Der Leitfaden für Einsteiger in Sachen Lagerbeständigkeit und Verpackung

Überverpackungen schmälern die Gewinne

Warum eine Haltbarkeitsprüfung? Eine unzureichende Verpackung führt dazu, dass die Wasseraktivität in Lebensmitteln im Laufe der Zeit ansteigt oder abfällt, was unerwünschte physikalische Veränderungen, Feuchtigkeitsmigration, chemischen Abbau und Anfälligkeit für mikrobielles Wachstum zur Folge hat. Eine Überverpackung hingegen ist teuer und kann den Gewinn schmälern. Wie können Sie herausfinden, wie viel Verpackung Ihr Produkt genau braucht? All diese Fragen werden durch die Wasseraktivität gesteuert. Wenn Sie verstehen, wie die Wasseraktivität funktioniert, können Sie Produkte entwickeln und verpacken, die während ihrer gesamten Haltbarkeitsdauer sicher und begehrenswert bleiben - ohne zu viel Geld auszugeben.

Abbildung 1 ist ein Stabilitätsdiagramm, das die Wasseraktivität und den Feuchtigkeitsgehalt zeigt. Die Wasseraktivität ist auf der x-Achse dargestellt, und die y-Achse zeigt die Reaktionsgeschwindigkeit (man kann sich den Feuchtigkeitsgehalt als erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit vorstellen). Die dunkelblaue Kurve ist eine allgemeine Feuchtesorptionsisotherme. Eine Feuchtesorptionsisotherme veranschaulicht die Beziehung zwischen Wasseraktivität und Feuchtigkeitsgehalt in einem Produkt. Die anderen Kurven stellen Versagensarten dar. Es ist zu erkennen, dass die Wachstumsrate von Schimmel, Hefe und Bakterien mit zunehmender Wasseraktivität exponentiell ansteigt. Die Enzymaktivität beginnt bei knapp unter 0,9 signifikant zu steigen und nimmt mit zunehmender Wasseraktivität zu. Bei der Lipidoxidation verhält es sich jedoch anders. Bei sehr niedrigen Wasseraktivitäten ist sie hoch, aber wenn die Wasseraktivität auf etwa 0,3 bis 0,5 steigt, wird sie stabil. Oberhalb von 0,5 beginnt die Lipidoxidation wieder zuzunehmen. Die Bräunungsreaktionen erreichen ihren Höhepunkt bei etwa 0,6. Der blau schraffierte Bereich in Abbildung 1 veranschaulicht, dass bei einer Wasseraktivität von 0,3 bis 0,5 eine physikalische Verschlechterung oder Texturveränderung eintreten kann: Verlust der Knusprigkeit, Zusammenbacken oder Zusammenfallen der Lebensmittelmatrix.

Abbildung 2 ist ein Diagramm, das mehrere verschiedene, vom AQUALAB VSA erstellte Feuchtesorptionsisothermen zeigt. Sie zeigt die Wasseraktivität auf der x-Achse und den Feuchtigkeitsgehalt auf der y-Achse. Die mittelblaue Kurve zeigt, dass Milchpulver eine kritische Wasseraktivität von etwa 0,42 hat. Woran können Sie das erkennen? Bei etwa 0,42 steigt der Feuchtigkeitsgehalt stark an, während die Wasseraktivität nur geringfügig zunimmt. Dies ist der Punkt, an dem das Verklumpen beginnt. 

Interessanterweise gibt es bei Milchpulver eine zweite kritische Wasseraktivität zwischen 0,7 und 0,8, bei der die Kristallisation einsetzt. Bei Getreide (dunkelblaue Spur) liegt die kritische Wasseraktivität bei etwa 0,5. Bei getreidefreiem Krokettenfutter liegt der _RHc-Wert wegen des mikrobiellen Wachstums näher bei 0,7. Tierfutterhersteller müssen unter diesem Wert bleiben. Saccharose hat eine kritische Wasseraktivität von etwa 0,85, bei der es zu einem plötzlichen Anstieg des Feuchtigkeitsgehalts bei nur geringem Anstieg der Wasseraktivität kommt. 

Beachten Sie auch, dass eine kritische Wasseraktivität temperaturabhängig ist. Wenn Sie die Temperatur Ihres Produkts erhöhen, nimmt die kritische Wasseraktivität ab. Daher ist es wichtig, den _RHc-Wert und die Lagerbedingungen (Temperatur) für Ihr Produkt zu kennen. Sie können dann die Produktformulierung und die Verpackung so gestalten, dass die kritische Wasseraktivität während der gesamten Produktions- und Lagerzeit unterschritten wird.

Wenn Ranzigkeit der Grund für das Versagen ist, muss der Oxidationsgrad gemessen werden. Wenn eine Veränderung der Textur die Haltbarkeit beendet, benötigen Sie eine Feuchtigkeits-Sorptions-Isotherme (siehe Abbildung 2). Bei einem Vitaminabbau müssen Sie den Vitamingehalt messen. Farbveränderungen können mit Hilfe von Farbbildern (auch Kolorimetrie genannt) beurteilt werden. Und enzymatische Reaktionen können durch die Messung der Enzymaktivität beurteilt werden. Nachdem Sie ermittelt haben, welche Art von Daten Sie sammeln müssen, können Sie beschleunigte Haltbarkeitsprüfungen durchführen, um den idealen Wasseraktivitätsbereich für Ihr Produkt zu ermitteln. Das folgende Diagramm veranschaulicht einige Szenarien, wie ein beschleunigter Haltbarkeitsprüfungsprozess aussehen könnte, nachdem Sie die wahrscheinlichste(n) Fehlerart(en) ermittelt haben.

Im Folgenden finden Sie die Einzelheiten zur Einrichtung eines Tests: 

"Beschleunigte" Tests bedeuten, dass man die Temperatur und die Wasseraktivität erhöht, um zu sehen, was schneller passiert. Da die _RHC mit steigender Temperatur abnimmt, wählen Sie drei verschiedene Wasseraktivitäten und drei verschiedene Temperaturen aus und halten Ihr Produkt bei einer Kombination aus allen drei (neun Teilproben), bis das Produkt unerwünscht wird. Während dieser Zeit verfolgen Sie den Fortschritt der gewählten Fehlerart. Wenn Sie beispielsweise die Lipidoxidation verfolgen, messen Sie den Oxidationsgrad, bis er für den Verbraucher unannehmbar wird. (Was "inakzeptabel" ist, entscheiden Sie selbst, da einige Veränderungen im Produkt auftreten, wenn es noch akzeptabel ist.) Sammeln Sie im Laufe der Zeit Daten über die Zeit und die Menge der Veränderungen, um die Rate zu bestimmen. Anschließend modellieren Sie die gesammelten Daten unter Berücksichtigung von Zeit, Temperatur und Wasseraktivität. Wenn Sie diese Korrelation erreicht haben, können Sie die Lagerfähigkeit und die Reaktionsraten für Ihre Fehlerart modellieren. 

Der nächste Schritt besteht darin, festzustellen, bei welcher Wasseraktivität die Chips ihre Textur verlieren. Um das herauszufinden, benötigt der Hersteller eine Feuchtigkeits-Sorptions-Isotherme, mit der er genau bestimmen kann, wann er diese Veränderung der Textur feststellt (Abbildung 4). 

Abbildung 4 ist eine Isotherme für einen Grünkohlchip mit Wasseraktivität auf der x-Achse und Feuchtigkeitsgehalt auf der y-Achse. Auf den ersten Blick könnte man vermuten, dass der Texturverlust an einem Wendepunkt in der Kurve auftritt, an dem die Sorptionseigenschaften drastisch ansteigen. Es ist jedoch schwierig, diesen Punkt genau zu bestimmen, daher ist es am einfachsten, eine Auswertung der zweiten Ableitung dieser Steigung vorzunehmen. Bei der Auswertung der zweiten Ableitung wird die Steigung betrachtet, um festzustellen, wann eine Änderung der Steigung eintritt, die auf eine Änderung der Feuchtigkeitsaufnahme hinweist (Abbildung 5). 

In der zweiten Ableitung auf der rechten Seite von Abbildung 5 ist der erste Peak der _RHC. Sie können sehen, dass der Vergleich mit der Isotherme auf der linken Seite eine gute Korrelation ergibt. Wenn es dem Hersteller von Grünkohlchips also gelingt, die Chips unter dieser kritischen Wasseraktivität von 0,57 zu halten, behalten sie ihre knackige Textur und sind nicht mehr anfällig für mikrobielles Wachstum. Die Aufrechterhaltung des korrekten Wasseraktivitätsniveaus ist mit einem AQUALAB 4TE Wasseraktivitätsmessgerät ganz einfach (sehen Sie sich das Video an, um zu sehen, wie es funktioniert).

In jeder Umgebung gibt es eine bestimmte Menge Wasser in der Luft oder relative Luftfeuchtigkeit (RH). Die von Ihnen gewählte Verpackung lässt nur eine bestimmte Menge dieses Wassers durch und interagiert mit Ihrem Produkt. Dies wird im Allgemeinen in Gramm pro Quadratmeter und Tag gemessen. Ihr Verpacker testet die Verpackung unter bestimmten Bedingungen (in der Regel etwa 38 Grad Celsius und 90 % relative Luftfeuchtigkeit). Diese Bedingungen werden bei der Berechnung der Haltbarkeitsdauer berücksichtigt. Darüber hinaus müssen Sie die Oberfläche Ihrer Verpackung in Quadratmetern und die Masse Ihres Produkts in der Verpackung kennen.

Darüber hinaus sind Angaben zu den Lagerbedingungen des Produkts erforderlich: Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck. Der atmosphärische Druck hängt von der Höhe des Standortes ab und kann je nach Wetterlage variieren. 

Schließlich müssen Sie die Wasseraktivität Ihres Produkts kennen. Dazu gehören die anfängliche Wasseraktivität und auch die kritische Wasseraktivität. 

Die Software fordert Sie auf, die Wasserdampfdurchlässigkeit, die Prüftemperatur und die Luftfeuchtigkeit (in der Regel etwa 38 Grad Celsius bei 90 % Luftfeuchtigkeit) einzugeben. Als Nächstes geben Sie die Lagerbedingungen für Ihr Produkt und einige Informationen über das Produkt selbst ein. In Abbildung 7 haben wir das Produkt an einem Ort mit einer Luftfeuchtigkeit von 60 % und einem atmosphärischen Druck von 100 Kilopascal gelagert. Das Produkt wiegt 454 Gramm und wird in einer Umgebung von 30 Grad Celsius gelagert. Sie berechnen die Oberfläche Ihrer Verpackung und geben dann Ihre anfänglichen und kritischen Wasseraktivitäten ein. Mit Hilfe der Software können Sie schnell Ihre zuvor gespeicherte Isothermendatei auswählen (Ihre Produktisotherme wird automatisch mit dem AQUALAB VSA-Gerät berechnet und in der Software gespeichert). 

Nachdem Sie die Informationen eingegeben haben, klicken Sie auf "Berechnen", und die Software gibt Ihnen eine geschätzte Haltbarkeitsdauer an (in diesem Fall 30 Tage). Um die Haltbarkeitsdauer zu ändern oder zu verlängern, suchen Sie nach Verpackungen mit einer geringeren Wasserdampfdurchlässigkeit. 

Wenn Sie die Haltbarkeitsdauer verlängern möchten, können Sie einen anderen Rechner aus dem Toolkit zur Feuchtigkeitsanalyse verwenden, der speziell für dieses Szenario entwickelt wurde (Abbildung 8).

Abbildung 8 zeigt, dass Sie für eine Haltbarkeit von 180 Tagen eine Verpackung mit einem WVTR-Wert von 1,3 benötigen. Sie können diese Informationen an Ihren Verpacker weitergeben und ihm sagen, dass Sie eine Verpackung mit dieser WVTR benötigen, um die gewünschte Haltbarkeitsdauer zu erreichen. 

Tabelle 2 zeigt einen Vergleich einiger gängiger Verpackungsmaterialien.

Es ist wichtig zu wissen, dass diese Wasserdampfdurchlässigkeitsraten bei 38 Grad Celsius und 90 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit gemessen wurden. Das ist aber nicht immer der Fall. Manchmal werden sie bei 30 Grad C und 75 % relativer Luftfeuchtigkeit ermittelt. Beachten Sie auch, dass diese Tabelle in metrischen Einheiten angegeben ist und die Software sie auf diese Weise berechnet, aber manchmal wird die WVTR in Gramm pro Quadratmeter und 24 Stunden angegeben. Sie kann aber auch in Standardeinheiten wie Zoll im Quadrat angegeben sein. Es ist also wichtig, dass die Einheiten korrekt sind, wenn Sie die WVTR für Verpackungsmaterial eingeben. Beachten Sie, dass Polypropylen einen WVTR-Wert von 8,2 hat, aber bei verstrecktem Polypropylen mit einer metallisierten Schicht sinkt der WVTR-Wert auf 1,0. Es ist gut zu wissen, welche Art von Verpackung Sie benötigen, denn Sie wollen nicht zu wenig verpacken. Abbildung 8 zeigt am Beispiel der Grünkohlchips, dass der Lebensmittelhersteller mit einer WVTR-Verpackung von 7,5 das Produkt nur 30 Tage lang haltbar machen kann. Wählt der Hersteller jedoch eine Verpackung mit einem WVTR-Wert von 1,3, ist das Produkt sechs Monate lang haltbar. Beachten Sie jedoch, dass die Kosten umso höher sind, je niedriger der WVTR-Wert ist, also verpacken Sie nicht zu viel, sonst zahlen Sie für eine Verpackung, die Sie nicht brauchen.

Oben links fügen Sie verschiedene Zutaten hinzu. Unten links stehen die Ergebnisse. Für ein Pfund Grünkohlchips haben wir die anfängliche Wasseraktivität und die Masse eingegeben, um herauszufinden, was mit der Wasseraktivität passiert, wenn wir fünf Gramm Knoblauchpulver hinzufügen. Nach Eingabe der Informationen drücken Sie auf Berechnen, und die Software liefert eine neue endgültige Wasseraktivität für die Mischung. In Abbildung 9 ist die Wasseraktivität leicht gesunken. Die Software gibt auch den endgültigen Feuchtigkeitsgehalt für die Grünkohlchips und den Knoblauch an. Das Diagramm auf der rechten Seite zeigt, wie die Isothermen kombiniert werden (die Grünkohlchips sind die blaue Kurve und der Knoblauch ist die grüne Kurve). Die rote Kurve ist eine kombinierte Isotherme, und das Programm liefert auch die Gleichgewichts-Wasseraktivität (0,449), die die endgültige Wasseraktivität der Mischung darstellt.