全 文 ：2 0 1 3 年 11 月 农 业 机 械 学 报 第 44 卷 第 11 期
doi:10． 6041 / j． issn． 1000-1298． 2013． 11． 032
高氧气调包装双孢蘑菇呼吸速率预测模型建立与试验*
刘战丽 王淑玲 王相友 王 娟 王东阳
(山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博 255049)
摘要:为实现双孢蘑菇高氧气调包装系统设计，以新鲜双孢蘑菇为材料，采用高氧气调包装方式，分别应用 Weibull
模型、Logistic模型研究双孢蘑菇高氧气调包装内 O2 和 CO2 浓度变化，对双孢蘑菇呼吸速率进行预测。结果表明，
贮藏 50 h后，高氧气调包装袋内的 O2 分压由最初 80 kPa下降到 50 kPa，对照处理袋内 O2 浓度缓慢下降，不同包装
方式袋内 CO2 浓度随贮藏时间逐渐升高，在贮藏后期，CO2 浓度逐渐趋于平缓。包装袋内的 O2、CO2 分压测定值与
预测值拟合较好。CO2 产生速率很好地反映了双孢蘑菇高氧气调包装过程中呼吸速率的变化。
关键词:双孢蘑菇 高氧气调 呼吸速率 模型
中图分类号:S609 + . 3;S646. 1 + 1 文献标识码:A 文章编号:1000-1298(2013)11-0180-05
Prediction Model of Ｒespiration Ｒate for Mushroom with
High Oxygen Modified Atmosphere Packaging
Liu Zhanli Wang Shuling Wang Xiangyou Wang Juan Wang Dongyang
(School of Agricultural and Food Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China)
Abstract:In order to design the high-oxygen modified atmosphere packaging in mushroom (Agaricus
bisporus) ，Weibull model and Logistic model were applied to study in-package O2 and CO2 concentration
and predict the respiration of mushroom． The results showed that O2 concentration in high oxygen package
decreased from initial 80 kPa to 50 kPa after 50 h，while it declined slowly in control． The CO2
concentration under both treatments increased gradually，and it reached the maximum value at the end of
storage． The predicted concentration of O2 and CO2 fitted well with the experimental value． The
respiration of mushroom under high oxygen was well described by the CO2 production rate．
Key words:Mushroom High oxygen modified atmosphere Ｒespiration rate Model
收稿日期:2012-11-23 修回日期:2012-12-26
* 国家自然科学基金资助项目(30871757)和科技部农业科技成果转化资金资助项目(2010GB2C600253)
作者简介:刘战丽，副教授，博士，主要从事农产品加工及贮藏研究，E-mail:zhanliliu2009@ yahoo． cn
通讯作者:王相友，教授，博士生导师，主要从事农产品加工及贮藏研究，E-mail:wxy@ sdut． edu． cn
引言
传统的气调包装技术一般采用低 O2(体积分数
1% ～ 5%)和高 CO2(体积分数 5% ～ 10%)来抑制
果蔬的生理代谢活动从而延缓果蔬成熟和衰老过
程，达到贮藏保鲜的目的。但是，由于新鲜果蔬的呼
吸性质，传统气调存在许多缺陷［1 ～ 3］。1996 年英国
学者 Day首次明确提出高氧(大于 70% O2)气调包
装在鲜切果蔬中的应用［4］。Jacxsens 等［1］发现高氧
可以有效抑制双孢蘑菇片的褐变。高氧气调包装的
双孢蘑菇片可以贮藏 6 d，而低氧包装的蘑菇片 3 d
就失去商业价值。Day［5］用 80% O2 和 20% N2 包
装蘑菇片，货架期可以达到 12 d，而低氧包装货架期
只有 2 d。刘战丽等的研究［6］也发现，高氧处理有效
保持了双孢蘑菇的品质。高氧气调包装对果蔬呼吸
速率是促进、无作用或抑制，取决于果蔬的品种、成
熟度，O2 的浓度，贮藏的温度和时间，CO2 和 C2H4
的浓度等因素的影响［7］。
已报道的呼吸模型大多数都是基于有氧条件下
米氏酶动力学模型建立的［8 ～ 13］。这些模型能够被
用于稳态的条件下或者是贮存初期的非稳态条件
下。Oms-Oliu 等［14］利用 Weibull 和 Logistic 模型模
拟鲜切柠檬不同气调包装环境袋内 O2 和 CO2 浓
度，并取得了很好的效果。然而，国内非稳态条件下
双孢蘑菇高氧气调包装的呼吸速率模型研究较少。
本文对双孢蘑菇贮藏过程中袋内的 O2 和 CO2
浓度的变化进行建模，目的是预测高氧气调包装双
孢蘑菇贮藏过程中的呼吸速率，从而为双孢蘑菇的
高氧气调包装的应用提供理论和技术依据。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
双孢蘑菇采自山东省淄博市淄河镇。将双孢蘑
菇进行分拣，挑选菇体完整、颜色洁白、菇盖未开伞、
子实体大小基本一致(直径 40 ～ 50 mm)、无病虫害
和无机械伤的双孢蘑菇进行试验。包装材料为低密
度聚乙烯(LDPE)膜，自封袋，厚度为 0. 02 mm，规格
为 20 cm × 15 cm［15］。先在薄膜袋表面贴一防漏隔
膜垫片，每袋装入 120 g 双孢蘑菇，用真空泵抽真空
后，再用注射器分别注入 500 mL 空气(对照)以及
80 kPa O2 和 20 kPa CO2(高氧包装) ，于 10℃贮藏。
1. 2 测算分析方法
1. 2. 1 薄膜透气系数小袋法测算
计算公式为［16 ～ 17］
P =
V0L
PaAΔt
ln
y0 － ya
yt － ya
式中 P———薄膜透气系数，m3·m/(m2·s·Pa)
Pa———环境大气压力，Pa
V0———薄膜袋内初始气体体积，m
3
L———薄膜厚度，m
A———薄膜袋表面积，m2
Δt———测试间隔时间，s
ya———环境中的气体体积分数，%
y0———薄膜袋内气体的初始体积分数，%
yt———时间 t后薄膜袋内气体体积分数，%
在预先密封的薄膜小袋中采用玻璃注射器(容
量 100 mL)从封垫片位置注入 500 mL 纯 O2 或 CO2
气体，4 h后用气相色谱仪测定气体体积分数计算薄
膜的 O2 或 CO2 的透气系数，重复 3 次。
1. 2. 2 气相色谱分析
气样分析采用 GC-9800TFP 型专用气相色谱仪
(上海科创色谱仪器有限公司)。色谱柱为GDX-104
和 5A分子筛联合柱。载气为氮气，柱温为 50℃，气化
室热温度为160℃，热导检测器温度为110℃。
1. 2. 3 数学模型
Weibull模型和 Logistic 模型［14］分别用于模拟
包装袋内 O2 和 CO2 浓度的变化，Weibull模型为
nO2(t)= nO2(i)e
(－ t )τ β (1)
式中 nO2(i)表示包装内 O2 模型中 O2 的浓度与时间 t
的函数关系，在时间 t 为零时，用 nO2(t)表示。τ(单
位:h)是比例因子，β 是一个常数，它们共同决定了
比例函数的形状。
Logistic模型为
nCO2(t)=
Amax
1 + ek(t1 /2 － t)
(2)
式中 nCO2(t)表示包装内 CO2 模型中 CO2 的浓度与时
间 t的函数关系，Amax是包装内 CO2 浓度的最大值，k
是累计速度，t1 /2是达到包装内 CO2 浓度最大值的
1 /2 时所需时间，也就是拐点。呼吸速率，是用包装
内 O2 和 CO2 浓度的最大平衡来累积的，公式为
ＲO2 [= － d nO2(t)dt + SPO2(yeO2 － yO2(t) ]) m (3)
ＲCO2 [= － d nCO2(t)dt + SPCO2(yeCO2 － yCO2(t) ]) m
(4)
式中 ＲO2———O2 的消耗速率，mol /(kg·d)
ＲCO2———CO2 的产生速率，mol /(kg·d)
nO2(t)———包装内 O2 在时间 t 时物质的量，
mol
nCO2(t)———包装内 CO2 在时间 t时物质的量，
mol
S———包装内表面的区域面积，m2
PO2———O2 的薄膜透气率，mol /(m
2·d·kPa)
PCO2———CO2 的薄膜透气率，mol /(m
2·d·kPa)
yO2(t)———包装内顶部的 O2 在时间 t 时的分
压，kPa
yCO2(t)———包装内顶部的 CO2 在时间 t 时的
分压，kPa
yeO2———外部 O2 在时间 t时的分压，kPa
yeCO2———外部 CO2 在时间 t时的分压，kPa
m———质量，kg
在一定时间间隔 t 内，薄膜袋中气体浓度的瞬
时变化量可以通过累积计算，使式(3)和 (4)达到
平衡来表示，即
dnO2(t)
dt = nO2(t)e
(－ t )τ [β － (βτ t )τ β ]－ 1 (5)
d nCO2(t)
dt =
Amax
1 + e［k(t1 /2 － t) ］2
［－ kek(t1 /2 － t)］ (6)
1. 2. 4 统计分析
试验数据使用 Matlab 7. 1 软件进行非线性拟合
得到拟合曲线。
181第 11 期 刘战丽 等:高氧气调包装双孢蘑菇呼吸速率预测模型建立与试验
2 结果与分析
2. 1 包装袋中 O2 和 CO2 浓度
图 1 显示 2 种包装方式下包装袋内 O2 分压的
变化。从图中可以看出，高氧气调包装袋内 O2 浓度
下降较快，贮藏 50 h 以后，包装袋内的 O2 压强由最
初 80 kPa下降到 50 kPa 以下。对照处理包装袋内
O2 浓度则缓慢下降。图 2 显示 2 种包装方式袋内
CO2 分压随贮藏时间变化，变化趋势符合 Logistic 公
式。从图 2 可以看出，袋内 CO2 浓度随贮藏时间逐
渐升高，在贮藏后期，CO2 浓度逐渐趋于平缓。比较
2 种包装袋内 O2 和 CO2 分压不同贮藏时间的测定
值和模型预测值(图 3 和图 4) ，可以看出存在较好
的拟合性。
图 1 2 种气调包装下包装袋内 O2 分压变化
Fig． 1 Changes of O2 concentrations in two packaging bags
图 2 2 种气调包装下包装袋内 CO2 分压变化
Fig． 2 Changes of CO2 concentrations in two packaging bags
图 3 2种气调包装下包装袋内 O2 分压实测值和预测值
Fig． 3 Experimental and predicted concentration for O2
in two packaging bags
通过测定不同贮藏时间包装袋内 O2 和 CO2 浓
度变化，采用非线性回归分析方法，计算 Weibull 模
图 4 2 种气调包装下包装袋内 CO2 分压
实测值和预测值
Fig． 4 Experimental and predicted concentration for CO2
in two packaging bags
型和 Logistic 模型的参数，如表 1 和表 2 所示。
Weibull模型对 O2 浓度拟合较好，Ｒ
2在 0. 978 7 ～
0. 987 2 之间。Weibull模型中参数 τ和 β 在不同气
调包装方式下差异显著(P ＜ 0. 05)。在本试验中，
与对照处理比较，高氧气调包装中 τ值较高。另外，
β值决定了曲线的形状。Logistic 模型对 CO2 浓度
拟合较好，Ｒ2在 0. 976 1 ～ 0. 989 5 之间。
表 1 双孢菇包装内顶部 O2 浓度Weibull函数的
动力学常数
Tab． 1 Kinetic constants of Weibull distribution function
for headspace O2 concentration
气体 nO2(i)/kPa τ /h β Ｒ2
对照 21 55. 63 0. 758 4 0. 978 7
高氧 80 96. 33 0. 627 6 0. 987 2
表 2 双孢菇包装内顶部 CO2 浓度 Logistic函数的
动力学常数
Tab． 2 Kinetic constants of Logistic function for
headspace CO2 concentration
气体 Amax /kPa k /h t1 /2 /h Ｒ2
对照 17. 0 0. 029 78 67. 64 0. 976 1
高氧 12. 2 0. 037 85 62. 60 0. 989 5
2. 2 不同气调包装方式下双孢蘑菇呼吸速率
图 5 显示了不同气调包装方式下双孢蘑菇氧气
消耗速率变化。在贮藏初期，高氧气调包装双孢蘑
菇氧气消耗速率较高，之后，高氧气调呼吸速率下
降，与对照比较，呼吸速率较低。这可能与包装袋内
O2 浓度的变化有关系。在贮藏后期，对照空气包装
袋内 O2 浓度非常低，这可能导致无氧呼吸，使双孢
蘑菇呼吸速率升高。而高氧处理此时 O2 浓度低于
10%，呼吸速率受到抑制。
图 6 显示了不同气调包装下双孢蘑菇 CO2 产
生速率的变化。其值与包装袋内 CO2 紧密相关。
随着贮藏过程时间的延长，双孢蘑菇 CO2 产生速率
逐渐升高，最后到达最大值。高氧气调处理的双孢
281 农 业 机 械 学 报 2 0 1 3 年
图 5 2 种气调包装下双孢蘑菇 O2 消耗速率预测结果
Fig． 5 Prediction of O2 consumption rates in two
packaging bags
蘑菇 CO2 产生速率显著低于(P ＜ 0. 05)对照处理。
这说明，CO2 产生速率很好地反映了双孢蘑菇气调
包装过程中的呼吸速率，高氧气调包装抑制了双孢
蘑菇贮藏过程的呼吸速率。这一结论与高氧处理对
蓝莓［18］、冬枣［19］果实呼吸速率的研究结果一致。
而高氧促进了采后香蕉果实呼吸作用的增强［20］。
高氧抑制果实呼吸可能与 pH 值的波动有关。虽然
不少学者提出一些关于高氧处理影响呼吸作用的机
理，如 Srilaong等［21］认为高氧可能抑制了 TCA 循环
中琥珀酸脱氢酶(SDH)活性，抑制琥珀酸向延胡索
酸的转化，进而对呼吸起抑制作用;Yip 和 Yang［22］
认为当氧浓度超过呼吸链末端氧化酶饱和浓度时，
O2 对呼吸速率起负反馈抑制作用。高氧抑制呼吸
作用的机理尚需要进一步研究。
图 6 2 种气调包装下双孢蘑菇 CO2 产生速率预测结果
Fig． 6 Prediction of CO2 production rates in two
packaging bags
3 结论
(1)对 2 种包装方式包装袋内的 O2 和 CO2 浓
度进行分析，并采用非线性回归方法分别应用
Weibull模型、Logistic模型进行浓度预测，获得模型
的参数。Weibull 模型对包装袋内 O2 浓度拟合较
好，Ｒ2在 0. 978 7 ～ 0. 987 2 之间。Logistic 模型对包
装袋内 CO2 浓度拟合较好，Ｒ
2在 0. 976 1 ～ 0. 989 5
之间。
(2)根据模型对包装袋内双孢蘑菇呼吸速率进
行计算分析，CO2 产生速率较好地表示了高氧气调
包装的呼吸速率。高氧气调处理的双孢蘑菇 CO2
产生速率显著低于(P ＜ 0. 05)对照处理。高氧气调
包装抑制了双孢蘑菇贮藏过程的呼吸速率。
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