In diesem Live-Webinar erläutern unsere AQUALAB-Experten, wie und warum die gemeinsame Erfassung von Feuchtigkeitsgehalt und Wasseraktivität – und deren Veränderung im Laufe der Zeit – eine neue Welt wertvoller Informationen eröffnen kann.

Sie lernen:

• Warum MC und aW zusammen mehr aussagen können als jeder für sich allein
• Alle Möglichkeiten zur Erstellung von Isothermen sowie die Stärken und Schwächen der einzelnen Methoden
• Wie Sie Ihre Feuchtigkeitsaufnahmeisothermen interpretieren und nutzen können
• 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 Forschungs- und Entwicklungsabteilung

Moderatoren

Mary Galloway ist leitende Wissenschaftlerin im Forschungs- und Entwicklungslabor von AQUALAB. Sie ist spezialisiert auf die Verwendung und Prüfung von Instrumenten, die die Wasseraktivität und deren Einfluss auf physikalische Eigenschaften messen. Sie hat mit vielen Kunden zusammengearbeitet, um Probleme mit Produkten im Zusammenhang mit Feuchtigkeit zu lösen.

Zachary Cartwright ist leitender Lebensmittelwissenschaftler bei AQUALAB. Er unterstützt Kunden bei der vollständigen Feuchtigkeitsanalyse ihrer Produkte und ist Experte für den Einsatz des Vapor Sorption Analyzer (VSA). Er hat einen Doktortitel in Lebensmittelwissenschaft von der Washington State University und einen Bachelor-Abschluss in Biochemie von der New Mexico State University.

Transkript, zur besseren Verständlichkeit bearbeitet

Brad Newbold (Webinar-Moderator): Hallo zusammen und herzlich willkommen zu „Isothermen verstehen: Was die Dampfsorption Ihnen verraten kann und was nicht“. Die heutige Präsentation dauert etwa 30 Minuten – es werden garantiert 30 Minuten voller Informationen sein –, gefolgt von einer Fragerunde mit Dr. Zachary Cartwright und Mary Galloway, Lebensmittelwissenschaftler bzw. Anwendungswissenschaftlerin hier bei AQUALAB. Ohne weitere Umstände übergebe ich nun das Mikrofon an Zachary, damit wir beginnen können.

Dr. Zachary Cartwright: Hallo zusammen. Vielen Dank, dass Sie heute dabei sind. Ich freue mich sehr, hier mit Mary zu sein. Wie Brad bereits sagte, wollen wir heute über Isothermen sprechen und darüber, was man mit Dampfsorption herausfinden kann und was nicht. Noch einmal: 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. Die erste Folie ist eine Übersicht. Ich möchte Ihnen nur zeigen, in welche Richtung wir heute gehen werden. Wir beginnen damit, separat über Feuchtigkeitsgehalt und Wasseraktivität zu sprechen, und zeigen Ihnen dann, wie wir mehr erfahren können, wenn wir diese beiden Messungen miteinander kombinieren.

Anschließend werden wir alle verschiedenen Möglichkeiten zur Erstellung von Isothermen durchgehen und dabei einige traditionelle und klassische Methoden sowie DVS- und DDI-Methoden behandeln.

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. Sie kann aber auch in der Pharmaindustrie, bei Baumaterialien oder sogar in der Bodenkunde verwendet werden. Wir werden uns also mit der Vorhersage von Texturveränderungen und der Prognose der Haltbarkeit sowie mit Verpackungsentscheidungen befassen.

Am Ende dieser Präsentation werden wir dann darüber sprechen, wie man aus Isothermen geschäftlichen Nutzen ziehen kann – wir werden einige Berichte von verschiedenen Unternehmen, die Isothermen einsetzen, durchgehen und über den geschäftlichen Nutzen sprechen, den sie daraus ziehen konnten.

Wir werden unser Bestes tun, um uns an die 30 Minuten zu halten. Wir haben heute viel zu erzählen, und ich bin mir sicher, dass wir die Zeit überschreiten werden. Ich hoffe, Sie bleiben während der gesamten Präsentation dabei. Nun übergebe ich das Wort an Mary, die über Wasseraktivität und Feuchtigkeitsgehalt sprechen wird.

Isotherm-Inhaltsstoffe: Feuchtigkeitsgehalt und Wasseraktivität

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

Der erste Faktor ist der Feuchtigkeitsgehalt – die quantitative Wassermenge, die Wassermenge in einem Material. Dies ist wichtig für die Maximierung von Ertrag und Umsatz, denn wenn Sie den Feuchtigkeitsgehalt erhöhen können, ist Wasser billig und Sie können Ihren Ertrag und Ihren Umsatz steigern. Allerdings vermittelt dies kein vollständiges Bild der Situation, da es sich nicht um einen Prozessfaktor handelt. Das bedeutet, dass der Feuchtigkeitsgehalt Ihnen bei Feuchtigkeitswanderung oder anderen Problemen nicht die erforderlichen Informationen liefert.

Was Sie wissen müssen, ist die Wasseraktivität. Diese ist ein Maß für den Energiestatus des Wassers, und genau das treibt Prozesse voran – mikrobielles Wachstum, Feuchtigkeitswanderung und ähnliches.

Das ist für die Produktsicherheit und -qualität sehr wichtig. 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 Problemen geschützt ist. Außerdem ist dies ein guter Indikator für die Qualität.

Wenn wir also diese beiden Messungen vornehmen, suchen wir eigentlich nach einem Zielwert, den der Hersteller erreichen möchte. Wenn Sie den Feuchtigkeitsgehalt und die Wasseraktivität messen, wissen Sie bereits, wo dieser Wert liegen soll. Dann versuchen Sie einfach, dieses Ziel zu erreichen.

Diese Ziele ergeben sich in der Regel aus der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften oder Produktionsspezifikationen. Ein Beispiel für ein Ziel zur Einhaltung gesetzlicher Vorschriften wären Grenzwerte für das Mikrobenwachstum. So steht hier 0,7 für Schimmelpilze und 0,85 für potenziell gefährliche Lebensmittelmikroben.

Der andere dient der Produktionsspezifikation. Aber wie werden diese Ziele festgelegt? Wenn wir nur die Wasseraktivität und den Feuchtigkeitsgehalt messen und diese Werte gemeinsam in einem Diagramm darstellen, erhalten wir diesen einen Datenpunkt. Wir wissen, dass zwischen Wasseraktivität und Feuchtigkeitsgehalt ein Zusammenhang besteht, aber das ist nicht das ganze Bild.

Dies ist nur ein Datenpunkt aus einer gesamten 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 sehen Sie eine vollständige Isotherme. Es ist sehr wichtig zu wissen, wo sich Ihr Produkt auf dieser Kurve befindet. Wenn es sich dem Schimmelwachstumsniveau nähert oder vielleicht sogar einen hohen Wert für Bräunungsreaktionen erreicht, müssen wir wissen, wo genau dies der Fall ist, damit Sie dies vermeiden können.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, anstelle der Wasseraktivität Sicherheit und Qualität auf dieser X-Achse zu betrachten. Und anstelle des Feuchtigkeitsgehalts können Sie dies als Ertrag und Umsatz betrachten. Wenn wir also den optimalen Punkt finden, an dem sich Ihr Produkt befinden muss, können Sie beide Messwerte maximieren.

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

Verwendung von Exsikkatoren oder Klimakammern zur Erstellung von Dampfsorptionsisothermen

ZC: Die erste oder traditionelle Methode zur Erstellung einer Isotherme ist die Verwendung einer Reihe von Exsikkatoren oder Klimakammern. Diese Methode wird meiner Erfahrung nach häufig von Doktoranden angewendet, aber ich bin auch überrascht, wie viele Unternehmen – sogar große Unternehmen – diese Methode weiterhin verwenden.

Das funktioniert so, dass Sie Ihren Gleichgewichtsfeuchtegehalt bei mehreren verschiedenen Wasseraktivitäten oder mehreren verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeiten bestimmen müssen. Dazu können Sie sechs bis neun Kammern mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit verwenden. Es ist sehr wichtig, diese auf einer konstanten Temperatur zu halten.

Dann misst du die Gewichtsveränderung, bis du ein Gleichgewicht erreicht hast. Du legst deine Probe also in eine dieser Kammern und musst sie dann etwa einmal täglich herausnehmen, das Gewicht ablesen und sie wieder zurücklegen. Das musst du so lange wiederholen, bis du ein konstantes Gewicht erreichst.

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

Hier ist ein Beispiel für die Daten, die Sie mit dieser Methode erfassen könnten. Sie werden die Datenpunkte in Rot für die Wasseraktivität im Vergleich zum Feuchtigkeitsgehalt bemerken. Sie werden feststellen, dass es wirklich schwierig ist, diese Daten in irgendein Modell einzupassen. Das liegt daran, dass diese Methodik viel Spielraum für Fehler lässt.

Erstellen von Dampfsorptionsisothermen mit der dynamischen Dampfsorptionsmethode

Es gibt eine neuere Methode, die als DVS oder dynamische Dampfsorptionsmethode bezeichnet wird. Diese wurde Anfang der 90er Jahre von Pfizer entwickelt, um Arzneimittel und Hilfsstoffe zu untersuchen und ihre Sorptionseigenschaften zu verstehen.

Diese Methode ähnelt der auf der vorherigen Folie gezeigten, bei der wir unsere Probe in einer geschlossenen Kammer aufbewahren und ebenfalls darauf warten, dass sich ein Gleichgewicht einstellt. Der Unterschied besteht darin, dass es sich hierbei um ein automatisiertes System handelt, das je nach den von Ihnen vorgenommenen Einstellungen automatisch verschiedene Feuchtigkeitsbedingungen durchläuft.

Das ist gut, weil es schneller ist und man mehr Datenpunkte erhält. Es eignet sich besonders gut für die Bewertung von Faktoren wie der Sorptionskinetik oder für die Überprüfung zeitabhängiger physikalischer Veränderungen wie der Kristallisation.

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

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

Ich dachte, es wäre etwas einfacher, diese Methode zu verstehen, wenn wir uns ein Clipart-Bild ansehen, um zu verstehen, wie diese Daten erfasst werden. Stellen Sie sich vor, Sie hätten eine geschlossene Kammer. In diesem Fall haben wir eine Temperatur von 25 °C, aber wir könnten auch verschiedene andere Temperaturen betrachten. Nun legen Sie Ihre Probe in diese geschlossene Kammer. Das kann eine Lebensmittelprobe, eine Arzneimittelprobe oder eine Bodenprobe sein. In diesem Fall haben wir eine Wasseraktivität von 0,3. Unter diesem Gerät befindet sich eine hochpräzise Waage.

Bei der Durchführung eines DVS-Tests könnte man sich beispielsweise fragen, wie lange es dauert, bis unsere Probe eine bestimmte Wasseraktivität erreicht. In diesem Fall lautet die Frage also: Wie lange dauert es, bis die Wasseraktivität von 0,3 auf 0,5 steigt?

Um dies zu erreichen, werden wir unserem System feuchte Luft zuführen. Wir könnten dies in beide Richtungen tun, mit feuchter oder trockener Luft, aber da wir auf 0,5 steigen müssen, müssen wir feuchte Luft hinzufügen. Dies geschieht durch Einpumpen von Luft in die Kammer. Dies wird mithilfe eines als PID bekannten Algorithmus gesteuert. Dann können wir die relative Luftfeuchtigkeit mit einem Kapazitätssensor beobachten. Wir werden also die relative Luftfeuchtigkeit in dieser Kammer auf 50 % bringen.

Nach einer unendlich langen Zeit wird diese Probe schließlich eine Wasseraktivität von 0,5 erreichen und sich mit der relativen Luftfeuchtigkeit der Umgebung im Gleichgewicht befinden.

Wir wissen, dass dieser Test beendet ist, indem wir die Stabilisierung und das Gewicht beobachten. Wir warten also, bis sich diese Probe vollständig ausgeglichen hat – es gibt verschiedene Messungen oder Einstellungen, mit denen wir feststellen können, dass wir das Gleichgewicht erreicht haben.

Beachten Sie bitte, dass in diesem Fall bei DVS die relative Luftfeuchtigkeit der Kammer die Veränderung der Wasseraktivität beeinflusst. Mary wird Ihnen eine sehr ähnliche Abbildung für eine andere Methode zeigen, aber dieser Pfeil wird in die entgegengesetzte Richtung zeigen.

Ich möchte Sie auch daran erinnern, dass wir bei DVS nach Gewicht ausgleichen, da wir wiederum die Sorptionskinetik und zeitabhängige physikalische Veränderungen betrachten möchten. Die meisten Geräte gleichen also nur nach Gewicht aus. Wir haben hier bei METER ein Gerät, das sowohl nach Gewicht als auch nach Wasseraktivität ausgleicht. Ich bin sicher, dass Mary das ebenfalls ansprechen wird.

Nachteile der dynamischen Dampfsorptionsmethode (DVS)

Einige Nachteile dieser Methode sind also wie folgt:

1. Das Erreichen eines echten Gleichgewichts kann unendlich viel Zeit in Anspruch nehmen. Es gibt einige Maßnahmen, mit denen Sie Ihren Testprozess beschleunigen können, aber sobald Sie dies tun, stellt sich die Frage nach der Gültigkeit der von Ihnen gesammelten Ergebnisse. Hinzu kommt, dass die meisten Geräte, wie bereits erwähnt, nur auf das Gewicht zurückgreifen. Die meisten Geräte messen also nicht direkt die Wasseraktivität. Das bedeutet, dass sie davon ausgehen, dass die relative Luftfeuchtigkeit in der Kammer der Wasseraktivität der Probe entspricht, was jedoch nicht immer der Fall ist.
2. Der zweite große Nachteil besteht darin, dass es unmöglich ist, Phasenübergänge zu identifizieren. Wenn Sie also nach einem Glasübergangspunkt oder einer Art von Texturübergang suchen, ist es fast unmöglich, dies mit einer der beiden Methoden zu erreichen, die wir gerade besprochen haben.
3. Das dritte Problem dieser Methoden besteht schließlich darin, dass sie nicht wirklich die realen Bedingungen widerspiegeln, da diese in der Regel viel dynamischer und nicht statisch sind. Sie erfassen also nicht wirklich Daten, die widerspiegeln, was mit Ihrem Produkt geschieht, sobald es Ihr Werk verlässt.

Jetzt werden wir über eine dritte Methode sprechen, die als dynamische Taupunkt-Isothermenmethode bezeichnet wird. Mary wird uns das näher erläutern.

Erstellen von Dampfsorptionsisothermen mit der dynamischen Taupunktisothermenmethode

MG: Für die DDI-Methode werde ich ein ähnliches Beispiel wie zuvor bei Zachary verwenden. Wir haben unsere Probe mit einer Wasseraktivität von 0,3 in dieser Kammer. Darunter befindet sich auch eine hochpräzise Messwaage. Im Moment steht sie nur da, wir machen nichts damit. Sie wird also die Luftfeuchtigkeit in der Kammer beeinflussen. 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 befassen, stellen wir andere Fragen als beim DVS. Zum Beispiel: „Wie nimmt meine Probe in einer sich verändernden Umgebung Feuchtigkeit auf oder gibt sie ab?“ So erhalten wir die realen Sorptionseigenschaften in Echtzeit, die wir bewerten.

Wenn wir also wissen möchten, was dynamisch mit unserer Probe geschieht, beginnen wir unseren Test hier. Ähnlich wie Zachary zuvor gesagt hat, werden wir feuchte Luft hineinleiten. Wir könnten auch trockene Luft hineinleiten und die Probe trocknen, aber in unserem Beispiel verwenden wir feuchte Luft.

Wir beginnen den Test, indem wir feuchte Luft einleiten. In der Regel legen wir eine bestimmte Durchflussrate für diese feuchte Luft fest. Wenn wir die Durchflussrate erhöhen, bedeutet dies, dass mehr Wasser in der Atmosphäre und in der Kammer verfügbar ist und die Probe mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann.

Wenn wir ihn verlangsamen, verlangsamen wir diesen Prozess. Im Allgemeinen verlangsamen wir ihn für hygroskopischere Proben und beschleunigen ihn ein wenig für Proben, die viel Feuchtigkeit aufnehmen können.

Wir legen auch eine Wasseraktivitätsauflösung fest. Normalerweise tun wir dies bei einer Wasseraktivität von 0,01. So weiß das Gerät, wann es eine Messung vornehmen muss.

Also beginnen wir hier mit unserem Test. Wir werden eine Weile warten. Wie gesagt, das Gerät wird die Wasseraktivität messen und hat eine bestimmte Auflösung, die es anzupassen versucht. Das kann zwischen fünf Minuten und zwei Stunden dauern. Das ist der Bereich, in dem es Proben nehmen wird.

Die Zeit vergeht, und nun sind wir bereit für die Messung. An diesem Punkt wird alles angehalten. Wir pumpen keine feuchte Luft mehr ein. Wir lassen die Kammer sich für die Probe und die Kammer ausgleichen 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 treibt auch die Gleichgewichtseinstellung in der Kammer voran – unsere Kammer liegt ebenfalls bei 31 %. Wir werden gleichzeitig eine Gewichtsanzeige vornehmen.

Hier verwenden wir einen Taupunktsensor, einen äußerst präzisen Sensor, um die Wasseraktivität zu messen. In diesem Fall ist es die Probe, die das Gleichgewicht in der Kammer bestimmt. Wir lassen das Gewicht nicht ins Gleichgewicht kommen, da wir alle stattfindenden Übergänge übertreiben wollen. Wir werden die Auswertung fortsetzen und die Feuchtigkeit während der Durchführung des Tests zur Verfügung haben.

Wenn wir beginnen, die Bindungsstellen zu öffnen, über die Zachary sprechen wird, dann werden wir eine Veränderung im Gewicht der dramatischen Veränderung sehen, die wir als Übergangspunkt nutzen können. Das hilft uns dabei, in Echtzeit zu erkennen, was in der Probe passieren wird.

Ich dachte, es wäre vielleicht gut, ein zeitliches Diagramm zu zeigen, wie diese beiden Datensätze aussehen würden. Dies gilt für mikrokristalline Cellulose. Auf der X-Achse betrachten wir nur die Zeit. Wir haben einen DVS- und dann einen DDI-Messwert genommen, da mikrokristalline Cellulose eine sehr vorhersehbare Beziehung zu Wasser hat: Sie nimmt es auf und gibt es ziemlich gleichmäßig wieder ab, sodass wir keine Übergänge zu beobachten haben. In diesem Sinne ist das ein wenig langweilig, aber es vermittelt einen guten Eindruck davon, wie die beiden Datentypen aussehen.

Hier stellen die roten Kurven das Gewicht dar. Die blauen Kurven zeigen die Wasseraktivität. Im ersten Abschnitt sehen wir die statische DVS. Sie sehen Linien, die anzeigen, wo wir die Feuchtigkeit und die Wasseraktivität statisch halten und darauf warten, dass sich das Gewicht ausgleicht. Sobald dies geschehen ist, 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 Kooperationspunkte. In einer DVS-Isotherme betrachten wir tatsächlich 10 Datenpunkte, fünf für die Absorption und fünf für die Desorption.

Wenn wir nach rechts gehen, sehen wir den DDI. Er sieht aus wie eine schöne glatte Kurve, aber jeder dieser Punkte ist ein wertvoller Datenpunkt. So können wir den Verlauf des Tests in Echtzeit verfolgen. DDI, bei dem trockene oder befeuchtete Luft über die Probe geleitet wird, ist eine patentierte Technologie der METER Group. Das Verfahren misst auch das Gewicht gravimetrisch und damit direkt die Wasseraktivität. So kennen wir immer beide Werte in Echtzeit für die Sorptionseigenschaften. Das ist für viele der Anwendungen, über die wir sprechen, sehr hilfreich.

Hier erhalten wir Ergebnisse innerhalb von Tagen, nicht Wochen oder Monaten, wir haben viele Datenpunkte mit einer wirklich guten Auflösung von 0,01 – und wir können diese noch erhöhen, wenn wir wollen, das dauert nur etwas länger. Normalerweise arbeiten wir mit 0,01.

Wenn wir zu dem Beispiel zurückkehren, das Zachary mit sprühgetrocknetem Milchpulver gezeigt hat, sehen wir den DVS in Rot, aber schauen Sie sich den DDI in Dunkelblau an. Sie werden zwei Übergangspunkte bemerken.

Insbesondere bei sprühgetrocknetem Milchpulver tritt kurz nach 0,4 eine Glasübergangstemperatur auf, woraufhin es tatsächlich eine Kristallisationsphase durchläuft. Würden wir uns also nur auf die DVS verlassen, würden wir diese Übergänge übersehen.

Als Nächstes wird Zachary über Texturveränderungen sprechen.

Feuchtigkeitsaufnahmeisothermen und Veränderungen der Produkttextur

ZC: Danke, Mary.

Wenn wir über diese dynamische Taupunkt-Isotherm-Methode sprechen, kommen wir direkt zum Thema Texturveränderung. Wie Sie bereits erwähnt haben, durchläuft sprühgetrocknetes Milchpulver mehrere Übergangsphasen. Lassen Sie uns darüber sprechen, wie wir bestimmen, wo diese Übergänge stattfinden.

Um die Textur zu verändern, müssen wir die sogenannte kritische Wasseraktivität bestimmen. Das ist die Wasseraktivität, die Sie vermeiden müssen, um die gewünschte Textur zu erhalten. Bei sehr trockenen Produkten, wie beispielsweise Pulver, ist dies die Wasseraktivität, die Sie unterschreiten müssen, um Verklumpungen, Klumpenbildung oder den Verlust der Fließfähigkeit zu verhindern. Das kann aber auch bei Snackprodukten der Fall sein, bei denen Sie das Altbackenwerden, den Verlust der Knusprigkeit oder einfach nur den Verlust der gewünschten Textur verhindern möchten.

Wir können auch über Produkte mit höherem Feuchtigkeitsgehalt und höherer Wasseraktivität sprechen, wie Backwaren oder sogar kaltgepresste Riegel – also Produkte, bei denen Sie Synerese oder den Verlust der gewünschten Textur verhindern möchten. Es hängt wirklich vom jeweiligen Produkt ab und davon, in welche Richtung der Wassergewinn oder -verlust gehen soll.

Beachten Sie dabei, dass Sie eine hochauflösende Isotherme benötigen – die dynamische Taupunktmethode –, um genau zu bestimmen, wo diese Texturübergänge liegen.

Ich zeige Ihnen genau, 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 dieser Kurve.

Sie werden feststellen, dass schon eine sehr geringe Änderung des Feuchtigkeitsgehalts, vielleicht eine Änderung um 1 %, zu einer Änderung der Wasseraktivität um 30 oder 40 % führen kann. Viele Produkte weisen diese Eigenschaft auf. Dies ist ein wichtiger Grund, warum es wichtig ist, die Wasseraktivität zu messen – aufgrund der Auflösung dieser Messung.

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

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

Schauen wir uns diese Isotherme jetzt einmal genauer an. Die nächste Folie zeigt genau dieselbe Isotherme. Dieser Hersteller stellte dieses Pulver ursprünglich mit einer Wasseraktivität von 0,24 her. Bei dieser niedrigen Wasseraktivität gibt es nur eine begrenzte Anzahl von Wasserbindungsstellen. Sobald man jedoch einen Wert von 0,67 erreicht, kann sich viel Wasser an das Produkt binden. Und wenn man sich noch weiter oben auf dieser Isotherme bewegt, kommt es zu starker Verklumpung und Verbackung dieses Produkts. Wenn ich also mit diesem Pulverhersteller zusammenarbeiten würde, würde ich ihm vielleicht sogar empfehlen, die Wasseraktivität seines Produkts zu erhöhen, da er die Wasseraktivität sicher erhöhen und den Feuchtigkeitsgehalt leicht steigern kann, ohne den Übergangspunkt zur Texturierung zu überschreiten.

Verwendung von Sorptionsisothermen zur Überprüfung, wie gut Folien und Beschichtungen Feuchtigkeit zurückhalten oder abweisen

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

Wenn Sie also ganz rechts schauen, sehen Sie diese Kurve für Blaubeeren ohne jegliche Folie. Sie haben hier oben einen etwas geringeren Feuchtigkeitsgehalt. Und dann werden Sie feststellen, dass sie einen kritischen Punkt von etwa 0,27 Wasseraktivität haben. Das bedeutet, dass diese Blaubeeren bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von etwa 27 % einen plötzlichen Feuchtigkeitsverlust erleiden.

Wenn wir nun einen Film oder eine Beschichtung auf diese Blaubeeren auftragen würden, würden Sie zwei Dinge bemerken. Erstens ist der anfängliche Feuchtigkeitsgehalt etwas höher, und zweitens ist die kritische Wasseraktivität nun geringer. Es bedarf also einer noch trockeneren Umgebung mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von etwa 24 %, bevor diese Blaubeeren beginnen, Feuchtigkeit zu verlieren. Ich fand, dass dies ein wirklich gutes Beispiel ist, wenn man darüber nachdenkt, wie man Wasser in einem Produkt halten kann.

Nun können wir uns das genaue Gegenteil ansehen, nämlich den Versuch, Wasser aus einem Produkt fernzuhalten. Hier ist ein Beispiel bzw. einige Daten, die für Samen gesammelt wurden.

In Blau sehen Sie also unbeschichtete Samen, in die Wasser eindringen kann und die bei gleicher Wasseraktivität einen höheren Feuchtigkeitsgehalt aufweisen als Samen mit anderen Beschichtungen. Unabhängig davon, ob Sie Wasser in einem Produkt halten oder fernhalten möchten, können Isothermen eine hervorragende Methode sein, um zu verstehen, wie effektiv Ihre Beschichtung oder Ihre Folie funktioniert.

Als Nächstes werden wir über Haltbarkeit und die Auswahl der Verpackung sprechen, daher gebe ich das Wort nun wieder an Mary zurück.

Verwendung von Dampfsorptionsisothermen zur Analyse der Haltbarkeit und Verpackungsleistung

MG: Ich werde oft gefragt, wie man die Haltbarkeit 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, Luftdruck und schließlich die Verpackung. Dazu benötigen wir die Oberfläche, die Masse des Produkts in der Verpackung und die sehr wichtige Wasserdampfdurchlässigkeit.

Die Verpackung schützt Ihr Produkt also vor äußeren Einflüssen. Eine gute Verpackung begrenzt also den Dampfdurchgang.

Beginnen wir also damit, wie ich diese Berechnung tatsächlich durchführe. Ich beginne damit, eine Isotherme zu erstellen. Und dies ist eine Isotherme für Müsli. Dabei interessiert mich insbesondere nur die Absorption. Deshalb habe ich diese Datei erstellt, die nur die Absorption enthält. Nun möchte ich für mein Produkt, einen Müsliriegel, wissen, wie lange er aufgrund seiner Texturveränderung haltbar ist. Es handelt sich um einen knusprigen Müsliriegel, und wir möchten nicht, dass er altbacken oder weich wird oder ähnliches. Es ist also die Textur, die unsere Haltbarkeitsdauer begrenzt.

Wenn wir uns diese Isotherme hier ansehen, ist es möglicherweise schwierig, die spezifischen Übergänge zu erkennen, die stattfinden. Deshalb verwenden wir die zweite Ableitung nach Savitzky-Golay. Im Grunde genommen wird damit die Änderung der Steigung bewertet und diese in den Spitzen und Tälern in diesem unteren Diagramm in Blau hervorgehoben.

Nun, diese Frage wird mir auch ziemlich oft gestellt, denn Sie werden feststellen, dass es zwei Spitzen gibt. Und Spitzen bedeuten, dass Wasser aufgenommen wird. Wir erhöhen die Feuchtigkeit. Und ich bekomme die Frage gestellt, welche ich wählen soll. Es gibt die kleinere, die bei etwas über 0,4 liegt. Und dann gibt es eine größere, die über 0,7 liegt.

Man könnte dazu neigen, den höheren Wert zu wählen, aber eigentlich wollen wir wissen, wann der Übergang zuerst stattfindet. Die Wasseraktivität dieses Müsliriegels liegt ursprünglich bei etwa 0,2. Wenn wir also die Wasseraktivität erhöhen, wollen wir wissen, wann dieser Übergang zum ersten Mal stattfindet.

Ich möchte also den ersten Übergang verwenden. Und der erste Übergang liegt genau bei einer Wasseraktivität von 0,42. Das ist also der Übergang, den ich für meine Berechnungen verwenden werde. Ich werde nicht den größeren Übergang verwenden, da sich bis dahin bereits eine Veränderung ergeben hat.

In Ordnung. Das ist also der Rechner, den wir hier bei METER verwenden. Sie können einige der Informationen sehen. Wir werden noch einmal kurz auf das eingehen, worüber ich zuvor gesprochen habe.

Für meinen Müsliriegel nehme ich also die von mir gewählte Luftfeuchtigkeit von 65 % relativer Luftfeuchtigkeit. Wir haben einen atmosphärischen Druck der Stufe C bei 100 kPa, und meine Temperatur wird 25 Grad Celsius betragen. Nun, da es sich nur um einen kleinen Müsliriegel handelt, haben wir eine sehr kleine Probe von 35 Gramm. Die Oberfläche dafür ist ebenfalls recht klein, aber wir sind im Quadratmeterbereich. Das ist also alles in Ordnung.

Und dann habe ich einen als meine Wasserdampfdurchlässigkeitsrate ausgewählt, was eigentlich eine ziemlich gute Verpackung in Gramm pro Quadratmeter pro Tag ist. Und dann beginnen wir mit der anfänglichen Wasseraktivität, von der ich gesprochen habe. Der Ausgangspunkt liegt also bei 0,2. Und dann die kritische Haltbarkeitsdauer. Das ist der Punkt, an dem die Wasseraktivität, sobald sie diesen Wert erreicht, die Haltbarkeitsdauer beendet. Nun habe ich 0,42 eingegeben, weil ich möchte, dass es leicht nachverfolgt werden kann. Sie können sehen, woher ich diesen Datenpunkt habe. Ich stimme Zachary zu, dass ich wahrscheinlich nicht wirklich 0,42 eingeben würde, denn wenn dieser Wert erreicht ist, beginnt bereits eine leichte Veränderung. Wir wollen nicht, dass es so weit kommt.

Ich würde daher empfehlen, diese kritische Wasseraktivität etwas zu senken, vielleicht auf 0,4 oder vielleicht 0,38, so etwas in der Art, nur um sicherzugehen, dass wir uns nicht diesem Übergang nähern. Aber für dieses Beispiel behalten wir den Wert von 0,42 bei.

In dieser Isotherme habe ich sie gekürzt. Sie können sehen, dass sie keine höhere Wasseraktivität aufweist. Ich werde mich auf den Bereich konzentrieren, der mich interessiert. Also den Bereich der Wasseraktivität, der mich interessiert, und ich möchte sicherstellen, dass ich zwischen dem Beginn und dem kritischen Punkt eine wirklich gute Modellierung erhalte. So kann ich diese Daten gut darstellen.

Also schauen wir uns das hier an. Wir verwenden gerne das DLP, ein doppeltes Logarithmus-Polynom. Und wir haben hier einen wirklich großartigen R-Quadrat-Wert von 0,9996. Das passt also wirklich sehr gut. Sie können auch andere Modellgleichungen wie GAB oder BET verwenden. Diese haben jedoch einige Einschränkungen. Uns ist es vor allem wichtig, dass die Daten gut angepasst sind, denn nur so lassen sich gute Vorhersagen treffen. Es spielt also keine Rolle, um welche Gleichung es sich handelt, solange Ihre Daten korrekt modelliert werden.

Zurück zu unserem Standpunkt. Wenn ich nun diese Isotherme einfüge, werde ich die gekürzte Version verwenden. Ich möchte diejenige einfügen, die wirklich gut zum Modell passt. Und dann werde ich von hier aus die Haltbarkeit berechnen.

Wenn ich das unter diesen Bedingungen für diesen Müsliriegel mache, beträgt die Haltbarkeit 151 Tage. Das sind etwa fünf Monate. Das ist also nicht schlecht, aber nehmen wir an, das entspricht nicht ganz Ihren Erwartungen. Vielleicht wünschen Sie sich, dass dieses Müsli ein ganzes Jahr lang haltbar ist. Wie können wir das herausfinden? Was können wir ändern? In diesem Fall ist es ganz einfach. Wir würden die Wasserdampfdurchlässigkeit ändern. Damit können wir bestimmen, welche Verpackung uns die gewünschte Haltbarkeit bietet.

Dies ist also eine ähnliche Berechnung, aber jetzt mit denselben Daten, die wir zuvor eingegeben haben. Anstelle der Wasserdampfdurchlässigkeit geben wir nun jedoch die gewünschte Haltbarkeit ein. Wir geben dieselbe gekürzte Isotherme ein, die gut zum Modell passt, und klicken auf „Berechnen“.

Und jetzt wissen wir, dass wir bei einer Wasserdampfdurchlässigkeit unserer Verpackung von 0,42 unter diesen Bedingungen eine Haltbarkeit von einem ganzen Jahr erreichen. Das entspricht in etwa dem Ergebnis einer Folienverpackung. Das passt also sehr gut zusammen.

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

Wie man den Feuchtigkeitsgehalt mithilfe von Dampfsorptionsisothermen gewinnbringend maximiert

ZC: Gut. Das ist also der letzte Abschnitt unseres heutigen Webinars.

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, wie Sie aus Isothermen geschäftlichen Nutzen ziehen können. Heute haben wir uns vor allem auf die Textur in Bezug auf die Haltbarkeit konzentriert. Ich habe versucht, dies in drei Kernpunkten zusammenzufassen, die meiner Meinung nach die wichtigsten Anwendungsbereiche von Isothermen für Kunden darstellen.

Der erste Schritt zur Steigerung des Geschäftswerts besteht also darin, den Feuchtigkeitsgehalt zu maximieren, um den Gewinn zu steigern. Mit Hilfe einer Isotherme können Sie die maximale Feuchtigkeitsmenge ermitteln, die Ihre Produkte enthalten können, ohne dass die Qualität und Sicherheit beeinträchtigt wird. So können Sie die ideale Textur beibehalten, bestimmte chemische Reaktionen verhindern und gleichzeitig die Sicherheit gewährleisten und unterhalb Ihrer mikrobiellen Grenze bleiben.

Viele Produkte werden nach Gewicht verkauft, insbesondere in der Lebensmittelindustrie. Je mehr Wasser Sie also verkaufen können, desto höher ist Ihr Umsatz.

Das ist ganz einfach. Wasser ist der günstigste Inhaltsstoff in Ihrer Rezeptur. Wenn Sie also die Wassermenge erhöhen können, kann dies zu einer Steigerung Ihres Umsatzes beitragen.

Hier ist ein Beispiel, wie Sie das machen könnten. Der erste Schritt besteht darin, Ihre Leitplanken festzulegen. Damit meine ich, dass Sie die für Sie akzeptablen Bereiche für die Wasseraktivität und den Feuchtigkeitsgehalt festlegen. Hier ist ein Beispiel für Cannabis. Wir sehen hier die Desorptionskurve. Diese weist eine ideale Wasseraktivität zwischen etwa 0,56 und 0,63 auf. Wir wissen das, weil bei diesem speziellen Produkt eine Wasseraktivität unter diesem Wert zu Qualitätseinbußen führt. Es gehen Terpene verloren und die Qualität der Blüten ist nicht mehr dieselbe. Liegt die Wasseraktivität über diesem Wert, führt dies zu Sicherheitseinbußen. In diesem Bereich kann es zu Schimmelbildung und mikrobiellem Wachstum kommen.

Sobald wir also unseren idealen Wasseraktivitätsbereich festgelegt haben und die Desorptionsisotherme verwenden, können wir dies auf den Feuchtigkeitsgehalt zurückführen. Und das ist wichtig, denn alles, was unter diesem idealen Feuchtigkeitsgehalt liegt, bedeutet Ertrags- und Umsatzverluste.

Durch die Verwendung dieser Isotherme und mit etwas Wissen über die Wasseraktivität können wir also den optimalen Punkt finden, um all die Dinge zu optimieren, die wir berücksichtigen möchten.

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

Lassen Sie mich Ihnen genau zeigen, was ich meine. Hier ist ein Beispiel, bei dem der durchschnittliche Feuchtigkeitsgehalt genau bei 9 % liegt. Wir haben es hier mit einer Abweichung von plus/minus 1 % zu tun. Sie werden feststellen, dass einige Produkte ihre Sicherheitsgrenze überschreiten und dass es große Schwankungen in der Produktion gibt.

Wenn Sie nun damit beginnen, dies zu überwachen und Ihren Feuchtigkeitsgehalt zu erhöhen, könnten Ihre Ergebnisse wie folgt aussehen.

Jetzt haben Sie einen durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt von 0,95 %, eine geringere Schwankungsbreite, vielleicht plus oder minus 0,5 % Feuchtigkeitsgehalt. Und Sie verhindern auch, dass einige Ihrer Produkte diesen Sicherheitsgrenzwert überschreiten.

Schauen wir uns ein Beispiel aus der Praxis an. Dies ist ein Beispiel für den geschäftlichen Nutzen eines Tierfutterherstellers hier in den Vereinigten Staaten. Das Unternehmen hat eine sehr hohe Jahresproduktion. Als wir die Zusammenarbeit mit diesem Unternehmen begannen, lag das Ziel für den Feuchtigkeitsgehalt bei etwa 10 %.

Durch die Betrachtung der Isotherme und die Festlegung eines neuen Zielwerts für die Wasseraktivität konnten wir diesem Unternehmen zeigen, dass es bei 10,4 % produzieren und dabei seine Sicherheit und Qualität aufrechterhalten kann. Also nur eine kleine Änderung des Feuchtigkeitsgehalts.

Aber schauen wir uns die finanziellen Auswirkungen an. Hier ist ein Beispiel für ein Diagramm, das dem letzten Folienbild sehr ähnlich ist. Darin sehen Sie den Anstieg des Feuchtigkeitsgehalts und die geringere Schwankungsbreite. Hier ist es nicht so gut zu erkennen, aber es verhindert auch, dass Produkte ihre Sicherheitsgrenze überschreiten.

Da dieses Unternehmen nun in der Lage war, seine Rohstoffe durch Wasser zu ersetzen, konnte es erhebliche Einsparungen bei den Rohstoffen erzielen. Da es für die Rohstoffe bzw. Inhaltsstoffe viel Geld ausgibt, erzielte es nach einem Jahr eine jährliche Ertragssteigerung von über einer Million Dollar für dieses Produkt bzw. diese Rezeptur.

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

Wie man Dampfsorptionsisothermen nutzt, um Produktformulierungsprozesse zu beschleunigen und F&E-Kosten zu senken

Die zweite Möglichkeit, wie Isothermen einen geschäftlichen Mehrwert schaffen können, besteht darin, dass sie die Formulierungsprozesse beschleunigen und auch die Forschungs- und Entwicklungskosten senken.

Ich bin froh, dass Mary zurückgegangen ist und Ihnen die Modellierung gezeigt hat, denn diese Modellierung kann verwendet werden, um die Feuchtigkeitswanderung eines neuen Produkts zu quantifizieren, die Isotherme einer neuen Rezeptur zu visualisieren und auch die Gleichgewichtswasseraktivität vorherzusagen. All diese Dinge können also schon vor der Herstellung des Endprodukts durchgeführt werden. Dazu benötigen Sie lediglich eine Isotherme für jede der Zutaten.

Dies ist also ein Beispiel für die Verwendung des DLP-Werkzeugs zum Mischen von Zutaten. In diesem Fall betrachten wir kaltgepresste Riegel.

Stellen Sie sich vor, Sie stellen einen Cold-Press-Riegel her. Der Einfachheit halber verwenden wir hier nur drei Zutaten, aber Sie können so viele Zutaten hinzufügen, wie Sie möchten. Hier sehen wir Dattelpaste, Blaubeeren und Cashewnüsse. Sie müssen nur einige Informationen über ihre Wasseraktivität und ihren anfänglichen Feuchtigkeitsgehalt eingeben. Dann können Sie auch eine Masse hinzufügen. So können wir verschiedene Massenverhältnisse betrachten.

Wenn Sie hier hereinkommen und auf „Berechnen“ klicken, werden Ihnen die Isothermen angezeigt. Hier sehen wir also die Isothermen für die Dattelpaste, die Blaubeeren und die Cashewnüsse. Anhand dieser Informationen und durch Modellierung können wir eine kombinierte Isotherme erhalten. So können wir das Endprodukt verstehen, noch bevor wir es herstellen. Außerdem können wir ein Gleichgewicht oder eine endgültige Wasseraktivität erhalten.

Unterhalb dieser Grafik finden Sie einige zusätzliche Informationen. Dort sehen Sie erneut die endgültige Wasseraktivität sowie die Koeffizienten für die Isotherme. Diese Koeffizienten wurden bereits auf dem Bildschirm angezeigt, den Mary zuvor für die Modellierung aufgerufen hat. Sie können jedoch auch in dem von Mary vorgestellten Haltbarkeitsrechner verwendet werden, sodass Sie sogar die Haltbarkeit vorhersagen und bereits über die Verpackungsanforderungen für ein Produkt nachdenken können, das noch gar nicht hergestellt wurde.

Und schließlich finden Sie hier rechts Informationen zum Feuchtigkeitsgehalt. So können Sie nachvollziehen, in welche Richtung sich das Wasser zwischen Ihren Zutaten bewegt. Hier ist ein Beispiel bzw. eine Beschreibung eines Unternehmens, das diese Art von Technologie einsetzt.

Das höre ich ständig von Forschern und Entwicklern. Es dauert einfach zu lange, neue Produkte auf den Markt zu bringen. Durch die Verwendung von Isothermen können Sie diese Produkte viel schneller verstehen und Probleme erkennen, bevor sie auftreten. Der geschäftliche Nutzen besteht hier einfach darin, Produkte schneller auf den Markt bringen zu können.

Dieses Unternehmen gab an, dass es seine Produkte etwa fünfmal schneller auf den Markt bringen konnte, da sich die Produktionszeit pro neuem Produkt von etwa fünf Monaten auf einen Monat verkürzte. In vielen Fällen konnten sie so als Erste neue Produkte oder neue Geschmacksrichtungen auf den Markt bringen.

Wie Dampfsorptionsisothermen Produktrückrufe und andere Sicherheits- und Qualitätsprobleme verhindern können

In Ordnung. Das dritte Beispiel dafür, wie Sie Ihrem Unternehmen mit Isothermen einen geschäftlichen Mehrwert verschaffen können, ist ganz einfach die Gewissheit, dass Ihr Produkt auch nach Verlassen Ihres Werks seine Sicherheit und Qualität beibehält.

Die Isothermenanalyse ermöglicht es Unternehmen also, unerwünschte Texturveränderungen zu verhindern, wie wir bereits besprochen haben, Rückrufaktionen zu vermeiden, insbesondere aufgrund mikrobieller Herausforderungen oder mikrobieller Probleme, und auch Entscheidungen hinsichtlich Haltbarkeit und Verpackung zu treffen, wie wir zuvor besprochen haben.

Also nur eine kurze Erzählung zu jedem dieser Punkte.

Das erste Beispiel betrifft einen Hersteller von Proteinpulver. Wir sehen das ständig. Viele Unternehmen haben große Probleme mit Verklumpungen und Klumpenbildung oder dem Verlust der Fließfähigkeit. In diesem Fall war etwa 5 bis 10 % der Gesamtproduktion dieses Unternehmens von diesem Problem betroffen. Das Ergebnis war, dass sie dieses Produkt entweder nachbearbeiten oder entsorgen mussten. Und in vielen Fällen litt ihr Ruf darunter. Die Lösung bestand darin, dass sie begannen, Isothermen zu verwenden. Sie erkannten, dass sie viel zu nahe an ihrem Glasübergangspunkt produzierten. Dank dieser Informationen und der Verwendung von Isothermen zur richtigen Verpackungsentscheidung haben sie nun weniger als 0,1 % Verklumpungen. Dieses Problem kostete sie im Vorjahr über 500.000 Dollar an Produktverlusten, aber dank der richtigen Daten und Erkenntnisse konnten sie diese Kosten nun deutlich reduzieren.

Das nächste Beispiel betrifft einen Hersteller von gesunden Snacks. Dieses Unternehmen musste aufgrund von Beschwerden seiner Kunden über Schimmelbefall eine Rückrufaktion durchführen. Wir haben uns dieses Produkt angesehen und bei einer Isothermenanalyse festgestellt, dass eine Temperatur von etwa 35 Grad Celsius tatsächlich dazu führte, dass die Wasseraktivität 0,7 überschritt. Hätte dieses Unternehmen zuvor Isothermen verwendet, hätte es den Zusammenhang zwischen Wasseraktivität und Temperatur wirklich verstanden. Jetzt nutzt das Unternehmen Isothermen, um seine Produktspezifikationen festzulegen und genau zu verstehen, welche Temperaturen es vermeiden muss. Der erste Rückruf kostete über 700.000 Dollar. Dies hätte vollständig verhindert werden können, wenn das Forschungs- und Entwicklungsteam diese Erkenntnisse im Voraus gehabt hätte.

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 war, um die gewünschte Haltbarkeit zu gewährleisten.

Das ist wirklich toll, denn dieses Unternehmen könnte seinen Kunden dabei helfen, ihre Verpackungen mit Zuversicht umzustellen, ihnen viel Zeit für Forschung und Entwicklung sparen und spätere Probleme vermeiden. Ich beobachte das häufig, insbesondere jetzt, wo Unternehmen ihre Verpackungen umstellen, sei es, weil sie umweltfreundlichere Lösungen suchen oder weil sie Probleme haben, die benötigten Verpackungen zu bekommen, und daher auf etwas Neues umsteigen müssen.

Wir beenden also hier mit einer Zusammenfassung. Und ich überlasse es Ihnen, das durchzugehen, Mary.

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

MG: Ja. Hoffentlich haben Sie nun verstanden, warum Feuchtigkeitsgehalt und Wasseraktivität zusammen viel mehr Informationen liefern können als nur ein einzelner Messwert, wenn Sie nur einen dieser beiden Werte messen.

Hoffentlich verstehen Sie nun, wie Sie eine Isotherme erstellen können, und können darüber nachdenken, wie Sie diese interpretieren und nutzen können. Und überraschenderweise haben Zach und ich, obwohl ich weiß, dass dies sehr lang und sehr viele Informationen sind, noch nicht einmal alle Möglichkeiten aufgezeigt, die Ihnen mit Isothermen zur Verfügung stehen. Besuchen Sie also unsere Website, um mehr über bestimmte Produkte zu erfahren, oder wenden Sie sich an uns.

Wir wollten uns auf die Vorhersage von Texturveränderungen und die Prognose der Haltbarkeit konzentrieren, da dies die Fragen sind, die uns am häufigsten gestellt werden.

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

Frage und Antwort Nr. 1: Können Isothermdaten innerhalb der METER-Software gekürzt werden oder muss man dafür ein externes Programm verwenden?

MG: Nein, es ist in der Software enthalten, was sehr praktisch ist. Man muss nichts exportieren. Man kann es zwar tun, aber man kann auch eine Menge Dinge innerhalb der Software erledigen.

Um Ihre Daten zu bereinigen und die Modellanpassungen für die Übergangsanalyse zu ermitteln, steht Ihnen die gesamte Software zur Verfügung. Das ist sehr praktisch. Sie müssen die Daten nicht exportieren und in Excel nachbearbeiten.

Frage und Antwort Nr. 2: Wie sollte eine Isotherme für Brotprodukte erstellt werden, wenn aufgrund eines guten Verpackungsmaterials Feuchtigkeitsmigration stattfindet, während der Feuchtigkeitsgehalt stabil bleibt?

MG: Das ist eine wirklich gute Frage, denn innerhalb des Produkts findet eine Feuchtigkeitswanderung statt. Und schließlich gleicht sich das aus.

Wenn Sie jedoch ein Problem haben, bei dem dies nach dem Verpacken unerwünscht ist, und sobald dieses Gleichgewicht erreicht ist, können wir Folgendes tun, und ich würde vorschlagen, die Isotherme durchzuführen, indem wir diese tatsächlich auseinanderziehen, und Sie können zwei verschiedene Isothermen für die Krume und die Kruste durchführen, und dann können Sie sehen, wo die kritischen Punkte einzeln liegen. Und hoffentlich können Sie dann eine Formel erstellen.

Es wird ein wenig dauern, aber Sie können diese so formulieren, dass sie zu einem ausgewogenen Produkt führen, mit dem beide zufrieden sind. Und Sie können in diesem Fall wahrscheinlich das Beispiel der Mischzutaten verwenden, das Zachary für die Riegel hatte.

Frage und Antwort Nr. 3: Brauche ich wirklich Isothermen? Wir verwenden eine Trial-and-Error-Methode, mit der wir ein Gefühl dafür bekommen, wie die Dinge aussehen und schmecken sollen und so weiter.

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

Wir haben zahlreiche Analysen durchgeführt, bei denen wir, sobald wir den kritischen Punkt identifiziert haben, beispielsweise für Kakaopulver oder ähnliches, dieses Pulver auch bei der relativen Luftfeuchtigkeit aufbewahren, die diese Texturveränderung verursacht. Diese werden dann wie ein Sensorikpanel verwendet, um zu sehen, ob sie einen Unterschied feststellen können. In der Regel stimmt das perfekt überein. Wir sehen also eine Korrelation zwischen dem Sensorikpanel und der Aufbewahrung des Produkts an diesem kritischen Punkt.

Meistens habe ich also eine Korrelation festgestellt. Und wenn Sie mit der Isotherme beginnen, hoffe ich, dass Ihnen dieses Webinar zeigt, dass Sie mit der dynamischen Methode die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit genau bestimmen und kennen können, die zu einer kritischen Veränderung oder einer Texturveränderung oder zu welcher Art von Veränderung auch immer führen, die Sie für dieses Produkt anstreben.

Ich denke also, dass man sich viel Zeit sparen kann, wenn man einfach mit der Isotherme beginnt. Möchtest du noch etwas hinzufügen, Mary?

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

Wenn Sie also wissen, wo Sie stehen, können Sie all diese Informationen berücksichtigen. Sie können die Isotherme berechnen und die kritische Aktivität ermitteln. Vielleicht ist die Lipidoxidation ein Problem für Ihr Pulver oder es kommt zu einer Bräunung. Dann können Sie all diese Informationen zusammenführen, um eine Formel zu entwickeln, die eine lange Stabilität gewährleistet.

Frage und Antwort Nr. 4: Gibt es Vorschläge zur Härtung von Proteinriegeln in Bezug auf Feuchtigkeitsgehalt und Wasseraktivität, wobei eine gute Haltbarkeit zu berücksichtigen ist?

ZC: Ja. Wenn Ihr Proteinriegel also hart wird, verliert er wahrscheinlich etwas Feuchtigkeit. Das können wir vielleicht mit einer Desorptionskurve untersuchen, um zu verstehen, ob es, wie Sie sich vielleicht aus dem Beispiel mit den Blaubeeren erinnern, einen kritischen Punkt gibt, an dem das Produkt beginnt, viel Wasser zu verlieren.

Und ähnlich könnte es bei dieser Leiste sein, bei der Sie gerade einen kritischen Punkt erreichen, an dem Sie beim Desorbieren über einem bestimmten Wert bleiben müssen. Auch wenn wir uns heute hauptsächlich mit der Absorption befasst haben, können wir dies auch in umgekehrter Richtung anwenden, selbst bei den Berechnungen zur Haltbarkeit, die Mary betrachtet hat. Wir können eine Desorptionskurve verwenden und dann verschiedene Bedingungen bewerten und untersuchen, wie dies dazu führen kann, dass Wasser aus Ihrem Produkt entfernt wird. Wir können also sowohl die Adsorption als auch die Desorption, also die Aufnahme oder den Verlust von Wasser, untersuchen. Wir müssen nur den richtigen Test durchführen und die richtigen Daten erfassen.

Nächste Schritte

Verwandter Artikel: Einführung in die Wasseraktivität (aw): Ein Leitfaden für Einsteiger zur Rolle der Wasseraktivität für die Lebensmittelqualität

Siehe AQUALAB VSA Vollständige Analyse der Feuchtigkeitssorptionsisotherme

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