氣調包裝實驗定量控制裝置研究

張希棟，閻春利

(1.東北林業大學 工程技術學院；2.東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

氣調包裝作為一種主要的技術手段用于實現果蔬和食品保鮮功能[1]。其中，果蔬氣調包裝選用不同透氣性和透濕性的薄膜包裝果蔬產品，利用密封在包裝內的不同比例混合氣體控制果蔬的呼吸過程，達到延長果蔬保鮮期的目的[2-3]；食品氣調包裝應用調制的混合氣體置換包裝袋內的空氣，進而改變包裝袋內食品的外部環境，抑制食品中細菌微生物的生長過程，減緩食品的新陳代謝進程，達到延長食品保質期或貨架期的目的[4-5]。目前氣調包裝已成為新鮮果蔬產品保鮮包裝和食品保質包裝的有效技術手段，得到國內外學者的高度重視并開展相關研究[6]。

氣調包裝的效果主要取決于包裝機械的性能、包裝材料的阻隔性、密封在包裝袋內混合氣體的成分等因素，同時還受如混合氣體充入時間、混合氣體充入壓力、密封在包裝袋內混合氣體壓力等工藝參數的影響。氣調包裝生產過程如何確定已調制混合氣體的充入時間和能夠定量控制密封在包裝袋內混合氣體的氣體壓力，是實現氣調包裝的效果和質量的關鍵問題。因此本文通過設計一種氣調包裝實驗定量控制裝置；利用實驗室現有氣調包裝實驗設備，研究定量控制和測量氣調包裝實驗過程密封在包裝袋內混合氣體壓力，確定混合氣體的充入時間；以確保氣調包裝實驗效果，并為氣調包裝生產過程提供實驗數據。

1 氣調包裝實驗

1.1 實驗方案

氣調包裝實驗流程主要包含調制一定氣體比例的混合氣體、抽出包裝袋內原來的空氣并保持一定的真空度、將調制好的一定壓力的混合氣體充入包裝袋內和將包裝袋封合等過程，如圖1所示。

(1)混合氣體調制。氣調包裝實驗主要應用CO2、N2和O23種氣體，并將3種氣體(或其中的2種氣體)按一定的比例混合生成混合氣體，充入包裝袋內。混合氣體調制過程利用實驗室的氣體混合配制設備的控制系統實現，該系統主要由操作面板觸摸屏、PLC控制單元、電磁閥、混合氣體儲存罐和調壓閥等組成。在設備操作面板觸摸屏上分別輸入CO2、N2、O23種氣體混合百分比參數，輸入的氣體混合百分比參數作為PLC控制單元計算的依據，PLC控制電磁閥調節3種氣體的接通時間，保證3種氣體按照設定的比例實現混合調制并儲存在儲氣罐內。

(2)包裝袋抽氣。包裝袋抽氣過程使用實驗室的平板式真空包裝機，在設定的時間內將包裝袋內的氣體抽出，使包裝袋內達到氣調包裝實驗要求的真空度。在混合氣體充入前保證包裝袋內的真空度，可以降低包裝袋內剩余氣體對充入混合氣體比例準確性的影響，提高氣調包裝實驗的準確性。

(3)混合氣體充入。混合氣體充入過程利用真空包裝機工作室內與氣體混合配置設備的儲氣罐相連的氣體充入裝置，在設定的時間內完成混合氣體充入包裝袋。

(4)包裝袋封口。混合氣體充入包裝袋完成后，在設定的封合電壓和封合時間內完成包裝袋封口過程。封口的包裝袋內存儲一定數量的混合氣體，并保持一定的包裝頂空體積，完成氣調包裝實驗過程。

1.2 實驗方案分析

上述實驗方案的充氣過程在包裝機的工作腔內完成。由于混合氣體充入裝置與包裝袋封口處在結構上不能保證完全密封，且混合氣體充入過程包裝袋內部與包裝機工作腔內存在壓力差，因此混合氣體充入包裝袋時包含部分混合氣體擴散到包裝機工作腔內的過程，主要表現為：

圖1 氣調包裝實驗流程

(1)充入的混合氣體不能完全密封在包裝袋內。氣調包裝實驗充入混合氣體過程在包裝機工作腔內完成。充入混合氣體前，包裝機工作腔內經過抽真空過程，保證包裝袋內的真空度和工作腔內的真空度相同，因而包裝機通過測得工作腔內的真空度獲得包裝袋內充入混合氣體時的初始壓力；混合氣體充入裝置的出口壓力由氣體混合設備設定，密封在包裝袋內混合氣體的物質的量根據充入包裝袋的混合氣體狀態方程確定。建立的混合氣體狀態方程包括：

在混合氣體充入時間[t1，t2]內，充入包裝機的氣體狀態方程分別為：

(1)

(2)

P1(t2)V(t2)=n3RT。

(3)

式中：P0為混合氣體充入裝置的出口壓力，MPa；P1(t)為充氣過程軟包裝袋內t時刻的混合氣體壓力，MPa；P2(t)為充氣過程t時刻由軟包裝袋內擴散到包裝機工作腔內的混合氣體壓力，MPa；d0為混合氣體充入裝置出口處工況孔徑，mm；d1為包裝袋內的混合氣體向包裝機工作腔擴散過程包裝袋封口處折算的工況孔徑，mm；n1(t)為充氣過程內t時刻充入的混合氣體的物質的量，mol；n2(t)為充氣過程內t時刻由軟包裝袋內擴散到包裝機工作腔內的混合氣體的物質的量，mol；n3為混合氣體充入過程結束時包裝袋內混合氣體的物質的量，mol；Qin(P0,P1(t),d0)為充氣過程t時刻混合氣體充入裝置出口處的氣體流量，l/s；R為氣體常數，J@mol-1·k-1;T為體系絕對溫度，k；V(t2)為充氣結束時包裝袋內的氣體體積,l。

公式(1)表示由混合氣體儲存裝置充入的混合氣體狀態方程，充入的混合氣體的物質的量為：

(4)

公式(4)表示包裝袋內的混合氣體擴散到包裝機工作腔過程的混合氣體狀態方程，擴散到包裝機工作腔內的混合氣體的物質的量為：

(5)

公式(5)表示充氣結束時刻包裝袋內的混合氣體狀態方程。由于充入的混合氣體一部分擴散到包裝機工作腔內，因此混合氣體充入過程結束時密封在包裝袋內的混合氣體的物質的量n3為：

(6)

公式(6)表明，密封在包裝袋內的混合氣體物質的量n3不等于由混合氣體儲存裝置充入的混合氣體物質的量，即充入的混合氣體不能完全密封在軟包裝袋內。

(2)不能準確測定充氣結束時軟包裝袋內的混合氣體壓力。上述實驗方案充氣過程混合氣體壓力分布如圖2所示。在圖2中，P0(t1)為充氣開始t1時刻充氣裝置出口混合壓力，P1(t1)為充氣開始t1時刻包裝袋內混合氣體壓力，P2(t1)為充氣開始t1時刻包裝機工作腔內混合氣體壓力；P0(t)為充氣過程t時刻充氣裝置出口混合壓力，P1(t)為充氣過程t時刻包裝袋內混合氣體壓力，P2(t)為充氣過程t時刻包裝機工作腔內混合氣體壓力；P0(t2)為充氣結束t2時刻充氣裝置出口混合壓力，P1(t2)為充氣結束t2時刻包裝袋內混合氣體壓力，P2(t2)為充氣結束t2時刻包裝機工作腔內混合氣體壓力。

圖2 充氣過程混合氣體壓力分布

充入混合氣體結束時，包裝機壓力表測得的壓力值為包裝機工作腔內的混合氣體壓力P2(t2)，并非為包裝袋內的混合氣體壓力P1(t2)；因此該實驗方案中包裝機不能直接測量充氣結束時包裝袋內的混合氣體壓力，即不能通過控制包裝袋內混合氣體的壓力實現定量控制密封在包裝袋內的混合氣體的物質的量。

2 定量控制裝置的提出

2.1 定量控制裝置結構

定量控制裝置利用氣動元件構建的氣動控制系統實現，如圖3所示。氣動控制系統操作過程包括：

(1)保證包裝袋內的空氣被吸入氣缸，并將吸入汽缸內的空氣排出。

(2)將調制的混合氣體吸入氣缸和將吸入氣缸的混合氣體充入包裝袋內。

圖3 定量控制裝置簡圖

(1)抽出包裝袋內空氣。首先關閉手滑閥2，防止存儲在系統中的調制混合氣體被抽出；打開手滑閥1，包裝袋內的空氣經壓力表、連接件1、手滑閥1、單向閥1、連接件2、連接件4被抽出到氣缸內；氣缸內吸入的空氣經連接件4、連接件2、單向閥2排出裝置外，其中單向閥1防止氣缸內的空氣被充入包裝袋內；壓力表直接測量包裝袋內的氣體壓力。

(2)充入調制的混合氣體。首先關閉手滑閥1，防止充氣過程混合氣體經抽氣通路回流到氣缸；打開手滑閥2，打開手滑閥3，存儲在混合氣源內的混合氣體經手滑閥3、單向閥4、連接件3、連接件4被抽出到氣缸內；吸入到氣缸內的混合氣體經連接件4、連接件3、單向閥3、手滑閥2、連接件1、壓力表被充入到包裝袋內；壓力表能夠直接測量混合氣體充入過程包裝袋內的混合氣體壓力P1(t)，實驗結束時壓力表能夠直接測量密封時包裝袋內的混合氣體壓力P1(t2)。

(7)

由公式(7)可知，能夠依據氣調包裝實驗要求的密封在包裝袋內混合氣體的物質的量和氣體壓力確定出混合氣體的充入時間，能夠定量控制針對不同產品氣調包裝的混合氣體充入時間，以節約混合氣體的使用量。

由上述分析可知，在設計的定量控制裝置中與包裝袋直接相連的壓力表能夠直接測量抽氣過程和調制的混合氣體充入過程包裝袋內的氣體壓力，能夠定量控制充入包裝袋內的混合氣體的物質的量和確定混合氣體的充入時間。

3 結 論

研究結果表明，設計的氣調包裝定量控制裝置在完成氣調包裝實驗過程能夠實現以下三項功能：

(1)設計的氣調包裝定量控制裝置能夠直接控制氣調包裝實驗軟包裝袋抽氣和充入混合氣體過程。

(2)設計的氣調包裝定量控制裝置能夠直接測量氣調包裝實驗包裝袋的真空度和充入的混合氣體量和氣體壓力。

(3)設計的氣調包裝定量控制裝置能夠確定氣調包裝實驗需要的混合氣體沖入時間。

【參 考 文 獻】

[1]吳瑞平，林澤安.食品氣調保鮮包裝技術及設備發展狀況[J].包裝與食品機械.2005(6)：41-45.

[2]沈蓮清，黃光榮.蘆筍氣調保鮮研究[J].浙江農業學報，2004，16(1)：42-46.

[3]高 晗，孫俊良，高愿軍，等.氣調包裝對鮮切蓮藕保鮮效果研究[J].食品科學，2008，29(10)：612-613.

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[5]陳陽樓，王院華，甘 泉，等.氣調包裝用于冷鮮肉保鮮的機理及影響因素[J].包裝與食品機械，2009(1)：9-13.

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