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Verpackung und Produkthaltbarkeit

Verpackung und Produkthaltbarkeit

Vorhersagen zur Verpackung und zur Verbesserung der Haltbarkeit.

Einzeln verpackte Pulvergetränkemischungen erfreuen sich einer wachsenden Nachfrage. Für Verbraucher sind sie bequem und erschwinglich. Für Hersteller und Händler sind sie profitabel und kosten wesentlich weniger als die Herstellung von Fertiggetränken. Besonderes Augenmerk gilt hier der Verpackung. Denn neben der Getränkepulvermischung ist der zweite Hauptbestandteil dieser Produkte … die Verpackung.

Jede Einzel-Packung ist Portion: Die Verpackung macht damit mehr als 50% der Rohstoffkosten des Produktes aus. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, das Getränk unter der kritischen Wasseraktivität frei fließend über die angestrebte Haltbarkeitsdauer zu erhalten.

Zu viel Verpackung bedeutet zu wenig Gewinn.

Durch unzureichende Verpackung kann die Wasseraktivität in Lebensmitteln im Laufe der Zeit ansteigen oder abfallen. Dies führt zu physikalischen Veränderungen, Feuchtigkeitsmigration, chemischer Zersetzung und Anfälligkeit für mikrobielles Wachstum. Eine Überverpackung ist dagegen teuer und verringert den Gewinn. Für Hersteller von Pulvergetränkemischungen heißt es also die richtige Verpackung zu finden – eine die hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit weder über- noch unterdimensioniert ist.

In der Vergangenheit haben nur sehr wenige Hersteller wissenschaftliche fundierte Entscheidungen hinsichtlich ihrer Verpackung getroffen. Vielmehr haben sie einen empirischen Ansatz verwendet: Es wurden ein sogenanntes Over-Packaging betrieben, um Probleme von Anfang an zu vermeiden und nur dann Änderungen vornehmen zu müssen, wenn tatsächlich Probleme auftraten. Bei einzeln verpackten Produkten kann eine Überverpackung jedoch zu erheblichen Gewinneinbußen führen. Präzise wissenschaftliche Messungen sorgen dafür, das hinsichtlich Qualität und Kosteneinsparung die richtige Balance gefunden wird.

Das richtige Verpacken erfordert zwei Faktoren.

Die wichtigste Messgrad für eine Verpackung ist die Durchlässigkeit des Verpackungsmaterials. Hier zählt allein, wie gut sie den Feuchtigkeitsaustausch unter verschiedenen Bedingungen verhindern kann. Um die ideale Verpackung für eine gewünschte Haltbarkeitsdauer zu ermitteln, benötigen Sie daher zwei einfache Messwerte: die kritische Wasseraktivität und Durchlässigkeit des Pakets.

Schnell und einfach zur kritischen Wasseraktivität.

Ausgangspunkt der Verpackungsanalyse ist ein kritischer Wasseraktivitätswert. Traditionell war dieser Punkt schwer zu ermitteln – traditionelle Isotherm-Technologien liefern keine exakten Werte. Mit dem VAPOR SORPTION ANALYZER (VSA) der METER Group kommen sie dagegen einfach und schnell an ihr Messziel.

Der VSA ist das ideale Messgerät um Verpackungen zu optimieren. Er erzeugt eine hochauflösende Isotherme, die als Dynamic-Dewpoint-Isotherm (DDI)-Kurve bezeichnet wird. DDI-Kurven sparen Ihnen enorm viel Zeit bei der Identifizierung einer kritischen Wasseraktivität in Nahrungsmitteln und pharmazeutischen Produkten mit geringer Feuchtigkeit. Das liegt daran, dass sie die Veränderung der Sorptionseigenschaften einer Substanz verdeutlichen (siehe Abbildung 1). Diese Kurve zeigt Glasübergangspunkt für eine bestimmte Pulvergetränkemischung.

Grafik 1.Die kritische Wasseraktivität (der genaue Wendepunkt) für diese Getränkemischung beträgt 0,618 bei 25°C.

Nahrungsmittel mit höherer Feuchtigkeit benötigen möglicherweise keine DDI-Kurve, denn es ist wahrscheinlicher, dass mikrobieller Verderb die Haltbarkeitsdauer verringert. Für Produkte mit höherer Feuchte sind die kritischen Grenzen der Wasseraktivität für mikrobielles Wachstum in der Literatur zu finden (0,85 aw ist der Wert für pathogene Bakterien, unter 0,6 aw ist ein Wachstum gänzlich ausgeschlossen). Andere Faktoren, die die Haltbarkeitsdauer reduzieren und bei der Identifizierung einer kritischen Wasseraktivität berücksichtigt werden müssen, sind Texturänderungen, Lipidoxidation, Maillard-Bräunung, Vitaminverlust oder Farbverlust.

Warum die Durchlässigkeit der Verpackung wichtig ist

Die treibende Kraft für das Wasser, sich durch die Verpackung zu bewegen, ist ein Unterschied in den Wasseraktivitätsbedingungen innerhalb und außerhalb der Verpackung. Wenn es einen Unterschied innen und außen gibt, strebt Wasser danach, entweder in die Verpackung einzudringen oder diese zu verlassen.

Das Ziel der Verpackung ist es also, die Geschwindigkeit, mit der Feuchtigkeit übertragen wird, zu reduzieren. Diese Rate wird typischerweise von den Verpackungsherstellern als Wasserdampfübertragungsrate (Water Vapor Transmission Rate, WVTR) angegeben. Mithilfe der kritischen Wasseraktivität und der WVTR der Verpackung können Sie Prognosemodelle erstellen, um Kosten-Nutzen-Entscheidungen zu treffen.

Prädiktive Modelle werden oft durch eine Reihe von komplizierten Gleichungen (verfügbar in Grundlagen der Feuchtigkeitssorptions-Isothermen) durchgeführt. Wir verraten Ihnen einen einfacheren Weg: das Softwareprogramm „Moisture Analysis Toolkit“ führt diese Berechnungen automatisch für Sie durch. Geben Sie einfach die Variablen für Ihr Produkt ein und das Toolkit bestimmt die idealen Faktoren für Ihre Verpackung. Sie können auch die Analyseparameter variieren und Verpackung finden, die Ihnen den besten Return of Investment (ROI) bieten.

Prädiktive Modelle in Aktion

Wir analysieren und berechnen verschiedenen Arten von Verpackungen für eine Getränkemischung – die Originalverpackung und drei mögliche Alternativen. Dies Berechnungen haben wir unter unterschiedlichen Feuchtigkeitsbedingungen durchgeführt (25°C, 75% Luftfeuchtigkeit). In folgender Tabelle finden Sie die Ergebnisse:

Stored at 25 °CConductanceShelf Life Days
Package 114.4641.24
Package 213.2047.51
Package 313.4144.42
Original Package0.137812.90
Table 1. Packaging predictions for drink mix stored in humidity abuse conditions at 25 °C, 75% humidity

Offensichtlich hat die Originalverpackung am besten abgeschnitten. Das Ergebnis lässt jedoch zwei Fragen offen: Bedeuten 7812 Tage Haltbarkeitsdauer, dass das Getränkepulver „überverpackt“ ist? Außerdem mussten wir uns fragen, warum die Verpackung nach nur ein paar Monaten am Boden einer Sporttasche kaputt gegangen ist. Also haben wir noch einen Test gemacht und eine entscheidende Störgröße gefunden: den Umkleideraum.

Falsche Aufbewahrung durch Endverbraucher verringert die Haltbarkeit.

Im Umkleideraum eines Fitnessstudios herrschen unzulängliche Feuchtigkeitsbedingungen, die wir im Test simuliert haben: Umgebungstemperatur 40°C, Luftfeuchtigkeit 75% (obwohl viele Umkleideräume, teilweise 85 oder 90% Luftfeuchtigkeit haben). Das Ergebnis war überraschend:

Stored at 40 °CConductanceShelf Life Days
Package 118.7710.74
Package 215.5612.46
Package 313.6913.56
Original Package16.4128.01
Table 2. Packaging predictions for drink mix stored in humidity abuse conditions at 40 °C, 75% humidity

Der Sportgetränkemischung in der Originalverpackung würde im Umkleideraum-Bedingungen in weniger als einem Monat anbacken und verklumpen. Die Leitfähigkeit ist temperaturabhängig, manchmal extrem hoch, wie die Daten der Originalverpackung zeigen. ASTM-konforme Daten zur Wasserdampfdurchlässigkeit (WTVR) geben Ihnen keine Informationen über die Leitfähigkeit bei jeder Temperatur, es sei denn, Sie kennen die Testbedingungen.

Die beste Verpackung finden.

Der Getränkehersteller zahlt zu viel für eine Verpackung, die seine Kunden letztendlich trotzdem enttäuscht. Mit hochaufgelösten Isothermen des VAPOR SORPTION ANALYZERS können Sie stromlinienförmige, temperaturabhängige Wasseraktivitätsgleichungen verwenden:

  •  Bestimmen Sie die tatsächliche Dampfleitfähigkeit einer Verpackung
  •  Berechnen Sie die Zeit, bevor ein verpacktes Produkt unter verschiedenen Bedingungen eine kritische Wasseraktivität erreicht
  • Stellen Sie die Packungsleitfähigkeit fest, die Ihre Haltbarkeitsanforderungen erfüllt
  • Finden Sie die Wasseraktivität eines Produktes nach einer bestimmten Zeitspanne unter verschiedenen Bedingungen

 

Sie wollen noch mehr über kritische Wasseraktivitäten, DDI-Kurven, Verpackungspermeabilität und Vorhersagemodellierung erfahren? Dann schauen Sie sich unser Webinar „Predict Packaging Performance“ an.

Quellen und Zusatzinformationen:

American Society for Testing and Materials (ASTM). 2008. Standard test methods for water vapor transmission of materials. ASTM E 96-00. Philadelphia, PA.

Azanha, A. B., and J. A. F. Faria. “Use of mathematical models for estimating the shelf‐life of cornflakes in flexible packaging.” Packaging Technology and Science 18, no. 4 (2005): 171-178. Article link.

Carter, Brady P., and Shelly J. Schmidt. “Developments in glass transition determination in foods using moisture sorption isotherms.” Food chemistry 132, no. 4 (2012): 1693-1698. Article link.

Risbo, Jens. “The dynamics of moisture migration in packaged multi-component food systems I: shelf life predictions for a cereal–raisin system.” Journal of Food Engineering 58, no. 3 (2003): 239-246. Article link.

Kilcast, David, and Persis Subramaniam, eds. The stability and shelf-life of food. Cambridge: CRC press, 2000. Article link.

Koutsoumanis, Konstantinos, and George-John E. Nychas. “Application of a systematic experimental procedure to develop a microbial model for rapid fish shelf life predictions.” International Journal of Food Microbiology 60, no. 2 (2000): 171-184. Article link.

Del Nobile, M. A., G. G. Buonocore, S. Limbo, and P. Fava. “Shelf Life Prediction of Cereal‐based Dry Foods Packed in Moisture‐sensitive Films.” Journal of food science 68, no. 4 (2003): 1292-1300. Article link.

Labuza, T. P., and C. R. Hyman. “Moisture migration and control in multi-domain foods.” Trends in Food Science & Technology 9, no. 2 (1998): 47-55. Article link.

Wong, Ee Hua, Yong Chua Teo, and Thiam Beng Lim. “Moisture diffusion and vapour pressure modeling of IC packaging.” In Electronic Components & Technology Conference, 1998. 48th IEEE, pp. 1372-1378. IEEE, 1998. Article link.

Yuan, Xiaoda, Brady P. Carter, and Shelly J. Schmidt. “Determining the critical relative humidity at which the glassy to rubbery transition occurs in polydextrose using an automatic water vapor sorption instrument.” Journal of food science 76, no. 1 (2011). Article link.

Einfach, schnell und kosteneffizient.

Der VSA ist das erste Messgerät, das die Sorptionsisothermen automatisch und anhand dynamischer als auch statischer Methoden erstellt.

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