摘要：詳細(xì)介紹一種便于自制的混合氣氣調(diào)充氣包裝裝置。該裝置采用流量法得到各種所需的混合氣體，其所有部件均可從市場(chǎng)上采購(gòu)獲得，制備時(shí)無(wú)需任何機(jī)械加工即可自行組裝完成。該裝置的充氣精度為±2％，適用于肉類和食用菌類的氣調(diào)包裝試驗(yàn)。由于受浮子流量計(jì)量程比的限制，不適用于果蔬類產(chǎn)品的包裝試驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：氣調(diào)包裝；充氣裝置；浮子流量計(jì)
氣調(diào)包裝技術(shù)是指采用具有氣體阻隔性能的包裝材料，將單一氣體或一定比例的混合氣體（通常為O2、CO2、N2中的2種或3種）充入包裝內(nèi)，以減緩食品在物理、化學(xué)、生物等方面發(fā)生的質(zhì)量下降的速度，從而延長(zhǎng)食品貨架期，提升食品價(jià)值的技術(shù)。當(dāng)前，越來(lái)越多的食品實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了有關(guān)氣調(diào)包裝的技術(shù)開(kāi)發(fā)和研究，但由于受規(guī)劃、資金及使用率等因素的影響，擁有氣調(diào)包裝設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室并不多見(jiàn)。本課題組在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，自行研制了一種便于自制的氣調(diào)包裝充氣裝置，該裝置所有元器件均可從市場(chǎng)采購(gòu)，便于組裝，可使缺乏機(jī)械加工設(shè)備和能力的食品實(shí)驗(yàn)室具備氣調(diào)包裝能力。
1 氣調(diào)充氣裝置的流量法工作原理
1.1 氣調(diào)充氣裝置的構(gòu)造
為便于表述，以充O2和CO2混合氣的氣調(diào)充氣裝置（見(jiàn)圖1）為例進(jìn)行論述。充氣裝置由氣源、減壓穩(wěn)壓閥、浮子流量計(jì)、三通和充氣頭等組成。
1.CO2氣源 2.CO2減壓穩(wěn)壓閥 3.CO2流量計(jì) 4.O2氣源 5.O2減壓穩(wěn)壓閥 6.O2流量計(jì)
7.三通 8.氣容 9.充氣頭
圖1 O2、CO2混合氣氣調(diào)充氣裝置示意圖
在高壓氣瓶中的壓縮O2和CO2，經(jīng)各自的減壓穩(wěn)壓閥，減壓穩(wěn)壓成相同壓力的低壓氣體后，分別送至各自的浮子流量計(jì)，再按所需的O2和CO2配比，分別調(diào)節(jié)相應(yīng)流量計(jì)的流量至所需值，氣體按所需比例送至三通進(jìn)行兩氣混合，混合氣經(jīng)氣容緩沖，送至充氣頭進(jìn)行充氣。
1.2 流量法配制混合氣的原理
配制某種配比的混合氣時(shí)，需按該種混合氣中各組分的配比控制相應(yīng)氣流的流量值，并使各組分氣流在無(wú)泄漏的情況下相互混合，得到所需配比的混合氣。
由流量定義知：
由流量定義知：
式中：
?。?mdash;充氣流量，L/s；
t1——充氣開(kāi)始時(shí)間，ｓ；
t2—充氣結(jié)束時(shí)間，ｓ。
當(dāng)ｑ為常量時(shí)：
因中國(guó)JB/T 9255—2015《玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)》規(guī)定的氣體浮子流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為：溫度20℃，絕對(duì)氣壓0.101 325MPａ，所以浮子流量計(jì)是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下標(biāo)定刻度的。因此，以下分兩種情況進(jìn)行論述。
假設(shè)需配制O2與CO2氣體體積比為m/n的混合氣，則：
?、?當(dāng)浮子流量計(jì)工作在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下時(shí)，由式（2）可得：
式中：
V充－充氣（O2或CO2）量，L；ｑ示值—流量計(jì)示值，L/s。
為得到O2與CO2氣體體積比為ｍ/ｎ的混合氣，則需使：
由式（3）、（4）得：
即：只需將兩流量計(jì)的流量示值調(diào)至m/n即可。
?、?當(dāng)浮子流量計(jì)工作在室溫（10～30℃）和減壓穩(wěn)壓閥出口壓力調(diào)節(jié)范圍0.02～0.25MPa內(nèi)的狀態(tài)下時(shí)，可用式(6)對(duì)流量計(jì)示值進(jìn)行修正：
式中：
qo—換算至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量，L/s；
?。袷局?mdash;流量計(jì)示值，L/s；
Po—絕對(duì)氣壓力，0.101325MPa；
To—絕對(duì)溫度，293.15K；
P—流量計(jì)工作絕對(duì)壓力，MPa；
T—流量計(jì)工作絕對(duì)溫度，K。
為得到O2與CO2氣體體積比為m/n的混合氣，由式（4）、（5）知，只需使
因兩種高壓氣瓶長(zhǎng)期存放于同一室溫下，且工作時(shí)已將兩種氣體穩(wěn)壓至相同的壓力，即To2＝Tco2，Po2＝Pco2則由式（6）、（7）可得
由以上論述可知，在這兩種情況下，均只需將兩流量計(jì)的示值調(diào)至m/n即可。
2 充氣裝置的制備
2.1 氣源部分
購(gòu)買高壓鋼瓶裝的高純O2和食品級(jí)CO2（純度均為99.5％以上）各1瓶、輸出壓力調(diào)節(jié)范圍0.02～0.25MPa的O2減壓閥和CO2減壓閥各1只。
使用時(shí)需注意：高壓O2鋼瓶和O2減壓閥應(yīng)絕對(duì)禁油，不能使二者與汽油或潤(rùn)滑油相接觸；CO2氣路應(yīng)使用有防干冰功能的CO2減壓閥來(lái)增加流量的穩(wěn)定性。組裝時(shí)按說(shuō)明書(shū)要求，將各自的減壓閥安裝在高壓鋼瓶上。
2.2 浮子流量計(jì)的選用和充氣時(shí)間
浮子流量計(jì)較其他種類的流量計(jì)更適合測(cè)量小流量，且壓力損失小，因此，適用于本裝置的工作狀況。選用浮子流量計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
2.2.1 浮子流量計(jì)的選用
?。?）被測(cè)氣體種類應(yīng)與浮子流量計(jì)標(biāo)注的氣體種類相一致，因浮子流量計(jì)的刻度是用該種氣體標(biāo)定和檢定的。若浮子流量計(jì)沒(méi)有標(biāo)注被測(cè)氣體，則表明被測(cè)氣體為空氣。
?。?）應(yīng)選用1.5級(jí)以上的浮子流量計(jì)，以保證裝置的充氣精度。因根據(jù)試驗(yàn)誤差合成定侓，只有選用了1.5級(jí)以上的浮子流量計(jì)，同時(shí)考慮到氣源氣體的精度、真空包裝的真空度、溫度和壓力等因素造成的間接誤差，才能保證本裝置的充氣精度為±2％。
2.2.2 測(cè)量范圍和充氣時(shí)間的關(guān)系 浮子流量計(jì)的測(cè)量范圍應(yīng)根據(jù)各自實(shí)驗(yàn)室常用的氣調(diào)包裝袋的大小來(lái)確定。充氣流量太小會(huì)降低工作效率，太大則不易操作。
本研究推薦選用流量計(jì)測(cè)量范圍是：25～250L/h。以實(shí)驗(yàn)室常用的肉類試驗(yàn)為例：每袋包裝量100ｇ、充氣量500ｍL，則當(dāng)需要配置20％CO2／80％O2的氣體組分時(shí)：
?、?若qco2取測(cè)量范圍下限25L/h，則由式(8)得：
qo2 ＝qco2×4＝100L/h
則裝置的充氣流量為：ｑ充氣＝qco2＋qo2＝125L/h＝34.72ｍL/ｓ
此時(shí)每袋充氣時(shí)間為：T＝500ｍL÷34.72ｍL/ｓ＝14.4ｓ
?、?若qo2取測(cè)量范圍上限250L/h，則由式（8）得：
qco2＝qo2÷4＝62.5L/h
則裝置的充氣流量為：ｑ充氣＝qo2＋qco2＝312.5L/h＝86.8ｍL/ｓ
此時(shí)每袋的充氣時(shí)間為：T＝500ｍL÷86.8ｍL/ｓ＝5.8ｓ
由以上計(jì)算可知，每充1袋的可調(diào)時(shí)間范圍：5.8～14.4ｓ，還是較合適的。
實(shí)驗(yàn)室做肉類試驗(yàn)時(shí)所沖入的混合氣的范圍通常為：20％CO2／80％O2至80％ CO2／20％O2，因此，在該范圍之間的其他混合比的充氣時(shí)間可調(diào)范圍更大，完全適用。
2.3 固定流量計(jì)的角鋼架
可購(gòu)買30ｍｍ×30ｍｍ×1ｍｍ 貨架角鋼、貨架專用角片、M6ｍｍ×12ｍｍ螺絲和M6ｍｍ螺母來(lái)組裝固定流量計(jì)的角鋼架。圖2為角鋼架尺寸推薦圖，其中，底座在前面加寬的部分是為了在調(diào)節(jié)流量計(jì)時(shí)使角鋼架更穩(wěn)定。流量計(jì)可直接固定在橫梁上，固定時(shí)，前后和左右兩個(gè)方向均要保持垂直。推薦的角鋼架應(yīng)放在實(shí)驗(yàn)桌上使用。
圖2 固定流量計(jì)的角鋼架尺寸圖
2.4 各部分的連接
本裝置可直接采用室內(nèi)煤氣管線組件進(jìn)行連接。按實(shí)際需要長(zhǎng)度購(gòu)買Ф10ｍｍ煤氣橡膠軟管；再購(gòu)1個(gè)煤氣三通和若干卡口。按圖１用橡膠軟管將各部分連接，每個(gè)軟管接頭處用卡口卡緊。充氣頭可采用中性筆筆桿，其外徑大小恰好與軟管口徑相配。
當(dāng)管線過(guò)短時(shí)，為避免充氣頭插入包裝袋時(shí)造成的壓力變化對(duì)氣路穩(wěn)定性的影響，可在三通和充氣頭間加一個(gè)3L以上的容器作為氣容，以達(dá)到維持氣路穩(wěn)定性的目的。當(dāng)浮子流量計(jì)至充氣頭的管線超過(guò)5ｍ時(shí)，由于管線本身會(huì)吸收這一波動(dòng)，因此不需再安裝氣容。
3 使用操作注意事項(xiàng)
?、?高壓氣瓶應(yīng)放置在墻角等不易觸碰處，同時(shí)近處不得使用熱源。
② 先用真空包裝機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行真空封裝，再在樣品袋上剪一小口，插人充氣頭進(jìn)行充氣，當(dāng)充至所需氣量時(shí)，用熱封機(jī)封袋即可。
?、?包裝前應(yīng)使裝置的充氣頭放空3min，使管線內(nèi)的空氣得以充分排出，與此同時(shí)可對(duì)流量計(jì)進(jìn)行調(diào)整。
?、?除定量配氣并充入高壓鋼瓶的集中供氣型氣調(diào)包裝機(jī)外，其他氣調(diào)包裝機(jī)充的氣體均沒(méi)做過(guò)定量分析。所以，從嚴(yán)格意義上來(lái)講，做定量氣調(diào)包裝試驗(yàn)時(shí)，均應(yīng)對(duì)氣調(diào)包裝袋內(nèi)的各氣體組分進(jìn)行定量分析，以滿足定量氣調(diào)包裝試驗(yàn)的要求。因此，在用本裝置做定量氣調(diào)包裝試驗(yàn)的過(guò)程中，每充一組混合氣包裝組時(shí)，可多充一個(gè)無(wú)食品的樣包，并用二氧化碳紅外線分析儀和順磁式氧氣分析儀或氧化鋯氧氣分析儀對(duì)樣包內(nèi)的樣氣進(jìn)行定量分析，以更好地滿足定量氣調(diào)包裝試驗(yàn)的需求。無(wú)分析儀的實(shí)驗(yàn)室，也可送檢樣包來(lái)進(jìn)行定量分析。
?、?配置3種氣體的混合氣時(shí)，需增加一路氣源和一只流量計(jì)，并將三通改為四通。
4 結(jié)論
該氣調(diào)充氣裝置的充氣精度可達(dá)±2％。根據(jù)肉類氣調(diào)包裝的儲(chǔ)藏條件，一般要求包裝內(nèi)的O2含量達(dá)10％～80％，CO2含量達(dá)10％～80％；對(duì)于食用菌類，通常要求包裝內(nèi)的O2含量為10％～80％，而該裝置所制得的氣調(diào)包裝試樣中的O2和CO2的配比含量均可達(dá)9％～91％，因此，可滿足肉類和食用菌類氣調(diào)包裝試驗(yàn)的要求。
該裝置的最大優(yōu)點(diǎn)在于：費(fèi)用低且便于制作，其所有部件全部可從市場(chǎng)上采購(gòu)得到，制備時(shí)無(wú)需任何機(jī)械加工，即可自行組裝完成。缺點(diǎn)在于：新鮮果蔬的氣調(diào)包裝儲(chǔ)藏條件一般為：O2濃度配比1％～5％，CO2濃度配比1％～5％；只有少量的濃度配比上限為10％，因而，不能滿足果蔬類氣調(diào)包裝的要求。
