Isothermen sagen Produktveränderungen im Laufe der Zeit voraus.

Lebensmittelhersteller müssen wissen, wie lange es dauert, bis ihr Produkt schimmelt, feucht wird, altbacken wird, ranzig wird , verklumpt, kristallisiert und für den Verbraucher ungenießbar wird. Die Feuchtigkeitsaufnahmeisotherme ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Vorhersage und Verlängerung der Haltbarkeit eines Produkts. Sie ermöglicht Ihnen Folgendes:

• Finden Sie kritische Wasseraktivitätswerte, bei denen Veränderungen wie Verklumpen, Verklumpen und Verlust der Textur auftreten.
• Vorhersage, wie das Produkt auf Änderungen der Inhaltsstoffe und der Rezeptur reagieren wird
• Die Haltbarkeit genau einschätzen
• Mischmodelle erstellen
• Verpackungsberechnungen durchführen
• Den Monoschichtwert ermitteln (bei dem ein Produkt am stabilsten ist)

Isothermen: der Heilige Gral der Rezepturentwicklung

Eine Feuchtigkeitsadsorptionsisotherme ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Wasseraktivität (_aw) verändert, wenn Wasser bei konstanter Temperatur an ein Produkt adsorbiert und von diesem desorbiert wird. Diese Beziehung ist komplex und für jedes Produkt einzigartig. Die Wasseraktivität steigt fast immer mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt, aber die Beziehung ist nicht linear. Tatsächlich sind Feuchtigkeitsadsorptionsisothermen für die meisten Lebensmittel S-förmig (sigmoidal) und für Lebensmittel, die kristalline Materialien oder einen hohen Fettgehalt enthalten, J-förmig.

Handgefertigte Methode unpraktisch

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

Da dieser Prozess sehr zeitaufwendig ist, wurden Kurven traditionell anhand von fünf oder sechs Datenpunkten mit Kurvenanpassungsgleichungen wie GAB oder BET erstellt.

Eine schnellere Methode zur Erstellung von Isothermen

Die manuelle Erstellung von Feuchtigkeitssorptionsisothermen ist sehr mühsam. Die Methode musste automatisiert werden. Die zuerst verwendete Methode – die auch heute noch von den meisten Dampfsorptionsgeräten verwendet wird – heißt DVS (Dynamic Vapor Sorption, dynamische Dampfsorption). Eine Probe wird einem Luftstrom mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt, während eine Mikrowaage winzige Gewichtsveränderungen misst, wenn das Produkt Wasser adsorbiert oder desorbiert. Sobald ein Gleichgewicht erreicht ist, schaltet das Gerät dynamisch auf die nächste voreingestellte Feuchtigkeitsstufe um. Die Tests dauern zwischen zwei Tagen und mehreren Wochen.

Die DVS-Methode eignet sich gut zur Untersuchung der Sorptionskinetik – also dazu, was mit einem Produkt passiert, wenn es bestimmten Feuchtigkeiten ausgesetzt ist, und wie schnell es Wasser adsorbiert oder desorbiert. Die DVS-Methode ist jedoch nicht sehr hilfreich bei der Erstellung einer hochauflösenden Isothermenkurve, da jeder Gleichgewichtsschritt nur einen Punkt auf der Isothermenkurve erzeugt.

DDI-Isothermen zeigen, was bisher nicht zu sehen war

Die dynamische Taupunkt-Isothermenmethode (DDI) wurde entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Sie erstellt hochauflösende Isothermen, die Details in den Adsorptions- und Desorptionskurven zeigen, indem sie sowohl die Wasseraktivität als auch den Feuchtigkeitsgehalt (alle 5 Sekunden) erfasst, während die Probe befeuchteter oder getrockneter Luft ausgesetzt wird. DDI-Diagramme enthalten Hunderte von Datenpunkten und zeigen bisher nicht sichtbare Details, wie z. B. kritische Punkte, an denen Verklumpungen, Verbackungen, Zersetzung und Texturverlust auftreten .

Kritische Wasseraktivitätswerte ermitteln

Trotz doppelter Verpackung und strenger Temperaturvorgaben für die Lagerung hatte ein Hersteller von sprühgetrockneter Milch weiterhin Probleme mit Klumpenbildung.

Wenn der Glasübergang zum Problem wird

Wenn Milch sprühgetrocknet wird, bleiben die Zucker durch die schnelle Verdampfung in einem glasartigen Zustand. Glasartige Laktose hat völlig andere Eigenschaften als kristalline Laktose. Aufgrund ihrer geringen Beweglichkeit verklumpen die Partikel nicht, solange sich das Pulver in einem glasartigen Zustand befindet. Die kristalline Struktur ist ein Zustand mit niedrigerer Energie, sodass sich immer einige Moleküle im Übergang vom glasartigen zum kristallinen Zustand befinden. Probleme treten auf, wenn die Übergangsrate einen Wendepunkt erreicht.

Die Wasseraktivität sagt die Übergangsrate voraus.

Bei 0,30_aw kann es mehrere Jahre dauern, bis die gesamte Laktose kristallisiert ist. Bei 0,40_aw kann es einen Monat dauern. Oberhalb von 0,43 erfolgt der Übergang innerhalb weniger Stunden. Sobald die Laktose kristallisiert ist, ist das Milchpulver dauerhaft verändert. Es enthält eine völlig andere Menge an Wasser, löst sich nicht mehr auf und schmeckt nicht mehr richtig. Im Grunde genommen ist es unbrauchbar geworden.

DDI-Isothermen sagen den Glasübergangspunkt voraus

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

Der Spitzenwert auf dem zweiten Ableitungsdiagramm der Isotherme identifiziert den kritischen Phasenübergangswert als 0,43_aw.

Routinemäßige, genaue Tests an der Fertigungslinie mit besseren Kontrollwerten halfen dem Hersteller, die Versandakzeptanzrate zu verbessern.

Mischmodelle erstellen

Ein Kuchenhersteller entwickelte ein Rezept für einen mit Creme gefüllten Kuchen. Die Bestandteile des Rezepts waren Zuckerguss (ca. 7 % Feuchtigkeit), Cremefüllung (12 %) und Kuchen (15 %). Die Feuchtigkeitswanderung während der Haltbarkeitsdauer hatte zuvor zu Texturproblemen geführt, wie z. B. altbackenem Kuchen, gummiartigem Zuckerguss und verflüssigter Cremefüllung, die in den Kuchen auslief.

Sehen Sie, wie sich Feuchtigkeit zwischen den Komponenten bewegt.

Die Feuchtigkeitsaufnahmeisothermen für jede Zutat zeigten, dass die Glasur – die trockenste Zutat – mit 0,79 die höchste Wasseraktivität aufwies. Die Wasseraktivitäten der Creme und des Kuchens waren ähnlich – 0,66 bzw. 0,61.

Vorhersage der Wasseraktivität des Endprodukts

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

Vermeiden Sie unangenehme Überraschungen

Der Konditor backte den Kuchen erfolgreich und führte eine Geschmacksprüfung bei einer Gleichgewichtswasseraktivität (0,67) durch.

Verpackung auswählen

Einzelportionen von Getränkepulvern sind ein wachsendes Marktsegment. Die Verpackung macht mehr als 50 % der Rohstoffkosten für dieses Produkt aus. Das Hauptziel der Verpackung besteht darin, den_{Feuchtigkeitsgehalt} des Getränkepulvers während der gesamten Haltbarkeitsdauer des Produkts unter dem kritischen_Wert zu halten.

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

Diese Kurve zeigt den Glasübergangspunkt für eine bestimmte Getränkezusammensetzung:

Die kritische Wasseraktivität – der genaue Wendepunkt – für dieses Getränkepulver liegt bei 0,618 bei 25 °C.

Berechnen Sie die Leitfähigkeit des Pakets.

Mithilfe optimierter Verpackungsberechnungen (verfügbar in „Fundamentals of Isotherms“ und als Softwaretool) haben wir vier verschiedene Verpackungsarten für dieses Getränkepulver bewertet – die Originalverpackung und drei mögliche Alternativen. Unter extremen Feuchtigkeitsbedingungen (25 °C, 75 % Luftfeuchtigkeit) ergaben sich folgende Ergebnisse:

Formulierungsänderungen verstehen

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

Eine erste Auswertung ergab, dass die Verderbprognosen auf Wasseraktivitätstests basierten, die bei einer ungewöhnlich niedrigen Temperatur von 15 °C durchgeführt wurden. Isothermen bei 15 °C, 25 °C und 40 °C zeigten, dass bei Lagerung unter ungünstigen Bedingungen (wie es bei Tiernahrung häufig der Fall ist) ein Verderb wahrscheinlich war.

Die Isothermen lieferten ein vollständiges Prognosebild, sodass der Kunde das Problem mit einer neuen Formulierung lösen konnte.

Produktfehler untersuchen

Nach 13 problemlosen Ernten wurde die Ernte eines Pekannussbauern aufgrund von Schimmelproblemen abgelehnt. Zur Untersuchung des Problems wurde eine Isotherme erstellt.

Um mikrobielles Wachstum zu vermeiden, müssen die Pekannüsse auf 0,60_aw getrocknet werden. Wie die Isotherme zeigt, entspricht 0,60_aw einem Feuchtigkeitsgehalt von 4,8 % in Pekannüssen. Die Pekannuss-Isotherme ist in diesem kritischen Kontrollbereich ebenfalls recht flach, sodass eine geringe Schwankung des Feuchtigkeitsgehalts zu einer großen und potenziell gefährlichen Veränderung der Wasseraktivität führt.

Isotherm zeigt, dass die Spezifikationen zu niedrig angesetzt waren.

Die vollständige Isotherme zeigt, dass das Verfahren des Pekannussbauern nicht ausreichte, um die Sicherheit und Qualität seiner Ernte zu gewährleisten. Der Pekannussbauer maß den Feuchtigkeitsgehalt anhand des Trocknungsverlusts. Da seine Freigabespezifikation 5 % betrug und seine Genauigkeit ± 0,5 % lag, konnte der tatsächliche Wassergehalt der getrockneten Ernte zwischen 4,5 % und 5,5 % liegen.

Alles, von der Lagerung bei hoher Luftfeuchtigkeit bis hin zu unzureichender Verpackung, könnte dazu geführt haben, dass die Pekannüsse in unsichere Wasseraktivitäten geraten sind und dadurch verdorben sind.

Erfahren Sie mehr über die Haltbarkeit

In diesem 30-minütigen Webinar sprechen die Lebensmittelwissenschaftler Mary Galloway und Zachary Cartwright darüber, wie Sie Antworten auf Ihre Fragen zur Haltbarkeit erhalten. Erfahren Sie, wie Sie:

- Probleme und Beschwerden untersuchen, um herauszufinden, warum die Haltbarkeit früher als erwartet endet.

-Vorhersage, wie sich Rezepturänderungen auf die Haltbarkeit auswirken werden

-Vergleichen Sie die Wirkung verschiedener Inhaltsstoffoptionen.

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

Studien unter Verwendung dynamischer Taupunktisothermen (DDI)

Allan, Matthew und Lisa J. Mauer. „Vergleich von Methoden zur Bestimmung der Delikueszenzpunkte von einkristallinen Inhaltsstoffen und Mischungen.“ Food Chemistry 195 (2016): 29–38. doi:10.1016/j.foodchem.2015.05.042.

Allan, Matthew, Lynne S. Taylor und Lisa J. Mauer. „Common-ion effects on the deliquescence lowering of crystalline ingredient blends” (Auswirkungen gemeinsamer Ionen auf die Senkung der Zersetzbarkeit kristalliner Inhaltsstoffmischungen). Food Chemistry 195 (2016): 2–10. doi:10.1016/j.foodchem.2015.04.063.

Barry, Daniel M. und John W. Bassick. „NASA Space Shuttle Advanced Crew Escape Suit Development“ (Entwicklung des fortschrittlichen Rettungsanzugs für die Besatzung des NASA-Spaceshuttles). SAE Technical Paper Series, 1995. doi:10.4271/951545.

Bonner, Ian J., David N. Thompson, Farzaneh Teymouri, Timothy Campbell, Bryan Bals und Jaya Shankar Tumuluru. „Auswirkungen der sequenziellen Vorbehandlung mit Ammoniakfaser-Expansion (AFEX) und Pelletierung auf die Feuchtigkeitsaufnahmeeigenschaften von Maisstroh.“ Drying Technology 33, Nr. 14 (2015): 1768-778. doi:10.1080/07373937.2015.1039127.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Campbell, G.S. und Carter, A.H. 2016. Veränderungen der Feuchtigkeitsdurchlässigkeit von Getreide bei kritischer Wasseraktivität aus dynamischen Taupunktisothermen. Transaktionen der ASABE. 59(3):1023-1028.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Morris, C.F., Weaver, G.L. und Carter, A.H. 2015. Argumente für die Wasseraktivität als Spezifikation für die Weizentemperierung und Mehlproduktion. Cereal Foods World 60(4):166-170.

Carter, Brady P., Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell und Arron H. Carter. „Die kritische Wasseraktivität aus dynamischen Taupunktisothermen als Indikator für die Knusprigkeit von Keksen mit geringem Feuchtigkeitsgehalt.“ Journal of Food Measurement and Characterization 9, Nr. 3 (2015): 463-70. doi:10.1007/s11694-015-9254-3.

Carter, Brady P., Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell und Arron H. Carter. „Die kritische Wasseraktivität aus dynamischen Taupunktisothermen als Indikator für die Stabilität von Vormischpulvern.“ Journal of Food Measurement and Characterization 9, Nr. 4 (2015): 479-86. doi:10.1007/s11694-015-9256-1.

Carter, B.P und S.J. Schmidt. 2012. Entwicklungen bei der Bestimmung des Glasübergangs in Lebensmitteln unter Verwendung von Feuchtigkeitssorptionsisothermen. Food Chemistry 132:1693-1698.

Coronel-Aguilera, Claudia P., und M. Fernanda San Martín-González. „Verkapselung von sprühgetrockneter β-Carotin-Emulsion durch Fließbettbeschichtungstechnologie.“ LWT – Food Science and Technology 62, Nr. 1 (2015): 187-93. doi:10.1016/j.lwt.2014.12.036.

Fonteles, Thatyane Vidal, Ana Karoline Ferreira Leite, Ana Raquel Araújo Silva, Alessandra Pinheiro Góes Carneiro, Emilio De Castro Miguel, Benildo Sousa Cavada, Fabiano André Narciso Fernandes und Sueli Rodrigues. „Ultraschallbehandlung zur Verbesserung der Trocknung von Cashew-Apfel-Bagasse-Püree: Einfluss auf die antioxidativen Eigenschaften und die In-vitro-Bioverfügbarkeit bioaktiver Verbindungen.“ Ultrasonics Sonochemistry 31 (2016): 237-49. doi:10.1016/j.ultsonch.2016.01.003.

Hao, Fayi, Lixin Lu und Jun Wang. „Finite-Elemente-Analyse der Feuchtigkeitswanderung in Mehrkomponentenlebensmitteln während der Lagerung.“ Journal of Food Process Engineering 40, Nr. 1 (2016). doi:10.1111/jfpe.12319.

Hao, Fayi, Lixin Lu und Jun Wang. „Finite-Elemente-Simulation zur Vorhersage der Haltbarkeit von feuchtigkeitsempfindlichen Crackern in durchlässigen Verpackungen unter verschiedenen Lagerbedingungen.“ Journal of Food Processing and Preservation 40, Nr. 1 (2015): 37–47. doi:10.1111/jfpp.12581.

Kuang, Pengqun, Hongchao Zhang, Poonam R. Bajaj, Qipeng Yuan, Juming Tang, Shulin Chen und Shyam S. Sablani. „Physikalisch-chemische Eigenschaften und Lagerstabilität von Lutein-Mikrokapseln, die mit Maltodextrinen und Saccharose durch Sprühtrocknung hergestellt wurden.“ Journal of Food Science 80, Nr. 2 (2015). doi:10.1111/1750-3841.12776.

Liu, Wei, Haifeng Wang, Xifeng Gu, Can Quan und Xinhua Dai. „Zertifizierung von Referenzmaterialien für Natriumtartrat-Dihydrat und Kaliumcitrat-Monohydrat hinsichtlich ihres Wassergehalts.“ Anal. Methods 8, Nr. 13 (2016): 2845-851. doi:10.1039/c5ay03067f.

Marquez-Rios, E., V.m. Ocaño-Higuera, A.n. Maeda-Martínez, M.e. Lugo-Sánchez, M.g. Carvallo-Ruiz und R. Pacheco-Aguilar. „Zitronensäure als Vorbehandlung beim Trocknen von Fleisch der Pazifischen Löwenpfotenmuschel (Nodipecten subnodosus).“ Food Chemistry 112, Nr. 3 (2009): 599-603. doi:10.1016/j.foodchem.2008.06.015.

Penner, Elizabeth A. und Shelly J. Schmidt. „Vergleich zwischen Feuchtigkeitsadsorptionsisothermen, die mit dem neuen Dampfsorptionsanalysator ermittelt wurden, und solchen, die mit der Standardmethode mit gesättigter Salzsuspension ermittelt wurden.“ Journal of Food Measurement and Characterization 7, Nr. 4 (2013): 185–93. doi:10.1007/s11694-013-9154-3.

Rao, Qinchun, Mary Catherine Fisher, Mufan Guo und Theodore P. Labuza. „Lagerstabilität eines handelsüblichen Hühnereigelbpulvers in trockenen und mittelfeuchten Lebensmittelmatrizen.“ Journal of Agricultural and Food Chemistry 61, Nr. 36 (2013): 8676-686. doi:10.1021/jf402631y.

Rao, Qinchun, Andre Klaassen Kamdar, Mufan Guo und Theodore P. Labuza. „Auswirkungen von Rinderkasein und seinen Hydrolysaten auf die Verhärtung in Proteinteig-Modellsystemen während der Lagerung.“ Food Control 60 (2016): 621-28. doi:10.1016/j.foodcont.2015.09.007.

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

Wei, Meilin, Xiaoxiang Wang, Jingjing Sun und Xianying Duan. „Ein 3D-POM-MOF-Verbundwerkstoff auf Basis von Ni(ΙΙ)-Ionen und 2,2′-Bipyridyl-3,3′-dicarbonsäure: Kristallstruktur und Protonenleitfähigkeit.“ Journal of Solid State Chemistry 202 (2013): 200-06. doi:10.1016/j.jssc.2013.03.041.

Wei ML, Sun JJ, Wang XJ „Herstellung und Bewertung der Protonenleitfähigkeit eines mit einer Metall-Schiff-Base-POM-MOF dotierten Silikatgel-Verbundstoffs.“Journal of Sol-Gel Science and Technology 71, Nr. 2 (2014): 324-28. doi:10.1007/s10971-014-3370-0.

Yuan, X., Carter, B.P. und Schmidt, S.J. 2011. Bestimmung der kritischen relativen Luftfeuchtigkeit, bei der der Übergang von glasartig zu gummiartig in Polydextrose stattfindet, unter Verwendung eines automatischen Wasserdampf-Sorptionsmessgeräts. Journal of Food Science, 76(1): E78-89.

Zabalaga, Rosa F., Carla I.a. La Fuente und Carmen C. Tadini. „Experimentelle Bestimmung der thermophysikalischen Eigenschaften von unreifen Bananenscheiben (Musa cavendishii) während der konvektiven Trocknung.“ Journal of Food Engineering 187 (2016): 62-69. doi:10.1016/j.jfoodeng.2016.04.020.

‍