DDI- und DVS-Feuchtigkeitssorptionsisothermen und Lebensmittelstabilität

Isothermen sagen Produktveränderungen im Laufe der Zeit voraus

Lebensmittelhersteller müssen wissen, wie lange es dauert, bis ihr Produkt schimmelt, matschig wird, schal wird, ranzig wird, verklumpt, kristallisiert und für den Verbraucher unannehmbar wird. Die Feuchtigkeits-Sorptions-Isotherme ist ein leistungsfähiges Instrument zur Vorhersage und Verlängerung der Haltbarkeit eines Produkts. Sie ermöglicht es Ihnen:

• Ermitteln Sie kritische Wasseraktivitätswerte, bei denen Veränderungen wie Anbackungen, Verklumpungen und Texturverluste auftreten.
• Vorhersage, wie das Produkt auf Änderungen der Inhaltsstoffe und der Rezeptur reagiert
• Genaue Einschätzung der Haltbarkeitsdauer
• Mischmodelle erstellen
• Verpackungsberechnungen durchführen
• Ermittlung des Monolayer-Wertes (wo ein Produkt am stabilsten ist)

Isothermen: der Heilige Gral der Formulierung

Eine Feuchtigkeits-Sorptions-Isotherme ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Wasseraktivität (_aw) ändert, wenn Wasser bei konstanter Temperatur an ein Produkt adsorbiert und von diesem desorbiert wird. Diese Beziehung ist komplex und für jedes Produkt einzigartig. Die Wasseraktivität nimmt fast immer zu, wenn der Feuchtigkeitsgehalt steigt, aber die Beziehung ist nicht linear. Tatsächlich sind die Isothermen der Feuchtigkeitsaufnahme bei den meisten Lebensmitteln S-förmig (sigmoidal) und bei Lebensmitteln, die kristalline Materialien oder einen hohen Fettgehalt enthalten, J-förmig.

Handgefertigte Methode unpraktisch

Die klassische Methode zur Erstellung einer Isotherme besteht darin, die Probe in einen Exsikkator mit einer Salzlösung mit bekannter Wasseraktivität zu legen, bis sich das Gewicht der Probe nicht mehr ändert. Dann wird die Probe gewogen, um den Feuchtigkeitsgehalt zu bestimmen. Jede Probe ergibt einen Punkt auf der Isothermenkurve.

Da dieser Prozess so lange dauert, wurden die Kurven traditionell anhand von fünf oder sechs Datenpunkten mit Kurvenanpassungsgleichungen wie GAB oder BET erstellt.

Ein schnellerer Weg zur Erstellung von Isothermen

Die Erstellung von Feuchtigkeits-Sorptions-Isothermen per Hand ist mühsam. Die Methode musste automatisiert werden. Die zuerst eingesetzte Methode, die auch heute noch von den meisten Dampfsorptionsgeräten verwendet wird, heißt DVS (dynamische Dampfsorption). Eine Probe wird einem feuchtigkeitsgesteuerten Luftstrom ausgesetzt, während eine Mikrowaage winzige Gewichtsveränderungen misst, wenn das Produkt Wasser adsorbiert oder desorbiert. Sobald das Gleichgewicht erreicht ist, schaltet das Gerät dynamisch auf die nächste voreingestellte Feuchtigkeitsstufe. Die Tests können zwischen zwei Tagen und mehreren Wochen dauern.

Die DVS-Methode eignet sich gut für die Untersuchung der Sorptionskinetik, d. h. was mit einem Produkt geschieht, wenn es bestimmten Luftfeuchtigkeiten ausgesetzt wird, und wie schnell es Wasser adsorbiert oder desorbiert. Die DVS-Methode ist jedoch nicht sehr hilfreich bei der Erstellung einer hochauflösenden isothermen Kurve, da jeder Gleichgewichtsschritt nur einen Punkt auf der isothermen Kurve erzeugt.

DDI-Isothermen zeigen, was bisher nicht zu sehen war

Die Methode der dynamischen Taupunktisotherme (DDI) wurde entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Sie erstellt hochauflösende Isothermen, die Details in den Adsorptions- und Desorptionskurven zeigen, indem sie eine Momentaufnahme sowohl der Wasseraktivität als auch des Feuchtigkeitsgehalts (alle 5 Sekunden) macht, während die Probe befeuchteter oder ausgetrockneter Luft ausgesetzt ist. DDI-Diagramme enthalten Hunderte von Datenpunkten und zeigen Details, die vorher nicht sichtbar waren, z. B. kritische Punkte, an denen Anbackungen, Verklumpungen, Zerfließen und Texturverluste auftreten.

Ermittlung kritischer Wasseraktivitätswerte

Trotz doppelter Verpackung und strenger Temperaturrichtlinien für die Lagerung hatte ein Hersteller von sprühgetrockneter Milch immer noch Probleme mit Klumpenbildung.

Wenn der Glasübergang zu einem Problem wird

Bei der Sprühtrocknung von Milch wird der Zucker durch die schnelle Verdunstung in einen glasartigen Zustand versetzt. Glasartige Laktose hat ganz andere Eigenschaften als kristalline Laktose. Aufgrund der geringen Mobilität verklumpen die Partikel nicht, wenn sich das Pulver im glasigen Zustand befindet. Die kristalline Struktur ist ein Zustand mit geringerer Energie, so dass sich immer einige Moleküle im Übergang vom glasigen zum kristallinen Zustand befinden. Probleme treten auf, wenn die Übergangsrate einen Schwellenwert erreicht.

Wasseraktivität sagt Übergangsrate voraus

Bei 0,30_aw kann es mehrere Jahre dauern, bis die gesamte Laktose kristallin geworden ist. Bei 0,40_aw kann es einen Monat dauern. Bei einem Wert von über 0,43 kristallisiert die Laktose innerhalb weniger Stunden. Sobald die Laktose kristallisiert ist, wird das Milchpulver dauerhaft verändert. Es enthält eine völlig andere Menge an Wasser, löst sich nicht mehr auf und schmeckt nicht mehr richtig. Sie ist im Grunde genommen ruiniert.

DDI-Isothermen sagen den Glasübergangspunkt voraus

Der Glasübergangspunkt von Pulvern wie sprühgetrockneter Milch kann mit einer hochauflösenden DDI-Isotherme bestimmt werden. Herkömmliche Isothermen stützen sich auf Modelle, um die Isotherme zwischen gemessenen Punkten auszufüllen. DDI-Isothermen messen Hunderte von Punkten und können Übergänge wie den Glasübergangspunkt für sprühgetrocknetes Milchpulver identifizieren.

Der Spitzenwert auf der zweiten Ableitung der Isotherme gibt den kritischen Phasenwechselwert mit 0,43_aw an.

Routinemäßige, genaue Tests an der Produktionslinie mit besseren Kontrollwerten halfen dem Hersteller, die Annahmequote der Sendungen zu verbessern.

Mischmodelle erstellen

Ein Tortenhersteller hat ein Rezept für eine mit Sahne gefüllte Torte formuliert. Die Komponenten des Rezepts waren Zuckerguss (etwa 7 % Feuchtigkeit), Cremefüllung (12 %) und Kuchen (15 %). Die Feuchtigkeitsmigration während der Haltbarkeitsdauer hatte in der Vergangenheit zu Problemen mit der Textur geführt, wie z. B. schalem Kuchen, gummiartigem Zuckerguss und verflüssigter Cremefüllung, die in den Kuchen hineinfloss.

Sehen Sie, wie sich die Feuchtigkeit zwischen den Komponenten bewegt

Die Feuchtigkeits-Sorptionsisothermen für jede Zutat zeigten, dass der Zuckerguss - die trockenste Zutat - mit 0,79 die höchste Wasseraktivität aufwies. Die Wasseraktivitäten von Sahne und Kuchen waren ähnlich - 0,66 bzw. 0,61.

Vorhersage der Wasseraktivität des Endprodukts

Die Umwandlung von Isothermen in Chi-Plots ergab eine Wasseraktivität des Endprodukts von 0,67, ein mikrobiologisch sicherer Wert für den Kuchen.

Vermeiden Sie unangenehme Überraschungen

Der Kuchenbäcker hat den Kuchen bei einer Gleichgewichtswasseraktivität (0,67) erfolgreich gebacken und verkostet.

Verpackung auswählen

Getränkepulvermischungen in Einzelportionen sind ein wachsendes Marktsegment. Auf die Verpackung entfallen mehr als 50 % der Rohstoffkosten für dieses Produkt. Das Hauptziel der Verpackung besteht darin, die Getränkemischung während der angestrebten Haltbarkeitsdauer des Produkts unter dem kritischen_aw-Wert zu halten.

Verpackungsberechnungen beginnen mit einem kritischen Wasseraktivitätswert. Die Möglichkeit, einen genauen Punkt aus dynamischen Taupunktisothermen (DDI) zu erhalten, macht diese Art der Verpackungsberechnung möglich.

Diese Kurve zeigt den Glasübergangspunkt für eine bestimmte Getränkeformulierung:

Die kritische Wasseraktivität - der genaue Wendepunkt - für diese Getränkemischung beträgt 0,618 bei 25° C.

Berechnung des Leitwerts der Verpackung

Anhand von optimierten Verpackungsberechnungen (verfügbar in Fundamentals of Isotherms und als Software-Tool) haben wir vier verschiedene Verpackungsarten für diesen Getränkemix bewertet - die Originalverpackung und drei mögliche Alternativen. Unter den Bedingungen des Feuchtigkeitsmissbrauchs (25° C, 75 % Luftfeuchtigkeit) sind die Ergebnisse wie folgt:

Änderungen der Formulierung verstehen

Ein Tierfutterhersteller änderte die Rezeptur, um ein konservierungsmittelfreies Produkt herzustellen, das durch die Wasseraktivität kontrolliert wird. Kurz nach der Einführung des Produkts kam es zu Rückgaben aufgrund von Verderb.

Eine erste Bewertung ergab, dass die Vorhersage des Verderbs auf Wasseraktivitätstests bei einer ungewöhnlich niedrigen Temperatur - 15 °C - beruhte. Isothermen bei 15 °C, 25 °C und 40 °C zeigten, dass bei einer Lagerung unter missbräuchlichen Bedingungen (wie es bei Tierfutter häufig der Fall ist) ein Verderb wahrscheinlich war.

Die Isothermen boten ein vollständiges Vorhersagebild, das es dem Kunden ermöglichte, das Problem mit einer neuen Formulierung zu lösen.

Untersuchen Sie Produktfehler

Nach 13 problemlosen Saisons musste ein Pekannussanbauer seine Ernte wegen Schimmelproblemen zurückweisen. Es wurde eine Isotherme erstellt, um das Problem zu untersuchen.

Um mikrobielles Wachstum zu vermeiden, müssen die Pekannüsse auf 0,60_aw getrocknet werden. Wie die Isotherme zeigt, entsprechen 0,60_aw 4,8 % mc in Pekannüssen. Die Isotherme der Pekannuss ist in diesem kritischen Bereich ebenfalls recht flach, so dass eine kleine Veränderung des Feuchtigkeitsgehalts eine große und potenziell gefährliche Veränderung der Wasseraktivität bedeutet.

Isotherme zeigt, dass die Spezifikationen zu niedrig angesetzt wurden

Die vollständige Isotherme zeigt, dass das Verfahren des Pekannussanbauers nicht geeignet war, die Sicherheit und Qualität seiner Ernte zu gewährleisten. Der Pekannussanbauer maß den Feuchtigkeitsgehalt durch Trocknungsverlust. Da seine Freigabespezifikation 5 % betrug und seine Genauigkeit bei ± 0,5 % lag, hätte der tatsächliche Wassergehalt der getrockneten Ernte zwischen 4,5 und 5,5 % liegen können.

Alles, von der Lagerung bei hoher Luftfeuchtigkeit bis hin zur unzureichenden Verpackung, könnte dazu geführt haben, dass die Pekannüsse eine zu hohe Wasseraktivität aufwiesen und dadurch verdarben.

Erfahren Sie mehr über die Haltbarkeitsdauer

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..:

-Behebung von Problemen und Beschwerden, um herauszufinden, warum die Haltbarkeitsdauer früher als erwartet endet

-Vorhersage, wie sich Rezeptänderungen auf die Haltbarkeit auswirken

-Vergleich der Wirkung verschiedener Inhaltsstoffoptionen

-Beurteilen Sie, ob eine bestimmte Verpackungsoption Ihnen hilft, die Haltbarkeit zu erreichen oder zu verbessern.

Studien mit dynamischen Taupunktisothermen (DDI)

Allan, Matthew, und Lisa J. Mauer. "Comparison of methods for determining the deliquescence points of single crystalline ingredients and blends. Food Chemistry 195 (2016): 29-38. doi:10.1016/j.foodchem.2015.05.042.

Allan, Matthew, Lynne S. Taylor, und Lisa J. Mauer. "Common-Ion effects on the deliquescence lowering of crystalline ingredient blends." Food Chemistry 195 (2016): 2-10. doi:10.1016/j.foodchem.2015.04.063.

Barry, Daniel M., und John W. Bassick. "NASA Space Shuttle Advanced Crew Escape Suit Development". SAE Technical Paper Series, 1995. doi:10.4271/951545.

Bonner, Ian J., David N. Thompson, Farzaneh Teymouri, Timothy Campbell, Bryan Bals, und Jaya Shankar Tumuluru. "Impact of Sequential Ammonia Fiber Expansion (AFEX) Pretreatment and Pelletization on the Moisture Sorption Properties of Corn Stover." Drying Technology 33, no. 14 (2015): 1768-778. doi:10.1080/07373937.2015.1039127.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Campbell, G.S., und Carter, A.H. 2016. Changes in the moisture permeability of grain at the critical water activity from dynamic dew point isotherms. Transactions of the ASABE. 59(3):1023-1028.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Morris, C.F., Weaver, G.L., und Carter, A.H. 2015. The case for water activity as a specification for wheat tempering and flour production. Cereal Foods World 60(4):166-170.

Carter, Brady P., Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell, und Arron H. Carter. "Die kritische Wasseraktivität aus dynamischen Taupunktisothermen als Indikator für die Knusprigkeit von Keksen mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt". Journal of Food Measurement and Characterization 9, no. 3 (2015): 463-70. doi:10.1007/s11694-015-9254-3.

Carter, Brady P., Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell, und Arron H. Carter. "Die kritische Wasseraktivität aus dynamischen Taupunktisothermen als Indikator für die Stabilität von Pulvervormischungen". Journal of Food Measurement and Characterization 9, no. 4 (2015): 479-86. doi:10.1007/s11694-015-9256-1.

Carter, B. P. und S. J. Schmidt. 2012. Developments in glass transition determination in foods using moisture sorption isotherms. Food Chemistry 132:1693-1698.

Coronel-Aguilera, Claudia P., und M. Fernanda San Martín-González. "Encapsulation of spray dried β-carotene emulsion by fluidized bed coating technology." LWT - Food Science and Technology 62, no. 1 (2015): 187-93. doi:10.1016/j.lwt.2014.12.036.

Fonteles, Thatyane Vidal, Ana Karoline Ferreira Leite, Ana Raquel Araújo Silva, Alessandra Pinheiro Góes Carneiro, Emilio De Castro Miguel, Benildo Sousa Cavada, Fabiano André Narciso Fernandes, und Sueli Rodrigues. "Ultraschallbehandlung zur Verbesserung der Trocknung von Cashew-Apfel-Bagasse-Püree: Influence on antioxidant properties and in vitro bioaccessibility of bioactive compounds." Ultrasonics Sonochemistry 31 (2016): 237-49. doi:10.1016/j.ultsonch.2016.01.003.

Hao, Fayi, Lixin Lu, und Jun Wang. "Finite Element Analysis of Moisture Migration of Multicomponent Foods During Storage". Journal of Food Process Engineering 40, no. 1 (2016). doi:10.1111/jfpe.12319.

Hao, Fayi, Lixin Lu, und Jun Wang. "Finite Element Simulation of Shelf Life Prediction of Moisture-Sensitive Crackers in Permeable Packaging under Different Storage Conditions." Journal of Food Processing and Preservation 40, no. 1 (2015): 37-47. doi:10.1111/jfpp.12581.

Kuang, Pengqun, Hongchao Zhang, Poonam R. Bajaj, Qipeng Yuan, Juming Tang, Shulin Chen, und Shyam S. Sablani. "Physikalisch-chemische Eigenschaften und Lagerstabilität von Lutein-Mikrokapseln, die mit Maltodextrinen und Saccharose durch Sprühtrocknung hergestellt wurden". Journal of Food Science 80, no. 2 (2015). doi:10.1111/1750-3841.12776.

Liu, Wei, Haifeng Wang, Xifeng Gu, Can Quan, und Xinhua Dai. "Zertifizierung von Referenzmaterialien für Natriumtartrat-Dihydrat und Kaliumcitrat-Monohydrat für den Wassergehalt". Anal. Methods 8, no. 13 (2016): 2845-851. doi:10.1039/c5ay03067f.

Marquez-Rios, E., V.m. Ocaño-Higuera, A.n. Maeda-Martínez, M.e. Lugo-Sánchez, M.g. Carvallo-Ruiz, und R. Pacheco-Aguilar. "Citric acid as pretreatment in drying of Pacific Lion's Paw Scallop (Nodipecten subnodosus) meats". Food Chemistry 112, no. 3 (2009): 599-603. doi:10.1016/j.foodchem.2008.06.015.

Penner, Elizabeth A., und Shelly J. Schmidt. "Vergleich zwischen Feuchtigkeits-Sorptions-Isothermen, die mit dem neuen Vapor Sorption Analyzer ermittelt wurden, und solchen, die mit der Standardmethode der gesättigten Salzaufschlämmung erhalten wurden". Journal of Food Measurement and Characterization7, no. 4 (2013): 185-93. doi:10.1007/s11694-013-9154-3.

Rao, Qinchun, Mary Catherine Fisher, Mufan Guo, und Theodore P. Labuza. "Lagerstabilität eines handelsüblichen Hühnereigelbpulvers in trockenen und mittelfeuchten Lebensmittelmatrices". Journal of Agricultural and Food Chemistry 61, no. 36 (2013): 8676-686. doi:10.1021/jf402631y.

Rao, Qinchun, Andre Klaassen Kamdar, Mufan Guo, und Theodore P. Labuza. "Effect of bovine casein and its hydrolysates on hardening in protein dough model systems during storage." Food Control 60 (2016): 621-28. doi:10.1016/j.foodcont.2015.09.007.

Syamaladevi, Roopesh M., Ravi Kiran Tadapaneni, Jie Xu, Rossana Villa-Rojas, Juming Tang, Brady Carter, Shyam Sablani, und Bradley Marks. "Veränderung der Wasseraktivität bei erhöhten Temperaturen und thermische Resistenz von Salmonellen in Allzweck-Weizenmehl und Erdnussbutter." Food Research International 81 (2016): 163-70. doi:10.1016/j.foodres.2016.01.008.

Wei, Meilin, Xiaoxiang Wang, Jingjing Sun, und Xianying Duan. "A 3D POM-MOF composite based on Ni(ΙΙ) ion and 2,2′-bipyridyl-3,3′-dicarboxylic acid: Crystal structure and proton conductivity." Journal of Solid State Chemistry 202 (2013): 200-06. doi:10.1016/j.jssc.2013.03.041.

Wei ML, Sun JJ, Wang XJ "Preparation and proton conductivity evaluation of a silicate gel composite doped with a metal-Schiff-base-POM-MOF. "Journal of Sol-Gel Science and Technology 71, no. 2 (2014): 324-28. doi:10.1007/s10971-014-3370-0.

Yuan, X., Carter, B.P. und Schmidt, S.J. 2011. 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(1): E78-89.

Zabalaga, Rosa F., Carla I.a. La Fuente, und Carmen C. Tadini. "Experimental determination of thermophysical properties of unripe banana slices (Musa cavendishii) during convective drying." Journal of Food Engineering 187 (2016): 62-69. doi:10.1016/j.jfoodeng.2016.04.020.