包装（Packaging）是食品工业过程中的主要工程之一，它是食品商品化的重要基础，具有保护食品不受外来生物、化学和物理因素的破坏、维持食品质量稳定的作用。食品包装通过阻碍水和气体及其他小分子迁移物质传递达到保护食品安全的目的，使其保持在货架期中的品质，因此食品包装也被认为是传质在食品过程工程中的重要应用。
根据《中华人民共和国食品安全法》，食品包装材料的定义是：包装、盛放食品或者食品添加剂用的纸、竹、木、金属、搪瓷、陶瓷、塑料、橡胶、天然纤维、化学纤维、玻璃等制品和直接接触食品或者食品添加剂的涂料。
欧盟将食品包装材料称为食品接触性材料（Food Contact Materials）进行管理，其定义各国略有不同，一般认为是：在可预见的正常使用情况下可能与食品接触，或可能将其成分迁移至食品中的材料和制品，也包括生产这些材料和制品所使用的原辅材料。
不同的食品包装材料对包装的保护作用也有一定差异，材料的阻隔性能（Barrier Properties）、遮光性能（Optical Properties）、机械性能（Mechanical Properties）等都会直接影响到其所包装食品的品性。食品包装的阻隔性一方面保证外部环境中的各种细菌、尘埃、光、气体、水分等不能进入包装内的食品中，另一方面保证食品中所含的水分、油脂、芳香成分等对食品质量必不可少的成分不向外渗透，保证包装的食品不变质。
食品包装材料种类繁多、性能各异，因此只有了解各种包装材料和容器的包装性能，才能根据包装食品的防护要求选择既能保护食品风味和质量，又能体现其商品价值，并使综合包装成本合理的包装材料。将食品包装按材料分类如表7-5所示。
表7-5 食品包装按材料分类
1.纸类包装材料
纸类包装材料具有来源广泛、品种多样、成本低廉、加工和印刷性能好、具有一定的机械性能和缓冲性能、废弃物可回收利用的特点，因此在包装领域中占有重要地位。纸和纸板属于多孔性纤维材料，对水分、气体、光线、油脂等具有一定程度的渗透性，阻隔性较差，如需用于包装水分、油脂含量较高及对阻隔性要求高的食品，必须通过适当的表面加工才能实现。
2.塑料包装材料
塑料是一种以高分子聚合物——树脂为基本成分，再加入一些用来改善其性能的各种添加剂，制成的高分子有机材料。塑料用作包装材料是现代包装技术发展的重要标志，因其原材料来源丰富、成本低廉、性能优良，成为近年来世界上发展较快、用量巨大的包装材料。
3.金属包装材料
金属包装材料是传统包装材料之一，用于食品包装有近2000年的历史。由于金属包装材料的高阻隔性，耐高、低温性，废弃物易回收等优点，在食品包装上应用广泛。金属作为食品包装材料的缺点：化学稳定性差、不耐酸碱腐蚀，金属离子析出从而影响食品风味等。为弥补这个缺点，一般需要在金属包装容器内壁施涂涂料。除此之外，金属包装价格较贵，但随着生产技术的进步和生产规模的扩大，成本有所下降。
4.玻璃
玻璃是一种古老的包装材料，4000多年前埃及人首先制造出玻璃容器，由此玻璃成为食品及其他物品的包装材料。玻璃是由石英石（构成玻璃的主要成分）、纯碱（碳酸钠、助熔剂）、石灰石（碳酸钙、稳定剂）为主要原料，加入澄清剂、着色剂、脱色剂等，经1400~1600℃高温熔炼成黏稠玻璃液再经冷凝而成的非晶体材料。玻璃具有良好的化学稳定性、透光性、阻隔性、成品加工性，且原料来源丰富，废弃玻璃可回炉焙炼，再制成成型制品，价格也相对低廉。
5.复合材料
复合包装材料是利用层合、挤出贴面、共挤塑等技术将几种不同性能的基材结合在一起形成的一个多层结构，以满足运输、贮藏、销售等对包装功能的要求及某些产品的特殊要求。一般可分为基层、功能层和热封层。基层主要起美观、印刷、阻湿等作用，功能层主要起阻隔、避光等作用，热封层与包装物品直接接触，应具备一定的耐渗透性、良好的热封性以及透明性等功能。复合包装材料在微观结构上遵循扬长避短的结合，发挥所组成物质的优点，因此复合包装材料比任何单一传统包装材料的性能要优越得多。
6.新型生物基材料
塑料包装为人类带了便捷的生活方式，但同时也给环境造成了严重的污染，人们对开发新型可降解生物基包装材料的需求越来越高。随着科学技术的发展，目前已经开发出了许多以生物质材料（包括秸秆、木屑、稻壳、玉米等）为原料的食品包装材料，这些材料大都可被环境微生物所降解，且具有特定的立体结构和光学特征结构，在加工过程中极少使用有毒试剂，能够减少污染。尽管利用生物质材料能够制备出包装薄膜，但其机械性能和热稳定性还不能与目前市场上常用的石油基包装材料相媲美，许多科学家仍在进行相关的研究工作，以解决这些问题。
传统的包装材料，如玻璃、金属、陶瓷等，均属于非渗透性材料，即不能被气体和水蒸气渗透，而纸张属于高渗透性材料；现代包装材料主要是高分子复合材料，除了考虑接口等处渗透，材料本身都会渗透气体或水蒸气。
食品包装的阻隔性是研究气体、水蒸气、液体物质及其他低分子质量物质的分子溶解于聚合物中，并在其中发生扩散，然后输送给聚合物材料相接触食品的过程。小分子在膜的一个面上溶解或吸附，经过膜内扩散后，在另一个膜面上解吸，这种溶解—扩散—解吸过程称为渗透（Penetration）。渗透过程一般用渗透率或渗透率系数（Permeability）来表征。渗透过程可能会使食品的质量增加或减少，外界的物质会加入食品中，食品中的组分也会穿过包装物损失掉，这个过程会使食品发生物理、化学的变化而影响食品的货架期。
气体、水蒸气和其他低分子质量物质的分子可以溶解于聚合物中，并在其中发生扩散，然后输送给与聚合物相接触的物质。这些过程发生的速率以及能够进行到何种程度，依赖于该聚合物的物理和化学结构，以及扩散分子本身的特性。
在包装材料中发生物质交换的条件是：扩散质在聚合物中迁移必须具备在聚合物中移动的能力。这种能力的强弱很大程度上是受聚合物的自由体积的影响。扩散质在聚合物中迁移的能力还依赖于其本身体积的大小，尤其是与聚合物的自由体积相比较的大小。较小的分子相对于较大的分子更容易在聚合物中发生运动。自由体积越大，空穴尺寸越大，扩散质就具有更好的迁移能力。
温度对包装材料的传质有着较大的影响。对于材料本身，在给定的聚合物中，当温度高于玻璃化温度时，渗透物分子的迁移能力远远大于温度低于玻璃化温度时分子的迁移能力，这是因为当温度高于玻璃化温度时，聚合物由玻璃态转变为高弹态，分子链段开始运动。同时扩散质由于温度升高，热运动速度加快，扩散速度加快。
除此之外，增强极性、氢键结合或增加结晶度都会降低高分子链段的运动能力并减小自由体积，从而提高聚合物分子的阻隔性能。增加分子链的刚度（Stiffness）和交联程度（Crossing Degree）也会降低链段的运动能力，但其自由体积可能增加，也可能减小，所以它们对聚合物阻隔性的影响很难预测。
目前市场上最常用的高阻隔材料主要有四种（表7-6）：聚偏二氯乙烯（Polyvinylidene Chloride，PVDC）、聚乙烯—乙烯醇（Ethylene Vinyl Alcohol Copolymer，EVOH）、聚酰胺（Polyamide，PA）、聚酯类（Polyethylene Terephthalate，PET）。PVDC是以偏二氯乙烯为主要成分的共聚物，因其分子结构对称，分子间具有较强的相互作用力，小分子在其间很难移动，因其具有高结晶性、高密度，并且存在疏水基，使得PVDC透氧率和透水汽率极低；EVOH结合了乙烯聚合物的加工性和乙烯醇聚合物的高阻隔性，是应用最多的高阻隔性材料。EVOH分子链上的羟基之间易形成氢键，使得分子间作用力加强，分子链堆积更紧密，同时羟基是极性基团，使得空气中非极性的氧气很难透过EVOH，但同时因为羟基基团的亲水性，导致它对水汽阻隔性不高；PA是指主链的结构单元中含有酰胺键的聚合物，酰胺基团上的氢易与另一个酰胺基团上的氮原子形成氢键，使得聚酰胺分子间作用力增大，分子链排列规整，从而使聚酰胺具有高阻隔性。聚酯类包装材料中最常用到的为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），这种材料化学结构对称，分子链平面性好，堆砌紧密，容易结晶取向，因此具有优异的阻隔性能。
表7-6 高阻隔性材料渗透性
不同渗透物分子特性不同，使得相同材料对不同透过物质的透过系数不同，渗透物分子的大小及渗透物分子与聚合物的相似性是影响渗透性的重要因素。在渗透过程中，聚合物就像一个筛网，允许部分分子通过而阻止其他分子。
包装材料的阻隔性对食品品质有很大影响，它能控制食品中香味的释放，对小分子气体（尤其是水蒸气和氧气）的阻隔能够控制食品中微生物的生长，从而控制包装食品的保质期。
物质在包装材料中的传递可以分为三种：扩散、迁移、吸收。
1.扩散
扩散质（气体、水蒸气或液体）穿过均一包装材料（不含裂缝、空穴、其他缺陷）的运动。造成的后果有包装物的氧化、霉变（细菌的生长、霉菌的生长）以及脱水、脱酸等反应，导致保质期缩短。
如图7-16所示，当扩散过程被看作沿x方向的一维扩散时，扩散系数可用下式表示：
图7-16 扩散质从外界环境通过包装材料进入内包装食品的过程
式中 x2——分子的均方位移，m2；
u——扩散速度，m/s。
根据斯托克斯—爱因斯坦方程式（7-3a），可以获得呈球形的低浓度大分子溶质和小颗粒的扩散系数D。假设稳态传质过程：①浓度不随时间发生变化；②没有对流；③浓度变化与扩散距离成线性关系；④质量扩散率不受浓度的影响，即D不受浓度影响；⑤系统中没有温度梯度。在食品包装中的传质扩散过程可用式（7-11）表示，联立式（7-8）和式（7-11），得到：
对于多层复合包装材料，其传质驱动力和传质阻力的情况可以参照多层板热传导及串联电路的欧姆定律。
如图7-17所示，在稳态条件下，由于各层面积相同，各层传质通量和总传质通量相等，如式（7-34）：
图7-17 多层平板分子扩散浓度梯度示意图
以分压差表示，
其中，总传质阻力为各层传质阻力之和：
[例7-7] 葡萄干贮藏在聚乙烯袋中，环境相对湿度为90%RH，包装袋内湿度为40%RH，面积为15cm×15cm，PE袋厚度为0.1mm，水分在聚乙烯（PE）袋中的渗透系数Π为10-9g·m/（sm·Pa），要求计算水分在包装袋中的传递速率。
解题思路：
步骤1：计算包装内外的水蒸气分压差；
步骤2：计算水蒸气的传质速率；
步骤3：假设稳态传质过程，写出扩散引起的质量通量方程。
解：①查水蒸气饱和分压表可知，25℃时，饱和水蒸气压强为3.0kPa。
Pin=3.0×0.4kPa=1.2kPa
Pout=3.0×0.9kPa=2.7kPa
②根据式（7-29），可以得到：
[例7-8] 将产品密封在由0.1mm聚乙烯薄膜层和0.1mm聚酰胺薄膜组成的复合材料包装袋中。包装袋在21℃和75%RH下贮藏。产品的水活度为0.3。聚乙烯和聚酰胺的渗透系数分别为1.10×10-14和6.24×10-14g·cm/（s·cm2·Pa）。假设为稳态，计算蒸汽传递速率。
解题思路：
步骤1：计算总阻力及各层阻力；
步骤2：计算包装内外的水蒸气分压；
步骤3：计算水蒸气的传递速率。
解：查水蒸气饱和分压表可知，21℃时，饱和水蒸气气压为2.48kPa。
稳态下，可以由式（7-34b）计算水蒸气的传质通量：
已知：
代入总阻力公式（7-35b）：
又：(www.xing528.com)
所以：
2.迁移
原本存在于聚合物材料（或其他材料）中的物质传递至所包装的物品中的过程就是迁移。出现传递的组分称为迁移物。迁移物包括残余单体、溶剂以及加工助剂等。
聚合物包装材料成分迁移的数学模型，一般为基于费克扩散定律的扩散行为、非费克扩散行为和无规则扩散，实例中模型建立主要是基于费克扩散定律的扩散行为模型。
费克扩散模型把扩散过程描述为时间、温度、材料厚度、原材料中化学物质数量和分配系数的函数。目前，基于扩散理论和费克第二定律建立聚合物迁移模型的研究已经相当成熟，其模型效果被美国食品与药物管理局（FDA）和欧盟（EC）认可为评估迁移安全性的一种手段。
迁移物由食品包装到食品模拟物中的迁移过程用费克第二定律微分方程中的扩散系数D来描述，与前式（7-24）类似，具体如下式：
式中 CP——在t（单位s）时刻下污染物在包装材料中位置x（cm）处的浓度，mg/kg；
D——污染物在包装材料中的扩散系数，cm2/s。
通过设置初始和边界条件，Crank得到以下应用于有限包装—有限食品的公式：
式中 MF，∞——平衡时迁移物从食品包装（P）到食品（F）中的迁移量；
MF，t——至t（单位s）时刻迁移物从食品包装（P）到食品（F）中的迁移量；
z——包装材料厚度，cm；
α——无量纲参数，可通过
计算得到；
qn——方程tanqn=-αqn的正数根；
VF，VP——分别是食品和包装物的体积，cm3；
KP/F——迁移物在包装材料和食品中的分配系数，可由式（7-38）计算得出。
对于大多数α，式（7-37）可简化为基于误差函数的公式：
其中
，为了更好地进行分析，Chung等对式（7-39）进行了线性化，得到如下方程：
式中 MP，0——包装迁移物的初始浓度；
通过式7-40的斜率可得到扩散系数D（cm2/s）的值。此式只适用于单面迁移实验，当迁移单元为双面接触时，式（7-40）即演变为式（7-41）。
此外，扩散系数D与温度之间的关系符合阿伦尼乌斯方程：
式中 R——理想气体常数，J/（mol·K）；
T——绝对温度，K。
依照各温度下的扩散系数，可算出指前因子D0（cm2/s）和活化能Ea（J/mol），进而可得到温度范围内任意温度下扩散系数和迁移量，用于评价包装材料的安全性。
上述模型可以用于对食品包装材料中光吸收剂和紫外吸收剂等物质向食品的迁移行为进行模拟分析。
[例7-9] 光引发剂由食品包装纸向脂肪类食物模拟物的迁移行为模拟分析（韩博，2015）。
光引发剂作为紫外光固化油墨的主要构成，普遍存在于食品纸质和塑料等包装材料。经研究发现，二苯甲酮类光引发剂不仅会导致皮肤过敏而且还会有一定的致癌作用。该研究选择两种不同的光引发剂，分别为二苯甲酮（BP）和4—苯基二苯甲酮（PBZ），采用浸泡的方式将它们加入到牛皮纸中，继而研究它们迁移至固液两态脂肪类食品模拟物中的趋势。用Tenax做固态脂肪类食品模拟物，分析温度、时间和光引发剂的物理化学性质对迁移的影响，基于费克第二定律，计算迁移过程的扩散系数和分配系数，用模型预测值和实验值之间的相对标准偏差数值来对模型的适用性和准确性作出评价。
将通过实验测得的数据，即分别在不同温度及引发剂条件下从牛皮纸迁移到Tenax中的光引发剂量，代入式（7-37）和式（7-38），得到Tenax中光引发剂的扩散系数和分配系数的值，列于表7-7中。
表7-7 Tenax中光引发剂的扩散系数和分配系数
注：r2——扩散系数的线性相关性。
分配系数KP/F的值是迁移达到平衡时，纸中迁移污染物的浓度和食品模拟物中迁移污染物的浓度的比值。KP/F越高，意味着迁移到食品中的污染物越少，食品越安全。由表7-7可以看出，随着温度的升高，分配系数呈下降趋势。在迁移初始的一段时间内，由式（7-41）的线性回归分析得到扩散系数D，因为此处为以Tenax做模拟物的迁移，用适用于单面接触单元的迁移过程方程计算即可。D的计算值和实验值之间的差距由相对标准偏差表示，从表7-7中可以看出，2/3的相对标准偏差达到了0.99以上，总体来说，求得的模型参数相关性较好，即所用模型可以很好地预测光引发剂在固体食品模拟物Tenax中的迁移趋势。
[例7-10] 紫外吸收剂由食品包装纸向固态食物模拟物的迁移行为模拟分析（韩博，2015）。
紫外吸收剂作为一种光稳定剂，常常被添加到食品包装材料中，其具有优先吸收阳光中的紫外部分，并以热能形式将能量放出，从而防止外界紫外线引起食品包装发生光降解或老化的可能，起到保护作用。尽管紫外吸收剂多为低毒化合物，但长时间接触也会致癌，因此对紫外吸收剂检测方法的开发和迁移规律的研究尤为重要。
本例中，探究了不同温度下两种紫外吸收剂——苯丙三唑类UV-327和二苯甲酮类UV-531，在食品包装牛皮纸中迁移至固态食品模拟物Tenax中的趋势，基于费克第二定律建立扩散模型，求得不同条件下的扩散系数，并将该模型应用于迁移预测中，探究其预测准确性。
计算方法同例7-9。得到计算结果如表7-8。
表7-8 紫外吸收剂迁移至Tenax中的扩散系数和分配系数
注：r2——扩散系数的线性相关性。
由表7-8可知，两种紫外吸收剂在三个温度下均发生了迁移，且迁移率很大，分配系数均随温度的升高而降低，即意味着迁移物分子越容易进入到食品模拟物中，这是因为温度越高，污染物分子运动越激烈，越容易从包装纸中迁出进入到食品模拟物中。同时，在由模型计算得到扩散系数的过程中，扩散系数的线性相关性良好，r2的值均大于0.95，说明该模型可以较好地预测紫外吸收剂从纸质食品包装材料到Tenax的迁移过程。
在所有包装材料中，只有玻璃可以被认为是与包装内容物无物质交换发生的。几乎所有其他包装材料都可能在一定程度上与食物内部和环境发生反应，这种化学物质从包装材料到食品的转移称为化学物质迁移。任何可以从包装材料迁移到食品的物质，都应该关注它是否会给消费者健康带来危害。塑料（生产过程中可能会使用添加剂改变其特性）、多层材料以及罐头涂层中的复杂成分使该类问题变得更严重。
材料本身的性质决定其所用的物质及可发生迁移的物质。这些物质为食品包装材料配方中为使材料能达到特定功能所使用的物质。它们可以是单体、起始物、催化剂、溶剂和悬浮介质及添加剂（包括抗氧化剂、抗静电、防雾、防滑添加剂、增塑剂、热稳定剂、染料和颜料等）。其他迁移物可能是已知的或未知的异构体、杂质、反应产物和降解物。部分包装材料的典型组成成分、功能及其相关的潜在迁移物见表7-9。
表7-9 部分包装材料的典型组成成分、功能及其相关的潜在迁移物
续表
3.吸收
有时包装材料对食品组分（如香料与着色剂的混合物）会产生吸收作用（如香料使周围物质带上香味），这个过程称为吸收，而这些组分为吸收物。聚合物包装材料与吸收物间化学结构的相似性可以增强吸收能力。聚合物分子质量分布越宽，吸收能力则越强。包装材料吸收能力的大小取决于初始吸收物的浓度、塑料与产品间的分配系数，以及传递的速率。
包装材料的光学特性非常重要，尤其对于玻璃和高分子聚合物薄膜来说。许多变质反应通常都是由光催化的，特别是紫外光。这些变质反应包括脂质氧化、产生异味、变色、重要营养组分（如核黄素、β—胡萝卜素、抗坏血酸等）结构被破坏等。另一方面，透明包装允许消费者通过包装看到内部产品从而判断其质量，如包装好的新鲜肉类、水果、蔬菜、糖果、配料、烘焙食品和玻璃罐中的保温食品（如糖浆中的水果、婴儿食品等）。透过材料的光强度可由朗伯—比尔定律（Lambert-Beer Law）给出：
式中 T——透射比（透光度），可用分数或百分比表示；
I，I0——透射和入射光的强度，cd；
k——吸光系数，cm-1；
z——厚度，cm。
吸光系数k取决于光的波长，即表征材料透射颜色。通过对透明包装材料（玻璃或塑料）用颜料或涂层进行涂覆，从而获得具有高UV光吸收率的材料薄膜，可以极大提高对包装内产品的保护。
塑料包装材料既可以是透明的，也可以是不透明的。通过将非常细的白色或有色固体颜料颗粒掺入熔体中，可以使塑料材料变得不透明，浑浊是聚合物的结晶微区域光散射（衍射）的结果。
包装保护其内容物免受外力影响的能力取决于其机械性能。在包装技术中，应在包装材料、成型的空包装、产品包装组件和外包装等层面考虑和评估机械性能。
针对食品包装薄膜而言，在国家标准中评价其机械性能的指标主要有：拉伸强度（Tensile Strength）、断裂伸长率（Break Elongation）、热收缩率、耐撕裂力和润湿张力等。其中，拉伸强度又称抗拉强度，指膜材在纯拉伸力的作用下，不致断裂时所能承受的最大荷载与受拉伸膜材宽度的比值，用于表征材料最大均匀塑性变形的抗力。断裂伸长率指材料受外力作用至拉断时，拉伸前后的差值与拉伸前长度的比值，用e表示，其计算方法为：
式中 e——断裂伸长率，%；
L0——试样原来长，m；
La——试样拉断时的长度，m。
对于金属罐来说，罐的机械强度取决于罐的尺寸和结构以及马口铁的厚度。在相同的马口铁厚度下，直径较小的罐在机械上更强。
对于纸箱来说，包装件变形值的大小及其所能承受的最大载荷，取决于纸箱的包装强度，纸箱的包装强度则取决于纸板材料的结构性质。影响瓦楞纸箱强度的因素可分为两类：一类是瓦楞纸板的基本因素，它是决定瓦楞纸箱抗压强度的主要因素，主要包括原纸的抗压强度、瓦楞楞型、瓦楞纸板种类、瓦楞纸板的含水量等因素；另一类是在设计、制造及流通过程中发生影响的可变因素，主要包括箱体尺寸比例、印刷面积与印刷设计、纸箱的制造技术、制箱机械的缺陷及质量管理等因素，这类因素在设计或制造瓦楞纸板及瓦楞纸箱的过程中可以设法避免。
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