Einzelportionen von Getränkepulvern sind ein wachsendes Marktsegment. Für Verbraucher sind sie praktisch und erschwinglich. Für Hersteller und Einzelhändler sind sie profitabel, da sie deutlich weniger Versand- und Lagerkosten verursachen als Fertiggetränke. Sie sind in der Tat das ideale Produkt, aber sie rücken die Verpackung in den Mittelpunkt. Das liegt daran, dass die beiden Hauptbestandteile von Sportgetränkesticks Getränkepulver und ... Verpackung sind.

Jede Verpackung enthält eine Portion, sodass die Verpackung mehr als 50 % der Rohstoffkosten für dieses Produkt ausmacht. Das Hauptziel dieser Verpackung besteht darin, die Trinkmischung während der gesamten Haltbarkeitsdauer des Produkts frei fließend zu halten – unterhalb der kritischen Wasseraktivität.

Überflüssige Verpackungen schmälern den Gewinn

Eine unzureichende Verpackung kann dazu führen, dass die Wasseraktivität in Lebensmitteln im Laufe der Zeit steigt oder sinkt, was zu physikalischen Veränderungen, Feuchtigkeitswanderung, chemischem Abbau und Anfälligkeit für mikrobielles Wachstum führt. Eine übermäßige Verpackung hingegen ist teuer und kann den Gewinn schmälern. Wie können Sie die genaue Menge an Verpackung ermitteln, die Ihr Produkt benötigt?

In der Vergangenheit haben nur sehr wenige Hersteller wissenschaftlich fundierte Entscheidungen in Bezug auf Verpackungen getroffen. Sie haben einen empirischen Ansatz verfolgt: Überverpackung, um Probleme zu vermeiden, und Änderungen nur dann vornehmen, wenn Probleme auftreten. Bei Einzelportionsprodukten kann Überverpackung jedoch zu erheblichen Gewinneinbußen führen. In solchen Fällen, in denen ein geschicktes Manövrieren zwischen Kosten und Qualität erforderlich ist, helfen präzise wissenschaftliche Informationen.

Die richtige Verpackung erfordert zwei einfache Kennzahlen

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. Um die richtige Verpackung für eine gewünschte Haltbarkeitsdauer zu finden, benötigen Sie daher zwei einfache Kennzahlen: die kritische Wasseraktivität und die Durchlässigkeit der Verpackung.

Schnelle und einfache Bestimmung der kritischen Wasseraktivität

Der Ausgangspunkt für Verpackungsberechnungen ist ein kritischer Wasseraktivitätswert. Traditionell war dieser Wert schwer zu ermitteln, da herkömmliche Isothermtechnologien keine exakten Wendepunkte lieferten. Die Möglichkeit, mit dem VAPOR SORPTION ANALYZER (VSA) einen präzisen Wert zu ermitteln, macht diese Art der Verpackungsberechnung nun jedoch möglich.

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

Lebensmittel mit höherem Feuchtigkeitsgehalt benötigen möglicherweise keine DDI-Kurve, da es wahrscheinlicher ist, dass mikrobieller Verderb der Faktor ist, der die Haltbarkeit verringert. Bei Produkten mit höherem Feuchtigkeitsgehalt sind die kritischen Wasseraktivitätsgrenzen für das mikrobielle Wachstum zu ermitteln und können in der Literatur nachgeschlagen werden (0,85 aw ist der Grenzwert für pathogene Bakterien, und unter 0,6 aw wachsen keine Organismen).  Weitere Faktoren, die die Haltbarkeit verkürzen und bei der Ermittlung der kritischen Wasseraktivität berücksichtigt werden müssen, sind Texturveränderungen, 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, die bewirkt, dass Wasser entweder in die Verpackung eindringt oder diese verlässt und sich auf das Produkt auswirkt.

Das Ziel der Verpackung ist es, die Geschwindigkeit zu reduzieren, mit der Feuchtigkeit übertragen wird. Diese Geschwindigkeit wird von Verpackungsherstellern in der Regel als Wasserdampfdurchlässigkeitsrate (WVTR) angegeben. Anhand der kritischen Wasseraktivität und der WVTR der potenziellen Verpackung können Sie Vorhersagemodelle erstellen, um Kosten-Nutzen-Entscheidungen zu treffen.

Vorhersagemodelle werden oft anhand einer Reihe komplizierter Gleichungen erstellt (zu finden in „Grundlagen der Feuchtigkeitssorptionsisothermen“), 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 so die Verpackung finden, die Ihnen die beste Kapitalrendite bietet.

Prädiktive Modellierung in der Praxis

Anhand von Verpackungsberechnungen haben wir vier verschiedene Verpackungsarten für ein Getränkepulver bewertet – die Originalverpackung und drei mögliche Alternativen. Unter extremen Feuchtigkeitsbedingungen (25 °C, 75 % Luftfeuchtigkeit) ergaben sich folgende Ergebnisse:

Es ist klar, dass die Originalverpackung am besten abgeschnitten hat. Diese Ergebnisse warfen jedoch zwei wichtige Fragen auf. Erstens: Ist eine Haltbarkeit von 7.812 Tagen nicht übertrieben? Zweitens: Wir fragten uns, warum eine Verpackung mit einer Haltbarkeit von 7.812 Tagen nach nur wenigen Monaten am Boden der Sporttasche unbrauchbar wurde. Also führten wir einen weiteren Test durch und erhielten eine einfache Antwort: der Umkleideraum.

Missbrauch durch Kunden kann die Haltbarkeit beeinträchtigen

Der Umkleideraum entspricht so ziemlich den Bedingungen für Missbrauch, und Tests, die durchgeführt wurden, um Missbrauch zu simulieren (40 °C, 75 % Luftfeuchtigkeit, obwohl viele uns bekannte Umkleideräume Werte von 85 oder 90 % erreichen), zeigten etwas Erschreckendes:

Der Sportdrink-Stick in der Originalverpackung begann unter den Bedingungen im Umkleideraum innerhalb von weniger als einem Monat zu verklumpen und zu verklumpen. (Wenn Sie sich fragen, warum er immer noch besser abschnitt als die Verpackungen 2 und 3 mit geringerer Leitfähigkeit, so lag das daran, dass diese Verpackungen eine größere Oberfläche hatten als die Originalverpackung).

Die Leitfähigkeit ist temperaturabhängig, manchmal sogar extrem, wie die Daten der „Originalverpackung“ zeigen. Und ASTM-konforme Daten zur Wasserdampfdurchlässigkeit (WTVR) geben Ihnen keine Auskunft über die Leitfähigkeit bei beliebigen Temperaturen, es sei denn, Sie kennen die Bedingungen, unter denen die Tests durchgeführt wurden.

Lösen Sie die Verpackungsgleichung

Der Getränkehersteller hat zu viel für überflüssige Verpackungen bezahlt und dennoch die Verbraucher enttäuscht. Die einzige Möglichkeit, das Verpackungsproblem wirklich zu lösen, sind harte Daten. Mit den hochauflösenden Isothermen von VSA können Sie optimierte, temperaturabhängige Wasseraktivitätsgleichungen verwenden, um:

• Bestimmen Sie die tatsächliche Dampfdurchlässigkeit einer Verpackung.
• Berechnen Sie die Zeit, bis ein verpacktes Produkt unter verschiedenen Bedingungen eine kritische Wasseraktivität erreicht.
• Legen Sie die erforderliche Verpackungsleitfähigkeit fest, um die Anforderungen an die Haltbarkeit zu erfüllen.
• Bestimmen Sie die Wasseraktivität eines Produkts nach einer bestimmten Zeit unter verschiedenen Bedingungen.

Weitere Informationen zu kritischer Wasseraktivität, DDI-Kurven, Verpackungsdurchlässigkeit und Vorhersagemodellen finden 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:

• 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.

Zusätzliche Informationen

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

Azanha, A. B. und J. A. F. Faria. „Verwendung mathematischer Modelle zur Schätzung der Haltbarkeit von Cornflakes in flexiblen Verpackungen.“ Packaging Technology and Science 18, Nr. 4 (2005): 171–178. Link zum Artikel.

Carter, Brady P. und Shelly J. Schmidt. „Entwicklungen bei der Bestimmung des Glasübergangs in Lebensmitteln unter Verwendung von Feuchtigkeitssorptionsisothermen.“ Lebensmittelchemie 132, Nr. 4 (2012): 1693–1698. Link zum Artikel.

Risbo, Jens. „Die Dynamik der Feuchtigkeitswanderung in verpackten Mehrkomponenten-Lebensmittelsystemen I: Vorhersagen zur Haltbarkeit für ein Getreide-Rosinen-System.“ Journal of Food Engineering 58, Nr. 3 (2003): 239–246. Link zum Artikel.

Kilcast, David, und Persis Subramaniam, Hrsg. Die Stabilität und Haltbarkeit von Lebensmitteln. Cambridge: CRC Press, 2000. Link zum Artikel.

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 (2000): 171–184. Link zum Artikel.

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

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

Wong, Ee Hua, Yong Chua Teo und Thiam Beng Lim. „Moisture diffusion and vapour pressure modeling of IC packaging” (Feuchtigkeitsdiffusion und Dampfdruckmodellierung bei IC-Gehäusen). In: Electronic Components & Technology Conference, 1998. 48. IEEE, S. 1372–1378. IEEE, 1998. Link zum Artikel.

Yuan, Xiaoda, Brady P. Carter und Shelly J. Schmidt. „Bestimmung der kritischen relativen Luftfeuchtigkeit, bei der der Übergang von glasartig zu gummiartig in Polydextrose unter Verwendung eines automatischen Wasserdampfsorptionsgeräts stattfindet.“ Journal of Food Science 76, Nr. 1 (2011). Artikel-Link.

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