第二章--真空充气包装

第二章真空充气包装（阻气、气调技术）一、定义二、真空充气包装的原理三、真空充气包装的应用——果蔬的保鲜包装四、真空充气包装用材问题1.真空充气包装及现状它是用脱气或充气技术，除去包装体系中的氧，改善包装内产品周围的气氛，防止或减弱产品化学或生物化学反应发生，从而达到包装产品目的的一种包装方法。它是化学防护包装的一种方法，是为了防止或减弱产品在流通过程中因化学反应或生物化学反应而发生质量变化所采用的包装技术方法。化学防护包装还包括防锈包装、脱氧剂封存包装等。真空包装国外始于40年代，用于火腿、香肠包装。充气包装始于50年代干奶酪包装，并于70年代得到发展。我国于80年代引入充气包装技术，用于茶叶充N2的包装。近年，我国的真空和充气包装技术也已广泛使用。2.定义真空包装是将产品装入气密性包装容器，抽出容器内部的空气，使密封后的容器内达到预定的真空度，然后将包装密封的一种包装方法。充气包装是指在产品装入气密性包装容器，抽真空（或不抽真空），再充入保护性气体（一般为N2、CO2），然后将包装密封的一种包装方法。3.真空充气包装的特点优点食品不用加热或者冷冻，储存期长充气包装美观实现的包装材料及设备简单，操作方便缺点真空包装外形不美观，不适宜尖锐物品包装真空包装对厌氧菌无效。充气包装中N2和CO2保护功能有限，而且由于包装材料的透气性，不能维持最佳保护环境包装的效率低4.充气包装原理4.1气调包装（CAP）指密封包装内的产品所处的四周气氛可得到调节或者控制的一种包装方法。气调包装的最终目的是通过包装把受保护产品的小环境调节或者控制到最佳状态，从而最大程度地延长产品的保质期它是通过包装材料有选择性的透气功能实现的活性包装（ActivePackaging）充气包装可以理解为气调包装4.2充气包装中气体的保护作用4.2.1氧气（O2）氧气导致食品氧化，嗜氧菌的繁殖，金属的电化学腐蚀，应抽去氧气或者使其含量小。新鲜水果氧的浓度（1%~6%），维持有氧呼吸，避免发酵。鲜肉来说，肌红蛋白→氧化肌红蛋白，颜色鲜红。高浓度的氧破环微生物蛋白结构。4.2.2氮气（N2）氮气对食品无害，作为填充剂，减少食品中氧的含量，同时保持包装饱满美观。4.2.3二氧化碳（CO2）高浓度（50%以上）的CO2对霉菌和嗜氧菌有明显的抑制和杀灭作用，但对乳酸菌和酵母菌无效。但是高浓度的CO2容易使食品产生酸味，所以常混入一定比例的氮气。高浓度CO2弱化果蔬产品的呼吸作用，延长保质期，但浓度不易超过12%，否则容易使植物细胞败坏。总之，在充气包装过程中，怎样使用这三种气体，是单独使用，还是混合使用，比例是多少，都要依据实验而定。另外，温度对包装的储存期影响很大，低温可以有效抑制微生物的活动，减弱果蔬的呼吸强度，所以建立从储运到销售的冷藏系统，对充气包装来说也是很重要的。5.充气包装的应用——果蔬的保鲜包装5.1果蔬的特征：果蔬以含水量充分（65~95%的水分）为其新鲜程度的主要特征。呼吸以维持果蔬生存是其另外的特征。吸收02，消耗体内的能量，排出CO2、水分、乙烯等物质，以维持果蔬的生存。即使在无氧状态下，靠分解体内的含氧有机化合物，也能延长生命。果蔬中水分蒸发产生水蒸气也是其特征。包装内水蒸气如不能及时排出，易结露产生水珠，为霉腐微生物的繁殖提供条件，导致果蔬腐烂。所以，果蔬保鲜包装要调节其内部的气氛，防止水分过快蒸发，抑制果蔬呼吸速度。5.2果蔬的包装包装薄膜具有选择性透气的功能。因为随着果蔬的呼吸进行，消耗O2↓，排出CO2↑，呼吸受到抑制，同时包装薄膜透CO2的能力比O2高5~10倍，大气中透入少量O2，但有较多CO2透出。选择适当的薄膜，可以使包装内的气氛达到一个适宜的状态，从而提高保质期。对这种包装方式，包装内的气体会自然处于一种适宜的状态，我们称为这种包装为自然气调包装。果蔬包装的气体透过模型（图12—6）5.3O2、CO2浓度与贮存期的关系及最佳浓度的研究果蔬呼吸与包装的关系：不同的果蔬在包装体系内部的呼吸速度是不同的，O2、CO2浓度亦不同。体系内气氛主要与O2、CO2向内透过速度与向外扩散速度的平衡点建立有关，与包装用薄膜及复材的材质（结构、厚度、透气率）有关，与环境温度、湿度等储存条件有关。5.3.1下面以苹果的保鲜包装实验为例，讨论果蔬的呼吸与包装的关系：图2-1表示，同质材料，随着薄膜厚度增加，达到稳定状态的天数增加，氧气浓度下降，最后阶段氧气浓度的变化也趋于平缓，显示呼吸作用受到抑制。20O2浓7度5%2PP(20um）PP(25um）完全密封020406080贮存时间/d图2-1用PP包装苹果袋内30℃时O2的浓度变化图2-2表示，随着薄膜厚度增加，密封程度的增大，包装袋内CO2浓度随之增加。用20umPP包装苹果16天后达到平衡，此时袋内CO2为5%，O2为7%；用25umPP包装苹果21天后达到平衡，袋内CO2为7%，O2为5%；完全密封时40天才达到平衡，袋内CO2浓度高达50%，O2只有2%的浓度，此时袋内苹果变为褐色。50CO2浓度(%)75完全密封PP(25um)PP(20um)0204060贮存时间/d图2-2苹果袋内30℃时CO2浓度变化5.3.2实验总结由苹果保鲜包装试验结果可以得出以下结论：a)果蔬的保鲜包装可以通过自然气调来实现，即通过选择不同的材质、不同厚度的塑料薄膜来调节袋内气氛，控制呼吸速度。b)完全密封包装对果蔬的呼吸生存是不利的。c)各种果蔬都有其最佳的O2的浓度，CO2的浓度，实验表明苹果的最佳气氛应含3%的O2,3%的CO2。图12-5给出了各种果蔬最佳氧气、二氧化碳的含量。6.真空充气包装用材问题6.1自然气调用材自然气调保鲜，即采用选择性透气薄膜，利用果蔬本身的自然呼吸，和薄膜对不同气体的选择性透过，自动在密封的包装内建交起低浓度02高浓度CO2的保存环境，从而延长保质期。6.2塑料薄膜的透气特点渗透率P=DS①不同气体的选择性透过气体分子直经减小↓，扩散所需的活化能较小↓越容易从高聚物分子链间隙中通过，渗透率P↑高聚物的透CO2＞O2＞N2率（表12-10）②气体在非极性分子薄膜中的溶解比对极性分子薄膜中的溶解要容易（非极性分分子薄膜的溶解度系数S↑P↑）③分子链柔性↑分子间作用力↓分子间密度↓则D↑P↑④结晶、取向增加了气体分子扩散的难度。P↓6.3自然气调选材应注意的问题表12-9(表11-9)①较好的透气性,且对不同气体具有不同的选择性透过的能力.N2：O2：CO2=1：3~5：15~30②较好的水蒸气阻隔性和防雾性.薄膜表面要涂上食品级脂肪酸酯等表面活性剂,以防止水分蒸发和结露.③膜应具有吸收乙烯等气体的特殊功能(防止果蔬贮运期过程中的品质下降).膜中要加入沸石、SiO2等填料④透明性及其它。自然气调保鲜包装用材首选PVC膜，用增塑剂、功能性添加剂、厚薄等因素来控制其透气性（软PVC膜透O2率会因为增塑剂用量大小而变化），薄膜的透湿度适中，不易结露，不用打孔，且透明度较高。例：用PVC膜包裹香蕉可使透CO2率与透O2率的比值控制在6~3：1，用PS、PVC作泡沫浅盘，效果好。7.真空、充气包装用材根据表12-7（11-7）提供的塑料材料阻隔性能指标，塑料可归纳为：阻气性能良好材料：EVAL、PVA、KOPP、PVDC、KPT、OPA、PA、PET。阻湿性能良好材料：PVDC、KOPP、KPT、HDPE、OPP、PP、LDPE、PET、PVC。阻湿、阻气性能良好材料：PVDC、KOPP、PET、PET/PE、PT/PE、PA/PE、PP/PVDC/PE、PA/EVAL/PE、PET/EVAL/PE等。8.真空充气包装机械完善的真空充气包装工艺系统和高效包装机械的采用，也是真空充气包装得以广泛应用的重要条件。真空包装机或真空充气包装机品种较多，并在不断的完善和发展，还没有统一的分类方法。①腔室式真空充气包装机（图12-8）②真空补偿式真空充气包装机（图12-9）③气流冲洗式充气包装机（图12-10）目前我国生产应用的基本上是腔室式真空充气包装机。8.1腔室真空充气包装机原理图8.2腔室式真空充气机的工艺过程腔室式真空充气机的工艺过程一般为：供袋→装入产品→置入腔室→抽真空→充气（或不充气）→热封→腔室通大气→输出包装件真空、充气包装工艺参数工艺参数要根据产品特性和包装袋容积来确定。以下将结合腔室式机讨论参数的确定。（1）抽真空为使包装内氧降至最低，应有较大的真空度。一般要求腔室内真空度为10-30torr真空包装机抽真空后，包装内难以做到绝对无氧。经测定，包装内还有1.6%-2.2%的O2。如果包装内还有2%-5%O2，则霉菌、酵母的繁育基本同在空气中一样。抽真空时间根据产品对真空度要求和包装容积，经实验确定。（2）充气引入充气包装机的混合气体要有一定的压力。对于腔室式机，一般以0.15-0.3MPa为宜。压力过小，则因腔室大，充气慢，充气量不足；压力过大，则包装袋可能胀破。一般充气后包装袋内压力以不大于0.12MPa为宜。充气时间也依袋容积而定，以袋饱满为原则。（3）热封合热封合质量是真空充气包装密封性的重要保证。一般要求热封宽度稍大，这样热封强度较高。热封温度和热封时间可根据包装材料确定，一般用较高的热封温度的复合材料。因为随着生产连续进行，热封条温度升高，热封时间要及时调整。9.真空充气包装储存期的计算由于真空充气包装使用的塑料包装材料具有一定渗透性，因此在真空包装和充气包装中，涉及到储存期的计算问题。真空充气包装的储存期：是指包装外氧气的透过量到达超过包装内物品容许的吸氧量时，所经历的时间。渗透性包装材料对气体的渗透量用下式计算。9.1渗透模型回顾上次课中基于Fick与Hery定律所建立的模型2121ccmDxxcSp12()qdtAPpp例1：有一种对氧气敏感的产品，干燥时重100g，装在厚度为0.025mm的聚酯塑料袋中，包装面积为1300cm²；该产品允许最大吸氧量为150cm³/100g，密封前充换氮气，设储存环境的平均温度为25℃，内外平均分压差为21.28KPa，试计算其储存期。解：（1）该产品允许氧气渗透量q=100g×150cm³/100g=150cm³。（2）由表12-12查的聚酯的氧气渗透系数P=23.52×10-11cm³·cm/cm²·s·（101.325kPa）温度30.C;薄膜厚度0.0025cm(3)氧气分压差为:p1-p2=21.28kPa(4)将所有值代入公式:求得t=67(天)12()qdtAPpp9.2渗透系数的估算我们在计算不同温度下(比如q℃）的透湿系数Pwvq时，要利用40℃，薄膜内外的分压差（0~90）%的透湿系数Pwv40，然后再利用不同温度的K值以及不同温度的饱和水蒸气分压值pq，最后到此温度下的透视系数Pwvq，如果表上没有现成的值，还要通过插值的方法获得。下面我们介绍一个经验公式，通过气体对某种薄膜的活化能E，以及当前温度，就能估算出渗透系数来阿伦尼乌斯方程（ArrheniusEquation）0'expEPPRT其中：P为某种气体对于某种薄膜材料的渗透系数P0为阿伦纽斯方程的指数前因子，单位于渗透系数相同E为活化能，可以理解为单位摩尔数的气体全部渗透过某种薄膜所需的能量。R摩尔气体常数，单位理想气体大压力与体积的乘积比上热力学温度等于一个常数，我们称为摩尔气体常数，T为热力学温度，其中绝对零度大约为-273℃阿伦尼乌斯方程的对数形式0ln'lnEPPRT公式表明•薄膜材料活化能越大，渗透系数越小，对气体的阻隔性越好，活化能越小，渗透系数越大，对气体的阻隔性就越差。•同时活化能大的材料，温度对渗透系数的影响显著。•当然渗透系数还受到指前因子的影响。从这个公式来看，渗透系数可以利用活化能E和指前因子P0来表示。例2：有一种对氧气敏感的产品，干燥时重100g，装在厚度为0.025mm的聚酯塑料袋中，包装面积为13