1、第 16卷 第 5期 2000年 9月 農 業 工 程 學 報T r ansa ct ions of t he CSA E Vo l. 16 N o. 5Sept. 2000薄膜包裝中果蔬呼吸強度的測定 *徐步前 余小林(華南農業大學 摘要 :對薄膜包裝果蔬的呼吸強度提出了新 的測定方法 , 并與傳統的密閉測定法進行了比較。 新的測定法將包裝 系統中果蔬的呼吸與薄膜的氣體透過同時加 以考慮 , 先假 設一系列的呼吸強 度 , 并逐一 代入氣體收支平衡式 , 用計 算機計算氣體分壓 , 并將計算值與包裝中氣體分壓實測值 比較 , 用最 小二乘法算出兩者 差的平方和最小時 , 所對應 假設的呼吸強

2、度為測算得值。 結果表明 , 密閉法算得的結果低于新法測算的呼吸強度值。 可以認為新方法能適用于 包括非平衡狀態的整個貯藏階段 , 并能更客觀地反映薄膜包裝條件下果蔬的呼吸強度。 關鍵詞 :薄膜包裝 ; 果蔬 ; 呼吸強度 ; 氣體透過收稿日期 :1999-08-30修訂日期 :2000-07-21 *國家教委留學回國 人員科研啟動資金 ; 廣東 省自然科學基金 資助項目 (990686徐 步前 , 副教 授 , 廣州 市天 河五 山 華南農 業大 學 園藝 系 , 薄膜包裝中果蔬的呼吸強度是進行薄膜包裝 (以下簡稱 M AP 設計的一個重要參數 , 傳統的測定 方法通常將包裝在薄膜中的果蔬放

3、在可開閉的密封 容器中 , 密閉一定時間后 , 根據呼吸罐中氣體濃度的 變化來計算其呼吸強度 (簡稱密閉法 1, 2。 由于密閉 法是以系統達到平衡狀態為前提 , 即假設果蔬的呼 吸強度與包裝內外 O 2、 CO 2氣體的透過速度達到一 致后進行測定的 , 使得該法測定值的準確性受到一 定的限制。 因此 , 開發一種能客觀反映 M AP 中果蔬 呼吸強度的新方法 , 對于正確進行 M AP 設計 , 普及 M AP 技術在果蔬保鮮中的應用 , 具有重要意義。本文以番茄為供試材料 , 在包裝系統中同時考 慮果蔬的呼吸作用與薄膜氣體透過的相互關系 , 利 用數 理解析法 及計算機 的高速 運算 能

4、力 , 探 討了 M AP 中果蔬呼吸新的測定方法 (簡稱新法 。并將 新法與密閉測定法作了比較 , 討論了新法在 M AP 設計中的應用前景。1材料與方法1. 1材料用作實驗材料的番茄果實 , 成熟度為 7分著色 果 , 平均果重 (207±8 g 。采收后的番茄經挑選 , 將 大小、 果色基本一致 , 無外傷的果實放入設定為實驗 溫度的恒溫箱 , 使品溫恒定后 , 于次日包裝供試。薄 膜 包 裝 材 料 采 用 日 本 產 低 密 度 聚 乙 烯 (LDPE 薄膜 (厚度 0. 03mm , 做成 15cm ×15cm (表面積 450cm 2 的小袋備用。 1. 2方

5、法將番茄單果裝入薄膜小袋 , 熱焊封口 , 為了統一 袋內的初始空氣量 , 先將袋中氣體抽空 , 再用注射器 注入定量空氣 (100mL 。將袋 裝 密封 后的 番 茄 放在 5、 10、 15、 20、 25、 30的恒溫箱中 , 分別用新法和密閉法 , 測定其呼吸 強度。每種溫度重復 2次。氣樣分析用 日本島津 GC14A 氣相色譜儀 , 色譜柱 :Molecular sieve 5A 和 Porapak Q 并列柱 (可 同時測定氣體 中 O 2, CO 2和 N 2的濃度 。載氣 :氦氣。 柱溫 :80。 熱導池檢測器 溫度 :100。1. 2. 1新法測定呼吸強度在包裝系統中以 O

6、2, CO 2和 N 23種 氣體為對 象。某一時間間隔后包裝中氣體體積的變化由包裝 內外氣體分壓差所導致的氣體移動與果蔬呼吸消耗 的 O 2及生成的 CO 2之間的平衡來決定。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 分別表示包裝中某一 時間間隔后 O 2, CO

7、2, N 2的體積以及總體積的變化 , m 3; A 薄膜小袋的表面積 , m 2; L 薄膜的厚 度 , m ; K o , K c , K n 薄膜的 O 2, CO 2, N 2的氣體透 ,110P ca , P na 空氣中 O 2, CO 2, N 2的氣體分壓 , 1. 01×105Pa; P o , P c , P n 包裝內 O 2, CO 2, N 2的氣體分 壓 , 1. 01×105Pa ; d t 時間間隔 , 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 。變化后

8、包裝中 O 2, CO 2, N 2的氣體分壓 (P oi , P ci , P ni 可以分別用各自的體積與總體積之比來表示P oi =V o /V s (5 P ci =V c /V s (6 P n i =V n /V s(7從式 (1 (3 可知 , 如果知道薄膜的氣體透過 系數 , 即可算出由薄膜透過引起的氣體濃度變化 , 這 個濃度與包裝內氣體濃度的實測值的差 , 可以認為 是由果蔬呼吸引起的濃度變化。如果定時分析包裝 內的氣體濃度 , 進行連續反復對比 , 就可以推算出在 變化中的氣體組成環境下果蔬呼吸時的 O 2消耗量 和 CO 2生成量。 因為柔性包裝內外壓強可以看作一 致

9、, 本實驗把包裝內的總壓強作為 1個大氣壓。 將測 得的各氣體濃度統一換算成分壓代入公式計算。由于果蔬的呼吸作 用以及通過薄膜的氣體移 動 , 各氣體的體積及包裝內氣體的總體積都在不斷 變化 , 因此不能直接用上式簡單地算出呼吸強度。 在 此 , 先假設 O 2消耗量 R o 和 CO 2生成量 R c 為已知 , 將其暫定值代入 (1 、 (2 式 , 并聯立 (1 (3 式計 算 , 算出各氣體分壓的計算值 (式 (5 (7 , 然后再 與包裝內氣體濃度 (分壓 的實際測定值相比較 , 求 出兩者之差的平方。 如此不斷改換不同的暫定值 , 連 續代入公式進行反復計算 , 使差的平方逐步變小

10、。 當 達到最小值時 , 對應的暫定值就作為所求的呼吸強 度。即用最小二乘法 , 測算出果蔬的真實呼吸強度。 全部計算用自編程序 , 利用計算機的高速運算能力 完成。如果以 d t 為時間間隔 , 逐次測定包裝袋內的 氣體濃度 (分壓 , 用同樣的方法 , 就可推算出包裝后 不同階段的果蔬的呼吸強度值。其流程圖見圖 1。當薄膜小袋未裝果蔬 , 僅充入某一氣體時 , 則透 過薄膜的氣體移動 , 可用式 (1 (3 中去掉呼吸項 后的式子來表示。求算 式中薄膜的氣體透過系數 K o , K c , K n , 同樣可假定一個暫定值范圍 , 逐個代入 公式 (不包括呼吸項 計算 , 將小袋中氣體分壓

11、的實 測值與計算值比較 , 用最小二乘法可算出薄膜的氣 體透過系數。 本實驗在 10, 20, 25, 30的溫度下 , 先 測得 LDPE 薄膜的 O 2, CO 2和 N 2的氣體透過系數。 , 求得本實驗溫度范圍的氣體透過系數。圖 1薄膜包裝中果蔬呼吸強度的計算程序流程圖 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密閉法測定呼吸強度將薄膜單果包裝的番茄放進容積為 1. 5L 的塑 料呼吸箱 , 加蓋密閉。 再將呼吸箱

12、放在 530與新測定法相同的溫度條件中 , 每隔 80min 與 160min , 用注射器抽取呼吸箱中的氣樣 , 測定氣體組成 (方法 同上 。 每次反復 2次 , 取其平均值計算呼吸強度。 計 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 分別為 CO 2生成量與 O 2消耗量 , m L/(kg h ; C co 、 C oo 密閉前 (空氣中 的 CO 2與 O 2濃度 , %; C ct 、 C ot 密閉 t h 后的密閉箱內的 CO 2與 O 2濃度 , %; V 密閉箱 內的容積 , mL; V v 果 蔬的

13、體積 , m L; W 果 蔬的質量 , kg ; t 密閉時間 , h 。2結果與討論2. 1薄膜的氣體透過系數本實驗對 LDPE 薄膜袋采用氣體注入法 , 測算 其氣體透過系數 , 發現 O 2, CO 2和 N 2的氣體透過系 數的對數值與絕對溫度的倒數 (1/T 之間具有很 高的線性相關關系 , 因而可用 Arr henius 式來反映 111第 5期 徐步 前等 :薄膜包裝中果蔬呼吸強度的測定個式子所示。用該式即可求得在任意溫度下 LDPE 的 3種氣體的透過系數。ln(K c =-3289(1/T +19. 15, r =1. 000ln(K o =-3016(1/T +17. 4

14、2, r =0. 884ln(K n =-2655(1/T +15. 46, r =0. 9962. 2薄膜袋中的氣體體積變化以 20貯藏為例 , 番茄 果實在薄膜包 裝中 O 2和 CO 2的氣體體積變化 , 如圖 2所示。為了便于比 較呼吸與透過引起的氣體增減量 , 將 2個測定點之 間算得的氣體體積變化換算成單位時間的體積變化 率。從圖 2a 可知 , 由番茄果實的呼吸消耗 O 2, 引起 的 O 2體積變化率為 -2. 7-2. 1mL/h, 整個測定 期間變化幅度不太大。而由空氣透過薄膜使得 O 2體積增加率從開始的 0. 4mL/h 急劇增加到 12h 的 2. 1m L/h, 到

15、達高峰后 , 緩慢下降 , 趨于平衡。兩者 綜合的結果 , 包裝內的 O 2體積開始減少得很快 , 爾 后變化率趨于平緩。圖 2 20番茄果實的薄膜包裝中 O 2, CO 2氣體的體積變化及薄膜透過與呼吸引 起的氣體體積增減量的關系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

16、 at 20這可理解為剛密封后 , 包裝內外的 O 2分壓差較小 , 呼吸引起的 O 2消耗速度遠大于由氣體透過 進入包裝 O 2的增加速度。 因此表現出 O 2體積凈減 少速度的最大值。隨著包裝內外 O 2分壓差的逐漸 , 漸提高 , 到包裝后 36h , O 2的透過和袋內消耗的速 度達到一致 , 表現出包裝內的 O 2體積無增減。爾 后 , 由于呼吸消耗的 O 2略大于透進包裝內的 O 2, 使 得 O 2的體積緩慢減少 , 進入相對穩定階段。同樣 , 從圖 2b 可看出包裝中 CO 2的收支情況。 由于密封初期包裝內外的 CO 2分壓差小 , 表現出單 位時間內由薄膜向外透出的 CO

17、2量先少后多 , 綜合 由呼吸生成的 CO 2變化率 , 袋中凈 CO 2體積增加速 度先快后慢。 包裝內 CO 2的體積積累在 11h 達到高 峰后由于透出的量大于呼吸生成的量 , 因此逐漸減 少。從圖 2可清楚 地反映出 , 在 M AP 條件下 O 2、 CO 2的體積變化是由果蔬的呼吸與薄膜的透氣兩方 面共同作用的結果。O 2, CO 2和 N 23種氣體的體積相加即為包裝中 氣體體積的總和。各溫度區番茄包裝內氣體的體積 變化情況的試驗測定表明 :隨著時間的推移 , 各溫度 區的包裝體積都呈下降趨勢。并且溫度越高體積下 降速度也越快。另外 , 由于溫度升高番茄呼吸強度與薄膜的透 氣性都

18、呈上升趨勢 , 一定時間內包裝內外氣體交換 的量也增大。 由于 CO 2與 O 2的氣體移動速度差 , 造 成從內向外的移動量大于從外向內的移動量 , 所以 溫度越高包裝袋體積的縮小越快的結果也就不難理 解了 3, 4。2. 3新法與密閉法的比較為了便于比較新法與密閉法兩種方法算得的結 果 , 用 Arr henius 圖分別表示各自的結果于圖 3。從 圖中可以看出 , 用傳統的密閉法測得的呼吸強度比 新法要低。 例如 , 在 5的條件下 , 新法算得的 O 2消 耗量與 CO 2生成量分別為 6. 0與 5. 0m L/(kg h , 而密閉法的測定值分別只有它的 53%與 71%。兩種方法

19、所得結果的差異 , 可以從各自不同的測定原理來解釋。密閉法是建立在假定單位時間內 從薄膜袋中透出的氣體量即為包裝袋中果蔬的呼吸 強度這一前提下的。 由于果蔬的呼吸 , 袋內外存在著 氣體的分壓差 , 使得 CO 2由袋內向外、 O 2由外向內 移動。隨著時間的推移 , 密閉容器中的 CO 2濃度逐 漸升高 , 而 O 2濃度逐漸降低 , 經過一段時間 , 這種 氣體的移動達到平衡狀態后 , 即認為薄膜袋外密閉 容器中的氣體濃度的變化可以較好地反映果蔬的呼 吸強度。但是 , 在達到平衡狀態前 , 測得的呼吸強度 顯然比實際值要低。 由于果蔬的呼吸特性根據種類、 112農業工程學報 2000年 圖

20、 3新法與密閉法的比較F ig . 3 Comparison between new methodand closed met ho d性的影響 , 因此很難將達到平衡狀態所需要的密閉時間 , 進行指標化的確定。所以 , 密閉測定法中要達 到平衡狀態而存在的這一時間差 (滯后時間 , 使得 其測定值必然小于實際的呼吸強度。而新法直接抽 測袋中各個氣體的分壓 , 通過與最小二乘法算得的 氣體分壓計算值的比較 , 所得到的呼吸強度值能更 客觀地反映 M AP 條件下果蔬的實際呼吸強度。3結論1 本方法在 M AP 體系內同時考慮了果蔬的 呼吸作用與薄膜的透氣性兩個因素引起 O 2, CO 2和N

21、23種氣體的收支平衡 , 據此測算得到的數值能客 觀反映 M AP 條件下果蔬的呼吸強度。2 新方法由于可在包裝后任意時間抽取氣樣 , 通過氣體濃度實測值與計算值的比較算 出呼吸強 度 , 因此適用于包括非平衡狀態在內的任何階段。3 本方法的建立為完善果蔬 的 M AP 設計及 加快 M AP 的商業性推廣應用提供有用的手段。參考文獻 1 伊藤和彥 , 木 通 元淳一 , 李里 特等 . 利 用各種薄膜 的綠頭蘆筍包 裝貯藏 . 日本 食品 低溫 保藏學 會志 , 1992. 18:981042 Fo rney C F, Rij R E and Ro ss S R. M easurement

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23、l . Suitabilit y ofplastic 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 compar