1.引言
产品置于包装容器内密封后，其外表面与包装材料之间便形成了一定的包装内环境。内环境气氛是影响产品质量的直接因素。运用一定的技术调控包装内环境是延长产品货架寿命的有效手段之一，常用的方法包括：真空包装、减压包装、气调包装和脱氧包装等。对于果蔬这类在采摘后的贮存期间内仍具有生命活性，并进行着呼吸作用和蒸腾作用的产品，气调包装是一种有效的包装技术。
根据包装后对包装内环境气氛的控制程度，气调包装可分为控制气氛包装（CAP， Controlled Atmosphere Packaging）和改善气氛包装（MAP ，Modified Atmosphere Packaging）。但无论是哪一种，其包装内环境中的气体组分不同于正常的大气环境，最常见的变化是氧气浓度下降，二氧化碳浓度升高。
2.气调包装保质机理
气调包装常用的充填气体主要有氧气、二氧化碳、氮气及其混合气体，其他很少用的气体有二氧化氮、二氧化硫、氩等。
氧气是新鲜果蔬气调包装必不可少的充填气体，因为果蔬采收后进行呼吸作用（消耗氧气，排出二氧化碳和乙烯等酯类气体），如果缺少氧气将进行无氧呼吸，这样将加速感官品质的变化和腐烂。氧气还可以抑制厌氧菌的生长。
二氧化碳是气调包装中关键的一种气体，它能抑制细菌、真菌的生长，用于果蔬包装时具有强化减氧、降低呼吸强度的作用。但使用二氧化碳时必须注意，二氧化碳对水的溶解度很高，溶解后形成碳酸会改变果蔬的PH值和品味。同时二氧化碳溶解后，包装中的气体减少，容易导致包装萎缩、不饱满，影响外观。气调包装中对二氧化碳的使用必须考虑贮藏温度、果蔬的水分、微生物的种类和数量等多方面因素。
氮气作为一种理想的惰性气体一般不与食品发生化学作用，包装中提高氮气浓度，则相对减少氧气浓度，可以抑制细菌生长和防止食品氧化。氮气不直接与食品中的微生物作用，它在气调包装中作用有两个：一是取代、抑制食品本身和微生物的呼吸；二是作为一种充填气体，保证产品在包装内仍有完好外形。
不同果蔬要维持其正常代谢而保持其新鲜所需的上述三种气体配比是不同的，这取决于果蔬的品种、成熟度等许多因素。
3.MAP和CAP气调系统原理
MAP是指采用理想气体一次性置换，或在气调系统中建立起预定的调节气体浓度，在随后的贮存期间不再受到人为的调整。
CAP是指控制产品周围的全部气体环境，即在气调贮藏期间，选用的调节气体浓度一直受到保持稳定的管理或控制。
对于具有生理活性的食品，减少氧气浓度，提高二氧化碳浓度，可抑制和降低生鲜食品的需氧呼吸并减少水分损失，抑制微生物繁殖和酶反应。但是，如果过度缺氧，则会难以维持生命必需的新陈代谢，或造成厌氧呼吸，产生变味或不良生理反应而变质腐败。CAP或MAP不是单纯地排除氧，而是改善和控制食品贮存的气氛环境，以尽量显著地延长食品的包装有效期。判断一个气调系统是CAP型还是MAP型，关键是看对已建立起来的内环境气氛是否具有调整和控制的功能。
果蔬类产品的薄膜气调包装系统模型可用图1来描述，在这个系统中同时存在着两个过程：一是产品（包括微生物）的生理生化过程，即新陈代谢的呼吸过程；二是薄膜透气作用导致产品与包装内气体的交换过程，这两个过程使薄膜气调系统成为一个动态系统，在一定条件下可实现动态平衡，即产品与包装内环境气体交换速率与包装内环境气体透过薄膜与大气的交换速率相等。
4.气调包装数学模型
由气调包装的定义可知，产品的呼吸速率和薄膜对气体的渗透性是影响包装内环境的关键因素。
4.1 呼吸速率模型
用一般数学方程描述产品呼吸速率与O2和CO2浓度关系是基于某一特定产品建立起来的，因此其适用性受到一定的限制。而基于酶动力学原理的Michaelis-Menten型呼吸速率模型，其形式简单且适用范围广，适用于有氧呼吸条件。当将CO2看作O2非竞争性抑制剂时，呼吸速率方程可表示为
式中：R为呼吸速率（O2消耗率或CO2生成率）；Rm为产品最大呼吸率；Ki为抑制系数；Km为Michaelis常数。
Michaelis-Menten型呼吸速率模型形式简单，而且用该模型所预测的数据与实验数据相当接近，已被广泛用于各种农副产品呼吸速率的测定。
4.2 气体渗透模型
气体透过高分子膜是一种单分子扩散过程。当气体从膜的压力较高的一侧向压力较低的一侧通过时，首先气体分子吸附在压力较高一侧的膜面上，之后溶解于膜材料中，运动着的气体分子在柔顺的有空隙的高分子链之间扩散，直到在膜表面低压侧逸出。因此材料的结晶度越大、密度越高，透气性越差，反之亦然。单位时间内气体的渗透量可用菲克定律描述
式中：Qi为气体i（O2 、CO2）的透过量；A为薄膜表面积；L为薄膜厚度；Ci1和Ci2分别为包装内外环境某气体浓度，Pi为薄膜对气体i的透过系数。
由此可见，某种气体在单位时间内通过薄膜的渗透量与有效面积成正比，与膜的厚度成反比，与膜两侧气体分压差成正比，混合气体中各种气体的渗透方向和速度彼此独力，互不干扰。
要建立包装内环境动态模型必须同时考虑产品的呼吸作用和薄膜对气体的渗透性。
结合（1）（2）两式，可得到包装内环境中气体浓度变化模型
5.气调包装内环境仿真
根据上述模型，我们可将影响包装内环境的诸多因素进行分类，采用计算机仿真技术模拟出包装内环境三种气体浓度随时间的变化。
从整体上看，影响气调包装内环境的因素分为四大类，包括：包装材料、被包装产品、内环境初始状态以及包装外环境状态，这四方面又可详细分类如下：
上述参数可通过查阅资料、实际测量和相关实验分析得到，因此工作量较大。获得以上参数值后，根据气调包装数学模型（1）（2）（3），就可以利用计算机仿真来模拟实际包装内环境变化过程，演示如下：
在参数对话框（图2）中依次单击四类参数按钮，分别在相应的对话框中输入其所包括的参数。所有的参数均输入完毕后单击应用按钮，出现仿真界面（图3）。在仿真开始之前，我们先设定取样间隔，对于呼吸强度大的产品应选择较小的时间间隔。仿真开始后，我们可以观察气体浓度的变化趋势并且随时可以读出具体浓度的数值，直到内环境达到平衡状态即三条浓度曲线近似成水平状态。通过不断地调节各参数值，观察浓度变化曲线，较理想曲线所对应的参数可作为实际气调包装设计的依据。
6.总结
气调包装是一种简易而行之有效的包装内环境调控技术,其应用范围相当广泛。进行气调包装设计时，必须考虑O2和CO2的浓度对产品呼吸速率的影响以及温度对呼吸速率和薄膜透气性的影响。不同的温度、不同的初始气体浓度会使得包装内环境的决定性因素发生变化。到目前为止，还没有哪一个模型可以包揽所有影响因素，因此建立包括较多因素在内的气调包装系统模型，使得计算机仿真更精确是今后研究的方向。
