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基于食品安全的塑料食品包裝設計研究

文檔作者：張繼斌文檔來源：吉林動畫學院		點擊數：	更新時間： 2021年05月21日
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基于食品安全的塑料食品包裝設計研究
張繼斌
（吉林動畫學院，吉林長春130021）
摘要：食品包裝決定了食品在流通過程中的質量及安全狀況，因此研究包裝材料及技術，能夠更好的保障食品質量，
延長其在安全范圍內的存儲時間。針對食品易受潮這一具有代表性的食品安全問題進行研究，提出了食品防潮包裝的
存儲時間預測模型，并使用該模型對膨化食品受潮時間及吸濕平衡狀態(tài)進行計算分析，證明該模型的可行性。最后根據
食品塑料包裝設計的結構及功能需求，提出一種食品包裝系統軟件設計及開發(fā)的方法。
關鍵詞：食品安全；塑料包裝；透濕率
Ｐl(wèi)astic Food Ｐackaging Design Research Based on Food Safetｙ
ZHANG Ji-bin
（Jilin Animation Institute， Changchun 130021， Jilin， China）
Ａｂstract： Food packaging determines the food quality and safety in the circulation process condition. Therefore，
the packaging material and technology can better guarantee food quality， which prolong its storage time in
safety. This paper focused on the food safety issues based on the food is easy to be affected with damp. The food
moisture-proof packaging storage time prediction model was proposed. The model was used for analyzing the
damp time and the balance state of moisture absorption， which provd its feasibility. Finally according to the
structure and function of the food plastic packaging design demand， proposed a kind of food packaging system
software design and development methods.
Ｋeｙ ｗords： food safety； plastic packing； moisture permeability
食品研究與開發(fā)
Food Research Ａnd Development
2０16 年11 月
第37 卷第22 期
DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.22.011
作者簡介：張繼斌（1982—），男（漢），講師，本科，研究方向：視覺傳
達設計。
改革開放以來，我國經濟持續(xù)快速發(fā)展，人民生
活水平穩(wěn)步上升，因此人們對生活的各個方面普遍提
出了更高的要求，而食品行業(yè)作為與人民健康息息相
關的重要產業(yè)，同時由于近些年關于食品安全問題的
新聞事件層出不窮，導致人民對食品及食品安全問題
十分關注[1-2]。食品安全一方面源于食品本身質量，而
另一方面一個很重要的因素，尤其是對于需要長時間
運輸或存儲的食品而言，就是食品包裝。食品包裝作
為食品的重要組成部分，本身并不能食用，但是它能
夠為食品提供保護層，確保食品在一段時間內能保持
該有的品質和狀態(tài)[3-4]。食品包裝制品的選材、結構設
計、加工方式以及安全標識等都會對食品最終的安全
問題產生一定影響[5]。
計算機技術的發(fā)展已經逐漸改變人們的日常生
活和生產工作，各國相關企業(yè)都在不斷推出各種新型
軟件，使企業(yè)生產過程傾向智能化、信息化[6]。我國大
量食品包裝企業(yè)引進國外核心技術，致使食品包裝行
業(yè)快速發(fā)展， 但仍然存在一些還未解決的技術難題。
例如為了防止食品在包裝后受潮，目前常用的手段是
在包裝中加入安全無毒副作用的干燥劑，但干燥劑能
夠保障食品在多長時間內不會受潮，不同食品所需干
燥劑的量是否不同，這些問題仍然沒有準確的研究結
果，僅僅是依靠經驗判斷[7]。另外食品在空氣中容易被
氧化，針對易氧化食品如何建立抗氧化機制，如果利
用包裝去緩解食品的氧化過程，增長食品被氧化所需
的時間， 這些問題已經形成一些理論成果和結論，但
未能很好的將理論運用于實際生產中[8]。類似這樣的
問題還有許多，無法一一列舉，基于此，本文提出一種
食品包裝設計軟件，用于研究計算食品受潮的時間及
如何有效防止食品受潮，為未來進一步進行包裝設計
研究提供理論基礎。
1 建立食品受潮過程模擬模型
食品受潮過程模擬的意義是，將導致包裝內食品
基礎研究
44
萬方數據
受潮的各個因素進行考慮研究，根據結果變化的規(guī)律
建立數學建模， 一方面了解是包裝食品受潮的主、次
因素，另一方面也方便進行食品包裝軟件的參數設置
和設計[9]。因此本文以膨化食品為例，分析外部存儲環(huán)
境、包裝內部環(huán)境以及包裝選材這幾個方面，研究影
響包裝食品受潮的因素。
膨化食品的性質為脆性干燥食品，自身的水分含
量很低，吸收空氣中的水分后，其口感、質量方面均會
下降，影響產品銷售。文獻[10]中提出：食品在封閉環(huán)
境內吸收水分達到吸濕平衡狀態(tài)是一個過程性的，即
這個反應并不是瞬間完成的。因此本文通過設定膨化
食品含水量界定值，記錄包裝內部含水量及其位置分
布，考慮其吸濕速率，并忽略水分擴散運動所需時間，
預測該膨化食品在被包裝的條件下能夠存儲的時間。
由于包裝材料本身具有滲透性，會使包裝內外的
水分進行少量交換，影響包裝內部總體含水量，根據
菲克第一定律[11]，得出以下方程：
dmin
dt = Pwv·A·psat
L （RH1-RH2）
式中：min 為從包裝外部環(huán)境進入內部的水分質
量，g；Pwv為包裝選材的透濕系數，[g·cm/（cm2·s·Pa）]；
A 為包裝內部面積，cm2；L 為包裝厚度，cm；psat為飽和
水蒸氣的壓強，Pa；RH1為包裝外部環(huán)境的相對濕度；
RH2為包裝內部環(huán)境的相對濕度。
水分從外部環(huán)境進入到包裝內部以后，會導致包
裝內部水分總含量增加，同時進入的水分會處于不同
位置，此時包裝內部濕度和水分質量關系方程為：
mRH= Vh·M0·psat
R·T ·RH
式中：mRH為膨化食品與包裝材料間的水分質量，
g；Vh為膨化食品與包裝材料間的體積，cm3；R為理想氣
體動力學常數，[cm3·MPa/（K·mol）]；T為絕對溫度，K。
包裝內部總的含水量隨時間變化的規(guī)律與其內
部食品的吸濕率有關，其變化的具體表示方程為：
Xt=X0+ ∫dX
dt ·dt
式中：t 為時間，s；Xt為在一定時間段包裝內部總
含水量的體積，cm3；X0 為包裝內部初始含水量的體
積，cm3。
以上的計算過程比較復雜，不同量都會隨著時間
發(fā)生變化，因此實際計算時需要利用計算機Matlab 軟
件進行輔助。若包裝內不含干燥劑， 則吸濕量為食品
單獨的吸濕量，若包裝內含干燥劑，則吸濕量為食品和
干燥劑共同的吸濕量。利用Matlab 軟件進行計算，可
以預測該食品包裝的水分變化情況，制定臨界含水量
標準，即可判斷其最大存儲時間。
2 食品包裝的存儲時長改進分析
2.1 未加干燥劑時食品包裝的存儲分析
2.1.1 試驗材料
1）聚乙烯膜（Polyethylene，PE）：食品級，生產廠商
為明瑞塑料制品廠，測量厚度為39 μm，資料顯示其透
濕系數為3.92×10-15 g·cm/（cm2·s·Pa）。
2）膨化食品：主要成分為谷類，配料為鹽和味精，
其他成分含量非常低，忽略不計。
2.1.2 儀器設備
YQ-60 型塑料封口機：上海昱全包裝機械有限公
司；HD-E702-1000 型恒溫恒濕試驗機：東莞市海達儀
器有限公司；IBTHX-D型溫濕度記錄儀：美國OMEGA
公司；BSA-124S-CW 型電子分析天平： 德國Sartorius
AG 公司；SW-1010 型托盤： 浙江榮新塑料托盤制
品廠。
2.1.3 試驗方法
將膨化食品進行稱重，記錄數值，總共制作60 份
樣品，每份重量20 g左右。利用托盤運輸至PE膜包裝
內，使用溫濕度記錄儀記錄其內部相對溫度及濕度變
化情況， 利用塑料封口機進行封口處理。將密封后的
食品包裝移入恒溫恒濕試驗機內，并設置恒溫恒濕試
驗機內部為常溫（25 ℃），每隔4 小時隨機選取3 個試
樣進行開裝，在電子分析天平上稱重并記錄平均值，利
用上文中提出的公式和Matlab 軟件進行換算，得出包
裝內水分含量的變化， 每次食用后的包裝直接丟棄。
當某一時間段連續(xù)3次的含水量結果平均值變化范圍
非常低時，不再繼續(xù)稱量，試驗過程重復3 次，試驗結
束。膨化食品含水率隨時間變化結果如圖1所示。
根據建立的測定食品存儲時間的模型計算結果
可知，包裝內膨化食品的含水量在初始階段就隨時間
圖1 膨化食品含水率隨時間變化趨勢圖
Fig.1 Ｐuffed food moisture content change trend chart over time
6.8
6.6
6.4
6.2
6.0
5.8
5.6
5.4
含水率/%
0 20 140
時間/h
40 60 80 100 120
第3次實驗結果
第2次實驗結果
第1次實驗結果
基礎研究張繼斌：基于食品安全的塑料食品包裝設計研究
45
萬方數據
的變化迅速上升， 在20 h 以后吸濕速率趨勢逐步下
降，直至60 h 左右時基本達到平衡狀態(tài)。
2.2 加入干燥劑后食品包裝存儲的對比分析
由于膨化食品最終的含水量較高，為進一步保障
產品口感和質量，考慮采取加入干燥劑的方式降低其
最終含水量，延長保質時間。
2.2.1 試驗材料
1）硅膠：規(guī)則圓形，粒徑1 mm~2.5 mm，孔徑2 mm~
3 nm，生產廠商為東莞市欣榮天麗科技實業(yè)有限公司。
2）蒙脫石：不規(guī)則顆粒，粒徑1 mm~3.4 mm，孔徑
0.8 mm~2 nm，生產廠商為上海嵩望包裝科技有限公司。
以上兩種干燥劑均稱取5 g 左右放于無紡紙包裝
內封口。其他材料和儀器設備均與2.1中相同。
2.2.2 試驗方法
在對膨化食品進行包裝時加入干燥劑，其中60份
加入硅膠干燥劑，60 份加入蒙脫石干燥劑， 其他步驟
與2.1中相同。每組試驗進行3次取平均值，得到的結
果如圖2所示。
根據建立的測定食品存儲時間的模型計算結果
可知，加入不同干燥劑的膨化食品的含水量在初始階
段均隨時間的變化迅速下降，在20 h 以后吸濕速率趨
勢逐步下降，直至40 h左右時基本達到平衡狀態(tài)。
對比圖1、2可知， 加入干燥劑的膨化食品比未加
入干燥劑時一方面含水率到達平衡狀態(tài)的時間縮短
了一半左右，另一方面到達平衡狀態(tài)后其含水率不僅
沒有升高，反而降低了，由此可知干燥劑的并不是吸
濕能力越強越好， 加入干燥劑的量也不是越多越好。
另外，兩種干燥劑之間進行比較可知，硅膠干燥劑的
吸濕效果較蒙脫石更佳。由以上結果可知，食品存儲
時長模型可以用來判斷食品包裝材料對食品儲存時
間延長的作用及程度。
3 塑料食品包裝的具體設計及開發(fā)方案
3.1 塑料食品包裝的設計方案
對于塑料食品包裝的設計首先應考慮其結構和
功能上的需求， 為保障塑料包裝的滲透系數較低，一
般食品包裝采用三層結構。其中最里層材料會直接與
食品接觸，應滿足國家食品衛(wèi)生標準，最外層一方面
需要具有一定力學性能和環(huán)境適應性能，最外層還需
要起到吸引消費者的目的， 因此其印刷性能應較好，
而中間一層主要是為了彌補外層包裝上機械強度、應
力、阻隔性、密封性等的不足。
具體設計過程為：（1）確定約束條件。為延長食品
儲存時間，可以提高包裝材料的阻隔性能，根據這個
思路來設計包裝選材，則包裝選材應滿足的條件為：
U（i Pij，L）j ≤Umaxi
式中：i 代表滲透物質（實際生產中可以是水分或
空氣）；j 代表包裝材料的層數；Pij代表j 層對于i 的滲
透系數；Lj代表第j 層材料的厚度；U（i Pij，L）j 代表食品
包裝材料整體的滲透系數；Umaxi代表根據模型計算得
出的該包裝材料最大滲透系數。
2）根據約束條件設計包裝材料及結構。建立包裝
選材數據庫，對不同材料性質進行比較、組合，得出符
合約束條件的包裝材料組合形式。另外，若食品有特
殊要求，如油脂含量高的食品、有骨頭的熟食等，則需
要根據食品特性選擇合適的材料。
3）食品包裝材料優(yōu)先選擇問題。能夠滿足同一食
品包裝需求的材料選擇及組合方式一般有很多種，如
何選擇最優(yōu)方案，解決方法是利用價值工程學的擇優(yōu)
原則。
V=FC
式中：V 代表包裝整體價值；F 代表包裝整體功
能；C代表包裝單位成本，即選擇生產成本和相對功能
最優(yōu)的材料和組合方式。
3.2 塑料食品包裝的軟件開發(fā)設計
采用微軟公司開發(fā)的Visual Basic 編程語言作為
開發(fā)工具，Microsoft Access 作為包裝材料數據庫。應明
確包裝設計需實現的功能包括：能夠計算包裝材料的
滲透性能；能夠估算食品存儲時間；能夠得出是否需
要添加干燥劑及添加量；滿足最優(yōu)選擇原則。
具體設計過程是將每一個功能模塊都對應數據
庫中的相應操作，這些功能模塊分別是：透濕性計算、
吸濕特性擬合、存儲時間預測、包裝優(yōu)化設計和防潮
模塊功能集合，相應操作是對數據庫相應表格進行查
詢、調用、添加和修改。
圖2 加入不同干燥劑的膨化食品含水率隨時間變化趨勢圖
Fig.2 Join different desiccant moisture content changing ｗith time
trend diagram of puffing food
5.4
5.2
5.0
4.8
4.6
4.4
含水率/%
0 20 140
時間/h
40 60 80 100 120
蒙脫石干燥劑
硅膠干燥劑
張繼斌：基于食品安全的塑料食品包裝設計研究基礎研究
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萬方數據
用戶的具體操作流程是首先打開登陸界面， 進入主
界面，可進行的操作包括：根據輸入的材料名和厚度得
出單層材料的滲透系數； 根據試驗測得的食品平衡時
含水率對產品及干燥劑進行吸濕等溫模型擬合； 根據
食品特征、環(huán)境和包裝材料參數，計算食品存儲時間；
根據食品存儲時間計算所需滲透系數，進行包裝設計。
4 結語
食品包裝在很大程度上決定了食品在到達消費
者手上時的質量和安全，如何在控制包裝成本的同時
選擇最優(yōu)的食品包裝材料是目前許多研究人員致力
于解決的問題。本文以食品防潮為例，建立食品受潮
過程模型，并針對膨化食品在加入干燥劑前后的實驗
對比，驗證該模型的準確性。最后提出塑料食品包裝
的設計和開發(fā)方案，為未來基于食品安全的塑料食品
包裝設計提供理論基礎。
參考文獻：
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收稿日期：2016-07-27
凝膠層析分離純化乳酸菌菌體蛋白條件的優(yōu)化
趙春燕1，康素花2，榮向華1，張旋1
（1.沈陽農業(yè)大學食品學院，遼寧沈陽110866；2.天水師范學院，甘肅天水741300）
摘要：采用凝膠過濾層析分離純化乳酸菌菌體蛋白，選擇不同的凝膠過濾介質、過濾柱高度、洗脫流速、樣品上樣量
對經過SephadexG-25脫鹽處理的乳酸菌菌體蛋白進行洗脫，觀察洗脫峰。結果表明，凝膠過濾介質、過濾柱過度、洗脫
流速和樣品上樣量均不同程度的影響菌體蛋白的純化效果。在本試驗中，分離純化乳酸菌菌體蛋白的凝膠過濾層析參
數為：SephadexG-75的層析介質以45 cm的柱床高度，洗脫流速0.75 mL/min，樣品上樣量為5 % CV時，對乳酸菌菌體
蛋白可達到最佳的分離純化效果。
關鍵詞：乳酸菌菌體蛋白；凝膠過濾層析；分離純化
Optimization of Separation and Ｐurification of Lactic Ａcid Bacterial Ｐrotein ｗith Gel-filtration
Chromatographｙ
ZHAO Chun-yan1， KANG Su-hua2， RONG Xiang-hua1， ZHANG Xuan1
（1. Shenyang Agricultural University， Shenyang 110866， Liaoning， China； 2. Tianshui Normal University，
Tianshui 741300， Gansu， China）
Ａｂstract： The lactic acid bacterial protein were separated and purified by gel-filtration chromatography. Selecting
different gel-filtration chromatography media，column height，flow rate and sample weight to elute lactic
食品研究與開發(fā)
Food Research Ａnd Development
2０16 年11 月
第37 卷第22 期
DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.22.012
基金項目：遼寧省教育廳科學計劃項目（2014L566）
作者簡介：趙春燕（1966—），女（漢），副教授，博士，從事食品生物技術方向的研究。
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