第13章 食品包装原理与方法(1)
本章学习重点和要求：
1.熟练掌握环境因素对食品品质的影响；
2.熟练掌握包装食品微生物的控制方法及原理；
3.掌握包装食品的品质变化机理及控制方法。
第一节 环境因素对食品品质的影响
食品品质包括食品的色、香、味，营养价值，应具有的形态、重量及应达到的卫生指标。几乎所有的加工食品都需包装才能成为商品销售。尽管食品是一种品质最易受环境因素影响而变质的商品，但每一种包装食品在设定的保质期内都必须符合相应的质量指标。
食品从原料加工到消费的整个流通环节是复杂多变的，它会受到生物性和化学性的侵染，受到生产流通过程中出现的诸如光、氧、水分、温度、微生物等各种环境因素的影响。包装食品在流通过程中因环境因素影响而发生的质量变化，研究这些因素对食品品质的影响规律是食品包装设计的重要依据。
一、光照对食品品质的影响
（一）光照对食品的变质作用
光对食品品质的影响很大。它可以引发并加速食品中营养成分的分解，使其发生腐败变质反应，主要表现在四个方面：促使食品中油脂的氧化反应而发生氧化性酸败；使食品中的色素发生化学变化而变色；使植物性食品中的绿、黄、红色及肉类食品中的红色发暗或褐变；引起光敏感性维生素如B族维生素和维生素C的破坏，并与其他物质发生不良化学变化；引起食品中蛋白质和氨基酸的变性。
（二）光照对食品的渗透规律
光照能促使食品内部发生一系列的变化是因其具有很高的能量。光照下食品中对光敏感的成分能迅速吸收并转换成光能，从而激发食品内部发生变质的化学反应。食品对光能吸收量越多、转移传递越深，食品变质越快、越严重。食品吸收光能量的多少用光密度表示，光密度越高，光能量越大，对食品变质的作用就越强。根据朗伯—比尔定律（Lamber-Beer定律），光照食品的密度向内层渗透的规律为：
式中：Ix——光线透入食品内部x深处的密度；
Ii——光线照射在食品表面处的密度；
μ——特定成分的食品对特定波长光波的吸收系数。
显然，入射光密度越高，透入食品的光密度也越高，深度也越深，对食品的影响也越大。
食品对光波的吸收量还与光波波长有关，短波长光（如紫外光）透入食品的深度较浅，食品所接收的光密度也较少；反之，长波长光（如红外光）透入食品的深度较深。此外，食品的组成成分各不相同，每一种成分对光波的吸收有一定的波长范围；未被食品吸收的光波对食品变质没有影响。
（三）包装避光机理和方法
要减少或避免光线对食品品质的影响，主要的方法是通过包装将光线遮挡、吸收或反射，减少或避免光线直接照射食品；同时防止某些有利于光催化反应因素，如水分和氧气透过包装材料，从而起到间接的防护效果。
根据朗伯-比尔定律，透过包装材料照射到食品表面的光密度为：
式中：Io——食品包装表面的入射光密度；
xp——包装材料厚度；
μp——包装材料的吸光系数。
将此式代入式（5-1）得光线透过包装材料透入食品的光密度为：
光线在包装材料和食品中的传播和透入的光密度分布规律。包装材料可吸收部分光线，从而减弱光波射入食品的强度，甚至可全部吸收而阻挡光线射入食品内。因此，选用不同成分、不同厚度的包装材料，可达到不同程度的遮光效果。
几种食品软包装材料透光率比较曲线。由图可知，不同包装材料其透光率不同，且在不同的波长范围内也有不同的透光率。大部分紫外光可被包装材料有效阻挡，而可见光能大部分透过包装材料。同一种材料内部结构不同时透光率也不同，如高密度PE和低密度PE。此外，材料的厚度对其遮光性能也有影响，材料越厚、透光率越小，遮光性能越好。
食品包装时，可根据食品和包装材料的吸光特性，选择一种对食品敏感的光波具有良好遮光效果的材料作为该食品的包装材料，从而有效避免光对食品质变的影响。为了满足食品不同的避光要求，可对包装材料进行必要的处理来改善其遮光性能，如玻璃一般采用加色处理。有色玻璃抵抗紫外光的能力相对较强，对可见光也有较好的遮光效果。有些包装材料可采用表面涂覆遮光层的方法改变其遮光性能。在透明的塑料包装材料中也可加入着色剂或在其表面涂敷不同颜色的涂料达到遮光效果。
二、氧对食品品质的影响
氧气对食品的品质变化有显着影响。氧使食品中的油脂发生氧化，这种氧化即使是在低温条件下也能进行；油脂氧化产生的过氧化物，不但使食品失去食用价值，而且会发生异臭，产生有毒物质。氧能使食品中的维生素和多种氨基酸失去营养价值，还能使食品的氧化褐变反应加剧，使色素氧化退色或变成褐色。对于食品微生物，大部分细菌由于氧的存在而繁殖生长，造成食品的腐败变质。
食品因O2发生的品质变化程度与食品包装及贮存环境中的氧分压有关。表示了亚油酸相对氧化速率随氧分压而变化的规律：油脂氧化速率随氧分压的提高而加快；在氧分压和其他条件相同时，接触面积越大，氧化速度越高。此外，食品氧化程度与食品所处环境的温度、湿度和时间等因素也有关。
氧气对新鲜果蔬的作用则属于另一种情况，由于生鲜果蔬在贮运流通过程中仍在呼吸，故需要吸收一定数量的氧而放出一定量的CO2和水，并消耗一部分营养。
食品包装的主要目的之一，就是通过采用适当的包装材料和一定的技术措施，防止食品中的有效成分因O2而造成品质劣化或腐败变质。
三、水分或湿度对食品品质的影响
一般食品都含有不同程度的水分，这些水分是食品维持其固有性质所必需的。水分对食品品质的影响很大，一方面，水能促使微生物的繁殖，助长油脂的氧化分解，促使褐变反应和色素氧化；另一方面，水分使一些食品发生某些物理变化，如有些食品受潮而发生结晶，使食品干结硬化或结块，有些食品因吸水吸湿而失去脆性和香味等。
食品中所含水分根据其理化性质可分为结合水和自由水。结合水具有不易结冰（冰点约-40℃）和不能作为溶质之溶剂的特点，但食物组织结构所含水分大部分是自由水，这部分水在某种程度上决定了微生物对某种食品的侵袭而引起食品变质的程度，用水分活度Aw表示。食品的水分活度可近似地表示为食品的水蒸气压与相同体积温度下纯水的蒸汽压之比。食品中水分含量与水分活度Aw的关系曲线如图3-7所示。当食品含水量低于干物质的50%时，水分含量的轻微变动即可引起Aw的极大变动。
根据食品中所含水分的比例，一般可将食品分为三大类，用水分活度Aw表示：Aw＞0.85的食品称为湿食品，Aw=0.6～0.85的食品称为中等含水食品，Aw＜0.6的食品称为干食品。各种食品具有的水分活度值范围表明：食品本身抵抗水分的影响能力的不同。食品具有的Aw值越低，相对地越不易发生由水带来的生物生化性变质，但吸水性越强，即对环境湿度的增大越敏感。因此，控制包装食品环境湿度是保证食品品质的关键。
四、温度对食品品质的影响
引起食品变质的原因主要是生物和非生物两个方面的因素。温度对这两方面都有非常显着的影响。
（一）温度升高对食品品质的影响
在适当的湿度和氧气等条件下，温度对食品中微生物繁殖和食品变质反应速度的影响都是相当明显的。一般说来，在一定温度范围内（10～38℃），食品在恒定水分条件下，温度每升高10℃，许多酶促和非酶促的化学反应速率加快1倍，其腐变反应速度将加快4～6倍。当然，温度的升高还会破坏食品的内部组织结构，严重破坏其品质。过度受热也会使食品中蛋白质变性，破坏维生素特别是含水食品中的维生素C，或因失水而改变物性，失去食品应有的物态和外形。为了有效地减缓温度对食品品质的不良影响，现代食品工业采用食品冷藏技术和食品流通中的低温防护技术，可有效地延长食品的保质期。
（二）低温对食品品质的影响
温度对食品的影响还表现在低温冻结对食品内部组织结构和品质的破坏。冻结会导致液体食品变质：如果将一瓶牛乳冻结，乳浊液即受到破坏，脂肪分离出来、牛乳蛋白质变性而凝固。易受冷损害的食品不需极度冻结，许多果蔬采收后为延长其细胞的生命过程要求适当的低温条件；但有些果蔬在一般冷藏温度4℃下保存会衰竭或枯死，随之发生包括产生异味、表面斑痕和各种腐烂等变质过程。
五、微生物对食品品质的影响
人类生活在微生物的包围之中，空气、土壤、水及食品中都存在着无数的微生物，如猪肉火腿和香肠，在原料肉腌制加工后的细菌总数为105～106个/g，其中大肠杆菌102～104个/g。完全无菌的食品只限于蒸馏酒、高温杀菌的包装食品和无菌包装食品等少数几类。虽然大部分微生物对人体无害，但食品中微生物繁殖量超过一定限度时食品就要腐败变质。微生物是引起食品质量变化最主要的因素。
（一）食品中的主要微生物
与食品有关的微生物种类很多，这里仅举出常见的、具有代表性的食品微生物菌属。
1.细菌
细菌在食品中的繁殖会引起食品的腐败、变色、变质而不能食用，其中有些细菌还能引起人的食物中毒。细菌性食物中毒案例中最多的是肠类弧菌所引起的中毒，约占食物中毒的50%；其次是葡萄球菌和沙门氏菌引起的中毒，约占40%；其他常见的能引起食物中毒的细菌有：肉毒杆菌、致病大肠杆菌、魏氏梭状芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、弯曲杆菌属、耶尔森氏菌属。
2.真菌
食品中常见的真菌，主要为霉菌和酵母。霉菌在自然界中分布极广、种类繁多，常以寄生或腐生的方式生长在阴暗、潮湿和温暖的环境中。霉菌有发达的菌丝体，其营养来源主要是糖、少量的氮和无机盐，因此极易在粮食和各种淀粉类食品中生长繁殖。大多数霉菌对人体无害，许多霉菌在酿造或制药工业中被广泛利用，如用于酿酒的曲霉，用于发酵制造腐乳的毛霉及红曲霉，用于制造发酵饲料的黑曲霉等。然而，霉菌大量繁殖会引起食品变质，少数菌属在适当条件下还会产生毒素。到目前为止，经人工培养查明的霉菌毒素已达100多种。
（二）微生物对食品的污染
作为食品原料的动植物在自然界环境中生活，本身已带有微生物，这就是微生物的一次污染。食品原料从自然界中采集到加工成食品，最后被人们所食用为止整个过程所经受的微生物污染，称为食品的二次污染。
食品二次污染过程包括食品的运输、加工、贮存、流通和销售。由于空气环境中存在着大量的游离菌，如城市室外空气中一般含有103～105个/m3的微生物，其中大部分是细菌，而霉菌约占10%，这些微生物很容易污染食品。因此，在这个复杂的过程中，如果某一环节不注意灭菌和防污染，就可能造成无法挽回的微生物污染，使食品腐败变质。
由于一次污染和二次污染的存在，市场上销售的食品中含有大量的微生物。
光、氧、水分、温度及微生物对食品品质的影响是相辅相成、共同存在的。采用科学有效的包装技术和方法避免或减缓这种有害影响，保证食品在流通过程中的质量稳定，更有效地延长食品保质期，是食品包装科学研究要解决的主要课题。
第二节 包装食品的微生物控制
一、环境因素对食品微生物的影响
（一）水分
水分是微生物生存繁殖的必要条件，水分的增加使微生物活性增高。食品中微生物与水分的关系可以用水分活度Aw说明，不同种类微生物繁殖所需要的水分活度最低限不一样，大部分细菌在水分活度Aw=0.90以上的环境中生长，大部分霉菌在Aw=0.80以上的环境中繁殖，部分霉菌和酵母在Aw较低的环境中也能繁殖。
食品微生物在水分活度较低（Aw=0.5以下）的干燥环境中不能繁殖，但值得注意的是干燥食品从环境中吸收水分的能力较强，一旦吸湿，Aw又将提高而适宜微生物繁殖。要想降低食品的水分活度，就得使食品干燥或在食品中添加盐、糖等易溶于水的小分子物质。
（二）温度
微生物生存的温度范围较广（-10～90℃之间），根据适宜繁殖的温度范围微生物可分为：嗜冷细菌（0℃以下），嗜温性细菌（0～55℃）和嗜热性细菌（55℃以上）。食品在贮存、运输和销售过程中所处的环境温度一般在55℃以下，这一温度范围正处在嗜温性和嗜冷性细菌繁殖生长威胁之中，而且侵入食品的细菌随温度的升高而繁殖速度加快，一般在20～30℃时细菌数增殖最快。
（三）氧气
氧的存在有利于需氧细菌的繁殖，且繁殖速度与氧分压有关。细菌繁殖速率随氧分压的增大而急速增高。即使仅有0.1%的氧化，也就是空气中氧分压的1/200的残留量，细菌的繁殖仍不会停止，只不过缓慢而已。这个问题在食品进行真空或充气包装时应特别注意。