薄膜包装中果蔬呼吸强度的测定

1、第 16卷 第 5期 2000年 9月 农 业 工 程 学 报T r ansa ct ions of t he CSA E Vo l. 16 N o. 5Sept. 2000薄膜包装中果蔬呼吸强度的测定 *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

2、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 :1999-08-30修订日期 :2000-07-21 *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 , 薄膜包装中果蔬的呼吸强度是进行薄膜包装 (以下简称 M AP 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

3、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 O 2、 CO 2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 M AP 中果蔬 呼吸强度的新方法 , 对于正确进行 M AP 设计 , 普及 M AP 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

4、力 , 探 讨了 M AP 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 M AP 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 (2078 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. 03mm , 做成 15cm 15cm (表面积 450cm 2 的小袋备用。 1. 2方法将番茄单果装入薄膜小袋

5、 , 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 (100mL 。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 :Molecular sieve 5A 和 Porapak Q 并列柱 (可 同时测定气体 中 O 2, CO 2和 N 2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 O 2, CO 2和 N 2

6、3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 O 2及生成的 CO 2之间的平衡来决定。d V o =(A /L K o (P oa -P o d t -R o W d t (1 d V c =(A /L K c (P ca -P c d t +R c W d t(2 d V n =(A /L K n (P na -P n d t (3 d V s =d V o +d V c +d V n(4式中 d V o , d V c , d V n , d V s 分别表示包装中某一 时间间隔后 O 2, CO 2, N 2的体积以及总

7、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 ; K o , K c , K n 薄膜的 O 2, CO 2, N 2的气体透 ,110P ca , P na 空气中 O 2, CO 2, N 2的气体分压 , 1. 01105Pa; P o , P c , P n 包装内 O 2, CO 2, N 2的气体分 压 , 1. 01105Pa ; d t 时间间隔 , h; R o , R c 果 蔬 的 O 2消 耗 量、 CO 2生 成 量 , m L/(kg h ; W 果蔬的重量 , kg 。变化后包装中 O 2, CO 2, N 2的气体分压

8、(P oi , P ci , P ni 可以分别用各自的体积与总体积之比来表示P oi =V o /V s (5 P ci =V c /V s (6 P n i =V n /V s(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 O 2消耗量 和 CO 2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

9、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 O 2消耗量 R o 和 CO 2生成量 R c 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

10、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 d t 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 K o , K c , K n , 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

11、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 O 2, CO 2和 N 2的气体透过系数。 , 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 Flo w char t for computatio n of r espir ation ra teo f fruits and veg etables in film package1. 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. 5L 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

12、 80min 与 160min , 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R c =ct co 100 v W t R o =ot oo 100v W t式中 R c 、 R o 分别为 CO 2生成量与 O 2消耗量 , m L/(kg h ; C co 、 C oo 密闭前 (空气中 的 CO 2与 O 2浓度 , %; C ct 、 C ot 密闭 t h 后的密闭箱内的 CO 2与 O 2浓度 , %; V 密闭箱 内的容积 , mL; V v 果 蔬的体积 , m L; W 果 蔬的质量 , kg

13、; 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 O 2, CO 2和 N 2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 Arr henius 式来反映 111第 5期 徐步 前等 :薄膜包装中果蔬呼吸强度的测定个式子所示。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(K c =-3289(1/T +19. 15, r =1. 000ln(K o =-3016(1/T +17. 42, r =0. 884ln(K n =-265

14、5(1/T +15. 46, r =0. 9962. 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 O 2和 CO 2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 O 2, 引起 的 O 2体积变化率为 -2. 7-2. 1mL/h, 整个测定 期间变化幅度不太大。而由空气透过薄膜使得 O 2体积增加率从开始的 0. 4mL/h 急剧增加到 12h 的 2. 1m L/h, 到达高峰后 , 缓慢下降 , 趋于平衡。两者 综合

15、的结果 , 包装内的 O 2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 O 2, CO 2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 Chang es in vo lume o f O 2or CO 2and the relationship betw een the film permeat ion and t he respira tio n t hat ca used vo lume chang e r ate asin pouch packed tomat o fr uit at 20这可理解为刚密封后 , 包装内外的

16、O 2分压差较小 , 呼吸引起的 O 2消耗速度远大于由气体透过 进入包装 O 2的增加速度。 因此表现出 O 2体积净减 少速度的最大值。随着包装内外 O 2分压差的逐渐 , 渐提高 , 到包装后 36h , O 2的透过和袋内消耗的速 度达到一致 , 表现出包装内的 O 2体积无增减。尔 后 , 由于呼吸消耗的 O 2略大于透进包装内的 O 2, 使 得 O 2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 CO 2的收支情况。 由于密封初期包装内外的 CO 2分压差小 , 表现出单 位时间内由薄膜向外透出的 CO 2量先少后多 , 综合 由呼吸生成的 CO 2变

17、化率 , 袋中净 CO 2体积增加速 度先快后慢。 包装内 CO 2的体积积累在 11h 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 M AP 条件下 O 2、 CO 2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。O 2, CO 2和 N 23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

18、也增大。 由于 CO 2与 O 2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 Arr henius 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 O 2消 耗量与 CO 2生成量分别为 6. 0与 5. 0m L/(kg h , 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

19、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 CO 2由袋内向外、 O 2由外向内 移动。随着时间的推移 , 密闭容器中的 CO 2浓度逐 渐升高 , 而 O 2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、 112农业工程学报 2000年 图 3新法与密闭法的比较F ig . 3 Comp

20、arison between new methodand closed met ho d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 M AP 条件下果蔬的实际呼吸强度。3结论1 本方法在 M AP 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 O 2, CO 2和N 23种气体的收支平衡 , 据此测算得到的数值能客

21、 观反映 M AP 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 M AP 设计及 加快 M AP 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. 18:981042 Fo rney C F, Rij R E and Ro ss S R. M easurement ofbr occoli r espirat io

22、n r ate in film-w r apped packag es. Ho rtSci, 1989, 24:1111133 T alasila P C and Camer on A C . F r ee vo lume changesin mo dified -a tmosphere packa ges containing fresh pr oduce:M easurement and co ntro l. Hor tSci, 1995, 30(4 :8174 Ex ama A , A r ul J , L encki R W , et al . Suitabilit y ofplast

23、ic films fo r modified at mosphere packaging of fr uits and veg etables. J F oo d Sci, 1993, 58(6 :13651370Measurement of Respiration Rate of Fruits and Vegetables in Modified Atmosphere PackagingXu Buqian Yu Xiaolin(South China A gr icultur al U nivers ity , Guangz hou 510642Abstract :A new m ethod fo r m easuring respiration rate of fruits and veg etables in modified atm osphere packag ing (M AP w as pro posed and the comparis