加压低成本惰性气体结合激光微气孔薄膜气调的果蔬抑菌保鲜装置及应用
阅读说明：本技术 加压低成本惰性气体结合激光微气孔薄膜气调的果蔬抑菌保鲜装置及应用 (Fruit and vegetable bacteriostatic and fresh-keeping device with combination of pressurized low-cost inert gas and laser microporous film air regulation and application ) 是由 张慜 范凯 过志梅 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及加压低成本惰性气体结合激光微气孔薄膜气调的果蔬抑菌保鲜装置,采用表面处理与包装处理两种综合处理方式,即采用加压惰性气体应用于果蔬表面、以及应用激光机作用包装袋制作微气孔,由此应用于果蔬贮藏保鲜,在果蔬组织中形成笼形水合物,限制果蔬中水的流动性、抑制微生物生长、降低贮藏期间代谢损耗,维持其良好的营养品质,显著延长其保鲜期；并且设计基于此装置的应用,能智能根据不同果蔬物料智能判别加压惰性气体不同配比与压力及微孔大小与数量处理,在4℃下贮藏可将货架期延长至17-20天。(The invention relates to a pressurized low-cost inert gas and laser micro-pore film controlled atmosphere fruit and vegetable bacteriostatic fresh-keeping device, which adopts two comprehensive treatment modes of surface treatment and packaging treatment, namely, pressurized inert gas is applied to the surfaces of fruits and vegetables, and a laser machine is used for acting a packaging bag to manufacture micro-pores, so that the pressurized inert gas is applied to the storage and the fresh keeping of the fruits and the vegetables, a cage-shaped hydrate is formed in the tissues of the fruits and the vegetables, the mobility of water in the fruits and the vegetables is limited, the growth of microorganisms is inhibited, the metabolic loss during the storage is reduced, the good nutritional quality of the; the design is based on the application of the device, different proportions and pressures of the pressurized inert gas and the size and quantity of the micropores can be intelligently judged according to different fruit and vegetable materials, and the shelf life can be prolonged to 17-20 days by storing at 4 ℃.)
技术领域
本发明涉及加压低成本惰性气体结合激光微气孔薄膜气调的果蔬抑菌保鲜装置及应用，属于生鲜食品保鲜贮藏技术领域。
背景技术
我国是果蔬生产大国，果蔬产量长年位居世界第一。新鲜果蔬因其丰富的营养已成为人们生活中的必需品，受到众多消费者青睐，占据食品消费总量的极大份额。果蔬采后在贮藏期间会发生一系列生理生化反应，且极易受到微生物的侵害，造成其营养品质的损失、酶促褐变、组织结构软化、风味下降等问题的发生，这样就缩短了果蔬的货架期，导致果蔬的商品价值降低。传统的果蔬保鲜采用低温和化学保鲜剂来延长货架期，但化学保鲜剂会残留在果蔬上面，造成人类健康的危害及环境污染。因此，有必要找到一种无污染、绿色、安全的保鲜方式。
近年来加压惰性气体保鲜技术被广泛用于果蔬行业。加压惰性气体(如氩气、氙气)在一定温度和压力下溶于果蔬细胞间水形成笼形水合物(水结构化)，从而限制果蔬中水分的流动性、抑制果蔬生理代谢活动，延缓品质劣变和衰老。由于氙气的价格昂贵，高成本可能限制了氙气的应用。然而氩气化学性质稳定并且成本要求低，对人体健康是无害的。另外，微气孔气调包装是利用果蔬自身呼吸作用和微孔对气体通透性来调节包装内氧气和二氧化碳等气体组分,抑制其呼吸作用,从而达到调节果蔬生理代谢水平，延缓品质劣变。由于传统气调包装是采用2-3种气体组成的混合气体取代包装内的气体来抑制果蔬的呼吸作用，但在果蔬贮藏中易造成果蔬的无氧呼吸，导致异味物质的产生、削弱果蔬固有的耐藏性，降低了产品的商品价值。近年来激光加工微气孔因具有无接触力作用于材料、加工效率高、易于实现自动化等优点而被广泛使用，激光微气孔气调包装可以有效地调节包装内的气体组分，促进气体交换，降低产生无氧环境的风险，延长果蔬的货架期。因此，本发明采用加压氩气惰性气体结合激光微气孔薄膜气调包装的抑菌保鲜装置应用于果蔬贮藏保鲜。
张慜等(2003)公开了“一种水结构化处理和气调包装联合保鲜鲜切果蔬的方法”(申请公布号：CN1554247A)。该方法利用加压混合惰性气体氩气、氪气和氙气处理鲜切果蔬形成水结构化，再结合气调包装使鲜切果蔬营养损失小，在常温下可延长鲜切果蔬货架期。与本发明相比，该方法中加压处理中氙气的价格较贵，加压惰性气体水结构化时间较长，达到12-48小时。本发明采用的加压氩气成本较低，加压时间不长，有效地延长果蔬的保鲜期。
张慜等(2008)用加压氙和氩(分压9:2)混合物处理的芦笋与气调包装的对照进行比较，结果发现芦笋的货架期有效地延长。加压氙和氩混合物处理后样品组织结构中形成笼形水合物，这与保持芦笋新鲜有着积极联系。与本发明相比，该方法中加压处理使用的氙气价格昂贵，本发明采用加压氩气价格便宜，降低了生产成本，更适合商业化食品生产。
张慜等(2009)公开了“一种利用超高压实现鲜切果蔬快速水分结构化的低成本保鲜方法”(申请公布号：CN101700055A)。该方法采用1:1配比的四种非极性气体氩气、氪气、氮气或二氧化碳中任意两种在加压300-400MPa下处理鲜切果蔬，发现经超高压处理后鲜切果蔬表面和组织中的水分快速水结构化，降低了水分子活性，抑制了酶促反应和微生物作用，延长保鲜期达10-15天。与本发明相比，该方法采用高压处理会导致果蔬组织结构软化，不适宜组织结构软的果蔬，本发明采用加压惰性气体处理并结合激光微气孔薄膜气调，不会对果蔬组织结构造成机械损伤，能有效延长果蔬的保鲜期。
张慜等(2010)公开了“一种中压混合惰性气体处理延长鲜切果蔬货架期的方法”(申请公布号：CN102077859A)。该方法采用加压混合惰性气体氩气、氮气和氙气处理鲜切果蔬形成气体水合物，减少了果蔬贮藏期间代谢损耗和微生物污染作用，抑制了褐变，保持了营养品质，延长了货架期。与本发明相比，该方法中加压处理使用的氙气价格昂贵，中压处理不适宜组织结构软的果蔬，本发明采用加压氩气价格便宜，加压惰性气体的压力小不会对果蔬组织结构造成机械损伤，结合激光微气孔薄膜气调的保鲜装置抑制微生物生长，有效地延长了果蔬保鲜期。
吴志霜等(2012)在4℃下研究高压氩(150MPa)处理对保鲜鲜切苹果品质的影响。结果发现高压氩处理能在组织内形成笼形水合物，其限制了水的流动性和酶促反应，从而较好的保证了鲜切苹果的品质。与本发明相比，该方法采用的氩压力过高，会对果蔬汁液外渗造成负面影响，导致鲜切果蔬组织软化和促进微生物生长。本发明采用加压氩气处理的压力小，再结合激光微气孔薄膜气调的保鲜装置不会对果蔬组织结构造成机械损伤，能有效地抑制微生物生长，从而达到延长保鲜期的效果。
但是现有技术关于果蔬的保存，还有进一步提高的可能，可以从更多方面延长果蔬的保质时间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供加压低成本惰性气体结合激光微气孔薄膜气调的果蔬抑菌保鲜装置，采用表面处理与包装处理两种综合处理方式，能够有效提高果蔬的保存时长。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了加压低成本惰性气体结合激光微气孔薄膜气调的果蔬抑菌保鲜装置，包括加压容器、加压泵、激光机、真空泵、以及至少两个分别装有不同惰性气体的保护气体瓶；
其中，加压容器顶部密封、底部敞开，加压容器内部位于敞开底部上方预设高度位置活动设置隔板，隔板用于将加压容器内部密封划分为上空腔与下空腔、或者隔板将上空腔与下空腔连通；加压容器的敞开底部可分离式对接、用于盛装果蔬的包装袋的敞开口；
各个保护气体瓶的供气口分别连接串联有第一开关阀的导气管、并对接，且该对接位置通过导气管依次串联第二开关阀、加压泵后穿入加压容器密封顶部，并连通加压容器内部上空腔；真空泵的抽气孔通过串联第三开关阀的导气管穿入加压容器密封顶部，并连通加压容器内部上空腔；
激光机置于包装袋的侧面，且激光机的工作端指向包装袋，激光机用于制作包装袋表面的微气孔。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括第一压力表、压力传感器、第二压力表、控制模块；第一压力表连接于所述各保护气体瓶供气口所连导气管对接位置与第二开关阀之间导气管的支路上，压力传感器连接于所述加压泵与加压容器密封顶部之间导气管的支路上；第二压力表连接于加压容器密封顶部与第三开关阀之间导气管的支路上；
控制模块分别连接第二开关阀、第一压力表、压力传感器、第二压力表、激光机、以及各第一开关阀
作为本发明的一种优选技术方案：还包括第四开关阀、第五开关阀、排除气体接收瓶；第四开关阀连接于所述第二压力表所连位置与所述第三开关阀之间导气管的支路上；并且第四开关阀所连位置与第三开关阀之间导气管上支路连接串联有第五开关阀的导气管，并对接连通排除气体接收瓶内部；所述控制模块分别连接第四开关阀、第五开关阀。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括气体检测装置，气体检测装置嵌设于所述加压容器内部上空腔的表面，且气体检测装置的检测端置于加压容器内部上空腔，气体检测装置与所述控制模块通信连接，气体检测装置用于针对加压容器内部上空腔空气环境下的果蔬，实现果蔬呼吸所消耗O2的检测、以及产生CO2的检测。
作为本发明的一种优选技术方案：所述保护气体瓶的数量为两个，分别为装有氩气的保护气体瓶、以及装有氮气的保护气体瓶。
作为本发明的一种优选技术方案：所述包装袋为聚乙烯薄膜材料包装袋。
与上述相对应，本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了加压低成本惰性气体结合激光微气孔薄膜气调的果蔬抑菌保鲜装置的应用，用于针对目标果蔬实现抑菌保鲜应用，包括如下步骤：
步骤A.将目标果蔬置于加压容器内部上空腔空气环境，然后进入步骤B；
步骤B.控制隔板将加压容器内部密封划分为上空腔与下空腔，并控制真空泵工作，针对加压容器内部上空腔进行抽真空处理，然后进入步骤C；
步骤C.控制各保护气体瓶向加压容器内部上空腔注入惰性气体，针对目标果蔬表面进行处理；
同时，应用激光机针对加压容器敞开底部的包装袋表面，执行微气孔制作，然后进入步骤D；
步骤D.控制隔板将加压容器内部上空腔与下空腔连通，使得目标果蔬装入包装袋中，并置于预设低温环境下冷藏保存，然后进入步骤E；
步骤E.由排除气体接收瓶对加压容器内部上空腔中的惰性气体进行收集。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，基于目标果蔬置于压容器内部上空腔空气环境，并由气体检测装置根据Michaelis-Menten方程计算目标果蔬呼吸所消耗O2的量、以及产生CO2的量；
所述步骤C中，首先基于以果蔬呼吸消耗的O2和产生的CO2为输入，惰性气体不同配比及压力为输出的第一目标模型，根据目标果蔬呼吸所消耗O2的量、以及产生CO2的量，获得对应于目标果蔬的惰性气体不同配比及压力，然后据此控制各保护气体瓶向加压容器内部上空腔注入惰性气体，针对目标果蔬表面进行处理；
同时，首先基于以果蔬呼吸消耗的O2和产生的CO2为输入，包装袋上微气孔直径及数量为输出的第二目标模型，根据目标果蔬呼吸所消耗O2的量、以及产生CO2的量，获得对应于目标果蔬的包装袋上微气孔直径及数量，然后据此应用激光机针对加压容器敞开底部的包装袋表面，执行微气孔制作。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第一目标模型基于三层BP神经网络，结合各组分别由果蔬呼吸消耗的O2、产生的CO2，与相应惰性气体不同配比及压力应用的组合构成的样本，执行训练所获；所述第二目标模型基于三层BP神经网络，结合各组分别由果蔬呼吸消耗的O2、产生的CO2，与相应包装袋上微气孔直径及数量应用的组合构成的样本，执行训练所获。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第一目标模型、第二目标模型分别均采用Levenberg-Marquardt训练方法获得。
本发明所述加压低成本惰性气体结合激光微气孔薄膜气调的果蔬抑菌保鲜装置及应用，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计加压低成本惰性气体结合激光微气孔薄膜气调的果蔬抑菌保鲜装置，采用表面处理与包装处理两种综合处理方式，即采用加压惰性气体应用于果蔬表面、以及应用激光机作用包装袋制作微气孔，由此应用于果蔬贮藏保鲜，在果蔬组织中形成笼形水合物，限制果蔬中水的流动性、抑制微生物生长、降低贮藏期间代谢损耗，维持其良好的营养品质，显著延长其保鲜期；并且设计基于此装置的应用，能智能根据不同果蔬物料智能判别加压惰性气体不同配比与压力及微孔大小与数量处理，在4℃下贮藏可将货架期延长至17-20天。
附图说明
图1是本发明所设计加压低成本惰性气体结合激光微气孔薄膜气调的果蔬抑菌保鲜装置的示意图。其中，1.加压容器，2.加压泵，3.激光机，4.真空泵，5.保护气体瓶，6.第一开关阀，7.第二开关阀，8.第三开关阀，9.第一压力表，10.压力传感器，11.第二压力表，12.控制模块，13.第四开关阀，14.第五开关阀，15.排除气体接收瓶，16.气体检测装置，17.隔板，18.包装袋。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了加压低成本惰性气体结合激光微气孔薄膜气调的果蔬抑菌保鲜装置，如图1所示，包括加压容器1、加压泵2、激光机3、真空泵4、以及至少两个分别装有不同惰性气体的保护气体瓶5。
其中，加压容器1顶部密封、底部敞开，加压容器1内部位于敞开底部上方预设高度位置活动设置隔板17，隔板17用于将加压容器1内部密封划分为上空腔与下空腔、或者隔板17将上空腔与下空腔连通；加压容器1的敞开底部可分离式对接、用于盛装果蔬的包装袋18的敞开口，实际应用当中，选择聚乙烯薄膜材料包装袋18。
各个保护气体瓶5的供气口分别连接串联有第一开关阀6的导气管、并对接，且该对接位置通过导气管依次串联第二开关阀7、加压泵2后穿入加压容器1密封顶部，并连通加压容器1内部上空腔；真空泵4的抽气孔通过串联第三开关阀8的导气管穿入加压容器1密封顶部，并连通加压容器1内部上空腔，实际应用中，真空泵4用于将加压容器1中的空气排出。
激光机3置于包装袋18的侧面，且激光机3的工作端指向包装袋18，激光机3用于制作包装袋18表面的微气孔。
进一步，所设计果蔬抑菌保鲜装置还包括第一压力表9、压力传感器10、第二压力表11、控制模块12、第四开关阀13、第五开关阀14、排除气体接收瓶15、气体检测装置16；第一压力表9连接于所述各保护气体瓶5供气口所连导气管对接位置与第二开关阀7之间导气管的支路上，压力传感器10连接于所述加压泵2与加压容器1密封顶部之间导气管的支路上；第二压力表11连接于加压容器1密封顶部与第三开关阀8之间导气管的支路上；第四开关阀13连接于所述第二压力表11所连位置与所述第三开关阀8之间导气管的支路上；并且第四开关阀13所连位置与第三开关阀8之间导气管上支路连接串联有第五开关阀14的导气管，并对接连通排除气体接收瓶15内部。
控制模块12分别连接第二开关阀7、第一压力表9、压力传感器10、第二压力表11、第四开关阀13、第五开关阀14、激光机3、以及各第一开关阀6。
气体检测装置16嵌设于所述加压容器1内部上空腔的表面，且气体检测装置16的检测端置于加压容器1内部上空腔，气体检测装置16与所述控制模块12通信连接，气体检测装置16用于针对加压容器1内部上空腔空气环境下的果蔬，实现果蔬呼吸所消耗O2的检测、以及产生CO2的检测。
本发明所设计果蔬抑菌保鲜装置，在实际应用当中，具体设计保护气体瓶5的数量为两个，分别为装有氩气的保护气体瓶、以及装有氮气的保护气体瓶，即应用氩气与氮气的混合气体针对果蔬表面进行处理。
基于上述所设计加压低成本惰性气体结合激光微气孔薄膜气调的果蔬抑菌保鲜装置，本发明在实际应用中，按如下步骤，针对目标果蔬实现抑菌保鲜应用。
步骤A.将目标果蔬置于加压容器1内部上空腔空气环境，然后进入步骤B。
步骤B.控制隔板17将加压容器1内部密封划分为上空腔与下空腔，并控制真空泵4工作，针对加压容器1内部上空腔进行抽真空处理，然后进入步骤C。
步骤C.控制各保护气体瓶5向加压容器1内部上空腔注入惰性气体，针对目标果蔬表面进行处理。
同时，应用激光机3针对加压容器1敞开底部的包装袋18表面，执行微气孔制作，然后进入步骤D。
步骤D.控制隔板17将加压容器1内部上空腔与下空腔连通，使得目标果蔬装入包装袋18中，并置于预设低温环境下冷藏保存，诸如在4℃下冷藏，然后进入步骤E。
步骤E.由排除气体接收瓶15对加压容器1内部上空腔中的惰性气体进行收集。
基于上述常规设计应用过程的基础之上，本发明设计方案还可以进一步设计如下智能执行过程，其中，所述步骤A中，基于目标果蔬置于压容器1内部上空腔空气环境，并由气体检测装置16根据如下Michaelis-Menten方程，计算目标果蔬呼吸所消耗O2的量、以及产生CO2的量。
其中，R为呼吸速率，Vm为最大呼吸速率，Km为米氏常数，Ki为CO2非竞争抑制系数，[O2]为O2浓度，[CO2]为CO2浓度。
基于步骤A中所增加关于目标果蔬呼吸所消耗O2的量、以及产生CO2的量的设计，进一步针对所述步骤C，首先基于以果蔬呼吸消耗的O2和产生的CO2为输入，惰性气体不同配比及压力为输出的第一目标模型，根据目标果蔬呼吸所消耗O2的量、以及产生CO2的量，获得对应于目标果蔬的惰性气体不同配比及压力，然后据此控制各保护气体瓶5向加压容器1内部上空腔注入惰性气体，针对目标果蔬表面进行处理。
同时，首先基于以果蔬呼吸消耗的O2和产生的CO2为输入，包装袋18上微气孔直径及数量为输出的第二目标模型，根据目标果蔬呼吸所消耗O2的量、以及产生CO2的量，获得对应于目标果蔬的包装袋18上微气孔直径及数量，然后据此应用激光机3针对加压容器1敞开底部的包装袋18表面，执行微气孔制作。
如此在应用上述所设计果蔬抑菌保鲜装置，针对目标果蔬进行抑菌保鲜应用的时候，即可智能准确调节对应于目标果蔬的惰性气体不同配比及压力，并且智能准确调节对应于目标果蔬的包装袋18上微气孔直径及数量，由此针对目标果蔬表面进行处理。
在实际应用当中，对于第一目标模型、第二目标模型来说，第一目标模型基于三层BP神经网络，结合各组分别由果蔬呼吸消耗的O2、产生的CO2，与相应惰性气体不同配比及压力应用的组合构成的样本，应用Levenberg-Marquardt方法进行训练获得；同时，第二目标模型基于三层BP神经网络，结合各组分别由果蔬呼吸消耗的O2、产生的CO2，与相应包装袋18上微气孔直径及数量应用的组合构成的样本，应用Levenberg-Marquardt方法进行训练获得。
实际应用中，对于基于三层BP神经网络，关于第一目标模型、第二目标模型的训练来说，采用Matlab工具，并且算法参数设置：隐藏层数10，如此，根据各组样本，应用Levenberg-Marquardt进行训练。其中，将BP神经网络的输出值与实测值进行对比，直到BP神经网络训练的均方误差达到要求，确定BP神经网络各层的权值和阈值。
上述技术方案所设计加压低成本惰性气体结合激光微气孔薄膜气调的果蔬抑菌保鲜装置，采用表面处理与包装处理两种综合处理方式，即采用加压惰性气体应用于果蔬表面、以及应用激光机作用包装袋18制作微气孔，由此应用于果蔬贮藏保鲜，在果蔬组织中形成笼形水合物，限制果蔬中水的流动性、抑制微生物生长、降低贮藏期间代谢损耗，维持其良好的营养品质，显著延长其保鲜期；并且设计基于此装置的应用，能智能根据不同果蔬物料智能判别加压惰性气体不同配比与压力及微孔大小与数量处理，在4℃下贮藏可将货架期延长至17-20天。
将本发明所设计加压低成本惰性气体结合激光微气孔薄膜气调的果蔬抑菌保鲜装置及应用，应用于实际当中你，诸如执行如下三个实施例。
实施例1设计应用于黄瓜，新鲜、无机械损伤的黄瓜清洗、沥干、切成1cm片状后移至加压容器中，根据黄瓜的呼吸速率结果进行模型预测，并按照预测模型输入参数设置加压惰性气体氩气与氮气输出配比为1:1与压力为0.8Mpa，设置激光机单元微气孔大小100μm、数量4个来进行薄膜气调包装，最终可达到模型预测值的95％以上。通过加压惰性气体结合激光微气孔薄膜气调包装抑菌保鲜装置处理后在4℃条件下冷藏可延长其货架期至20天。
实施例2设计应用于茄子，新鲜、无机械损伤的茄子清洗、沥干、切成1cm片状后移至加压容器装置中，根据茄子的呼吸速率结果进行模型预测，并按照预测模型输入参数设置加压惰性气体氩气与氮气输出配比为1:2与压力为1.2Mpa，设置激光机单元微气孔大小100μm、数量6个来进行薄膜气调包装，最终可达到模型预测值的90％以上。通过加压惰性气体结合激光微气孔薄膜气调包装抑菌保鲜装置处理后在4℃条件下冷藏可延长其货架期至18天。
实施例2设计应用于猕猴桃，新鲜、无机械损伤的猕猴桃清洗、沥干、切成1cm片状后移至加压容器装置中，根据猕猴桃的呼吸速率结果进行模型预测，并按照预测模型输入参数设置加压惰性气体氩气与氮气输出配比为1:0.5与压力为0.4Mpa，设置激光机单元微气孔大小200μm、数量2个来进行薄膜气调包装，最终可达到模型预测值的95％以上。通过加压惰性气体结合激光微气孔薄膜气调包装抑菌保鲜装置处理后在4℃条件下冷藏可延长其货架期至17天。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
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