Was Ihnen die Dampfsorption sagen kann und was nicht

In diesem Live-Webinar erläutern unsere AQUALAB-Experten, wie und warum die gleichzeitige Kartierung des Feuchtigkeitsgehalts und der Wasseraktivität - und wie sich diese im Laufe der Zeit verändern - eine neue Welt wertvoller Informationen eröffnen kann.
 

Sie werden es lernen:

• Warum MC und aW zusammen mehr sagen können als einzeln
• Alle Möglichkeiten zur Erstellung von Isothermen sowie die Stärken und Schwächen der einzelnen Methoden
• Interpretation und Verwendung der Sorptionsisothermen für Feuchtigkeit
• Warum Isothermen Texturveränderungen so genau vorhersagen können
• Warum Entscheidungen über Haltbarkeit und Verpackung mithilfe von Isothermen schneller getroffen werden können
• Wie Sie aus Ihren Isothermen geschäftlichen Nutzen ziehen können - sowohl innerhalb als auch außerhalb der F&E-Abteilung

Abschrift, aus Gründen der Klarheit bearbeitet

Brad Newbold (Webinarleiter): Hallo und herzlich willkommen zu "Isothermen verstehen": Was Ihnen die Dampfsorption sagen kann und was nicht. Die heutige Präsentation wird etwa 30 Minuten dauern - es werden prall gefüllte 30 Minuten, das kann ich garantieren - gefolgt von einer Fragerunde mit Dr. Zachary Cartwright und Mary Galloway, Lebensmittelwissenschaftler bzw. Anwendungswissenschaftlerin hier bei AQUALAB. Ohne weitere Umschweife übergebe ich das Mikrofon an Zachary, damit wir beginnen können.

Dr. Zachary Cartwright: Hallo, allerseits. Vielen Dank, dass Sie heute hier sind. Ich freue mich sehr, mit Mary hier zu sein. Wie Brad schon sagte, sind wir hier, um über Isothermen zu sprechen und darüber, was die Dampfsorption aussagen kann und was nicht. Nochmals, mein Name ist Zachary Cartwright und ich sitze hier mit Mary Galloway.

Mary Galloway: Guten Morgen!

Was wir heute behandeln werden

ZC: Fangen wir an. Diese erste Folie ist ein Überblick. Ich möchte Ihnen nur die Richtung zeigen, in die wir heute gehen. Wir werden zunächst getrennt über den Feuchtigkeitsgehalt und die Wasseraktivitäten sprechen und Ihnen dann zeigen, wie wir mehr wissen können, wenn wir diese beiden Messungen miteinander kombinieren. 

Dann werden wir die verschiedenen Möglichkeiten zur Erstellung von Isothermen durchgehen und über einige traditionelle und klassische Methoden sowie DVS- und DDI-Methoden sprechen. 

Sobald wir wissen, was eine Isotherme ist und wie wir sie erstellen können, werden wir darüber sprechen, wie man sie interpretiert und vor allem in der Lebensmittelindustrie einsetzt, aber auch in der Pharmaindustrie, bei Baumaterialien und sogar in der Bodenkunde kann sie verwendet werden. Wir werden uns also mit der Vorhersage von Texturveränderungen befassen und auch Vorhersagen zur Haltbarkeit und zu Verpackungsentscheidungen treffen. 

Am Ende dieser Präsentation werden wir über die Gewinnung von Geschäftswerten aus Isothermen sprechen - wir werden einige Berichte von verschiedenen Unternehmen durchgehen, die Isothermen verwenden, und über einige der Geschäftswerte sprechen, die sie aus ihnen ziehen konnten. 

Wir werden unser Bestes tun, um unsere 30 Minuten einzuhalten. Wir haben heute viel mitzuteilen, und ich bin sicher, wir werden mehr als das tun. Ich hoffe, Sie bleiben uns während der gesamten Präsentation treu. Ich übergebe jetzt an Mary, die über Wasseraktivität und Feuchtigkeitsgehalt sprechen wird.

Isotherme Bestandteile: Feuchtigkeitsgehalt und Wasseraktivität 

MG: In Ordnung. Wenn wir über Feuchtigkeitsmessungen sprechen, geht es hauptsächlich um zwei Dinge. 

Der erste ist der Feuchtigkeitsgehalt - die quantitative Menge an Wasser, die Menge an Wasser in etwas. Er ist wichtig für die Maximierung von Ertrag und Einkommen, denn wenn man den Feuchtigkeitsgehalt erhöhen kann, ist Wasser billig und man kann seinen Ertrag und sein Einkommen steigern. Der Feuchtigkeitsgehalt gibt jedoch kein vollständiges Bild von den Vorgängen, da er nicht prozessbestimmend ist, d. h., wenn es zu Feuchtigkeitsverlagerungen oder anderen Problemen kommt, kann der Feuchtigkeitsgehalt nicht sagen, was Sie wissen müssen. 

Was Sie wissen müssen, ist die Wasseraktivität. Sie ist ein Maß für den Energiestatus des Wassers, und das treibt die Prozesse an - mikrobielles Wachstum, Feuchtigkeitsmigration und so weiter.

Das ist wirklich wichtig für die Produktsicherheit und -qualität. Es gibt Grenzwerte für die Wasseraktivität, insbesondere im Lebensmittelrecht, wo man unter einem bestimmten Grenzwert für die Wasseraktivität bleiben muss, damit das Produkt vor mikrobiellem Wachstum und ähnlichen Dingen sicher ist. Es ist auch ein guter Indikator für Qualität. 

Wenn wir also diese beiden Messungen vornehmen, ermitteln wir einen Zielwert, den der Hersteller zu erreichen versucht. Wenn Sie den Feuchtigkeitsgehalt und die Wasseraktivität messen, haben Sie bereits herausgefunden, wo Sie diesen Wert haben wollen. Dann versucht man einfach, dieses Ziel zu erreichen.

Diese Ziele ergeben sich in der Regel aus der Einhaltung von Vorschriften oder Produktionsspezifikationen. Ein Beispiel für ein Ziel zur Einhaltung von Vorschriften wären Grenzwerte für mikrobielles Wachstum. Hier gilt 0,7 für Schimmel, 0,85 für potenziell gefährliche Lebensmittelmikroben.

Die andere ist für die Produktionsspezifikation. Aber wie werden diese Ziele bestimmt? Wenn wir nur die Wasseraktivität und den Feuchtigkeitsgehalt messen und sie zusammen in ein Diagramm eintragen, erhalten wir diesen einen Datenpunkt. Wir wissen, dass es eine Beziehung zwischen Wasseraktivität und Feuchtigkeitsgehalt gibt, aber das ist nicht das ganze Bild. 

Dies ist nur ein Datenpunkt aus einer ganzen Feuchtigkeitskarte. Hier zeigen wir einen Datenpunkt, der auf der Isotherme dargestellt ist. Sie können sehen, dass er einen ganzen Bereich der Wasseraktivität abdeckt, der Einfluss darauf hat, was mit Ihrer Probe geschieht oder geschehen kann. 

Hier ist eine ganze Isotherme. Es ist wirklich wichtig zu wissen, wo auf dieser Kurve sich Ihr Produkt befindet. Wenn es sich dem Schimmelpilzwachstum nähert oder vielleicht einen hohen Bereich für diese Bräunungsreaktionen erreicht, müssen wir wissen, wo das liegt, damit Sie das vermeiden können.

Eine andere Möglichkeit ist, auf dieser X-Achse anstelle der Wasseraktivität an Sicherheit und Qualität zu denken. Und anstelle des Feuchtigkeitsgehalts können Sie sich das als Ertrag und Einkommen vorstellen. Wenn wir also den "Sweet Spot" finden, an dem Ihr Produkt sein muss, können Sie diese beiden Messwerte maximieren. 

Nun wird Zachary über die klassischen Methoden zur Erstellung von Dampfsorptionsisothermen sprechen.

Verwendung von Exsikkatoren oder Klimakammern zur Erstellung von Sorptionsisothermen für Dämpfe

ZC: Die erste oder traditionelle Methode zur Erstellung einer Isotherme ist die Verwendung einer Reihe von Exsikkatoren oder Klimakammern. Diese Methode wird von vielen Doktoranden angewandt, aber ich bin auch überrascht, wie viele Unternehmen - selbst große Unternehmen - diese Methode weiterhin anwenden. 

Dazu müssen Sie den Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt bei verschiedenen Wasseraktivitäten oder verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeiten bestimmen. Sie könnten also sechs bis neun Kammern mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit verwenden. Es ist sehr wichtig, dass diese bei einer konstanten Temperatur gehalten werden. 

Dann misst man die Gewichtsveränderung, bis man das Gleichgewicht erreicht hat. Sie legen also Ihre Probe in eine dieser Kammern und müssen dann etwa jeden Tag die Probe herausnehmen, das Gewicht messen und sie dann wieder zurücklegen. Das muss man dann so lange wiederholen, bis man ein konstantes Gewicht erreicht hat.

Wie Sie sich vorstellen können, ist dies sehr langsam, erfordert viel Arbeit und man erhält in der Regel nur ein paar Datenpunkte. 

Hier ist ein Beispiel für die Daten, die Sie mit dieser Methode sammeln könnten. Sie sehen hier die roten Datenpunkte für die Wasseraktivität im Vergleich zum Feuchtigkeitsgehalt. Sie werden feststellen, dass es wirklich schwierig ist, irgendein Modell auf diese Daten anzuwenden. Das liegt daran, dass es bei dieser Methode viel Raum für Fehler gibt.

Erstellung von Dampfsorptionsisothermen mit der dynamischen Dampfsorptionsmethode

Es gibt eine neuere Methode, die so genannte DVS (Dynamic Vapor Sorption Method). Sie wurde in den frühen 90er Jahren von Pfizer entwickelt, um Arzneimittel und Hilfsstoffe zu untersuchen und ihre Sorptionseigenschaften zu verstehen. 

Diese Methode ähnelt der vorherigen Folie, bei der wir unsere Probe in einer geschlossenen Kammer halten und immer noch darauf warten, dass sich ein Gleichgewicht einstellt. Der Unterschied ist, dass es sich hier um ein automatisches System handelt, das je nach den von Ihnen vorgenommenen Einstellungen automatisch neue Feuchtigkeitsumgebungen durchläuft. 

Das ist gut, weil es schneller geht und man mehr Datenpunkte erhalten kann. Es ist wirklich gut für die Bewertung von Dingen wie Sorptionskinetik oder wenn Sie eine zeitabhängige physikalische Veränderung wie Kristallisation überprüfen.

Hier ist also ein Beispiel für eine Isotherme, die ich gerne für sprühgetrocknetes Milchpulver zeige. Ich möchte Ihre Aufmerksamkeit auf die rote Kurve, die DVS-Kurve, lenken. 

Diese DVS-Kurve hat etwa sieben Punkte. Auch hier hat jeder dieser Punkte das Gleichgewicht erreicht. 

Ich dachte, es wäre etwas einfacher, diese Methode zu verstehen, wenn wir uns ein Clip-Art-Bild ansehen, um zu verstehen, wie diese Daten gesammelt werden. Stellen Sie sich vor, dass Sie eine geschlossene Kammer haben. In diesem Fall haben wir eine Temperatur von 25˚ C, aber wir könnten eine Reihe von verschiedenen Temperaturen betrachten. Nun werden Sie Ihre Probe in diese geschlossene Kammer geben. Das kann eine Lebensmittel-, eine Pharma- oder eine Bodenprobe sein. Und in diesem Fall haben wir eine Wasseraktivität von 0,3. Unter diesem Gerät befindet sich eine Hochpräzisionswaage. 

Wenn man einen DVS-Test durchführt, kann man sich die Frage stellen, wie lange es dauert, bis unsere Probe eine bestimmte Wasseraktivität erreicht hat. In diesem Fall also, sagen wir mal, wie lange dauert es, von 0,3 Wasseraktivität auf 0,5 Wasseraktivität zu kommen? 

Zu diesem Zweck werden wir unserem System feuchte Luft hinzufügen. Wir können dies in beide Richtungen tun, also mit feuchter oder trockener Luft, aber da wir auf 0,5 steigen müssen, müssen wir feuchte Luft hinzufügen. Dies geschieht, indem Luft in die Kammer gepumpt wird. Dies wird mit einem als PID bezeichneten Algorithmus gesteuert. Dann können wir die relative Luftfeuchtigkeit mit einem Kapazitätssensor überwachen. Wir werden also die relative Luftfeuchtigkeit in dieser Kammer auf 50 % bringen.

Nach unendlich langer Zeit wird die Probe schließlich eine Wasseraktivität von 0,5 erreichen und mit der relativen Luftfeuchtigkeit der Umgebung ins Gleichgewicht kommen.

Wir wissen, dass dieser Test beendet ist, indem wir die Stabilisierung und das Gewicht beobachten. Wir werden also warten, bis die Probe vollständig ausgeglichen ist. Es gibt verschiedene Messungen oder Einstellungen, die wir vornehmen können, um zu wissen, dass wir das Gleichgewicht erreicht haben.

Ich möchte Sie darauf hinweisen, dass in diesem Fall der DVS die relative Luftfeuchtigkeit in der Kammer die Veränderung der Wasseraktivität bestimmt. Mary wird Ihnen eine sehr ähnliche Abbildung für eine andere Methode zeigen, aber der Pfeil zeigt in die entgegengesetzte Richtung. 

Bei DVS sollten Sie auch bedenken, dass wir nach Gewicht equilibrieren, denn auch hier wollen wir die Sorptionskinetik und zeitabhängige physikalische Veränderungen betrachten. Bei den meisten Geräten wird also nur nach Gewicht equilibriert. Wir haben hier bei METER ein Gerät, das sowohl nach Gewicht als auch nach Wasseraktivität equilibriert. Ich bin sicher, dass Mary auch das erwähnen wird.

Nachteile der dynamischen Dampfsorptionsmethode (DVS)

Einige Nachteile dieser Methode sind also folgende: 

1. Das Erreichen eines echten Gleichgewichts kann unendlich viel Zeit in Anspruch nehmen. Es gibt einige Dinge, die man tun kann, um den Testprozess zu beschleunigen, aber sobald man das tut, wird die Gültigkeit der Ergebnisse, die man sammelt, in Frage gestellt. Ein weiterer Punkt ist, dass sich die meisten Instrumente nur auf das Gewicht stützen, wie ich gerade erwähnt habe. Die meisten Geräte messen also nicht direkt die Wasseraktivität. Das bedeutet, dass sie davon ausgehen, dass die relative Luftfeuchtigkeit in der Kammer gleich der Wasseraktivität der Probe ist, aber das ist nicht immer der Fall.
    
2. Der zweite große Nachteil ist, dass es unmöglich ist, Phasenwechsel zu erkennen. Wenn Sie also nach einem Glasübergangspunkt oder einer Art von Texturübergang suchen, kann es fast unmöglich sein, dies mit einer der beiden Methoden zu tun, die wir gerade besprochen haben. 
    
3. Das dritte Problem bei diesen Methoden ist, dass sie die realen Bedingungen nicht wirklich abbilden, denn in der realen Welt sind die Bedingungen in der Regel sehr viel dynamischer und nicht statisch. Man sammelt also nicht wirklich Daten, die wiedergeben, was mit dem Produkt passiert, sobald es die Anlage verlässt. 

Jetzt werden wir über eine dritte Methode sprechen, die dynamische isotherme Taupunktmethode. Mary wird das für uns durchgehen.

Erstellung von Dampfsorptionsisothermen mit der Methode der dynamischen Taupunktisotherme

MG: Für die DDI-Methode werde ich ein ähnliches Beispiel verwenden wie Zachary zuvor. Wir haben unsere Probe mit einer Wasseraktivität von 0,3 in dieser Kammer. Darunter befindet sich auch eine hochpräzise Messwaage. Im Moment steht sie einfach nur da, wir machen nichts damit. Sie wird also die Feuchtigkeit in der Kammer steuern. Wir befinden uns also im Gleichgewicht. Wir haben also 0,3 für die Probe und 30% relative Luftfeuchtigkeit in der Kammer.

Wenn wir uns mit DDI beschäftigen, stellen wir eigentlich andere Fragen als beim DVS. Zum Beispiel: "Wie nimmt meine Probe in einer sich verändernden Umgebung Feuchtigkeit auf oder gibt sie ab?" Daraus ergeben sich die Sorptionseigenschaften, die wir in der realen Welt und in Echtzeit bewerten. 

Wenn wir also wissen wollen, was mit unserer Probe auf dynamische Weise passiert, beginnen wir unseren Test hier. Ähnlich wie Zachary zuvor gesagt hat, werden wir feuchte Luft einfüllen. Wir könnten auch trockene Luft einsetzen und die Probe trocknen, aber in unserem Beispiel werden wir feuchte Luft verwenden.

Wir beginnen den Test, indem wir etwas feuchte Luft einströmen lassen. Im Allgemeinen geben wir eine Durchflussrate für diese feuchte Luft an. Wenn wir die Durchflussrate erhöhen, bedeutet das, dass mehr Wasser in der Atmosphäre und in der Kammer vorhanden ist und die Probe mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann.
Wenn wir den Durchfluss verlangsamen, verlangsamen wir diesen Prozess. Im Allgemeinen verlangsamen wir ihn bei hygroskopischeren Proben und beschleunigen ihn bei Proben, die viel Feuchtigkeit aufnehmen können, ein wenig mehr. 

Wir legen auch eine Auflösung für die Wasseraktivität fest. Normalerweise tun wir dies bei einer Wasseraktivität von 0,01. Auf diese Weise weiß das Gerät, wann es eine Messung vornehmen muss.

Wir beginnen also hier mit unserem Test. Wir werden eine Weile warten. Wie ich schon sagte, wird das Instrument die Wasseraktivität bewerten und hat die Auflösung, die es zu erreichen versucht. Das könnte also fünf Minuten bis zwei Stunden dauern. Das ist unsere Spanne, wie oft es Proben nehmen wird. 

Sagen wir, die Zeit vergeht, und jetzt sind wir bereit, eine Ablesung vorzunehmen. An diesem Punkt hält alles inne. Wir pumpen keine feuchte Luft mehr. Wir lassen die Kammer ein Gleichgewicht zwischen der Probe und der Kammer herstellen und nehmen dann eine Messung vor. 

Wir können sehen, dass die Wasseraktivität um 0,01 gestiegen ist. Das ist genau das, was wir wollen, denn das ist unsere Auflösung. Es beeinflusst auch die Gleichgewichtseinstellung in der Kammer - unsere Kammer ist ebenfalls auf 31 %. Wir werden gleichzeitig eine Gewichtsmessung vornehmen.

In diesem Fall verwenden wir einen Taupunktsensor, der ein extrem genauer Sensor ist, um die Wasseraktivität zu messen. In diesem Fall ist es die Probe, die das Gleichgewicht der Kammer antreibt. Wir lassen das Gewicht nicht ausbalancieren, weil wir die Übergänge, die stattfinden, übertreiben wollen. Wir werden die Auswertung fortsetzen und die Feuchtigkeit zur Verfügung haben, während wir den Test durchführen.

Wenn wir anfangen, die Bindungsstellen zu öffnen, über die Zachary sprechen wird, werden wir eine Veränderung des Gewichts der dramatischen Veränderung sehen, die wir als Übergangspunkt verwenden können. Das hilft uns zu wissen, was in der Probe in Echtzeit passieren wird.

Ich dachte, es wäre vielleicht gut, ein zeitliches Diagramm zu zeigen, wie diese beiden Datensätze aussehen würden. Dies ist für mikrokristalline Zellulose. Auf der X-Achse sehen wir uns nur die Zeit an. Wir haben eine DVS- und eine DDI-Messung vorgenommen, weil mikrokristalline Cellulose eine sehr vorhersehbare Beziehung zu Wasser hat, sie nimmt es auf und gibt es ziemlich gleichmäßig wieder ab, so dass wir keine Übergänge sehen. In diesem Sinne ist das Bild ein wenig langweilig, aber es gibt einen guten Überblick über die beiden Arten von Daten.

Hier sind die roten Spuren das Gewicht. Das Blau ist die Wasseraktivität. Im ersten Abschnitt haben wir das statische DVS. Sie werden sehen, dass wir Linien haben, die zeigen, wo wir die Feuchtigkeit und die Wasseraktivität statisch halten und darauf warten, dass sich das Gewicht ausgleicht. Sobald das geschieht, gehen wir zum nächsten Punkt über. Sie können sehen, wie das Gewicht ansteigt, sich abflacht und wir dann zum nächsten Abschnitt übergehen.

Es sieht so aus, als gäbe es hier eine Menge Daten, aber wir konzentrieren uns wirklich auf diese Punkte der Zusammenarbeit. Bei einer DVS-Isotherme haben wir wirklich 10 Datenpunkte, die wir betrachten, fünf für die Absorption und fünf für die Desorption. 

Wenn wir nach rechts gehen, sehen wir den DDI. Es sieht wie eine schöne glatte Kurve aus, aber jeder einzelne dieser Punkte ist ein schöner Datenpunkt. Wir können also in Echtzeit sehen, wie die Probe den Test durchläuft. DDI, das Überstreichen der Probe mit trockener oder befeuchteter Luft, ist eine patentierte Technologie von METER Group. Es misst auch das Gewicht gravimetrisch, so dass es auch die Wasseraktivität direkt misst. Wir kennen also immer beide Werte für die Sorptionseigenschaften in Echtzeit. Das ist bei vielen der Anwendungen, über die wir sprechen, sehr hilfreich.

Hier erhalten wir Ergebnisse in Tagen, nicht in Wochen oder Monaten, wir haben eine Menge Datenpunkte mit einer wirklich guten Auflösung von 0,01 - und wir können diese erhöhen, wenn wir wollen, es dauert nur etwas länger. Normalerweise machen wir das mit 0,01. 

Wenn wir zu dem von Zachary gezeigten Beispiel für sprühgetrocknetes Milchpulver zurückkehren, sehen wir den DVS in rot, aber sehen Sie sich den DDI in dunkelblau an. Sie werden zwei Übergangspunkte bemerken. 

Insbesondere bei sprühgetrocknetem Milchpulver gibt es einen Glasübergang, der kurz nach 0,4 stattfindet, und dann geht es in eine Kristallisationsphase über. Wenn wir uns also nur auf das DVS verlassen würden, würden wir diese Übergänge übersehen. 

Als Nächstes wird Zachary über die Veränderung der Textur sprechen.

Feuchtigkeits-Sorptions-Isothermen und Veränderungen der Produkttextur

ZC: Vielen Dank, Mary. 

Wenn man über diese Methode der dynamischen Taupunktisotherme spricht, kommt man direkt auf die Veränderung der Textur zu sprechen. Wie Sie bereits sagten, gibt es bei sprühgetrocknetem Milchpulver eine Reihe von Übergängen. Lassen Sie uns darüber sprechen, wie wir bestimmen, wo diese Übergänge stattfinden. 

Um die Textur zu verändern, müssen wir die so genannten kritischen Wasseraktivitäten bestimmen. Dies sind Wasseraktivitäten, die Sie vermeiden müssen, um die gewünschte Textur zu erhalten. Bei wirklich trockenen Produkten, wie z. B. einem Pulver, wäre dies eine Wasseraktivität, die man unterschreiten sollte, um ein Zusammenbacken und Verklumpen oder den Verlust der Fließfähigkeit zu verhindern, aber es könnte sich auch um ein Snackprodukt handeln, bei dem man versucht, ein Verderben oder den Verlust der Knusprigkeit oder einfach den Verlust der gewünschten Textur zu verhindern.

Wir können auch über Produkte mit höherem Feuchtigkeitsgehalt und höherer Wasseraktivität sprechen, wie z. B. Backwaren oder sogar kaltgepresste Riegel - Produkte, bei denen man versucht, Synärese oder den Verlust der gewünschten Textur zu verhindern. Es hängt wirklich von dem Produkt ab, das Sie betrachten, und von der Richtung der Wasserzunahme oder des Wasserverlusts, an der Sie interessiert sind. 

Denken Sie daran, dass Sie eine hochauflösende Isotherme - die dynamische Taupunktmethode - benötigen, um genau festzustellen, wo diese Texturübergänge liegen.

Ich will Ihnen genau zeigen, warum. Dies ist eine Texturanalyse unter Verwendung einer dynamischen Taupunktisotherme, einer Sorptionsisotherme für ein Pulver. Das erste, was Ihnen an diesem Pulver auffallen wird, ist die Form der Kurve. 

Sie werden feststellen, dass sich bei einer sehr geringen Änderung des Feuchtigkeitsgehalts, vielleicht 1 %, die Wasseraktivität um 30 oder 40 % ändern kann. Viele Produkte weisen diese Eigenschaft auf. Dies ist ein wichtiger Grund, warum die Messung der Wasseraktivität so wichtig ist - wegen der Auflösung dieser Messung.

Wenn wir nun diese Isotherme nehmen und uns die zweite Ableitung ansehen, ist die zweite Ableitung im Grunde eine Analyse der Änderungsrate der Steigung dieser Kurve. Mit der zweiten Ableitung können wir Spitzen auf dieser Kurve identifizieren. Und diese Spitzen korrelieren mit der Wasseraktivität, bei der sich der Feuchtigkeitsgehalt am schnellsten ändert. 

Wenn wir also auf diesen Peak klicken oder ihn markieren, können wir sehen, dass er bei 0,67 Wasseraktivität liegt. Das bedeutet also, dass diese Isotherme für dieses Produkt bei 25 Grad Celsius gemessen wurde. Bei 0,67 Wasseraktivität oder 60 % relativer Luftfeuchtigkeit wäre dies also der Glasübergangspunkt für dieses Pulver.

Schauen wir uns diese Isotherme nun genauer an. Auf der nächsten Folie sehen Sie genau dieselbe Isotherme. Und dieser Hersteller hat dieses Pulver ursprünglich mit einer Wasseraktivität von 0,24 hergestellt. Hier unten, bei dieser niedrigen Wasseraktivität, gibt es also nur eine begrenzte Anzahl von Wasserbindungsstellen. Aber sobald man auf 0,67 kommt, kann sich eine Menge Wasser an das Produkt binden. Und je weiter man die Isotherme nach oben verschiebt, desto stärker wird das Produkt verklumpen. Wenn ich also mit diesem Pulverhersteller zusammenarbeiten würde, würde ich ihn vielleicht sogar dazu ermutigen, die Wasseraktivität seines Produkts zu erhöhen, denn er kann seine Wasseraktivität sicher erhöhen und seinen Feuchtigkeitsgehalt leicht anheben, aber immer noch weit unter dem Texturübergangspunkt bleiben.

Verwendung von Sorptionsisothermen, um zu prüfen, wie gut Filme und Beschichtungen Feuchtigkeit zurückhalten oder abweisen

Ich habe hier noch ein paar andere Beispiele für Texturübergänge oder Dinge wie Beschichtungen und Filme eingefügt. Das nächste Beispiel sind Isothermen für Blaubeeren. Und hier sehen wir uns Desorptionskurven an. Wir versuchen also zu verstehen, wie diese Blaubeeren das Wasser festhalten. 

Ganz rechts sehen Sie eine Kurve für Blaubeeren ohne irgendeine Art von Film auf ihnen. Sie haben also einen etwas niedrigeren Feuchtigkeitsgehalt hier oben. Und dann sehen Sie, dass sie einen kritischen Punkt von etwa 0,27 Wasseraktivität haben. Das bedeutet, dass der Feuchtigkeitsgehalt dieser Blaubeeren bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von etwa 27 % plötzlich abfällt.

Wenn wir nun einen Film oder eine Beschichtung auf diese Blaubeeren auftragen, werden Sie zwei Dinge feststellen. Erstens ist der anfängliche Feuchtigkeitsgehalt etwas höher, und die kritische Wasseraktivität ist nun geringer. Es braucht also eine noch trockenere Umgebung mit etwa 24 % relativer Luftfeuchtigkeit, bevor diese Blaubeeren ihre Feuchtigkeit verlieren. Ich dachte also, dass dies ein wirklich gutes Beispiel ist, wenn man versucht, Wasser in einem Produkt zu halten.

Nun können wir das genaue Gegenteil betrachten, nämlich den Versuch, Wasser aus einem Produkt herauszuhalten. Dies ist ein Beispiel oder einige Daten, die für Saatgut gesammelt wurden. 

In Blau sehen Sie also unbeschichtetes Saatgut, in das Wasser eindringen kann, und Sie haben einen höheren Feuchtigkeitsgehalt bei gleicher Wasseraktivität im Vergleich zu Saatgut mit anderen Beschichtungen. Ganz gleich, ob Sie versuchen, Wasser in einem Produkt oder aus einem Produkt heraus zu halten, Isothermen können eine großartige Methode sein, um zu verstehen, wie effektiv Ihre Beschichtung oder Ihr Film funktioniert. 

Als Nächstes werden wir über die Haltbarkeit und die Wahl der Verpackung sprechen, also übergebe ich das Wort wieder an Mary.

Verwendung von Dampfsorptionsisothermen zur Analyse von Haltbarkeit und Verpackungsleistung

MG: Ich werde oft gefragt , wie man die Haltbarkeitsdauer berechnet. 

Für die Berechnung müssen Sie die Sorptionseigenschaften des Produkts, insbesondere die Isotherme, und die Lagerbedingungen berücksichtigen. Wir müssen wissen, welchen Bedingungen das Produkt ausgesetzt sein wird. Also: Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, atmosphärischer Druck und schließlich die Verpackung. Hierfür benötigen wir die Oberfläche, die Masse des Produkts in der Verpackung und die sehr wichtige Wasserdampfdurchlässigkeit.

Die Verpackung ist also das, was Ihr Produkt vor äußeren Einflüssen schützt. Wenn Sie also eine gute Verpackung haben, wird sie den Dampf, der hindurchgehen kann, begrenzen. 

Fangen wir also damit an, wie ich diese Berechnung durchführe. Ich beginne also mit der Erstellung einer Isotherme. Und dies ist eine Isotherme für Müsli. Ich interessiere mich nur für die Absorption. Ich habe also diese Datei nur für die Absorption erstellt. Nun möchte ich für mein Produkt, einen Müsliriegel, wissen, dass die Haltbarkeit durch die Veränderung der Textur begrenzt wird. Dies ist ein knuspriger Müsliriegel, und wir wollen nicht, dass er schal wird oder weich oder was auch immer. Es wird also die Beschaffenheit sein, die unsere Haltbarkeitsdauer beenden wird.

Wenn wir uns also diese Isotherme hier ansehen, könnte es schwierig sein, die spezifischen Übergänge, die stattfinden, herauszufinden. Wir verwenden daher die zweite Ableitung nach Savitzky-Golay. Im Grunde wird die Steigungsänderung ausgewertet und die Spitzen und Täler in diesem unteren Diagramm in Blau hervorgehoben. 

Diese Frage bekomme ich auch oft gestellt, denn Sie werden feststellen, dass es zwei Spitzen gibt. Und Spitzen bedeuten, dass es eine Wasseraufnahme gibt. Wir erhöhen die Feuchtigkeit. Und ich werde immer wieder gefragt, welche ich wählen soll. Es gibt den kleineren Wert, der kurz nach 0,4 liegt. Und dann gibt es eine größere, die bei 0,7 liegt.

Man neigt vielleicht dazu, den höheren Wert zu wählen, aber eigentlich wollen wir wissen, wann er zuerst übergeht. Die Wasseraktivität dieses Müsliriegels liegt von Natur aus bei etwa 0,2. Wenn wir also nach oben gehen und die Wasseraktivität erhöhen, wollen wir wissen, wann dieser Übergang zum ersten Mal erreicht wird. 

Ich möchte also den ersten Übergang verwenden. Und der erste Übergang ist genau dort bei 0,42 Wasseraktivität. Das ist also derjenige, den ich für meine Berechnungen verwenden werde. Ich werde nicht den größeren Übergang verwenden, denn wenn wir dort ankommen, hat er sich bereits verändert.

Nun gut. Das ist also der Rechner, den wir hier bei METER benutzen. Sie können einige der Informationen sehen. Wir werden ein wenig von dem durchgehen, worüber ich zuvor gesprochen habe. 

Für meinen Müsliriegel wird also die von mir gewählte Luftfeuchtigkeit, 65 % relative Luftfeuchtigkeit, verwendet. Wir haben einen atmosphärischen Druck von 100 kPa und eine Temperatur von 25 Grad C. Da es sich hier nur um einen kleinen Müsliriegel handelt, haben wir eine sehr kleine Probe von 35 Gramm. Die Oberfläche ist auch ziemlich klein, aber wir sind in Metern zum Quadrat. Das ist also alles gut.

Und dann habe ich eine als meine Wasserdampfdurchlässigkeitsrate gewählt, die eigentlich eine ziemlich gute Verpackung in Gramm Quadratmeter pro Tag ist. Und dann beginnen wir mit der anfänglichen Wasseraktivität, über die ich gesprochen habe. Sie beginnt also bei 0,2. Und dann die kritische Haltbarkeitsdauer. Wenn die Wasseraktivität diesen Punkt erreicht, endet die Haltbarkeit. Ich habe 0,42 angegeben, weil ich möchte, dass es leicht nachvollziehbar ist. Sie können sehen, woher ich diesen Datenpunkt habe. Ich stimme Zachary zu, dass ich wahrscheinlich nicht 0,42 angeben würde, denn wenn es diesen Wert erreicht, beginnt es bereits, sich ein wenig zu verändern. Wir wollen nicht, dass es so nahe herankommt.

Ich würde also empfehlen, die kritische Wasseraktivität ein wenig zu senken, vielleicht auf 0,4 oder 0,38, um sicherzugehen, dass wir uns dem Übergang nicht nähern. Aber für dieses Beispiel werden wir sie bei 0,42 belassen. 

In dieser Isotherme habe ich sie beschnitten. Sie können sehen, dass sie keine höhere Wasseraktivität aufweist. Ich werde mich auf den Bereich konzentrieren, an dem ich interessiert bin. Der Bereich der Wasseraktivität, der mich interessiert, und ich möchte sicherstellen, dass ich den Bereich zwischen dem Anfang und dem kritischen Punkt gut modelliere. So kann ich eine gute Darstellung dieser Daten erhalten. 

Schauen wir also hier nach. Wir verwenden gerne das DLP, das ein doppeltes logarithmisches Polynom ist. Und wir haben hier einen wirklich großartigen R-Quadratwert von 0,9996. Es ist also eine wirklich gute Anpassung. Sie können auch andere Modellierungsgleichungen wie die GAB oder die BET verwenden. Diese haben jedoch einige Einschränkungen. Aber was uns wirklich wichtig ist, ist eine gute Anpassung an die Daten, denn nur so lassen sich gute Vorhersagen treffen. Es spielt also keine Rolle, um welche Methode es sich handelt, solange sie Ihre Daten korrekt modelliert.

Wir sind wieder da, wo wir waren. Wenn ich nun diese Isotherme einfüge, werde ich die beschnittene Isotherme einfügen. Ich möchte diejenige eingeben, die eine wirklich gute Modellanpassung aufweist. Und von hier aus berechne ich dann die Lagerfähigkeit. 

Wenn ich das für diesen Müsliriegel unter diesen Bedingungen mache, ist er 151 Tage haltbar. Das sind etwa fünf Monate. Das ist also nicht schlecht, aber sagen wir mal, das ist nicht ganz das, was Sie sich erhoffen. Vielleicht erhoffen Sie sich für dieses Müsli ein ganzes Jahr. Wie können wir das also herausfinden? Was können wir ändern? Und in diesem Fall ist es wirklich einfach. Was wir ändern würden, ist die Wasserdampfdurchlässigkeitsrate. Daraus können wir ableiten, welche Verpackung uns die gewünschte Haltbarkeit bietet.

Dies ist also eine ähnliche Berechnung, aber jetzt mit denselben Daten, die wir zuvor eingegeben haben, aber jetzt geben wir statt der Wasserdampfdurchlässigkeitsrate die Haltbarkeit ein, die wir erreichen wollen. Wir geben dieselbe reduzierte Isotherme ein, die eine gute Modellanpassung aufweist, und drücken die Berechnung. 

Und jetzt wissen wir, dass unsere Verpackung mit einer Wasserdampfdurchlässigkeit von 0,42 unter diesen Bedingungen ein ganzes Jahr lang haltbar ist. Und das ist sehr ähnlich wie bei einer Folienverpackung. Das passt also sehr gut. 

Als nächstes wird Zachary über den geschäftlichen Nutzen von Isothermen sprechen.

Wie man den Feuchtigkeitsgehalt mit Hilfe von Dampfsorptionsisothermen gewinnbringend maximiert

ZC: In Ordnung. Dies ist also der letzte Abschnitt unseres heutigen Webinars. 

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, wie man aus Isothermen geschäftlichen Nutzen ziehen kann. Wir haben uns heute vor allem auf die Textur der Haltbarkeit konzentriert. Aber ich habe versucht, dies in drei Hauptpunkten zusammenzufassen, die ich bei Kunden sehe, die Isothermen verwenden. 

Die erste Maßnahme zur Steigerung des geschäftlichen Nutzens besteht also einfach darin, den Feuchtigkeitsgehalt zu maximieren, um Gewinne zu erzielen. Sie können also eine Isotherme verwenden, um die maximale Menge an Feuchtigkeit zu ermitteln, die Ihre Produkte enthalten, während Sie Ihre Qualität und Ihre Sicherheit aufrechterhalten. Sie können also die ideale Textur beibehalten oder das Auftreten bestimmter chemischer Reaktionen verhindern und gleichzeitig die Sicherheit und den mikrobiologischen Grenzwert einhalten.

Viele Produkte werden nach Gewicht verkauft, insbesondere in der Lebensmittelindustrie. Je mehr Wasser Sie also verkaufen können, desto höher sind Ihre Einnahmen. 

Es ist ziemlich einfach. Wasser ist die billigste Zutat in Ihrer Rezeptur. Wenn Sie also in der Lage sind, die Wassermenge zu erhöhen, kann dies zu einer Steigerung Ihrer Einnahmen beitragen. 

Hier ist ein Beispiel dafür, wie Sie das tun können. Der erste Schritt besteht darin, die Leitplanken festzulegen. Damit meine ich, dass Sie die akzeptablen Bereiche für Wasseraktivität und Feuchtigkeitsgehalt festlegen. Dies ist also ein Beispiel für Cannabis. Und hier sehen wir uns die Desorptionskurve an. Diese hat eine ideale Wasseraktivität zwischen 0,56 und 0,63 Wasseraktivität. Wir wissen das, weil bei diesem speziellen Produkt ein Unterschreiten dieser Wasseraktivität einen Qualitätsverlust bedeutet. Man beginnt, Terpene zu verlieren und die Qualität der Knospe ist nicht mehr dieselbe. Wenn man über diese Wasseraktivität hinausgeht, bedeutet das einen Verlust an Sicherheit. Dies ist also ein Bereich, in dem es zu Schimmel und mikrobiellem Wachstum kommen kann.

Wenn wir also unseren idealen Wasseraktivitätsbereich festgelegt haben und die Desorptionsisotherme verwenden, können wir diesen mit dem Feuchtigkeitsgehalt in Beziehung setzen. Und das ist wichtig, denn alles, was unter diesem idealen Feuchtigkeitsgehalt liegt, bedeutet Ertrags- und Einnahmeverluste. 

Durch die Verwendung dieser Isotherme und die Kenntnis der Wasseraktivität können wir also den optimalen Punkt für die Optimierung all dieser Faktoren finden, die wir berücksichtigen wollen.

Der zweite Schritt besteht nun darin, die Schwankungen in der Produktion zu verringern. Sobald wir also den Ziel-Feuchtigkeitsgehalt mithilfe unserer Isotherme festgelegt haben, ist es wirklich wichtig, die Überwachung Ihres Produkts während der Produktion zu verstärken. Dies kann zu drei Dingen führen: geringere Schwankungen, ein höherer Feuchtigkeitsgehalt und auch sicherere Produkte. 

Lassen Sie mich Ihnen genau zeigen, was ich meine. Hier ist ein Beispiel, bei dem der durchschnittliche Feuchtigkeitsgehalt bei 9 % liegt. Die Schwankungsbreite liegt bei etwa plus/minus 1 %. Sie werden feststellen, dass einige der Produkte ihre Sicherheitsgrenze überschreiten und dass es eine große Bandbreite in der Produktion gibt.

Wenn Sie nun beginnen, dies zu überwachen und den Feuchtigkeitsgehalt zu erhöhen, könnten Ihre Ergebnisse folgendermaßen aussehen. 

Jetzt haben Sie also einen durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt von 0,95 %, eine kleinere Spanne, vielleicht plus oder minus 0,5 % Feuchtigkeitsgehalt. Und Sie verhindern auch, dass einige Ihrer Produkte über diese Sicherheitsgrenze hinausgehen. 

Schauen wir uns also ein Beispiel aus der Praxis an. Dies ist ein Beispiel für den Geschäftswert eines Tierfutterherstellers hier in den USA. Das Unternehmen hat eine wirklich große Jahresproduktion. Als wir anfingen, mit diesem Unternehmen zusammenzuarbeiten, hatte es einen Zielwert für den Feuchtigkeitsgehalt von etwa 10 %. 

Indem wir uns die Isotherme ansahen und ein neues Ziel für die Wasseraktivität festlegten, konnten wir diesem Unternehmen zeigen, dass es mit 10,4 % produzieren und dabei seine Sicherheit und Qualität aufrechterhalten konnte. Also nur eine kleine Änderung des Feuchtigkeitsgehalts.

Aber lassen Sie uns die finanziellen Auswirkungen betrachten. Hier ist ein Beispiel für ein Diagramm, das dem der letzten Folie sehr ähnlich ist, wo Sie den Anstieg des Feuchtigkeitsgehalts und die geringeren Schwankungen sehen können. Hier ist es nicht so gut zu sehen, aber es wird auch verhindert, dass die Produkte die Sicherheitsgrenze überschreiten. 

Da dieses Unternehmen nun seine Rohstoffe durch Wasser ersetzen konnte, hat es eine Menge an Rohstoffen eingespart, und da es viel für die Rohstoffe oder Inhaltsstoffe bezahlt, hatte es nach einem Jahr eine jährliche Ertragssteigerung von über einer Million Dollar für dieses Produkt oder diese Formulierung. 

Dieses Beispiel gefällt mir sehr gut, weil es zeigt, wie eine sehr kleine Veränderung des Feuchtigkeitsgehalts große Auswirkungen auf die Finanzen eines Unternehmens haben kann.

Verwendung von Dampfsorptionsisothermen zur Beschleunigung von Produktformulierungsprozessen und zur Senkung der F&E-Kosten

Der zweite Weg, auf dem Isothermen einen geschäftlichen Mehrwert schaffen können, ist die Beschleunigung von Formulierungsprozessen und die Reduzierung von F&E-Kosten. 

Ich bin froh, dass Mary Ihnen die Modellierung gezeigt hat, denn damit lässt sich die Feuchtigkeitsmigration eines neuen Produkts quantifizieren, die Isotherme eines neuen Rezepts visualisieren und auch die Gleichgewichtswasseraktivität vorhersagen. All diese Dinge können also bereits vor der Herstellung des Endprodukts durchgeführt werden. Voraussetzung dafür ist lediglich, dass man eine Isotherme für jeden der Inhaltsstoffe hat.

Dies ist also ein Beispiel für die Verwendung des DLP-Zutatenmischwerkzeugs. In diesem Fall werden wir uns kaltgepresste Riegel ansehen. 

Stellen Sie sich also vor, Sie machen einen Kaltpressriegel. Der Einfachheit halber verwenden wir hier nur drei Zutaten, aber Sie können so viele Zutaten hinzufügen, wie Sie möchten. Hier haben wir es also mit Dattelpaste, Blaubeeren und Cashews zu tun. Sie müssen nur einige Informationen über ihre Wasseraktivität, ihren anfänglichen Feuchtigkeitsgehalt eingeben. Und dann können Sie auch noch eine Masse hinzufügen. So können wir uns verschiedene Massenverhältnisse ansehen. 

Wenn Sie hier auf "Berechnen" klicken, werden Ihnen die Isothermen angezeigt. Hier haben wir also die Isothermen für die Dattelpaste, die Blaubeeren und die Cashews. Anhand dieser Informationen und durch Modellierung können wir eine kombinierte Isotherme erhalten. So können wir beginnen, das Endprodukt zu verstehen, noch bevor wir es herstellen. Und wir können auch ein Gleichgewicht oder eine endgültige Wasseraktivität erhalten.

Unterhalb dieses Diagramms finden Sie einige zusätzliche Informationen. Sie sehen hier die endgültige Wasseraktivität sowie die Koeffizienten für die Isotherme. Diese Koeffizienten wurden auf dem Bildschirm angezeigt, den Mary vorhin für die Modellierung gezeigt hat, aber diese Koeffizienten können tatsächlich in dem von Mary gezeigten Haltbarkeitsrechner verwendet werden, so dass Sie sogar die Haltbarkeitsdauer vorhersagen und anfangen können, über Ihren Verpackungsbedarf für ein Produkt nachzudenken, das noch gar nicht hergestellt wurde.

Und schließlich, hier drüben auf der rechten Seite, finden Sie Informationen über den Feuchtigkeitsgehalt. So können Sie nachvollziehen, in welche Richtung sich das Wasser zwischen Ihren Zutaten bewegt. Hier ist ein Beispiel oder ein Bericht von einem Unternehmen, das diese Art von Technologie verwendet. 

Das höre ich immer wieder von Wissenschaftlern aus Forschung und Entwicklung. Es dauert einfach zu lange, neue Produkte auf den Markt zu bringen. Durch die Verwendung von Isothermen kann man diese Produkte viel schneller verstehen und Probleme erkennen, bevor sie auftreten. Der geschäftliche Nutzen besteht hier einfach darin, dass man Produkte schneller auf den Markt bringen kann. 

Dieses Unternehmen konnte seine Produkte etwa fünfmal schneller auf den Markt bringen, indem es die Produktionszeit für ein neues Produkt von etwa fünf Monaten auf einen Monat verkürzte. Und in vielen Fällen konnten sie dadurch als erste ein neues Produkt oder eine neue Geschmacksrichtung auf den Markt bringen.

Wie die Dampfsorptionsisothermen Produktrückrufe und andere Sicherheits- und Qualitätsprobleme verhindern können

Nun gut. Das dritte Beispiel für die Nutzung von Isothermen für Ihr Unternehmen ist die Gewissheit, dass Ihr Produkt seine Sicherheit und Qualität beibehält, sobald es Ihre Anlage verlässt. 

Die Isothermenanalyse ermöglicht es den Unternehmen also, unerwünschte Texturveränderungen zu verhindern, wie wir bereits besprochen haben, Rückrufe zu vermeiden, insbesondere aufgrund von mikrobiellen Herausforderungen oder mikrobiellen Problemen, und auch Entscheidungen über die Haltbarkeit und Verpackung zu treffen, wie wir bereits besprochen haben.

Daher nur ein kurzer Bericht zu jedem dieser Themen. 

Der erste ist für ein Unternehmen, das Proteinpulver herstellt. Wir sehen das immer wieder. Viele Unternehmen haben mit Anbackungen und Verklumpungen oder dem Verlust der Fließfähigkeit zu kämpfen. In diesem Fall hatte das Unternehmen bei etwa fünf bis 10 % seiner Gesamtproduktion mit diesem Problem zu kämpfen. Das Ergebnis war, dass das Unternehmen entweder das Produkt überarbeiten oder das Produkt loswerden musste. Und der Ruf des Unternehmens wurde in vielen Fällen geschädigt. Die Lösung bestand darin, dass man begann, Isothermen zu verwenden. Sie erkannten, dass sie viel zu nahe an ihrem Glasübergangspunkt produzierten. Dank dieser Informationen und der Verwendung von Isothermen, um die richtigen Verpackungsentscheidungen zu treffen, liegt die Anbackungsrate jetzt unter 0,1 %. Dieses Problem kostete im Vorjahr über 500.000 Dollar an Produktverlusten, die nun aber durch die richtigen Daten und Erkenntnisse wirklich reduziert werden konnten.

Das nächste Beispiel bezieht sich auf ein Unternehmen, das gesunde Snacks herstellt. Dieses Unternehmen hatte eine Rückrufaktion aufgrund von Schimmelbeschwerden seiner Kunden. Wir untersuchten dieses Produkt und konnten bei einer isothermen Analyse feststellen, dass eine Temperatur von etwa 35 Grad Celsius die Wasseraktivität auf über 0,7 ansteigen ließ. Hätte das Unternehmen also vorher Isothermen verwendet, hätte es die Beziehung zwischen Wasseraktivität und Temperatur wirklich verstehen können. Jetzt verwendet das Unternehmen Isothermen, um seine Produktspezifikationen festzulegen und genau zu verstehen, welche Temperaturen es vermeiden muss. Dieser erste Rückruf kostete über 700 und 50.000 Dollar. Und das ist etwas, das völlig vermeidbar gewesen wäre, wenn das Forschungs- und Entwicklungsteam rechtzeitig über diese Erkenntnisse verfügt hätte.

Und das letzte Beispiel betrifft ein Verpackungsunternehmen. Dieses Verpackungsunternehmen arbeitete mit einem Kunden zusammen, der eine umweltfreundlichere Verpackung verwenden wollte, und konnte mithilfe von Isothermen schnell die Wasserdampfdurchlässigkeit ermitteln, die erforderlich ist, um die gewünschte Haltbarkeitsdauer zu erreichen.

Das ist wirklich gut, denn dieses Unternehmen kann seinen Kunden bei der Umstellung ihrer Verpackungen helfen und ihnen eine Menge Zeit für Forschung und Entwicklung ersparen und spätere Probleme vermeiden. Ich sehe das oft, vor allem jetzt, wo Unternehmen ihre Verpackungen ändern, sei es, weil sie etwas Umweltfreundlicheres wollen, oder weil sie Probleme haben, die benötigte Verpackung zu bekommen, und auf etwas Neues umsteigen müssen. 

Wir werden hier also mit einer Zusammenfassung enden. Und ich überlasse es dir, Mary, das durchzugehen.

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

MG: Ja. Ich hoffe, Sie haben das Gefühl, dass wir besprochen haben, warum der Feuchtigkeitsgehalt und die Wasseraktivität zusammen viel mehr Informationen liefern können als nur ein Datenpunkt, wenn man nur einen dieser beiden Werte abliest. 

Ich hoffe, Sie verstehen jetzt, wie Sie eine Isotherme erstellen können, und können anfangen, darüber nachzudenken, wie Sie sie interpretieren und verwenden können. Und überraschenderweise haben Zach und ich, obwohl ich weiß, dass dieser Artikel sehr lang ist und viele Informationen enthält, noch gar nicht alle Möglichkeiten der Isothermenerstellung durchgesprochen. Auf unserer Website finden Sie weitere produktspezifische Informationen, oder Sie können sich an uns wenden. 

Wir wollten uns auf die Vorhersage von Texturveränderungen und die Vorhersage der Haltbarkeit konzentrieren, denn das sind die häufigsten Fragen, die wir erhalten. 

Und hoffentlich haben Sie auch schon darüber nachgedacht, wie Sie aus den Isothermen einen geschäftlichen Nutzen ziehen können.

F&A #1: Können isotherme Daten innerhalb der METER-Software getrimmt werden, oder muss man ein externes Programm verwenden?

MG: Nein, das ist in der Software enthalten, was sehr schön ist. Man muss nicht exportieren. Man kann es, aber man kann eine Menge Dinge innerhalb der Software tun. 

Und um Ihre Daten zu trimmen, um diese Modellanpassungen herauszufinden, um die Übergangspunktanalyse zu erstellen - all das ist in der Software enthalten. Es ist also sehr praktisch. Sie müssen die Daten nicht exportieren und alles in Excel nachbearbeiten.

F&A #2: Wie sollte eine Isotherme für Brotprodukte erstellt werden, wenn es eine Feuchtigkeitsmigration gibt, während der Feuchtigkeitsgehalt aufgrund des guten Verpackungsmaterials stabil bleibt?

MG: Das ist eine wirklich gute Frage, denn es gibt eine Feuchtigkeitsmigration innerhalb des Produkts. Und irgendwann gleicht sich das aus. 

Wenn Sie aber das Problem haben, dass dies nach dem Verpacken unerwünscht ist und die Gleichgewichtslage erreicht ist, können wir und ich würde vorschlagen, die Isothermen zu untersuchen, indem wir sie auseinanderziehen und zwei verschiedene Isothermen für die Krume und die Kruste erstellen. Und dann können Sie hoffentlich eine Formulierung finden. 

Es wird ein bisschen dauern, aber man kann sie so formulieren, dass sie als gleichgewichtiges Produkt enden, mit dem beide zufrieden sind. Und in diesem Fall können Sie wahrscheinlich das Beispiel mit den Mischungsbestandteilen verwenden, das Zachary für die Riegel hatte.

F&A #3: Brauche ich wirklich Isothermen? Wir verwenden die Methode von Versuch und Irrtum, um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie die Dinge aussehen, schmecken und so weiter.

ZC: Ich denke, Sie könnten sich viel Zeit sparen, wenn Sie einfach mit der Isotherme beginnen und den kritischen Punkt ermitteln. 

Wir haben viele Analysen durchgeführt, bei denen wir, sobald wir den kritischen Punkt, sagen wir für ein Kakaopulver oder etwas Ähnliches, identifiziert haben, das Pulver auch bei der relativen Luftfeuchtigkeit halten, die diese Texturveränderung verursacht. Und dann wird ein sensorisches Panel durchgeführt, um zu sehen, ob man einen Unterschied feststellen kann. Und normalerweise stimmt das perfekt überein. Wir sehen also eine Korrelation zwischen dem Sensorikpanel und dem Halten des Produkts an diesem kritischen Punkt.

In den meisten Fällen habe ich also eine Korrelation festgestellt. Und wenn Sie mit der Isotherme beginnen, hoffe ich, dass dieses Webinar Ihnen zeigt, dass Sie mit der dynamischen Methode genau die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit bestimmen können, die zu einer kritischen Veränderung oder einer Veränderung der Textur oder einer anderen Art von Veränderung führen, die Sie für dieses Produkt suchen. 

Ich denke also, dass Sie sich eine Menge Zeit sparen können, wenn Sie einfach mit der Isotherme beginnen. Möchten Sie noch etwas hinzufügen, Mary?

MG: Nun, das Einzige, was ich noch hinzufügen möchte, ist, dass wir ganz am Anfang diese Feuchtigkeitskarte gezeigt haben, die zeigt, wie die Wasseraktivität mit einigen der möglichen Prozesse zusammenhängt und diese verschlimmert. 

Wenn Sie also wissen, woran Sie sind, können Sie all diese Informationen berücksichtigen. Sie können die Isotherme durchführen und die kritische Aktivität ermitteln. Vielleicht ist die Lipidoxidation ein Problem für Ihr Pulver oder ein Problem der Bräunung. Und dann kann man all diese Informationen zusammenfügen und versuchen, etwas zu formulieren, das eine lange Stabilität aufweist.

F&A #4: Gibt es Vorschläge für die Härtung von Proteinriegeln in Bezug auf den Feuchtigkeitsgehalt und die Wasseraktivität, um eine gute Haltbarkeit zu gewährleisten?

ZC: Ja. Wenn Ihr Proteinriegel also härter wird, verlieren Sie wahrscheinlich etwas Feuchtigkeit aus dem Riegel. Und das ist vielleicht etwas, das wir uns mit einer Desorptionskurve ansehen wollen, um zu verstehen, dass es einen kritischen Punkt gibt, an dem man anfängt, viel Wasser aus dem Produkt zu verlieren, wenn man sich an das Blaubeerbeispiel erinnert. 

Ähnlich verhält es sich mit diesem Balken, bei dem man beim Desorbieren gerade einen kritischen Punkt erreicht, über dem man bleiben muss. Obwohl wir uns heute mit der Absorption befasst haben, können wir die Berechnungen zur Haltbarkeit, die Mary untersucht hat, auch in umgekehrter Richtung durchführen. Wir können eine Desorptionskurve verwenden und dann verschiedene Bedingungen bewerten, die dazu führen können, dass Wasser aus Ihrem Produkt entfernt wird. Wir können also beide Richtungen der Adsorption oder Desorption, die Aufnahme von Wasser oder den Verlust von Wasser, untersuchen. Wir müssen nur den richtigen Test durchführen und die richtigen Daten sammeln.

Nächste Schritte

Ähnlicher Artikel: Einführung in die Wasseraktivität (aw): Der Leitfaden für Einsteiger zur Rolle der Wasseraktivität bei der Lebensmittelqualität 

Siehe die AQUALAB VSA Vollständige Analyse der Sorptionsisotherme