1.本发明涉及果蔬包装领域，具体涉及一种利用数学模型优化激光穿孔参数的果蔬微孔包装方法。
背景技术：
2.果蔬含有丰富的基本营养物质，有氧或无氧呼吸过度会对果蔬的质量产生负面影响，尤其是无氧呼吸。自发气调包装(map)和气调贮藏(ca)技术已成为水果保存领域的流行方法。这些技术有助于调节水果周围的气氛，可以大大改善其储存性能，潘磊庆等(2011)公开了“一种鲜切生菜高二氧化碳气调包装保鲜方法”(申请公布号：cn 102144659a)，该方法对鲜切生菜进行高二氧化碳气调包装，其中气体体积百分成分为氧气10％、二氧化碳10-50％、40-80％氮气，在0-4℃下贮藏鲜切生菜货架期可达15天以上。但是包装中高浓度的co2会增强果蔬的无氧呼吸，造成无氧胁迫，产生异味并造成营养物质流失，品质下降。
3.没有微孔的map不适合保藏高呼吸速率果蔬，因为所产生的高co2和薄膜的低气体渗透性会对果蔬造成无氧胁迫。一般来说，具有较高渗透性的薄膜往往缺乏透明度、硬度和耐久性，无法满足正常包装的要求。为了解决这个问题，微孔改性气氛包装被用来保持果蔬的储存质量。微孔膜是调节气体渗透率和co2、o2以及相对湿度(rh)平衡的关键。
4.微孔膜的加工成本低，可以根据不同水果的具体保鲜需求进行调整。微孔膜是实现高呼吸率产品map中气体平衡的有效选择，已被广泛用于水果、蔬菜和蘑菇的保藏。微孔膜可以增强包装膜的透气性，防止新鲜食品的厌氧呼吸，并防止在膜内形成冷凝水，有助于抑制微生物的生长和腐败，张慜等(2019)公开了“一种激光打孔调节微孔结合气调包装呼吸模型延长果蔬货架期的方法”(申请公布号：cn 110810499a)，该方法对鲜切果蔬进行微孔包装袋包装，利用michaelis-menten模型预测果蔬的呼吸速率，可延长果蔬货架期达16-21天。但呼吸速率模型只针对特定果蔬的特定状态，不具普适性，且与微孔孔数并无直接联系，意义不大。
5.微孔膜的气体渗透性受到各种穿孔技术的影响。微孔膜可以多种方法穿孔但是机械针刺穿孔因其灵活性和成本效益而受到欢迎。然而，它很难保证精度，而且产生的微孔形状不规则，这会影响气体流速。
技术实现要素：
6.本发明的目的是提供一种利用数学模型优化激光穿孔参数的果蔬微孔包装方法，通过fick模型、del-valle方程等数学模型优化穿孔参数设计果蔬专用微孔包装。该方法具有快速、科学和普适的优点，所设计的微孔包装能够维持果蔬的正常生理消耗所需的气体渗透率，有效降低果蔬的低氧伤害和无氧呼吸，有利于保持果蔬产品的贮藏品质，延长贮藏期。
7.本发明的技术方案：
8.一种利用数学模型优化激光穿孔参数的果蔬微孔包装方法，包括如下步骤：
9.步骤1、挑选品质良好、完整、无机械损伤的果蔬，清洗，消毒，沥干；
10.步骤2、将步骤1所得果蔬放入密闭容器，利用co2气体分析仪测定单位时间内单位质量的果蔬所产生的co2的质量，计算0～30℃下果蔬的呼吸强度
11.步骤3、以不同微孔孔径为变量进行模拟打孔，确定符合fick扩散模型的微孔孔径的范围与微孔之间的间距，将处于fick扩散模型范围内的不同孔径代入边际效应模型的范围与微孔之间的间距，将处于fick扩散模型范围内的不同孔径代入边际效应模型确定边际效应最小的微孔孔径d。
12.步骤4、将步骤2所得果蔬的呼吸强度rr以及步骤3所得的微孔孔径d代入del-valle方程结合空气中co2的分子扩散系数得出微孔包装的微孔数目n
pores
。
13.步骤5、按照步骤4所得的微孔数目n
pores
通过激光穿孔机对pp膜进行穿孔，得到所需微孔膜；
14.步骤6、将一定质量的果蔬放入pp托盘中进行微孔膜包装，将包装好的果蔬置于0～30℃下贮藏。
15.进一步地，所述步骤2中开尔文温度和果实呼吸速率，是指果蔬的贮藏温度和在该贮藏温度下的呼吸速率。
16.进一步地，步骤(3)中的fick扩散模型为进一步地，步骤(3)中的fick扩散模型为模型中为co2透过膜的流量，k为边际效应值，边际效应模型中,表示气体co2单位时间透过微孔的扩散量。
17.进一步地，所述步骤(3)所提到的微孔孔径d为50-500μm,横向间距为50mm,纵向间距为20mm。
18.进一步地，将所述步骤(4)中的温度分别设定为20℃与2℃时，分别代入计算方程del-valle：方程中n
pores
代表微孔数目，x代表薄膜厚度，d代表微孔直径，代表空气中co2的分子扩散系数，与分别代表包装内外的co2分压，r为热力学常数，t为开尔文温度，w为果实质量，为果实呼吸速率，得到微孔数目分别为20个与9个
19.进一步地，所述步骤5中的激光穿孔机中的加工参数分别为加工功率为(10w-16w)，加工次数为(19-33)，焦距为(326mm)。
20.本发明的有益效果：
21.1、本发明通过数学模型计算出了合理的微孔数量，能够有效的保证包装内的气体浓度处在合理范围内，达到气调的作用，避免无氧呼吸造成的生理伤害，从而有效延长果蔬
的货架期，保持果蔬的品质。
22.2、采用dal-valle方程计算微孔包装所需的穿孔参数，设计果蔬专用微孔包装，该方法不同于以往通过试错法或随机实验得出的经验公式，具有快速、科学和普适的特点，可以针对不同果蔬的呼吸需求制备不同穿孔参数的微孔膜。
23.3、利用fick扩散模型和边际效应模型确定边际效应最小的微孔孔径，具有科学性和合理性，可以保证微孔包装过程中气体扩散不受边际效应影响。
24.4、利用co2激光穿孔机对pp膜进行穿孔制备微孔膜，激光穿孔具备精准、快速的特点，可以准确确定薄膜的穿孔面积，保证精准气调的效果。
25.5、利用激光技术进行薄膜穿孔，有别于传统的物理、化学穿孔技术，可以突破薄膜厚度和薄膜材质对穿孔技术的要求，适用于多种厚度、多种材料的有机薄膜。
26.6、本方法所制备的微孔的孔径d为50-500μm，可以覆盖绝大多数果蔬产品的包装微孔范围。
27.7、利用该方法设计制备的微孔膜可以有效排出贮藏过程中冬枣呼吸产生的co2，避免co2过度积累导致的生理伤害，微孔包装能够抑制冬枣的转红和果肉的褐变，有效延长贮藏期。
28.8、方法设计制备的微孔膜不仅能保证精度，而且产生的微孔形状规则，避免了微孔对气体流速的影响。
29.9、该方法具有快速、科学和普适的优点，所设计的微孔包装能够维持果蔬的正常生理消耗所需的气体渗透率，有效降低果蔬的低氧伤害和无氧呼吸，有利于保持果蔬产品的贮藏品质，延长贮藏期。
附图说明
30.图1为20℃和2℃微孔包装下冬枣的照片和转红率。
31.图2为不同加工参数对微孔孔径及穿孔效果影响的拟合方程。
32.图3为微孔包装内o2与co2含量变化及冬枣的呼吸速率变化。
33.图4为微孔包装下冬枣的贮藏品质变化。
具体实施方式
34.下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
35.下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
36.微孔膜的效果在很大程度上取决于其微孔面积，因此很难为特定产品找到最佳j9九游会真人的解决方案。一些研究采用试错法与穷举法来测试各种不同孔径的薄膜，这种方法可能是低效的，因为有大量的包装薄膜和孔径大小的可能组合。此外，由于生长条件和成熟阶段的不同，不同批次的产品的呼吸速率会有很大的差异。即使通过试错法发现一个j9九游会真人的解决方案对一个批次有效，它也不一定对另一个批次有效。在仔细考虑了fick扩散定律、del-valle表达式、stephan-maxwell扩散定律和经验模型后，最终选择了del-valle表达式，因为它的简单性和准确性。del-valle表达式是一个数学模型，它是基于果蔬的呼吸速率和气体在薄膜中的质量转移来计算包装渗透所需微孔数量。这项发明的目的是开发一套用于保藏高呼吸速
率果蔬的微孔薄膜包装的制备与设计方法，使包装内能够保持最佳的o2或co2气体浓度。这是食品保鲜包装应用中的一个创新探索。为了实现这一目标，我们以果蔬为主要原料，用del-valle表达式计算出微孔的数量，然后用co2激光穿孔机制造出果蔬专用的微孔膜并进一步研究了果蔬专用微孔膜的应用。
37.一种利用数学模型优化激光穿孔参数的果蔬微孔包装方法，包括如下步骤：
38.步骤1、挑选品质良好、完整、无机械损伤的果蔬，清洗，消毒，沥干；
39.步骤2、将步骤1所得果蔬放入密闭容器，利用co2气体分析仪测定单位时间内单位质量的果蔬所产生的co2的质量，计算0～30℃下果蔬的呼吸强度
40.步骤3、以不同微孔孔径为变量进行模拟打孔，确定符合fick扩散模型的微孔孔径的范围与微孔之间的间距，将处于fick扩散模型范围内的不同孔径代入边际效应模型的范围与微孔之间的间距，将处于fick扩散模型范围内的不同孔径代入边际效应模型确定边际效应最小的微孔孔径d。
41.步骤4、将步骤2所得果蔬的呼吸强度rr以及步骤3所得的微孔孔径d代入del-valle方程结合空气中co2的分子扩散系数得出微孔包装的微孔数目n
pores
。
42.步骤5、按照步骤4所得的微孔数目n
pores
通过激光穿孔机对pp膜进行穿孔，得到所需微孔膜；
43.步骤6、将一定质量的果蔬放入pp托盘中进行微孔膜包装，将包装好的果蔬置于0～30℃下贮藏。
44.具体而言，所述步骤2中开尔文温度和果实呼吸速率，是指果蔬的贮藏温度和在该贮藏温度下的呼吸速率。
45.具体而言，步骤(3)中的fick扩散模型为具体而言，步骤(3)中的fick扩散模型为模型中为co2透过膜的流量，k为边际效应值，边际效应模型中,表示气体co2单位时间透过微孔的扩散量。
46.具体而言，所述步骤(3)所提到的微孔孔径d为50-500μm,横向间距为50mm,纵向间距为20mm。
47.具体而言，将所述步骤(4)中的温度分别设定为20℃与2℃时，分别代入计算方程del-valle：方程中n
pores
代表微孔数目，x代表薄膜厚度，d代表微孔直径，代表空气中co2的分子扩散系数，与分别代表包装内外的co2分压，r为热力学常数，t为开尔文温度，w为果实质量，为果实呼吸速
透过膜的流量，k为边际效应值，边际效应模型中,表示气体co2单位时间透过微孔的扩散量。
61.具体而言，所述步骤(3)所提到的微孔孔径d为50-500μm,横向间距为50mm,纵向间距为20mm。
62.具体而言，将所述步骤(4)中的温度分别设定为20℃，代入计算方程del-valle：valle：方程中n
pores
代表微孔数目，x代表薄膜厚度，d代表微孔直径，代表空气中co2的分子扩散系数，与分别代表包装内外的co2分压，r为热力学常数，t为开尔文温度，w为果实质量，为果实呼吸速率，得到微孔数目分别为20个。
63.具体而言，所述步骤5中的激光穿孔机中的加工参数分别为加工功率为(10w-16w)，加工次数为(19-33)，焦距为(326mm)。
64.将刚刚成熟，颜色为青色的个体完整，无机械损伤的冬枣，清洗，消毒，沥干，放入pp托盘中，进行微孔，传统大孔(孔径为6mm,数量为3)，传统无孔包装三种包装处理，每个处理三个生物学重复，在20℃下测定冬枣的呼吸速率，呼吸速率为16.2855mg/kg/h。将冬枣在20℃时的呼吸速率带入dal-valle方程，计算得出所需微孔数量为20。将三种包装置于20℃，相对湿度98％恒温恒湿保藏，将保藏的冬枣按24小时间隔取样，三个生物学重复取平均值。
65.如图3所示，微孔膜包装内的o2和co2水平在20℃下快速达到了平衡且始终处于较低水平，呼吸速率也被显著抑制。图4c显示了包装对冬枣失重的影响。传统大孔包装的质量损失幅度最大，传统大孔包装、微孔包装组和传统无孔包装组在20℃下的质量损失百分比分别为0.30％、0.26和0.15％。图4a显示微孔膜包装可以有效减少蒸腾作用所带来的硬度损失。在微孔包装下，冬枣的硬度保持得最好，抑制了无氧呼吸带来的软化。如图4e所示，在20℃下第5天，微孔包装中的冬枣可溶性固形物比传统大孔包装和传统无孔包装中的分别高出5％和6.9％。这表明，微孔包装可以在冬枣果实的早期抑制可溶性固形物的积累。如图4g所示，微孔包装在前期抑制了果蔬中可滴定酸的合成以及后期的降解。如图1所示，在20℃下，冬枣在三种贮藏包装中的转红率呈持续增加趋势，并在第5天达到最大值，分别为35.33％、19.41％和62.69％，微孔包装显著抑制了冬枣的转红。因此微孔膜包装可以有效的维持冬枣的品质并延长货架期。此温度的微孔膜包装适合常温货架期保藏。
66.实施例2
67.激光穿孔孔径的选择主要受三个因素的影响：激光的标记场镜焦距、加工功率和加工次数，如图2所示这些因素的相互作用决定了不同的孔径。为了找到产生所需孔径的合适参数，我们进行了多次穿孔实验，并最终确定了理想的参数范围。基于实验的结果，我们确定了穿孔的加工功率为12.5w，加工次数为25次和焦距326mm，此数值都由拟合方程计算所得。
68.以不同孔径为变量进行模拟打孔，确定符合fick扩散理论的微孔孔径的范围微孔之间的间距。结果表明当微孔直径不大于100μm且d≥100λ(λ为微孔间距)时，气体透过微孔
膜遵循fick扩散定理，且当微孔孔径为100μm时，边际效应值最小，边际效应影响最小。微孔末端边际效应，是指在孔四周处o2的分压并不都相等，在孔的边缘处是要是小于微孔其他地方，这意味着降低了气体扩散速率，增加了气体的扩散速度时间，因此经过综合考虑，微孔孔径选用100μm。
69.一种利用数学模型优化激光穿孔参数的果蔬微孔包装方法，包括如下步骤：
70.步骤1、挑选品质良好、完整、无机械损伤的果蔬，清洗，消毒，沥干；
71.步骤2、将步骤1所得果蔬放入密闭容器，利用co2气体分析仪测定单位时间内单位质量的果蔬所产生的co2的质量，计算20℃下果蔬的呼吸强度
72.步骤3、以不同微孔孔径为变量进行模拟打孔，确定符合fick扩散模型的微孔孔径的范围与微孔之间的间距，将处于fick扩散模型范围内的不同孔径代入边际效应模型的范围与微孔之间的间距，将处于fick扩散模型范围内的不同孔径代入边际效应模型确定边际效应最小的微孔孔径d。
73.步骤4、将步骤2所得果蔬的呼吸强度rr以及步骤3所得的微孔孔径d代入del-valle方程结合空气中co2的分子扩散系数得出微孔包装的微孔数目n
pores
。
74.步骤5、按照步骤4所得的微孔数目n
pores
通过激光穿孔机对pp膜进行穿孔，得到所需微孔膜；
75.步骤6、将一定质量的果蔬放入pp托盘中进行微孔膜包装，将包装好的果蔬置于2℃下贮藏。
76.具体而言，所述步骤2中开尔文温度和果实呼吸速率，是指果蔬的贮藏温度和在该贮藏温度下的呼吸速率。
77.具体而言，步骤(3)中的fick扩散模型为具体而言，步骤(3)中的fick扩散模型为模型中为co2透过膜的流量，k为边际效应值，边际效应模型中,表示气体co2单位时间透过微孔的扩散量。
78.具体而言，所述步骤(3)所提到的微孔孔径d为50-500μm,横向间距为50mm,纵向间距为20mm。
79.具体而言，将所述步骤(4)中的温度分别设定为2℃，代入计算方程del-valle：valle：方程中n
pores
代表微孔数目，x代表薄膜厚度，d代表微孔直径，代表空气中co2的分子扩散系数，与分别代表包装内外的co2分压，r为热力学常数，t为开尔文温度，w为果实质量，为果实呼吸速率，得到微孔
数目分别为9个。
80.具体而言，所述步骤5中的激光穿孔机中的加工参数分别为加工功率为(10w-16w)，加工次数为(19-33)，焦距为(326mm)。
81.将刚刚成熟，颜色为青色的个体完整，无机械损伤的冬枣，清洗，消毒，沥干，放入pp托盘中，进行微孔，传统大孔(孔径为6mm,数量为3)，传统无孔包装三种包装处理，每个处理三个生物学重复，在2℃下测定冬枣的呼吸速率，呼吸速率为5.5836mg/kg/h。将冬枣在2℃时的呼吸速率带入dal-valle方程，计算得出所需微孔数量为9。将三种处理于2℃，相对湿度98％恒温恒湿保藏，将保藏的冬枣按7天间隔取样，三个生物学重复取平均值。
82.如图3所示，微孔膜包装内的o2和co2水平在2℃下快速达到了平衡且始终处于较低水平，呼吸速率也被显著抑制。图4d显示了包装对冬枣失重的影响。传统大孔包装的体重减轻幅度最大，传统大孔包装、微孔包装组和传统无孔包装组在2℃下的失重百分比分别为0.34％、0.11和0.20％。图4b显示微孔膜包装可以有效减少蒸腾作用所带来的硬度损失。在微孔包装下，冬枣的硬度保持得最好，抑制了无氧呼吸带来的软化。如图4f所示，在2℃下微孔包装的可溶性固性物下降幅度最小。第35天，微孔包装的冬枣tss分别比传统大孔包装和传统无孔包装高3.9％和8.2％。这表明，微孔包装可以在冬枣果实的早期抑制可溶性固形物的合成，并降低其含量。如图4h所示，微孔包装在前期抑制了果蔬中可滴定酸的合成以及后期的降解。如图1所示，在2℃下，冬枣在三种贮藏包装中的转红率呈持续增加趋势，传统无孔包装的转红率和腐烂率最终分别达到了97％和80％，微孔包装显著抑制了冬枣的转红。因此这表明微孔膜包装可以有效的维持冬枣的品质并延长货架期。此温度的微孔膜包装适合冷链运输。
83.以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。