射频杀菌对PE、PP包装材料外观及力学性能的影响

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(1.江南大学机械工程学院,江苏无锡 214122;2.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,江苏无锡 214122)

射频(Radio Frequency,RF)是一种高频交流电磁波,其频率范围为3 kHz～300 MHz。射频技术作为新兴的电磁加热技术,被认为是食品工业中最有潜力的技术之一[1]。射频加热过程不需要任何传导过程,其作用机理与微波类似,然而同微波相比,射频具有更深的穿透深度、更好的加热均匀性、更稳定的温度控制和更高的产品品质等优点[2]。这使射频更具有在食品加热杀菌上应用的优势。

目前,射频加热技术主要应用于食品和农产品的加工上,用于食品和农产品加工领域的射频加热系统为平行极板式加热系统。将物料置于上下两极板之间,在交变电场的作用下,射频能量沿垂直极板方向作用于物料[3]。射频加热过程主要以离子转动生热,电场不断变化导致离子总是向带有相反电荷的方向运动,使得离子间不断碰撞摩擦生热,将电磁能转化为热能[4]。

早在20世纪40年代国外学者便对射频技术的应用进行了研究[5],近年来射频技术已逐渐从其他领域过渡到食品或农产品的干燥、杀虫、加热、解冻和杀菌等方面[6]。研究发现,射频对蔬菜粉、玉米粒、奶粉的杀菌效果显著[7-9]。相对于传统的热杀菌方式而言,微生物致死率高且杀菌的时间大幅度减少。也有学者使用射频技术针对谷类、坚果类产品进行了杀虫研究[10-14]。射频技术在对猕猴桃汁、苹果、马铃薯等杀菌的同时,还可以保证产品的色泽不受影响[15-17]。随着计算机技术的发展,研究者利用有限元技术模拟射频环境下内装物的温度场分布,研究发现通过改变周围的环境介质,可以有效提升内装物的加热均匀性,使得内装物杀虫、杀菌效果进一步提高[18-21]。

然而,在射频杀菌的应用中为了避免包装物被二次污染,射频杀菌多采用预包装形式进行处理。当材料和内装物在射频场下同时加热时,必须考虑材料性能是否发生变化,保证包装材料对产品的保护性能。因此研究射频杀菌对包装材料的影响很有必要。本文主要研究包有水、体积分数3%乙酸、体积分数15%乙醇、橄榄油四种食品模拟物的包装件在射频处理后,包装材料聚乙烯薄膜(PE)、聚丙烯薄膜(PP)性能的变化情况,对指引射频处理下包装材料的选用具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

聚乙烯(PE)薄膜 义乌倍力熊吹膜制袋厂;聚丙烯(PP)薄膜 非凡包装制袋;蒸馏水 无锡江大教育服务有限公司;冰醋酸、无水乙醇、橄榄油 国药化学试剂有限公司。

射频平行极板加热系统 江南大学物联网学院;KTHA-015TBS恒温恒湿箱 上海一恒科学仪器有限公司;LRXPLUS电子材料试验机 A trademark of AMETEK.InC;Q/ILBN2-2006CH-1-S千分台式薄膜测厚仪 上海六菱仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 包装材料的射频处理 本研究主要选取应用最广的食品包装材料,选择四种不同种类的食品模拟物:水、体积分数3%乙酸、体积分数15%乙醇、橄榄油。研究在不同的射频时间后,包装材料外观及力学性能的变化情况。

开启射频实验设备,调整极板间距为45 mm。射频系统运行中参数如下:阳极电压变化范围3.356～3.521 kV；阳极电流变化范围0.524～0.562 A；功率值约为1.759～1.979 kW。

使用PE薄膜、PP薄膜制袋(包装袋规格170 mm×170 mm)后装入四种食品模拟物(体积为250 mL),将装有四种食品模拟物的包装件分别在射频场下处理1、2、3、5、7 min后,与未处理的对照组包装件一同放于恒温(25 ℃)恒湿(50%)环境下储存24 h,使包装件达到平衡状态。取出包装件,倒出食品模拟物。将包装袋内部使用纸擦拭至不再有液体滴下,裁剪试样。

1.2.2 外观观察 观察射频场处理0、1、2、3、5、7 min后PE、PP薄膜包装袋的外观变化。

1.2.3 力学性能测试 依据相关标准(GB/T 1040.3-2006)[22]裁制大小为150 mm×15 mm的试样,相同的实验条件下分别采取5个平行试样。使用千分台式测厚仪测量每个试样的厚度。用万能材料试验仪固定试样两头,设定夹定长度为100 mm、拉伸速度为100 mm/min,缓慢向外拉伸,当样条断裂时,停止测试,记录薄膜的拉伸强度和断裂伸长率、杨氏模量。

1.3 数据处理

对所测数据使用SAS软件进行显著性差异分析,相同实验条件下各取5个平行试样测量值,数据采用平均值±标准差的形式表达。利用SAS软件中的单因素方差分析求取P值,显著性水平为0.05,P>0.05时,认为射频处理下,包装材料的力学性能随着时间的变化并无显著性差异。

2 结果与分析

2.1 射频处理对PE、PP包装袋外观的影响

图1与图2分别展示了对照组与射频处理不同时间(0、1、2、3、5 min)后PE、PP包装件外观的变化(四种食品模拟物外观所出现的变化相同,此处以水为例)。试验现象:装有四种食品模拟物的包装材料PE、PP随着射频处理时间的增加,PE、PP包装袋周边分别在3、5 min发生熔化,袋子出现破损。除最边缘位置出现破损现象,两种包装袋其余位置外观未发生明显变化。

图1 装有水的PE包装袋射频处理后的外观变化Fig.1 Appearance changes after RFtreatment of PE bags filled with water注:a～e依次为对照,处理1、2、3、5 min(处理7 min样品图与5 min相类似),图2同。

射频在进行加热杀菌中,由于包装件薄厚不均一,存在加热不均匀现象。在加热过程中,在包装件四周边缘位置,出现温度过高的现象,从而使得包装件四周出现焦化现象。分析出现此类现象的原因:一方面由于在包装件的边角位置,除了垂直作用的电场线以外,还有从其他方向叠加而来的电场,使得边角位置的电场强度值较高[23]。物料的加热速率与电场强度的平方成正比,同时,物料的损耗因子会随着温度的升高而增大,使得包装件的热点位置温度更高,从而发生熔化,使包装袋边角位置破损。另一方面由于包装袋内部所包装物品为液体食品模拟物,在软塑包装袋中,边角位置厚度较薄,更容易被射频波穿透,产热而迅速升温,导致过度加热[24]。

表1 PE薄膜射频处理不同时间后的杨氏模量Table 1 Young’s modulus of PE film after RF treatment with different time

图2 装有水的PP包装袋射频处理后的外观变化Fig.2 Appearance changes after RFtreatment of PE bags filled with water

2.2 射频处理对聚乙烯(PE)薄膜的力学性能的影响

根据实验数据,得出四种食品模拟物下PE薄膜拉伸强度(图3)和断裂伸长率(图4)随着射频处理时间变化的折线图,表1记录了不同时间下包装材料的杨氏模量。从图1、图2及表1可以看出,在任何一种食品模拟物下,PE的拉伸强度、断裂伸长率以及杨氏模量都未有显著的变化趋势。

图3 装有四种食品模拟物PE薄膜拉伸强度随射频时间的变化Fig.3 Variation of tensile strength of PE film with four food simulants as a function of RF time

图4 装有四种食品模拟物PE薄膜断裂伸长率随射频时间的变化Fig.4 Variation of elongation at break of PE film with four food simulants as a function of RF time

使用SAS软件进行单因素方差分析,得出在水、油、酸、醇四种食品模拟物下,PP薄膜的拉伸强度、断裂伸长率、杨氏模量随时间变化的P值均大于0.05,因此在四种食品模拟物下PE的拉伸强度、断裂伸长率、杨氏模量随着射频时间的变化并无显著性差异。

出现此种现象的原因,一方面可能是由于PE包装薄膜的厚度薄,射频波的穿透性很强,薄膜在射频处理下直接被穿透作用于内部模拟物;另一方面,射频作为一种新的热处理技术,射频加热属于介电加热,具有选择性加热的特点,物料的介电损耗因子是影响射频加热速率的重要参数[24]。由于PE包装薄膜的介电参数远小于内部食品模拟物,因此对包装材料的力学性能并无显著性影响。在许多包装安全法则上都把塑料视为优良的微波穿透材料[25],在此看来对于射频也同样适用。

2.3 射频处理对聚丙烯(PP)薄膜力学性能的影响

根据试验结果记录不同食品模拟物下PP薄膜拉伸强度和断裂伸长率的变化,分别取5个试样的平均值,试验数据如图5、图6、表2所示。四种食品模拟物包装件的包装材料拉伸强度、断裂伸长率、杨氏模量随着射频处理时间的增加,并未出现显著变化趋势。

图5 装有四种食品模拟物PP薄膜拉伸强度随射频时间的变化Fig.5 Variation of tensile strength of PP film with four food simulants as a function of RF time

表2 PP薄膜射频处理不同时间后的杨氏模量Table 2 Young’s modulus of PE film after RF treatment with different time

图6 装有四种食品模拟物PP薄膜断裂伸长率随射频时间的变化Fig.6 Variation of elongation at break of PP film with four food simulants as a function of RF time

使用SAS软件进行单因素方差分析,得出水、油、酸、醇四种食品模拟物下,PP薄膜的拉伸强度、断裂伸长率、杨氏模量随时间变化的P值均大于0.05,因此在四种食品模拟物下PP的拉伸强度、断裂伸长率、杨氏模量随着射频时间的变化并无显著性差异。

PP薄膜在射频处理后的力学性能随着时间的变化并未出现显著性差异。与PE薄膜相似,一方面可能由于射频的穿透强度很大,直接穿透材料内部作用于食品模拟物。另一方面,PP薄膜的介电参数远小于四种食品模拟物。因此,包装材料的力学性能并未出现显著性变化。

3 结论

聚乙烯薄膜与聚丙烯薄膜是在食品包装上应用最广的两种包装材料。四种食品模拟物包装件在射频处理后,PE、PP包装袋边角位置出现焦化现象。因此在对液体包装件进行射频处理时,应该注意选择耐高温性能较好的包装材料,以免包装件外部受到损伤。通过以上研究可以得知,射频处理对装有食品模拟物的包装薄膜PE、PP拉伸强度、断裂伸长率以及杨氏模量并没有显著的影响。因此,在短时间的射频处理环境下,内装物的品质不会因为外部包装材料力学性能的改变而受到影响。