Ohne eine genaue, produktspezifische Haltbarkeitsdauer könnten Sie ein abgelaufenes Produkt entsorgen, das noch gut ist. Oder ein nicht abgelaufenes Produkt verkaufen, das eigentlich schlecht ist. Sie könnten zu viel für Verpackungen bezahlen, die Ihrem Produkt nicht helfen. Oder Sie verzichten auf eine deutlich längere Haltbarkeitsdauer, die Sie mit einer besseren Verpackung erzielen könnten. Der Punkt ist, dass Sie es nicht genau wissen, weil Sie im Dunkeln tappen.

Warum führen die Menschen nicht mehr Haltbarkeitstests durch?

Sie könnten zu viel für Verpackungen bezahlen, die Ihrem Produkt nicht helfen.

Umfassende Haltbarkeitstests

In der Regel liegt das daran, dass ein echter, umfassender Haltbarkeitstest eine gewaltige Aufgabe ist. Dabei spielen komplexe Zusammenhänge zwischen Feuchtigkeit, Temperatur und Produktversagensarten eine Rolle.

Es gibt viele Faktoren, die Ihr Produkt unsicher oder ungenießbar machen können – Schimmel, mikrobielles Wachstum, Ranzigkeit, Veränderungen in Textur oder Geschmack, Vitaminabbau. Die meisten Menschen verfügen nicht über das Fachwissen, um umfassende Haltbarkeitstests intern durchzuführen, und die Beauftragung eines externen Labors ist kostspielig.

Es gibt eine wissenschaftlich fundierte Alternative zu dieser Art von Haltbarkeitstests. Es handelt sich um die Haltbarkeit, vereinfacht durch Wasseraktivität. Sie liefert alle Daten, die Sie benötigen, um die Haltbarkeit Ihres Produkts anhand eines Experiments vorherzusagen, das sich jeder, selbst ein kleines Start-up-Unternehmen, leisten kann.

Haltbarkeit und Wasseraktivität

Wie vereinfacht die Wasseraktivität die Haltbarkeit?

1. Es beseitigt Ablenkungen. Wenn Sie die Wasseraktivität Ihres Produkts kennen, wissen Sie, welche Fehlermodi für dieses Produkt ein Problem darstellen.
2. Es vereinfacht die Vorhersage. Sie können Ihr Wasseraktivitätsmessgerät zusammen mit einer weiteren Messmethode (die von Ihrem jeweiligen Fehlermodus abhängt) verwenden, um ein einfaches internes Experiment durchzuführen, mit dem Sie die Haltbarkeit genau vorhersagen können.
3. Es standardisiert die Produktion. Sie können eine Wasseraktivitätsspezifikation festlegen, mit der Sie bei jeder Charge eine optimale Haltbarkeit erzielen.

Ihre Haltbarkeitsdaten können wertvolle Erkenntnisse liefern, die Ihnen helfen, Produktfehler zu vermeiden, die Haltbarkeit vorherzusagen und zu verlängern, die kostengünstigste Verpackung auszuwählen und vieles mehr.

AQUALAB 3. Eine genaue Messung der Wasseraktivität Ihres Produkts kann Ihnen helfen, die Haltbarkeit genauer vorherzusagen.

Wie lässt sich anhand der Wasseraktivität die Haltbarkeit vorhersagen?

Die Wasseraktivität ist ein wichtiges Mittel zur Vorhersage und Kontrolle der Haltbarkeit von Lebensmitteln. Die Haltbarkeit ist der Zeitraum, in dem ein Produkt sicher bleibt, die gewünschten sensorischen, chemischen, physikalischen und mikrobiologischen Eigenschaften beibehält und den Nährwertangaben entspricht. Viele Faktoren beeinflussen die Haltbarkeit, darunter die Wasseraktivität, der pH-Wert, das Redoxpotenzial, der Sauerstoffgehalt, die Verwendung von Konservierungsstoffen sowie die Verarbeitungs- und Lagerbedingungen. Durch die Messung und Kontrolle der Wasseraktivität von Lebensmitteln und Arzneimitteln ist es möglich:

• Vorhersagen, welche Mikroorganismen potenzielle Ursachen für Verderb und Infektionen sind
• Die chemische Stabilität von Lebensmitteln erhalten
• Minimierung nicht-enzymatischer Bräunungsreaktionen und spontaner autokatalytischer Lipidoxidationsreaktionen
• Die Aktivität von Enzymen steuern
• Nährstoffe und Vitamine in Lebensmitteln länger haltbar machen
• Optimierung der physikalischen Eigenschaften von Lebensmitteln

Faktoren, die die Haltbarkeit beenden

Es gibt drei Hauptfaktoren, die die Haltbarkeit beeinflussen: mikrobielle Eigenschaften, chemische Veränderungen und physikalischer Verderb. Alle diese Faktoren stehen in Zusammenhang mit der Wasseraktivität.

Mikrobielles Wachstum

Schimmel und mikrobielles Wachstum sind die gefährlichsten Bedrohungen für die Haltbarkeit. Durch die Kontrolle der Wasseraktivität kann das mikrobielle Wachstum gehemmt oder verhindert, die Haltbarkeit verlängert und die sichere Lagerung einiger Produkte ohne Kühlung ermöglicht werden. Anhand klar definierter Tabellen können Sie einen Grenzwert für die Wasseraktivität Ihres Produkts festlegen und diesen bei Haltbarkeitstests verwenden.

Tabelle 1. Wachstumsgrenzen der Wasseraktivität für viele gängige Mikroorganismen

Aber wie können Sie dieses Wissen bei der Rezeptur, Spezifikation, Produktion und Verpackung zu Ihrem Vorteil nutzen? Sehen Sie sich unser aktuelles Webinar an und erfahren Sie mehr:

• Wie die Wasseraktivität das mikrobielle Wachstum vorhersagt
• Wie Sie die für Ihre Branche relevanten AW-Grenzwerte für bestimmte Organismen bei der Festlegung Ihrer Spezifikationen verwenden
• Wie man verschiedene Formulierungstechniken (einschließlich Feuchthaltemittel, Filme, Beschichtungen) einsetzt, um die gewünschte Wasseraktivität zu erreichen.
• Warum Sie die Hürden-Technologie in Betracht ziehen sollten, um bestimmte Herausforderungen zu bewältigen

Chemischer Abbau

Die Wasseraktivität beeinflusst die Geschwindigkeit chemischer Zersetzungsreaktionen, da Wasser als Lösungsmittel wirkt, selbst als Reaktionspartner auftreten kann oder durch seine Viskosität die Beweglichkeit der Reaktionspartner verändert. Beispielsweise nehmen nicht-enzymatische Bräunungsreaktionen mit steigender Wasseraktivität bis zu einem Maximum bei 0,6 bis 0,7 aw zu, und die Lipidoxidation wird von etwa 0,2 bis 0,3 aw minimiert. Die optimale chemische Stabilität liegt im Allgemeinen in der Nähe des Feuchtigkeitsgehalts der Monoschicht, wie aus Feuchtigkeitssorptionsisothermen ermittelt.

Abbildung 1. Die Stabilität und Reaktionen in einem Produkt lassen sich anhand der Wasseraktivität vorhersagen.

Physische Verschlechterung

Umgebungen mit hoher und (seltener) niedriger Luftfeuchtigkeit können die Wasseraktivität eines Produkts beeinflussen und zu unerwünschten Veränderungen der Textur oder der physikalischen Eigenschaften des Produkts führen sowie dessen Haltbarkeit verkürzen. Zu den Problemen zählen der Verlust der Knusprigkeit bei trockenen Produkten, das Verklumpen und Verbacken von Pulvern sowie die Zähigkeit oder Kaubarkeit bei feuchten Produkten. Die Ermittlung der kritischen Wasseraktivität für Ihr Produkt kann einige Nachforschungen erfordern, aber die Wasseraktivität macht dies wesentlich einfacher.

Die Kenntnis der optimalen Wasseraktivität Ihrer Produkte kann unerwünschte Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des Produkts wie Verklumpungen und Verbackungen verhindern.

Verpackung, Versand und Lagerung

Veränderungen der Wasseraktivität während des Transports und der Lagerung können die Haltbarkeit erheblich beeinflussen. Die Wasseraktivität ist eine Funktion der Temperatur, und Transport- und Lagertemperaturen können die Wasseraktivität im Inneren der Verpackung beeinflussen. Vereinfachte Haltbarkeitstests können Ihnen dabei helfen, die beste Verpackung zu ermitteln und die Auswirkungen der Transport- und Lagerbedingungen auf die Haltbarkeit Ihres Produkts zu bewerten.

Starten Sie mit vereinfachten Tests

Informationen zur Maximierung der Haltbarkeit finden sich in der Lebensmittelwissenschaftsliteratur, aber es kann schwierig sein, Schritt-für-Schritt-Anleitungen zu finden. Bei der Entwicklung eines Plans zur Prüfung der Haltbarkeit Ihres speziellen Produkts sind nur wenige Dinge zu beachten.

Versuchen Sie NICHT, alles zu analysieren.

Es gibt viele Faktoren, die die Haltbarkeit beeinflussen, aber die größten Auswirkungen haben die Wasseraktivität und die Temperatur. Beginnen Sie damit, diese beiden Faktoren zu kontrollieren.

Wie wird die Wasseraktivität gemessen?

Lebensmittelhersteller messen die Wasseraktivität im Labor und in der Produktion mit Wasseraktivitätsmessgeräten. Messen Sie die Wasseraktivität (aw) in maximal 5 Minuten (durchschnittliche Messzeit: 2,5 Minuten) mit einer Genauigkeit von ±0,003 aw. AQUALAB-Geräte sind die schnellsten und präzisesten Wasseraktivitätsmessgeräte auf dem Markt. Sehen Sie sich das Video an, um zu erfahren, wie sie funktionieren.

Bestimmen Sie die wahrscheinlichsten Ausfallmodi.

Die Haltbarkeit eines Produkts wird in der Regel nur durch ein oder zwei Fehlermodi beeinflusst. Beispielsweise wird die Haltbarkeit von Kartoffelchips häufig durch Geschmacksveränderungen aufgrund von Lipidoxidation beeinträchtigt. Vereinfachte Haltbarkeitstests sollten zunächst mit der Verfolgung der Lipidoxidation bei verschiedenen Wasseraktivitäten und Temperaturen beginnen. Sobald die Auswirkungen der Lipidoxidation berücksichtigt wurden, können Sie andere potenziell einschränkende Faktoren wie die Textur untersuchen.

Die grundlegenden Schritte zur Bestimmung der Haltbarkeit

Grundlegende Schritte zur Haltbarkeitsprüfung anhand der Wasseraktivität.

Wenn Sie diese Schritte in einem detaillierten Flussdiagramm darstellen würden, würde es wie folgt aussehen (siehe größeres Bild hier):

Abbildung 2: Ablaufdiagramm für Haltbarkeitstests

Wählen Sie das richtige Paket

Sobald Sie den idealen Wasseraktivitätsbereich für Ihr Produkt ermittelt haben, ist es an der Zeit, sich Gedanken über die Verpackung zu machen. Der wichtigste Faktor, der bestimmt, wie sich die Wasseraktivität Ihres Produkts im Laufe der Zeit entwickelt, ist die Durchlässigkeit des Verpackungsmaterials – also wie gut es unter verschiedenen Bedingungen den Feuchtigkeitstransfer verhindern kann (siehe Wong et al. 1999). Um die richtige Verpackung für eine gewünschte Haltbarkeitsdauer zu ermitteln, benötigen Sie zwei einfache Messgrößen: die Durchlässigkeit der Verpackung und die kritische Wasseraktivität.

Finden Sie Ihren WVTR

Die treibende Kraft für die Wasserbewegung durch die Verpackung ist ein Unterschied in den Wasseraktivitätsbedingungen innerhalb und außerhalb der Verpackung. Hersteller verwenden Verpackungen, um die Geschwindigkeit zu steuern, mit der dieses Wasser wandert. Feuchtigkeit wird durch die Verpackung mit einer Geschwindigkeit übertragen, die als Wasserdampfdurchlässigkeitsrate (WVTR) angegeben wird. Sie können die WVTR in mathematischen Modellen verwenden, um die optimale Verpackung für die gewünschte Haltbarkeit zu bestimmen.

Identifizieren Sie Ihren kritischen Wasseraktivitätsbereich

Eines der Hauptziele von Haltbarkeitstests ist es, den optimalen Wasseraktivitätsbereich für Ihr Produkt zu ermitteln. Dabei kann es sich um eine kritische Wasseraktivität handeln, deren Überschreitung sofort zu Sicherheits- oder Texturproblemen führt, die die Haltbarkeit beeinträchtigen. Oder es kann sich um den „idealen Feuchtigkeitsgehalt“ handeln, der den Gewinn maximiert und potenzielle Probleme hinsichtlich Geschmack, Textur und Sicherheit beseitigt.

Wenn physikalische Veränderungen die Hauptursache für den Ausfall Ihres Produkts sind, kann eine dynamische Taupunkt-Isothermenkurve (DDI-Kurve) möglicherweise die kritische Wasseraktivität identifizieren. Eine DDI-Kurve misst die Veränderung der Sorptionseigenschaften einer Probe, während diese Wasser adsorbiert und desorbiert (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3. Zusammenhang zwischen Texturveränderungen und der Isotherme von sprühgetrocknetem Milchpulver.

DDI-Kurven können viel Zeit bei der Ermittlung einer kritischen Wasseraktivität sparen. Sie können diese erhalten, indem Sie eine Probe Ihres Produkts an AQUALAB Lab Services senden oder indem Sie den VAPOR SORPTION ANALYZER verwenden, um Ihre eigenen DDI-Kurven zu erstellen.

Wenn mikrobieller Verderb der Faktor ist, der Ihre Haltbarkeit einschränkt, können Sie anhand von wissenschaftlich fundierten Grenzwerten eine kritische Wasseraktivität oder einen kritischen Wasseraktivitätsbereich ermitteln. Viele relevante Mikroorganismen sind in dieser Tabelle aufgeführt, die den Zusammenhang zwischen Wasseraktivität und mikrobiellem Wachstum zeigt.

Wenn chemische Faktoren wie Lipidoxidation, Maillard-Bräunung oder Vitaminverlust die Hauptursache für den Qualitätsverlust Ihres Produkts sind, müssen Sie etwas mehr Aufwand betreiben. Die Wasseraktivität steht mit vielen dieser chemischen Reaktionen in Zusammenhang, aber Sie müssen experimentieren, um herauszufinden, wie dieser Zusammenhang bei Ihrem speziellen Produkt aussieht.

Verpackung für eine erfolgreiche Haltbarkeit

Sobald die Durchlässigkeit der Verpackung und die kritische Wasseraktivität bekannt sind, können diese Werte für die Erstellung von Vorhersagemodellen verwendet werden.

Vorhersagemodelle werden oft anhand einer Reihe komplizierter Gleichungen erstellt (siehe Abschnitt „Weitere Ressourcen“), aber es gibt auch einen einfacheren Weg. Die Software MOISTURE ANALYSIS TOOLKIT übernimmt diese Berechnungen für Sie. Das Toolkit verwendet diese grundlegenden Eingaben, um die Haltbarkeit zu bestimmen, ideale Verpackungsspezifikationen festzulegen und Ihnen sogar die Möglichkeit zu geben, die Analyseparameter zu variieren, um verschiedene Verpackungsoptionen zu prüfen.

Ein tiefer Einblick in Arten des Scheiterns und mehr

Möchten Sie mehr erfahren? Nachstehend finden Sie eine umfassende, detaillierte Anleitung zu den Schritten im oben dargestellten vereinfachten Flussdiagramm zur Haltbarkeit (Abbildung 2). Öffnen Sie die Registerkarten, um mehr über die einzelnen Themen zu erfahren.

WEITERE Informationen zur Haltbarkeit

In diesem 30-minütigen Webinar sprechen die Lebensmittelwissenschaftler Mary Galloway und Zachary Cartwright darüber, wie Sie Antworten auf Ihre Fragen zur Haltbarkeit erhalten. Erfahren Sie, wie Sie:

• Beheben Sie Probleme und Beschwerden, um herauszufinden, warum die Haltbarkeit früher als erwartet endet.
• Prognostizieren Sie, wie sich Rezepturänderungen auf die Haltbarkeit auswirken werden.
• Vergleichen Sie die Wirkung verschiedener Inhaltsstoffoptionen
• Bewerten Sie, ob eine bestimmte Verpackungsoption Ihnen dabei hilft, die Haltbarkeit zu erreichen oder zu verbessern.

Warum AQUALAB 4TE andere Wasseraktivitätsmessgeräte übertrifft

Das AQUALAB 4TE schließt eine Probe in einem versiegelten Behälter ein, und die relative Luftfeuchtigkeit im Kopfraum gleicht sich mit der Wasseraktivität der Probe aus. Im Gleichgewicht sind beide Werte gleich, und wir können die relative Luftfeuchtigkeit im Kopfraum messen, um die Wasseraktivität der Probe zu ermitteln. Dies ist die zuverlässigste Antwort auf die Frage, wie die Wasseraktivität gemessen werden kann.

Sekundäre Methoden: Hygrometer, Kapazitätssensoren

Wie frühe Wasseraktivitätsmesser verwenden auch die meisten modernen Geräte elektrische Kapazitäts- oder Widerstandshygrometersensoren, um die Feuchtigkeit im Kopfraum über der Probe zu messen.

Diese Messgeräte verwenden sekundäre Methoden: Sie setzen ein elektrisches Signal in Beziehung zur relativen Luftfeuchtigkeit und müssen mit bekannten Salzstandards kalibriert werden.

Bei diesen Sensoren entspricht die ERH nur dann der Wasseraktivität der Probe, wenn die Temperatur der Probe und des Sensors identisch sind. Für genaue Messungen ist eine gute Temperaturkontrolle oder -messung erforderlich. Kapazitätssensoren sind einfach aufgebaut und werden häufig in relativ kostengünstigen Wasseraktivitätsmessgeräten verwendet.

Die 4TE-Taupunktmethode ist eine primäre Methode.

Die besten Methoden zur Beantwortung der Frage, wie die Wasseraktivität gemessen werden kann, sind Primärmethoden, die das Verhältnis p/p0 verwenden.

P0 (der Sättigungsdampfdruck) hängt nur von der Temperatur der Probe ab (wie in der beigefügten Grafik dargestellt), sodass es möglich ist, p0 durch Messung der Temperatur der Probe zu bestimmen. P (der Dampfdruck des Wassers in der Probe) kann durch Messung des Dampfdrucks von Wasser im versiegelten Kopfraum über der Probe gemessen werden. Die genaueste Methode zur Messung dieses Dampfdrucks, die auf den Grundprinzipien basiert, ist die Messung des Taupunkts der Luft.

Abbildung 15. Es ist möglich, den Sättigungsdampfdruck durch Messung der Temperatur der Probe zu bestimmen (der Sättigungsdampfdruck ist temperaturabhängig).

Primäre Methode bedeutet direkte Messung, keine Kalibrierung

Die Hauptvorteile der Taupunktmethode (oder gekühlten Spiegel-Taupunktmethode) sind Geschwindigkeit und Genauigkeit. Der gekühlte Spiegel-Taupunktsensor ist eine primäre Messmethode, die auf grundlegenden thermodynamischen Prinzipien basiert. Gekühlte Spiegel-Wasseraktivitätsmesser führen hochgenaue Messungen (±0,003 aw) durch, in der Regel in etwa 5 Minuten. Da die Messung auf der Temperaturbestimmung basiert, ist keine Kalibrierung erforderlich. Benutzer sollten eine Standard-Salzlösung messen, um die ordnungsgemäße Funktion des Geräts zu überprüfen. Bei einigen Anwendungen ermöglicht die Geschwindigkeit dieser Methode den Herstellern eine At-Line-Überwachung der Wasseraktivität eines Produkts.

Zusätzliche Ressourcen

ASTM International. ASTM E96-00 Standardtestmethoden für die Wasserdampfdurchlässigkeit von Materialien. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2000.

Azanha, A.B., und Faria J. A. F. „Verwendung mathematischer Modelle zur Schätzung der Haltbarkeit von Cornflakes in flexiblen Verpackungen.“ Verpackungstechnologie und -wissenschaft 18, Nr. 4 (2005): 171-178.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Campbell, G.S. und Carter, A.H. 2015. Die kritische Wasseraktivität aus dynamischen Taupunktisothermen als Indikator für die Stabilität von Vormischpulvern. Journal of Food Measurement and Characterization. 9(4):479-486.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Campbell, G.S. und Carter, A.H. 2015. Die kritische Wasseraktivität aus dynamischen Taupunktisothermen als Indikator für die Knusprigkeit von Keksen mit geringem Feuchtigkeitsgehalt. Journal of Food Measurement and Characterization 9(3):463-470.

Carter, B. P. und Schmidt, S. J. „Entwicklungen bei der Bestimmung des Glasübergangs in Lebensmitteln unter Verwendung von Feuchtigkeitssorptionsisothermen.“ Food Chemistry 132, Nr. 4 (2012): 1693–1698.

Risbo, J. „Die Dynamik der Feuchtigkeitswanderung in verpackten Mehrkomponenten-Lebensmittelsystemen I: Vorhersagen zur Haltbarkeit eines Getreide-Rosinen-Systems.“ Journal of Food Engineering 58, Nr. 3 (2003): 239–246.

Die Stabilität und Haltbarkeit von Lebensmitteln, herausgegeben von David Kilcast und Persis Subramaniam. Woodhead Publishing, 2000.

Koutsoumanis, Konstantinos und George-John E. Nychas. „Anwendung eines systematischen experimentellen Verfahrens zur Entwicklung eines mikrobiellen Modells für schnelle Vorhersagen zur Haltbarkeit von Fisch.“ International Journal of Food Microbiology 60, Nr. 2-3 (2000): 171-84. doi:10.1016/s0168-1605(00)00309-3.

Del Nobile, M. A., Buonocore, G. G., Limbo, S. und Fava, P. „Vorhersage der Haltbarkeit von Trockenlebensmitteln auf Getreidebasis, die in feuchtigkeitsempfindlichen Folien verpackt sind“. Journal of Food Science 68, Nr. 4 (2003): 1292–1300.

Labuza, T.P., und Hyman, C. R. „Feuchtigkeitsmigration und -kontrolle in Lebensmitteln mit mehreren Domänen.“ Trends in Food Science & Technology 9, Nr. 2 (1998) 47-55.

Wong, Ee Hua, Teo, Y. C. und Lim, T. B. „Moisture Diffusion and Vapor Pressure Modeling of IC Packaging” (Feuchtigkeitsdiffusion und Dampfdruckmodellierung bei IC-Gehäusen). Vortrag auf der jährlichen Konferenz für elektronische Bauteile und Technologie, Seattle, WA, 25. bis 28. Mai 1998.

Yuan, X., Carter, B. P. und Schmidt, S. J. „Bestimmung der kritischen relativen Luftfeuchtigkeit, bei der der Übergang von glasartig zu gummiartig in Polydextrose unter Verwendung eines automatischen Wasserdampf-Sorptionsgeräts stattfindet.“ Journal of Food Science 76, Nr. 1 (2011) 78-89.

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