梅文娟，鄭兆啟，李占勇，陳京輝，張 超

（1.天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2.天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；3.天津市低碳綠色過程裝備國(guó)際聯(lián)合研究中心，天津 300222）

0 引言

我國(guó)包裝機(jī)械經(jīng)過多年的發(fā)展已有一定規(guī)模，但在生鮮食品的包裝機(jī)械領(lǐng)域，目前還處于起步階段，生鮮食品的包裝主要依靠人工完成［1］。包裝機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)生鮮食品產(chǎn)業(yè)采后加工規(guī)模化、專業(yè)化和商業(yè)化的重要保證，可以有效提高生產(chǎn)效益，同時(shí)解決加工企業(yè)勞動(dòng)力短缺問題。高新技術(shù)的發(fā)展為生鮮食品包裝提供了新的可能，針對(duì)生鮮食品包裝的多種自動(dòng)或半自動(dòng)包裝機(jī)械，提高了生產(chǎn)率，降低了人工成本。本文綜述了目前生鮮食品包裝機(jī)的研究現(xiàn)狀，不同包裝機(jī)的包裝方式、包裝材料和包裝特點(diǎn)［2-3］。

1 生鮮食品包裝機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用現(xiàn)狀

目前超市中生鮮食品包裝大多由工人手動(dòng)完成?，F(xiàn)階段生鮮食品包裝機(jī)械主要分為以下幾種：枕式包裝機(jī)、盒裝熱壓式封口機(jī)、氣調(diào)生鮮食品包裝機(jī)、貼體生鮮食品包裝機(jī)、超薄自粘膜生鮮食品包裝機(jī)。

1.1 枕式生鮮食品包裝機(jī)

枕式生鮮食品包裝機(jī)，又稱袋成型-充填-封口機(jī)，采用復(fù)合膜包裹生鮮食品后進(jìn)行封合，起到保鮮作用，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。生鮮食品包裝材料不僅需要具有一定強(qiáng)度，還需要一定的阻隔能力，防止生鮮食品變質(zhì)，故包裝材料為集多種材料的優(yōu)越性能為一體的復(fù)合膜，常用厚度為35～80 μm。

圖1 枕式生鮮食品包裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structural diagram of pillow type fresh food packaging machine

枕式生鮮食品包裝機(jī)主要由以下幾部分組成：送料機(jī)構(gòu)、送膜機(jī)構(gòu)、縱封機(jī)構(gòu)、橫封橫切機(jī)構(gòu)。此類包裝機(jī)一般為下走膜機(jī)型，送料與送膜同時(shí)進(jìn)行，通過送料機(jī)構(gòu)將被包裝的生鮮食品運(yùn)送到復(fù)合膜的上方。復(fù)合膜通過折膜板，向上折起，制成筒狀，由縱封機(jī)構(gòu)中的熱封滾子進(jìn)行縱封，同時(shí)為膜的輸送提供動(dòng)力。送料機(jī)構(gòu)裝有傳感器，對(duì)送料速度進(jìn)行控制。由于放有生鮮食品的包裝容器有一定高度，因此橫封橫切機(jī)構(gòu)配置上下運(yùn)動(dòng)的切刀進(jìn)行切膜，切刀與加熱元件相連，熱封與切膜同時(shí)進(jìn)行，包裝完成的生鮮食品由輸送機(jī)構(gòu)送到收集箱。

王中元等［4］研究了枕式包裝機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，確定了橫封機(jī)構(gòu)中橫封軸的凸輪運(yùn)動(dòng)曲線，以保證與送膜軸和送料軸的速度相匹配。蔡旺等［5-7］對(duì)枕式包裝機(jī)電子凸輪的應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)合枕式包裝機(jī)的封切機(jī)構(gòu)需要往復(fù)運(yùn)行的特點(diǎn)，將伺服技術(shù)與凸輪結(jié)構(gòu)曲線相結(jié)合，解決了以往機(jī)械凸輪安裝困難，成本高昂，容易磨損等問題。北京大森長(zhǎng)空包裝機(jī)械從日本引進(jìn)了伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，開發(fā)了 SE500 系列包裝機(jī)［8］。李敏等［9］采用歐姆龍PLC CPU_CJ2M和CJ1W_NC414模塊為核心，結(jié)合溫控系統(tǒng)以及觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)枕式包裝機(jī)的參數(shù)設(shè)置以及實(shí)時(shí)監(jiān)控。高雪等［10-12］采用控制器結(jié)合驅(qū)動(dòng)、編碼、傳感器模塊搭建控制系統(tǒng)，提升了對(duì)包裝機(jī)封切裝置中溫度的控制，通過對(duì)控制系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了各個(gè)機(jī)構(gòu)的獨(dú)立調(diào)節(jié)，提高了包裝效率與精度。劉揚(yáng)等［13］研究了枕式包裝機(jī)橫封機(jī)構(gòu)的平衡問題，將轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿增加適量配重，使其質(zhì)心與回轉(zhuǎn)中心盡量重合。趙慧文等［14］研究了轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿振動(dòng)力與力矩的平衡問題，提出了基于增加配重的綜合優(yōu)化平衡法。

采用枕式生鮮食品包裝機(jī)包裝生鮮食品，可以對(duì)生鮮食品保鮮起到一定作用，但葉菜類生鮮食品在儲(chǔ)存和售賣過程中，仍會(huì)受到因擠壓造成的機(jī)械損傷。因此枕式生鮮食品包裝機(jī)適用于包裝不怕擠壓的生鮮食品，如橙子、檸檬等。此款包裝機(jī)的包裝材料為厚復(fù)合膜，有一定強(qiáng)度，能承受折膜時(shí)的拉力，并且節(jié)省材料，國(guó)內(nèi)枕式包裝機(jī)包裝生鮮食品速度為60～230包/min，包裝效率較高。

1.2 盒裝熱壓式生鮮食品封口機(jī)

盒裝熱壓式封口機(jī)分為兩種。一種為半自動(dòng)，將生鮮食品放置在包裝盒內(nèi)后，放入包裝機(jī)的指定位置，工人操作機(jī)器將裝有包裝盒的托盤送進(jìn)包裝機(jī)內(nèi)部，加熱板下壓完成熱封。另一種為全自動(dòng)，結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，盛裝生鮮食品的包裝盒放在送料輸送帶上，輸送帶將托盤運(yùn)送到熱封機(jī)構(gòu)下方，壓桿下壓，熱封機(jī)構(gòu)中壓膜板將包裝膜壓在托盤上方，剩余薄膜由回收機(jī)構(gòu)回收。

圖2 盒裝熱封生鮮食品包裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic structural diagram of hot sealed fresh food packaging machine

趙吉成等［15］對(duì)盒裝熱壓式封口機(jī)進(jìn)行了研究，選用Simotion D435控制器控制輸送帶以及各部分電機(jī)，控制包裝機(jī)的速度和定位，通過Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行邏輯控制，采用人機(jī)界面方便用戶設(shè)置參數(shù)與監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行，提高了設(shè)備的工作速度、精確性和穩(wěn)定性，提升了封口機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化程度。潘麗愛［16］對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并降低生產(chǎn)成本。王利民［17］利用SolidWorks三維軟件對(duì)盒裝熱壓式封口機(jī)的機(jī)體進(jìn)行建模，利用COSMOSWorks有限元分析插件進(jìn)行分析，對(duì)機(jī)體進(jìn)行優(yōu)化，提高了盒裝熱封包裝機(jī)的質(zhì)量。丁毅等［18］運(yùn)用ANSYS_Workbench中的物理場(chǎng)耦合對(duì)熱封板進(jìn)行分析與參數(shù)優(yōu)化。

熱壓式封口機(jī)采用復(fù)合膜和包裝盒作為包裝材料，目前多用于包裝加工過的生鮮食品如鴨脖、牛排等。生鮮食品在儲(chǔ)藏或售賣時(shí)需要碼垛，每包生鮮食品會(huì)相互擠壓，使用包裝盒盛裝生鮮食品可以有效避免碼垛造成的機(jī)械損傷，保證外觀完好。熱封過的復(fù)合膜表面平整，并且可以在復(fù)合膜上印刷精美圖案，提高人們的購(gòu)買欲望。但受包裝盒的限制，此款包裝機(jī)一般適用于包裝體積較小的生鮮食品。

間歇式盒裝熱壓封口機(jī)每次僅能包裝少量生鮮食品，適用于小型超市或生鮮食品零售商，可以控制包裝數(shù)量，做到時(shí)包時(shí)銷。連續(xù)式盒裝熱壓封口機(jī)可以成批量包裝生鮮食品，包裝速度一般為 50～100 盒 /min。

1.3 氣調(diào)生鮮食品包裝機(jī)

氣調(diào)生鮮食品包裝機(jī)的包裝材料為預(yù)制包裝盒或包裝袋，將生鮮食品放置在密封容器內(nèi)，通過改變?nèi)萜鲀?nèi)的環(huán)境條件來延長(zhǎng)生鮮食品的保鮮期，因此氣調(diào)包裝也稱為“氣體置換包裝”，其中的置換氣體采用氮?dú)?、二氧化碳或它們的混合物。圖3為盒裝氣調(diào)生鮮食品包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，主要由送料機(jī)構(gòu)、送膜機(jī)構(gòu)、上模具、下模具組成，下模具裝有抽氣通道和充氣通道，用于氣調(diào)作業(yè)。

圖3 氣調(diào)生鮮食品包裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic structural diagram of fresh food modified atmosphere packaging machine

尹志華等［19］研究了ZQT-1D400型氣調(diào)包裝機(jī)，采用壓力法原理，氣調(diào)工作由兩個(gè)氣包循環(huán)完成，一個(gè)為工作氣包，另一個(gè)為配氣氣包，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到工作氣包壓力不足時(shí)，電磁閥調(diào)換兩個(gè)氣包，此時(shí)工作氣包轉(zhuǎn)為配氣狀態(tài)，配氣氣包開始工作，由此降低了氣調(diào)包裝機(jī)的成本且提高了配氣精度。王杰等［20］設(shè)計(jì)了一款新型盒式氣調(diào)包裝機(jī)，可同時(shí)完成進(jìn)料和出料的工作，使設(shè)備更加緊湊，盒內(nèi)氣體置換精度達(dá)到99.2%以上，提高了工作效率。盧立新等［21-22］對(duì)氣調(diào)包裝機(jī)的氣體置換裝置進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)充氣孔和排氣孔的分布對(duì)氣體置換裝置性能有顯著影響。雷立雨等［23］研究了氣調(diào)包裝機(jī)的控制系統(tǒng)，采用西門子S7_200PLC進(jìn)行控制，可根據(jù)不同包裝材料調(diào)節(jié)溫度，包裝速度。彭群英等［24］解決了氣調(diào)包裝機(jī)氣體置換效率不高，氣體精度差等問題，加入冷卻系統(tǒng)，配置制冷壓縮機(jī)，在低溫環(huán)境下進(jìn)行包裝作業(yè)，有助于生鮮食品的保鮮和冷藏貯存。陳秀等［25］對(duì)枕式氣調(diào)包裝機(jī)進(jìn)行了研究，提出了一種新型充氣裝置，采用兩根充氣管帶動(dòng)更多氣體流動(dòng)，并利用Fluent軟件對(duì)氣體置換過程進(jìn)行流體仿真，氣體置換率達(dá)到99%只需0.4 s，降低了耗氣量，提高了置換效率。

盒裝氣調(diào)生鮮食品包裝機(jī)，目前多用于包裝調(diào)味的生鮮食品如雞翅、肉類和海鮮產(chǎn)品，包裝速度為40～96盒/min。氣調(diào)包裝可以延長(zhǎng)生鮮食品保鮮時(shí)間，減少或者避免食品氧化變質(zhì)，同時(shí)抑制生鮮食品中微生物的生長(zhǎng)繁殖，保證生鮮食品的品質(zhì)和安全［26-27］。

1.4 貼體生鮮食品包裝機(jī)

貼體生鮮食品包裝機(jī)［28-29］，包裝材料為貼體膜和包裝托盤。包裝原理是將生鮮食品放置在托盤內(nèi)，把透明的貼體膜覆蓋在生鮮食品上，用加熱和抽真空的方式將貼體膜沿生鮮食品的輪廓成型，并且緊貼在底板上，圖4為貼體生鮮食品包裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖［30］。

李玉佳等［31］對(duì)包裝機(jī)的抽真空機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，基于PRO/E行為建模方法優(yōu)化了雙腔真空室的結(jié)構(gòu)。楊超杰等［32］研究了貼體包裝機(jī)的熱封機(jī)構(gòu)，在加熱板與熱封板中間設(shè)置蜂窩板和移動(dòng)座，蜂窩板與加熱板的導(dǎo)熱槽相互連通使熱封機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)更加流暢，同時(shí)確保熱封的完整性。江蘇大江智能裝備有限公司對(duì)貼體包裝機(jī)的封膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究［33］，熱封燙板高于刀架板小于容器外壁，提高了熱封的精度。青島永春食品公司研究了一款牛排貼體真空包裝機(jī)，對(duì)清潔機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在濾網(wǎng)和抽風(fēng)機(jī)之間設(shè)置通風(fēng)孔［34］，當(dāng)抽風(fēng)機(jī)工作時(shí)，利用氣流把雜質(zhì)吹入濾網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)的收集。美國(guó)納幕爾杜邦公司研究了一種高透氧性的真空貼體包裝結(jié)構(gòu)［35］，采用多層膜結(jié)構(gòu)具有特定通透性，高透氧性和低透濕性。

圖4 貼體生鮮食品包裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic structural diagram of fresh food skin packaging machine

使用貼體包裝的生鮮食品外觀價(jià)值較高，可以直接觀察被包裝的生鮮食品的原型和色彩，并且由于其真空密封，具有優(yōu)秀的保鮮能力，延長(zhǎng)保鮮期，一般用于包裝高價(jià)位的生鮮食品，如海產(chǎn)品、牛肉等，包裝速度為30～90盒/min。

1.5 超薄自粘膜生鮮食品包裝機(jī)

超薄自粘膜生鮮食品包裝機(jī)，采用包裝托盤和超薄自粘膜為包裝材料，超薄自黏膜具有較好的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和自黏性，可利用其自粘性封合，可配合熱壓封合方式。厚度極薄，作為包裝材料可節(jié)省能源，因常用作食品保鮮故常稱為保鮮膜，常見材料類型為PVC膜、PE膜和PU膜等，厚度為 9～13 μm。

常見超薄自粘膜包裝機(jī)有兩種。一種是四折膜板式生鮮食品包裝機(jī)，原理為送膜裝置將膜拉出，生鮮食品放置在托盤上，通過送料裝置輸送到保鮮膜下方，升降臺(tái)提升到固定高度，封切裝置完成切膜和封合工作，再由推料裝置將包裝好的物料送出，機(jī)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 四折膜板生鮮食品包裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic structural diagram of fresh food fourfolding-plate packaging machine

四折膜板式生鮮食品包裝機(jī)在發(fā)達(dá)國(guó)家研究較早，例如意大利 FABBRI［36］、西班牙 ULMA、日本寺剛和石田等公司進(jìn)行了關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的研發(fā)。梁國(guó)興［37］研究了包裝機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了生鮮食品包裝的密封性。梁漢麟［38］在升降裝置中添加了稱重機(jī)構(gòu)和推入機(jī)構(gòu)。雷良育等［39］對(duì)超薄自粘膜的壓膜裝置進(jìn)行研究，在保鮮膜觸碰到托盤內(nèi)生鮮食品時(shí)，由鏈條帶動(dòng)托盤下方多余的保鮮膜貼合在托盤底部，通過鋼板的開合取出包裝完成的物料。于大永［40］采用環(huán)形氣囊壓膜的方式提升了保鮮膜的貼合度。

另一種為負(fù)壓式生鮮食品包裝機(jī)，結(jié)構(gòu)示意如圖6所示，采用立式輸送帶輸送盛裝生鮮食品的包裝盒，收膜板引導(dǎo)保鮮膜包裹生鮮食品，由一對(duì)輥?zhàn)訅汉媳ｕr膜，橫向封切裝置由前吸風(fēng)盒、后吸風(fēng)盒、刮板和切刀機(jī)構(gòu)組成，吸風(fēng)盒連接風(fēng)機(jī)，吸附被切刀切斷的保鮮膜，刮板將保鮮膜刮向包裝盒底部［41-42］。

圖6 負(fù)壓式生鮮食品包裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.76 Schematic structural diagram of negative pressure fresh food packaging machine

中國(guó)包裝和食品機(jī)械有限公司研究了其機(jī)械結(jié)構(gòu)，北京大森長(zhǎng)空包裝機(jī)械有限公司研究了一款保鮮膜包裝機(jī)，中封完成，超薄自粘膜經(jīng)切刀機(jī)構(gòu)切斷后，折疊機(jī)構(gòu)將兩端保鮮膜向托盤底部折起，經(jīng)過卸料機(jī)構(gòu)時(shí)進(jìn)行加熱，對(duì)底部保鮮膜進(jìn)行加固，完成生鮮食品的包裝。廣東高鑫信息股份有限公司研究了一款PLC控制的保鮮膜包裝機(jī)，采用包裝盒需有排風(fēng)孔，吸風(fēng)方式固定保鮮膜，提高包裝效率。鄭兆啟等［43］研究了保鮮膜包裝機(jī)的封切裝置，采用吹風(fēng)盒與氣缸結(jié)合的方式，降低了包裝能耗，提升了工作效率。

四折膜板式生鮮食品包裝機(jī)分為高速版和低速版，低速版為人手動(dòng)操作，每次包裝一盒，高速版為自動(dòng)進(jìn)料，包裝完成后由推桿推出，輸送帶送出。這種包裝機(jī)需要多個(gè)伺服電機(jī)配合，高速版包裝速度可達(dá)到90盒/min。

負(fù)壓式生鮮食品包裝機(jī)同樣采用超薄自粘膜為包裝材料，在導(dǎo)膜與縱封部分與枕式包裝機(jī)類似，不同之處在于枕式包裝機(jī)采用有一定強(qiáng)度的復(fù)合膜；在橫封裝置中采用負(fù)壓方式進(jìn)行吸膜，利用包裝盒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行橫封，包裝速度可達(dá)30～150 包 /min。

2 生鮮食品包裝機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)生鮮食品進(jìn)行包裝再售賣是當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。在現(xiàn)有生鮮食品包裝機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)備與工藝，本文認(rèn)為有以下幾個(gè)主要發(fā)展方向：

（1）提高包裝效率，減少時(shí)間成本。通過對(duì)設(shè)備的研究與改進(jìn)，提高包裝效率與包裝穩(wěn)定性。

（2）降低開發(fā)能耗，節(jié)能環(huán)保。超薄自粘膜的厚度僅為9～13 μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通包裝復(fù)合膜厚度，在包裝時(shí)使用超薄自粘膜不僅可以降低能耗還可降低一次性包裝成本。對(duì)于包裝盒包裝，可降解包裝材料的研制成功讓包裝盒包裝更加環(huán)保。