董志遠(yuǎn) 王克儉（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院成型制造研究中心）

一、概述

水果和蔬菜是人類飲食不可或缺的部分，其在貯存和運輸過程中的保鮮極為重要。采用氣調(diào)貯藏與氣調(diào)包裝可以顯著延長果蔬保質(zhì)期。氣調(diào)包裝是根據(jù)果蔬呼吸作用的差異與變化，僅以包裝材料滲透性能實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)包裝內(nèi)部氣體濃度，從而減緩果蔬呼吸速率，同時降低微生物的生長繁殖速度和乙烯的生成量，最終達(dá)到延長果蔬保鮮期的目的[1]。

氣調(diào)包裝的效果和質(zhì)量受多種因素的影響，主要包括果蔬產(chǎn)品的呼吸速率、氣體組成、包裝薄膜的特性、包裝容量大小以及貯藏溫度、濕度等。依據(jù)初始?xì)庹{(diào)環(huán)境建立方式的不同，氣調(diào)包裝可分為自發(fā)氣調(diào)包裝（MAP）和主動氣調(diào)包裝（CAP）兩類。自發(fā)氣調(diào)包裝是指利用果蔬的呼吸作用消耗O2產(chǎn)生CO2逐漸構(gòu)成低O2與高CO2的氣調(diào)環(huán)境，所需時間較長，但包裝成本低，常用于鮮切哈密瓜、蘋果、胡蘿卜、萵筍及西蘭花等果蔬的保鮮包裝中；而主動氣調(diào)包裝是通過對包裝袋抽真空后按一定比例充入混合氣體人為建立氣調(diào)環(huán)境[2]。

二、氣調(diào)包裝保鮮效果影響因素

2.1 包裝材料

2.1.1 傳統(tǒng)包裝材料

包裝材料是氣調(diào)包裝中最重要的一環(huán)，它必須要有較高的氣體阻隔性能，從而保證包裝內(nèi)的混合氣體不外漏。隨著高分子材料的發(fā)展，高聚物薄膜越來越多地應(yīng)用于氣調(diào)包裝材料中。目前，聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙?。≒VC）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、雙向拉伸聚苯乙烯（BOPS）、聚苯乙烯（PS）收縮膜、聚丁二烯（PB）拉伸膜、乙烯－醋酸乙烯共聚膜（EVA）等都是MAP包裝常用的聚合膜材料[3]。在生產(chǎn)薄膜的過程中，可采用不同的工藝技術(shù)和填充配料制造合適的包裝材料。表1列舉了常見的各項食品包裝材料的性能。

表1 常見食品氣調(diào)包裝材料性能[4]

關(guān)于比較各種材料的保鮮性能，許多研究者進(jìn)行了對比實驗。閻瑞香[5]等研究不同包裝對其貯藏品質(zhì)的影響，采用不同的聚乙烯保鮮膜對雙孢蘑菇進(jìn)行了包裝處理發(fā)現(xiàn)，褐變強(qiáng)度、生理相關(guān)酶活性及其衰老物質(zhì)的含量等均低于未包裝對照組，能較好地保持其原有的品質(zhì)。

江南大學(xué)食品科學(xué)與安全教育部重點實驗室的安建申等[6]研究了不同厚度薄膜氣調(diào)包裝對水蜜桃貯藏品質(zhì)的影響，測定總糖含量、失重率、可滴定酸含量以及包裝內(nèi) O2和 CO2體積分?jǐn)?shù)變化，表明氣調(diào)包裝能顯著保持水蜜桃可滴定酸含量水平并抑制其總糖含量的降低。

2.1.2 新型包裝材料

氧化反應(yīng)是食品變質(zhì)的一個主要原因，因此使用具有抗氧化活性的薄膜材料對新鮮果蔬進(jìn)行包裝逐漸成為近些年來的趨勢。

抗氧化活性膜是通過將抗氧化劑添入包裝材料或涂覆在包裝材料上，在一定時間或空間內(nèi)包裝材料內(nèi)部的活性抗氧化劑可以以較緩慢的速度釋放到包裝內(nèi)部，以此來對食品起到抗氧化作用的一種新型包裝材料。

納米技術(shù)的迅速發(fā)展為食品保鮮領(lǐng)域提供了一些新方法。在對生鮮食品包裝的研究中，納米粒子的加入會使薄膜的機(jī)械性能、生物降解性能、抗菌性能等得到提高。

傳統(tǒng)薄膜對 CO2和 O2滲透調(diào)控不足，納米保鮮膜可以解決這個問題，添加某些成分后還可以達(dá)到防霉、抑菌等特殊效果。但是納米保鮮膜的成膜基材種類較少，且造價較高。

2.2 氣體比例

對于水果蔬菜，貯藏環(huán)境中的 O2和 CO2濃度是影響呼吸速率的重要因素之一，若是單獨利用真空包裝很難起到切實有效的作用，氣調(diào)包裝技術(shù)能夠在一定程度上彌補真空包裝的不足，進(jìn)一步抑制微生物的腐敗。海南大學(xué)碩士研究生夏兵[7]研究了氣調(diào)包裝對檳榔的保鮮效果，通過對檳榔呼吸類型和速率的測定計算，試驗得出溫度為6℃，氣體成分為O2：CO2：N2=2%：5%：93%是主動氣調(diào)包裝貯藏最佳參數(shù)。Villaescusa等[8]用氣調(diào)儲藏蘑菇，儲藏溫度為 4℃，初始?xì)怏w濃度為O2：CO2=15%：5%時具有最低的呼吸強(qiáng)度和最好的貯藏效果。張璇[9]等研究發(fā)現(xiàn)高CO2濃度能更好的保持杏鮑菇細(xì)胞壁的完整，維持更高的細(xì)胞壁蛋白質(zhì)、多糖的含量。

2.3 貯藏溫度

貯藏溫度與果蔬的呼吸作用息息相關(guān)。高溫下果蔬呼吸代謝旺盛，生理變化迅速，水分易損失；溫度過低則可能形成冷害，使生理代謝失調(diào)而縮短了果蔬壽命。適度降溫使呼吸降低到不影響正常生理功能的最低值，抑制營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，保持良好營養(yǎng)和感官品質(zhì)。表2是國外幾種果蔬氣調(diào)包裝的混合氣體配比和貯藏溫度。

表2 幾種果蔬氣調(diào)包裝混合氣體和貯藏溫度[10]

除以上因素之外，果蔬氣調(diào)包裝設(shè)計還取決于果蔬呼吸速率、果蔬重量、包裝薄膜厚度、透氣率以及袋的表面積等參數(shù)，在設(shè)計時需要全面考慮。

三、氣調(diào)包裝的設(shè)計方法

果蔬氣調(diào)包裝設(shè)計是一項復(fù)雜的工程問題，其大致流程為：

（1）需要確定包裝內(nèi)能夠最大限度延長貨架期的目標(biāo)氣調(diào)環(huán)境?？梢酝ㄟ^查找文獻(xiàn)資料獲取這方面的信息，或者可以通過預(yù)備實驗確定對果蔬氣調(diào)組分和貯藏溫度[11]。

（2）目標(biāo)氣調(diào)環(huán)境被確定后，接下要確定被包裝鮮果在該目標(biāo)環(huán)境下的呼吸商和呼吸速率，可通過實驗測量或建立鮮果呼吸模型來完成[12]，還能對包裝內(nèi)氣體濃度變化趨勢進(jìn)行模擬預(yù)測。

（3）確定包裝膜的相關(guān)參數(shù)?？梢韵却_定包裝膜的厚度、規(guī)格以及果蔬裝載量，再根據(jù)目標(biāo)氣體濃度和果蔬的呼吸速率，計算所需包裝薄膜的氣體滲透率，尋找與理想值最接近的薄膜材料。

（4）需要進(jìn)行驗證試驗。驗證包括兩方面的內(nèi)容：①包裝容器內(nèi)能否按預(yù)期設(shè)計目的形成并保持目標(biāo)氣體濃度；②包裝件是否有效延長了被包裝水果的保質(zhì)期。若驗證結(jié)果符合預(yù)期目的，則說明所設(shè)計的包裝參數(shù)有效。否則，需要重新進(jìn)行參數(shù)設(shè)計和實驗驗證。

文獻(xiàn)中常見的鮮果氣調(diào)包裝設(shè)計方法有兩種：試驗法和理論模型法。

試驗法是指通過反復(fù)實驗的途徑尋找較為適合于某種特定鮮果氣調(diào)包裝的參數(shù)組合值，如薄膜種類、薄膜厚度、初始?xì)怏w濃度及環(huán)境溫濕度等，缺點是費時費力，試驗結(jié)果普適性差。

理論模型法是指根據(jù)氣調(diào)包裝的內(nèi)在機(jī)理建立起相關(guān)的數(shù)學(xué)模型公式用于指導(dǎo)設(shè)計，該方法理論性強(qiáng)，涉及的變量和步驟較多，對設(shè)計者的專業(yè)理論知識提出了很高的要求，因此，限制了其在工程領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。江南大學(xué)的博士研究生段華偉從鮮果氣調(diào)包裝設(shè)計的基礎(chǔ)理論入手，從繁多復(fù)雜的設(shè)計變量中提取出八個對氣調(diào)包裝性能有決定性影響的關(guān)鍵參數(shù)，提出圖1所示的分級設(shè)計原則，給出了圖2基于關(guān)鍵參數(shù)比例法的“5+1”設(shè)計流程。

圖1 鮮果氣調(diào)包裝的分級設(shè)計原理圖[13]

圖2 “5+1”氣調(diào)包裝設(shè)計流程圖[14]

在設(shè)計其他包裝時，還要考慮所用材料是否會造成污染，包裝產(chǎn)品使用過后是否可以回收再利用。生物可降解高分子材料就是一種新型的包裝材料。當(dāng)前，常見的應(yīng)用材料如聚乳酸（PLA）、聚己內(nèi)酯（PCL）、聚碳酸亞丙酯（PPC）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）等開始在果蔬的保鮮中嶄露頭角。這些材料使用廢棄后，在自然界中可以通過微生物的分解作用而無機(jī)化成為自然界中碳循環(huán)的一部分，被稱為環(huán)境友好型材料。Bá rbaraBiduski[14]等在對高粱淀粉進(jìn)行酸與氧化雙重改性后得到的材料提高了硬度與拉伸性，這對需要剛性包裝的生鮮食品具有重要意義。

四、結(jié)論與展望

果蔬氣調(diào)包裝保鮮效果影響因素主要包括包裝材料、氣體比例、貯藏溫度等，不同的氣調(diào)包裝參數(shù)對果蔬呼吸速率及薄膜透氣率等有較大影響，從而影響果蔬的貯藏期限。

目前，對氣調(diào)包裝的研究大部分集中在試驗式探討幾種氣體組分、薄膜材料、貯藏條件對某種果蔬的保鮮效果，對果蔬氣調(diào)包裝理論和方法論的研究較為缺乏，這也是制約鮮果氣調(diào)包裝步入高層次工程化和商業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸。因此，如何突破這一瓶頸，提供新的理論和方法是決定鮮果氣調(diào)包裝能否被提升到新的應(yīng)用水平的關(guān)鍵，也是今后鮮果氣調(diào)包裝研究領(lǐng)域里的重要方向之一。