Was die Dampfsorption Ihnen verraten kann und was nicht

In diesem Live-Webinar erläutern unsere AQUALAB-Experten, wie und warum die Wasseraktivität Erfassung des Feuchtigkeitsgehalts und Wasseraktivität – sowie deren zeitliche Entwicklung – eine Fülle wertvoller Informationen erschließen 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 bezüglich „ 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 AQUALAB. Sie ist spezialisiert auf den Einsatz und die Prüfung von Messgeräten zur Bestimmung Wasseraktivität deren Einfluss auf physikalische Eigenschaften. Sie hat bereits mit zahlreichen Kunden zusammengearbeitet, um feuchtigkeitsbedingte Produktprobleme 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 man sie erstellt, werden wir darüber sprechen, wie man sie interpretiert und vor allem in der Lebensmittelindustrie einsetzt – sie finden aber auch in der Pharmaindustrie, bei Baustoffen oder sogar in der Bodenkunde Anwendung. Wir werden uns also mit der Vorhersage von „ Texturveränderung “ sowie mit „ Haltbarkeit “-Prognosen und Entscheidungen zur Verpackung 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 berichten, und ich bin mir sicher, dass wir die Zeit überschreiten werden. Ich hoffe, Sie bleiben während der gesamten Präsentation bei uns. Nun übergebe ich das Wort an Mary, die über Wasseraktivität Feuchtigkeitsgehalt sprechen wird.

Isothermen-Parameter: 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, also die Menge an Wasser, die in einem Produkt enthalten ist. Dies ist wichtig für die Maximierung von Ertrag und Umsatz, denn wenn Sie den Feuchtigkeitsgehalt erhöhen können – und Wasser ist billig –, können Sie Ihren Ertrag und Ihren Umsatz steigern. Das vermittelt jedoch kein vollständiges Bild der Situation, da der Feuchtigkeitsgehalt kein Prozessfaktor ist. Das bedeutet: Wenn wir Probleme mit „ Feuchtemigration “ oder anderen Faktoren haben, liefert der Feuchtigkeitsgehalt nicht die Informationen, die Sie benötigen.

Was Sie jedoch wissen müssen, ist die Wasseraktivität. Diese gibt den Energiezustand des Wassers an, und genau dieser treibt die Abläufe an – Mikrobielles Wachstum, Feuchtemigration, und so weiter.

Das ist für die Produktsicherheit und -qualität wirklich wichtig. Es gibt Grenzwerte für die Wasseraktivität, insbesondere im Lebensmittelrecht, wo man einen bestimmten Grenzwert für die Wasseraktivität einhalten muss, damit das Produkt vor „ Mikrobielles Wachstum “ und ähnlichen Gefahren geschützt ist. Außerdem ist dies ein guter Indikator für die Qualität.

Wenn wir also diese beiden Messungen durchführen, ermitteln wir damit im Grunde genommen einen Zielwert, den der Hersteller erreichen möchte. Wenn Sie den Feuchtigkeitsgehalt und Wasseraktivität messen, haben Sie bereits festgelegt, wo dieser Wert liegen soll. Dann versuchen Sie einfach, dieses Ziel zu erreichen.

Diese Zielwerte stammen in der Regel aus dem Bereich der Lebensmittelüberwachung ( Konformität ) oder der Lebensmittelproduktion ( Spezifikation). Ein Beispiel für einen Zielwert aus dem Bereich der Lebensmittelüberwachung ( Konformität ) wären die Grenzwerte für „ Mikrobielles Wachstum “. Hier steht 0,7 für Schimmelpilze und 0,85 für potenziell gefährliche Lebensmittelmikroben.

Der andere dient der Produktion Spezifikation. Aber wie werden diese Zielwerte festgelegt? Wenn wir lediglich die Wasseraktivität und den Feuchtigkeitsgehalt messen und diese Werte gemeinsam in einem Diagramm darstellen, erhalten wir nur diesen einen Datenpunkt. Wir wissen zwar, dass ein Zusammenhang zwischen Wasseraktivität und Feuchtigkeitsgehalt besteht, aber das ist noch 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, was 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, dies zu betrachten, besteht darin, anstelle der Wasseraktivität Sicherheit und Qualität auf dieser X-Achse zu betrachten. Und anstelle des Feuchtigkeitsgehalts können Sie sich dies als Ertrag und Umsatz vorstellen. Wenn wir also den optimalen Punkt finden, an dem Ihr Produkt liegen muss, können Sie beide Kennzahlen 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 rot markierten Datenpunkte für Wasseraktivität Feuchtigkeitsgehalt bemerken. Sie werden feststellen, dass es wirklich schwierig ist, diese Daten an irgendein Modell anzupassen. Das liegt daran, dass diese Methodik einen großen Spielraum für Fehler bietet.

Erstellung von Dampfsorptionsisothermen mit der „ Dynamische Dampfsorption “-Methode

Es gibt eine neuere Methode, die als DVS-Methode oder „ Dynamische Dampfsorption “-Methode bezeichnet wird. Diese wurde Anfang der 90er Jahre von Pfizer entwickelt, um Wirkstoffe 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 vielleicht etwas leichter, diese Methode zu verstehen, wenn wir uns ein Clipart-Bild ansehen, um zu verstehen, wie diese Daten erfasst werden. Stellen Sie sich bitte vor, Sie hätten eine geschlossene Kammer. In diesem Fall liegen wir bei 25 °C, aber wir könnten auch verschiedene Temperaturbereiche betrachten. Nun legen Sie Ihre Probe in diese geschlossene Kammer. Das kann eine Lebensmittelprobe, eine Pharmaprobe oder eine Bodenprobe sein. In diesem Fall liegt Wasseraktivität bei 0,3. Unterhalb dieser Vorrichtung befindet sich eine hochpräzise Waage.

Bei der Durchführung eines DVS-Tests stellt sich möglicherweise die Frage, wie lange es dauern wird, bis unsere Probe eine bestimmte Wasseraktivität erreicht. Nehmen wir in diesem Fall einmal an: Wie lange dauert es, bis Wasseraktivität von 0,3 Wasseraktivität 0,5 ansteigt?

Dazu werden wir unserem System feuchte Luft zuführen. Wir könnten dies in beide Richtungen tun, also mit feuchter oder trockener Luft, aber da wir auf 0,5 steigen müssen, müssen wir feuchte Luft zuführen. Dies geschieht, indem Luft in die Kammer gepumpt wird. Die Steuerung erfolgt über einen sogenannten PID-Algorithmus. Anschließend können wir die relative Luftfeuchtigkeit mithilfe eines Kapazitiver Sensor überwachen. Wir werden also die relative Luftfeuchtigkeit in dieser Kammer auf 50 % bringen.

Nun wird diese Probe nach einer unendlichen Zeitspanne schließlich Wasseraktivität von 0,5 erreichen Wasseraktivität 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 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.

Bitte beachten Sie an dieser Stelle, dass in diesem Fall bei DVS die relative Luftfeuchtigkeit in der Kammer die Veränderung der Wasseraktivität bestimmt. Mary wird Ihnen eine sehr ähnliche Abbildung für eine andere Methode zeigen, allerdings wird dieser Pfeil dann in die entgegengesetzte Richtung weisen.

Ich möchte euch außerdem im Zusammenhang mit DVS daran erinnern, dass wir die Gleichgewichtsbestimmung nach Gewicht vornehmen, da wir ja, wie bereits erwähnt, die Sorptionskinetik und zeitabhängige physikalische Veränderungen untersuchen wollen. Daher erfolgt die Gleichgewichtsbestimmung bei den meisten Geräten ausschließlich nach Gewicht. Wir haben hier bei METER allerdings ein Gerät, das die Gleichgewichtsbestimmung sowohl nach Gewicht als auch nach Wasseraktivität durchführt. Ich bin mir sicher, dass Mary das ebenfalls noch ansprechen wird.

Nachteile der „ Dynamische Dampfsorption “-Methode (DVS)

Einige Nachteile dieser Methode sind also wie folgt:

1. Das Erreichen eines echten Gleichgewichts kann unendlich lange dauern. Es gibt zwar einige Maßnahmen, mit denen Sie Ihren Testprozess beschleunigen können, doch sobald Sie dies tun, wird die Validität der von Ihnen erfassten Ergebnisse in Frage gestellt. Hinzu kommt, dass sich die meisten Geräte, wie ich gerade erwähnt habe, ausschließlich auf das Gewicht stützen. Die meisten Geräte Wasseraktivität also nicht direkt Wasseraktivität . Das bedeutet, dass sie davon ausgehen, dass die relative Luftfeuchtigkeit in der Kammer der Wasseraktivität Probe entspricht, was jedoch nicht immer der Fall ist.
2. Der zweite große Nachteil besteht darin, dass Phasenübergänge nicht erkannt werden können. Wenn Sie also nach einem Punkt des „ Glasübergang “ oder einer Art Texturübergang suchen, ist dies mit keiner der beiden Methoden, die wir gerade besprochen haben, möglich.
3. Schließlich besteht das dritte Problem dieser Methoden darin, dass sie die realen Bedingungen nicht wirklich widerspiegeln, da diese in der Praxis in der Regel wesentlich dynamischer und nicht statisch sind. Daher erfassen Sie keine Daten, die tatsächlich widerspiegeln, was mit Ihrem Produkt geschieht, sobald es Ihr Werk verlässt.

Nun werden wir uns mit einer dritten Methode befassen, die als „Methode der dynamischen Taupunktisotherme“ bezeichnet wird. Mary wird uns das näher erläutern.

Erstellung von Dampfadsorptionsisothermen mit der Methode der dynamischen Taupunktisotherme

MG: Für die DDI-Methode werde ich ein ähnliches Beispiel verwenden wie das, das Zachary zuvor gezeigt hat. Wir haben unsere Probe mit Wasseraktivität von 0,3 Wasseraktivität dieser Kammer. Darunter befindet sich ebenfalls eine hochpräzise Messwaage. Im Moment steht sie einfach nur da, wir machen nichts damit. Sie bestimmt also die Luftfeuchtigkeit im Inneren der Kammer. Wir befinden uns also dort 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 dynamisch beobachten wollen, was mit unserer Probe geschieht, beginnen wir unseren Test an dieser Stelle. Ähnlich wie Zachary es zuvor beschrieben hat, werden wir feuchte Luft einleiten. Wir könnten auch trockene Luft einleiten 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.

Außerdem legen wir einen Wasseraktivität fest. Normalerweise wählen wir hierfür einen Wasseraktivität von 0,01. So erkennt das Gerät, wann es eine Messung vornehmen muss.

Also beginnen wir unseren Test hier. Wir werden eine Weile warten. Wie ich bereits sagte, misst das Gerät die Wasseraktivität versucht, diese auf die gewünschte Auflösung abzustimmen. Das kann also zwischen fünf Minuten und zwei Stunden dauern. Das ist der Bereich, in dem die Messungen stattfinden werden.

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 Wasseraktivität . Genau das wollen wir, denn das entspricht unserer Auflösung. Außerdem treibt dies auch den Gleichgewichtsausgleich in der Kammer voran – unsere Kammer liegt ebenfalls bei 31 %. Wir werden gleichzeitig eine Gewichtsmessung vornehmen.

Hier werden wir einen Taupunktsensor verwenden – einen äußerst präzisen Sensor –, um die Wasseraktivität . In diesem Fall bestimmt die Probe den Gleichgewichtszustand in der Kammer. Wir werden das Gewicht nicht ins Gleichgewicht kommen lassen, da wir etwaige ablaufende Übergänge verstärkt darstellen möchten. Wir werden die Messungen fortführen und haben während des gesamten Tests die Feuchtigkeitsdaten zur Verfügung.

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 Wasseraktivität. Im ersten Abschnitt haben wir den statischen DVS. Wie Sie sehen, gibt es Linien, die anzeigen, wo wir die Feuchtigkeit und die Wasseraktivität halten, während wir darauf warten, dass sich das Gewicht einpendelt. Sobald dies geschehen ist, gehen wir zum nächsten Punkt über. Sie können beobachten, wie das Gewicht ansteigt, sich dann abflacht und wir anschließend 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 scrollen, sehen wir den DDI. Er sieht aus wie eine schöne, glatte Kurve, aber jeder einzelne Punkt davon ist ein aussagekräftiger Datenpunkt. So können wir den Verlauf in Echtzeit verfolgen, während der Test abläuft. DDI – bei dem getrocknete oder befeuchtete Luft über die Probe geleitet wird – ist eine patentierte Technologie der METER Group. Das System erfasst zudem das Gewicht gravimetrisch, misst also dieses und ermittelt direkt Wasseraktivität . So kennen wir während des Prozesses stets beide Werte für die Sorptionscharakteristik in Echtzeit. Das ist bei vielen 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 ein „ Glasübergang “ auf, woraufhin es tatsächlich eine Kristallisationsphase durchläuft. Würden wir uns also ausschließlich auf die DVS verlassen, würden uns diese Übergänge entgehen.

Als Nächstes wird Zachary über „ Texturveränderung “ sprechen.

Feuchtigkeitsaufnahmeisothermen und Veränderungen der Produkttextur

ZC: Danke, Mary.

Wenn wir über diese Methode der dynamischen Taupunktisothermen sprechen, kommen wir direkt zu Texturveränderung. Wie Sie bereits angemerkt haben, weist sprühgetrocknetes Milchpulver mehrere Phasenübergänge auf. Lassen Sie uns darüber sprechen, wie wir feststellen, wo diese Übergänge stattfinden.

Für „ Texturveränderung “ müssen wir festlegen, was wir unter „kritischen Wasseraktivitäten“ verstehen. Dabei handelt es sich um Wasseraktivitäten, die Sie vermeiden müssen, um die gewünschte Textur zu erhalten. Bei sehr trockenen Produkten, wie beispielsweise Pulvern, wäre dies ein Wasseraktivitätswert, unter dem Sie bleiben sollten, um „ Verklumpung “ und „ Verbackung “ bzw. den Verlust der Fließfähigkeit zu verhindern. Es könnte sich aber auch um ein Snackprodukt handeln, bei dem Sie versuchen, das Altbackenwerden, den Verlust der Knusprigkeit oder einfach nur den Verlust der gewünschten Textur zu verhindern.

Wir können auch über Wasseraktivität höherem Feuchtigkeitsgehalt und höherer Wasseraktivität sprechen, wie beispielsweise Backwaren oder sogar kaltgepresste Riegel – also Produkte, bei denen man Synerese oder den Verlust der gewünschten Textur verhindern möchte. Es hängt wirklich davon ab, um welches Produkt es sich handelt und ob man sich für eine Wasseraufnahme oder einen Wasserverlust interessiert.

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

Ich werde Ihnen genau zeigen, warum. Hier sehen Sie eine Texturanalyse anhand 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 bereits eine sehr geringe Änderung des Feuchtigkeitsgehalts – etwa um 1 % – zu einer Änderung der Wasseraktivität um vielleicht 30 oder 40 % führen kann. Viele Produkte weisen diese Eigenschaft auf. Dies ist ein wesentlicher Grund, warum es wichtig ist, Wasseraktivitätzu messen – nämlich wegen der hohen Auflösung dieser Messung.

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

Wenn wir also auf diesen Peak 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 ermittelt wurde. Bei einer Wasseraktivität von 0,67 bzw. einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60 % wäre dies also der Punkt der „ Glasübergang “ für dieses Pulver.

Schauen wir uns diese Isotherme nun einmal genauer an. Die nächste Folie zeigt also genau dieselbe Isotherme. Dieser Hersteller hat dieses Pulver ursprünglich bei einer Wasseraktivität von 0,24 hergestellt. Ganz unten bei dieser niedrigen Wasseraktivität gibt es nur eine begrenzte Anzahl an Wasserbindungsstellen. Sobald man jedoch auf 0,67 kommt, kann sich hier bereits viel Wasser an das Produkt binden. Und wenn man auf dieser Isotherme noch weiter nach oben geht, kommt es bei diesem Produkt zu starker Texturierung ( Verklumpung ) und Klumpenbildung ( Verbackung ). Würde ich also mit diesem Pulverhersteller zusammenarbeiten, würde ich ihm vielleicht sogar empfehlen, die Wasseraktivität seines Produkts zu erhöhen, da er die Wasseraktivität und den Feuchtigkeitsgehalt sicher leicht steigern kann, ohne dabei 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 nach rechts schauen: Diese Kurve bezieht sich auf Heidelbeeren, die mit keinerlei Folie umhüllt sind. Sie weisen hier oben also einen etwas geringeren Feuchtigkeitsgehalt auf. Und dann werden Sie feststellen, dass sie einen kritischen Punkt bei etwa 0,27 Wasseraktivität haben. Das bedeutet also: Sobald diese Heidelbeeren einer relativen Luftfeuchtigkeit von etwa 27 % ausgesetzt sind, kommt es zu einem plötzlichen Feuchtigkeitsabfall.

Wenn wir nun eine Folie oder eine Beschichtung auf diese Heidelbeeren aufbringen würden, würden Ihnen zwei Dinge auffallen. Erstens ist der anfängliche Feuchtigkeitsgehalt etwas höher, und nun Wasseraktivität diese entscheidende Wasseraktivität niedriger. Es bedarf also einer noch trockeneren Umgebung mit etwa 24 % relativer Luftfeuchtigkeit, bevor diese Heidelbeeren beginnen, Feuchtigkeit zu verlieren. Ich fand, das ist ein wirklich gutes Beispiel, wenn man darüber nachdenkt, wie man Wasser im Inneren eines Produkts 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, sodass bei gleicher Wasseraktivität ein höherer Feuchtigkeitsgehalt vorliegt Wasseraktivität bei Samen mit verschiedenen Beschichtungen. Ganz gleich, ob Sie versuchen, Wasser in einem Produkt zu halten oder fernzuhalten – Isothermen können eine hervorragende Methode sein, um zu verstehen, wie effektiv Ihre Beschichtung oder Ihre Folie wirkt.

Als Nächstes werden wir über „ Haltbarkeit “ und die Auswahl der Verpackung sprechen, daher übergebe ich nun wieder an Mary.

Analyse der Leistung von „ Haltbarkeit “ und der Verpackung anhand von Dampfadsorptionsisothermen

MG: Ich werde oft gefragt, wie man Haltbarkeit berechnet.

Für die Berechnung müssen Sie die Sorptionseigenschaften des Produkts – insbesondere die Isotherme – sowie die Lagerbedingungen berücksichtigen. Wir müssen wissen, welchen Bedingungen das Produkt ausgesetzt sein wird. Das heißt: Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und schließlich die Verpackung. Dazu benötigen wir die Oberfläche, die Masse des Produkts in der Verpackung und den sehr wichtigen Wert „ Wasserdampfdurchlässigkeit “.

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

Fangen wir also damit an, wie ich diese Berechnung konkret durchführe. Zunächst erstelle ich eine Isotherme. Das hier ist eine Isotherme für Müsli. Dabei interessiert mich insbesondere nur die Absorption. Deshalb habe ich diese Datei erstellt, die ausschließlich die Absorption enthält. Nun möchte ich für mein Produkt, nämlich einen Müsliriegel, wissen, dass die „ Haltbarkeit “ durch die „ Texturveränderung “ begrenzt wird. Es handelt sich um einen knusprigen Müsliriegel, und wir wollen nicht, dass er altbacken wird, weich wird oder Ähnliches. Die Textur ist also der Faktor, der unsere „ Haltbarkeit “ beendet.

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 versucht sein, den höheren Wert zu wählen, aber eigentlich wollen wir wissen, wann der Übergang zum ersten Mal stattfindet. Die Wasseraktivität Müsliriegels liegt ursprünglich Wasseraktivität etwa 0,2. Wenn wir also den Wert erhöhen und Wasseraktivität steigern, wollen wir wissen, wann dieser Übergang zum ersten Mal eintritt.

Ich möchte also den ersten Übergang verwenden. Und der erste Übergang liegt genau dort bei Wasseraktivität von 0,42. Das ist also der Wert, den ich für meine Berechnungen verwenden werde. Den größeren Wert werde ich nicht verwenden, denn bis wir dort angelangt sind, hat sich bereits eine Veränderung vollzogen.

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 Wert als „ Wasserdampfdurchlässigkeit “ ausgewählt, was eigentlich eine ziemlich gute Angabe in Gramm pro Quadratmeter pro Tag ist. Und dann fangen wir mit der anfänglichen Wasseraktivität an, von der ich gesprochen habe. Der Ausgangswert liegt also bei 0,2. Und dann der kritische Wert „ Haltbarkeit “. Das ist der Punkt, an dem die Wasseraktivität, sobald sie diesen Wert erreicht, zu Ende geht „ Haltbarkeit “. Nun habe ich 0,42 gewählt, weil ich möchte, dass sich das leicht nachverfolgen lässt. Man sieht, woher ich diesen Datenpunkt habe. Ich stimme Zachary zu, dass ich wahrscheinlich nicht wirklich 0,42 eingeben würde, denn wenn dieser Wert erreicht wird, hat der Übergang bereits leicht begonnen. Wir wollen nicht, dass es so weit kommt.

Ich würde daher empfehlen, diesen kritischen Wasseraktivität ein wenig Wasseraktivität , vielleicht auf 0,4 oder 0,38, so in etwa, nur um sicherzustellen, dass wir uns nicht zu sehr diesem Übergang nähern. In diesem Beispiel behalten wir den Wert jedoch bei 0,42 bei.

Diese Isotherme habe ich gekürzt. Wie Sie sehen können, weist sie keine höhere Wasseraktivität auf. Ich werde mich auf den Bereich konzentrieren, der mich interessiert. Also auf den Bereich der Wasseraktivität interessiert, und ich möchte sicherstellen, dass ich den Bereich zwischen dem Startpunkt und dem kritischen Punkt wirklich gut modelliere. So erhalte ich eine gute Darstellung dieser Daten.

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 dem Punkt, an dem wir waren. Wenn ich nun diese Isotherme einfüge, werde ich die beschnittene Variante verwenden. Ich möchte diejenige einfügen, die eine wirklich gute Modellanpassung aufweist. Und von hier aus werde ich dann die „ Haltbarkeit “ berechnen.

Wenn ich das nun unter diesen Bedingungen für diesen Müsliriegel durchführe, beträgt die Haltbarkeitsdauer („ Haltbarkeit “) 151 Tage. Das sind etwa fünf Monate. Das ist zwar nicht schlecht, aber nehmen wir mal an, das entspricht nicht ganz Ihren Erwartungen. Vielleicht hoffen Sie, dass dieses Müsliriegel ein ganzes Jahr lang haltbar ist. Wie finden wir das also heraus? Was können wir ändern? In diesem Fall ist es wirklich einfach. Was wir ändern würden, ist die „ Wasserdampfdurchlässigkeit “. Damit können wir also ermitteln, welche Verpackung uns die gewünschte „ Haltbarkeit “ bietet.

Das ist also eine ähnliche Berechnung, allerdings mit denselben Daten, die wir zuvor eingegeben haben. Anstelle von „ Wasserdampfdurchlässigkeit “ geben wir nun jedoch die „ Haltbarkeit “ ein, die wir erhalten möchten. Wir geben dieselbe gekürzte Isotherme ein, die eine gute Modellanpassung aufweist, und klicken auf „Berechnen“.

Und nun wissen wir: Wenn wir in unserer Verpackung einen „ Wasserdampfdurchlässigkeit “ von 0,42 haben, ergibt sich unter diesen Bedingungen für das gesamte Jahr ein Wert von Haltbarkeit . Und das entspricht in etwa dem, was man bei einer Folienverpackung erwarten würde. 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. Wir haben uns heute vor allem auf die Textur in „ Haltbarkeit “ konzentriert. Ich habe jedoch versucht, die Art und Weise, wie Kunden Isothermen meiner Erfahrung nach nutzen, in drei Kernpunkten zusammenzufassen.

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 eigentlich ganz einfach. Wasser ist die günstigste Zutat in Ihrem „ Rezeptur “. Wenn Sie also die Wassermenge erhöhen können, kann dies dazu beitragen, Ihren Umsatz zu steigern.

Hier ist also ein Beispiel, wie Sie das umsetzen könnten. Der erste Schritt besteht darin, Ihre Grenzwerte festzulegen. Damit meine ich, dass Sie die für Sie akzeptablen Bereiche für die Wasseraktivität und den Feuchtigkeitsgehalt festlegen. Dies ist ein Beispiel für Cannabis. Hier sehen wir die Desorptionskurve. Die ideale Wasseraktivität liegt hier zwischen etwa 0,56 und 0,63. Das wissen wir, weil bei diesem speziellen Produkt ein Unterschreiten dieser Wasseraktivität zu Qualitätseinbußen führt. Man beginnt, Terpene zu verlieren, und die Qualität der Blüten ist nicht mehr dieselbe. Liegt die Wasseraktivität darüber, bedeutet dies einen Verlust an Sicherheit. In diesem Bereich kann es nämlich zu Schimmelbildung und „ Mikrobielles Wachstum “ kommen.

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

Wenn wir also diese Isotherme nutzen und über gewisse Kenntnisse zur Wasseraktivität verfügen, können wir den optimalen Punkt finden, um all die Faktoren 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 %.

Indem wir uns die Isotherme ansahen und einen neuen Wasseraktivität festlegten, konnten wir diesem Unternehmen zeigen, dass es bei 10,4 % produzieren kann, ohne dabei Abstriche bei Sicherheit und Qualität machen zu müssen. Es handelt sich also nur um eine geringfügige 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 damit beginnen konnte, seine Rohstoffe durch Wasser zu ersetzen, erzielt es erhebliche Einsparungen bei den Rohstoffen, und da es zuvor hohe Kosten für die Rohstoffe bzw. Zutaten hatte, verzeichnete es nach einem Jahr bei diesem Produkt bzw. unter Rezeptur eine jährliche Ertragssteigerung von über einer Million Dollar.

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 Produkt Rezeptur sprozesse zu beschleunigen und F&E-Kosten zu senken

Ein weiterer Weg, wie Isothermen einen geschäftlichen Mehrwert schaffen können, besteht darin, die „ Rezeptur “-Prozesse zu beschleunigen und gleichzeitig die F&E-Kosten zu senken.

Ich bin also froh, dass Mary noch einmal darauf zurückgekommen ist und Ihnen die Modellierung gezeigt hat, denn mit dieser Modellierung lässt sich die „ Feuchtemigration “ eines neuen Produkts quantifizieren, die Isotherme einer neuen Rezeptur visualisieren und auch die Gleichgewichtswasseraktivität vorhersagen. All diese Dinge lassen sich also bereits vor der Herstellung des Endprodukts durchführen. Dazu muss lediglich für jede der Zutaten eine Isotherme vorliegen.

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 also vor, Sie stellen einen kaltgepressten Riegel her. Der Einfachheit halber verwenden wir hier nur drei Zutaten, aber Sie können so viele Zutaten hinzufügen, wie Sie möchten. In diesem Fall handelt es sich um Dattelpaste, Heidelbeeren und Cashewnüsse. Sie müssen lediglich einige Angaben zur Wasseraktivität und zum anfänglichen Feuchtigkeitsgehalt machen. Außerdem können Sie eine Masse angeben. So können wir verschiedene Massenverhältnisse untersuchen.

Wenn Sie hierher kommen und auf „Berechnen“ klicken, werden Ihnen die Isothermen angezeigt. Hier sehen wir also die Isothermen für die Dattelpaste, die Heidelbeeren sowie die Cashewnüsse. Anhand dieser Informationen und durch die entsprechende Modellierung können wir eine kombinierte Isotherme erstellen. So können wir uns schon vor der Herstellung ein Bild vom Endprodukt machen. Außerdem können wir die Gleichgewichts- bzw. Wasseraktivität ermitteln.

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 zuvor auf dem Bildschirm angezeigt, den Mary für die Modellierung aufgerufen hatte, aber sie können tatsächlich auch im Rechner „ Haltbarkeit “ verwendet werden, den Mary vorgestellt hat. So können Sie sogar die „ Haltbarkeit “ vorhersagen und bereits jetzt über die Verpackungsanforderungen für ein Produkt nachdenken, 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 Texturveränderung – wie wir bereits besprochen haben – zu verhindern, Rückrufe zu vermeiden, insbesondere aufgrund mikrobiologischer Herausforderungen oder mikrobiologischer Probleme, und zudem die bereits erwähnten Entscheidungen bezüglich Haltbarkeit und Verpackung zu treffen.

Also nur eine kurze Erzählung zu jedem dieser Punkte.

Das erste Beispiel betrifft einen Hersteller von Proteinpulver. Das sehen wir ständig. Viele Unternehmen haben große Probleme mit „ Verklumpung “ und „ Verbackung “ oder dem Verlust der Fließfähigkeit. In diesem Fall war bei diesem Unternehmen etwa fünf bis zehn Prozent der Gesamtproduktion von diesem Problem betroffen. Die Folge war, dass sie dieses Produkt entweder nachbearbeiten oder entsorgen mussten. Und ihr Ruf wurde in vielen Fällen geschädigt. Die Lösung bestand darin, dass das Unternehmen begann, Isothermen zu nutzen. Man erkannte, dass die Produktion viel zu nahe am „ Glasübergang “-Punkt erfolgte. Dank dieser Erkenntnisse und der Nutzung von Isothermen zur Treffen der richtigen Verpackungsentscheidungen liegt der Anteil an „ Verklumpung “ nun bei unter 0,1 %. Dieses Problem verursachte im Vorjahr Produktverluste in Höhe von über 500.000 Dollar, doch durch die richtigen Daten und Erkenntnisse konnte dieser Verlust nun deutlich reduziert werden.

Das nächste Beispiel betrifft einen Hersteller von gesunden Snacks. Bei diesem Unternehmen kam es zu einem Rückruf aufgrund von Beschwerden seiner Kunden über Schimmelbefall. Wir haben uns dieses Produkt daher genauer angesehen und bei einer Isothermenanalyse festgestellt, dass eine Temperatur von etwa 35 Grad Celsius dazu führte, Wasseraktivität die Wasseraktivität 0,7 überschritt. Hätte dieses Unternehmen bereits früher Isothermen genutzt, hätte es den Zusammenhang zwischen Wasseraktivität Temperatur wirklich verstehen können. Nun nutzt dieses 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 wäre vollständig vermeidbar gewesen, wenn das Forschungs- und Entwicklungsteam diese Erkenntnisse bereits im Vorfeld gehabt hätte.

Und dann gibt es noch ein letztes Beispiel für ein Verpackungsunternehmen. Dieses Verpackungsunternehmen arbeitete mit einem Kunden zusammen, der eine umweltfreundlichere Verpackung einsetzen wollte, und konnte mithilfe von Isothermen schnell ermitteln, welche Temperaturverteilung ( Wasserdampfdurchlässigkeit ) erforderlich war, um die gewünschte Temperatur ( Haltbarkeit) aufrechtzuerhalten.

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. Ich hoffe, Sie haben nun ein Gefühl dafür bekommen, warum der Feuchtigkeitsgehalt und Wasseraktivität viel mehr Informationen liefern können als nur ein einzelner Messwert, wenn man nur einen der beiden Werte misst.

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 Prognose von „ Texturveränderung “ und die Vorhersagen zu „ 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 es zu einer „ Feuchtemigration “ kommt, während der Feuchtigkeitsgehalt aufgrund eines guten Verpackungsmaterials stabil bleibt?

MG: Das ist eine wirklich gute Frage, denn das Produkt enthält „ Feuchtemigration “. Und letztendlich 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 – nehmen wir zum Beispiel Kakaopulver oder etwas Ähnliches –, dieses Pulver auch bei der relativen Luftfeuchtigkeit lagern, die diese Texturveränderung hervorruft. Anschließend haben wir ein Sensorikpanel befragt, um festzustellen, ob die Teilnehmer einen Unterschied feststellen können. In der Regel stimmen die Ergebnisse perfekt überein. Wir sehen also durchaus einen Zusammenhang zwischen den Ergebnissen des Sensorikpanels und der Lagerung des Produkts an diesem kritischen Punkt.

Im Großen und Ganzen habe ich also festgestellt, dass ein Zusammenhang besteht. Und wenn Sie von der Isotherme ausgehen, hoffe ich, dass Ihnen dieses Webinar zeigt, dass Sie mit Hilfe der dynamischen Methode die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit genau bestimmen und genau kennen können, die zu einer kritischen Veränderung, einer „ Texturveränderung “ oder welcher Art von Veränderung auch immer führen, die Sie bei diesem Produkt untersuchen.

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, aus der hervorgeht, wie Wasseraktivität mit einigen der möglichen Prozesse Wasseraktivität und diese 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 stellt „ Lipidoxidation “ ein Problem für Ihr Pulver dar oder es gibt ein Problem mit der Bräunung. Und dann können Sie all diese Informationen zusammenführen, um zu versuchen, eine Formulierung zu entwickeln, die eine lange Haltbarkeit aufweist.

Frage und Antwort Nr. 4: Gibt es Vorschläge zur Aushärtung von Proteinriegeln im Hinblick auf Feuchtigkeitsgehalt und Wasseraktivität, wobei eine gute Haltbarkeit berücksichtigt werden sollte?

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 bei diesem Balken könnte es ähnlich sein: Man erreicht gerade einen kritischen Punkt bei der Desorption, über dem man bleiben muss. Auch wenn wir uns heute vor allem mit der Absorption beschäftigt haben – selbst bei den Berechnungen zur „ Haltbarkeit “, die Mary betrachtet hat –, können wir dies auch in die entgegengesetzte Richtung durchspielen. Wir können eine Desorptionskurve verwenden und dann verschiedene Bedingungen bewerten und untersuchen, wie dies dazu führen könnte, dass Wasser aus Ihrem Produkt entfernt wird. Ob also Adsorption oder Desorption, ob Wasseraufnahme oder Wasserverlust – wir sind in der Lage, dies zu untersuchen. Wir müssen lediglich den richtigen Test durchführen und die richtigen Daten erfassen.

Nächste Schritte

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