射頻殺菌對PE、PP包裝材料外觀及力學性能的影響

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(1.江南大學機械工程學院,江蘇無錫 214122;2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室,江蘇無錫 214122)

射頻(Radio Frequency,RF)是一種高頻交流電磁波,其頻率范圍為3 kHz～300 MHz。射頻技術作為新興的電磁加熱技術,被認為是食品工業中最有潛力的技術之一[1]。射頻加熱過程不需要任何傳導過程,其作用機理與微波類似,然而同微波相比,射頻具有更深的穿透深度、更好的加熱均勻性、更穩定的溫度控制和更高的產品品質等優點[2]。這使射頻更具有在食品加熱殺菌上應用的優勢。

目前,射頻加熱技術主要應用于食品和農產品的加工上,用于食品和農產品加工領域的射頻加熱系統為平行極板式加熱系統。將物料置于上下兩極板之間,在交變電場的作用下,射頻能量沿垂直極板方向作用于物料[3]。射頻加熱過程主要以離子轉動生熱,電場不斷變化導致離子總是向帶有相反電荷的方向運動,使得離子間不斷碰撞摩擦生熱,將電磁能轉化為熱能[4]。

早在20世紀40年代國外學者便對射頻技術的應用進行了研究[5],近年來射頻技術已逐漸從其他領域過渡到食品或農產品的干燥、殺蟲、加熱、解凍和殺菌等方面[6]。研究發現,射頻對蔬菜粉、玉米粒、奶粉的殺菌效果顯著[7-9]。相對于傳統的熱殺菌方式而言,微生物致死率高且殺菌的時間大幅度減少。也有學者使用射頻技術針對谷類、堅果類產品進行了殺蟲研究[10-14]。射頻技術在對獼猴桃汁、蘋果、馬鈴薯等殺菌的同時,還可以保證產品的色澤不受影響[15-17]。隨著計算機技術的發展,研究者利用有限元技術模擬射頻環境下內裝物的溫度場分布,研究發現通過改變周圍的環境介質,可以有效提升內裝物的加熱均勻性,使得內裝物殺蟲、殺菌效果進一步提高[18-21]。

然而,在射頻殺菌的應用中為了避免包裝物被二次污染,射頻殺菌多采用預包裝形式進行處理。當材料和內裝物在射頻場下同時加熱時,必須考慮材料性能是否發生變化,保證包裝材料對產品的保護性能。因此研究射頻殺菌對包裝材料的影響很有必要。本文主要研究包有水、體積分數3%乙酸、體積分數15%乙醇、橄欖油四種食品模擬物的包裝件在射頻處理后,包裝材料聚乙烯薄膜(PE)、聚丙烯薄膜(PP)性能的變化情況,對指引射頻處理下包裝材料的選用具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

聚乙烯(PE)薄膜 義烏倍力熊吹膜制袋廠;聚丙烯(PP)薄膜 非凡包裝制袋;蒸餾水 無錫江大教育服務有限公司;冰醋酸、無水乙醇、橄欖油 國藥化學試劑有限公司。

射頻平行極板加熱系統 江南大學物聯網學院;KTHA-015TBS恒溫恒濕箱 上海一恒科學儀器有限公司;LRXPLUS電子材料試驗機 A trademark of AMETEK.InC;Q/ILBN2-2006CH-1-S千分臺式薄膜測厚儀 上海六菱儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 包裝材料的射頻處理 本研究主要選取應用最廣的食品包裝材料,選擇四種不同種類的食品模擬物:水、體積分數3%乙酸、體積分數15%乙醇、橄欖油。研究在不同的射頻時間后,包裝材料外觀及力學性能的變化情況。

開啟射頻實驗設備,調整極板間距為45 mm。射頻系統運行中參數如下:陽極電壓變化范圍3.356～3.521 kV；陽極電流變化范圍0.524～0.562 A；功率值約為1.759～1.979 kW。

使用PE薄膜、PP薄膜制袋(包裝袋規格170 mm×170 mm)后裝入四種食品模擬物(體積為250 mL),將裝有四種食品模擬物的包裝件分別在射頻場下處理1、2、3、5、7 min后,與未處理的對照組包裝件一同放于恒溫(25 ℃)恒濕(50%)環境下儲存24 h,使包裝件達到平衡狀態。取出包裝件,倒出食品模擬物。將包裝袋內部使用紙擦拭至不再有液體滴下,裁剪試樣。

1.2.2 外觀觀察 觀察射頻場處理0、1、2、3、5、7 min后PE、PP薄膜包裝袋的外觀變化。

1.2.3 力學性能測試 依據相關標準(GB/T 1040.3-2006)[22]裁制大小為150 mm×15 mm的試樣,相同的實驗條件下分別采取5個平行試樣。使用千分臺式測厚儀測量每個試樣的厚度。用萬能材料試驗儀固定試樣兩頭,設定夾定長度為100 mm、拉伸速度為100 mm/min,緩慢向外拉伸,當樣條斷裂時,停止測試,記錄薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率、楊氏模量。

1.3 數據處理

對所測數據使用SAS軟件進行顯著性差異分析,相同實驗條件下各取5個平行試樣測量值,數據采用平均值±標準差的形式表達。利用SAS軟件中的單因素方差分析求取P值,顯著性水平為0.05,P>0.05時,認為射頻處理下,包裝材料的力學性能隨著時間的變化并無顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 射頻處理對PE、PP包裝袋外觀的影響

圖1與圖2分別展示了對照組與射頻處理不同時間(0、1、2、3、5 min)后PE、PP包裝件外觀的變化(四種食品模擬物外觀所出現的變化相同,此處以水為例)。試驗現象:裝有四種食品模擬物的包裝材料PE、PP隨著射頻處理時間的增加,PE、PP包裝袋周邊分別在3、5 min發生熔化,袋子出現破損。除最邊緣位置出現破損現象,兩種包裝袋其余位置外觀未發生明顯變化。

圖1 裝有水的PE包裝袋射頻處理后的外觀變化Fig.1 Appearance changes after RFtreatment of PE bags filled with water注:a～e依次為對照,處理1、2、3、5 min(處理7 min樣品圖與5 min相類似),圖2同。

射頻在進行加熱殺菌中,由于包裝件薄厚不均一,存在加熱不均勻現象。在加熱過程中,在包裝件四周邊緣位置,出現溫度過高的現象,從而使得包裝件四周出現焦化現象。分析出現此類現象的原因:一方面由于在包裝件的邊角位置,除了垂直作用的電場線以外,還有從其他方向疊加而來的電場,使得邊角位置的電場強度值較高[23]。物料的加熱速率與電場強度的平方成正比,同時,物料的損耗因子會隨著溫度的升高而增大,使得包裝件的熱點位置溫度更高,從而發生熔化,使包裝袋邊角位置破損。另一方面由于包裝袋內部所包裝物品為液體食品模擬物,在軟塑包裝袋中,邊角位置厚度較薄,更容易被射頻波穿透,產熱而迅速升溫,導致過度加熱[24]。

表1 PE薄膜射頻處理不同時間后的楊氏模量Table 1 Young’s modulus of PE film after RF treatment with different time

圖2 裝有水的PP包裝袋射頻處理后的外觀變化Fig.2 Appearance changes after RFtreatment of PE bags filled with water

2.2 射頻處理對聚乙烯(PE)薄膜的力學性能的影響

根據實驗數據,得出四種食品模擬物下PE薄膜拉伸強度(圖3)和斷裂伸長率(圖4)隨著射頻處理時間變化的折線圖,表1記錄了不同時間下包裝材料的楊氏模量。從圖1、圖2及表1可以看出,在任何一種食品模擬物下,PE的拉伸強度、斷裂伸長率以及楊氏模量都未有顯著的變化趨勢。

圖3 裝有四種食品模擬物PE薄膜拉伸強度隨射頻時間的變化Fig.3 Variation of tensile strength of PE film with four food simulants as a function of RF time

圖4 裝有四種食品模擬物PE薄膜斷裂伸長率隨射頻時間的變化Fig.4 Variation of elongation at break of PE film with four food simulants as a function of RF time

使用SAS軟件進行單因素方差分析,得出在水、油、酸、醇四種食品模擬物下,PP薄膜的拉伸強度、斷裂伸長率、楊氏模量隨時間變化的P值均大于0.05,因此在四種食品模擬物下PE的拉伸強度、斷裂伸長率、楊氏模量隨著射頻時間的變化并無顯著性差異。

出現此種現象的原因,一方面可能是由于PE包裝薄膜的厚度薄,射頻波的穿透性很強,薄膜在射頻處理下直接被穿透作用于內部模擬物;另一方面,射頻作為一種新的熱處理技術,射頻加熱屬于介電加熱,具有選擇性加熱的特點,物料的介電損耗因子是影響射頻加熱速率的重要參數[24]。由于PE包裝薄膜的介電參數遠小于內部食品模擬物,因此對包裝材料的力學性能并無顯著性影響。在許多包裝安全法則上都把塑料視為優良的微波穿透材料[25],在此看來對于射頻也同樣適用。

2.3 射頻處理對聚丙烯(PP)薄膜力學性能的影響

根據試驗結果記錄不同食品模擬物下PP薄膜拉伸強度和斷裂伸長率的變化,分別取5個試樣的平均值,試驗數據如圖5、圖6、表2所示。四種食品模擬物包裝件的包裝材料拉伸強度、斷裂伸長率、楊氏模量隨著射頻處理時間的增加,并未出現顯著變化趨勢。

圖5 裝有四種食品模擬物PP薄膜拉伸強度隨射頻時間的變化Fig.5 Variation of tensile strength of PP film with four food simulants as a function of RF time

表2 PP薄膜射頻處理不同時間后的楊氏模量Table 2 Young’s modulus of PE film after RF treatment with different time

圖6 裝有四種食品模擬物PP薄膜斷裂伸長率隨射頻時間的變化Fig.6 Variation of elongation at break of PP film with four food simulants as a function of RF time

使用SAS軟件進行單因素方差分析,得出水、油、酸、醇四種食品模擬物下,PP薄膜的拉伸強度、斷裂伸長率、楊氏模量隨時間變化的P值均大于0.05,因此在四種食品模擬物下PP的拉伸強度、斷裂伸長率、楊氏模量隨著射頻時間的變化并無顯著性差異。

PP薄膜在射頻處理后的力學性能隨著時間的變化并未出現顯著性差異。與PE薄膜相似,一方面可能由于射頻的穿透強度很大,直接穿透材料內部作用于食品模擬物。另一方面,PP薄膜的介電參數遠小于四種食品模擬物。因此,包裝材料的力學性能并未出現顯著性變化。

3 結論

聚乙烯薄膜與聚丙烯薄膜是在食品包裝上應用最廣的兩種包裝材料。四種食品模擬物包裝件在射頻處理后,PE、PP包裝袋邊角位置出現焦化現象。因此在對液體包裝件進行射頻處理時,應該注意選擇耐高溫性能較好的包裝材料,以免包裝件外部受到損傷。通過以上研究可以得知,射頻處理對裝有食品模擬物的包裝薄膜PE、PP拉伸強度、斷裂伸長率以及楊氏模量并沒有顯著的影響。因此,在短時間的射頻處理環境下,內裝物的品質不會因為外部包裝材料力學性能的改變而受到影響。