食品包裝材料透氣及透濕測試儀阻隔性上的應用

     阻隔性能是指包裝材料對氣體、液體等滲透物的阻隔作用。阻隔性能測試包括對氣體（氧氣、氮氣、二氧化碳等）與水蒸氣透過性能測試。阻隔性能是影響產品在貨架期內質量的重要因素，也是分析貨架期的重要參考，通過該項檢測能解決由于對氧氣或水蒸氣敏感而產生的氧化變質、受潮霉變等問題。

1、氧氣透過率檢測方法的比較：目前分壓差法及等壓庫倫法

   導致食品變質的因素主要有微生物生長、酶反應、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, 裝材料的氣體透過量越大, 其阻隔性越差。

目前, 對食品包裝材料氣體阻隔性的檢測依據是國家標準 GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法 壓差法》和 GB/T19789-2005《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法 庫侖計檢測法》。

 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的空氣抽到接近零值。用測壓計測量低壓室內的壓力增量△p, 可確定氧氣由高壓室透過膜到低壓室的以時間為函數的氣體量, 氧氣透過量和氧氣透過系數可由儀器計算得到。

而庫侖計檢測法雖然也是用試樣將透氣室分成2 部分, 但是在試樣的一側通氧氣, 另一側通氮氣作為載氣。透過試樣的氧氣隨氮氣一起進入庫侖計中進行化學反應并產生電壓, 該電壓與單位時間內通過庫侖計的氧氣數成正比, 從而計算得出氧氣透過率和氧氣透過系數。

1.2優缺點及適用性比較

壓差法和庫侖計法的測試原理和測試條件不同,結果的單位也不相同(壓差法的單位是 cm3/(m2·24 h·0.1 MPa), 而庫侖計法的單位是 cm3/(m2·d)), 而且壓差法的測定數值并非一定大于庫侖計法[7]。

壓差法設備自動化程度高, 操作比較簡單, 出現故障也容易排查和解決。庫侖計法的操作則較為復雜, 多處需要人工干預, 試驗中的注意事項更多, 特別是庫侖計是消耗型傳感器, 其前后端的閥門打開的順序和時間有嚴格要求, 若操作不當, 極易造成傳感器的消耗和損壞。此外, 庫侖計法設備需定期更換高純氮氣、氧氣和傳感器, 維護保養難度更大。

由于壓差法需要控制溫濕度和壓力, 因此需要定期校準溫濕度控制器和測壓計。而庫侖計法需要對溫濕度、上下腔氣流量和庫侖計進行控制, 因此要定期對溫濕度控制器、上下腔氣體流量計和庫侖計進行校準[7]。在成本上, 壓差法需要較少的氧氣, 并且傳感器無損耗, 正常情況下無需更換。而庫侖計法需要大量的高純氮氣和氧氣, 并且傳感器有損耗, 需要定期更換。因此, 庫侖計法的成本遠高于壓差法。

在精準性上, 雖然庫侖計法的傳感器損耗大, 需要定期校正甚至更換, 但其精準性要高于壓差法。由于庫侖計法中使用的是高純氮氣和氧氣, 并需要經常校正傳感器, 因而該法中的每個步驟的誤差相對較低, 因此該法的精準性更高。

目前, 國內使用較多的是基于壓差法的國家標準, 但由于庫侖計法的精準性高于壓差法, 因此美國等一些其他國家普遍采用的是基于庫侖計法的標準。

2、水蒸氣透過率檢測方法的比較：目前分為杯式法稱重法、電解法及紅外法水蒸氣透過率測試儀

    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。例如, 大米中適量的水分是維持其正常生命活動和保持固有色、香、味等食用品質所必需的, 過量的水分會促進大米內微生物的生長和繁殖, 失水則會導致大米爆裂。因此在貯運過程中因環境因素的影響而造成的大米失水或吸水會嚴重影響大米的品質和貨架壽命。通常情況下, 采用水蒸氣透過系數和水蒸氣透過量來評價包裝材料的水蒸氣阻隔性。水蒸氣透過系數是指在恒定的溫濕度、單位時間及水蒸氣壓差下, 透過單位厚度和面積試樣的水蒸氣量; 而水蒸氣透過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 內透過的水蒸氣量。

目前, 國內檢測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率的測定 紅外檢測器法》和GB/T 21529-2008《塑料薄膜和薄片水蒸氣透過率的測定 電解傳感器法》。

2.1原理比較

紅外檢測器法是讓樣品將測試腔隔為 2 腔。一邊為低濕腔, 另一邊為高濕腔, 里面充滿水蒸氣且溫度已知。由于存在一定的濕度差, 水蒸氣從高濕腔通過樣品滲透到低濕腔, 由載氣傳送到紅外檢測器產生一定量的電信號, 當試驗達到穩定狀態后, 通過輸出的電信號計算出樣品的水蒸氣透過率。

電解傳感器法是把試樣裝夾到滲透腔內后, 將滲透腔分成干腔和濕腔(濕度可調)。在干腔中有干燥的載氣流通過,從濕腔透過試樣的水蒸氣由載氣攜帶到電解池內 。電解池內有 2 個螺旋形金屬電極, 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。根據電解電流的數值, 計算單位時間內透過單位面積試樣的水蒸氣量。

可見, 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透過到較干的一側, 并記錄相應數值以計算終數值。不同之處在于 2 種方法所使用的檢測器不同, 紅外檢測器法是用紅外檢測器直接檢測水蒸氣攜帶的電信號計算數值, 而電解傳感器法則是檢測通過五氧化二磷定量吸收的水分所產生的電信號計算數值。

2.2優缺點及適用性比較

紅外檢測器法的試驗步驟相對簡單, 只需要使用參考膜進行儀器校正, 并通載氣測零點漂移值就可進行正常檢測。而電解傳感器法的測試過程相對復雜, 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的多孔盤放到滲透腔的濕腔中, 用來形成恒定的濕度環境, 而且試驗過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。

從成本上說, 2 種方法都需要使用干燥的載氣。紅外檢測器法只需要對參考膜進行校正, 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境, 并且需要電解池通電, 檢測成本明顯高于紅外檢測法。從精確性角度上說, 紅外檢測法的步驟比電解傳感器法少, 降低了產生誤差的可能性, 因此紅外檢測法的精準性更高。

目前, 通常使用基于紅外檢測器法的國家標準對試樣的水蒸氣透過率進行檢測。

二、阻隔性檢測在食品包裝材料中的應用

阻隔性能檢測儀器在食品包裝材料檢測中的應用主要是針對不同食品包裝材料對同種食品的氧氣及水蒸氣的阻隔性進行檢測。

利用氧氣及水蒸氣阻隔性檢測方法研究了在相對濕度為 50%的條件下, 不同溫度對 2 種不同結構乳粉包裝膜的氧氣透過率的影響和 33 ℃時不同濕度對 2 個樣品的氧氣透過率的影響。結果表明, 在濕度一定的條件下, 隨著溫度的升高,樣品的氧氣透過率呈升高趨勢; 在溫度一定的條件下, 隨著濕度的上升, 樣品的氧氣透過率呈上升趨勢。