充氮包装中气体成分含量与包装材料阻隔性关系的研究
2020-10-12 10:44:02 来源：Labthink兰光
摘要：充氮包装是防止食品、药品氧化变质的重要措施。本文通过对充氮包装样品中各气体成分含量及所用包装材料阻隔性能的测试，分析包装材料的阻隔性对充氮包装保质效果的影响，并介绍了试验原理、相关顶空气体分析仪与压差法气体渗透仪的参数、适用范围、试验过程等内容，为充氮包装质量的监测提供参考。
关键词：充氮包装、包装材料、阻隔性、顶空气体分析仪、压差法气体渗透仪、气体成分含量、氧气透过量、氮气透过量
1、意义
氮气作为惰性气体，不易与其他物质发生反应，可抑制大多数微生物的生长繁殖，常被充入产品包装中以防止产品氧化变质及霉变。充氮包装的保质效果与包装中氮气的含量有关，高浓度的氮气能够对产品进行长久保质，而当氮气含量降低到一定值时，则丧失保质效果。包装中氮气含量的高低除了与所充填氮气气源的纯度有关，还与包装材料的阻隔性、密封性等有关，日常生产过程中出现的充氮包装的产品在较短时间内发生变质、发霉的现象极可能与包装的阻隔性较差有关。
2、试验样品
本次试验以某种品牌充氮包装的蛋糕为试验样品，分别测试存贮一定时间后包装中的气体成分含量及包装材料的氮气透过量、氧气透过量。
3、试验依据
目前，国内尚未发布有关食品包装中气体成分含量的方法标准，测试过程依据长期积累的测试经验以及成熟的相关检测仪器。氮气、氧气透过量的测试过程依据GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》进行。
4、试验设备
本文分别采用HGA-02顶空气体分析仪、VAC-V2压差法气体渗透仪测试样中的气体成分含量、气体透过量，这两款设备均由济南兰光机电技术有限公司自主研发生产。
4.1 试验原理
食品、药品成品包装内常见的填充气体主要为氧气、二氧化碳、氮气，顶空气体分析仪中配置有氧气传感器与二氧化碳传感器，可准确测试包装中的氧气、二氧化碳含量，并可据此推算出氮气含量。
压差法气体渗透仪以压差法为设计原理。试样装夹于设备的上、下测试腔之间，将两测试腔隔开。试验时，首先对低压腔进行抽真空，然后对整个系统抽真空，当达到规定的真空度后，低压腔关闭，向高压腔内充入一定压力的试验气体，在两测试腔间(即试样的两侧)形成一个恒定的压差，试验气体在压力差的作用下，会从高压腔向低压腔内渗透，通过对低压腔内压强的监测，得到试样的各项阻隔性系数。
图1 HGA-02顶空气体分析仪
图2 VAC-V2压差法气体渗透仪
4.2 适用范围
HGA-02顶空气体分析仪：适用于密封包装袋、瓶、罐等中空包装容器中氧气、二氧化碳的含量及其混合比例的测试，如咖啡、奶酪、奶茶、奶粉、面包、豆粉、即食食品、药品等密封包装袋或容器。本设备不仅适用于实验室，还可用于在仓库、生产线等场合快速、准确的对气体组分含量和比例做出评价。
VAC-V2压差法气体渗透仪：适用于多种薄膜、片材试样在各种温度下的气体透过率、渗透系数、溶解度系数、扩散系数的测试。薄膜类包括各种塑料薄膜、纸塑复合膜、共挤膜、镀铝膜、铝箔、铝箔复合膜等膜状材料。片材类包括各种工程塑料、橡胶、建材等片状材料，如PP片材、PVC片材、PVDC片材。还可扩展到航空航天用材料、纸及纸板、漆膜、玻纤布、玻纤纸、化妆品软管片材、各种橡胶片材等材料的透气性测试。适用于多种气体的透过率测试，如氧气、二氧化碳、氮气、氦气、空气等。可满足多项国家和国际标准，如ISO 15105-1、ISO 2556、GB/T 1038、ASTM D1434、JIS K7126-1、YBB00082003等。
4.3 设备参数
HGA-02顶空气体分析仪：氧气的测量范围为0 ~ 100%，测量值0 ~ 2%的测量精度为±0.1%(绝对值)，测量值2% ~ 100%的测量精度为±0.5%(相对值)；二氧化碳的测量范围为0 ~ 100%，测量精度为±2%；氧气与二氧化碳传感器均采用进口元件，保证了设备的测试精度；配置微型打印机，方便用户随时打印测试结果；便携式的设计及电源、电池双供电模式，方便用户在实验室或生产现场使用；支持LystemTM实验室数据共享系统，统一管理试验结果和试验报告。
VAC-V2压差法气体渗透仪：测试范围为0.05 ~ 50,000 cm3/(m2·24h·0.1MPa)，真空分辨率可达到0.1 Pa；控温范围为5℃ ~ 95℃，控温精度为±0.1℃；控湿范围为0%RH、2%RH ~ 98.5%RH、100%RH，控湿精度为±1%RH，可满足客户不同试验条件下的检测需求；有三个完全独立的试验腔，可同时测试三种相同或不同的试样；可进行任意温度下的数据拟合，轻松获得极端测试条件下的试验结果；经过改制，本设备还可支持有毒气体、易燃易爆气体的测试；提供标准膜进行快速校准，保证检测数据的准确性和通用性；支持LystemTM实验室数据共享系统，统一管理试验结果和检测报告。
5、试验过程
5.1 气体成分含量测试
(1) 打开设备，设置采样时间、分析时间等试验参数。
(2) 随机抽取6包充氮包装的试样进行试验。在试样的中间部位粘贴一个密封垫，将设备的取样针穿过密封垫，插入样品包装内部，注意取样针不要接触到样品内部包装的蛋糕。
(3) 按动试验按钮，试验开始。样品内部的气体沿取样针进入设备内部，并经过气体检测器进行气体含量的分析。试验结束后，设备自动显示所测试样品中氧气、二氧化碳的含量值。
5.2 气体透过量的测试
(1) 从待测的包装样品表面裁取3片直径为97 mm的试样。在试验腔测试区域的周边涂抹一层真空油脂，注意真空油脂不能污染测试区域，然后依次放置滤纸、试样，并拧紧上腔密封。
(2) 设备连接氧气气源。设置试验温度、试验湿度、试样厚度等参数信息，点击试验选项，试验开始，打开真空泵。设备根据试验过程中测试到的压力变化情况自动计算并显示试样的测试结果。
(3) 待氧气透过量测试完成后，设备重新连接氮气气源，设置参数，打开真空泵，进行试验。
6、试验结果
试验结果取各试样测试结果的算术平均值。存储一段时间后的样品包装中氧气含量为16.4%，二氧化碳含量为0%，可计算出氮气含量为83.6%；所用包装材料的氧气透过量为716.534 cm3/(m2·24h·0.1MPa)，氮气透过量为168.247 cm3/(m2·24h·0.1MPa)。
7、结论
从试验过程来看，两款设备的操作均较简单，试验效率较好，测试结果的稳定性及准确性较高，可以真实反映所测试样品内部各气体成分的含量及所用包装材料对氮气、氧气的阻隔性能。从试验结果来看，所用包装材料的气体透过量较高，对氮气的保存能力、对氧气的阻隔能力较低，即氮气向外部环境的散失量、环境中氧气向包装内部的渗透量均较大，使得包装内部的气体成分含量逐渐发生变化，这一结论通过气体成分含量试验结果得到印证。经过一段时间的存储后包装内的气体成分含量变化较大，氧气含量明显升高，而氮气含量降低，使充氮包装的预期保质效果大打折扣，甚至完全丧失。因此，充氮包装所用包装材料应具有较高的阻隔性能。济南兰光机电技术有限公司是一家致力于从事包装检测设备研发生产与包装检测服务的高新技术企业，成立30年来积累了大量宝贵而丰富的研发生产经验及试验经验，在先进传感器技术及设计理念的指引下，厚积薄发，推出了全新一代的C系列阻隔性检测设备，该系列检测设备采用自主传感器技术，在测试精度、效率与自动化方面进行了革命性升级，实现了包装阻隔性设备的震撼蜕变。了解相关设备信息，可登陆济南兰光公司网站查看具体信息或致电咨询。愈了解，愈信任！Labthink兰光期待与行业中的企事业单位增进技术沟通与合作。
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图1 HGA-02顶空气体分析仪
图2 VAC-V2压差法气体渗透仪4.2 适用范围
