Was sagen DVS-Feuchtigkeitssorptionsisothermen über die Stabilität von Lebensmitteln aus?

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, klumpt, kristallisiert und für den Verbraucher ungenießbar wird. Die Feuchtigkeitssorptionsisotherme ein leistungsstarkes Werkzeug zur Vorhersage und Verlängerung der Haltbarkeit Produkts. Sie ermöglicht Ihnen:

• Kritische Wasseraktivität , bei denen Veränderungen wie Verklumpung, Verbackung und Texturverlust auftreten
• Prognostizieren Sie, wie das Produkt auf Rezeptur bei den Inhaltsstoffen und Rezeptur reagieren wird
• Haltbarkeit genau abschätzen
• Mischmodelle erstellen
• Verpackungsberechnungen durchführen
• Den Monoschichtwert ermitteln (bei dem ein Produkt am stabilsten ist)

Isothermen: der Heilige Gral der Rezeptur

Eine Feuchtigkeitssorptionsisotherme ein Diagramm, das zeigt, wie sich Wasseraktivität _aw) verändert, wenn Wasser in ein Produkt, das bei konstanter Temperatur gehalten wird, adsorbiert und wieder desorbiert wird. Dieser Zusammenhang ist komplex und für jedes Produkt einzigartig. Wasseraktivität steigt fast immer mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt an, doch der Zusammenhang ist nicht linear. Tatsächlich sind Feuchtigkeitssorptionsisothermen bei den meisten Lebensmitteln S-förmig (sigmoidal) und bei Lebensmitteln, die kristalline Stoffe 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, Wasseraktivität sich das Gewicht der Probe nicht mehr ändert. 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

Das manuelle Erstellen von Feuchtigkeitssorptionsisothermen ist sehr mühsam. Das Verfahren musste automatisiert werden. Die ursprünglich verwendete Methode – die nach wie vor von den meisten Dampfsorptionsgeräten genutzt wird – heißt DVS ( 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 das Gleichgewicht erreicht ist, wechselt das Gerät dynamisch zur nächsten voreingestellten Feuchtigkeitsstufe. 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

Zur Lösung dieses Problems wurde die Methode Dynamische Taupunkt-Isotherme DDI) entwickelt. Sie erzeugt hochauflösende Isothermen, die detaillierte Informationen zu den Adsorptions- und Desorptionskurven liefern, indem sie alle 5 Sekunden einen Momentanwert sowohl Wasseraktivität des Feuchtigkeitsgehalts erfasst, während die Probe befeuchteter oder getrockneter Luft ausgesetzt ist. DDI-Diagramme enthalten Hunderte von Datenpunkten und zeigen bisher nicht sichtbare Details, wie beispielsweise kritische Punkte, an denen Verklumpung, Verbackung, Deliqueszenz und Texturverlust auftreten .

Kritische Wasseraktivität ermitteln

Trotz doppelter Verpackung und strenger Richtlinien zur Lagertemperatur hatte ein Hersteller von sprühgetrockneter Milch weiterhin Probleme mit Verbackung.

Wenn Glasübergang zum Problem Glasübergang

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.

Wasseraktivität die Übergangsrate Wasseraktivität

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 Glasübergang voraus

Der Glasübergang von Pulvern wie Sprühmilchpulver lässt sich mithilfe einer hochauflösenden DDI-Isotherme bestimmen. Herkömmliche Isothermen stützen sich auf Modelle, um die Lücken zwischen den Messpunkten zu füllen. DDI-Isothermen erfassen Hunderte von Messpunkten und können Übergänge wie den Glasübergang von Sprühmilchpulver 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 %). Feuchtemigration Haltbarkeit 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 Feuchtigkeitssorptionsisothermen der einzelnen Zutaten zeigten, dass die Glasur – die trockenste Zutat – Wasseraktivität 0,79 die höchste Wasseraktivität aufwies. Die Wasseraktivitäten der Creme und des Kuchens lagen mit 0,66 bzw. 0,61 auf ähnlichem Niveau.

Vorhersage Wasseraktivität Endprodukts

Die Umwandlung der Isothermen in Chi-Diagramme ergab Wasseraktivität das Endprodukt Wasseraktivität prognostizierte Wasseraktivität 0,67, was für den Kuchen einen mikrobiologisch unbedenklichen Wert darstellt.

Vermeiden Sie unangenehme Überraschungen

Der Konditor backte den Kuchen anschließend erfolgreich und führte eine Verkostung bei Wasseraktivität 0,67 durch.

Verpackung auswählen

Einzelportions-Getränkepulver sind ein wachsendes Marktsegment. Die Verpackungskosten machen mehr als 50 % der Rohstoffkosten für dieses Produkt aus. Das Hauptziel der Verpackung besteht darin, den_aw-Wert des Getränkepulvers während der gesamten angestrebten Haltbarkeit Produkts unterhalb des kritischen_Wertes zu halten.

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

Diese Kurve zeigt den Glasübergang für eine bestimmte Rezeptur:

Die kritische Wasseraktivität– der genaue Wendepunkt – für diese Getränkemischung 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:

Rezeptur verstehen

Ein Tierfutterhersteller änderte Rezeptur ein konservierungsmittelfreies Produkt herzustellen, dessen Qualität anhand Wasseraktivität kontrolliert wird. Kurz nach der Markteinführung des Produkts kam es zu Rückgaben aufgrund von Verderb.

Eine erste Auswertung ergab, dass die Vorhersagen zum Verderb auf Wasseraktivität basierten, Wasseraktivität bei einer ungewöhnlich niedrigen Temperatur – 15 °C – durchgeführt worden waren. Isothermen bei 15 °C, 25 °C und 40 °C zeigten, dass bei Lagerung unter unsachgemäßen Bedingungen (wie es bei Tierfutter häufig der Fall ist) mit einem Verderb zu rechnen war.

Die Isothermen lieferten ein umfassendes Vorhersagebild, sodass der Kunde das Problem mit einer neuen Rezeptur 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_{einen Wasseraktivitätswert von} 0,60 getrocknet werden. Wie die Isotherme zeigt, entspricht_{ein Wasseraktivitätswert von} 0,60 einem Feuchtigkeitsgehalt von 4,8 % in Pekannüssen. Die Pekannuss-Isotherme verläuft in diesem kritischen Kontrollbereich zudem 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 ermittelte den Feuchtigkeitsgehalt mittels Trocknungsverlustmethode. Da seine Spezifikation 5 % Spezifikation und seine Genauigkeit ± 0,5 % betrug, hätte der tatsächliche Wassergehalt der getrockneten Ernte zwischen 4,5 % und 5,5 % liegen können.

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 Haltbarkeit

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

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

- Vorhersage, wie sich Rezeptänderungen auf Haltbarkeit auswirken werden

-Vergleichen Sie die Wirkung verschiedener Inhaltsstoffoptionen.

-Prüfen Sie, ob eine bestimmte Verpackungsvariante dazu beiträgt, 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.

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