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(1.华南农业大学食品学院,广东广州 510642; 2.广州标际包装设备有限公司,广东广州 510730)

微孔膜果蔬气调保鲜研究进展

蔡金龙1,王欲翠1,周学成2,向红1,*

(1.华南农业大学食品学院,广东广州 510642; 2.广州标际包装设备有限公司,广东广州 510730)

对微孔膜在果蔬保鲜中的应用进行了综述。分别介绍了微孔膜气调保鲜的机理、数学模拟仿真、微孔膜制备、微孔膜与其他包装材料保鲜效果对比,以及微孔膜与其他保鲜技术在果蔬保鲜中的协同作用的研究进展。讨论了微孔膜果蔬保鲜技术及应用中存在的问题,并探讨了其在今后的研究方向。

微孔膜,果蔬保鲜,气调保鲜,微孔膜制备

国内对微孔膜的研究始于20世纪80年代,相比欧美、日本等发达国家晚了20余年[6]。第一次提出打孔膜保鲜概念的是Emond和Chau[7],且目前微孔膜已成功用于果蔬保鲜领域。Hardenburg[8]早在1966年总结一些用穿孔膜储藏西红柿,洋葱等果蔬的研究成果,发现其保鲜效果理想;微孔膜还适合包装对二氧化碳敏感的果蔬,如冬枣、鸭梨、朝鲜蓟、芹菜等[9]。微孔膜作为一种新型保鲜薄膜,较普通薄膜具有许多优点:高透气性、保湿防水性、成本低廉且微孔膜气调保鲜方法比其他果蔬保鲜方法更卫生安全,因而受到国内外研究者的广泛关注[10]。

目前,关于微孔膜果蔬保鲜的研究主要集中在微孔膜气调保鲜机理、数学模拟、制备方法以及微孔膜在果蔬保鲜技术中的应用研究等方面。

1 微孔膜气调保鲜机理与数学模拟仿真研究

研究表明,对一些高呼吸速率的果蔬,如西兰花、草莓、香菇、西瓜等,采用普通塑料薄膜包装容易造成包装内氧气浓度降低至1%,引起果蔬的无氧呼吸,加速腐败变质。微孔膜气调保鲜包装能显著改善包装内外气体交换,控制果蔬的呼吸速度,从而延长果蔬贮存时间和保鲜效果[11]。气体透过微孔膜的速率由气体透过无孔和气体透过微孔两部分组成,气体透过无孔部分的渗透机理遵循Fick扩散机理,而预测气体透过微孔的渗透过程非常复杂[12-13]。

表1 微孔膜制备方法的优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of the preparation of micro-perforated film

到目前为止,少量果蔬的微孔膜气调数学模型的模拟结果与实验数据相比具有较高的吻合度,取得了一定的效果,但离实际应用还有一段距离。大部分模型没有考虑包装内气体体积的变化,也没有考虑温度对微孔膜透气性的影响。另外,用来描述微孔膜果蔬保鲜包装中乙烯浓度变化的模型鲜见报道,由于果蔬呼吸作用产生乙烯,影响果蔬的成熟和品质,因此有必要开展相关研究。

2 微孔膜的制备方法

常见的微孔膜由PP、PE、PVC、PLA等材料制成,其制备方法主要有半结晶拉伸法、无机填充拉伸法、化学发泡法、物理打孔法、相分离法等。表1分析并总结了微孔膜主要制备方法的优缺点[1,12]。

从表1中可以发现,果蔬保鲜包装膜的制备方法主要是物理穿孔法,而实验室常用到的物理制备微孔膜的方法是针孔法和激光打孔法。Lee等[18]采用普通针对膜打孔处理来制备微孔膜,并根据建立的数学模型和洋葱对包装的透气要求分别设计针孔数4个且针孔直径300 μm的PP膜和针孔数4个且针孔直径200 μm的LDPE膜,并发现这两种包装膜都快速地达到洋葱包装内的平衡气体浓度;杨静等[19]也用直径280 μm的普通针在面积为88 cm2的圆形PP薄膜上,以一定的间距分别打出0、1、2、4、6、10个孔,制得微孔薄膜,结果表明2个孔的微孔PP膜保藏西兰花效果最好;除了直径较大的普通针,也有研究者使用直径15 μm的生物针在LDPE膜上打孔处理,发现5个孔的微孔膜保藏墨西哥玉米松露的品质最好[20]。虽然用针孔法打孔在一些果蔬保鲜方面取得了一定的效果,但这种方法制得的孔的形状和大小难以控制,与激光打孔法比较,该方法计算的微孔面积有一定误差,不利于预测包装内气体变化[21]。因此,国内外很多研究者采用激光打孔法制备微孔膜。

李方等[22]将PE膜裁剪成直径60 mm的圆片状,用激光雕刻仪在其上面均匀打孔,并用其包装香菇，依据数学模型很好地预测了香菇包装内的气体交换过程;Winotapun等[23]采用BOPP,BOPET,LDPE三种聚合物进行不同能量激光打孔制备微孔膜实验,结果发现通过激光打孔的BOPP膜、BOPET膜和LDPE膜要比无孔膜的氧气透过率分别提高了5、18和2倍,且孔径和氧透过率随着激光能量增加而变大,因此激光打孔法制得的微孔膜可以满足不同高呼吸速率果蔬的包装要求;Antonis等[17]使用激光在PLA膜上开设微孔的方法并根据数学模型以及圣女果和桃子对包装透气性的要求,较好地预测了这两种水果包装内气体的变化过程。除了这些果蔬外,用激光打孔的微孔膜还能满足花椰菜[24]、松露[25]、菠菜[12]等果蔬的包装要求。虽然激光打孔利用热能量在普通薄膜上高效快速地产生较小的微孔,但微孔膜材料因薄膜受热产生微孔边际残留物而影响结果[5]。为了减轻其影响,Allan-Wojtas等[26]提出一种新的薄膜打孔技术,通过两个电极之间所产生的电火花在普通膜上打孔,孔径的大小取决于电极的本身的性质以及操作条件。虽然这种打孔技术所得到的微孔大小形状一致性好以及微孔边缘残留物少,但是成本较高,操作困难。因此,该方法目前在果蔬保鲜应用方面鲜有报道。

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表2 微孔膜与其他包装材料保鲜对比研究Table 2 Study on preservation effect of micro-perforated film compared to other packaging materials

3 微孔膜在果蔬保鲜技术中的应用

近年来,微孔膜在果蔬保鲜技术中得到了越来越多的应用,研究方向主要有微孔膜与其他包装材料保鲜效果对比、微孔膜与其他保鲜技术相结合以及不同的微孔数目和孔径对果蔬的保鲜影响等。

3.1微孔膜与其他包装材料保鲜对比研究

对于高呼吸速率型的新鲜果蔬保鲜,要求采用透气性高的包装材料,包装内气体通过膜与大气进行气体交换,补充果蔬所需呼吸消耗的氧气并排出多余的二氧化碳[9]。表2总结了近年来微孔膜与其他包装材料保鲜效果对比研究,其中包装方式中没有具体指明微孔膜材料的，来自天津国家农产品保鲜工程技术研究中心或者其他国家材料研究中心。

由表2可知,微孔膜对大多数高呼吸速率的果蔬保鲜效果最好,并在一定程度上延长货架期。如郭嘉明等[27]发现微孔膜比开孔PE袋和包装盒更有利于减轻荔枝水分散失和减缓果实的褐变指数;微孔膜包装甜樱桃能够减轻果实的褐变、腐败和质量损失[28]。

但对有些果蔬来说,其他包装材料贮藏果蔬保鲜效果比微孔膜包装更好。如伍新龄等[29]选用0.02、0.05 mm厚度的PE膜、微孔膜三种保鲜膜包装鲜食大豆，研究(2±0.5) ℃下冷藏保鲜效果,结果表明50 d后,PE膜包装大豆更有效地减轻其腐败,因为大豆对CO2并不敏感,不适合用透气性好的微孔膜;类似的实验也表明用PE膜包装芦蒿的保鲜效果要好于微孔膜,因为芦蒿较强的CO2耐受性,更适合用透气性差的PE膜[30];Giménez等[31]也发现了微孔膜不适合包装CO2耐受性好的玻璃苣;同样CO2耐受性好的覆盆子和水蜜桃不适合用微孔膜包装贮藏[32-33]。而芒果虽然属于高呼吸速率且对CO2敏感的水果,但是乙烯的产生影响到芒果的成熟,所以用无孔高透乙烯膜包装芒果比微孔膜保鲜效果更好[34]。

表3 微孔膜与其他保鲜技术对果蔬的协同保鲜研究Table 3 Studies on the synergistic effects of micro-perforated films combined with other fresh-keeping techniques on preservation of fruits and vegetables

由此可见,果蔬保鲜效果与果蔬品种,膜的种类及其他条件有关。

3.2微孔膜与其他技术的复合保鲜作用研究

微孔膜对果蔬的保藏属于物理保鲜,与其他保鲜技术联合使用产生了很好的协同保鲜效果。表3总结了近年来微孔膜与其他技术协同保鲜研究情况,其中复合保鲜方式中没有具体指明微孔膜材料的，来自天津国家农产品保鲜工程技术研究中心或者其他国家材料研究中心。如黄雯等[47]先使用果蜡将翠冠梨涂膜处理,再结合微孔膜包装能够使其25 ℃下的货架期延长10～15 d;刘燕等[48]采用1%壳聚糖涂膜结合OPP/PE微孔膜气调包装的方法,在5 ℃下贮藏可延长货架期3～5 d;在微孔膜中加入除乙烯剂、除氧剂、臭氧等对果蔬保鲜也十分有效,Danza等[37]用PP微孔膜与高锰酸钾协同保鲜，比单独使用微孔膜包装芝麻菜的保鲜效果要好,可在4 ℃下延长货架期3 d;Kartal等[49]发现微孔膜加除氧剂协同对草莓贮藏保鲜效果更好,延长了7 d的货架期;陈存坤等[50]研究微孔膜与加臭氧处理的小枣保鲜,发现在0 ℃、臭氧浓度为0.5 mL/m3的条件下，可延长小枣的货架期36 d。

3.3微孔膜的微孔数目以及孔径对果蔬保鲜的影响研究

微孔膜的透气性与微孔的数目和孔径有密切关系,适合的孔径与微孔数目会减缓果蔬的呼吸强度,减缓营养物质的损失与腐败,从而延长果蔬的货架期[49]。李云云等[60]发现常温下在微孔膜上开4个微孔保藏双孢蘑菇的效果最佳;Jayathunge等[61]在鲜切哈密瓜PVC托盘包装膜分别打5、7、10个微孔,发现10个孔的微孔膜能保藏鲜切哈密瓜19 d,效果最好;李家政等[62]在40 μm厚的PE保鲜袋上制备不同数量的微孔,孔径为(180±5)μm,孔的数量分别为2、3、6、9、20、50个,发现6个孔的膜能够保藏甜玉米14 d,效果最佳;王晓芸等[63]在PE保鲜袋上制备1、3、6、50个孔径为180 μm的微孔,结果显示1、3、6个孔的膜对油麦菜均有良好的保鲜效果,且50 d还能保持良好品质;Villalobos等[64]研究了气调平衡的条件下结合微孔膜储藏无花果,发现3个孔径为100 μm的微孔贮藏效果最好,‘San Antonio’和‘Banane’两种无花果分别储藏14 d和21 d;还有研究发现在4 ℃下,2个90 μm×50 μm(椭圆的长轴和短轴)的微孔分别能储藏冬松露和夏松露到28 d和21 d[25]。

3.4其他研究

Jeong等[65]模拟甜柿子的储藏销售环境,采用LDPE大包装作为外包装和1个直径为60 μm微孔OPP膜为甜柿子内包装,一个LDPE的大包装含有46个这样的微孔OPP膜,在0 ℃下贮藏122 d,并在10 ℃零售环境下贮藏10 d,发现这样的包装方式能够很好地贮藏柿子;Ahn等[66]也采用这种包装方法来储藏销售甜柿子,发现1个LDPE大包装里面装有8个微孔OPP膜,于0 ℃储藏和10 ℃销售条件下能贮藏柿子长达170 d,其中微孔直径和微孔数目分别为59 μm和3个;Jeong等[67]为了解决运输中环境温度变化带来的杏鲍菇损失的问题,采用类似的包装方法储藏和运输杏鲍菇,结果表明一个LDPE大包装里面放置15个OPP微孔膜，模拟0 ℃冷藏和10 ℃销售效果最好。除了西红柿和杏鲍菇外,Kim等发现这种包装方法也可以很好地用于栗子的储藏和销售中[68]。

4 展望

对微孔膜的气调保鲜研究的60多年来,将其应用在很多高呼吸速率的果蔬保鲜方面取得了很好的效果,但仍然存在很多问题,未来对于微孔膜的研究方向应该注意以下几个方面:

对某些高呼吸速率的果蔬保鲜,微孔膜包装与其他包装方式相比有明显优势。但也发现并不是所有的果蔬都适合用微孔膜来保鲜,如CO2耐受性好的玻璃苣、鲜食大豆、覆盆子等。由此可知,对某些果蔬的保鲜机理还需进一步研究,如芒果等。

数学模型可用于预估果蔬微孔膜包装要求,如微孔面积、薄膜的厚度、薄膜的透气性、包装内外的气体浓度差等。目前研究较多的是CO2、O2、水蒸气在包装内分压的变化,对描述乙烯浓度在微孔膜变化的数学模型很少,且仅对少数果蔬进行了数学模型研究,有必要扩大储运保鲜仿真研究的果蔬品种。大部分数学模型忽略了果蔬微孔膜内气体体积和湿度的变化,也会影响仿真精度。因此,今后还需全面考虑影响微孔膜气体变化的因素,如温度、湿度、包装材料等。

微孔膜与其他技术的结合,对果蔬的保鲜具有协同作用。当前,主要是两种保鲜技术的协同,如微孔膜与低温保鲜,微孔膜与涂膜保鲜,微孔膜与臭氧保鲜等,而三种或者三种以上的复合保鲜研究还比较少。因此,今后要加强微孔膜与多种保鲜技术或新的保鲜技术协同作用的研究,如微孔膜与抗菌肽的协同保鲜,微孔膜、1-MCP、壳聚糖涂膜和低温复合保鲜等。

微孔膜的透气性和保鲜效果与微孔参数密切相关,目前,微孔膜孔径大小与数量在不同条件下对膜阻隔性及果蔬的保鲜效果的影响的研究很少,值得深入研究。

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Advancesinstudiesonmodifiedatmospherestorageoffruitsandvegetableswithmicro-perforatedfilm

CAIJin-long1,WANGYu-cui1,ZHOUXue-cheng2,XIANGHong1,*

(1.College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China; 2.Guangzhou Biaoji Packaging Equipment Co.,Ltd.,Guangzhou 510730,China)

The application of micro-perforated film on preservation of fruits and vegetables is reviewed. The mechanism of modified atmosphere storage with micro-perforated film is introduced firstly,and then the research progress on mathematical simulation,the preparation of micro-perforated film are discussed,finally study on preservation effect of micro-perforated film compared to other packaging materials as well as advances in the synergistic effect of micro-perforated film combined with other fresh-keeping techniques on preservation of fruits and vegetables are introduced,respectively. The problems on preservation technology of fruit and vegetable with micro-perforated film and its application,as well as the future research directions are discussed.

micro-perforated film;fruits and vegetables preservation;modified atmosphere storage;preparation of micro-perforated film

2017-01-10

蔡金龙(1991-)，男，硕士，主要从事食品包装方面的研究，E-mail:scaufoodlong@163.com。

*通讯作者:向红(1964-)，男，博士，教授，主要从事食品包装与运输包装方面的研究，E-mail:xianghong@scau.edu.cn。

广州标际包装设备有限公司技术中心资助项目。

TS205.9

:A

:1002-0306(2017)16-0318-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.060