食品包装趋势及其制造业系统和技术

Nitaigour P. Mahalik *and Nitaigour P. Mahalik* andArun N. Nambiar

阿南·南比亚尔

工业技术学院

加州州立农业科学与技术学院

University，Fresno 93740，California，USA（电话：D15593231408; 电子邮件：nmahalik@csufresno.edu;nmahalik@yahoo.co.uk）

在当今世界全球市场的激烈竞争中，很多产品随着消费者需求的增加而增加，这也成了企业在探索改进维护安全生产力，使用可持续发展包装材料，实施灵活规范技术，并采用成熟的管理原则等方面的必要条件。在本文中，我们研究了食品加工中的最新技术和包装行业的最新进展。（i）智能包装和材料领域包括纳米科学和技术的应用，（ii）自动化控制技术标准及其应用情景，（iii）生产管理原则以及他们对食品工业的改进。从文学调查，很清楚，虽然研究人员专注于个人方面的加工，包装和制造，在那里需要一个更全面的系统分析方法了解整个操作的范围。而为什么实际的实现这些进步似乎总是落后于研究场，这是需要调查的。

介绍

在当今世界的全球市场和激烈的竞争中每个产品，都有必要为企业探索在维护方面提高生产力的安全方法，采用可持续材料进行包装，实施灵活规范的技术，并采用经过验证的管理原则（Cheruvu，Kapa，＆Mahalik，2008）。为此，公司一直在努力改进通过改进他们在运作过程中的效率。由于产品的易腐性质，减少废物和缩短交货时间在食品行业变得越来越重要。此外，无线电频率等近期技术进步识别（RFID）和纳米材料为公司提供支持加工，包装，和制造计划（Nambiar，2009）。

由此，本文在包装和制造方面的食品工业提出了一个全面的审查加工方案。食品加工包装行业和传统制造业之间有很多相似之处。因此，制造概念像精益原则，生产系统和质量定制原则可以很容易地应用于食品行业。即使研究人员也专注于对食品行业应用这些技术，但是研究与行业实施之间还存在差距。Arora和Kempkes（2008）提出了继续学术与行业之间的协作弥合研究领域之间差距，即食品加工技术及其实施行。在这项工作中，我们研究该领域最先进的技术所包含的材料，机器和方法。本文有三部分。在第一部分我们介绍智能包装的本质，并展示相关材料如何在这个方面发挥主要作用。下一节将介绍自动化的趋势和控制方案以及最新技术的使用。最后一节回顾以生产力为导向的管理策略和相关研究人员与食品工业有关的工作。

加工和包装

加工和包装是食品行业两个重要阶段，处理阶段，包括有时被提及的预处理和清洁作过程；最后阶段是包装阶段，利用大量的自动化策略不断的在每个加工阶段打包。传统的加工原则是基于的热处理中温度的组合时间，在食品消除微生物数量所需的时间中起着重要的作用。热技术优化（例如无菌加工和欧姆空气冲击加热）是效率的衡量标准。非热处理方法，如PEF（Pulsed Electric场），紫外线（UV）和臭氧产品产品，这样的处理制作比传统的那些味道更“新鲜”。热处理由于化学和物理性较差，不是完全有效的减少细菌孢子的活性（Dunne＆Kluter，2001）。诚然，像这方面的文化交流有很多。

材料：纸张和衣服柔软，重量轻，是丢弃物少的包装材料。玻璃和金属用于高价值产品，具有耐腐蚀性分别更强。聚合物（塑料）表现出很多所需的特征，如透明度，柔软度，热封能力和良好的重量比（Bohlmann，2006）。此外，它们在包装上的广泛用途（近似年度世界生产--200吨;人均人均消耗量100公斤）是由于成本低，效率高，机械性能如撕裂和拉伸强度等，包装行业最常用的塑料是基于石油化工产品如聚乙烯对苯二甲酸酯（PET），聚氯乙烯（PVC），聚乙烯（PE），聚丙烯（PP），聚苯乙烯（PS）和聚酰胺。但是，它们会产生不利影响（完全不会）可回收利用或可生物降解）对人类健康或生态系统的风险。而且，消费的化石燃料（超过99％的塑料来自化石燃料），环境污染（白色污染），垃圾填埋场枯竭（高重量比），高能量使用制造工艺和聚合物扩散，并将添加剂加入到食品中是目前包装行业面临的有些严重的问题，因此近来，已经有一个转向增加使用的转变的可降解生物材料。可持续包装。例如，2002年在澳大利亚的联盟（SPA）已经有采取步骤制定综合，多维度包装方式研发应用程序。 SPA专注于各种因素，包括有效性，效率，可回收性和安全性。这些意味着包装系统的可持续性旨在有效地使用能量和材料进行交互具有相互关联的支持系统，如运输，整个产品周期的处理和存储。为了尽量减少材料的退化和使用升级添加剂，包装材料将循环使用不断通自然或技术系统。

用于包装的生物降解材料：通过生物体识别可生物降解的需求不断增加包装材料和发现创新使塑料降解的方法。生物降解是含碳化合物的过程在分泌的酶存在下分解。使用生物塑料是通过保存化石来复制生物质的生命周期燃料，二氧化碳和水的生产。有三种快速降解过程的要求温度，湿度和微生物类型。全球市场生物降解聚合物超过1.14亿磅预计年均增长率（AAGR）2010年为12.6％至2.06亿磅（Aruas，Harte，Selke，2003; Schlechter，2005）。可接受的生物塑料如下（Chandra＆Rustgi，1998; Griffin＆Turner，1978;詹姆斯，菲茨帕特里克，刘易斯，Sonneveld，2005; Jamshiddi，Hyon，Ikada，1988;公园，Lim，Shin，＆Choi，2001;塑料工作组，2008）。

纤维素：纤维素从其结晶状态分离在微纤维中通过化学提取。它是可熔的和可溶于氢键断裂溶剂如N-甲基吗啉-N-氧化物。因为它的不可信对他人的不溶性，其衍生物也可以用于使其更可处理。这个属性是用于打包应用程序。

淀粉：淀粉通常由20e30％直链淀粉和70e80％支链淀粉。生物降解淀粉基聚合物是由于酶促侵袭糖基之间的糖苷键，导致减少链长并拆分较低分子量的糖单位。关于它的应用在生物降解塑料中，它是物理上的与其天然颗粒混合或熔化并混合与适当的聚合物分子水平。

聚-beta;-羟基链烷酸酯（PHB）：PHB，成员聚羟基链烷酸酯在存在下降解的各种微生物聚合物分泌破坏聚合物的酶进入更小的部分。三个最独特的属性PHB是（i）100％耐水性，（ii）100％生物降解性，（iii）热塑性加工能力。

聚乳酸（PLA）塑料：PLA正在形成的最有吸引力的包装材料，因为它优秀生物降解性，加工能力和生物相容性。PLA，热塑性塑料，通过注射处理成型，吹塑，热成型和挤出。其降解取决于时间，温度，低分子重量杂质和催化剂浓度。PLA膜具有更好的紫外线阻隔性能11比低密度聚乙烯（LDPE）。熔点较低和玻璃化转变温度。解放军主要组成的乳酸（2-羟基丙酸离子酸）和在alpha;碳上含有悬挂的甲基产生特定结构的原子。这在转时增加分子量并充分高度变得不溶于水。

智能包装：一个包装可以通过其功能属性变得智能，这增加了对食品以及消费者的好处。它本质上是一种整合方法，涉及机械，化学，电气和/或电子驱动功能提高食物的可用性或有效性产品以经过验证的方式。智能包装的一些方面是时间温度食品质量标签，使用自热或具有电子显示器的自冷却容器，多种语言指明使用日期和关于营养的信息，产品的品质和起源。这里有一些例子（i）自制啤酒使用沸石技术使得可以喝凉啤酒在任何地方，（ii）自加热咖啡容器基于CaO放热反应变得可用，（iii）封装采用电子技术和锂电池供电，使人在拥挤的消费者中增加了品牌宣传，另一个基于智能包装的考虑是改变涂层内部材料的一些特性，（Goddard，Kemp，＆Lane，1997）。以上所有传统的包装可以通过RFID智能化（射频识别）标签识别，而且整条供应链都将受益。

纳米复合材料的应用：最近的研究表明，在较小的维度上，材料可以在更大程度上受到控制（Tonnie，2007）。纳米复合材料的应用研究（规模的1e100nm）材料（也称为纳米材料）包装呈指数级增长。使用纳米复合材料材料改善了机械和氧化稳定性和阻隔性能。纳米复合材料材料由纳米级结构组成，增强食品的宏观特性。屏障属性，食品通过光，水分或气体获取进入包装来发挥至关重要的作用。其他好处使用纳米材料是它们抑制腐败的生长，从而提高保质期（Tonnie，2007）和质量。食品包装中常用的纳米复合材料工业是（i）聚合物粘土纳米粘土（ii）二氧化硅纳米复合材料的纳米银。纳米粘土在聚合物中的作用在泡沫中增加刚度，强度，成核剂，更小的电池尺寸，更高的电池密度和阻燃性。纳米银由去离子水与银组成具有优良抗菌性能的悬浮液。银纳米颗粒与其他颗粒相互作用良好它们相对于体积具有大的表面积因此提高了其抗菌效率它们广泛应用于食品包装行业（Tonnie，2007）。纳米技术方法发挥重要作用制作这些复合材料的作用：（i）透明的尿布塑料膜含有粘土的纳米颗粒氧气，水分和二氧化碳进入食物颗粒也使塑料更耐用耐热（Tonnie，2007），（ii）嵌入的纳米晶体创建一个有助于防止氧气逃跑的分子屏障，（iii）柯达目前正在使用抗菌药物抗微生物包装，也引进了活性吸收氧气，从而防止食物的包装被破坏（哈罗，2005），（iv）电子舌头研究员在康涅狄格大学正在发展具有嵌入式传感器的纳米颗粒膜按，包装顺序排列检测病原体。该技术将能够检测到食物是否触发污染，并通过包装颜色变化告知消费者（Selke，2008），（iv）正在进行生物纳米技术开关研究，开发使用纳米技术制造的生物开关的智能包装，触发释放防腐剂2011年，预计粘土纳米复合材料将其市场份额提高到44％。 2005年至今纳米复合材料和陶瓷纳米复合材料预计市场份额分别为20％和11.5％。碳纳米管复合材料预计会失去市场份额下降至7.5％。 （McWilliams，2006）。然而，由于纳米复合材料仅在近期被引入，其潜在的有害长期影响（如有）还有待观察，这可能是其中的原因之一缺乏广泛接受。

安全和使用生物传感器：食品工业使用生物传感器对生物物种进行各种检测。一个独立的生物传感器可以不断的检测未添加任何试剂的抗体。指示生物是检测的微生物在生产过程中存在病原体或有害毒素的处理，存储和分发。电导率生物发光主要是两种在不同设计生物传感器时使用的方法。电导率如果微生物代谢，介质会发生变化底物（例如碳水化合物）转化成中间体（例如乳酸酸）（Mello＆Kubota，2002）。生物发光是从化学反应发出的光的测量。在这种情况下，反应是通过生物酶催化反应葡聚糖酶系统。其他生物传感器是酶传感器和免疫传感器。酶传感器下降进入各种课程，包括那些电位计，电流，电化学，光电，量热，和压电。据报道，生物传感器能够在从卡车流向奶制品时检测牛奶中的青霉素处理单元。检测结合的免疫传感器病原体仍然需要较长的反应时间，多步骤加工或导致误报（PrusakSochaczewski＆Luong，1990）。

制造系统

粮食生产和制造是所有加工和包装自动化活动的基石。制造系统包括机械，控制和数据采集​​方式。机械和系统食品加工机械的使用效果通过创新，以及生产者的投资回报率（投资回报率）设计得到改善。此外，大多数机器是微处理器控制的，多出口，方便适应变化生产要求与简单的工具更改。虽然用于食品加工的机器清单相当详尽，大多数系统通常包括装箱机器，包装机，贴标机，收缩机，箱式封口机，箱体和托盘成型机，封盖机机器，冷却和烘干机，喂食和放置机器，检验和检测机器，码垛和分拣机，拣选机（机器人系统），重要的是清洗消毒机。图 1显示了通常整合的食品行业的百分比包装机在其生产线上的数量。通常食品加工商使用的机器类型是（Mahalik，2003; Mahalik＆Yen，2008）。随着食品安全法规的增加质量，食物辐射具有越来越大的意义。它成为照射设备制造商的必需品设计设备，方便无缝集成进入现有的复杂机械网络发现在加工业。杜兰特（2002）确定食品加工业的基本要求，期望从照明设备制造商那里将使这些制造商能够设计其设备，以满足客户的需求。

图1

十年前，食品工业中机器人的使用开始了，占总人口的2％。劳动力成本上升，健康和安全问题，以及大多数食物被处理的事实在不安全的温度下导致机器人的应用。机器人细胞用于精细的拾取和放置操作。经加工的食物可以柔软，干脆或粘稠，触摸时可能会受到污染。它们主要使用于单一产品，如饼干和巧克力。他们整合机器视觉，准确跟踪产品以及通过识别形状，大小和颜色的方向并可以检测到未煮熟的食物，损坏的包和确保它不被带到包装阶段。未来机器人可能能够制作烤宽面条或填充三明治包装，其优势在于处理和移动食物快速有效不损坏它。

自动化控制系统运营效率在各类制造中是至关重要的组织，在食品行业，更多的自动化减少雇用工人的日益增加的挑战反过来又公平地鼓励营业额。甚至工厂自动化策略不再孤立，即扩展到供应链的其余部分。不过，以人为本的自动化将允许食品制造商和经销商实现一贯的增长模式和通过先进制造回报股权。设备可靠性，灵活性和效率必须加以考虑，因为批处理（每个不同的配方）食品生产）经常影响启动曲线并停机。更少的设备服务电话和更快机器转换只要有一个直接的好处，实施技术解决方案来测量和驱动持续的生产力水平（Cutler，2009）。

非传统现场总线技术自动化的现代食品工业操作需要复杂的自动化和控制架构。通过应用，证明现代控制技术在大部分业务中的成功，包括食品保鲜，制造，包装处理，食用植物的生产力可以明显改善。 ARC是世界上最大的顾问之一建议在混合动力行业使用现场总线即食品饮料和制药，特别是在验证，法规遵从和整合方面的连续过程的批处理程序操作，目前的自动化系统主要是基于PC（个人计算机）或PLC（可编程）逻辑控制器）。在这些情况下的几个处理模块采用固定功能实现继承供应商特定的互连方法。该系统具有通信的中央处理单元所有传感器，执行器，开关，阀门，驱动器，等等在点对点配置。但是，架构需要在可扩展性，可扩展性方面灵活和可配置性，使特征能够独立开发，添加，修

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