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 關鍵詞：復合氣調保鮮包裝機；氣體混合系統(tǒng)；研究和設計
        
        現(xiàn)代氣調保鮮包裝機集微機技術、真空技術、氣動技術、光磁感應技術、程序控制技術及復合氣體混合技術于一體，具有較高的技術含量及工藝性能要求，國外在20世紀80年代后期開始研究和應用，因其對食品保鮮效果明顯而得以迅速發(fā)展（圖1為美國CVP systems公司生產的一款氣調包裝機）。我國氣調保鮮包裝起步于90年代，氣調保鮮設備的研發(fā)和應用目前還處于起步階段。而*的多功能氣調保鮮工藝及設備的關鍵技術在于研究和設計合適的復合氣體混合配送系統(tǒng)。
        1  復合氣調保鮮包裝的原理
        復合氣調保鮮包裝亦稱氣體置換包裝，上稱為MAP包裝（Modified Atmosphere Packing）。其原理是采用復合氣體（2-4種氣體按被包裝食品特性配比混合）對包裝容器內的空氣進行置換，改變包裝容器內食品周圍的氣體環(huán)境，從而抑制細菌（微生物）的生長繁衍，減緩被包裝食品的新陳代謝速度，延長食品的保鮮期或貨架壽命[1,2]。 
        氣調保鮮氣體一般由二氧化碳(CO2)、氮氣(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*的大多數(shù)微生物的生長繁殖，延長其繁殖生長的停滯期（或潛伏期）和延緩其對數(shù)增長期，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可保持果蔬新鮮狀態(tài)的新陳代謝活動；N2是惰性氣體，與食品不起化學作用，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及特種氣體組成復合保鮮氣體，用于食品果蔬保鮮是當今保鮮包裝的發(fā)展趨勢。
 
圖1 美國CVP systems公司氣調包裝機Fig.1 USA CVP systems Modified Atmosphere Packing machine
        2 復合氣體混合配送系統(tǒng)的基本結構
        為了將不同比例的二氧化碳(CO2)、氮氣(N2)、氧氣(O2)送入包裝容器內，一般將CO2、N2、O2氣體按一定比例送進混合室（貯氣室）混合后，再注入到包裝容器內，從而根據(jù)被包裝食品特性需要，改變包裝容器內食品周圍的氣體環(huán)境，達到保鮮的目的?？梢圆捎萌缦聝煞N方式進行氣體混合和配送。
        （1）控制氣壓復合氣體混合配送系統(tǒng)
        控制氣壓復合氣體混合配送系統(tǒng)主要由氣源、氣體混合室、真空充氣包裝機以及管路、減壓閥、壓力表和開關等附件組成，如圖2所示。一般小批量生產采用的氣源為鋼瓶裝壓縮氣體。二氧化碳用食品級，氮用脫水精氮。鋼瓶灌滿時壓力可達15MPa，一般有10～12MPa。
        各種壓縮氣體經減壓閥減壓后，進入氣體混合室進行各種產品所需的*比例混合，然后才引入充氣包裝機進行充氣包裝。
        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-開關 4-氣體混合室 5-包裝機
        T—溫度，°K。                                                                                                   
  由上式可知，在一定溫度下，當氣體體積V一定，則氣體摩爾數(shù)n只與其分壓P有關?？刂七M入定容積的氣體混合室內各氣體的分壓，便可實現(xiàn)氣體按所需的比例混合。例如，欲配70％CO2＋30％N2的混合氣，并假設所需混合氣總壓為P。先將定容積的混合室內空氣抽除。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）等氣壓復合氣體混合配送系統(tǒng) 
                
 圖3  復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

        等氣壓復合氣體混合配送系統(tǒng)的基本結構如圖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與其管路構成的通道有效截面積成1：1：1的比例關系，每個電磁閥的控制端分別與控制裝置相連接，控制裝置中包含對應每個電磁閥的時間控制電路。假設CO2、O2、N2三種氣體的混合比例為7：2：1，通過控制裝置使氣體導通時間的控制電路設定為7：2：1，這樣當氣體混合配送裝置工作時，三種氣體分別按設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，再經截止閥9充填到包裝容器中，封合完成包裝。                       
        在上述基本結構組成中，每個氣源的壓力均相等，每個充氣管路通道的有效截面積相等，單位時間內氣體通過通道的流量相等。因此，只要調節(jié)各個充氣電磁閥的開啟時間，就可達到調節(jié)混合氣體配氣比例的目的。工作過程中，通過控制裝置控制各個充氣電磁閥的開閉，使各路通道開啟時間一致，而關閉時間根據(jù)氣體混合比例關系確定。
這種氣體混合配送系統(tǒng)具有以下特點：
        （1）采用普通電磁閥和管道結構，通過控制各充氣電磁閥的開啟時間來調節(jié)混合氣體的比例，其精度可以達到食品保鮮氣體比例的要求。
        （2）系統(tǒng)技術方案構思合理，結構簡單。
        （3）系統(tǒng)的氣體混合比例可以通過控制裝置設定和調節(jié)，可以方便地實現(xiàn)自動控制和操作，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到要求，因此需有氣源的穩(wěn)壓裝置，難于實現(xiàn)連續(xù)充氣包裝。
        3  新型復合氣體混合配送系統(tǒng)
        通過對復合氣調保鮮包裝機氣體混合系統(tǒng)研究、設計和試驗，一種新型復合氣體混合配送系統(tǒng)開發(fā)出來，圖4表示這種新型復合氣體混合配送系統(tǒng)的基本結構組成。這項研究的技術關鍵是在系統(tǒng)中取消了體積龐大的氣體混合室，采用了氣動比例閥的開啟按比例供送氣體，其工作原理為：以一定壓力的CO2氣體通過通道①作為雙聯(lián)氣動比例閥CO2端閥門的開啟動力，推動比例閥開啟，接通CO2氣體；以的接通CO2氣體作為開啟動力，通過通道④開啟O2氣體比例閥，通過通道⑤開啟N2氣體比例閥。這樣三種氣體均以相等的壓力分別進入電磁閥，CO2氣體通過通道②、③、⑥進入電磁閥；O2氣體通過通道⑦、⑧進入電磁閥；N2氣體通過通道⑨、⑩進入電磁閥，然后三種氣體混合后進入包裝容器進行封合包裝。
         這種新型復合氣體混合配送系統(tǒng)的優(yōu)點：
        （1）系統(tǒng)中取消了體積龐大的氣體混合室，進一步簡化了結構，節(jié)省了空間。
        （2）采用了氣動比例閥，以一種氣源壓力為參考，獲得了壓力一致的各種氣源，可實現(xiàn)連續(xù)不斷地供應設定比例混合的氣體。
       （3）各種氣源壓力一致，通過的管道和電磁閥尺寸一致，通過控制裝置設定和調節(jié)閥門開度，即可調節(jié)混合氣體的比例，其精度進一步提高。
        （4）當任何一種氣源的壓力達不到要求時，通過控制裝置即可使機器發(fā)出警報并停止工作。更換新的氣源鋼瓶，接通系統(tǒng)后可繼續(xù)工作。
        （5）采用電腦自動控制、人機界面，很方便地調節(jié)不同比例的氣體組合適應各種被包裝物品的要求，并可實現(xiàn)一機多用。
        （6）可以設計制作成獨立的新型復合氣體混合配送系統(tǒng)，配合任何型號規(guī)格的充氣包裝機，適用范圍廣。

圖4 連續(xù)供送復合氣體混合配送系統(tǒng)
Fig.4 The continuous 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-雙聯(lián)氣動比例閥
5-單聯(lián)氣動比例閥 6、7、8-電磁閥 9-控制裝置
        4  新型復合氣體混合配送系統(tǒng)的技術關鍵
        新型復合氣體混合配送系統(tǒng)的技術關鍵之一是在系統(tǒng)中采用了氣動比例閥，其結構示意圖如圖5所示，將設定壓力的氣體通入氣動比例閥啟動腔室，并將要供送的氣體通入氣動比例閥供送腔室，當兩種氣體壓力達到相等時，供送閥就會打開送出氣體。因此系統(tǒng)中可以選擇一種設定壓力的氣體作為啟動氣源，當通入氣動比例閥的其它氣體壓力達到與啟動氣源壓力平衡時，就會實現(xiàn)各路氣體等壓力供送。
        新型復合氣體混合配送系統(tǒng)的技術關鍵之二是復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不同，其對保鮮氣體的比例特性具有相當?shù)拿舾行?。采用新型復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%。
新型復合氣體混合配送系統(tǒng)在設計上采用電腦自動控制、人機界面，配合復合氣調保鮮包裝機使用，可調節(jié)不同比例的氣體組合適應種被包裝物品的要求，延長被包產品的保鮮期，能真正保證食品果蔬的原汁、原味、原貌。特別適合于農副產品產地、農副產品配送中心、食品加工企業(yè)、超市生鮮農副產品加工間等場所使用，新型復合氣體混合配送系統(tǒng)及復合氣體保鮮包裝機是今后食品果蔬保鮮技術的一個發(fā)展方向。
 
圖5 氣動比例閥示意圖
Fig.5 The gas proportion valve



參考文獻
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[2] 楊福馨. 農產品保鮮包裝技術. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2004
[3] 徐文達, 程裕東, 岑偉平等. 食品軟包裝材料與技術. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2003
[4] 潘松年編. 包裝工藝學. 印刷工業(yè)出版社，2004年
[5] Penn,Anthony. MAP shows the way. Packaging Magazine,Aug2002,Vol.5.
[6] Renstorm,Roger. MAP KEEPS BREAD,TOO. Plastics News,Sep98.
[7]