Le suremballage réduit les bénéfices

Pourquoi effectuer des tests de durée de conservation ? Un emballage insuffisant permet à l'activité de l'eau dans les produits alimentaires d'augmenter ou de diminuer au fil du temps, ce qui entraîne des changements physiques indésirables, une migration de l'humidité, une dégradation chimique et une sensibilité à la croissance microbienne. À l'inverse, un emballage excessif est coûteux et peut réduire les bénéfices. Comment déterminer la quantité exacte d'emballage dont votre produit a besoin ? Tous ces aspects sont contrôlés par l'activité de l'eau. Si vous comprenez comment fonctionne l'activité de l'eau, vous pouvez développer et emballer des produits qui restent sûrs et appétissants pendant toute leur durée de conservation, sans dépenses excessives.

Qu'est-ce que la durée de conservation exactement ?

La durée de conservation est la période pendant laquelle un produit reste consommable. Votre produit peut subir certaines modifications pendant sa durée de conservation, mais la fin de celle-ci est définie comme le moment où le produit n'est plus acceptable pour les consommateurs. Les modifications inacceptables peuvent concerner les caractéristiques sensorielles, la perte de stabilité chimique, la modification des propriétés physiques, la croissance microbienne, la dégradation des vitamines, etc.

Étape 1 : Identifier ce qui met fin à la durée de conservation

La première étape pour déterminer la durée de conservation consiste à identifier ce qui met fin à la durée de conservation de votre produit. Trois facteurs principaux influencent la durée de conservation :

• Propriétés microbiennes: moisissures ou bactéries potentiellement dangereuses qui se développent à des niveaux dangereux dans votre produit.
• Changements chimiques: brunissement, oxydation des lipides, réactions enzymatiques, etc.
• Détérioration physique: changements de texture, agglomération, migration d'humidité, etc.

Ces trois facteurs peuvent être intrinsèques au produit lui-même, c'est-à-dire liés à sa formulation. Ils peuvent également être extrinsèques, c'est-à-dire liés aux conditions de stockage, en particulier à l'humidité et à la température de stockage, ou au type d'emballage. Ces trois facteurs sont liés à l'activité de l'eau et peuvent être contrôlés par celle-ci.

Regardez la vidéo ci-dessous pour découvrir comment l'activité de l'eau est utilisée pour prédire, prévenir et contrôler les facteurs qui mettent fin à la durée de conservation.

Découvrez l'essentiel des activités aquatiques condensées dans ce webinaire de 20 minutes. Vous apprendrez :

• Qu'est-ce que l'activité de l'eau ?
• En quoi cela diffère-t-il de la teneur en humidité ?
• Pourquoi il contrôle la croissance microbienne
• Comment la compréhension de l'activité de l'eau peut vous aider à contrôler l'humidité dans votre produit.

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La figure 1 est un diagramme de stabilité montrant l'activité de l'eau et la teneur en humidité. L'activité de l'eau est représentée sur l'axe des x, et l'axe des y illustre les vitesses de réaction (considérez la teneur en humidité comme une vitesse de réaction accrue). La courbe bleu foncé est une isotherme générique de sorption d'humidité. Une isotherme de sorption d'humidité illustre la relation entre l'activité de l'eau et la teneur en humidité d'un produit. Les autres courbes représentent les modes de défaillance. Vous pouvez voir que le taux de croissance des moisissures, des levures et des bactéries augmente de manière exponentielle à mesure que l'activité de l'eau augmente. Le taux d'activité enzymatique commence à augmenter de manière significative juste en dessous de 0,9 et augmente à mesure que l'activité de l'eau augmente. Cependant, l'oxydation des lipides est différente. À des activités de l'eau très faibles, elle est élevée, mais à mesure que l'activité de l'eau augmente jusqu'à environ 0,3 à 0,5, elle se stabilise. Au-dessus de 0,5, l'oxydation des lipides recommence à augmenter. Les réactions de brunissement atteignent leur pic à environ 0,6. La partie ombrée en bleu dans la figure 1 illustre qu'à une activité de l'eau comprise entre 0,3 et 0,5, une détérioration physique ou des changements de texture peuvent se produire : perte de croustillant, agglomération ou effondrement de la matrice alimentaire.

Étape 2 : Déterminez l'activité hydrique critique de votre produit

Comme illustré ci-dessus, chaque mode de défaillance du produit est associé à une activité de l'eau spécifique. Cette activité de l'eau est connue sous le nom d'activité critique de l'eau, ou RHc. L'activité critique de l'eau est l'activité exacte à laquelle un changement indésirable se produira dans votre produit. Par exemple, les changements physiques sont identifiés par une modification des propriétés de sorption, qui se traduit finalement par un changement de texture. Ce changement se produira à une certaine activité de l'eau spécifique à votre produit, et votre produit sera le plus stable en dessous de cette activité critique de l'eau. Une isotherme de sorption d'humidité (figure 2) vous aide à identifier la_RHc de votre produit.

La figure 2 est un graphique représentant plusieurs isothermes de sorption d'humidité générées par l'AQUALAB VSA. Il représente l'activité de l'eau sur l'axe des x et la teneur en humidité sur l'axe des y. La courbe bleu moyen montre que le lait en poudre a une activité de l'eau critique d'environ 0,42. Comment le savoir ? À environ 0,42, on observe une forte augmentation de la teneur en humidité avec une légère augmentation de l'activité de l'eau. C'est à ce moment-là que l'agglomération et la formation de grumeaux commencent à se produire.

Il est intéressant de noter que le lait en poudre présente une deuxième activité hydrique critique comprise entre 0,7 et 0,8, à laquelle la cristallisation commence à se produire. Pour les céréales (trace bleu foncé), l'activité hydrique critique est d'environ 0,5._L'RHc des croquettes sans céréales est plus proche de 0,7 en raison de la croissance microbienne. Les fabricants d'aliments pour animaux doivent rester en dessous de ce niveau. Le saccharose a une activité critique de l'eau d'environ 0,85, où l'on observe une augmentation soudaine de la teneur en humidité avec une légère augmentation de l'activité de l'eau.

Notez également que l'activité critique de l'eau dépend de la température. Lorsque vous augmentez la température de votre produit, son activité critique diminue. Il est donc important de connaître la_RHc et les conditions de stockage (température) de votre produit. Vous pouvez ensuite combiner la formulation du produit et son conditionnement afin de rester en dessous de l'activité critique de l'eau tout au long de la production et de la durée de conservation.

Étape 3 : Effectuer des tests de durée de conservation accélérés (si nécessaire)

Pour accélérer les tests de durée de conservation, vous devez d'abord identifier le ou les modes de défaillance les plus probables, puis évaluer quand et pourquoi ils se produisent. Il est possible qu'il y ait plusieurs modes de défaillance. Si vous ne savez pas quelle défaillance se produira en premier, tous les niveaux de mode potentiels devront être surveillés pendant le test.  Par exemple, si la croissance microbienne est un mode de défaillance, vous devrez comprendre les limites d'activité de l'eau pour la croissance microbienne (regardez la vidéo pour en savoir plus sur les limites de croissance microbienne).

Si le rancissement est votre mode de défaillance, alors les niveaux d'oxydation doivent être mesurés. Si un changement de texture met fin à la durée de conservation, vous aurez besoin d'une isotherme de sorption d'humidité (voir figure 2). Pour la dégradation des vitamines, vous mesurerez les niveaux de vitamines. Les changements de couleur peuvent être évalués à l'aide d'images couleur (également appelées colorimétrie). Et les réactions enzymatiques peuvent être évaluées en examinant l'activité enzymatique. Après avoir identifié le type de données que vous devez collecter, vous pouvez effectuer des tests de durée de conservation accélérés afin de déterminer la plage d'activité hydrique idéale pour votre produit. Le tableau suivant illustre quelques scénarios de ce à quoi pourrait ressembler un processus de test de durée de conservation accéléré après avoir identifié votre ou vos modes de défaillance les plus probables.

Comment réaliser des tests accélérés de durée de conservation

L'objectif des tests accélérés de durée de conservation est d'obtenir des données empiriques pour votre produit spécifique. Et cela est important. La durée de conservation est parfois déterminée en examinant des produits similaires sur le marché et en rapportant cette durée de conservation à votre propre produit. Cependant, il est préférable d'utiliser votre propre produit final pour déterminer la durée de conservation. Pour ce faire, il faut recueillir des données empiriques, puis les rapporter à la_HRc spécifique dépendante de la température à laquelle le produit se détériore.

En utilisant l'activité de l'eau (_aw), les étapes de base pour accélérer les tests de durée de conservation sont les suivantes :

Voici les détails pour configurer un test :

Les tests « accélérés » consistent à augmenter la température et l'activité de l'eau afin d'accélérer le processus. Étant donné que_{la RHc} diminue à mesure que la température augmente, vous sélectionnerez trois activités de l'eau et trois températures différentes, puis vous conserverez votre produit à une combinaison de chacune de ces trois valeurs (neuf sous-échantillons) jusqu'à ce que le produit devienne impropre à la consommation. Pendant ce temps, vous suivrez la progression du mode de défaillance choisi. Par exemple, si vous suivez l'oxydation des lipides, vous mesurerez le niveau d'oxydation jusqu'à ce qu'il devienne inacceptable pour le consommateur. (C'est vous qui décidez ce qui est « inacceptable », car certains changements se produisent dans le produit alors qu'il est encore acceptable.) Au fil du temps, collectez les données relatives au temps et à la quantité de changement afin de déterminer le taux. Modélisez ensuite les données collectées en tenant compte du temps, de la température et de l'activité de l'eau. Une fois cette corrélation établie, vous serez en mesure de modéliser la durée de conservation et les taux de réaction pour votre mode de défaillance.

Exemple 1 : lait maternisé

Pour comprendre comment cela fonctionne, nous allons examiner un test réalisé par AQUALAB sur du lait infantile. Cette étude a été publiée et peut être consultée dans le Shelf-Life International Meeting 2017. Le lait infantile a été conservé à trois températures élevées (30, 37 et 45 °C) et trois activités de l'eau différentes (0,43, 0,50 et 0,65). Nous avons constitué neuf sous-échantillons différents en combinant ces facteurs. Nous avons placé le produit dans des récipients hermétiques contenant une solution saline saturée qui produisait l'activité de l'eau spécifique qui nous intéressait. Nous avons ensuite placé les récipients dans des fours réglés à la bonne température et avons surveillé les changements.

Nous avons choisi l'oxydation des lipides comme mode de défaillance pour la préparation pour nourrissons, et nous avons suivi les barres T pour déterminer à quel moment l'oxydation avait atteint un niveau inacceptable. Pour cette expérience, un niveau inacceptable correspondait à un milligramme de malondialdéhyde par kilogramme. Nous avons ensuite examiné la vitesse de réaction pour chacune de ces combinaisons de température et d'activité de l'eau. Nous avons déterminé cela en utilisant la pente du temps par rapport à la valeur de la barre T, et dans ce cas, il s'agissait d'une relation linéaire.

Cependant, ce n'est pas toujours le cas. Il s'agit parfois d'une réaction de premier ordre, ce qui signifie qu'elle aura plutôt une relation exponentielle. Mais pour nous, il s'agissait d'une relation linéaire, ce qui a rendu très simple la création d'un modèle hydrothermique temporel pour la préparation pour nourrissons (e-mail [email protected] pour obtenir une copie de l'étude : A Hygrothermal Model for Predicting Shelf Life in Infant Formula (Modèle hygrothermique pour prédire la durée de conservation des préparations pour nourrissons) par Brady P. Carter, Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell et Shyam S. Sablani).

Exemple 2 : chips de chou frisé

Un fabricant de chips de chou frisé a constaté que la durée de conservation de son produit n'était que de 30 jours, en raison d'une perte de texture et de la formation de moisissures. Ce délai de 30 jours l'empêchait d'expédier son produit très loin. Comment pouvait-il prolonger la durée de conservation de son produit ?

Pour ce faire, il doit déterminer à quelle activité de l'eau les chips sont exposées à un risque de croissance microbienne. Selon les limites d'activité de l'eau pour la croissance microbienne publiées dans la littérature (voir tableau 1), s'il maintient l'activité de l'eau de son produit en dessous de 0,7, il ne constatera aucune croissance microbienne. Au-delà de cette valeur, il y a un risque de moisissure.

L'étape suivante consiste à déterminer à quelle activité de l'eau les chips perdent leur texture. Pour le savoir, le fabricant a besoin d'une isotherme de sorption d'humidité qui indiquera précisément à quel moment il constatera ce changement de texture (figure 4).

La figure 4 représente une isotherme pour une chips de chou frisé avec l'activité de l'eau sur l'axe des x et la teneur en humidité sur l'axe des y. Visuellement, on pourrait supposer que la perte de texture se produit à un point d'inflexion de la courbe où les propriétés de sorption augmentent considérablement. Cependant, il est difficile d'identifier précisément ce point. La méthode la plus simple consiste donc à effectuer une évaluation de la dérivée seconde sur cette pente. Une évaluation de la dérivée seconde examine la pente afin de déterminer à quel moment un changement de pente se produit, indiquant une modification de l'absorption d'humidité (figure 5).

Dans la dérivée seconde à droite de la figure 5, le premier pic correspond au_RHc. Vous pouvez voir qu'il correspond bien à l'isotherme à gauche. Ainsi, si le fabricant de chips de chou frisé peut maintenir les chips en dessous de cette activité de l'eau critique de 0,57, elles conserveront leur texture croustillante et ne seront plus sensibles à la croissance microbienne. Il est facile de maintenir des niveaux d'activité de l'eau corrects à l'aide d'un mesureur d'activité de l'eau AQUALAB 4TE (regardez la vidéo pour voir comment il fonctionne).

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Étapes 4 et 5 : Déterminer la durée de conservation souhaitée et calculer l'emballage

Une fois que vous avez déterminé l'activité critique de l'eau, vous pouvez calculer la durée de conservation. Les équations de durée de conservation prennent en compte plusieurs facteurs différents. L'un des premiers facteurs est l'emballage de votre produit. Chaque emballage a un taux de transmission de vapeur d'eau (Figure 6).

Dans tout environnement, il y a une certaine quantité d'eau dans l'air ou humidité relative (HR). L'emballage que vous choisissez ne laisse passer qu'une certaine quantité de cette eau qui interagit avec votre produit. Cela se mesure généralement en grammes par mètre carré par jour. Votre emballeur teste l'emballage dans certaines conditions (généralement environ 38 degrés Celsius et 90 % d'humidité relative). Ces conditions seront prises en compte dans vos calculs de durée de conservation. En outre, vous devez connaître la surface de votre emballage en mètres carrés et la masse de votre produit à l'intérieur de l'emballage.

Les autres informations requises concernent les conditions de stockage du produit : température, humidité et pression atmosphérique. La pression atmosphérique dépend de votre altitude et peut également varier en fonction des conditions météorologiques.

Enfin, vous devrez connaître l'activité hydrique de votre produit. Cela comprend l'activité hydrique initiale et l'activité hydrique critique.

Des équations de durée de conservation simplifiées

Il existe plusieurs équations permettant de calculer la durée de conservation qui dépassent le cadre de cet article (pour en savoir plus, cliquez ici). Mais il existe une méthode plus simple.  Un logiciel appelé Moisture Analysis Toolkit effectuera automatiquement ces calculs pour vous**.** Il vous suffit d'entrer les variables d'un produit et le logiciel déterminera la situation idéale pour votre emballage, vous permettant même de modifier les paramètres d'analyse et de trouver l'emballage qui offre le meilleur retour sur investissement. Vous trouverez ci-dessous des captures d'écran tirées directement du logiciel pour vous montrer comment il fonctionne.

Le logiciel vous demandera d'entrer le taux de transmission de vapeur d'eau, la température et l'humidité d'essai (généralement environ 38 degrés Celsius et 90 % d'humidité). Vous devrez ensuite entrer les conditions de stockage de votre produit et certaines informations sur le produit lui-même. Dans la figure 7, nous avons placé le produit dans un endroit où l'humidité est de 60 % et la pression atmosphérique de 100 kilopascals. Le produit pèse 454 grammes et est stocké dans un environnement à 30 degrés Celsius. Vous calculez la surface de votre emballage, puis vous saisissez vos activités initiales et critiques de l'eau. À l'aide du logiciel, vous pouvez rapidement sélectionner votre fichier isotherme précédemment enregistré (l'isotherme de votre produit est automatiquement calculé et stocké dans le logiciel à l'aide de l'instrument AQUALAB VSA).

Après avoir saisi les informations, cliquez sur « Calculer » et le logiciel vous fournira une durée de conservation estimée (dans ce cas, 30 jours). Pour modifier ou prolonger la durée de conservation, recherchez un emballage présentant un taux de transmission de vapeur d'eau plus faible.

Si vous souhaitez prolonger la durée de conservation, vous pouvez utiliser un autre calculateur dans la boîte à outils d'analyse de l'humidité spécialement conçu pour ce scénario (Figure 8).

La figure 8 montre que pour obtenir une durée de conservation de 180 jours, vous avez besoin d'un WVTR d'emballage de 1,3. Vous pouvez transmettre cette information à votre emballeur et lui indiquer que vous avez besoin d'un WVTR correspondant pour obtenir la durée de conservation souhaitée.

Le tableau 2 présente une comparaison de certains matériaux d'emballage courants.

Il est important de savoir que ces taux de transmission de vapeur d'eau ont été obtenus à une température de 38 °C et une humidité relative de 90 %. Mais ce n'est pas toujours le cas. Parfois, ils sont obtenus à une température de 30 °C et une humidité relative de 75 %. Notez également que ce tableau est en unités métriques, et que c'est ainsi que le logiciel le calcule, mais parfois, le WVTR est indiqué en grammes par mètre carré par 24 heures. Il peut également être exprimé en unités standard telles que les pouces carrés. Il est donc important que les unités soient correctes lorsque vous saisissez le WVTR pour les matériaux d'emballage. Notez que le polypropylène a un WVTR de 8,2, mais qu'un polypropylène orienté et doté d'une couche métallisée voit son WVTR réduit à 1,0. Il est important de bien comprendre le type d'emballage dont vous avez besoin, car vous ne voulez pas sous-emballer. En prenant l'exemple des chips de chou frisé, la figure 8 montre qu'avec un WVTR d'emballage de 7,5, le fabricant alimentaire ne peut conserver le produit que pendant 30 jours. Mais si le fabricant choisit un emballage avec un WVTR de 1,3, le produit se conservera pendant six mois. Notez toutefois que plus le WVTR est faible, plus le coût sera élevé. Évitez donc de suremballer vos produits, sinon vous paierez pour un emballage dont vous n'avez pas besoin.

Étape 6 : Réévaluer après les changements de formulation

La boîte à outils d'analyse de l'humidité facilite le calcul de l'effet des changements d'ingrédients sur la durée de conservation. Vous pouvez calculer l'activité hydrique finale d'un mélange ou d'une recette sans même fabriquer le produit. Pour ce faire, vous devez disposer d'une isotherme pour chacun de vos ingrédients. La figure 9 montre comment la boîte à outils d'analyse de l'humidité prédit l'activité hydrique finale si un assaisonnement est ajouté au produit final.

En haut à gauche, vous ajoutez différents ingrédients. En bas à gauche se trouvent les résultats. Pour une livre de chips de chou frisé, nous avons saisi l'activité initiale de l'eau et la masse afin de déterminer ce qui se passe au niveau de l'activité de l'eau lorsque l'on ajoute cinq grammes de poudre d'ail. Après avoir saisi les informations, cliquez sur « Calculer » et le logiciel vous fournit une nouvelle activité finale de l'eau pour le mélange. Dans la figure 9, l'activité de l'eau a légèrement diminué. Le logiciel vous indique également la teneur finale en humidité des chips de chou frisé et de l'ail. Le graphique de droite montre comment les isothermes sont combinées (les chips de chou frisé sont représentées par la courbe bleue et l'ail par la courbe verte). La courbe rouge est une isotherme combinée, et le programme fournit également l'activité de l'eau à l'équilibre (0,449), qui sera l'activité finale de l'eau du mélange.

Étape 7 : Vérifier les prévisions de durée de conservation à l'aide de tests empiriques

Les exemples ci-dessus illustrent comment le VSA et la boîte à outils d'analyse de l'humidité peuvent accélérer les processus de recherche et développement et prédire comment l'activité de l'eau dans un produit va évoluer. Mais si vous n'avez pas effectué de tests de durée de conservation, vous devrez tester vos prédictions. Le logiciel de la boîte à outils d'analyse de l'humidité est très efficace pour manipuler les paramètres et vous donner une réponse rapide, mais il s'agit en fait de prédictions utilisant des équations mathématiques. Vous devrez effectuer des tests empiriques pour prouver que votre formulation et votre emballage sont exactement ce dont vous avez besoin.

Pourquoi effectuer des tests de durée de conservation ?

Historiquement, très peu de fabricants ont pris des décisions scientifiques en matière d'emballage et de durée de conservation. De nombreuses entreprises recourent à un emballage excessif pour éviter les problèmes et n'apportent des changements que lorsque des problèmes surviennent. Cependant, un emballage excessif peut réduire considérablement les bénéfices. Ainsi, lorsqu'il est nécessaire de trouver un équilibre entre le coût et la qualité, des informations scientifiques précises permettent d'améliorer les résultats financiers. À titre de rappel, voici les étapes à suivre pour déterminer la durée de conservation et l'emballage.

1. Identifiez ce qui met fin à la durée de conservation (mode de détérioration : pour en savoir plus, consultez le Guide complet de la durée de conservation des produits alimentaires).
2. Déterminer l'activité critique de l'eau (_RHc)
3. Effectuer des tests de durée de conservation accélérés, si nécessaire.
4. Déterminer la durée de conservation souhaitée
5. Calculez l'emballage approprié
6. Réévaluer après modification de la formulation
7. Vérifier les prévisions de durée de conservation à l'aide de tests empiriques

Ressources sur la durée de conservation

• Modèle hygrothermique pour prédire la durée de conservation des préparations pour nourrissons par Brady P. Carter, Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell et Shyam S. Sablani
• Stabilité de la durée de conservation des aliments Changements chimiques, biochimiques et microbiologiques édité par N.A. Michael Eskin
• Science et technologie du séchage des aliments Microbiologie, chimie, applications édité par Y.H. Hui
• Fraîcheur et durée de conservation des aliments, sous la direction de Keith R. Cadawallader et Hugo Weenen
• Datation ouverte des aliments par Theodore P. Labuza et Lynn M. Szybist
• Durée de conservation : Briefing sur l'industrie alimentaire par Dominic Man
• Évaluation de la durée de conservation des aliments, deuxième édition, sous la direction de Dominic Man et Adrian Jones
• Comprendre et mesurer la durée de conservation des aliments, sous la direction de R. Steele
• Stabilité et durée de conservation des aliments, sous la direction de David Kilcast et Persis Subramaniam
• Sous Vide et Cook Chill Processing pour l'industrie alimentaire, édité par S. Ghazala
• Stérilisation des aliments dans des sachets rétractables par A.G. Abdul Ghani Al Baali

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