果蔬氣調包裝計算機輔助設計軟件的開發及應用

欒志福

（濰坊科技學院，山東壽光262700）

果蔬氣調包裝計算機輔助設計軟件的開發及應用

欒志福

（濰坊科技學院，山東壽光262700）

建立果蔬氣調包裝呼吸速率數學模型和蒸發速率數學模型，探究果蔬呼吸作用和蒸騰作用與自身及環境條件的關系。并在此基礎上利用數據庫構思了果蔬氣調包裝計算機輔助設計的方法，優化了設計流程。

計算機輔助系統；果蔬氣調包裝；植物呼吸速率

新鮮果蔬種植時可進行呼吸作用和光合作用，在摘取后一段時間內仍保持著自身生命體征，進行短時期的光合作用和較長時期的呼吸作用。果蔬氣調包裝（Modified Atmosphere Packaging）是指將塑料包裝袋或盒中的空氣抽出，再充入二氧化碳、氧氣、氮氣等混合氣體，同時利用具有一定滲透性的薄膜材料，維持果蔬產品微弱的呼吸作用，一方面可以抑制食品中的微生物生長繁殖，另一方面可以使果蔬產品呼吸速率降低，延長其儲存時間[1-2]。

本文采用模型法進行果蔬氣調包裝的設計，模型法是根據氣調包裝設計原理，建立數學模型，再根據具體產品帶入數學模型，得到相應產品參數，設計成本低，適用于絕大多數果蔬產品，推廣性較好[3]。

1 采摘后果蔬的生命活動特征

1.1 采摘后果蔬的呼吸作用

果蔬呼吸作用會降低產品質量，制約其保存周期。果蔬保存溫度越高，其氣調包裝達到內外平衡狀態的時間越短，同時溫度也會對氣調包裝平衡狀態的維持時間產生影響[4]，呼吸速率和溫度間的關系可以用下式表示：

式中：Q10為溫度系數，是指保存溫度每增加10℃時果蔬呼吸速率和之前溫度呼吸速率的比值；T1為最低溫度，℃；T2為最高溫度，℃；R1為最低溫度時的呼吸速率，mL/（kg·h）；R2為最高溫度時的呼吸速率，mL/（kg·h）。一般來講，溫度越低，Q10越大。

1.2 采摘后果蔬的蒸騰作用

蒸騰作用（Transpiration）是指植物體內水分會有一部分流失到空氣中，若流失的水分過多，會造成植物失鮮，影響植物外觀及口感。果蔬蒸騰作用主要受以下幾個方面影響：①果蔬自身因素。種類、結構、成熟度不同的果蔬其蒸騰作用也會不同，同時若果蔬發生物理損傷或蟲害侵蝕，其損傷局部區域蒸騰作用也會增加；②環境因素。環境溫度、空氣濕度、周圍氣體流速對果蔬蒸騰作用也會產生一定影響。

2 果蔬氣調包裝呼吸和蒸發速率模型的建立

2.1 果蔬呼吸作用模型的建立

果蔬發生呼吸作用實質是酶促反應，若果蔬的酶促反應根據其自身特性有一個極限值，同時假設理想條件下呼吸作用只與周圍氧濃度有關，則果蔬呼吸作用可用下式表示：

式中：R為果蔬呼吸速率，mg（μL）/（h·g）；[O2]為密封塑料包裝袋內部氧濃度，Pa/cm2；Vm為果蔬極限酶促反應下的呼吸速率，mg（μL）/（h·g）；Km為米氏常數。上式可以理解為氧氣與植物呼吸速率間的關系，但忽略了呼吸作用植物釋放二氧化碳對呼吸速率的影響。將此因素考慮在內后可變形為以下形式：

式中：R表示二氧化碳抑制呼吸作用。[CO2]為密封塑料包裝袋內部二氧化碳濃度，Pa/cm2。

2.2 果蔬蒸騰作用模型的建立

植物的呼吸作用會導致熱量散失，而包裝果蔬產品由于包裝的阻隔作用導致其與外界熱量交換作用較小，包裝內的能量守恒可理解為：果蔬呼吸產生的熱量為果蔬自身吸收熱量、包裝內水蒸氣蒸發吸收熱量、包裝內氣體吸收熱量、包裝本身吸收熱量和包裝與外界熱量交換作用吸收熱量的總和。因此果蔬呼吸產生的熱量用Qr表示：

式中：WP為果蔬質量，g；Q為呼吸方程中產生熱量，J；Qr為果蔬呼吸產生的熱量，J；R為果蔬呼吸速率，mg（μL）/（h·g）。

果蔬自身吸收熱量Qa、包裝內水蒸氣蒸發吸收熱量Qb、包裝內氣體吸收熱量Qc、本身吸收熱量用Qd、包裝與外界熱量交換作用吸收熱量用Qe表示為：

式中：Cp為果蔬比熱，J/（g·℃）；Tp為果蔬溫度，℃；Lm為果蔬水蒸發速度，g/（cm2·s）；λ為果蔬蒸發吸熱系數，[J/（m2·k·s0.5）]；Ws為包裝內氣體質量，g；Cs為包裝內氣體比熱，J/（g·℃）；Ts為包裝內氣體溫度，℃；Wf為包裝材料質量，g；Cf為包裝材料比熱，J/（g·℃）；Tf為包裝材料溫度，℃；i為氣體分子自由度；k為博爾茨曼常數；T外界環境溫度，℃。

3果蔬氣調包裝計算機輔助設計過程

3.1 果蔬氣調包裝計算機輔助設計思路

建立的果蔬氣調包裝呼吸速率數學模型和蒸發速率數學模型的指導思想下，結合計算機輔助設計，得出果蔬氣調包裝計算機輔助設計流程圖如圖1所示。

圖1 果蔬氣調包裝計算機輔助設計流程圖Fig.1 The flowchartof computer aided design formodified atm osphere packaging

果蔬氣調包裝計算機輔助系統主要功能包括：建立果蔬產品氣調包裝呼吸速率數學模型數據庫，包括果蔬產品在不同環境溫度和氣體濃度條件下的呼吸速度和呼吸商。建立果蔬產品氣調包裝蒸發速率數學模型數據庫，包括不同果蔬產品的透氣系數范圍及最佳β值，也可計算薄膜厚度或包裝氣體交換面積。當果蔬產品β值與數據庫中不符，可計算出薄膜穿孔參數。可對數據庫不包含的薄膜部分基本參數能否用于氣調包裝進行簡單判斷，根據選定薄膜材料，模擬氣調包裝內部不同氣體濃度變化特征，計算平衡時間。

3.2 果蔬氣調包裝計算機輔助設計仿真試驗

選用普通白菜是菜農于當天凌晨4時左右于田地里采摘，無病蟲害侵蝕、無機械損傷、菜體新鮮，色澤鮮綠，小心洗凈后瀝干水漬，采用聚丙烯塑料薄膜作為包裝材料將其進行密封包裝，厚度為36μm，氧氣透氣系數為1 563mL·μm/（m2·h·0.1MPa），二氧化碳透氣系數為4 121mL·μm/（m2·h·0.1MPa），大小為25 cm× 35 cm。在確保薄膜袋氣密性良好的前提下，貼上一張直徑為10mm的硅膠墊，每天同一時間小心揭開硅膠墊處扎孔抽取密封袋中1mL氣體測定氧氣和二氧化碳體積分數，得到氧氣和二氧化碳體積分數變化如圖2所示。同時得到果蔬氣調包裝計算機輔助系統的模擬結果如圖3所示。

圖2 果蔬氣調包裝袋內氣體體積分數變化Fig.2 Thevariation of gascom positions inside thepackage

圖3 計算機輔助設計模擬氣體體積分數變化Fig.3 Thevariation ofgascompositions for computer aided design sim ulate

對比圖2和圖3可知，試驗得出的氧氣和二氧化碳體積分數隨時間變化趨勢與通過果蔬氣調包裝計算機輔助系統模擬生成的結果基本相同，初步證明了該系統的可行性。

4 結論

本文建立了果蔬氣調包裝呼吸速率數學模型和蒸發速率數學模型，將果蔬氣調包裝的相關參數信息進行有效整合保存進數據庫，并在此基礎上研究果蔬氣調包裝計算機輔助設計的方法，優化設計流程，為未來果蔬氣調包裝的設計提供有效輔助方案。

[1 蔡瑩,盧立新.果蔬氣調保鮮包裝氣調包裝技術機理[J].現代制造,2004,33(5):37-41

[2]盧立新,蔡明.果蔬氣調包裝內相對濕度的預測模型與試驗驗證[J].農業工程學報,2007,27(5):21-26

[3]劉穎,鄔志敏,王濤,等.果蔬氣調包裝設計及貯藏期預測[J].上海理工大學學報,2007,28(6):526-530

[4] 胡紅艷,盧立新.微孔膜果蔬氣調包裝設計方法研究[J].包裝工程,2008,29(10):171-173

Development and App lication of Com puter Aided Design Software in Fruits and Vegetables M odified Atmosphere Packaging

LUAN Zhi-fu
（Weifang University ofScienceand Technology，Shouguang 262700，Shandong，China）

This paper established amathematicalmodelofmodified atmosphere packaging respiration rate and evaporation rate.We also explored the relationship between the environmental conditions and transpiration of the fruitsand vegetables.Thisarticle designed the fruitsand vegetablesmodified atmosphere packaging computeraidedmethod.

computeraidedsystem；fruitsandvegetablesmodifiedatmospherepackaging；plantrespiration rate

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.24.044

2016-06-28

欒志福（1976—），男（漢），講師，工學碩士，研究方向：計算機應用技術。