食品保鲜技术：气调贮藏原理和方法

（一）气调保鲜技术的原理及特点

1.气调贮藏的原理 气调贮藏（Controlled Atmosphere）简称CA，是指在特定气体环境中的冷藏方法，主要应用于果蔬的保鲜。果蔬的气调贮藏是目前果蔬贮藏最先进的方法之一，具有保鲜效果好、贮藏损失少、保鲜期长、对果蔬无任何污染的特点。

果蔬贮藏是活体贮藏，果蔬采摘后，仍保持着旺盛的生命活动，进行着各种生理活动。但已不能从母体和光合作用中得到物质和能量来补偿生理活动的消耗，只能消耗自身营养物质，从而引起果蔬质量、重量和形状的变化，使果蔬逐渐由成熟走向后熟和衰老。造成这些变化的主要因素是果蔬的呼吸作用、蒸发作用和微生物的作用。

低温贮藏可以减弱果蔬的呼吸作用，减少水分的蒸发，抑制微生物的生长繁殖，有利于果蔬的贮藏保鲜，如辅以贮藏环境中气体成分的调节会有更好的效果。正常大气中氧的体积分数为20.9%，二氧化碳的体积分数为0.03%。气调贮藏是在低温贮藏的基础上，调节贮藏环境中氧、二氧化碳及一些特殊气体（如乙烯、一氧化碳等）的含量，以达到更好地贮藏果蔬的目的。如降低贮藏环境中氧的含量，可以有效地抑制果蔬的呼吸作用和微生物的生长繁殖，也间接影响其蒸发，并且可以延缓叶绿素的分解，对水果还有保硬效果。适当地提高二氧化碳的含量，可以减缓呼吸作用，对呼吸跃变型果蔬有推迟呼吸跃变启动的效应，同时二氧化碳是乙烯作用的竞争性抑制剂，提高贮藏环境中的二氧化碳含量，会使水果的内源乙烯合成速度减缓。乙烯是一种果蔬催熟剂，能激发呼吸强度上升，加快果蔬成熟过程的发展和完成，控制或减少乙烯含量，对推迟果蔬后熟是十分有利的。气调贮藏可以根据不同果蔬对乙烯的敏感程度，把贮藏环境中的乙烯含量控制在一定限度内。

2.气调保鲜技术的特点 气调技术具备的特点包括：①可较好地保持食品原有的色泽、口味、形状以及营养成分；②相对一般的低温贮藏具有较长的保质期；③属于物理保鲜方法，不会有化学残留的食品安全问题；④有利于产品的运输、展示及增值。

（二）气调保鲜的方法及工艺

1.气调保鲜的方法 气调贮藏的关键之一，是调节和控制贮藏环境中的各种气体的含量，其中最常见的是降低氧含量和升高二氧化碳。气体调节的方法很多，按调节方法和设备不同可以有不同的分类。

（1）按调节方法分类

1）自然降氧（Modified Atmosphere）。简称MA，即靠果蔬自身的呼吸作用来改变贮藏环境中的氧和二氧化碳的含量。其特点是工艺简单，不需要专门的气调设备，但降氧时间长，贮藏环境中的气体成分不能较快地达到一定的配比，影响果蔬气调效果。

2）机械降氧。利用一些机械设备，如制氮机、真空泵等实现快速降氧，使果蔬短时间内进入气调环境，贮藏过程中，也易将气体成分调节和控制在相对稳定的状态。它又可以通过以下三种方法实现：

①充氮降氧。将制氮机产生的氮气，强制性地充入贮藏环境来置换空气，或在二氧化碳含量过高时，用以置换二氧化碳，以达到快速降氧和控制适量二氧化碳的目的。

②最佳气体成分置换。人为地将氧、二氧化碳、氮等气体，按最佳气体成分指标要求，配制成混合气体，向贮藏环境中充入，充入前，需先对贮藏环境抽真空。这种气调方式贮藏效果最好，但成本高。

③减压气调。通过真空泵将贮藏环境中一部分气体抽出，同时将外界空气减压加湿后输入，贮藏期间，抽气和输气装置连续运行，保证果蔬贮藏在一个低压环境中。它不同于常规改变气体成分的气调方式，因为它不通过降低氧含量来形成低氧环境，而是靠降低气体密度来产生低氧环境。虽然降氧方式不同，但降氧效果是相同的，只要控制和调节贮藏环境的真空度，就可以得到不同的低氧含量。减压气调对设施的强度和密闭性要求较高。减压气调贮藏的工艺流程见图2⁃1。

图2⁃1 减压气调贮藏的工艺流程

1—气调保鲜库 2—库房用冷却设备 3—真空泵 4—抽除乙烯（催熟）气体 5—补充一定的水分 6—补充一定的氧 7—加湿器

（2）按不同气调设备分类

1）塑料薄膜帐气调。这是一种利用塑料薄膜对氧和二氧化碳有不同渗透性和对水透过率低的原理，来实现气调和减少水分蒸发的贮藏方法。塑料薄膜一般选用0.12mm厚的无毒聚氯乙烯薄膜或0.075～0.2mm厚的聚乙烯薄膜。由于塑料薄膜对气体有选择性渗透，可使塑料帐内气体成分自然地形成气调贮藏状态。对需要快速降氧的薄膜帐，封帐后用机械降氧机快速实现气调条件。但需注意，因果蔬呼吸作用的存在，帐内二氧化碳含量会不断升高，所以应定期用专门仪器进行气体检测，以便及时调整气体配比。

2）硅窗气调。这种气调方式是根据不同果蔬及贮藏要求的温湿度条件，选择面积不同的硅橡胶织物膜，热合于用聚乙烯或聚氯乙烯制作的贮藏帐上，作为气体交换的窗口，简称硅窗。硅橡胶织物膜是由聚甲基硅氧烷为基料，涂覆于织物上而成的，它对氧和二氧化碳具有良好的透气性和适当的透气比，不但可以自动排出贮藏帐内的二氧化碳、乙烯和其他有害气体，防止贮藏果蔬中毒，而且还有适当的氧气透过率，避免果蔬发生无氧呼吸。选用合适的硅窗面积制作的塑料帐，其气体成分可自动衡定在氧含量（体积分数）3%～5%，二氧化碳含量（体积分数）3%～5%。图2⁃2是放在底板上的AC500型硅气窗包装袋。

图2⁃2 放在底板上的AC500型硅气窗包装袋

1—聚乙烯袋 2—扩散窗（硅窗） 3—平衡孔 4—箱子

3）催化燃烧降氧气调。这种气调方式采用催化燃烧降氧机，以工业汽油、液化石油气等为燃料，与从贮藏环境中引出的空气混合，进行催化燃烧反应，以液化石油气为例的反应式如下：

由反应式可见，空气中的氮气不参与反应，式中的水蒸气可通过冷凝的方法排除，反应后的无氧气体再返回贮藏环境中，如此循环，直至将贮藏环境中的含氧量降到要求值。但是，这种燃烧降氧的方法及果蔬的呼吸作用，会使贮藏环境中二氧化碳含量升高，这时可以结合使用二氧化碳脱除机降低二氧化碳含量，以免造成果蔬中毒。这种气调方式在机械气调贮藏库中使用，图2⁃3是机械气调贮藏库示意图。

4）充氮气降氧气调。这种气调方法是在贮藏环境中，用真空泵抽出空气，然后充入氮气。这样的抽气、充气过程交替进行，以使贮藏环境中氧气含量降到要求值。所用氮气可以有三个来源：其一是利用制氮厂生产的氮气或液氮钢瓶充氮；其二是用碳分子筛制氮机制氮；其三是用中空纤维制氮机制氮。后两者一般用于大型气调库。

图2⁃3 机械气调贮藏库示意图

1—制冷机 2—冷风机 3—气调库 4—气体分析仪 5—冷却水 6—丙烷气体 7—来自气调库的空气 8—燃烧降氧机 9—冷凝器 10—二氧化碳脱除机

碳分子筛制氮机的工艺流程见图2⁃4。其工作过程如下：大气或库内气体由空压机1的进口吸入，压缩后往水冷却器2冷却、过滤器3过滤掉水和油，往调压阀4将气体压力降至0.3MPa，然后通过进气阀组5，在吸附塔A或B进行吸附分离，碳分子筛将氧吸附，而富氮气体经排气阀组8，进入缓冲贮气罐9，再经调压阀10减压，送回气调库。同时，另一塔脱附，由真空泵11减压，吸附在碳分子筛上的氧气被脱附下来，排放到大气中去。如此两塔交替工作，可连续获得低氧高氮气体供给气调库降氧。

图2⁃4 碳分子筛制氮机的工艺流程

1—空压机 2—水冷却器 3—过滤器 4，10—调压阀 5—进气阀组 6，7—吸附塔A、B 8—排气阀组 9—缓冲贮气罐 11，13—真空泵 12—流量控制阀

中空纤维制氮机利用气体对膜的渗透系数不同，进行气体分离。中空纤维制氮机的关键是膜分离器，它由耐压的钢壳和中空纤维管束组成，每根中空纤维管的管壁即为起分离作用的膜，管壁厚约100μm。不同种气体透过膜时，渗透速率有差异，把渗透系数大的气体称为“快气”，渗透系数小的气体称为“慢气”。压缩空气从一端进入中空纤维管内，氧气（快气）从管内很快透过管壁，富集在管间隙和管与钢壳间隙内，由于两端的管间隙被树脂封死。富氧气体只能从中部的出口排出；氮气（慢气）则穿过中空纤维管，由另一端的富氮口输出，送回气调库。

图2⁃5 中空纤维制氮机工艺流程图

1—空压机 2—高效过滤器 3—电加热器 4—中空纤维膜分离器 5—水冷却器 6—恒压阀(www.xing528.com)

中空纤维制氮机的工艺流程图见图2⁃5。其工作过程如下：空压机1将气调库内气体升压后，送入高效过滤器2进行除水、油、杂质，以免中空纤维管堵塞，影响分离效果，然后通过电加热器3，其作用是保证膜良好的渗透系数和分离系数所要求的温度，防止进入分离器的空气中残留的水分结露影响分离效果。加热温度可以自动控制，由电加热器出来的压缩空气进入中空纤维膜分离器，出来的富氮气体经水冷却器5降温，最后经恒压阀6减压，返回气调库。膜分离器的钢壳外设一定厚度隔热层，以保证其所需的工作温度和减少工作温度的波动。

2.气调保鲜的工艺 气调技术包括人工气调贮藏CA（Controlled⁃Atmosphere Storage）和自发气调贮藏MA（Modified⁃Atmosphere Storage）。果蔬的CA和MA贮藏能减弱水果的呼吸活性，减少重量损失，延缓成熟和软化，使果蔬生理紊乱和腐烂程度降到最小。CA技术是利用机械制冷的密闭贮库，配用气调装置和制冷装置，使贮库内保持一定程度的低氧、低温、适宜的二氧化碳浓度和空气湿度，并及时排除贮库内产生的有害气体，从而有效地降低所贮果蔬的呼吸速率，以达到延缓后熟、延长保鲜期的目的。CA技术在国外已推广应用，但CA技术对设备和成本要求高，因此国内外均看好MA密封小包装气调技术（MAP）。MAP是利用果蔬的呼吸作用使袋内的CO₂浓度升高和下降，当果蔬放出的CO₂和吸入的O₂的速度与气体透过薄膜的速度相等时，袋内的CO₂和O₂的分压就不再发生变化，如果该混合气体符合或接近该果实贮藏适宜的气体条件，就起到自发气调的作用。MAP也可以用于新鲜肉制品、水产品的保鲜，具体的工艺条件在下一节的气调技术的应用中介绍。以下主要介绍CA技术在气调库应用中的要求。

（1）温度控制。在不引起果蔬发生低温伤害的前提下，在果蔬的普通冷藏中，低温可以抑制果蔬内部的生化反应（尤其是呼吸）的速度，抑制果蔬成熟，抑制果蔬表面附着微生物的发育繁殖，抑制果蔬表面的水分蒸发。

在果蔬的气调贮藏过程中，保持库内贮藏要求的温度，并尽可能减少其波动范围，这除了可以起到在普通冷藏中所起的作用外，对维持气调库内压力稳定，减少库内外的气体交换量也有一定作用。库内温度波动幅度大，由此引起的库内压力波动幅度也大，库温高于设定温度时，库内形成正压，库温低于设定温度时，库内形成负压。当库内形成正压时，为平衡库内压力而设置的安全阀可释放一部分压力，在剩余的正压作用下，库内介质将通过维护结构向外渗漏；当库内形成负压时，部分库外空气通过安全阀进入库内，还有一部分库外空气在库内剩余负压作用下通过维护结构渗入库内。

在库内压力发生波动的一个周期中，正压时库内气体逸出库外，负压时库外空气逸入库内。库内呈负压期间外界逸入库内的空气量一般多于库内呈正压期间从库内逸出的介质气体质量。由于以上的原因，温度波动期间库内外气体交换的结果使库内氧气量增加。如果在这一时期内增加的这部分氧气不能全部被库内果蔬的呼吸消耗掉，必然导致库内气体介质中氧气浓度增大，从而破坏了库内规定的气调工况，因此库内温度波动加重了气体调节装置的负担，温度的波动幅度越大，由此引起的库内外气体交换就越多。因此，库内温度波动小，就可以减少库内外气体交换，减轻库内气调工况的变化，减少气调设备的运行时间，降低能耗。

此外，库内温度变化造成库内压力变化，会使围护结构的两侧产生压差。这种压差如不能及时消除或控制在一定的范围内，将会对围护结构产生危害，轻则只是破坏围护结构的气密层而降低气密性，重则会造成围护结构的胀裂或塌陷的重大事故。

为了能正确控制气调库内的温度，温度继电器的感温包应置于库内冷风中的回风口附近。不要把感温包置于太接近冷库壁面或冷风机冷却盘管的地方，也不要过于接近库门或货垛，因为这些地方都不能正确反映气调库内的温度。

（2）湿度控制。气调库贮藏的食品一般整进整出，食品贮藏期长，封库后除取样外很少开门，在贮藏的过程中也不需通风换气，外界热湿空气进入少，冷风机抽走的水分基本来自食品，若库中的相对湿度过低，食品的干耗就严重，从而极大地影响食品的品质，使气调贮藏的优势无法体现出来。所以，气调库中湿度控制也是相当重要的。

当气调库内的相对湿度低于规定值时，应用加湿装置增加库内的相对湿度。库内加湿可以用喷水雾化处理。

气调库内用喷水蒸气加湿时，需要有制取水蒸气的锅炉，锅炉要配水处理装置。此外，喷水蒸气加湿时会额外形成库内的热负荷，增大库房耗冷量。用喷雾器加湿时，只要一台喷雾器即可，设备简单；另外由于水的焓值很低，带入气调库内的热量很少，可以忽略不计，而且水滴蒸发时从气体介质取得蒸发潜热，有助于气体温度降低。由于以上原因，气调冷库加湿几乎都采用喷水加湿。

喷雾器一般安置在冷风机的出风口附近，便于喷出的水雾更好地与气体介质混合。喷水时间可用定时器控制，供水量可由设于气调库外的供水阀门予以控制。

除了用加湿装置可以增大气调库内相对湿度外，还可以适当提高气调库内冷却设备的蒸发温度。制冷剂的蒸发温度提高后，冷风机冷却排管外表面的温度随之提高，从而使冷却设备的去湿能力下降，在保证风机出口处气体介质温度保持不变（与蒸发温度提高前具有相同的出风温度）的前提下，冷风机出口处气体介质的相对湿度有所提高。

为了保证制冷剂蒸发温度提高后不影响冷风机的制冷量，亦即不影响出风温度，可以增大冷风机的传热面积或强化冷风机的传热以补偿传热温差的减小，通常增大传热面积比较可行且有效。由于气调库内冷风机的传热面积是按果蔬加工冷却工况选配的，冷风机台数较多。在正常贮藏阶段，库内热负荷大为减少，通常只要使一半或不足一半的冷风机运转即可，在这种情况下，完全可以使全部的冷风机都投入运转。冷风机内制冷剂的蒸发温度提高后，不但可以提高气调库内的相对湿度，还可以降低制冷压缩机的运行费用。

此外，为了减少贮藏中果蔬的失水干耗，气调库内的气体流速一般取0.2m/s，在果蔬入库后的冷却过程中，为了及时排除果蔬降温放出的热量，往往要求库内有很大的风速。因此，为了满足果蔬冷却和果蔬贮藏对风速的不同要求，气调冷库中冷风机配用的风机多半采用双速风机。

（3）气调库的进出货和贮藏中的管理。在气调库进货前应事先检查库房的整体情况，如检查所有温度探点的精度、库体的密封性能、所有气体取样管道有无泄漏，以及检查所有气体分析仪器和控制器的能否正常工作。货物入库存前还应用无毒、无害、无腐蚀性的液体清洗或熏蒸库房和贮藏盛放容器来进行消毒，也可用臭氧或紫外光进行。为保证货物能整齐有序地堆放，可事先根据果蔬盛放物的尺寸，在地坪上规划好堆放位置。然后进行空库降温，以预先排除围护结构的蓄热，减少果蔬入库后总的热负荷，均衡冷却设备的负担，以利于制冷系统的安全运行。

果蔬运抵后应进行挑选，将伤残的、次的和有虫的剔除，然后应尽可能快地让其入库，单间气调库的入库时间应控制在3～5天，最长不能超过7天。在装货期间应随时检查装货的均匀及装满程度，并将温度探点均布在整个库房中。装满后，关门降温，等到库温和果蔬的温度基本达到贮藏温度时，开始封库贮藏。同时，开始降氧操作，考虑到降氧的同时也应使二氧化碳的浓度尽快升到最适浓度，要依靠果蔬的呼吸来增大库内的二氧化碳浓度，因此在封库降氧时，不必将库内的氧气浓度一下降到要求浓度，而应比要求浓度高2%～3%，再利用果蔬的呼吸来消耗掉这部分过量氧气。

按照气调贮藏的要求，果蔬贮藏期间温度波动的范围应控制在±0.5℃以内，氧气、二氧化碳浓度变化也应控制在±0.5%以内，乙烯浓度控制在允许值以下，相对湿度应保持在90%～95%。贮藏期间应每月两次对果蔬取样检查。

根据市场需要，果蔬要出货时，要事先做好开库前的准备工作。为减少低氧对工作人员的危害，在出库前要提早24h解除气密状态，停止气调设备的运行，并通过自然换气的方法使库内气体恢复到空气成分。当库门开启后，要十分小心，在确定库内空气为安全值前，不允许工作人员进入。对于气调库而言，经营方式以批发为主，每次的出货量最好不少于单间气调库的贮藏量，做到开一间，销一间。

尽管气调库在诸多方面有其独特的要求，造价也高于高温库，但由于其良好的果蔬贮藏效果，仍受到世界各地的普遍欢迎，在我国也有广阔的应用前景。

（三）气调保鲜技术的应用

1.在果蔬贮藏中的应用 气调技术在果蔬保鲜方面的应用是最早的，大多以气调库贮藏，也有用冷藏条件结合气调包装来实现的，关键都是要建立适宜于果蔬的气体环境以达到保鲜的目的。表2⁃2、表2⁃3为蔬菜、水果气调保鲜技术参数。

表2⁃2 蔬菜气调保鲜技术参数

表2⁃3 水果气调保鲜技术参数

由于不同果蔬品种具有不同的生理特性，使得它们对低氧浓度和高二氧化碳浓度的忍耐力和生理反应不一样，气调贮藏的效果也有差异。一般而言，气调对有明显呼吸高峰果实的贮藏效果最好，特别是贮藏期较长的果实，如苹果、梨和桃，而蔬菜对气调贮藏效果的反应较差。

2.在肉类等贮藏中的应用 气调在肉类贮藏中的应用主要是以MAP的形式来保鲜。在气调包装中，氮气作为一种惰性气体，是气调贮藏中的一种填充剂，能防止肉品的氧化和酸败，氮气不影响色泽，也不抑制微生物的生长，但充入包装内可降低肉品所受的压力。据资料表明，V（O₂）∶V（CO₂）分别为10∶20，20∶20，10∶40，20∶40等不同比例时，在2～4℃下贮藏鲜肉，与单纯真空包装比较，调节O₂和CO₂的百分比更能控制微生物的繁殖，降低失重（汁液损失）50%。在高浓度CO₂（体积分数40%以上）条件下，对鲜肉的色泽产生不良影响，对脂肪氧化起加速作用。表2⁃4为肉制品气调贮藏的工艺条件。

表2⁃4 气调包装肉制品的工艺条件（2～4℃）

3.在水产品贮藏中的应用 水产品极易腐败变质，传统贮藏方法是在冷冻后贮藏，其贮藏期随品种、冷加工方法等不同而不同，对于冷却加工的水产品来说，其保质期一般为2～14天。研究表明，新鲜水产品气调包装在0～4℃贮藏可比常规包装延长1倍以上。新鲜水产品气调包装混合气体组成有两种：一种是CO₂和N₂两种气体组成，一种是O₂，CO₂和N₂三种气体组成。推荐少脂鱼类和贝类气调包装的气体混合配比（体积分数）采用40%CO₂，30%O₂，30%N₂；多脂鱼类采用60%CO₂，40%N₂；海水鱼和虾贝类采用50%～68%CO₂，20%～50%O₂，27%～45%N₂或Ar（氩气，抑菌作用更好）。表2⁃5是气调包装新鲜海产品的工艺条件。

表2⁃5 气调包装新鲜海产品的工艺条件

4.在焙烤食品贮藏中的应用 试验证明，在一定温度下，面包和蛋糕的货架期随着CO₂浓度（体积分数0～60%）的增加而增加。充氮包装（包装内有1%体积分数的O₂）与99%体积分数的CO₂，1%体积分数的O₂的气调包装相比较，前者5天后就有霉菌繁殖，后者的无霉菌货架期可达100天。低水分活度的产品比高水分活度的产品，如烤饼、水果馅饼和面包的无霉菌货架期长，尤其是在80%～100%体积分数的CO₂浓度下。相对湿度降低时，对货架期的影响是霉菌的种类而不是增加CO₂浓度的效果。如果采用合适的气体混合配比，气调包装的焙烤食品在室温时的货架期可达3周到3个月。表2⁃6是气调包装焙烤食品的工艺条件。

表2⁃6 气调包装焙烤食品的工艺条件（25～30℃）