劉 謹(jǐn) 郭彥峰 張 偉 付云崗

（西安理工大學(xué)包裝工程系，陜西西安，710048）

溫度是果品、蔬菜、食品等易腐產(chǎn)品保鮮貯運的重要影響因素之一，這些產(chǎn)品的氣調(diào)包裝系統(tǒng)及其相關(guān)組成材料的熱量傳遞機理和隔熱性能是一個關(guān)鍵性的基礎(chǔ)研究課題［1-3］。在果品等氣調(diào)包裝系統(tǒng)中，瓦楞紙箱是一類重要的運輸包裝形式，而對氧氣、二氧化碳?xì)怏w、水蒸氣具有優(yōu)良阻隔性能的選擇透過性薄膜是一種重要組成材料。宋寶峰等分析了PVDC、PET、PP、PE薄膜對水蒸氣、氧氣、二氧化碳?xì)怏w的滲透性能，認(rèn)為它們是4類重要的氣調(diào)包裝技術(shù)用薄膜［4-5］。文獻［3］和文獻［6］分別報道了胡羅卜切片、蘑菇、椰菜、番茄在不同混合氣體（氧氣、二氧化碳）濃度的氣調(diào)包裝系統(tǒng)中，貯藏溫度明顯波動對這些蔬菜品質(zhì)特征的影響，結(jié)果表明溫度是主要影響因素。Chandrasekar等研究了經(jīng)過熱鹽水處理的蘑菇切片在復(fù)合包裝袋中保鮮貯藏過程中的熱量傳遞過程、溫度變化情況［7］。宋寶峰［4］、李新平等［7-8］探討了瓦楞紙箱包裝系統(tǒng)的傳熱過程，認(rèn)為瓦楞紙箱具有良好的保溫隔熱效果，與泡沫材料等其他隔熱材料結(jié)合使用，可開發(fā)出保鮮瓦楞紙箱。高斯等介紹了保溫包裝整體設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析方法［9］，周祥興分析了蓄熱劑、蓄冷劑在餐飲包裝中的應(yīng)用［10］，王京海［11］、潘松年［12］采用滲透反應(yīng)動力學(xué)分析了溫度對塑料薄膜包裝材料滲透性能的影響。這些研究工作推動了非冷庫、非氣調(diào)庫條件下的氣調(diào)包裝技術(shù)、果蔬隔熱保溫包裝技術(shù)，但都尚處于基礎(chǔ)研究階段，也缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持。本實驗以普通瓦楞紙箱作為主要包裝方式，研究了蓄冷劑和選擇透過性薄膜對普通瓦楞紙箱的溫度阻隔性能的影響，探討了復(fù)合瓦楞紙箱的溫度（熱量）傳遞效果。

1 實驗

1.1 實驗熱源

采用加熱純水（物理熱源）作為等效熱源，代替被包裝果品（生物熱源）。由于水具有較高的熱穩(wěn)定性，在通常狀況下只存在放熱或吸熱單一過程，簡化了被包裝果品的吸熱、放熱過程，提高了實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。該熱源裝置選用500mL圓底兩頭燒瓶（見圖1）放置在三角架上。燒瓶的一頭由橡膠塞固定溫度計且密封燒瓶，另一頭由膠布固定加熱裝置且密封燒瓶。加熱器對純水持續(xù)穩(wěn)定加熱，通過預(yù)設(shè)的溫度來控制熱源溫度。

1.2 復(fù)合瓦楞紙箱

復(fù)合瓦楞紙箱選用普通瓦楞紙板套裝箱，由內(nèi)箱和外箱組成，紙箱尺寸480mm×295mm×210mm，雙瓦楞紙板厚7.0mm，芯紙、里紙定量125g/m2，面紙定量280g/m2。首先在套裝箱的內(nèi)壁均勻涂布蓄冷劑膠體（由粉末狀蓄冷劑與水以質(zhì)量比1∶15制備而成），然后在涂布層表面均勻撒粉末狀蓄冷劑。所使用的蓄冷劑以超高分子或其接枝聚合物為主要成分，膠體用量0.467mg/mm2、粉末用量0.098mg/mm2。待基本晾干后在粉末層的表面復(fù)合一種選擇透過性薄膜。選擇透過性薄膜選用40μm PVDC薄膜，20℃時O2透氣量19.622mL/（m2·24h·0.1MPa），CO2透氣量51.294mL/（m2·24h·0.1MPa）。在內(nèi)箱的頂部按規(guī)律設(shè)計有13個孔位（見圖2），插入橡膠管固定溫度計（見圖3），A～L是12個監(jiān)測溫度計位置，M是熱源溫度計位置。A、E、G、K距熱源中心M點262mm，B、D、H、J距M點159mm，C、I距M點105mm，F(xiàn)、L距M點240mm。對稱點指圖2中距離熱源中心M點的半徑相同的測點，而非對稱點指半徑不同的測點。在內(nèi)箱的側(cè)面固定了帶有缺口的單瓦楞隔板，用于沿垂直方向固定橡膠管和溫度計。

1.3 實驗方案

包裝方式以普通瓦楞紙箱作為主要結(jié)構(gòu)，根據(jù)是否有蓄冷劑層、選擇透過性薄膜而分為3種對比情況，即蓄冷劑+薄膜、無蓄冷劑+薄膜、無蓄冷劑+無薄膜。對比實驗分為放熱實驗和吸熱實驗（見表1），放熱實驗?zāi)M果品在貯藏過程中復(fù)合瓦楞紙箱的隔熱效果，而吸熱實驗?zāi)M果品在運輸過程中復(fù)合瓦楞紙箱對外界熱流的阻隔作用。通過這些對比實驗，研究蓄冷劑、選擇透過性薄膜對普通瓦楞紙箱的溫度阻隔性能的影響，探討復(fù)合瓦楞紙箱的溫度（熱量）傳遞效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合瓦楞紙箱的熱傳導(dǎo)過程

復(fù)合瓦楞紙箱果品包裝系統(tǒng)的內(nèi)部、外部產(chǎn)生的熱量包括3個主要部分，外部高溫氣體通過箱壁向箱內(nèi)氣體傳熱（q1）、系統(tǒng)內(nèi)部由紙箱側(cè)壁空隙氣體交換而帶入熱量（q2）、果品產(chǎn)生呼吸熱（q3），則h小時內(nèi)上述3種熱傳遞方式向紙箱內(nèi)果品輸入總熱量Q1為［4，13］

表1 對比實驗方案與參數(shù)

式（1）中，K是整個紙箱的傳熱系數(shù)（kcal/（m2·h·K）），T1、T2分別為包裝箱內(nèi)側(cè)、外部溫度（℃），A是包裝箱的表面積（m2），M是每小時熱交換空氣的質(zhì)量（kg/h），G是果品的質(zhì)量（kg），i1、i2分別是紙箱內(nèi)、外空氣的比焓（kcal/kg），u是1h內(nèi)果品由呼吸作用而產(chǎn)生的CO2的質(zhì)量（g）。

假定果品在溫度T下保鮮貯藏h小時，沒有影響其色香味以及食用價值，由于果品在包裝箱內(nèi)的吸熱過程一般是定壓過程，故果品溫度升高1℃所需的熱量是定壓比熱（Cp）。果品溫度由T1升高到T時需要吸收熱量Q2，若忽略其他熱量損失，根據(jù)能量守恒定律，則外部環(huán)境向果品輸入的總熱量Q1等于果品所吸收的熱量Q2，即［4，13］

本實驗?zāi)M分析果品復(fù)合瓦楞紙箱的隔熱性能，采用加熱純水（物理熱源）代替果品貯藏時的呼吸熱（生物熱源），故由式（1）、式（2）得

式（3）中，c是水的比熱（kcal/（kg·℃）），M1是加熱純水的質(zhì)量（kg）。紙箱內(nèi)、外空氣的比焓i1-i2=（1.01+1.84d）（T1-T2），d是空氣的相對濕度，故由式（3）得整個紙箱的導(dǎo)熱系數(shù)K的計算公式

利用式（4）可計算出復(fù)合瓦楞紙箱的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2 復(fù)合瓦楞紙箱的放熱、吸熱結(jié)果

放熱實驗中，復(fù)合瓦楞紙箱在實驗之前溫度約21℃左右。在熱源溫度（37±2）℃、環(huán)境溫濕度5℃、RH50％條件下，由于熱源溫度（M點）明顯高于復(fù)合瓦楞紙箱系統(tǒng)的外部環(huán)境溫度，復(fù)合瓦楞紙箱內(nèi)的空氣通過復(fù)合瓦楞紙箱系統(tǒng)與外部環(huán)境進行傳熱過程，即放熱過程，該過程可分為3個階段，包裝箱內(nèi)的空氣以對流和輻射方式向箱壁內(nèi)表面?zhèn)鳠幔ㄏ浔趦?nèi)表面吸熱過程）、包裝箱箱壁內(nèi)部以固體導(dǎo)熱方式由箱壁內(nèi)表面向外表面?zhèn)鳠幔ㄏ浔趯?dǎo)熱過程）、包裝箱箱壁外表面以對流和輻射方式由內(nèi)向外部環(huán)境的空氣放熱（箱壁外表面放熱過程）。圖4是有蓄冷劑和選擇透過性薄膜的復(fù)合瓦楞紙箱內(nèi)側(cè)的空氣溫度變化曲線，顯然，包裝箱內(nèi)壁的12個測點的溫度變化規(guī)律是處于一個逐漸降低且最終趨于恒定的過程，其傳熱特征是：①在放熱過程開始階段，復(fù)合瓦楞紙箱內(nèi)壁附近的空氣溫度迅速降低，在約80min以后，內(nèi)壁附近的空氣溫度降低至10～14℃左右；②在放熱過程約80min后溫度下降開始明顯緩慢，熱源繼續(xù)恒定放熱，通過蓄冷劑、薄膜的調(diào)節(jié)作用，使復(fù)合瓦楞紙箱內(nèi)部的溫度維持在一個相對穩(wěn)定狀態(tài)且高于外部環(huán)境溫度；③與熱源中心M點等距的4組測點（A、E、G、K4個測點，B、D、H、J4個測點，C、I2個測點，F(xiàn)、L2個測點）的溫度變化曲線相似，每組測點的溫度誤差不超過1℃；④設(shè)包裝箱內(nèi)壁12個測點到熱源中心的距離分別為RA=RE=RG=RK=R1，RB=RD=RH=RJ=R2，RC=RI=R3，RF=RL=R4，由于R1＞R4＞R2＞R3，且由圖4可以看出，對稱測點R1的溫度變化曲線最低，其次是對稱測點R4、R2，最后是對稱測點R3，即復(fù)合瓦楞紙箱內(nèi)壁附近的空氣的溫度隨R的增大而減小。

吸熱實驗中，復(fù)合瓦楞紙箱在實驗之前溫度約11℃左右。在熱源溫度（37±2）℃、環(huán)境溫濕度25℃、RH50％條件下，外部環(huán)境的空氣開始通過復(fù)合瓦楞紙箱系統(tǒng)與其內(nèi)部環(huán)境進行傳熱過程，即吸熱過程，傳熱方向與放熱過程相反。由圖5可知，包裝箱內(nèi)壁的12個測點的溫度變化規(guī)律是處于一個逐漸上升且最終趨于恒定的過程，其傳熱特征是：①在吸熱過程約80min內(nèi)，復(fù)合瓦楞紙箱內(nèi)壁附近的空氣溫度逐漸升高至28℃左右；②在吸熱過程約80min以后，熱源繼續(xù)恒定放熱，通過蓄冷劑和薄膜的調(diào)節(jié)作用，復(fù)合瓦楞紙箱內(nèi)部的溫度維持在相對恒定水平且略高于外部環(huán)境溫度；③在吸熱過程中，各組測點的溫度變化規(guī)律與放熱過程類似。

在放熱、吸熱過程開始階段，復(fù)合瓦楞紙箱的內(nèi)部空氣溫度高于（或低于）外部溫度，根據(jù)傳熱理論，復(fù)合瓦楞紙箱的內(nèi)部熱量會自發(fā)地與外部環(huán)境熱量進行轉(zhuǎn)移，然而復(fù)合瓦楞紙箱會阻止熱量的轉(zhuǎn)移過程，使得復(fù)合瓦楞紙箱的內(nèi)部熱量與外部環(huán)境熱量的轉(zhuǎn)移有個延遲過程。對于放熱包裝，內(nèi)部熱源以熱傳導(dǎo)的形式通過內(nèi)部空氣將熱量傳遞到紙箱內(nèi)表面，紙箱內(nèi)壁有蓄冷劑和薄膜。首先，在熱空氣從選擇透過性薄膜滲透時，薄膜對熱空氣會產(chǎn)生阻礙作用，小部分熱量會被反射回包裝箱內(nèi)部，而大部分熱量繼續(xù)向外部傳遞；其次，在熱空氣穿過蓄冷劑時，蓄冷劑也會吸收一部分熱量使內(nèi)環(huán)境保持在預(yù)定溫度；最后，通過薄膜和蓄冷劑的熱量遇到瓦楞紙箱時，大部分被反射回紙箱內(nèi)部。對于吸熱包裝，外部環(huán)境以熱傳導(dǎo)的形式通過外部環(huán)境將熱量傳遞到紙箱外部，紙箱會反射大部分熱量，其余熱量繼續(xù)進入紙箱內(nèi)部，遇到蓄冷劑后，大部分被吸收，少部分通過蓄冷劑繼續(xù)前進，當(dāng)遇到薄膜時，大部分被反射，只剩下極少數(shù)進入到內(nèi)環(huán)境。

2.3 3種包裝方式對比結(jié)果

圖6和圖7給出了3種包裝方式下瓦楞紙箱內(nèi)壁監(jiān)測點的放熱及吸熱對比實驗結(jié)果，表2是根據(jù)式（4）計算的3種包裝方式下瓦楞紙箱的傳熱系數(shù)。在封閉的復(fù)合瓦楞紙箱系統(tǒng)內(nèi)部，距離熱源中心越遠(yuǎn)的測點，溫度越低、溫差越大，導(dǎo)熱系數(shù)越大。這些對比曲線和實驗數(shù)據(jù)表明，蓄冷劑和選擇透過性薄膜對普通瓦楞紙箱的隔熱效果有明顯的調(diào)節(jié)作用，有蓄冷劑、薄膜的包裝箱（復(fù)合瓦楞紙箱）的隔熱效果最好，其次是有薄膜、無蓄冷劑的包裝箱，而普通瓦楞紙箱（無蓄冷劑、無薄膜的瓦楞紙箱）的隔熱效果一般。

綜上所述，3種包裝方式下的放熱、吸熱對比實驗結(jié)果表明，蓄冷劑、選擇透過性薄膜的雙重調(diào)節(jié)作用對普通瓦楞紙箱的溫度阻隔效果最優(yōu)，而無蓄冷劑、只有選擇透過性薄膜的單獨調(diào)節(jié)作用時，也能提高普通瓦楞紙箱的溫度阻隔性能。因此，合理選用蓄冷劑、選擇透過性薄膜可有效提高普通瓦楞紙箱的隔熱性能，改善氣調(diào)紙箱包裝技術(shù)的保鮮作用。

表2 3種包裝方式下瓦楞紙箱的傳熱系數(shù)

3結(jié)語

研究了蓄冷劑、選擇透過性薄膜對普通瓦楞紙箱的溫度阻隔性能的影響，探討了復(fù)合瓦楞紙箱的溫度（熱量）傳遞效果。結(jié)果表明，蓄冷劑、選擇透過性薄膜對普通瓦楞紙箱的溫度阻隔性能有明顯影響，合理選用蓄冷劑、選擇透過性薄膜可有效提高普通瓦楞紙箱的隔熱性能，改善氣調(diào)紙箱包裝技術(shù)的保鮮作用。

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