用于设计和评估新鲜农产品改性气氛包装（MAP）系统性能的建模方法：综述外文翻译资料

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食品包装和保质期

用于设计和评估新鲜农产品改性气氛包装（MAP）系统性能的建模方法：综述

Zinash A. Belaya，Oluwafemi J. Calebb，Umezuruike Linus Oparaa，c

关键词：

改性气氛包装 呼吸能量 蒸腾速率 新鲜农产品传热

摘要

新鲜和最低限度处理的产品在收获后会继续生理和代谢过程，因此它们易容易质量恶化和保质期降低。改良气氛包装（MAP）是经过验证的采后技术，用于保存新鲜和最低限度处理的产品的天然质量，并延长最佳MAP设计和储存条件下的储存寿命。成功的MAP设计是通过动态产生生理特征，包装材料的性质，给定产品的最佳平衡大气条件的数学积分来实现的。 本文综述了水果蔬菜处理和储存改性气氛系统设计的各种数学方法，包括新鲜生产生理过程，包装与环境条件的相互作用，进而影响产品的保质期和质量。提出了不同的数学建模方法，讨论了影响建模性能的因素，并强调了模型应用的示例，以表明与具体生产类型的相关性。强调了对MAP建模的未来前景，包括综合建模方法对于MAP下新鲜和最低限度处理的产品的包装性能的了解的重要性。

1.介绍

改性气氛包装（MAP）依赖于通过薄膜对气体的渗透性（O₂和CO₂）与包装内产品的呼吸速率（RR）之间的相互作用来改变周围的气体成分（Mahajan＆Mezdad，2013; Reinas，Oliveira，Pereira ，Mahajan，＆Poqas，2016）。各种研究人员已经报道，如果薄膜的最佳气体成分和渗透性被设计得当，MAP系统能够保持新鲜产品的质量（Chitravathi，Chauhan，＆Raju，2015; Sahoo，Bal，Pal，＆Sahoo，2015） 。然而，设计MAP系统是一项复杂的任务，需要了解给定产品的产品特性，包装材料和大气条件的动态交互和综合知识（Sousa-Gallagher＆Mahajan，2013）。良好的MAP设计还能够准确预测这些重要参数，如气体浓度，RR和膜渗透率（Li，Li，＆Ban，2010），并且借助数学模型可以预测（Sousa- Gallagher，Mahajan，＆Mezdad ，2013）。各种研究报告说，数学模型可用于指定和关联输入参数，如RR，蒸腾速率（TR）以及气体渗透率与膜厚度，储存温度，时间，产品重量和热和质量传递（Fonseca， Oliveira，Frias，Brechet，＆Chau，2002; Guevara，Yahia，Beaudry和Cedeno，2006; Gonzalez-Buesa，Ferrer-Mairal，Oria＆Salvador，2009）。MAP设计和建模中考虑的参数摘要见表1。

表格1 MAP建模和设计中考虑的参数摘要

收获的新鲜农产品由于RR和TR的加速而易于产生质量恶化和生理压力（Aindongo，Caleb，Mahajan，Manley，＆Opara，2014a）。因此，在产品RR和TR与包装膜渗透性的详细信息的整合在成功的MAP系统的设计中是至关重要的（Fonseca，Oliveira，＆Brecht，2002; Tano，Kamenan，＆Arul，2005）。以前对MAP建模方法的评论报告了基于膜和穿孔设计的MAP建模范围（Paul＆Clarke，2002），建立新鲜水果和蔬菜的呼吸速率（Fonseca，Oliveira和Brecht，2002）以及某些设计工程方法的方面，Rodriguez-Aguilera和Oliveira（2009）的活性和改性包装系统的应用。这些审查的范围缺乏关于新鲜农产品MAP综合设计方法的模型参数的综合信息。然而，在过去十年中，许多研究人员报告了应用数学模型来设计和评估MAP处理新鲜水果和蔬菜的性能。迄今为止，还没有全面审查检查新鲜农产品MAP设计的各种方法，包括相关的数学建模方法，实验气体和薄膜渗透率测量系统，以及将这些模型应用于各种新鲜农产品。

因此，本文旨在对设计水果和蔬菜MAP的文献进行重要回顾，简要介绍MAP的数学建模方法，以及考虑新鲜农产品生理反应，薄膜渗透性和热传递的数学模型在MAP设计期间进行了讨论。

2.改进气氛包装数学建模的理论 - 概述

新鲜农产品在收获后保持呼吸，在此期间，它们消耗氧气并产生二氧化碳。生产RR可以根据与环境，包装材料和产品特性相关的因素减慢或加速（Al-Ati＆Hotchkiss，2003）。MAP内的气候生成动力学依赖于产品生理特性（呼吸/蒸腾），环境条件（温度和相对湿度（RH））和包装材料的性质（厚度，穿孔，水蒸气和气体的渗透性）。各种研究报告了使用成功的MAP设计的数学方程描述和预测这些相互作用的建模方法（Mahajan，Oliveira，＆Macedo，2008; Gomes，Beaudry，Almeida，＆Malcata，2010）。大多数模型应用旨在延长保质期并保持包装产品的质量（Oms-Oliu，Soliva-Fortuny和Martin-Belloso，2008）。其他人评估了设计参数对产品的物理化学和微生物属性的影响（Caleb，Mahajan，Manley和Opara，2013），而一些研究侧重于用于测试不同包装配置以实现最佳收获后储存条件的模型（Barrios，Lema ，＆Lareo，2014）。考虑到产品特性，环境因素和包装材料性质的影响，这些研究已经使用实验数据来预测包装材料的生产和性质的生理反应，以便确定最佳的包装条件。这表明成功的MAP设计需要整合这些基本参数。

新产品的综合数学建模MAP是一项高度跨学科的研究，涉及生物过程工程（生产生理学），包装材料科学与设计数据的组合（Mahajan等，2008; Sousa-Gallagher＆Mahajan，2013），以预测各种影响食品质量/安全因素，以及模拟包装设计方案（Gomes et al。，2010; Kwon，Jo，An，＆Lee，2013）。为了开发一个整体MAP模型，需要分模型来解释MAP对包装产品在气体交换以外的生理学的影响（Hertog，Tijskens，＆Nicolai，2001）。最常用的模型类型包括Michaelis-Menten酶动力学方程（其描述了作为气体浓度的函数的新鲜产物的RR）（Rennie＆Tavoularis 2009; Ersan，Gunes，＆Zor，2010）; Arrhenius型方程（以调查温度对新鲜农产品的RR的影响）（Caleb，Mahajan，Opara，＆Witthuhn，2012; Aindongo等，2014a）;而其他研究报告了模型的组合。例如，将三种类型的数学模型（酶法，二次和线性）拟合到实验数据中，并与由于O₂消耗（Ro₂）预测的呼吸速率和罗曼尼莴苣设计MAP的气体渗透率进行比较（Segall＆Scanlon，1996）。该研究计算了随着二氧化碳水平线性关系增加，Ro₂的减少。使用Michaelis-Menten方程，基于Ro₂涉及酶反应的原理，通过二次模型解释了响应二氧化碳水平以非线性方式的Ro₂的减少。即使二次模型与线性参数模型相似，其固定或混合效应分析的经验表达式与线性模型相比并没有提供很好的拟合。Michaelis-Menten类型方程在文献中得到广泛报道，为不同类型的新鲜农产品提供了RR的良好预测。Gomes et al。（2010）已经开发了一种模型来描述新鲜“Rocha”梨的Ro₂作为O₂浓度（Yo₂）的函数，具有可能的CO₂作用。该研究通过Arrhenius方程进一步纳入了温度的影响，通过均方根误差（RMSE）评估拟合概率。结果表明，可以通过Michaelis-Menten和Arrhenius型方程准确预测RR作为Yo₂和温度的函数。报道了各种新鲜产品的类似研究，如蓝莓（Song，Vorsa，＆Yam，2002），番茄（Charles et al.2003），切碎的胡萝卜（Iqbal et al.2009）和最低限度处理的西兰花（Torrieri et al.2010）。

另一方面，其他研究使用来自RR和温度建模的数据来预测气体通过包装材料的扩散过程。 由Guevara-Arauza，Yahia，Cedeno和Tijskens（2006）针对仙人掌仙人掌（Opuntia spp。）茎开发了被动MAP中瞬时气体交换的模型。 这些作者考虑了温度（T）和RH对薄膜渗透性（P），呼吸速率（RR）和组织渗透（TPgas）的影响。在这项研究中，通过组织和膜的扩散过程和呼吸的影响结合在一个描述性模型中。验证结果表明，该模型充分预测了可以促进包装设计的参数。Mahajan等（2008）报道了一种综合模型，描述了穿孔，薄膜类型和厚度的不同组合的影响，并验证了穿孔通孔的渗透响应，这同时对应于穿过孔的传输。同样，Techavises和Hikida（2008）报道了综合模型，以研究温度对穿孔膜的气体和水蒸汽透过率的影响，以及Lakakul等人（1999）来预测温度，膜厚度和果实质量对包装O2的影响。另外Kwon等（2013）研究了扩散现象，并开发了经验模型，以估算国王蚝菇的穿孔膜中的气氛。研究考虑了通过穿孔的气体扩散和对流的影响，以及通过包装膜产生RR和气体渗透。这项研究发现，扩散模型令人满意地估计了气体环境。其他研究使用基于菲克定律的扩散模型（Xanthopoulos，Koronaki，＆Boudouvis，2012），对MAP膜的气体渗透性进行了模拟。这些研究强调了采用不同建模方法成功设计MAP的重要性。本综述文章的其余部分将重点介绍MAP中使用的包装材料的建模方法以及新鲜农产品对MAP环境的生理反应。