果蔬气调包装计算机辅助设计软件的开发及应用

栾志福

（潍坊科技学院，山东寿光262700）

果蔬气调包装计算机辅助设计软件的开发及应用

栾志福

（潍坊科技学院，山东寿光262700）

建立果蔬气调包装呼吸速率数学模型和蒸发速率数学模型，探究果蔬呼吸作用和蒸腾作用与自身及环境条件的关系。并在此基础上利用数据库构思了果蔬气调包装计算机辅助设计的方法，优化了设计流程。

计算机辅助系统；果蔬气调包装；植物呼吸速率

新鲜果蔬种植时可进行呼吸作用和光合作用，在摘取后一段时间内仍保持着自身生命体征，进行短时期的光合作用和较长时期的呼吸作用。果蔬气调包装（Modified Atmosphere Packaging）是指将塑料包装袋或盒中的空气抽出，再充入二氧化碳、氧气、氮气等混合气体，同时利用具有一定渗透性的薄膜材料，维持果蔬产品微弱的呼吸作用，一方面可以抑制食品中的微生物生长繁殖，另一方面可以使果蔬产品呼吸速率降低，延长其储存时间[1-2]。

本文采用模型法进行果蔬气调包装的设计，模型法是根据气调包装设计原理，建立数学模型，再根据具体产品带入数学模型，得到相应产品参数，设计成本低，适用于绝大多数果蔬产品，推广性较好[3]。

1 采摘后果蔬的生命活动特征

1.1 采摘后果蔬的呼吸作用

果蔬呼吸作用会降低产品质量，制约其保存周期。果蔬保存温度越高，其气调包装达到内外平衡状态的时间越短，同时温度也会对气调包装平衡状态的维持时间产生影响[4]，呼吸速率和温度间的关系可以用下式表示：

式中：Q10为温度系数，是指保存温度每增加10℃时果蔬呼吸速率和之前温度呼吸速率的比值；T1为最低温度，℃；T2为最高温度，℃；R1为最低温度时的呼吸速率，mL/（kg·h）；R2为最高温度时的呼吸速率，mL/（kg·h）。一般来讲，温度越低，Q10越大。

1.2 采摘后果蔬的蒸腾作用

蒸腾作用（Transpiration）是指植物体内水分会有一部分流失到空气中，若流失的水分过多，会造成植物失鲜，影响植物外观及口感。果蔬蒸腾作用主要受以下几个方面影响：①果蔬自身因素。种类、结构、成熟度不同的果蔬其蒸腾作用也会不同，同时若果蔬发生物理损伤或虫害侵蚀，其损伤局部区域蒸腾作用也会增加；②环境因素。环境温度、空气湿度、周围气体流速对果蔬蒸腾作用也会产生一定影响。

2 果蔬气调包装呼吸和蒸发速率模型的建立

2.1 果蔬呼吸作用模型的建立

果蔬发生呼吸作用实质是酶促反应，若果蔬的酶促反应根据其自身特性有一个极限值，同时假设理想条件下呼吸作用只与周围氧浓度有关，则果蔬呼吸作用可用下式表示：

式中：R为果蔬呼吸速率，mg（μL）/（h·g）；[O2]为密封塑料包装袋内部氧浓度，Pa/cm2；Vm为果蔬极限酶促反应下的呼吸速率，mg（μL）/（h·g）；Km为米氏常数。上式可以理解为氧气与植物呼吸速率间的关系，但忽略了呼吸作用植物释放二氧化碳对呼吸速率的影响。将此因素考虑在内后可变形为以下形式：

式中：R表示二氧化碳抑制呼吸作用。[CO2]为密封塑料包装袋内部二氧化碳浓度，Pa/cm2。

2.2 果蔬蒸腾作用模型的建立

植物的呼吸作用会导致热量散失，而包装果蔬产品由于包装的阻隔作用导致其与外界热量交换作用较小，包装内的能量守恒可理解为：果蔬呼吸产生的热量为果蔬自身吸收热量、包装内水蒸气蒸发吸收热量、包装内气体吸收热量、包装本身吸收热量和包装与外界热量交换作用吸收热量的总和。因此果蔬呼吸产生的热量用Qr表示：

式中：WP为果蔬质量，g；Q为呼吸方程中产生热量，J；Qr为果蔬呼吸产生的热量，J；R为果蔬呼吸速率，mg（μL）/（h·g）。

果蔬自身吸收热量Qa、包装内水蒸气蒸发吸收热量Qb、包装内气体吸收热量Qc、本身吸收热量用Qd、包装与外界热量交换作用吸收热量用Qe表示为：

式中：Cp为果蔬比热，J/（g·℃）；Tp为果蔬温度，℃；Lm为果蔬水蒸发速度，g/（cm2·s）；λ为果蔬蒸发吸热系数，[J/（m2·k·s0.5）]；Ws为包装内气体质量，g；Cs为包装内气体比热，J/（g·℃）；Ts为包装内气体温度，℃；Wf为包装材料质量，g；Cf为包装材料比热，J/（g·℃）；Tf为包装材料温度，℃；i为气体分子自由度；k为博尔茨曼常数；T外界环境温度，℃。

3果蔬气调包装计算机辅助设计过程

3.1 果蔬气调包装计算机辅助设计思路

建立的果蔬气调包装呼吸速率数学模型和蒸发速率数学模型的指导思想下，结合计算机辅助设计，得出果蔬气调包装计算机辅助设计流程图如图1所示。

图1 果蔬气调包装计算机辅助设计流程图Fig.1 The flowchartof computer aided design formodified atm osphere packaging

果蔬气调包装计算机辅助系统主要功能包括：建立果蔬产品气调包装呼吸速率数学模型数据库，包括果蔬产品在不同环境温度和气体浓度条件下的呼吸速度和呼吸商。建立果蔬产品气调包装蒸发速率数学模型数据库，包括不同果蔬产品的透气系数范围及最佳β值，也可计算薄膜厚度或包装气体交换面积。当果蔬产品β值与数据库中不符，可计算出薄膜穿孔参数。可对数据库不包含的薄膜部分基本参数能否用于气调包装进行简单判断，根据选定薄膜材料，模拟气调包装内部不同气体浓度变化特征，计算平衡时间。

3.2 果蔬气调包装计算机辅助设计仿真试验

选用普通白菜是菜农于当天凌晨4时左右于田地里采摘，无病虫害侵蚀、无机械损伤、菜体新鲜，色泽鲜绿，小心洗净后沥干水渍，采用聚丙烯塑料薄膜作为包装材料将其进行密封包装，厚度为36μm，氧气透气系数为1 563mL·μm/（m2·h·0.1MPa），二氧化碳透气系数为4 121mL·μm/（m2·h·0.1MPa），大小为25 cm× 35 cm。在确保薄膜袋气密性良好的前提下，贴上一张直径为10mm的硅胶垫，每天同一时间小心揭开硅胶垫处扎孔抽取密封袋中1mL气体测定氧气和二氧化碳体积分数，得到氧气和二氧化碳体积分数变化如图2所示。同时得到果蔬气调包装计算机辅助系统的模拟结果如图3所示。

图2 果蔬气调包装袋内气体体积分数变化Fig.2 Thevariation of gascom positions inside thepackage

图3 计算机辅助设计模拟气体体积分数变化Fig.3 Thevariation ofgascompositions for computer aided design sim ulate

对比图2和图3可知，试验得出的氧气和二氧化碳体积分数随时间变化趋势与通过果蔬气调包装计算机辅助系统模拟生成的结果基本相同，初步证明了该系统的可行性。

4 结论

本文建立了果蔬气调包装呼吸速率数学模型和蒸发速率数学模型，将果蔬气调包装的相关参数信息进行有效整合保存进数据库，并在此基础上研究果蔬气调包装计算机辅助设计的方法，优化设计流程，为未来果蔬气调包装的设计提供有效辅助方案。

[1 蔡莹,卢立新.果蔬气调保鲜包装气调包装技术机理[J].现代制造,2004,33(5):37-41

[2]卢立新,蔡明.果蔬气调包装内相对湿度的预测模型与试验验证[J].农业工程学报,2007,27(5):21-26

[3]刘颖,邬志敏,王涛,等.果蔬气调包装设计及贮藏期预测[J].上海理工大学学报,2007,28(6):526-530

[4] 胡红艳,卢立新.微孔膜果蔬气调包装设计方法研究[J].包装工程,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

栾志福（1976—），男（汉），讲师，工学硕士，研究方向：计算机应用技术。