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脱氧包装技术在食品工业中的应用
时间:2013-05-08   来源: 包装前沿   阅读:4483次

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     随着生活水平的不断提高,人们对食品的要求也越来越高,不仅要求新鲜优质而且要求营养安全。然而,食品在储藏运输过程中易发生腐败变质,从而降低食品的质量和营养价值,严重时甚至产生有害物质,危及人体健康。食品腐败变质是由于食品氧化或霉菌、细菌、酵母等微生物和虫类繁殖的结果。食品氧化是氧气直接作用所致,而微生物和虫类的滋生也与氧气密切相关。因此,去除食品中的氧气就显得十分重要。脱氧包装技术就是利用脱除食品包装内的氧气来实现食品保鲜保质。目前,脱氧包装技术已在食品工业中得到广泛应用。
     一、脱氧包装技术的定义及其特点
     1、脱氧包装技术的定义
     脱氧包装是指在密封的包装容器内,封入能与氧起化学作用的脱氧剂,从而除去包装内的氧气,使被包装物在氧浓度很低,甚至几乎无氧的条件下保存的一种包装技术。
     2、脱氧包装技术的特点
     脱氧包装是在真空和充气包装出现之后形成的一种新的包装方法,它与真空和充气包装技术相比,最显著的特点是在密封的包装内可使氧降低到很低水平,甚至产生一个几乎无氧的环境。这是因为脱氧剂不仅能把包装容器内的氧全部除去,还能将从外界环境中渗入包装内的氧以及溶解在液体中或充填在固体海绵状结构微孔中的氧除去。
     此外,脱氧包装技术与其他包装技术相比还有以下特点:可以在食品生产工艺中减少或不加入防霉、抗氧化等功能的食品添加剂,从而使食品更安全;可以防止各种食品的氧化破坏,如防止油脂和脂肪产生异味,避免动植物组织的变色(如肉类)和风味损失,减少营养元素的损失,从而能较好地保持产品原有的色、香、味和营养;可以有效地防止或延缓需氧微生物所引起的腐败变质,从而适当延长保质期。综上所述,脱氧包装技术是一种高效、方便、安全的食品包装技术。
     二、脱氧剂分类及其作用机理
     1、脱氧剂的分类
     从组分进行分类可分为2类,一类是无机系脱氧剂即以无机性基质为主体的脱氧剂,如铁系脱氧剂、亚硫酸盐系脱氧剂、加氢催化剂型脱氧剂等;另一类是有机系脱氧剂即是以有机性基质为主体的脱氧剂,如酶、抗坏血酸类、油酸、亚油酸或生育酚等。其中以原料易得、成本低、除氧效果好、安全性高的铁系脱氧剂的应用最广。
     从反应形式进行分类,可分为自力反应型(即在脱氧剂预先含有水分,一旦接触到氧就立即开始吸收氧的反应)和水分依赖型(即从食品中吸收水分后才开始吸收氧的水分)两大类。自力反应型脱氧剂主要适用于茶叶、海苔、紫菜、坚果类和干性物料等水分活性低的食品。水分依赖型脱氧剂则适用于年糕、豆酱、匹萨饼外皮等水分活性高的食品。
     2、常用脱氧剂的作用机理  
     脱氧剂都是利用其本身具有还原作用,能和氧气发生反应的原理而使包装内的氧气脱除。其除氧反应的机理因脱氧剂的不同而不同,下面对几种常用脱氧剂的脱氧机理作简单介绍。
     (1)铁系脱氧剂
     这是目前使用较为广泛的一类脱氧剂。以铁粉为主剂的脱氧剂,铁粉系脱氧剂的脱氧方式,主要是利用铁氧化生锈的原理,其脱氧过程的主要反应如下:

          
     其中反应(1)和(3)可以除去包装中的氧气,而反应(2)是可能发生的副反应之一。此反应的净产物4Fe(OH)3,即俗称的铁锈,实际铁锈是由α-FeO(OH)及β-FeO(OH)水合物所构成,故化学式应以Fe2O3·3H2O表示。从反应机理看,铁系脱氧剂反应时应有水存在,故适用于含水较高的食品脱氧。
     在标准状况下,按理论计算可得,1g铁粉可以和300mL氧气反应。铁的半致死量LD50为16g/kg。商业使用中的袋装脱氧剂的剂量最多为7g铁粉,因此对于一个体重70Kg的人,相对剂量仅为0.1g/kg。因此,铁系脱氧剂是安全和高效的,但也有不足,如无法通过安装在包装生产线上的金属探测器。
     (2)硫酸盐系脱氧剂
     该脱氧剂主要是以连二亚硫酸盐为主剂,以氢氧化钙、活性炭等为助剂。如在助剂中加入适量的碳酸氢钠,则除了能除去包装空间的氧外,还能生成二氧化碳,形成包装内的高二氧化碳环境,可进一步提高对产品的保护效果。其反应机理如下:  

            
     其中反应(4)是主要的脱氧反应,Ca(OH)2主要用来吸收SO2。活性碳和水是反应(4)的催化剂,因此活性碳的用量及包装空间的相对湿度对脱氧速度均会产生不同程度的影响。按理论计算,1g的连二亚硫酸钠可去除130ml氧气。它的脱氧能力不如铁系脱氧剂,但它脱氧速度快,且可生成二氧化碳,这对食品贮藏保鲜非常有利。
     (3)加氢催化剂型脱氧剂
     最早使用的是以铂、铑、钯等加氢催化剂为主剂的脱氧剂,其中以钯应用较多。有微孔的加氢催化剂在活化状态下可吸附比自身体积大许多倍的活泼氢,而且可催化氢和氧反应生成水,因而可达到除去包装中的氧气的目的。如果在包装中加入吸水剂或干燥剂,就可除去反应生成的水。这种脱氧剂的成本高,使用不便,使用范围也受到一定的限制,因此,现在只在特殊场合使用,或配合其它脱氧剂少量使用。
     (4)葡萄糖氧化酶
     这种方法是利用酶技术,葡萄糖氧化酶通常采用固定化技术与包装材料结合,在一定的温度、湿度条件下,利用葡萄糖氧化成葡萄糖酸时消耗氧来达到脱氧目的。此反应的适宜条件温度是30~50℃,pH4.8~6.2,反应中的葡萄糖可以来自食品本身,也可以是后来添加的。目前这种脱氧剂仅在某些特定产品的包装中应用。
     (5)抗坏血酸脱氧剂
     抗坏血酸(AA)本身就是强还原剂,在有氧的情况下,可被氧化形成氧化型抗坏血酸(DHAA),从而除去环境中的氧,常用此法来除去液态食品中的氧,反应如下:
     AA+1/2O2→DHAA+H2O                         (7)
     抗坏血酸即维生素C,因此抗坏血酸脱氧剂的使用安全性较高。利用此系统中抗坏血酸的氧化量可用来测定液态食品中氧气的含量。
     三、脱氧包装技术开发进展
     脱氧包装中使用的袋装脱氧剂,存在着可能被消费者误食的问题,还可能出现泄露从而污染食物。为了消除这些问题,可以将脱氧剂合成到包装材料中,比如脱氧剂薄片、聚合物薄膜、标签、瓶盖或密封垫等。
     1、脱氧剂薄片
     有专利提出将脱氧剂制成积层薄片,可避免消费者因将脱氧剂小包拆封而误食,其制备方法为:将100g铁粉与1g活性碳及5g的20%氯化钠溶液充分混合,经蒸发干燥后,再取其100g与10g纸浆及20gPE纤维混合后,平均涂布在不织布(Non-woven fabric)上,然后再以热量熔延方式(180℃,0.2kg/cm2)制成三明治式积层薄片。
     2、脱氧膜
     1970年由Kuhn提出将钯片或铂片包埋于阻隔层及透气层之间,制成积层脱氧膜。它是利用钯或铂片催化包装内氧和氢作用产生水的原理,达到脱氧之效果。而后,American Can公司改以两层离子性膜包埋钯片,结果发现此产品的脱氧效率更佳,可以使包装内的氧气浓度降至0.001%以下,且可维持6个月之久,但由于使用此种脱氧膜须先将包装内的气体置换成92%氮气及8%氢气,且钯片及铂片都相当昂贵,故使用情况并不普遍。近年来研究的脱氧膜产品中,大致可分为下列3类。
     (1)光化学脱氧薄膜
     1981年澳大利亚的CSIRO研究所开发出一种特殊的光化学脱氧薄膜,其原理是将光化学染料及活性氧接受剂涂抹于乙基纤维薄膜上,当光线照射至染料后,被激发的染料会将能量传给包装内的氧气而形成激发态的活性氧,再由活性氧接受剂将其接收而达到脱氧的效果。此种光化学脱氧膜主要应用于瓶盖上,曾经以包装试验测试菜籽油的品质安定性,结果显示使用脱氧膜包装可降低过氧化价约66%。但在光线不足的环境下,则无法起作用,是其最大的缺点。
     (2)包埋脱氧膜
     日本三菱气体化学公司推出了薄膜型脱氧剂新产品,名为“埃琪兰斯·奥玛克”。目前已广泛应用于既要保持优良的食品风味,又无添加剂的高附加值、高温高压灭菌的食品软包装中。“埃琪兰斯·奥玛克”的脱氧吸收量为0.1~0.5ml/cm,脱氧反应开始时必须提供的适宜水分活性为0.85以上,薄膜的厚度为100~300μ。该产品使用的薄膜由外层、阻隔层、氧吸收层和内层等4层结构组成。氧吸收层是加入铁类氧吸收剂的聚烯烃类薄膜;阻隔层由铝箔、MXD6、EVOH、蒸镀二氧化硅薄层的薄膜组成,食品包装后可以起到防止外来氧气侵蚀的作用;内层同样采取聚烯烃类薄膜;外层和内层采用的是PET、尼龙等塑料薄膜材料。
     (3)固定化酶的脱氧膜
     日本有多项研究将酶系统(葡萄糖氧化酶,过氧化氢酶)以固定化技术,结合在壳聚糖、聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)等的薄膜上,利用酶催化葡萄糖氧化成葡萄糖酸的原理,作为液态食品包装中的脱氧系统。酶反应所需的葡萄糖可以利用微胶囊方式包埋于包装膜中,或是由食品直接提供,在理想状态下,0.78g葡萄糖氧化后可将500ml空气中的氧气完全去除。但是其最大的缺点为酶在制备过程中易失活,且脱氧效果不易控制,故商业化产品不多。
     四、脱氧包装技术在食品工业中的应用
     脱氧包装技术在食品工业上的应用,时间并不长。它最早出现于1925年,但直到70年代末才与密封性高、阻隔性强的材料配合使用,应用于食品包装上。目前,脱氧剂在不同食品加工中的应用情况为:糕点甜食为45%,畜产、水产品和农产品加工食品为30%,茶叶、咖啡等为15%,健康食品、家常菜肴等其他食品为10%,现已推广应用到高水分含量的食品、短保质期的配送食品以及长保质期的医药品和健康食品等产品中。
     1、在糕点食品上的应用
     糕点是最早也是最广泛利用脱氧包装技术实现防腐保鲜目的的食品之一。糕点食品大多含有较高的油脂,组织结构或柔软或松脆,不宜采用真空包装,否则易变形,尤其是月饼和饼干,贮存期长,易出现氧化腐败,而面包和蛋糕易引起霉菌生长。如果在包装中封入脱氧剂,不仅除去了氧气,最重要的是阻止了油脂因氧化而使产品出现哈败味或霉菌的生长,从而延长了保藏期。另外,由于脱氧剂对好气性微生物生长有良好的抑制作用,因此对蛋糕、年糕等食品的防腐有明显效果。目前,我国脱氧包装技术在月饼的包装中应用最为广泛,月饼盒中的脱氧剂主要为铁系脱氧剂。
     2、在肉食品加工贮藏方面的应用
     用于鲜肉贮藏过程中防止肌红蛋白被氧化,达到除氧护色的作用。这是因为鲜肉在贮藏过程中易发生色泽的变化,在空气中氧的作用下,紫红色的肌红蛋白可氧化成亮红色的氧合肌红蛋白,并产生人们熟悉的肉的“红润”感。利用这一原理,采用脱氧包装,可使包装环境短时间达到基本无氧状态,此时肌红蛋白不被氧化,处于紫红色状态,一旦包装打开,肉立刻被氧化成氧合肌红蛋白所具有的“鲜肉”色泽,从而达到除氧护色的作用。除此之外,对于熟肉制品还具有防止脂肪氧化、防止霉菌繁殖、保持风味的作用。目前,脱氧包装技术在火腿和香肠中应用广泛。
     3、在茶叶包装中的应用
     在茶叶包装中的作用主要是防止褐色变色,防止维生素的氧化。茶叶中的叶绿素、儿茶素、脂类、叶红素及Vc极易氧化,尤其是绿茶的变化特别突出,一旦被氧化,就会失去嫩绿色彩而泛黄,对品质影响极大。故若能在防潮,遮光的同时再加上脱氧包装,则在低温中贮存一年后,仍能使绿茶保持汤清叶嫩的新茶状态。
     4、在咖啡包装中的应用
     为了保持纯正咖啡产品应有的风味,一些生产厂家在生产简单享受型小包装咖啡制品时也使用了脱氧包装技术,这是为了防止氧化反应破坏咖啡的纯正香味。咖啡豆焙煎时有大量CO2产生,采用焙煎后立即密封包装,CO2会使袋膨胀甚至破裂。因此,通过在包装袋内添加吸收CO2型脱氧剂,能长期吸收10倍体积氧气量的CO2,达到防氧化、保香的效果。
     5、在谷物贮藏中的应用
     谷豆类食品中的成虫、虫卵对食品质量有严重危害,脱氧包装技术能使虫类缺氧窒息死亡,能防止霉菌繁殖,从而防止大米、花生等的虫蛀现象和霉变现象,使大米、小麦、绿豆、大豆等食品保藏较长时间。
     6、在水产品包装中的应用
     脱氧包装技术应用到水产品上,可防止虫蛀和霉菌繁殖。此外水产品应用脱氧包装技术可使保存在包装中的鱼肉、蟹、虾等海产品的色泽鲜艳。目前,脱氧包装技术在精制水产品中广泛应用,特别是鱼干、鱼片类产品。
     7、其它食品
     脱氧包装技术可以应用于许多食品的包装中。如膨化食品是以油炸为主要工艺的一大类食品,油脂易氧化,通过脱氧包装可除去膨化后海绵结构中的氧,达到延长贮藏期的作用。在花生、核桃、芝麻等油脂含量高的坚果中,防油脂哈败的效果也十分突出。也可以应用于奶粉、豆粉中防止脂肪的氧化,并可减少因采用抽气包装后粉状物结饼对冲调性的不利影响。在水果和蔬菜的干制品或粉剂中,防维生素变性和变色。另外在医药和化妆品中也有广泛的应用。
     五、展望
     目前,脱氧剂良好的脱氧作用使得脱氧包装作为一种新型的包装方法正在我国和世界各地蓬勃发展,各种新型的脱氧剂被研制并发挥更为广泛的用途。随着科学和技术的发展,新型高效的脱氧剂将会不断满足市场的需求,也随之会为我国的包装业及与其配套的相关产业带来一场革新。

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