果蔬气调包装保鲜效果分析及设计方法

董志远 王克俭（北京化工大学机电工程学院成型制造研究中心）

一、概述

水果和蔬菜是人类饮食不可或缺的部分，其在贮存和运输过程中的保鲜极为重要。采用气调贮藏与气调包装可以显著延长果蔬保质期。气调包装是根据果蔬呼吸作用的差异与变化，仅以包装材料渗透性能实现动态调节包装内部气体浓度，从而减缓果蔬呼吸速率，同时降低微生物的生长繁殖速度和乙烯的生成量，最终达到延长果蔬保鲜期的目的[1]。

气调包装的效果和质量受多种因素的影响，主要包括果蔬产品的呼吸速率、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。依据初始气调环境建立方式的不同，气调包装可分为自发气调包装（MAP）和主动气调包装（CAP）两类。自发气调包装是指利用果蔬的呼吸作用消耗O2产生CO2逐渐构成低O2与高CO2的气调环境，所需时间较长，但包装成本低，常用于鲜切哈密瓜、苹果、胡萝卜、莴笋及西兰花等果蔬的保鲜包装中；而主动气调包装是通过对包装袋抽真空后按一定比例充入混合气体人为建立气调环境[2]。

二、气调包装保鲜效果影响因素

2.1 包装材料

2.1.1 传统包装材料

包装材料是气调包装中最重要的一环，它必须要有较高的气体阻隔性能，从而保证包装内的混合气体不外漏。随着高分子材料的发展，高聚物薄膜越来越多地应用于气调包装材料中。目前，聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙稀（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、双向拉伸聚苯乙烯（BOPS）、聚苯乙烯（PS）收缩膜、聚丁二烯（PB）拉伸膜、乙烯－醋酸乙烯共聚膜（EVA）等都是MAP包装常用的聚合膜材料[3]。在生产薄膜的过程中，可采用不同的工艺技术和填充配料制造合适的包装材料。表1列举了常见的各项食品包装材料的性能。

表1 常见食品气调包装材料性能[4]

关于比较各种材料的保鲜性能，许多研究者进行了对比实验。阎瑞香[5]等研究不同包装对其贮藏品质的影响，采用不同的聚乙烯保鲜膜对双孢蘑菇进行了包装处理发现，褐变强度、生理相关酶活性及其衰老物质的含量等均低于未包装对照组，能较好地保持其原有的品质。

江南大学食品科学与安全教育部重点实验室的安建申等[6]研究了不同厚度薄膜气调包装对水蜜桃贮藏品质的影响，测定总糖含量、失重率、可滴定酸含量以及包装内 O2和 CO2体积分数变化，表明气调包装能显著保持水蜜桃可滴定酸含量水平并抑制其总糖含量的降低。

2.1.2 新型包装材料

氧化反应是食品变质的一个主要原因，因此使用具有抗氧化活性的薄膜材料对新鲜果蔬进行包装逐渐成为近些年来的趋势。

抗氧化活性膜是通过将抗氧化剂添入包装材料或涂覆在包装材料上，在一定时间或空间内包装材料内部的活性抗氧化剂可以以较缓慢的速度释放到包装内部，以此来对食品起到抗氧化作用的一种新型包装材料。

纳米技术的迅速发展为食品保鲜领域提供了一些新方法。在对生鲜食品包装的研究中，纳米粒子的加入会使薄膜的机械性能、生物降解性能、抗菌性能等得到提高。

传统薄膜对 CO2和 O2渗透调控不足，纳米保鲜膜可以解决这个问题，添加某些成分后还可以达到防霉、抑菌等特殊效果。但是纳米保鲜膜的成膜基材种类较少，且造价较高。

2.2 气体比例

对于水果蔬菜，贮藏环境中的 O2和 CO2浓度是影响呼吸速率的重要因素之一，若是单独利用真空包装很难起到切实有效的作用，气调包装技术能够在一定程度上弥补真空包装的不足，进一步抑制微生物的腐败。海南大学硕士研究生夏兵[7]研究了气调包装对槟榔的保鲜效果，通过对槟榔呼吸类型和速率的测定计算，试验得出温度为6℃，气体成分为O2：CO2：N2=2%：5%：93%是主动气调包装贮藏最佳参数。Villaescusa等[8]用气调储藏蘑菇，储藏温度为 4℃，初始气体浓度为O2：CO2=15%：5%时具有最低的呼吸强度和最好的贮藏效果。张璇[9]等研究发现高CO2浓度能更好的保持杏鲍菇细胞壁的完整，维持更高的细胞壁蛋白质、多糖的含量。

2.3 贮藏温度

贮藏温度与果蔬的呼吸作用息息相关。高温下果蔬呼吸代谢旺盛，生理变化迅速，水分易损失；温度过低则可能形成冷害，使生理代谢失调而缩短了果蔬寿命。适度降温使呼吸降低到不影响正常生理功能的最低值，抑制营养物质的消耗，保持良好营养和感官品质。表2是国外几种果蔬气调包装的混合气体配比和贮藏温度。

表2 几种果蔬气调包装混合气体和贮藏温度[10]

除以上因素之外，果蔬气调包装设计还取决于果蔬呼吸速率、果蔬重量、包装薄膜厚度、透气率以及袋的表面积等参数，在设计时需要全面考虑。

三、气调包装的设计方法

果蔬气调包装设计是一项复杂的工程问题，其大致流程为：

（1）需要确定包装内能够最大限度延长货架期的目标气调环境。可以通过查找文献资料获取这方面的信息，或者可以通过预备实验确定对果蔬气调组分和贮藏温度[11]。

（2）目标气调环境被确定后，接下要确定被包装鲜果在该目标环境下的呼吸商和呼吸速率，可通过实验测量或建立鲜果呼吸模型来完成[12]，还能对包装内气体浓度变化趋势进行模拟预测。

（3）确定包装膜的相关参数。可以先确定包装膜的厚度、规格以及果蔬装载量，再根据目标气体浓度和果蔬的呼吸速率，计算所需包装薄膜的气体渗透率，寻找与理想值最接近的薄膜材料。

（4）需要进行验证试验。验证包括两方面的内容：①包装容器内能否按预期设计目的形成并保持目标气体浓度；②包装件是否有效延长了被包装水果的保质期。若验证结果符合预期目的，则说明所设计的包装参数有效。否则，需要重新进行参数设计和实验验证。

文献中常见的鲜果气调包装设计方法有两种：试验法和理论模型法。

试验法是指通过反复实验的途径寻找较为适合于某种特定鲜果气调包装的参数组合值，如薄膜种类、薄膜厚度、初始气体浓度及环境温湿度等，缺点是费时费力，试验结果普适性差。

理论模型法是指根据气调包装的内在机理建立起相关的数学模型公式用于指导设计，该方法理论性强，涉及的变量和步骤较多，对设计者的专业理论知识提出了很高的要求，因此，限制了其在工程领域的推广和应用。江南大学的博士研究生段华伟从鲜果气调包装设计的基础理论入手，从繁多复杂的设计变量中提取出八个对气调包装性能有决定性影响的关键参数，提出图1所示的分级设计原则，给出了图2基于关键参数比例法的“5+1”设计流程。

图1 鲜果气调包装的分级设计原理图[13]

图2 “5+1”气调包装设计流程图[14]

在设计其他包装时，还要考虑所用材料是否会造成污染，包装产品使用过后是否可以回收再利用。生物可降解高分子材料就是一种新型的包装材料。当前，常见的应用材料如聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、聚碳酸亚丙酯（PPC）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）等开始在果蔬的保鲜中崭露头角。这些材料使用废弃后，在自然界中可以通过微生物的分解作用而无机化成为自然界中碳循环的一部分，被称为环境友好型材料。Bá rbaraBiduski[14]等在对高粱淀粉进行酸与氧化双重改性后得到的材料提高了硬度与拉伸性，这对需要刚性包装的生鲜食品具有重要意义。

四、结论与展望

果蔬气调包装保鲜效果影响因素主要包括包装材料、气体比例、贮藏温度等，不同的气调包装参数对果蔬呼吸速率及薄膜透气率等有较大影响，从而影响果蔬的贮藏期限。

目前，对气调包装的研究大部分集中在试验式探讨几种气体组分、薄膜材料、贮藏条件对某种果蔬的保鲜效果，对果蔬气调包装理论和方法论的研究较为缺乏，这也是制约鲜果气调包装步入高层次工程化和商业化应用的主要瓶颈。因此，如何突破这一瓶颈，提供新的理论和方法是决定鲜果气调包装能否被提升到新的应用水平的关键，也是今后鲜果气调包装研究领域里的重要方向之一。