改良气调包装系统中气体质量传递的二维数值模型构建及其在食品保鲜中的应用研究

本研究针对食品包装系统中气体传递过程的复杂性，开发了基于O2/CO2传递的二维数值模型，通过奶酪包装案例验证了模型对顶空气体成分演变的预测能力。研究发现食品/托盘界面气体渗透对系统动态的显著影响，并通过Morris全局敏感性分析量化了关键传递参数（如托盘渗透性、食品溶解性等）的调控作用，为优化食品包装设计提供了理论依据。该成果发表于《Journal of Food Engineering》，为延长食品货架期提供了精准建模工具。

　　

在食品工业领域，如何精准预测包装内气体成分演变是延长产品货架期的关键科学问题。传统的一维模型难以准确描述液体或注射型食品与包装材料的复杂界面传质过程，特别是当食品与托盘接触面积较大时，气体通过食品/托盘界面的渗透效应会显著影响顶空成分。这种认知局限导致包装设计存在偏差，可能造成食品过早变质或资源浪费。

法国蒙彼利埃大学的研究团队在《Journal of Food Engineering》发表研究，构建了首个针对改良气调包装(MAP)系统的二维轴对称数值模型。该模型创新性地整合了食品-托盘界面的双向传质过程，通过奶酪包装案例验证了其对O₂/CO₂浓度变化的预测精度，并采用Morris方法进行全局敏感性分析，量化了21个传质参数的相对重要性。

研究团队主要运用了三种关键技术：1）基于有限元法的COMSOL Multiphysics二维建模，采用自适应三角网格捕捉界面传质细节；2）氧气透过率(OTR)测定技术，通过库仑法传感器量化聚丙烯托盘的渗透特性；3）Morris轨迹采样法，通过2200次模型运算识别关键敏感参数。

模型验证与比较
通过对比空包装和装填奶酪包装的实验数据，二维模型准确再现了O₂上升和CO₂下降的双阶段动态。模拟显示：前10天食品中CO₂浓度梯度达6.3 mol·m^-3（界面）至0.02 mol·m^-3（底部），证实了溶解效应的主导作用。

几何简化影响
与1D模型相比，2D模型对83天时O₂浓度的预测误差降低50%（11.9% vs 5.8%）。当忽略食品-托盘界面传质时，CO₂预测值偏差达128%，证明二维建模对注射型食品的必要性。

敏感性分析
Morris分析揭示参数影响力随时间演变：食品溶解性主导早期（<7天），而托盘渗透性决定长期动态。CO₂渗透性(P_CO2)对60天顶空成分影响最大（EE*=1.8），其与溶解度的协同效应（σ/μ≈1）表明存在非线性相互作用。

该研究确立了二维建模在食品包装设计中的不可替代性，特别是对于高界面接触的注射型食品。通过识别P_O2、E_a(P_CO2)等关键参数，为材料筛选提供了量化依据。研究提出的"几何简化决策树"（基于界面面积比）可指导工业实践，平衡计算成本与预测精度。这些发现对开发"恰到好处"的可持续包装具有重要指导价值，未来可扩展至更多食品-包装组合的系统研究。