25],分析了气体流速和压强的改变以及充､排气孔结构布置方式等对气体扩散置换率和置换时间的影响;裴定宜采用交替配气进行优化实现连续供气[26],发明的“气调包装机交替配气装置”,提高了工作效率和质量,刘崇文等人设计的“置换式气调包装机”,对充抽气结构进行了改进,可设置较高的抽气压力,提高气体置换率,但操作过程较为复杂,生产效率低｡都是通过改变或优化置换结构获得较高的置换率,而且为获得较高气体置换率,置换气体的损耗也比较严重｡
1.4 气体混合精度
气体比例混合器是实现气体比例调节与控制的核心部件,也是实现气调包装的关键技术,它是通过压缩气体经减压阀减压后,进入气体混合室,然后才引入充气包装机进行充气包装,混合方法主要有等容气体比例混合法(等容法)､等压气体比例混合法(等压法)､定容定压气体比例混合法(定容定压法)､节流气体比例混合法(节流法)､时间气体比例混合法和质量流量法6种[27-31]｡国外日､美等国如陵本山武公司的CMQ型质量流量比例混合器,虽然气体混合精度较高但产品价格也很高,浙江大学的刘东红等研究开发了通过全自动质量流量气体混合系统[32],气体混合精度小于1%｡我国目前常用的定容定压法GM型气体比例混合器,其混合精度已达±1%｡
1.5 保鲜包装系统的研究
普通气调包装机主要包括机架､下底板､上架板､下模､气体置换机构､保鲜膜输送机构､焊接模､切模刀､压模､压模架等,随着现代技术的发展,已采用模块化结构设计方法,包装设备已由过去单机手动发展到半自动或全自动,可根据需求增减相关部件,产量速度也在发生深刻变化[33-38]｡如孙金伟发明的“一种真空气调两用连续包装机”[39],通过增加三角管型充气嘴,可以在真空和气体保鲜处理之间进行快速转换,可实现一机多用,提高效率和材料利用率;孙智慧等人研究的智能气调包装系统[40],将气体混合器､气体比例分析仪等检测仪器与气调包装机相结合,构建了基于气体在线检测与比例控制的智能包装系统,减少保鲜气体耗气量､提高了工作效率;以及如沈滢等发明的通过在连续盒式包装机的传动系统中设置灭菌罩和强脉冲灯管,构成灭菌系统的一种脉冲杀菌连续盒式包装机[41];卢金言在输送装置和气调包装机之间设置的全自动理盒机构成一种自动化气调包装生产线[42]｡
2 存在问题及发展趋势
(1) 果蔬气调包装过程是一个极其复杂的过程,包含果蔬的生理变化､温度､湿度､包装内部气体成分等多个动态变化过程,也与产地､质量､体积等因素有关｡从目前研究的程度来看,对呼吸模型考虑的因素还不够全面,体现在主要考虑氧气和二氧化碳对呼吸速率的影响,而忽略温度､霉､湿度等因素;研究试验也主要集中在工艺性能,针对性差｡到目前为止,还没有一种数学模型可以对多种不同果蔬气调包装提供适应性指导,而对于一些地方性的果蔬保鲜包装还缺乏系统性的研究,还需继续积累数据,这也是今后的研究方向之一｡
(2) 气体保鲜膜已经具备透湿､透气及防水功能,而且可以通过调整配方及工艺条件来调节透湿､透气等相关指标,以适应不同果蔬对CO2和O2及水分的要求｡但在某些技术领域如防霉､防虫,机械性能､环保和安全性,保持食品品质和风味上面,保鲜膜保鲜效果还不稳定｡因此,研制出多用途和更加环保的保鲜膜是今后发展的必然趋势｡
(3) 气调保鲜包装装备正向着高速､高效､高质量,低能耗､结构紧凑的方向发展,特别是与各功能模块的组合,使之更加集成化､自动化､智能化和高端化｡但对适合多品种果蔬共性技术的包装工艺及装备的研究很少,还不够深入,与我国发展高效安全生态的现代农业技术的要求还有一定距离｡因此,建立储藏保鲜､配送､保鲜包装及全程质量控制技术标准体系,以及研制共性关键技术包装装备,也是将来果蔬保鲜深加工领域的重点研究方向｡
徐鹏,吴玉月,刘勐
(合肥通用机械研究院,合肥)
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