Vorhersage der Verpackungsleistung, um die Produkthaltbarkeit zu maximieren

Getränkepulvermischungen in Einzelportionen sind ein wachsendes Marktsegment. Für die Verbraucher sind sie bequem und erschwinglich. Für Hersteller und Einzelhändler sind sie rentabel, da sie deutlich weniger Versand- und Lagerkosten verursachen als Fertiggetränke. Sie sind in der Tat das ideale Produkt, aber sie stellen die Verpackung in den Mittelpunkt des Interesses. Denn die beiden Hauptbestandteile von Sportgetränkesticks sind die Getränkemischung und... die Verpackung.   

Jede Hülle ist eine Einzelportion, so dass die Verpackung mehr als 50 % der Rohstoffkosten für dieses Produkt ausmacht. Das Hauptziel dieser Verpackung besteht darin, die Getränkemischung während der angestrebten Haltbarkeitsdauer des Produkts frei fließend zu halten - unterhalb der kritischen Wasseraktivität.

Überverpackungen schmälern den Gewinn

Eine unzureichende Verpackung kann dazu führen, dass die Wasseraktivität in Lebensmitteln im Laufe der Zeit ansteigt oder abfällt, was zu physikalischen Veränderungen, Feuchtigkeitsmigration, chemischem Abbau und Anfälligkeit für mikrobielles Wachstum führt. Eine Überverpackung hingegen ist teuer und kann den Gewinn schmälern. Wie können Sie herausfinden, wie viel Verpackung Ihr Produkt genau braucht?

In der Vergangenheit haben nur sehr wenige Hersteller wissenschaftliche Verpackungsentscheidungen getroffen. Sie haben einen empirischen Ansatz gewählt: Sie verpacken zu viel, um Probleme zu vermeiden, und nehmen nur dann Änderungen vor, wenn Probleme auftreten. Aber bei Einzelportionsprodukten kann eine Überverpackung die Gewinne erheblich schmälern. In solchen Fällen, in denen ein geschickter Spagat zwischen Kosten und Qualität erforderlich ist, sind präzise wissenschaftliche Informationen hilfreich.

Für eine korrekte Verpackung sind zwei einfache Maßstäbe erforderlich

Der wichtigste Faktor, der bestimmt, was mit der Wasseraktivität Ihres Produkts im Laufe der Zeit geschieht, ist die Durchlässigkeit des Verpackungsmaterials - wie gut es den Feuchtigkeitsaustausch unter verschiedenen Bedingungen verhindern kann. Um die richtige Verpackung für eine gewünschte Haltbarkeitsdauer zu finden, benötigen Sie also zwei einfache Kennzahlen: die kritische Wasseraktivität und die Durchlässigkeit der Verpackung.

Schnelle und einfache kritische Wasseraktivität

Der Ausgangspunkt der Verpackungsberechnungen ist ein kritischer Wasseraktivitätswert. Traditionell war dieser Punkt schwer zu ermitteln - Isothermen-Technologien alter Schule lieferten keine exakten Wendepunkte. Mit der Möglichkeit, einen präzisen Punkt vom VAPOR SORPTION ANALYZER (VSA) zu erhalten, ist diese Art der Verpackungsberechnung nun jedoch möglich.

Der VSA erzeugt eine hochauflösende Isotherme, die so genannte dynamische Taupunktisotherme (DDI). DDI-Kurven sparen viel Zeit bei der Identifizierung einer kritischen Wasseraktivität in Lebensmitteln und pharmazeutischen Produkten mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt, da sie die Veränderung der Sorptionseigenschaften einer Substanz deutlich veranschaulichen (siehe Abbildung 1). Diese Kurve zeigt den Glasübergangspunkt für eine bestimmte Getränkemixformulierung.

Bei Lebensmitteln mit höherem Feuchtigkeitsgehalt ist eine DDI-Kurve möglicherweise nicht erforderlich, da die Haltbarkeit eher durch mikrobiellen Verderb beeinträchtigt wird. Bei Produkten mit höherem Feuchtigkeitsgehalt sind die kritischen Grenzwerte für die Wasseraktivität für das mikrobielle Wachstum zu ermitteln und können in der Literatur nachgelesen werden (0,85_aw ist der Grenzwert für pathogene Bakterien, und unter 0,6_aw wachsen keine Organismen). Andere Faktoren, die die Haltbarkeit verkürzen und bei der Ermittlung einer kritischen Wasseraktivität berücksichtigt werden müssen, sind Veränderungen der Textur, Lipidoxidation, Maillard-Bräunung, Vitaminverlust oder Farbverlust.

Warum die Durchlässigkeit von Verpackungen wichtig ist

Die treibende Kraft für die Bewegung von Wasser durch die Verpackung ist ein Unterschied in den Wasseraktivitätsbedingungen innerhalb und außerhalb der Verpackung. Wenn ein Unterschied besteht, gibt es eine treibende Kraft für das Wasser, entweder in die Verpackung einzudringen oder sie zu verlassen und auf das Produkt einzuwirken.

Das Ziel der Verpackung ist es, den Feuchtigkeitsübergang zu verringern. Diese Rate wird von den Verpackungsherstellern in der Regel als Wasserdampfdurchlässigkeitsrate (WVTR) angegeben. Anhand der kritischen Wasseraktivität und der WVTR der zukünftigen Verpackung können Sie Vorhersagemodelle erstellen, um Kosten/Nutzen-Entscheidungen zu treffen.

Vorhersagemodelle werden oft mit einer Reihe komplizierter Gleichungen erstellt (siehe Grundlagen der Feuchtesorptionsisothermen), aber es gibt auch einen einfacheren Weg. Ein Softwareprogramm namens Moisture Analysis Toolkit führt diese Berechnungen automatisch für Sie durch. Geben Sie einfach die Variablen für ein Produkt ein, und das Toolkit ermittelt die ideale Situation für Ihre Verpackung. Sie können sogar die Analyseparameter variieren und die Verpackung finden, die Ihnen die beste Rendite bringt.

Prädiktive Modellierung in Aktion

Anhand von Verpackungsberechnungen haben wir vier verschiedene Arten von Verpackungen für einen Getränkemix bewertet - die Originalverpackung und drei mögliche Alternativen. Unter den Bedingungen des Feuchtigkeitsmissbrauchs (25 °C, 75 % Luftfeuchtigkeit) sind die Ergebnisse wie folgt:

Das Originalpaket schnitt eindeutig am besten ab. Diese Ergebnisse werfen jedoch zwei wichtige Fragen auf. Erstens: Ist eine Haltbarkeit von 7.812 Tagen eine Überverpackung? Zweitens fragten wir uns, warum eine Verpackung mit einer Haltbarkeit von 7.812 Tagen nach nur ein paar Monaten in der Sporttasche versagte. Also führten wir einen weiteren Test durch und erhielten eine einfache Antwort - die Umkleidekabine.

Kundenmissbrauch kann die Haltbarkeit beeinträchtigen

Die Umkleidekabine definiert so ziemlich die Missbrauchsbedingungen, und Tests, die durchgeführt wurden, um den Missbrauch zu simulieren (40 °C, 75 % Luftfeuchtigkeit, obwohl viele Umkleideräume, die wir kennen, 85 oder 90 % erreichen), zeigten etwas Erstaunliches:

Der Sportgetränkestift in der Originalverpackung verklumpte bereits nach weniger als einem Monat unter Umkleidebedingungen. (Falls Sie sich fragen, warum der Stick immer noch besser als die Pakete mit der geringeren Leitfähigkeit 2 und 3 war: Diese Pakete hatten eine größere Oberfläche als das Original).

Der Leitwert ist temperaturabhängig, manchmal sogar extrem, wie die Daten der "Originalverpackung" zeigen. Und ASTM-konforme Daten zur Wasserdampfdurchlässigkeit (WTVR) geben keine Auskunft über den Leitwert bei jeder Temperatur, es sei denn, Sie kennen die Bedingungen, unter denen die Tests durchgeführt wurden.

Lösen Sie die Verpackungsgleichung

Der Getränkehersteller hat zu viel Geld für eine Überverpackung ausgegeben und die Verbraucher trotzdem enttäuscht. Der einzige Weg, die Verpackungsgleichung wirklich zu lösen, ist die Verwendung von harten Daten. Mit den hochauflösenden Isothermen von VSA können Sie rationalisierte, temperaturabhängige Wasseraktivitätsgleichungen verwenden, um:

• Bestimmen Sie den tatsächlichen Dampfleitwert einer Verpackung
• Berechnen Sie die Zeit, bis ein verpacktes Produkt unter verschiedenen Bedingungen die kritische Wasseraktivität erreicht
• Ermitteln Sie den Leitwert der Verpackung, den Sie benötigen, um die Anforderungen an die Haltbarkeit zu erfüllen.
• Ermittlung der Wasseraktivität eines Produkts nach einer bestimmten Zeit unter verschiedenen Bedingungen

Weitere ausführliche Informationen über kritische Wasseraktivität, DDI-Kurven, Verpackungsdurchlässigkeit und Prognosemodellierung erhalten Sie im Webinar: Verpackungsleistung vorhersagen.

Erfahren Sie mehr über Verpackungen

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.

Zusätzliche Informationen

Amerikanische Gesellschaft für Tests und Materialien (ASTM). 2008. Standardtestmethoden für die Wasserdampfdurchlässigkeit von Materialien. ASTM E 96-00. Philadelphia, PA.

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Carter, Brady P., und Shelly J. Schmidt. "Entwicklungen bei der Bestimmung des Glasübergangs in Lebensmitteln mit Hilfe von Feuchtigkeitssorptionsisothermen". Food Chemistry 132, no. 4 (2012): 1693-1698. Artikel-Link.

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