薄膜包装中果蔬呼吸强度的测定.pdf

第16卷 第5期 2000年9月 农 业 工 程 学 报 T ransactions of the CSA E Vol . 16 No. 5 Sept. 2000 薄膜包装中果蔬呼吸强度的测定3 徐步前 余小林 (华南农业大学) 摘 要:对薄膜包装果蔬的呼吸强度提出了新的测定方法,并与传统的密闭测定法进行了比较。 新的测定法将包装 系统中果蔬的呼吸与薄膜的气体透过同时加以考虑,先假设一系列的呼吸强度,并逐一代入气体收支平衡式,用计 算机计算气体分压,并将计算值与包装中气体分压实测值比较,用最小二乘法算出两者差的平方和最小时,所对应 假设的呼吸强度为测算得值。 结果表明,密闭法算得的结果低于新法测算的呼吸强度值。 可以认为新方法能适用于 包括非平衡状态的整个贮藏阶段,并能更客观地反映薄膜包装条件下果蔬的呼吸强度。 关键词:薄膜包装;果蔬;呼吸强度;气体透过 收稿日期: 1999208230 修订日期: 2000207221 3 国家教委留学回国人员科研启动资金;广东省自然科学基金资 助项目(990686) 徐步前,副教授,广州市天河五山 华南农业大学园艺系, 510642 薄膜包装中果蔬的呼吸强度是进行薄膜包装 (以下简称MA P)设计的一个重要参数,传统的测定 方法通常将包装在薄膜中的果蔬放在可开闭的密封 容器中,密闭一定时间后,根据呼吸罐中气体浓度的 变化来计算其呼吸强度(简称密闭法) 1, 2。 由于密闭 法是以系统达到平衡状态为前提,即假设果蔬的呼 吸强度与包装内外O2、CO2气体的透过速度达到一 致后进行测定的,使得该法测定值的准确性受到一 定的限制。因此,开发一种能客观反映MA P中果蔬 呼吸强度的新方法,对于正确进行MA P设计,普及 MA P技术在果蔬保鲜中的应用,具有重要意义。 本文以番茄为供试材料,在包装系统中同时考 虑果蔬的呼吸作用与薄膜气体透过的相互关系,利 用数理解析法及计算机的高速运算能力,探讨了 MA P中果蔬呼吸新的测定方法(简称新法)。并将 新法与密闭测定法作了比较,讨论了新法在MA P 设计中的应用前景。 1 材料与方法 1. 1 材料 用作实验材料的番茄果实,成熟度为7分着色 果,平均果重 (207 8) g。采收后的番茄经挑选,将 大小、 果色基本一致,无外伤的果实放入设定为实验 温度的恒温箱,使品温恒定后,于次日包装供试。 薄膜包装材料采用日本产低密度聚乙烯 (LDPE)薄膜(厚度0. 03 mm ), 做成15 cm15 cm (表面积450 cm 2)的小袋备用。 1. 2 方法 将番茄单果装入薄膜小袋,热焊封口,为了统一 袋内的初始空气量,先将袋中气体抽空,再用注射器 注入定量空气(100 mL)。 将袋装密封后的番茄放在5、10、15、20、25、 30的恒温箱中,分别用新法和密闭法,测定其呼吸 强度。每种温度重复2次。气样分析用日本岛津 GC14A气相色谱仪,色谱柱:M olecular sieve 5A和 Porapak Q并列柱(可同时测定气体中O2, CO2和 N2的浓度)。载气:氦气。柱温: 80。热导池检测器 温度: 100。 1. 2. 1 新法测定呼吸强度 在包装系统中以O2, CO2和N23种气体为对 象。某一时间间隔后包装中气体体积的变化由包装 内外气体分压差所导致的气体移动与果蔬呼吸消耗 的O2及生成的CO2之间的平衡来决定。 dVo=(AL)Ko(Poa-Po )d t-RoWdt(1) dVc=(AL)Kc(Pca-Pc )d t+RcWdt(2) dVn=(AL)Kn(Pna-Pn )d t(3) dVs= dVo+ dVc+ dVn(4) 式中 dVo, dVc, dVn, dVs 分别表示包装中某一 时间间隔后O2,CO2,N2的体积以及总体积的变化, m 3; A 薄膜小袋的表面积,m 2; L 薄膜的厚 度,m;Ko,Kc,Kn 薄膜的O2,CO2,N2的气体透 过系数, (mL m ) (m 2 24 h1. 01105Pa);Poa, 011 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. Pca,Pna 空气中O2,CO2,N2的气体分压, 1. 01 105Pa;Po,Pc,Pn 包装内O2,CO2,N2的气体分 压, 1. 01105Pa; dt 时间间隔, h;Ro,Rc 果 蔬 的O2消 耗 量、CO2生 成 量,mL (kg h); W 果蔬的重量, kg。 变化后包装中O2,CO2,N2的气体分压(Poi,Pci, Pni)可以分别用各自的体积与总体积之比来表示 Poi=VoVs(5) Pci=VcVs(6) Pni=VnVs(7) 从式(1)(3)可知,如果知道薄膜的气体透过 系数,即可算出由薄膜透过引起的气体浓度变化,这 个浓度与包装内气体浓度的实测值的差,可以认为 是由果蔬呼吸引起的浓度变化。如果定时分析包装 内的气体浓度,进行连续反复对比,就可以推算出在 变化中的气体组成环境下果蔬呼吸时的O2消耗量 和CO2生成量。因为柔性包装内外压强可以看作一 致,本实验把包装内的总压强作为1个大气压。 将测 得的各气体浓度统一换算成分压代入公式计算。 由于果蔬的呼吸作用以及通过薄膜的气体移 动,各气体的体积及包装内气体的总体积都在不断 变化,因此不能直接用上式简单地算出呼吸强度。 在 此,先假设O2消耗量Ro和CO2生成量Rc为已知, 将其暂定值代入(1)、(2)式,并联立(1)(3)式计 算,算出各气体分压的计算值(式(5) (7), 然后再 与包装内气体浓度(分压)的实际测定值相比较,求 出两者之差的平方。 如此不断改换不同的暂定值,连 续代入公式进行反复计算,使差的平方逐步变小。 当 达到最小值时,对应的暂定值就作为所求的呼吸强 度。即用最小二乘法,测算出果蔬的真实呼吸强度。 全部计算用自编程序,利用计算机的高速运算能力 完成。如果以dt为时间间隔,逐次测定包装袋内的 气体浓度(分压 ), 用同样的方法,就可推算出包装后 不同阶段的果蔬的呼吸强度值。其流程图见图1。 当薄膜小袋未装果蔬,仅充入某一气体时,则透 过薄膜的气体移动,可用式(1)(3)中去掉呼吸项 后的式子来表示。求算式中薄膜的气体透过系数 Ko,Kc,Kn,同样可假定一个暂定值范围,逐个代入 公式(不包括呼吸项)计算,将小袋中气体分压的实 测值与计算值比较,用最小二乘法可算出薄膜的气 体透过系数。本实验在10, 20, 25, 30的温度下,先 测得LDPE薄膜的O2,CO2和N2的气体透过系数。 通过A rrhenius式找出透过系数与温度的关系,并 求得本实验温度范围的气体透过系数。 图1 薄膜包装中果蔬呼吸强度的计算程序流程图 Fig. 1 Flow chart for computation of respiration rate of fruits and vegetables in film package 1. 2. 2 密闭法测定呼吸强度 将薄膜单果包装的番茄放进容积为1. 5 L的塑 料呼吸箱,加盖密闭。再将呼吸箱放在530与新 测定法相同的温度条件中,每隔80m in与160m in, 用注射器抽取呼吸箱中的气样,测定气体组成(方法 同上)。 每次反复2次,取其平均值计算呼吸强度。 计 算公式如下 Rc= (Cct-Cco) 100 (V-Vv) Wt Ro= (Cot-Coo) 100 (V-Vv) Wt 式中 Rc、Ro 分别为CO2生成量与O2消耗量, mL (kg h);Cco、Coo 密闭前(空气中)的CO2 与O2浓度, %;Cct、Cot 密闭th后的密闭箱内的 CO2与O2浓度, %;V 密闭箱内的容积,mL; Vv 果蔬的体积,mL;W 果蔬的质量, kg; t 密闭时间, h。 2 结果与讨论 2. 1 薄膜的气体透过系数 本实验对LDPE薄膜袋采用气体注入法,测算 其气体透过系数,发现O2, CO2和N2的气体透过系 数的对数值与绝对温度的倒数 (1 T)之间具有很 高的线性相关关系,因而可用A rrhenius式来反映 LDPE薄膜气体透过系数与温度的关系,如下面3 111 第5期徐步前等:薄膜包装中果蔬呼吸强度的测定 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 个式子所示。用该式即可求得在任意温度下LDPE 的3种气体的透过系数。 ln ( Kc ) = - 3289(1T) + 19. 15, r= 1. 000 ln ( Ko ) = - 3016(1T) + 17. 42,r= 0. 884 ln ( Kn ) = - 2655(1T) + 15. 46,r= 0. 996 2. 2 薄膜袋中的气体体积变化 以20贮藏为例,番茄果实在薄膜包装中O2 和CO2的气体体积变化,如图2所示。为了便于比 较呼吸与透过引起的气体增减量,将2个测定点之 间算得的气体体积变化换算成单位时间的体积变化 率。从图 2a 可知,由番茄果实的呼吸消耗O2,引起 的O2体积变化率为- 2. 7- 2. 1 mL h, 整个测定 期间变化幅度不太大。而由空气透过薄膜使得O2 体积增加率从开始的0. 4mLh急剧增加到12 h的 2. 1 mL h, 到达高峰后,缓慢下降,趋于平衡。两者 综合的结果,包装内的O2体积开始减少得很快,尔 后变化率趋于平缓。 图2 20番茄果实的薄膜包装中O2,CO2气体 的体积变化及薄膜透过与呼吸引起的 气体体积增减量的关系 Fig. 2 Changes in volume of O2or CO2and the relationship between the film permeation and the respiration that caused volume change rate as in pouch packed tomato fruit at 20 这可理解为刚密封后,包装内外的O2分压差 较小,呼吸引起的O2消耗速度远大于由气体透过 进入包装O2的增加速度。因此表现出O2体积净减 少速度的最大值。随着包装内外O2分压差的逐渐 增大,由薄膜透过进入包装内O2的增加速度也逐 渐提高,到包装后36 h,O2的透过和袋内消耗的速 度达到一致,表现出包装内的O2体积无增减。尔 后,由于呼吸消耗的O2略大于透进包装内的O2,使 得O2的体积缓慢减少,进入相对稳定阶段。 同样,从图 2b 可看出包装中CO2的收支情况。 由于密封初期包装内外的CO2分压差小,表现出单 位时间内由薄膜向外透出的CO2量先少后多,综合 由呼吸生成的CO2变化率,袋中净CO2体积增加速 度先快后慢。 包装内CO2的体积积累在11 h达到高 峰后由于透出的量大于呼吸生成的量,因此逐渐减 少。从图2可清楚地反映出,在MA P条件下O2、 CO2的体积变化是由果蔬的呼吸与薄膜的透气两方 面共同作用的结果。 O2,CO2和N23种气体的体积相加即为包装中 气体体积的总和。各温度区番茄包装内气体的体积 变化情况的试验测定表明:随着时间的推移,各温度 区的包装体积都呈下降趋势。并且温度越高体积下 降速度也越快。 另外,由于温度升高番茄呼吸强度与薄膜的透 气性都呈上升趋势,一定时间内包装内外气体交换 的量也增大。由于CO2与O2的气体移动速度差,造 成从内向外的移动量大于从外向内的移动量,所以 温度越高包装袋体积的缩小越快的结果也就不难理 解了3, 4。 2. 3 新法与密闭法的比较 为了便于比较新法与密闭法两种方法算得的结 果,用A rrhenius图分别表示各自的结果于图3。从 图中可以看出,用传统的密闭法测得的呼吸强度比 新法要低。例如,在5的条件下,新法算得的O2消 耗量与CO2生成量分别为6. 0与5. 0 mL(kgh ), 而密闭法的测定值分别只有它的53%与71%。 两种方法所得结果的差异,可以从各自不同的 测定原理来解释。密闭法是建立在假定单位时间内 从薄膜袋中透出的气体量即为包装袋中果蔬的呼吸 强度这一前提下的。 由于果蔬的呼吸,袋内外存在着 气体的分压差,使得CO2由袋内向外、O2由外向内 移动。随着时间的推移,密闭容器中的CO2浓度逐 渐升高,而O2浓度逐渐降低,经过一段时间,这种 气体的移动达到平衡状态后,即认为薄膜袋外密闭 容器中的气体浓度的变化可以较好地反映果蔬的呼 吸强度。但是,在达到平衡状态前,测得的呼吸强度 显然比实际值要低。 由于果蔬的呼吸特性根据种类、 品种、 成熟度等的不同而异,另外还受薄膜气体透过 211农业工程学报2000年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图3 新法与密闭法的比较 Fig. 3 Comparison between new method and closed method 性的影响,因此很难将达到平衡状态所需要的密闭 时间,进行指标化的确定。所以,密闭测定法中要达 到平衡状态而存在的这一时间差(滞后时间 ), 使得 其测定值必然小于实际的呼吸强度。而新法直接抽 测袋中各个气体的分压,通过与最小二乘法算得的 气体分压计算值的比较,所得到的呼吸强度值能更 客观地反映MA P条件下果蔬的实际呼吸强度。 3 结 论 1) 本方法在MA P体系内同时考虑了果蔬的 呼吸作用与薄膜的透气性两个因素引起O2,CO2和 N23种气体的收支平衡,据此测算得到的数值能客 观反映MA P条件下果蔬的呼吸强度。 2) 新方法由于可在包装后任意时间抽取气样, 通过气体浓度实测值与计算值的比较算出呼吸强 度,因此适用于包括非平衡状态在内的任何阶段。 3) 本方法的建立为完善果蔬的MA P设计及 加快MA P的商业性推广应用提供有用的手段。 参 考 文 献 1 伊藤和彦,木通元淳一,李里特等.利用各种薄膜的绿头 芦笋包装贮藏.日本食品低温保藏学会志, 1992. 18: 98104 2 Forney C F, R ij R E and Ross S R. M easurement of broccoli respiration rate in film2w rapped packages . HortSci, 1989, 24: 111113 3 Talasila P C and Cameron A C.Free volume changes in modified -atmosphere packages containing fresh produce: M easurement and control . HortSci, 1995, 30 (4): 817 4 Exama A , A rul J, L encki R W , et al .Suitability of plastic film s for modified atmosphere packaging of fruits and vegetables . J Food Sci, 1993, 58(6): 1365 1370 M easurement of Respiration Rate of Fruits and Vegetables in M odif ied Atmosphere Packaging Xu Buqian Yu Xiaolin (S outh China A g ricultural U niversity,Guangzhou510642) Abstract: A new method for measuring respiration rate of fruits and vegetables in modified atmosphere packaging(MA P)w as proposed and the comparison w ith traditionalmethod w asmade. The new method, considering the