果蔬氣調(diào)保鮮技術(shù)及其在冷鏈物流中的應(yīng)用研究進展

何 偉

(浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021)

果蔬的貨架期較短且易腐爛，其包裝保鮮技術(shù)一直是當(dāng)前研究的重點[1]。目前，中國的冷鏈物流運輸還不夠完善，每年約有1.4億t果蔬在運輸過程中受損傷，造成了巨大的經(jīng)濟損失[2-3]。

目前，果蔬冷鏈物流運輸?shù)谋ｕr技術(shù)主要包括溫控保鮮技術(shù)和氣調(diào)保鮮技術(shù)[4]，其中溫控保鮮技術(shù)包括冷藏冷凍保鮮和冰溫保鮮，主要是控制果蔬的貯藏溫度條件，降低果蔬的生理呼吸強度，抑制微生物的滋長，以確保果蔬新鮮，但這種保鮮方式對冷鏈運輸溫度的要求較高[5-6]。氣調(diào)保鮮技術(shù)是通過人為調(diào)節(jié)果蔬所處環(huán)境的溫度、濕度與氣體，使果蔬細(xì)胞組織處于休眠狀態(tài)，可以有效延長果蔬的保質(zhì)期并保證果蔬的品質(zhì)，已被應(yīng)用于冷鏈物流中。文章擬通過收集整理國內(nèi)外果蔬冷鏈物流運輸中氣調(diào)保鮮技術(shù)研究文獻的同時，對果蔬氣調(diào)保鮮技術(shù)在冷鏈物流中的應(yīng)用趨勢進行預(yù)判，旨在為果蔬氣調(diào)保鮮技術(shù)在冷鏈物流中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 氣調(diào)保鮮技術(shù)的基本原理

氣調(diào)保鮮技術(shù)(Modified Atmosphere Packaging, MAP)的基本原理是采用氣調(diào)保鮮氣體(2～4種氣體按食品特性配比混合，如O2+CO2+N2，N2+CO2，O2+CO2)替代包裝盒或包裝袋里的氣體，使得食品保存環(huán)境發(fā)生改變，減緩食品新陳代謝，延長其貨架期。果蔬在采摘后仍然會進行呼吸作用，由此包裝環(huán)境中氧氣含量降低，二氧化碳含量升高，利用高透性的塑料薄膜材料可以與外界空氣相互交換，從而使包裝內(nèi)氧氣含量逐步上升。當(dāng)呼吸作用氣體消耗速率與薄膜氣體交換速率相同時，可以使得果蔬呼吸速度降低，從而延緩果蔬成熟。目前，一般是將包裝環(huán)境中的氣體組成調(diào)為高濃度二氧化碳和低濃度氧氣，并添加一定量的氮氣作為填充和緩沖[7-8]。封閉環(huán)境一般是通過透氣性薄膜包裝果蔬形成，充入一定氣體后密封，通過薄膜與大氣進行氣體交換[9]。

呼吸過程中，果蔬不斷消耗自身水分，會產(chǎn)生乙烯等有催熟作用的氣體，可能會影響果蔬本身的風(fēng)味和營養(yǎng)物質(zhì)含量。因此，果蔬氣調(diào)包裝材料需要具有較好的透氣性，滿足包裝內(nèi)外的氣體交換條件，為果蔬保鮮提供良好的環(huán)境。

2 果蔬氣調(diào)保鮮技術(shù)在冷鏈物流中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 氣體成分

當(dāng)前，國內(nèi)外常用的保護氣體是CO2、O2、 N23種,其中CO2是一種抑制細(xì)菌生長繁殖的抑菌氣體劑，在細(xì)菌開始繁殖的滯后期(抑制細(xì)菌指數(shù)在100個/100 g以內(nèi))具有最佳抑菌作用，低溫下易溶解于水和脂肪，對大多數(shù)需氧菌有抑菌效果，但對厭氧菌和酵母菌無效，通常其抑制細(xì)菌的最低濃度為30%；O2一般被用來抑制厭氧菌的生長繁殖，保持新鮮豬、牛、羊肉的紅色色澤，還可以保持新鮮果蔬新陳代謝的需氧呼吸；N2是一種惰性氣體，與食品不起作用，僅作為充填氣體。

高濃度二氧化碳和較低濃度氧氣是氣調(diào)保鮮技術(shù)中常用的氣體比例。王維海等[10]以甜櫻桃為研究對象，當(dāng)氧氣濃度為7%、二氧化碳濃度為20%時，氣調(diào)保鮮櫻桃效果最好，貯藏120 d時，腐爛率僅為5.88%(空氣組腐爛率高達23.33%)；彩度值從48.68下降至44.12，變化較小，褐變可能性較低；亮度值為56.41(空氣組僅為51.70)；硬度由1 940.2 g/cm2降低至2 700.0 g/cm2，相比其他組硬度幅度變化最小。Miguel-Pintado等[11]以櫻桃為研究對象，成熟采摘后，采用高濃度二氧化碳(20%)和低濃度(2%)氧氣氣調(diào)保鮮，可以有效減緩櫻桃的生命活動，在保證櫻桃品質(zhì)的基礎(chǔ)上將貯藏時間延長至14 d。徐燕新等[12]以鮮切生菜為研究對象，應(yīng)用3%氧氣濃度和10%二氧化碳濃度的氣調(diào)保鮮效果最好，此時生菜的保鮮期由4～5 d延長至14 d。王欣等[13]以充入空氣為空白對照組，發(fā)現(xiàn)高濃度二氧化碳會增加白玉菇的褐變程度，當(dāng)初始?xì)怏w比例為0.4%氧氣濃度、13%二氧化碳濃度和86.6%氮氣濃度時，白玉菇的保鮮效果最好，保鮮時間達7 d以上。

氧氣是果蔬進行生命活動的必需物質(zhì)，當(dāng)氧氣含量低至一定程度時，果蔬會進行無氧呼吸，而無氧呼吸會大量快速消耗果蔬本身有機物質(zhì)，影響果蔬貯藏品質(zhì)。高氧氣調(diào)保鮮技術(shù)是一種較新型的氣調(diào)保鮮方式，由于現(xiàn)有包裝薄膜透氣率很難與食品的新陳代謝速度匹配，將會導(dǎo)致包裝內(nèi)部O2濃度過低或CO2濃度過高(O2小于2%和CO2大于20%)，造成食品厭氧發(fā)酵或生理損傷[14]，高氧氣調(diào)包裝以其較高的O2濃度，能夠避免解決包裝薄膜氣體交換速率和食品呼吸速率平衡的問題，直接抑制厭氧細(xì)菌等的繁殖生長，降低食品的新陳代謝速度，減少腐爛，延長貨架期[15]，高氧氣調(diào)包裝一般是指O2濃度大于70%[16]。Jacxsens等[17]利用高氧氣調(diào)保鮮技術(shù)(O2濃度分別為70%，80%，95%)對蘑菇進行保鮮處理，4 ℃貯藏條件下，95% O2濃度可以抑制李斯特菌生長，將貯藏時間延長至20 d。車東[18]利用高氧氣調(diào)保鮮技術(shù)對蘋果進行保鮮，分別充入90.8%，82.7%，74.4% O2濃度的氣體，并以空氣氣體包裝作為對照組，5 ℃貯藏20 d時，初始輸入的氧氣體積分?jǐn)?shù)為90.8%的保鮮效果最好，尤其是亮度感官評價最優(yōu)。丁華等[14]以草莓為研究對象，以PE/OPP/PE復(fù)合膜為氣調(diào)包裝膜,制備氣體比例為60% O2+1.2% CO2的高氧氣調(diào)包裝,以氣體比例為7.5% O2+16.5% CO2的高二氧化碳?xì)庹{(diào)包裝和空氣氣體比例為對照組,并于 [(5±1) ℃]下冷藏，發(fā)現(xiàn)高氧氣調(diào)包裝可以有效維持草莓的感官品質(zhì)、硬度，降低維生素C含量、可溶性固形物以及總酸含量的下降速率，貨架期延長至24 d。周秋陽等[19]以空氣組為對照，研究不同濃度的高氧氣調(diào)保鮮對綠蘆筍的貯藏品質(zhì)影響，發(fā)現(xiàn)高氧氣調(diào)保鮮對其品質(zhì)影響顯著，當(dāng)氧氣濃度為60%或80%結(jié)合20%二氧化碳時，其保鮮效果最優(yōu)。

當(dāng)前對果蔬氣調(diào)保鮮中的氣體比例研究中，高氧氣調(diào)包裝研究具有較強的發(fā)展?jié)摿Γ溲芯咳蕴幱诔醪诫A段。不同的食品類型新陳代謝速度不同，氣調(diào)包裝時不同包裝材料對O2的透過性不同，這些均限制了生產(chǎn)商的大范圍推廣應(yīng)用，針對不同品類果蔬的生理特性研究其高氧臨界值是保鮮技術(shù)未來研究的熱點所在。

2.2 包裝材料

果蔬氣調(diào)包裝保鮮過程中，除了要確定氣體的組成，還應(yīng)根據(jù)包裝內(nèi)氣體濃度選擇合適的包裝材料，以滿足氣調(diào)包裝的氣體交換速率。與真空包裝或充氮包裝相比，氣調(diào)保鮮的包裝材料大多為低阻隔材料，氣體透過性較強。目前常用的包裝材料包括聚丙烯、聚偏二氯乙烯以及聚氯乙烯等[15]。不同的氣體對同種材料的滲透性不同，透過性由小到小大依次是N2、O2和CO2，這與氣體分子的大小及形狀有關(guān)[20]。分子的動力學(xué)直徑越小，在聚合物中越易擴散，其擴散系數(shù)越大。

此外，分子的形狀也能影響滲透性。研究[21]表明，長條形狀分子的擴散能力和滲透能力最強，且分子形狀的微小變化可引起較大的滲透性變化，故選擇氣調(diào)包裝材料時需對材料的O2、CO2、N2透過性進行精確測試。沈蓮清等[22]以蘆筍為研究對象，發(fā)現(xiàn)使用低密度聚乙烯材料的包裝膜能有效延長貯藏期，并保持較好的產(chǎn)品品質(zhì)。曹慧娟等[23]研究表明，當(dāng)氣體濃度為15% CO2+20% O2時，0.0～0.5 ℃下貯藏15 d，綠蘆筍的可溶性固形物、維生素C和葉綠素含量的下降速度顯著降低(P<0.05)，貯藏40 d后仍可保持較好的食用品質(zhì)。Simón等[24]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用膜A包裝且氣體組成為15% O2+7% CO2時，5 ℃下，白蘆筍可以貯藏14 d，而當(dāng)用膜B包裝且氣體組成為20% O2+ 2% CO2時，5 ℃下，白蘆筍僅可保存6 d。張烜[25]研究發(fā)現(xiàn)，硅窗袋氣調(diào)包裝可以有效抑制水芹菜的呼吸作用和水分的蒸騰作用，5 ℃下，水芹菜貨架期延長到35 d。

除上述傳統(tǒng)包裝材料外，氣調(diào)包裝保鮮還可使用一些新型包裝材料，如納米包裝材料和智能包裝材料。納米包裝材料是指通過添加納米分子改變材料的性能，達到隔絕細(xì)菌、減少乙烯含量的目的，這種包裝材料可以降低氧氣透過率，有效提升保鮮效果[26]。郭玉花等[27]在傳統(tǒng)LDPE材料中添加納米分子，研制了一種復(fù)合膜材料，并將其應(yīng)用于草莓、生菜等蔬菜的氣調(diào)保鮮中，其保鮮效果良好。智能包裝材料包括功能材料型、功能結(jié)構(gòu)型和信息型，主要是利用新型的包裝材料、結(jié)構(gòu)與形式，對商品的質(zhì)量和流通安全性進行積極干預(yù)和保障，采集并管理控制相關(guān)信息，從而實現(xiàn)優(yōu)化管理運輸包裝系統(tǒng)。美國Georgin科技公司研發(fā)的一種基于多壁碳納米管(MWNT)技術(shù)的生物傳感器，其能夠監(jiān)測食品中的微生物、有毒蛋白質(zhì)和腐爛成分含量，當(dāng)食品變質(zhì)時，包裝袋會發(fā)生顏色變化[28]。

目前，智能包裝材料應(yīng)用較少，氣調(diào)包裝時還需要兼具監(jiān)控識別功能，及時獲得果蔬密封環(huán)境內(nèi)的溫濕度等信息，在冷鏈物流運輸?shù)葓鼍爸屑皶r采取相關(guān)措施[29]。但這種包裝材料投入較高。

2.3 貯藏溫度

貯藏溫度是影響果蔬貨架期的重要因素，也是冷鏈運輸過程中重要的環(huán)境因素。溫度較低時，可以有效抑制果蔬的生命活動和微生物生長；溫度較高時，果蔬呼吸作用速度較快，果蔬內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)消耗速度也加快，直接導(dǎo)致果蔬食用品質(zhì)的快速劣變，但不同果蔬適應(yīng)的貯藏溫度不同[30-31]。王寶剛等[32]研究表明，當(dāng)使用體積分?jǐn)?shù)為10%二氧化碳處理櫻桃時，25 ℃貯藏3 d時的腐爛率低于10%，而0 ℃貯藏60 d時的腐爛率仍低于1%，且采摘后的預(yù)冷處理可以有效降低櫻桃冷鏈物流中的品質(zhì)損耗。饒先軍[33]利用氣調(diào)包裝箱對球生菜進行氣調(diào)保鮮，發(fā)現(xiàn)其在(0.0±0.5) ℃貯藏的保鮮效果最好。高銘等[34]研究發(fā)現(xiàn)，(0±1) ℃下氣調(diào)保鮮箱貯藏的樹莓品質(zhì)較高，氧化程度較低。氣調(diào)保鮮果蔬的貯藏溫度研究需結(jié)合果蔬的生理生命活動，從而探索不同品類果蔬的最佳氣調(diào)保鮮貯藏溫度[35-36]。

2.4 氣調(diào)保鮮設(shè)備類型

氣調(diào)保鮮設(shè)備機型包括熱成型臥式、立式、盒式、預(yù)袋式和紙塑復(fù)合盒等類型，其研發(fā)主要針對盒式氣調(diào)包裝，包括保鮮膜和包裝盒，且包裝盒的透濕、透氧、透光等高效阻隔并能承載一定容量。

氣體置換裝置是氣調(diào)包裝機的核心部件，其置換方式主要有氣體真空置換式和沖洗式，真空置換式的主要原理是先抽真空后再充入混合氣體，該方式直接影響氣體置換的精度，間接影響食品包裝的質(zhì)量和保質(zhì)期[37]。彭群英等[38]設(shè)計了一種置換式的氣調(diào)包裝機，對充抽氣結(jié)構(gòu)進行了改進，將氣體置換率提高至99.7%，生產(chǎn)效率達280～300包/h(雙工位)，耗氣量減少0.33 kg/100盒。

此外，氣體比例混合器也是實現(xiàn)氣體比例調(diào)節(jié)與控制的核心部件，壓縮氣體經(jīng)減壓閥減壓后，進入氣體混合室，通入充氣包裝機進行包裝，混合方法包括等容法、等壓法、定容定壓法和節(jié)流法[37]。孫智慧等[39]設(shè)計了一種智能氣調(diào)包裝氣體，采用Mix9001氣體混合器、CMV-2氣體比例分析儀、DQB-700N氣調(diào)包裝機及PLC控制器，可以實現(xiàn)氣體在線檢測與比例控制，減少保鮮氣體耗氣量，提高工作效率。

2.5 濕度

濕度控制主要分為空間環(huán)境的濕度控制和包裝內(nèi)濕度控制。其中包裝內(nèi)濕度控制對果蔬品質(zhì)影響較大，因為果蔬具有蒸發(fā)特性，而大多數(shù)包裝材料的濕氣透過率較低，包裝容器內(nèi)會形成較高的相對濕度，引起水蒸氣凝聚，繼而導(dǎo)致微生物的增長和果蔬產(chǎn)品的腐敗[40]。同時，包裝容器內(nèi)相對濕度的變化與果蔬呼吸作用密切相關(guān)，因此，相關(guān)研究主要集中在果蔬呼吸蒸發(fā)作用和材料的滲透作用對包裝容器內(nèi)相對濕度的影響，但其受制于呼吸作用的復(fù)雜及測試過程的難度，該方面的研究較少[41]。

目前，果蔬氣調(diào)包裝保鮮的相對濕度一般控制在85%左右，并根據(jù)不同的果蔬產(chǎn)品進行相應(yīng)調(diào)整[42]。Song等[43]提出了一種可以調(diào)節(jié)的呼吸—蒸發(fā)模型，可以預(yù)測含有新鮮農(nóng)產(chǎn)品和水分吸收劑的氣調(diào)包裝系統(tǒng)的相對濕度，這種模型的相關(guān)數(shù)據(jù)都是基于呼吸蒸發(fā)現(xiàn)象、包裝的運輸系統(tǒng)、吸收劑水分吸附的基礎(chǔ)上進行的，并利用藍莓進行了實驗驗證，測定了不同重量藍莓的吸收劑類型，吸收劑重量和溫度。通常，模型預(yù)測與試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達92%以上，但模型可能會增加水分吸收劑在初始階段(<10 h)的影響。氣調(diào)包裝中的濕度控制需要對產(chǎn)品呼吸發(fā)熱引起的蒸發(fā)作用原理和包裝膜滲透的動力相互作用原理進行深入研究，尤其是對不同O2、CO2濃度環(huán)境下產(chǎn)品的蒸發(fā)現(xiàn)象進行研究，才能更精準(zhǔn)控制適合不同果蔬產(chǎn)品的氣調(diào)包裝濕度。

3 果蔬氣調(diào)保鮮技術(shù)在冷鏈物流中的應(yīng)用趨勢

冷鏈物流中，果蔬氣調(diào)保鮮技術(shù)的應(yīng)用研究仍集中于氣調(diào)保鮮本身技術(shù)參數(shù)的提高，包括氣體組成成分和比例、氣調(diào)保鮮包裝材料以及貯藏溫度，這些研究為果蔬氣調(diào)保鮮技術(shù)在冷鏈物流中的應(yīng)用提供了理論參數(shù)支撐[44-45]。氣調(diào)保鮮技術(shù)已逐步應(yīng)用于冷鏈運輸中，可以有效對果蔬進行保鮮，提升果蔬的貨架期。但冷鏈運輸中的氣調(diào)保鮮成本較高，不夠智能，不能根據(jù)包裝環(huán)境內(nèi)的氣體組成情況實時調(diào)整氣體比例和貯藏溫度，其應(yīng)用受到了一定限制[46]。因此，果蔬氣調(diào)保鮮技術(shù)在冷鏈物流中的應(yīng)用趨勢方向應(yīng)是節(jié)能、環(huán)保、智能化等。

(1) 冷鏈運輸中，氣調(diào)保鮮系統(tǒng)需要有制冷、氣調(diào)等功能[47]，保證果蔬運輸?shù)臏囟群蜌庹{(diào)包裝，應(yīng)逐步改善技術(shù)系統(tǒng)的節(jié)能效果，降低冷鏈運輸成本，擴大氣調(diào)冷鏈運輸應(yīng)用。氣調(diào)保鮮包裝過程中，現(xiàn)有的氣體置換方式對氣源的浪費極大，需進一步開發(fā)高效節(jié)能的氣體置換技術(shù)。

(2) 冷鏈運輸過程中溫度均衡可以有效保證果蔬的品質(zhì)[48]，后續(xù)應(yīng)就運輸空間溫度場的調(diào)節(jié)，優(yōu)化氣調(diào)運輸箱內(nèi)溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度精準(zhǔn)調(diào)控的研究。

(3) 氣體比例是氣調(diào)保鮮的重要影響因素，當(dāng)前應(yīng)用一般為低氧環(huán)境[49]，后續(xù)可研究降氧方式、快速調(diào)節(jié)氣體體積分?jǐn)?shù)的氣調(diào)保鮮系統(tǒng)[50]，擴大冷鏈運輸?shù)氖褂梅秶?/p>

(4) 包裝材料、包裝設(shè)備應(yīng)向持續(xù)利用、智能化方向發(fā)展，包裝材料的改變將助力于氣調(diào)保鮮的成本以及環(huán)保方面的優(yōu)化，智能化包裝材料可以有效傳導(dǎo)密封環(huán)境內(nèi)的氣體、溫濕度等條件數(shù)據(jù)[51]，助力果蔬品質(zhì)的保持。

(5) 應(yīng)加大力度對產(chǎn)品呼吸發(fā)熱引起的蒸發(fā)作用原理和包裝膜滲透的動力相互作用原理進行深入研究，實現(xiàn)濕度的精準(zhǔn)調(diào)控。

(6) 在氣調(diào)包裝保鮮的基礎(chǔ)上，增加智能監(jiān)控的功能，實現(xiàn)實時傳導(dǎo)冷鏈運輸環(huán)境條件數(shù)據(jù)，并根據(jù)運輸果蔬的品類實時做出改變[52]。