現(xiàn)代氣調(diào)保鮮包裝機(jī)集微機(jī)技術(shù)、真空技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、光磁感應(yīng)技術(shù)、程序控制技術(shù)及復(fù)合氣體混合技術(shù)于一體，具有較高的技術(shù)含量及工藝性能要求，國(guó)外在20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始研究和應(yīng)用，因其對(duì)食品保鮮效果明顯而得以迅速發(fā)展（圖1為美國(guó)CVP systems公司生產(chǎn)的一款氣調(diào)包裝機(jī)）。我國(guó)氣調(diào)保鮮包裝起步于90年代，氣調(diào)保鮮設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用目前還處于起步階段。而先進(jìn)的多功能氣調(diào)保鮮工藝及設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)在于研究和設(shè)計(jì)合適的復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)。
1 復(fù)合氣調(diào)保鮮包裝的原理
復(fù)合氣調(diào)保鮮包裝亦稱(chēng)氣體置換包裝，國(guó)際上稱(chēng)為MAP包裝（Modified Atmosphere Packing）。其原理是采用復(fù)合
氣體（2-4種氣體按被包裝食品特性配比混合）對(duì)包裝容器內(nèi)的空氣進(jìn)行置換，改變包裝容器內(nèi)食品周?chē)臍怏w環(huán)境，從而抑制細(xì)菌（微生物）的生長(zhǎng)繁衍，減緩被包裝食品的新陳代謝速度，延長(zhǎng)食品的保鮮期或貨架壽命[1,2]。
氣調(diào)保鮮氣體一般由二氧化碳(CO2)、氮?dú)?N2)、氧氣(O2)及少量特種氣體組成。高濃度CO2氣體能阻礙引起食品腐敗的大多數(shù)微生物的生長(zhǎng)繁殖，延長(zhǎng)其繁殖生長(zhǎng)的停滯期（或潛伏期）和延緩其對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期，是保鮮氣體中的主要抑菌成分；O2可抑制大多數(shù)厭氧菌生長(zhǎng)繁殖，高氧可保持鮮肉色澤而低氧在抑制新鮮果蔬呼吸速度的同時(shí)可保持果蔬新鮮狀態(tài)的新陳代謝活動(dòng)；N2是惰性氣體，與食品不起化學(xué)作用，作為填充氣體可防止CO2逸出后使包裝坍落，充氮包裝可降低食品中的脂肪、芳香物和色澤的氧化[3]。將CO2、O2、N2及特種氣體組成復(fù)合保鮮氣體，用于食品果蔬保鮮是當(dāng)今保鮮包裝的發(fā)展趨勢(shì)。
圖1 美國(guó)CVP systems公司氣調(diào)包裝機(jī)Fig.1 USA CVP systems Modified Atmosphere Packing machine
2 復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
為了將不同比例的二氧化碳(CO2)、氮?dú)?N2)、氧氣(O2)送入包裝容器內(nèi)，一般將CO2、N2、O2氣體按一定比例送進(jìn)混合室（貯氣室）混合后，再注入到包裝容器內(nèi)，從而根據(jù)被包裝食品特性需要，改變包裝容器內(nèi)食品周?chē)臍怏w環(huán)境，達(dá)到保鮮的目的。可以采用如下兩種方式進(jìn)行氣體混合和配送。
（1）控制氣壓復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)
控制氣壓復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)主要由氣源、氣體混合室、真空充氣包裝機(jī)以及管路、減壓閥、壓力表和開(kāi)關(guān)等附件組成，如圖2所示。
一般小批量生產(chǎn)采用的氣源為鋼瓶裝壓縮氣體。二氧化碳用食品級(jí)，氮用脫水精氮。鋼瓶灌滿(mǎn)時(shí)壓力可達(dá)15MPa，一般有10～12MPa。
各種壓縮氣體經(jīng)減壓閥減壓后，進(jìn)入氣體混合室進(jìn)行各種產(chǎn)品所需的最佳比例混合，然后才引入充氣包裝機(jī)進(jìn)行充氣包裝。
混合器的配氣原理，假定減壓后的氣體為理想氣體，則有狀態(tài)方程：
PV = nRT
式中: P—氣體壓力，Pa；
V—氣體體積，m3；
n—氣體摩爾數(shù)，mol； 圖2 氣調(diào)包裝系統(tǒng)Fig.2 The Modified Atmosphere Packing system
R—氣體狀態(tài)參數(shù)，8.31J／mol·°K； 1-氣源 2-減壓閥 3-開(kāi)關(guān) 4-氣體混合室 5-包裝機(jī)
T—溫度，°K。
由上式可知，在一定溫度下，當(dāng)氣體體積V一定，則氣體摩爾數(shù)n只與其分壓P有關(guān)。控制進(jìn)入定容積的氣體混合室內(nèi)各氣體的分壓，便可實(shí)現(xiàn)氣體按所需的比例混合。例如，欲配70％CO2＋30％N2的混合氣，并假設(shè)所需混合氣總壓為P。先將定容積的混合室內(nèi)空氣抽除。再先后送入0.7P的CO2和0.3P的N2，則可得所需比例的混合氣[4]。
（2）等氣壓復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)
圖3 復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)Fig.3 The compound gas mixing and supply system
1- CO2氣體鋼瓶 2- O2氣體鋼瓶 3- N2氣體鋼瓶 4、5、6-充氣電磁閥 7-控制裝置 8-氣體混合室 9-放氣截止閥
等氣壓復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖中1、2、3分別為CO2、O2、N2氣體鋼瓶，4、5、6為向混合室8充氣的電磁閥，7為控制裝置，9為向包裝容器充氣的截止閥。這種氣體混合配送系統(tǒng)要求每個(gè)氣源之間的壓力相等，三種氣體的充氣電磁閥4、5、6與其管路構(gòu)成的通道有效截面積成1：1：1的比例關(guān)系，每個(gè)電磁閥的控制端分別與控制裝置相連接，控制裝置中包含對(duì)應(yīng)每個(gè)電磁閥的時(shí)間控制電路。假設(shè)CO2、O2、N2三種氣體的混合比例為7：2：1，通過(guò)控制裝置使氣體導(dǎo)通時(shí)間的控制電路設(shè)定為7：2：1，這樣當(dāng)氣體混合配送裝置工作時(shí)，三種氣體分別按設(shè)定的量從各自電磁閥和管路流入混合室8中，在混合室中按比例混合成為適合包裝食品的保鮮氣體，再經(jīng)截止閥9充填到包裝容器中，封合完成包裝。
在上述基本結(jié)構(gòu)組成中，每個(gè)氣源的壓力均相等，每個(gè)充氣管路通道的有效截面積相等，單位時(shí)間內(nèi)氣體通過(guò)通道的流量相等。因此，只要調(diào)節(jié)各個(gè)充氣電磁閥的開(kāi)啟時(shí)間，就可達(dá)到調(diào)節(jié)混合氣體配氣比例的目的。工作過(guò)程中，通過(guò)控制裝置控制各個(gè)充氣電磁閥的開(kāi)閉，使各路通道開(kāi)啟時(shí)間一致，而關(guān)閉時(shí)間根據(jù)氣體混合比例關(guān)系確定。
這種氣體混合配送系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
（1）采用普通電磁閥和管道結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制各充氣電磁閥的開(kāi)啟時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)混合氣體的比例，其精度可以達(dá)到食品保鮮氣體比例的要求。
（2）系統(tǒng)技術(shù)方案構(gòu)思合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
（3）系統(tǒng)的氣體混合比例可以通過(guò)控制裝置設(shè)定和調(diào)節(jié)，可以方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和操作，具有較好的功能延伸性。
（4）各種氣源之間的壓力要求相等，商品氣瓶或在操作中很難達(dá)到要求，因此需有氣源的穩(wěn)壓裝置，難于實(shí)現(xiàn)連續(xù)充氣包裝。
3 新型復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)
通過(guò)對(duì)復(fù)合氣調(diào)保鮮包裝機(jī)氣體混合系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，一種新型復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，圖4表示這種新型復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)組成。這項(xiàng)研究的技術(shù)關(guān)鍵是在系統(tǒng)中取消了體積龐大的氣體混合室，采用了氣動(dòng)比例閥的開(kāi)啟按比例供送氣體，其工作原理為：以一定壓力的CO2氣體通過(guò)通道①作為雙聯(lián)氣動(dòng)比例閥CO2端閥門(mén)的開(kāi)啟動(dòng)力，推動(dòng)比例閥開(kāi)啟，接通CO2氣體；以的接通CO2氣體作為開(kāi)啟動(dòng)力，通過(guò)通道④開(kāi)啟O2氣體比例閥，通過(guò)通道⑤開(kāi)啟N2氣體比例閥。這樣三種氣體均以相等的壓力分別進(jìn)入電磁閥，CO2氣體通過(guò)通道②、③、⑥進(jìn)入電磁閥；O2氣體通過(guò)通道⑦、⑧進(jìn)入電磁閥；N2氣體通過(guò)通道⑨、⑩進(jìn)入電磁閥，然后三種氣體混合后進(jìn)入包裝容器進(jìn)行封合包裝。
這種新型復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：
（1）系統(tǒng)中取消了體積龐大的氣體混合室，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，節(jié)省了空間。
（2）采用了氣動(dòng)比例閥，以一種氣源壓力為參考，獲得了壓力一致的各種氣源，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷地供應(yīng)設(shè)定比例混合的氣體。
（3）各種氣源壓力一致，通過(guò)的管道和電磁閥尺寸一致，通過(guò)控制裝置設(shè)定和調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，即可調(diào)節(jié)混合氣體的比例，其精度進(jìn)一步提高。
（4）當(dāng)任何一種氣源的壓力達(dá)不到要求時(shí)，通過(guò)控制裝置即可使機(jī)器發(fā)出警報(bào)并停止工作。更換新的氣源鋼瓶，接通系統(tǒng)后可繼續(xù)工作。
（5）采用電腦自動(dòng)控制、人機(jī)界面，很方便地調(diào)節(jié)不同比例的氣體組合適應(yīng)各種被包裝物品的要求，并可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。
（6）可以設(shè)計(jì)制作成獨(dú)立的新型復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)，配合任何型號(hào)規(guī)格的充氣包裝機(jī)，適用范圍廣。
4 新型復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵
新型復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵之一是在系統(tǒng)中采用了氣動(dòng)比例閥，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，將設(shè)定壓力的氣體通入氣動(dòng)比例閥啟動(dòng)腔室，并將要供送的氣體通入氣動(dòng)比例閥供送腔室，當(dāng)兩種氣體壓力達(dá)到相等時(shí)，供送閥就會(huì)打開(kāi)送出氣體。因此系統(tǒng)中可以選擇一種設(shè)定壓力的氣體作為啟動(dòng)氣源，當(dāng)通入氣動(dòng)比例閥的其它氣體壓力達(dá)到與啟動(dòng)氣源壓力平衡時(shí)，就會(huì)實(shí)現(xiàn)各路氣體等壓力供送。
新型復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵之二是復(fù)合保鮮氣體的比例控制精度。由于食品果蔬自身的性能特點(diǎn)不同，其對(duì)保鮮氣體的比例特性具有相當(dāng)?shù)拿舾行?。采用新型?fù)合氣體混合配送系統(tǒng)，其供送混合氣體的比例誤差可小于2%。
新型復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用電腦自動(dòng)控制、人機(jī)界面，配合復(fù)合氣調(diào)保鮮包裝機(jī)使用，可調(diào)節(jié)不同比例的氣體組合適應(yīng)種被包裝物品的要求，延長(zhǎng)被包產(chǎn)品的保鮮期，能真正保證食品果蔬的原汁、原味、原貌。特別適合于農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)地、農(nóng)副產(chǎn)品配送中心、食品加工企業(yè)、超市生鮮農(nóng)副產(chǎn)品加工間等場(chǎng)所使用，新型復(fù)合氣體混合配送系統(tǒng)及復(fù)合氣體保鮮包裝機(jī)是今后食品果蔬保鮮技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。
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