生鮮食品包裝機的研究

梅文娟，鄭兆啟，李占勇，陳京輝，張 超

（1.天津科技大學 機械工程學院，天津 300222；2.天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津 300222；3.天津市低碳綠色過程裝備國際聯(lián)合研究中心，天津 300222）

0 引言

我國包裝機械經(jīng)過多年的發(fā)展已有一定規(guī)模，但在生鮮食品的包裝機械領域，目前還處于起步階段，生鮮食品的包裝主要依靠人工完成［1］。包裝機械化是實現(xiàn)生鮮食品產業(yè)采后加工規(guī)?；?、專業(yè)化和商業(yè)化的重要保證，可以有效提高生產效益，同時解決加工企業(yè)勞動力短缺問題。高新技術的發(fā)展為生鮮食品包裝提供了新的可能，針對生鮮食品包裝的多種自動或半自動包裝機械，提高了生產率，降低了人工成本。本文綜述了目前生鮮食品包裝機的研究現(xiàn)狀，不同包裝機的包裝方式、包裝材料和包裝特點［2-3］。

1 生鮮食品包裝機的設計及應用現(xiàn)狀

目前超市中生鮮食品包裝大多由工人手動完成?，F(xiàn)階段生鮮食品包裝機械主要分為以下幾種：枕式包裝機、盒裝熱壓式封口機、氣調生鮮食品包裝機、貼體生鮮食品包裝機、超薄自粘膜生鮮食品包裝機。

1.1 枕式生鮮食品包裝機

枕式生鮮食品包裝機，又稱袋成型-充填-封口機，采用復合膜包裹生鮮食品后進行封合，起到保鮮作用，結構示意如圖1所示。生鮮食品包裝材料不僅需要具有一定強度，還需要一定的阻隔能力，防止生鮮食品變質，故包裝材料為集多種材料的優(yōu)越性能為一體的復合膜，常用厚度為35～80 μm。

圖1 枕式生鮮食品包裝機結構示意圖Fig.1 Schematic structural diagram of pillow type fresh food packaging machine

枕式生鮮食品包裝機主要由以下幾部分組成：送料機構、送膜機構、縱封機構、橫封橫切機構。此類包裝機一般為下走膜機型，送料與送膜同時進行，通過送料機構將被包裝的生鮮食品運送到復合膜的上方。復合膜通過折膜板，向上折起，制成筒狀，由縱封機構中的熱封滾子進行縱封，同時為膜的輸送提供動力。送料機構裝有傳感器，對送料速度進行控制。由于放有生鮮食品的包裝容器有一定高度，因此橫封橫切機構配置上下運動的切刀進行切膜，切刀與加熱元件相連，熱封與切膜同時進行，包裝完成的生鮮食品由輸送機構送到收集箱。

王中元等［4］研究了枕式包裝機的運動特點，確定了橫封機構中橫封軸的凸輪運動曲線，以保證與送膜軸和送料軸的速度相匹配。蔡旺等［5-7］對枕式包裝機電子凸輪的應用進行了研究，結合枕式包裝機的封切機構需要往復運行的特點，將伺服技術與凸輪結構曲線相結合，解決了以往機械凸輪安裝困難，成本高昂，容易磨損等問題。北京大森長空包裝機械從日本引進了伺服驅動技術，開發(fā)了 SE500 系列包裝機［8］。李敏等［9］采用歐姆龍PLC CPU_CJ2M和CJ1W_NC414模塊為核心，結合溫控系統(tǒng)以及觸摸屏實現(xiàn)對枕式包裝機的參數(shù)設置以及實時監(jiān)控。高雪等［10-12］采用控制器結合驅動、編碼、傳感器模塊搭建控制系統(tǒng)，提升了對包裝機封切裝置中溫度的控制，通過對控制系統(tǒng)的優(yōu)化實現(xiàn)了各個機構的獨立調節(jié)，提高了包裝效率與精度。劉揚等［13］研究了枕式包裝機橫封機構的平衡問題，將轉動導桿增加適量配重，使其質心與回轉中心盡量重合。趙慧文等［14］研究了轉動導桿振動力與力矩的平衡問題，提出了基于增加配重的綜合優(yōu)化平衡法。

采用枕式生鮮食品包裝機包裝生鮮食品，可以對生鮮食品保鮮起到一定作用，但葉菜類生鮮食品在儲存和售賣過程中，仍會受到因擠壓造成的機械損傷。因此枕式生鮮食品包裝機適用于包裝不怕擠壓的生鮮食品，如橙子、檸檬等。此款包裝機的包裝材料為厚復合膜，有一定強度，能承受折膜時的拉力，并且節(jié)省材料，國內枕式包裝機包裝生鮮食品速度為60～230包/min，包裝效率較高。

1.2 盒裝熱壓式生鮮食品封口機

盒裝熱壓式封口機分為兩種。一種為半自動，將生鮮食品放置在包裝盒內后，放入包裝機的指定位置，工人操作機器將裝有包裝盒的托盤送進包裝機內部，加熱板下壓完成熱封。另一種為全自動，結構示意如圖2所示，盛裝生鮮食品的包裝盒放在送料輸送帶上，輸送帶將托盤運送到熱封機構下方，壓桿下壓，熱封機構中壓膜板將包裝膜壓在托盤上方，剩余薄膜由回收機構回收。

圖2 盒裝熱封生鮮食品包裝機結構示意圖Fig.2 Schematic structural diagram of hot sealed fresh food packaging machine

趙吉成等［15］對盒裝熱壓式封口機進行了研究，選用Simotion D435控制器控制輸送帶以及各部分電機，控制包裝機的速度和定位，通過Profibus現(xiàn)場總線進行邏輯控制，采用人機界面方便用戶設置參數(shù)與監(jiān)控設備運行，提高了設備的工作速度、精確性和穩(wěn)定性，提升了封口機構的自動化程度。潘麗愛［16］對控制系統(tǒng)進行了設計，并降低生產成本。王利民［17］利用SolidWorks三維軟件對盒裝熱壓式封口機的機體進行建模，利用COSMOSWorks有限元分析插件進行分析，對機體進行優(yōu)化，提高了盒裝熱封包裝機的質量。丁毅等［18］運用ANSYS_Workbench中的物理場耦合對熱封板進行分析與參數(shù)優(yōu)化。

熱壓式封口機采用復合膜和包裝盒作為包裝材料，目前多用于包裝加工過的生鮮食品如鴨脖、牛排等。生鮮食品在儲藏或售賣時需要碼垛，每包生鮮食品會相互擠壓，使用包裝盒盛裝生鮮食品可以有效避免碼垛造成的機械損傷，保證外觀完好。熱封過的復合膜表面平整，并且可以在復合膜上印刷精美圖案，提高人們的購買欲望。但受包裝盒的限制，此款包裝機一般適用于包裝體積較小的生鮮食品。

間歇式盒裝熱壓封口機每次僅能包裝少量生鮮食品，適用于小型超市或生鮮食品零售商，可以控制包裝數(shù)量，做到時包時銷。連續(xù)式盒裝熱壓封口機可以成批量包裝生鮮食品，包裝速度一般為 50～100 盒 /min。

1.3 氣調生鮮食品包裝機

氣調生鮮食品包裝機的包裝材料為預制包裝盒或包裝袋，將生鮮食品放置在密封容器內，通過改變容器內的環(huán)境條件來延長生鮮食品的保鮮期，因此氣調包裝也稱為“氣體置換包裝”，其中的置換氣體采用氮氣、二氧化碳或它們的混合物。圖3為盒裝氣調生鮮食品包裝機的結構示意圖，主要由送料機構、送膜機構、上模具、下模具組成，下模具裝有抽氣通道和充氣通道，用于氣調作業(yè)。

圖3 氣調生鮮食品包裝機結構示意圖Fig.3 Schematic structural diagram of fresh food modified atmosphere packaging machine

尹志華等［19］研究了ZQT-1D400型氣調包裝機，采用壓力法原理，氣調工作由兩個氣包循環(huán)完成，一個為工作氣包，另一個為配氣氣包，當控制系統(tǒng)檢測到工作氣包壓力不足時，電磁閥調換兩個氣包，此時工作氣包轉為配氣狀態(tài)，配氣氣包開始工作，由此降低了氣調包裝機的成本且提高了配氣精度。王杰等［20］設計了一款新型盒式氣調包裝機，可同時完成進料和出料的工作，使設備更加緊湊，盒內氣體置換精度達到99.2%以上，提高了工作效率。盧立新等［21-22］對氣調包裝機的氣體置換裝置進行了研究，發(fā)現(xiàn)充氣孔和排氣孔的分布對氣體置換裝置性能有顯著影響。雷立雨等［23］研究了氣調包裝機的控制系統(tǒng)，采用西門子S7_200PLC進行控制，可根據(jù)不同包裝材料調節(jié)溫度，包裝速度。彭群英等［24］解決了氣調包裝機氣體置換效率不高，氣體精度差等問題，加入冷卻系統(tǒng)，配置制冷壓縮機，在低溫環(huán)境下進行包裝作業(yè)，有助于生鮮食品的保鮮和冷藏貯存。陳秀等［25］對枕式氣調包裝機進行了研究，提出了一種新型充氣裝置，采用兩根充氣管帶動更多氣體流動，并利用Fluent軟件對氣體置換過程進行流體仿真，氣體置換率達到99%只需0.4 s，降低了耗氣量，提高了置換效率。

盒裝氣調生鮮食品包裝機，目前多用于包裝調味的生鮮食品如雞翅、肉類和海鮮產品，包裝速度為40～96盒/min。氣調包裝可以延長生鮮食品保鮮時間，減少或者避免食品氧化變質，同時抑制生鮮食品中微生物的生長繁殖，保證生鮮食品的品質和安全［26-27］。

1.4 貼體生鮮食品包裝機

貼體生鮮食品包裝機［28-29］，包裝材料為貼體膜和包裝托盤。包裝原理是將生鮮食品放置在托盤內，把透明的貼體膜覆蓋在生鮮食品上，用加熱和抽真空的方式將貼體膜沿生鮮食品的輪廓成型，并且緊貼在底板上，圖4為貼體生鮮食品包裝機結構示意圖［30］。

李玉佳等［31］對包裝機的抽真空機構進行了研究，基于PRO/E行為建模方法優(yōu)化了雙腔真空室的結構。楊超杰等［32］研究了貼體包裝機的熱封機構，在加熱板與熱封板中間設置蜂窩板和移動座，蜂窩板與加熱板的導熱槽相互連通使熱封機構的運動更加流暢，同時確保熱封的完整性。江蘇大江智能裝備有限公司對貼體包裝機的封膜機構進行了研究［33］，熱封燙板高于刀架板小于容器外壁，提高了熱封的精度。青島永春食品公司研究了一款牛排貼體真空包裝機，對清潔機構進行設計，在濾網(wǎng)和抽風機之間設置通風孔［34］，當抽風機工作時，利用氣流把雜質吹入濾網(wǎng)，實現(xiàn)雜質的收集。美國納幕爾杜邦公司研究了一種高透氧性的真空貼體包裝結構［35］，采用多層膜結構具有特定通透性，高透氧性和低透濕性。

圖4 貼體生鮮食品包裝機結構示意圖Fig.4 Schematic structural diagram of fresh food skin packaging machine

使用貼體包裝的生鮮食品外觀價值較高，可以直接觀察被包裝的生鮮食品的原型和色彩，并且由于其真空密封，具有優(yōu)秀的保鮮能力，延長保鮮期，一般用于包裝高價位的生鮮食品，如海產品、牛肉等，包裝速度為30～90盒/min。

1.5 超薄自粘膜生鮮食品包裝機

超薄自粘膜生鮮食品包裝機，采用包裝托盤和超薄自粘膜為包裝材料，超薄自黏膜具有較好的拉伸強度、斷裂伸長率和自黏性，可利用其自粘性封合，可配合熱壓封合方式。厚度極薄，作為包裝材料可節(jié)省能源，因常用作食品保鮮故常稱為保鮮膜，常見材料類型為PVC膜、PE膜和PU膜等，厚度為 9～13 μm。

常見超薄自粘膜包裝機有兩種。一種是四折膜板式生鮮食品包裝機，原理為送膜裝置將膜拉出，生鮮食品放置在托盤上，通過送料裝置輸送到保鮮膜下方，升降臺提升到固定高度，封切裝置完成切膜和封合工作，再由推料裝置將包裝好的物料送出，機構示意圖如圖5所示。

圖5 四折膜板生鮮食品包裝機結構示意圖Fig.5 Schematic structural diagram of fresh food fourfolding-plate packaging machine

四折膜板式生鮮食品包裝機在發(fā)達國家研究較早，例如意大利 FABBRI［36］、西班牙 ULMA、日本寺剛和石田等公司進行了關鍵機構的研發(fā)。梁國興［37］研究了包裝機的機械結構，提高了生鮮食品包裝的密封性。梁漢麟［38］在升降裝置中添加了稱重機構和推入機構。雷良育等［39］對超薄自粘膜的壓膜裝置進行研究，在保鮮膜觸碰到托盤內生鮮食品時，由鏈條帶動托盤下方多余的保鮮膜貼合在托盤底部，通過鋼板的開合取出包裝完成的物料。于大永［40］采用環(huán)形氣囊壓膜的方式提升了保鮮膜的貼合度。

另一種為負壓式生鮮食品包裝機，結構示意如圖6所示，采用立式輸送帶輸送盛裝生鮮食品的包裝盒，收膜板引導保鮮膜包裹生鮮食品，由一對輥子壓合保鮮膜，橫向封切裝置由前吸風盒、后吸風盒、刮板和切刀機構組成，吸風盒連接風機，吸附被切刀切斷的保鮮膜，刮板將保鮮膜刮向包裝盒底部［41-42］。

圖6 負壓式生鮮食品包裝機結構示意圖Fig.76 Schematic structural diagram of negative pressure fresh food packaging machine

中國包裝和食品機械有限公司研究了其機械結構，北京大森長空包裝機械有限公司研究了一款保鮮膜包裝機，中封完成，超薄自粘膜經(jīng)切刀機構切斷后，折疊機構將兩端保鮮膜向托盤底部折起，經(jīng)過卸料機構時進行加熱，對底部保鮮膜進行加固，完成生鮮食品的包裝。廣東高鑫信息股份有限公司研究了一款PLC控制的保鮮膜包裝機，采用包裝盒需有排風孔，吸風方式固定保鮮膜，提高包裝效率。鄭兆啟等［43］研究了保鮮膜包裝機的封切裝置，采用吹風盒與氣缸結合的方式，降低了包裝能耗，提升了工作效率。

四折膜板式生鮮食品包裝機分為高速版和低速版，低速版為人手動操作，每次包裝一盒，高速版為自動進料，包裝完成后由推桿推出，輸送帶送出。這種包裝機需要多個伺服電機配合，高速版包裝速度可達到90盒/min。

負壓式生鮮食品包裝機同樣采用超薄自粘膜為包裝材料，在導膜與縱封部分與枕式包裝機類似，不同之處在于枕式包裝機采用有一定強度的復合膜；在橫封裝置中采用負壓方式進行吸膜，利用包裝盒的運動規(guī)律進行橫封，包裝速度可達30～150 包 /min。

2 生鮮食品包裝機的發(fā)展趨勢

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對生鮮食品進行包裝再售賣是當前的發(fā)展趨勢。在現(xiàn)有生鮮食品包裝機的基礎上改進設備與工藝，本文認為有以下幾個主要發(fā)展方向：

（1）提高包裝效率，減少時間成本。通過對設備的研究與改進，提高包裝效率與包裝穩(wěn)定性。

（2）降低開發(fā)能耗，節(jié)能環(huán)保。超薄自粘膜的厚度僅為9～13 μm，遠遠小于普通包裝復合膜厚度，在包裝時使用超薄自粘膜不僅可以降低能耗還可降低一次性包裝成本。對于包裝盒包裝，可降解包裝材料的研制成功讓包裝盒包裝更加環(huán)保。