El exceso de embalaje erosiona los beneficios.

¿Por qué realizar pruebas de vida útil? Un embalaje insuficiente permite que la actividad del agua en los productos alimenticios aumente o disminuya con el tiempo, lo que provoca cambios físicos indeseables, migración de humedad, degradación química y susceptibilidad al crecimiento microbiano. Por otro lado, el exceso de embalaje es caro y puede reducir los beneficios. ¿Cómo se puede calcular la cantidad exacta de embalaje que necesita su producto? Todas estas cuestiones están controladas por la actividad del agua. Si comprende cómo funciona la actividad del agua, podrá desarrollar y envasar productos que se mantengan seguros y deseables durante toda su vida útil, sin gastar de más.

¿Qué es exactamente la vida útil?

La vida útil es el tiempo durante el cual un producto sigue siendo apto para el consumo. Su producto puede presentar algunos cambios durante su vida útil, pero el final de la vida útil se define como el momento en el que el producto ya no es aceptable para los consumidores. Los cambios inaceptables pueden ser características sensoriales, pérdida de estabilidad química, cambios en las propiedades físicas, crecimiento microbiano, degradación de vitaminas y otros.

Paso 1: Identificar qué es lo que pone fin a la vida útil.

El primer paso para determinar la vida útil es identificar qué es lo que pone fin a la vida útil de su producto. Hay tres factores principales que influyen en la vida útil:

• Propiedades microbianas: moho o bacterias potencialmente peligrosas que crecen hasta alcanzar niveles peligrosos en su producto.
• Cambios químicos: oscurecimiento, oxidación lipídica, reacciones enzimáticas y más.
• Deterioro físico: cambios en la textura, apelmazamiento, migración de humedad y más.

Estos tres factores pueden ser intrínsecos al propio producto, es decir, a su formulación. O pueden ser extrínsecos, relacionados con las condiciones de almacenamiento, en particular la humedad y la temperatura de almacenamiento, o el tipo de envase. Los tres factores están relacionados con la actividad del agua y pueden controlarse mediante ella.

Vea el vídeo a continuación para descubrir cómo se utiliza la actividad del agua para predecir, prevenir y controlar los factores que acaban con la vida útil.

Obtenga lo esencial sobre la actividad del agua condensado en este seminario web de 20 minutos. Aprenderá:

• ¿Qué es la actividad del agua?
• En qué se diferencia del contenido de humedad
• Por qué controla el crecimiento microbiano
• Cómo comprender la actividad del agua puede ayudarle a controlar la humedad en su producto.

‍

La figura 1 es un diagrama de estabilidad que muestra la actividad del agua y el contenido de humedad. La actividad del agua se muestra en el eje x, y el eje y ilustra las velocidades de reacción (piense en el contenido de humedad como un aumento de la velocidad de reacción). La línea azul oscuro es una isoterma genérica de sorción de humedad. Una isoterma de sorción de humedad ilustra la relación entre la actividad del agua y el contenido de humedad en un producto. Las otras líneas representan modos de fallo. Se puede observar que la velocidad de crecimiento del moho, la levadura y las bacterias aumenta exponencialmente a medida que aumenta la actividad del agua. La velocidad de la actividad enzimática comienza a aumentar significativamente justo por debajo de 0,9 y aumenta a medida que aumenta la actividad del agua. Sin embargo, la oxidación de los lípidos es diferente. A actividades del agua muy bajas es alta, pero a medida que la actividad del agua aumenta hasta aproximadamente 0,3 a 0,5, se estabiliza. Por encima de 0,5, la oxidación de los lípidos vuelve a aumentar. Las reacciones de oscurecimiento alcanzan su máximo aproximadamente a 0,6. La sección sombreada en azul de la figura 1 ilustra que, en un rango de actividad del agua de 0,3 a 0,5, pueden producirse deterioros físicos o cambios en la textura: pérdida de crujiente, apelmazamiento o colapso de la matriz alimentaria.

Paso 2: Averigüe la actividad crítica del agua de su producto.

Como se ilustra arriba, cada modo de fallo del producto está asociado a una actividad del agua específica. Esta actividad del agua se conoce como actividad crítica del agua o RHc. La actividad crítica del agua es la actividad exacta del agua a la que se producirá un cambio indeseable en su producto. Por ejemplo, los cambios físicos se identifican por un cambio en las propiedades de sorción, lo que en última instancia da lugar a un cambio en la textura. Este cambio se producirá a una determinada actividad del agua específica de su producto, y su producto será más estable por debajo de esa actividad crítica del agua. Una isoterma de sorción de humedad (Figura 2) le ayuda a identificar cuál es la_RHc de su producto.

La figura 2 es un gráfico que muestra varias isotermas de sorción de humedad diferentes generadas por el AQUALAB VSA. Representa la actividad del agua en el eje x y el contenido de humedad en el eje y. La línea azul medio ilustra que la leche en polvo tiene una actividad del agua crítica de aproximadamente 0,42. ¿Cómo se puede saber? En torno a 0,42, se observa un gran aumento del contenido de humedad con un pequeño aumento de la actividad del agua. Es aquí donde comienzan a producirse apelmazamiento y aglutinación.

Curiosamente, la leche en polvo tiene una segunda actividad crítica del agua entre 0,7 y 0,8, donde comienza a producirse la cristalización. En el caso de los cereales (línea azul oscuro), la actividad crítica del agua es de aproximadamente 0,5._{La RHc} de las croquetas sin cereales se acerca más a 0,7 debido al crecimiento microbiano. Las empresas de alimentos para mascotas deben mantenerse por debajo de este nivel. La sacarosa tiene una actividad crítica del agua de aproximadamente 0,85, donde se produce un aumento repentino del contenido de humedad con solo un pequeño aumento de la actividad del agua.

Tenga en cuenta también que la actividad crítica del agua depende de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura de su producto, la actividad crítica del agua disminuirá. Por lo tanto, es importante conocer la_RHc y las condiciones de almacenamiento (temperatura) de su producto. A continuación, puede combinar la formulación del producto y el envase para mantenerse por debajo de la actividad crítica del agua durante toda la producción y la vida útil.

Paso 3: Realizar pruebas aceleradas de vida útil (si es necesario).

Las pruebas aceleradas de vida útil requieren que primero identifique qué modo o modos de fallo son más probables y, a continuación, evalúe cuándo y por qué se producen. Es posible que haya más de un modo de fallo. Si no está seguro de qué fallo se producirá primero, será necesario supervisar todos los niveles de modos potenciales durante la prueba.  Por ejemplo, si el crecimiento microbiano es un modo de fallo, deberá comprender los límites de actividad del agua para el crecimiento microbiano (vea el vídeo para obtener más información sobre los límites de crecimiento microbiano).

Si el deterioro es su modo de fallo, entonces se deben medir los niveles de oxidación. Si un cambio en la textura acaba con la vida útil, necesitará una isoterma de sorción de humedad (véase la figura 2). Para la degradación de las vitaminas, medirá los niveles de vitaminas. Los cambios de color se pueden evaluar mediante imágenes de color (también llamadas colorimetría). Y las reacciones enzimáticas se pueden evaluar observando la actividad enzimática. Después de identificar qué tipo de datos necesita recopilar, puede realizar pruebas aceleradas de vida útil para identificar el rango ideal de actividad del agua para su producto. La siguiente tabla ilustra algunos escenarios de cómo podría ser un proceso de pruebas aceleradas de vida útil después de identificar sus modos de fallo más probables.

Cómo realizar pruebas aceleradas de vida útil

El objetivo de las pruebas aceleradas de vida útil es obtener datos empíricos para su producto específico. Y esto es importante. A veces, la vida útil se determina observando productos similares en el mercado y relacionando esa vida útil con su propio producto. Sin embargo, lo mejor es utilizar su propio producto final para determinar la vida útil. Esto se hace recopilando datos empíricos y relacionando estos datos con la_HRc específica dependiente de la temperatura en la que el producto falla.

Utilizando la actividad del agua (_aw), los pasos básicos para acelerar las pruebas de vida útil son:

A continuación se detallan los pasos para configurar una prueba:

Las pruebas «aceleradas» consisten en elevar la temperatura y la actividad del agua para que los procesos se produzcan más rápidamente. Dado que_{la RHc} disminuye a medida que aumenta la temperatura, se seleccionarán tres actividades del agua y tres temperaturas diferentes, y se mantendrá el producto en una combinación de cada una de estas tres (nueve submuestras) hasta que el producto se vuelva indeseable. Durante este tiempo, se hará un seguimiento del progreso del modo de fallo elegido. Por ejemplo, si se está realizando un seguimiento de la oxidación de los lípidos, se medirá el nivel de oxidación hasta que resulte inaceptable para el consumidor. (Usted decide qué es «inaceptable», ya que se producen algunos cambios en el producto cuando aún es aceptable). Con el tiempo, recopile datos sobre el tiempo frente a la cantidad de cambio para determinar la tasa. A continuación, modele los datos recopilados teniendo en cuenta el tiempo, la temperatura y la actividad del agua. Cuando logre esta correlación, podrá modelar la vida útil y las tasas de reacción para su modo de fallo.

Ejemplo 1: leche de fórmula para bebés

Para ver cómo funciona esto, examinaremos una prueba de fórmula infantil realizada en AQUALAB. Este estudio se publicó y se puede consultar en la Reunión Internacional sobre Vida Útil de 2017. La fórmula infantil se mantuvo a tres temperaturas elevadas (30, 37 y 45 grados centígrados) y tres actividades de agua diferentes (0,43, 0,50 y 0,65). Configuramos nueve submuestras diferentes utilizando una combinación de estos factores. Colocamos el producto en recipientes sellados con una solución salina saturada debajo que produciría la actividad del agua específica que nos interesaba. A continuación, colocamos los recipientes en hornos ajustados a las temperaturas correctas y supervisamos los cambios.

Elegimos la oxidación lipídica como modo de fallo para la fórmula infantil y realizamos un seguimiento de las barras T para determinar cuándo la oxidación había alcanzado un nivel inaceptable. Para este experimento, un nivel inaceptable era de un miligramo de malondialdehído por kilogramo. A continuación, observamos la velocidad de reacción para cada una de esas combinaciones de temperatura y actividad del agua. Lo determinamos utilizando la pendiente del tiempo frente al valor de la barra T y, en este caso, se trataba de una relación lineal.

Sin embargo, no siempre es así. A veces se trata de una reacción de primer orden, lo que significa que tendrá una relación más exponencial. Pero en nuestro caso, se trataba de una relación lineal, lo que facilitó enormemente la creación de un modelo hidrotérmico temporal para la fórmula infantil (correo electrónico [email protected] para obtener una copia del estudio: «A Hygrothermal Model for Predicting Shelf Life in Infant Formula» (Un modelo higrotérmico para predecir la vida útil de la fórmula infantil), de Brady P. Carter, Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell y Shyam S. Sablani).

Ejemplo 2: chips de col rizada

Un fabricante de chips de col rizada experimentó el fin de la vida útil a solo 30 días debido a la pérdida de textura y la aparición de moho. Los 30 días le dificultaban enviar el producto a lugares muy lejanos. ¿Cómo puede aumentar su vida útil?

Para ello, debe determinar a qué nivel de actividad del agua las patatas fritas corren el riesgo de sufrir crecimiento microbiano. Según los límites de actividad del agua para el crecimiento microbiano publicados en la bibliografía (véase la tabla 1), si mantiene la actividad del agua de su producto por debajo de 0,7, no se producirá ningún crecimiento microbiano. Cualquier valor superior a ese nivel supone un riesgo de aparición de moho.

El siguiente paso es determinar a qué actividad del agua las patatas fritas pierden textura. Para averiguarlo, el fabricante necesita una isoterma de sorción de humedad que indique con exactitud cuándo se producirá ese cambio en la textura (Figura 4).

La figura 4 es una isotermia para una chips de col rizada con actividad del agua a lo largo del eje x y contenido de humedad a lo largo del eje y. A simple vista, se podría suponer que la pérdida de textura se produce en un punto de inflexión en la curva, donde las propiedades de sorción aumentan drásticamente. Sin embargo, es difícil identificar con exactitud ese punto, por lo que la forma más sencilla es realizar una evaluación de la segunda derivada en esa pendiente. La evaluación de la segunda derivada analiza la pendiente para determinar cuándo se produce un cambio en la misma, lo que indica un cambio en la absorción de humedad (figura 5).

En la segunda derivada a la derecha de la figura 5, el primer pico será el_RHc. Se puede observar que, al compararlo con la isoterma de la izquierda, se correlaciona bien. Por lo tanto, si el fabricante de chips de col rizada puede mantener los chips por debajo de esta actividad crítica del agua de 0,57, conservarán su textura crujiente y ya no serán susceptibles al crecimiento microbiano. Mantener los niveles correctos de actividad del agua es fácil utilizando un medidor de actividad del agua AQUALAB 4TE (vea el vídeo para saber cómo funciona).

‍

Pasos 4 y 5: Determinar la vida útil deseada y calcular el embalaje.

Una vez que haya determinado la actividad crítica del agua, puede realizar cálculos de la vida útil. Las ecuaciones de vida útil tienen en cuenta varios factores diferentes. Uno de los primeros factores es el envase de su producto. Cada envase tiene una tasa de transmisión de vapor de agua (Figura 6).

En cualquier entorno, habrá una cierta cantidad de agua en el aire o humedad relativa (HR). El envase que seleccione solo permite que una cierta cantidad de esa agua pase y entre en contacto con su producto. Esto se mide generalmente en gramos por metro cuadrado por día. Su envasador prueba el envase en determinadas condiciones (normalmente a unos 38 grados centígrados y con una humedad relativa del 90 %). Esas condiciones se tendrán en cuenta para calcular la vida útil. Además, debe conocer la superficie del envase en metros cuadrados y la masa del producto dentro del envase.

Otra información necesaria son las condiciones de almacenamiento del producto: temperatura, humedad y presión atmosférica. La presión atmosférica depende de la altitud y también puede variar según las diferencias climáticas.

Por último, deberá conocer la actividad del agua de su producto. Esto incluye la actividad inicial del agua y también la actividad crítica del agua.

Ecuaciones de vida útil simplificadas

Hay varias ecuaciones que intervienen en los cálculos de la vida útil que exceden el alcance de este artículo (lea sobre ellas aquí). Pero hay una forma más sencilla.  Un programa de software llamado Moisture Analysis Toolkit realizará automáticamente estos cálculos por usted**.** Solo tiene que introducir las variables de un producto y el kit de herramientas determinará la situación ideal para su envase, permitiéndole incluso variar los parámetros de análisis y encontrar el envase que le proporcione el mejor retorno de la inversión. A continuación se muestran capturas de pantalla extraídas directamente del software para mostrarle cómo funciona.

El software le pedirá que introduzca la tasa de transmisión de vapor de agua, la temperatura y la humedad de prueba (normalmente alrededor de 38 grados centígrados con una humedad del 90 %). A continuación, deberá introducir las condiciones de almacenamiento de su producto y algunos datos sobre el propio producto. En la figura 7, hemos colocado el producto en un lugar con una humedad del 60 % y una presión atmosférica de 100 kilopascales. El producto pesa 454 gramos y se almacena en un entorno a 30 grados Celsius. Calcule la superficie de su envase y, a continuación, introduzca sus actividades hídricas iniciales y críticas. Con el software, puede seleccionar rápidamente su archivo de isoterma guardado anteriormente (la isoterma de su producto se calcula automáticamente y se almacena en el software utilizando el instrumento AQUALAB VSA).

Después de introducir la información, pulse «calcular» y el software le proporcionará una vida útil estimada (en este caso, 30 días). Para cambiar o ampliar la vida útil, busque envases con una tasa de transmisión de vapor de agua menor.

Si desea aumentar la vida útil, puede utilizar otra calculadora del kit de herramientas de análisis de humedad diseñada específicamente para este caso (Figura 8).

La figura 8 muestra que, para obtener una vida útil de 180 días, se necesita un WVTR de embalaje de 1,3. Puede proporcionar esta información a su embalador y decirle que necesita algo con este WVTR para lograr la vida útil deseada.

La tabla 2 muestra una comparación de algunos materiales de embalaje comunes.

Es importante saber que estas tasas de transmisión de vapor de agua se obtuvieron a 38 °C y con una humedad relativa del 90 %. Pero no siempre es así. A veces se obtienen a 30 °C y con una humedad relativa del 75 %. Tenga en cuenta también que esta tabla está en unidades métricas, y así es como lo calcula el software, pero a veces el WVTR se indica en gramos por metro cuadrado por cada 24 horas. O podría estar en unidades estándar, como pulgadas cuadradas. Por lo tanto, es importante que las unidades sean correctas al introducir el WVTR para el material de embalaje. Tenga en cuenta que el polipropileno tiene un WVTR de 8,2, pero un polipropileno orientado y con una capa metalizada reduce el WVTR a 1,0. Es bueno saber qué tipo de embalaje necesita, ya que no querrá embalaje insuficiente. Tomando como ejemplo las chips de col rizada, la figura 8 muestra que, con un embalaje con un WVTR de 7,5, el fabricante de alimentos solo puede conservar el producto durante 30 días. Pero si el fabricante elige un embalaje con un WVTR de 1,3, el producto durará seis meses. Sin embargo, tenga en cuenta que cuanto menor sea el WVTR, mayor será el coste, por lo que no debe sobreempaquetar, ya que pagará por un embalaje que no necesita.

Paso 6: Reevaluar después de los cambios en la formulación.

El kit de herramientas para el análisis de la humedad facilita el cálculo del efecto que tienen los cambios en los ingredientes sobre la vida útil. Se puede calcular la actividad final del agua de una mezcla o una receta sin siquiera fabricar el producto. Para ello, se necesita una isoterma para cada uno de los ingredientes. La figura 9 muestra cómo el kit de herramientas para el análisis de la humedad predice la actividad final del agua si se añade un condimento al producto final.

En la parte superior izquierda, se añaden diferentes ingredientes. En la parte inferior izquierda se muestran los resultados. Para una libra de chips de col rizada, introdujimos la actividad inicial del agua y la masa para averiguar qué ocurre con la actividad del agua al añadir cinco gramos de ajo en polvo. Después de introducir la información, pulsamos «calcular» y el software proporciona una nueva actividad final del agua para la mezcla. En la figura 9, la actividad del agua disminuyó ligeramente. El software también indica el contenido final de humedad de las chips de col rizada y el ajo. El gráfico de la derecha muestra cómo se combinan las isotermas (las chips de col rizada son la traza azul y el ajo es la traza verde). La traza roja es una isoterma combinada, y el programa también proporciona la actividad del agua en equilibrio (0,449), que será la actividad final del agua de la mezcla.

Paso 7: Demostrar las predicciones sobre la vida útil mediante pruebas empíricas.

Los ejemplos anteriores ilustran cómo el VSA y el kit de herramientas de análisis de humedad pueden acelerar los procesos de investigación y desarrollo y predecir cómo cambiará la actividad del agua en un producto. Pero si no ha realizado pruebas de vida útil, deberá comprobar sus predicciones. El software del kit de herramientas de análisis de humedad es excelente para manipular parámetros y ofrecerle una respuesta rápida, pero se trata, en realidad, de predicciones basadas en ecuaciones matemáticas. Deberá realizar pruebas empíricas para demostrar que su formulación y envasado son exactamente lo que necesita.

¿Por qué realizar pruebas de vida útil?

Históricamente, muy pocos fabricantes han tomado decisiones científicas sobre el embalaje y la vida útil. Muchas empresas utilizan un embalaje excesivo para evitar problemas y solo realizan cambios cuando surgen problemas. Sin embargo, el embalaje excesivo puede reducir significativamente los beneficios. Por lo tanto, cuando se requiere un manejo hábil entre el coste y la calidad, la información científica precisa ayuda a mejorar los resultados. A modo de resumen, estos son los pasos para determinar la vida útil y el embalaje.

1. Identifique qué factores acaban con la vida útil (modo de fallo: obtenga más información al respecto en la Guía completa sobre la vida útil de los productos alimenticios de Food Manufacture).
2. Determine la actividad crítica del agua (_RHc).
3. Realizar pruebas aceleradas de vida útil, si es necesario.
4. Determinar la vida útil deseada.
5. Calcular el embalaje adecuado
6. Reevaluar tras los cambios en la formulación.
7. Verifique las predicciones sobre la vida útil mediante pruebas empíricas.

Recursos de vida útil

• Un modelo higrotérmico para predecir la vida útil de la leche de fórmula para bebés, por Brady P. Carter, Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell y Shyam S. Sablani.
• Estabilidad de la vida útil de los alimentos: cambios químicos, bioquímicos y microbiológicos, editado por N.A. Michael Eskin.
• Ciencia y tecnología del secado de alimentos Microbiología, química, aplicaciones editado por Y.H. Hui
• Frescura y vida útil de los alimentos, editado por Keith R. Cadawallader y Hugo Weenen.
• Citas abiertas de alimentos por Theodore P. Labuza y Lynn M. Szybist.
• Vida útil: Informe sobre la industria alimentaria por Dominic Man
• Evaluación de la vida útil de los alimentos, segunda edición, editado por Dominic Man y Adrian Jones.
• Comprender y medir la vida útil de los alimentos, editado por R. Steele.
• Estabilidad y vida útil de los alimentos, editado por David Kilcast y Persis Subramaniam.
• Procesamiento Sous Vide y Cook Chill para la industria alimentaria, editado por S. Ghazala.
• Esterilización de alimentos en bolsas retortables por A.G. Abdul Ghani Al Baali

‍