果蔬氣調(diào)包裝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)及應(yīng)用

欒志福

（濰坊科技學(xué)院，山東壽光262700）

果蔬氣調(diào)包裝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)及應(yīng)用

欒志福

（濰坊科技學(xué)院，山東壽光262700）

建立果蔬氣調(diào)包裝呼吸速率數(shù)學(xué)模型和蒸發(fā)速率數(shù)學(xué)模型，探究果蔬呼吸作用和蒸騰作用與自身及環(huán)境條件的關(guān)系。并在此基礎(chǔ)上利用數(shù)據(jù)庫構(gòu)思了果蔬氣調(diào)包裝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法，優(yōu)化了設(shè)計(jì)流程。

計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)；果蔬氣調(diào)包裝；植物呼吸速率

新鮮果蔬種植時(shí)可進(jìn)行呼吸作用和光合作用，在摘取后一段時(shí)間內(nèi)仍保持著自身生命體征，進(jìn)行短時(shí)期的光合作用和較長時(shí)期的呼吸作用。果蔬氣調(diào)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?dú)獾然旌蠚怏w，同時(shí)利用具有一定滲透性的薄膜材料，維持果蔬產(chǎn)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(chǎn)品呼吸速率降低，延長其儲(chǔ)存時(shí)間[1-2]。

本文采用模型法進(jìn)行果蔬氣調(diào)包裝的設(shè)計(jì)，模型法是根據(jù)氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)原理，建立數(shù)學(xué)模型，再根據(jù)具體產(chǎn)品帶入數(shù)學(xué)模型，得到相應(yīng)產(chǎn)品參數(shù)，設(shè)計(jì)成本低，適用于絕大多數(shù)果蔬產(chǎn)品，推廣性較好[3]。

1 采摘后果蔬的生命活動(dòng)特征

1.1 采摘后果蔬的呼吸作用

果蔬呼吸作用會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量，制約其保存周期。果蔬保存溫度越高，其氣調(diào)包裝達(dá)到內(nèi)外平衡狀態(tài)的時(shí)間越短，同時(shí)溫度也會(huì)對(duì)氣調(diào)包裝平衡狀態(tài)的維持時(shí)間產(chǎn)生影響[4]，呼吸速率和溫度間的關(guān)系可以用下式表示：

式中：Q10為溫度系數(shù)，是指保存溫度每增加10℃時(shí)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(shí)的呼吸速率，mL/（kg·h）；R2為最高溫度時(shí)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(nèi)水分會(huì)有一部分流失到空氣中，若流失的水分過多，會(huì)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(gè)方面影響：①果蔬自身因素。種類、結(jié)構(gòu)、成熟度不同的果蔬其蒸騰作用也會(huì)不同，同時(shí)若果蔬發(fā)生物理損傷或蟲害侵蝕，其損傷局部區(qū)域蒸騰作用也會(huì)增加；②環(huán)境因素。環(huán)境溫度、空氣濕度、周圍氣體流速對(duì)果蔬蒸騰作用也會(huì)產(chǎn)生一定影響。

2 果蔬氣調(diào)包裝呼吸和蒸發(fā)速率模型的建立

2.1 果蔬呼吸作用模型的建立

果蔬發(fā)生呼吸作用實(shí)質(zhì)是酶促反應(yīng)，若果蔬的酶促反應(yīng)根據(jù)其自身特性有一個(gè)極限值，同時(shí)假設(shè)理想條件下呼吸作用只與周圍氧濃度有關(guān)，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(nèi)部氧濃度，Pa/cm2；Vm為果蔬極限酶促反應(yīng)下的呼吸速率，mg（μL）/（h·g）；Km為米氏常數(shù)。上式可以理解為氧氣與植物呼吸速率間的關(guān)系，但忽略了呼吸作用植物釋放二氧化碳對(duì)呼吸速率的影響。將此因素考慮在內(nèi)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(nèi)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(huì)導(dǎo)致熱量散失，而包裝果蔬產(chǎn)品由于包裝的阻隔作用導(dǎo)致其與外界熱量交換作用較小，包裝內(nèi)的能量守恒可理解為：果蔬呼吸產(chǎn)生的熱量為果蔬自身吸收熱量、包裝內(nèi)水蒸氣蒸發(fā)吸收熱量、包裝內(nèi)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(chǎn)生的熱量用Qr表示：

式中：WP為果蔬質(zhì)量，g；Q為呼吸方程中產(chǎn)生熱量，J；Qr為果蔬呼吸產(chǎn)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(nèi)水蒸氣蒸發(fā)吸收熱量Qb、包裝內(nèi)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(fā)速度，g/（cm2·s）；λ為果蔬蒸發(fā)吸熱系數(shù)，[J/（m2·k·s0.5）]；Ws為包裝內(nèi)氣體質(zhì)量，g；Cs為包裝內(nèi)氣體比熱，J/（g·℃）；Ts為包裝內(nèi)氣體溫度，℃；Wf為包裝材料質(zhì)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(shù)；T外界環(huán)境溫度，℃。

3果蔬氣調(diào)包裝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程

3.1 果蔬氣調(diào)包裝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)思路

建立的果蔬氣調(diào)包裝呼吸速率數(shù)學(xué)模型和蒸發(fā)速率數(shù)學(xué)模型的指導(dǎo)思想下，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，得出果蔬氣調(diào)包裝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

圖1 果蔬氣調(diào)包裝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 The flowchartof computer aided design formodified atm osphere packaging

果蔬氣調(diào)包裝計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)主要功能包括：建立果蔬產(chǎn)品氣調(diào)包裝呼吸速率數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)庫，包括果蔬產(chǎn)品在不同環(huán)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(chǎn)品氣調(diào)包裝蒸發(fā)速率數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)庫，包括不同果蔬產(chǎn)品的透氣系數(shù)范圍及最佳β值，也可計(jì)算薄膜厚度或包裝氣體交換面積。當(dāng)果蔬產(chǎn)品β值與數(shù)據(jù)庫中不符，可計(jì)算出薄膜穿孔參數(shù)?？蓪?duì)數(shù)據(jù)庫不包含的薄膜部分基本參數(shù)能否用于氣調(diào)包裝進(jìn)行簡單判斷，根據(jù)選定薄膜材料，模擬氣調(diào)包裝內(nèi)部不同氣體濃度變化特征，計(jì)算平衡時(shí)間。

3.2 果蔬氣調(diào)包裝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)

選用普通白菜是菜農(nóng)于當(dāng)天凌晨4時(shí)左右于田地里采摘，無病蟲害侵蝕、無機(jī)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(jìn)行密封包裝，厚度為36μm，氧氣透氣系數(shù)為1 563mL·μm/（m2·h·0.1MPa），二氧化碳透氣系數(shù)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(shí)間小心揭開硅膠墊處扎孔抽取密封袋中1mL氣體測(cè)定氧氣和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)，得到氧氣和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)變化如圖2所示。同時(shí)得到果蔬氣調(diào)包裝計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的模擬結(jié)果如圖3所示。

圖2 果蔬氣調(diào)包裝袋內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)變化Fig.2 Thevariation of gascom positions inside thepackage

圖3 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模擬氣體體積分?jǐn)?shù)變化Fig.3 Thevariation ofgascompositions for computer aided design sim ulate

對(duì)比圖2和圖3可知，試驗(yàn)得出的氧氣和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)與通過果蔬氣調(diào)包裝計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)模擬生成的結(jié)果基本相同，初步證明了該系統(tǒng)的可行性。

4 結(jié)論

本文建立了果蔬氣調(diào)包裝呼吸速率數(shù)學(xué)模型和蒸發(fā)速率數(shù)學(xué)模型，將果蔬氣調(diào)包裝的相關(guān)參數(shù)信息進(jìn)行有效整合保存進(jìn)數(shù)據(jù)庫，并在此基礎(chǔ)上研究果蔬氣調(diào)包裝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，為未來果蔬氣調(diào)包裝的設(shè)計(jì)提供有效輔助方案。

[1 蔡瑩,盧立新.果蔬氣調(diào)保鮮包裝氣調(diào)包裝技術(shù)機(jī)理[J].現(xiàn)代制造,2004,33(5):37-41

[2]盧立新,蔡明.果蔬氣調(diào)包裝內(nèi)相對(duì)濕度的預(yù)測(cè)模型與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,27(5):21-26

[3]劉穎,鄔志敏,王濤,等.果蔬氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)及貯藏期預(yù)測(cè)[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,28(6):526-530

[4] 胡紅艷,盧立新.微孔膜果蔬氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)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(xué)碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。