【硕士论文】基于臭氧果蔬保鲜包装的试验与理论研究

摘要本文用臭氧作为保鲜气体对果蔬的保鲜包装进行试验研究以及在包装环境下对果蔬呼吸模型进行理论研究。其主要工作如下：第一，对臭氧进行充填封口的包装系统及防止臭氧外泄的装置进行了设计。第二，建立了樱桃番茄、杭椒、脆桃等果蔬的保鲜评价标准。第三，采用不同初始浓度的臭氧，不同的包装薄膜，不同贮藏温度及不同的相对充填臭氧量，分别对新鲜樱桃番茄、杭椒、脆桃等果蔬进行了保鲜包装对比试验。试验结果表明：臭氧对脆桃保鲜效果作用不明显；贮藏温度对果蔬保鲜的效果影响很大；相对充填臭氧量对保鲜的效果影响较大；用PA/PE复合膜制袋，充入臭氧包装樱桃番茄及杭椒，在25℃~27℃的条件下保存3天，90％以上达到保鲜要求；用PE薄膜制袋，充入臭氧封口包装樱桃番茄及杭椒，在25℃~27℃的条件下保存10天，85％以上达到保鲜要求。第四，对改进包装薄膜透气性的臭氧保鲜包装进行了试验研究。结果表明：包装材料的透气性对果蔬保鲜的效果影响较大。第五，建立了基于臭氧樱桃番茄保鲜包装呼吸数学模型，利用测得臭氧浓度随时间变化的数据，借助于遗传优化算法对呼吸模型参数进行了识别。模拟计算结果表明：在对应时间点的臭氧浓度理论计算值与包装袋内实测值基本相近，能较好地预测PA/PE复合膜包装袋内实际保鲜臭氧浓度变化规律以及实际用于果蔬保鲜的臭氧消耗量。本文的研究提出了一项新型的果蔬保鲜包装工艺，并为进一步臭氧果蔬保鲜包装的研究与应用提供了理论基础。关键词：臭氧，果蔬，保鲜，包装薄膜，呼吸模型IIABSTRACTInthisthesis,experimentalresearchonfresh-keepingpackagingoffruitsandvegetablesbasedonozone,andtheorialresearchontheirbreathingmodelinpackagebagarecarriedout.Itsmainresearchareasfollows:First,thepackagingsystemincludingfillingozoneandsealingbag,andthedevicethatpreventingtheleakageofozonearedesigned.Second,thefreshnessevaluationcriteriasofsomefruitsandvegetablessuchascherrytomato,capsicum,cuipeachisestablished.Third,somecomparativeexperimentsonfresh-keepingpackagingoffruitsandvegetableswithdifferentgasanddifferentfilmwerecarriedoutinthedifferenttemperature.Theeffectofozoneonfresh-keepingpackagingofcuipeachisnotobvious.Butthetempretureandthepercentofozoneinpackgaebaghavegreateffectonfresh-keepingpackaging.In25℃~27℃,after3days,withPA/PEfilmbag,fillingwithozone,tocherrytomatoandcapsicum,90%canbeguarantee.Andafter10days,withPEfilmbag,fillingwithozone,above85%canmeetthecriterias.Fourth,experimentalresearchonfresh-keepingpackagingbasedonimprovingthepermeabilityofthePA/PEfilmwasconducted.Theresultindicated:thepermeabilityoffilmhasgreateffectonfresh-keepingpackaging.Fifth,thebreathingmodelofcherrytomatofresh-keepingpackagingbasedonozoneisestablished,theparameterofthemodelisestimatedbygeneticalgorithmoptimization.Theanalogcalculationindicatedthattheresultoftheoryandexperimentissimilar,andthetheorialresultcanpredicttherealchangingtrendofozoneinpackagebag.IIIThestudyproposedanewtypeoftechnologyoffresh-keepingpackagingoffruitsandvegetablesandlaidatheoreticalfoundationforstydyingandapplicationfresh-keepingpackagingbasedonozone.Keywords:ozone,fruitsandvegetables,fresh-keepingpackaging,packagingfilm,breathingmodelIV第1章绪论第1章绪论1.1研究背景与意义果蔬是人们日常生活中不可缺少的部分，它含丰富的维生素、有机酸、碳水化合物及无机盐，是人类重要的营养源。果蔬还以其特有的色泽和香味刺激人们的食欲，促进消化，保证身体健康。新鲜果蔬的消费量随着人们对其营养品质的认识提高而日益增长。为了适应这种趋势，除了增加产量以外，发展有效的收后维护、包装技术也是一种重要的解决途径。果蔬在采收后由于生理衰老、病菌及微生物侵害以及机械损伤等多种原因，容易腐烂变质。我国每年果蔬烂损约25％~30％，同时果蔬生产存在较强的季节性和区域性，给包装、贮藏、运输、销售等环节带来极大的困难，易形成旺季滞销、售价低、腐烂损失严重，淡季供应数量不足，售价高，不能满足市场需要的状况。因而果蔬贮存保鲜包装的问题越来越受到关注。同时，随着工业化的发展，能满足大批量生产且自动化程度较高的包装生产设备的研究及应用，也越来越受到重视。结合特定保鲜贮存的产品，包装设备的研究也得到了快速发展。果蔬在贮藏过程中，主要是借助呼吸作用而维持生命，即果蔬吸进O2，呼出CO2，产生乙烯气体，并使水分降低，品质也逐渐降低。呼吸作用会造成内部成分消耗、肉质软化、营养价值降低，乙烯气体能促进果蔬老化，并使呼吸作用加快，果蔬中水分的含量高达85％～95％，如果水分丧失量达到5％，外观就会蔫萎，降低商品价值，如果变黄，维生素C含量就会降低等。可见呼吸作用是影响果蔬鲜度的主要因素。另外，病原微生物的腐蚀作用是引起果蔬新鲜度降低的另一个因素[1]。运输过程中造成的碰撞与挤压损伤，也是一个重要的破坏因素。气调包装[2]被认为是当前国际上最先进最有效的果蔬保鲜方法之一。其主要机理是选用不同透气率和透湿率的薄膜包装果蔬产品，自发性调节密封包装内的不同气体比例，控制果蔬的呼吸速率，从而达到延长果蔬保鲜期的目的。可见，气调包装更适用于果蔬的货架期延长，关键在于所采用的不同气体。而1武汉工业学院硕士学位论文臭氧保鲜技术以其独特的无残留、运用简便等优点，臭氧不仅能杀灭微生物，抑制新陈代谢，本身无残留和不会积累任何有毒物质，且在一定程度上可降解果蔬表面微生物毒素及农药残留，还能够氧化分解果蔬生理代谢产生的催熟剂乙烯气体，防止老化[3]。因此，对臭氧果蔬保鲜包装技术进行探讨具有十分重要的现实意义。1.2研究现状与趋势1.2.1臭氧与气调果蔬保鲜技术研究的现状臭氧技术的发展已有一百多年的历史。随着科学技术的发展，与臭氧发生器相关的电源、介电体材料、气源制备与控制检测等诸方面技术都有了很大进步[4,5,6]，这些都有效地提高了臭氧的产率，降了能耗，改善了运行条件。近年来提出的“新臭氧技术”，与传统臭氧技术的不同点主要在于：(1)采用氧气作为气源，提高了臭氧浓度和产量；(2)采用变频技术和变压装置，使臭氧产量增高，电耗降低；(3)增加了冷却水循环系统；(4)设置电热式尾气破坏装置，以分解尾气中超标的臭氧；(5)配备了完备的检测系统等。1868年，德·格贝斯(deGebeth)获得了臭氧应用技术的第一项专利，用臭氧将煤焦油混合物氧化为适于涂料、油漆和油布使用的产品。1904年，欧洲就己利用臭氧对牛奶、肉制品、奶酪、蛋白等食品进行保鲜处理[7]。20世纪30年代末，美国80%的冷藏蛋库都安装了臭氧发生器，用于杀灭或抑制霉菌，延长鸡蛋的贮藏期。目前包括我国制造的船舶在内，大部分船舶的食品冷藏仓、船员伙食仓都有臭氧发生器用于船舱消毒和对食品杀菌防霉。我国在食品行业应用臭氧的时间较短，比较早应用的实例是广州黄蒲冷冻厂1964年从原联邦德国DEMAG公司进口一台5g/h的臭氧发生器，用于冷库消毒除味，效果很好。臭氧应用己深入到多个领域[8]，但应用最普及的领域仍是工业废水处理和饮用水处理[9,10]。1997年，美国电力研究所(EPRI)的研究人员提出，如果在良好的管理条件下使用，与食品直接接触的臭氧的应用是非常安全的(GRAS)[11]，并于2000年向美国食品与药物管理局（FDA）递交了题目为“气态和溶于水中的2武汉工业学院硕士学位论文臭氧可作为一种杀菌剂对食品处理、贮藏和加工”的申请书，2001年FDA将臭氧列入可直接和食品接触的添加剂范围[12]。我国研制生产臭氧发生器已有20多年的历史，目前有数百个单位生产用于多种场合使用的臭氧发生器，较早研发的单位有清华大学、北方交通大学等。目前，我国单机臭氧产量最大为1kg/h~2kg/h，以每小时几百毫克到几十克的微型臭氧发生器机型为主。1977年，我国昆明建成了臭氧装机总量为33kg/h的臭氧处理水厂，2001年完工的上海周家渡臭氧处理水厂，都对提高供水质量发挥了重要作用[13]。我国相关主管部门己经制定了标准型臭氧发生器、臭氧消毒柜和家用食具消毒柜等多个行业标准，为臭氧技术产品的发展建立了标准和规范原则。臭氧在果蔬杀菌及保鲜方面以其强杀菌能力及无残余污染等优点也正日益受到广泛采用。国外采用的果蔬保鲜方法主要有：产地贮藏保鲜、温控贮藏保鲜、气调包装贮藏保鲜、减压贮藏保鲜和高压保鲜、臭氧保鲜、磁场保鲜、电离辐射保鲜、生物技术保鲜和保鲜剂保鲜[14,15,16]。气调包装（MAP)作为食品的一种保鲜手段，在西方许多国家运用非常普遍。自1918年英国科学家发明苹果气调保鲜以来，气调保鲜在世界各地得到普遍的推广，并成为工业发达国家果蔬保鲜的重要手段，也是今后果蔬保鲜的重要趋势。20世纪90年代末，美国和以色列的柑橘总产量50%以上是气调保鲜，新西兰的苹果和弥猴桃气调贮藏量为总产量的30%以上，英国的气调贮藏能力为22.3万吨，其它国家如法国、意大利以及荷兰等国家的苹果气调保鲜量均达到总贮藏量的50-70%[17]。在英国单就每年用于肉类、鱼类、禽类和奶制品的气调包装就超过30亿件，但也仅占气调包装总数的一半。MAP在英国种类繁多的果蔬、三明治和熟食等食品的保鲜工艺中的运用非常成功。目前英国MAP领域主要研究机构Campden＆Chorleywood食品研究协会(CCFRA)，正研制开发为新鲜精制农产品和冷藏混合食物设计的高氧MAP，并已取得初步的成果[18]。成功的MAP取决于MAP气体、包装机械和包装材料的正确选择。国外许多学者已经将气调包装处理应用于超市中易腐烂果蔬，并作了大量的研究。HarlanderS.K[19]等(2002)报道：气体成份对超市中果蔬的影响很大，当放置时间过长时有异味产生，但在空气中放3武汉工业学院硕士学位论文置一段时间后异味自动消失。VannoppenJ等[20]报道了消费者针对超市果蔬的价值观念，环保型气调包装的保鲜效果