透過(guò)率檢測(cè)技術(shù)

近年來(lái), 隨著各種食品安全“門(mén)”事件的不斷涌現(xiàn), 人們?cè)絹?lái)越關(guān)注食品安全問(wèn)題。食品安全應(yīng)從以下兩方面考慮: 食品本身的可食用性以及保存方式。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),食品品質(zhì)較大程度上取決于食品在經(jīng)過(guò)加工后的保存方式。由于食品在儲(chǔ)存的過(guò)程中容易受到環(huán)境因素, 如光照、氧氣、濕度等的影響, 食品的包裝材料在食品的后期保存中起到至關(guān)重要的作用。好的食品包裝材料不僅能夠延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期, 還能夠更大程度地保存食物的原有風(fēng)味。

食品包裝材料通過(guò)對(duì)氧氣、光照、水蒸氣等進(jìn)行阻隔, 從而延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。食品接觸氧氣和水蒸氣過(guò)多會(huì)導(dǎo)致食品的氧化、發(fā)霉變質(zhì), 因此, 對(duì)食品包裝材料的氧氣及水蒸氣的阻隔性進(jìn)行研究, 進(jìn)而選擇合適的包裝材料尤為重要。對(duì)食品包裝材料的阻隔性進(jìn)行研究通常是對(duì)其進(jìn)行透過(guò)率測(cè)試, 從而得到各項(xiàng)阻隔性能參數(shù)。廣州標(biāo)際包裝設(shè)備有限公司就近年來(lái)透過(guò)率檢測(cè)技術(shù)在食品包裝材料的氧氣透過(guò)率與水蒸氣透過(guò)率檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

等壓法氧氣透過(guò)率測(cè)定儀Y310

一、食品包裝材料的阻隔性能檢測(cè)

1、氧氣透過(guò)率檢測(cè)方法的比較

導(dǎo)致食品變質(zhì)的因素主要有微生物生長(zhǎng)、酶反應(yīng)、油脂、色素和維生素等的氧化、香味散失及異味吸附等。為了延長(zhǎng)食品貨架期, 要求包裝材料具有一定的阻隔性能, 裝材料的氣體透過(guò)量越大, 其阻隔性越差。

目前, 對(duì)食品包裝材料氣體阻隔性的檢測(cè)依據(jù)是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片氣體透過(guò)性試驗(yàn)方法 壓差法》和 GB/T

19789-2005《塑料薄膜和薄片氣體透過(guò)性試驗(yàn)方法 庫(kù)侖計(jì)檢測(cè)法》。

  1.1原理比較

壓差法的原理是試樣將氣室分為高壓和低壓 2部分, 試樣密封后用真空泵將低壓室內(nèi)的空氣抽到接近零值。用測(cè)壓計(jì)測(cè)量低壓室內(nèi)的壓力增量△p, 可確定氧氣由高壓室透過(guò)膜到低壓室的以時(shí)間為函數(shù)的氣體量, 氧氣透過(guò)量和氧氣透過(guò)系數(shù)可由儀器計(jì)算得到。

而庫(kù)侖計(jì)檢測(cè)法雖然也是用試樣將透氣室分成2 部分, 但是在試樣的一側(cè)通氧氣, 另一側(cè)通氮?dú)庾鳛檩d氣。透過(guò)試樣的氧氣隨氮?dú)庖黄疬M(jìn)入庫(kù)侖計(jì)中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電壓, 該電壓與單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)庫(kù)侖計(jì)的氧氣數(shù)成正比, 從而后計(jì)算得出氧氣透過(guò)率和氧氣透過(guò)系數(shù)。

1.2優(yōu)缺點(diǎn)及適用性比較

壓差法和庫(kù)侖計(jì)法的測(cè)試原理和測(cè)試條件不同,結(jié)果的單位也不相同(壓差法的單位是 cm3/(m2·24 h·0.1 MPa), 而庫(kù)侖計(jì)法的單位是 cm3/(m2·d)), 而且壓差法的測(cè)定數(shù)值并非一定大于庫(kù)侖計(jì)法[7]。

壓差法設(shè)備自動(dòng)化程度高, 操作比較簡(jiǎn)單, 出現(xiàn)故障也容易排查和解決。庫(kù)侖計(jì)法的操作則較為復(fù)雜, 多處需要人工干預(yù), 試驗(yàn)中的注意事項(xiàng)更多, 特別是庫(kù)侖計(jì)是消耗型傳感器, 其前后端的閥門(mén)打開(kāi)的順序和時(shí)間有嚴(yán)格要求, 若操作不當(dāng), 極易造成傳感器的消耗和損壞。此外, 庫(kù)侖計(jì)法設(shè)備需定期更換高純氮?dú)?、氧氣和傳感? 維護(hù)保養(yǎng)難度更大。

由于壓差法需要控制溫濕度和壓力, 因此需要定期校準(zhǔn)溫濕度控制器和測(cè)壓計(jì)。而庫(kù)侖計(jì)法需要對(duì)溫濕度、上下腔氣流量和庫(kù)侖計(jì)進(jìn)行控制, 因此要定期對(duì)溫濕度控制器、上下腔氣體流量計(jì)和庫(kù)侖計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)[7]。在成本上, 壓差法需要較少的氧氣, 并且傳感器無(wú)損耗, 正常情況下無(wú)需更換。而庫(kù)侖計(jì)法需要大量的高純氮?dú)夂脱鯕? 并且傳感器有損耗, 需要定期更換。因此, 庫(kù)侖計(jì)法的成本遠(yuǎn)高于壓差法。

在性上, 雖然庫(kù)侖計(jì)法的傳感器損耗大, 需要定期校正甚至更換, 但其要高于壓差法。由于庫(kù)侖計(jì)法中使用的是高純氮?dú)夂脱鯕? 并需要經(jīng)常校正傳感器, 因而該法中的每個(gè)步驟的誤差相對(duì)較低, 因此該法的更高。

目前, 國(guó)內(nèi)使用較多的是基于壓差法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn), 但由于庫(kù)侖計(jì)法的高于壓差法, 因此美國(guó)等一些其他國(guó)家普遍采用的是基于庫(kù)侖計(jì)法的標(biāo)準(zhǔn)。

紅外法水汽透過(guò)率測(cè)定儀W413  

2、水蒸氣透過(guò)率檢測(cè)方法的比較

食品包裝材料的水蒸氣阻隔性也是衡量該包裝材料阻隔性的重要依據(jù)。例如, 大米中適量的水分是維持其正常生命活動(dòng)和保持固有色、香、味等食用品質(zhì)所必需的, 過(guò)量的水分會(huì)促進(jìn)大米內(nèi)微生物的生長(zhǎng)和繁殖, 失水則會(huì)導(dǎo)致大米爆裂。因此在貯運(yùn)過(guò)程中因環(huán)境因素的影響而造成的大米失水或吸水會(huì)嚴(yán)重影響大米的品質(zhì)和貨架壽命。通常情況下, 采用水蒸氣透過(guò)系數(shù)和水蒸氣透過(guò)量來(lái)評(píng)價(jià)包裝材料的水蒸氣阻隔性。水蒸氣透過(guò)系數(shù)是指在恒定的溫濕度、單位時(shí)間及水蒸氣壓差下, 透過(guò)單位厚度和面積試樣的水蒸氣量; 而水蒸氣透過(guò)量是指在恒定的溫濕度下, 且水蒸氣壓差和試樣厚度一定, 每平米試樣在 24 h 內(nèi)透過(guò)的水蒸氣量。

目前, 國(guó)內(nèi)檢測(cè)包裝材料的水蒸氣阻隔性的主要方法有 GB/T 26253-2010《塑料薄膜和薄片水蒸氣透過(guò)率的測(cè)定 紅外檢測(cè)器法》和GB/T 21529-2008《塑料薄膜和薄片水蒸氣透過(guò)率的測(cè)定 電解傳感器法》。

  2.1原理比較

紅外檢測(cè)器法是讓樣品將測(cè)試腔隔為 2 腔。一邊為低濕腔, 另一邊為高濕腔, 里面充滿(mǎn)水蒸氣且溫度已知。由于存在一定的濕度差, 水蒸氣從高濕腔通過(guò)樣品滲透到低濕腔, 由載氣傳送到紅外檢測(cè)器產(chǎn)生一定量的電信號(hào), 當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后, 通過(guò)輸出的電信號(hào)計(jì)算出樣品的水蒸氣透過(guò)率。

電解傳感器法是把試樣裝夾到滲透腔內(nèi)后, 將滲透腔分成干腔和濕腔(濕度可調(diào))。在干腔中有干燥的載氣流通過(guò),從濕腔透過(guò)試樣的水蒸氣由載氣攜帶到電解池內(nèi) 。電解池內(nèi)有 2 個(gè)螺旋形金屬電極, 電極表面涂有五氧化二磷。載氣攜帶的水蒸氣被五氧化二磷定量地吸收, 并通過(guò)給電極施加一定的直流電壓, 將水蒸氣電解成氫氣和氧氣。根據(jù)電解電流的數(shù)值, 計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)單位面積試樣的水蒸氣量。

可見(jiàn), 2種方法都是利用試樣將濕腔分為 2部分, 一高一低或一濕一干, 使得水蒸氣從較濕的一側(cè)透過(guò)到較干的一側(cè), 并記錄相應(yīng)數(shù)值以計(jì)算終數(shù)值。不同之處在于 2 種方法所使用的檢測(cè)器不同, 紅外檢測(cè)器法是用紅外檢測(cè)器直接檢測(cè)水蒸氣攜帶的電信號(hào)計(jì)算數(shù)值, 而電解傳感器法則是檢測(cè)通過(guò)五氧化二磷定量吸收的水分所產(chǎn)生的電信號(hào)計(jì)算數(shù)值。

2.2優(yōu)缺點(diǎn)及適用性比較

紅外檢測(cè)器法的試驗(yàn)步驟相對(duì)簡(jiǎn)單, 只需要使用參考膜進(jìn)行儀器校正, 并通載氣測(cè)零點(diǎn)漂移值就可進(jìn)行正常檢測(cè)。而電解傳感器法的測(cè)試過(guò)程相對(duì)復(fù)雜, 需要將盛有合適濃度的硫酸溶液或蒸餾水或飽和鹽溶液等介質(zhì)的多孔盤(pán)放到滲透腔的濕腔中, 用來(lái)形成恒定的濕度環(huán)境, 而且試驗(yàn)過(guò)程中需要使用大量載氣, 還需要向電解池施加直流電壓, 使其一直保持通電狀態(tài)。

從成本上說(shuō), 2 種方法都需要使用干燥的載氣。紅外檢測(cè)器法只需要對(duì)參考膜進(jìn)行校正, 而電解傳感器法則需要合適濃度的溶液提供合適的濕度環(huán)境, 并且需要電解池通電, 檢測(cè)成本明顯高于紅外檢測(cè)法。從角度上說(shuō), 紅外檢測(cè)法的步驟比電解傳感器法少, 降低了產(chǎn)生誤差的可能性, 因此紅外檢測(cè)法的更高。

目前, 通常使用基于紅外檢測(cè)器法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣的水蒸氣透過(guò)率進(jìn)行檢測(cè)。

二、阻隔性檢測(cè)在食品包裝材料中的應(yīng)用

阻隔性能檢測(cè)儀器在食品包裝材料檢測(cè)中的應(yīng)用主要是針對(duì)不同食品包裝材料對(duì)同種食品的氧氣及水蒸氣的阻隔性進(jìn)行檢測(cè)。

利用氧氣及水蒸氣阻隔性檢測(cè)方法研究了在相對(duì)濕度為 50%的條件下, 不同溫度對(duì) 2 種不同結(jié)構(gòu)乳粉包裝膜的氧氣透過(guò)率的影響和 33 ℃時(shí)不同濕度對(duì) 2 個(gè)樣品的氧氣透過(guò)率的影響。結(jié)果表明, 在濕度一定的條件下, 隨著溫度的升高,樣品的氧氣透過(guò)率呈升高趨勢(shì); 在溫度一定的條件下, 隨著濕度的上升, 樣品的氧氣透過(guò)率呈上升趨勢(shì)。

在包裝材料阻隔性對(duì)德州扒雞的品質(zhì)影響分析中,使用透氧檢測(cè)技術(shù)對(duì) PET.SiO2 涂層/尼龍 15/改性 CPP、Kurarister涂層/OPET/CPP 和 PET/尼龍 3 種不同阻隔性材料進(jìn)行阻隔性檢測(cè), 并對(duì)用 3 種食品包裝包裹的德州扒雞的色澤和揮發(fā)性風(fēng)味進(jìn)行評(píng)價(jià), 結(jié)果表明, 前 2 種高阻隔性材料對(duì)德州扒雞的保存更為有利。

經(jīng)過(guò)閱覽大量相關(guān)文獻(xiàn), 現(xiàn)階段的阻隔性研究主要針對(duì)不同種類(lèi)包裝材料對(duì)某一種食品的阻隔性進(jìn)行研究, 進(jìn)一步可以針對(duì)某一種包裝材料(可以是單一材料, 也可以是復(fù)合材料)對(duì)不同食品的阻隔性能進(jìn)行研究。