Le guide du débutant en matière de stabilité de la durée de conservation et d'emballage

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 susceptibilité à la croissance microbienne. Le suremballage, quant à lui, 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 désirables pendant toute leur durée de conservation, sans dépenser trop.

La figure 1 est un diagramme de stabilité montrant l'activité de l'eau et la teneur en eau. L'activité de l'eau est représentée sur l'axe des abscisses et l'axe des ordonnées illustre les taux de réaction (la teneur en humidité est considérée comme une augmentation du taux de réaction). Le tracé bleu foncé est une isotherme générique de sorption de l'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 tracés représentent des modes de défaillance. Vous pouvez constater 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 à un peu moins de 0,9 et augmente à mesure que l'activité de l'eau augmente. Cependant, l'oxydation des lipides est différente. Lorsque l'activité de l'eau est très faible, elle est élevée, mais elle devient stable lorsque l'activité de l'eau augmente jusqu'à environ 0,3 à 0,5. Au-dessus de 0,5, l'oxydation des lipides commence à nouveau à augmenter. Les réactions de brunissement atteignent leur maximum à environ 0,6. La section ombrée en bleu de la figure 1 montre qu'à un niveau d'activité de l'eau compris entre 0,3 et 0,5, une détérioration physique ou des changements de texture peuvent se produire : perte de croustillance, mottage ou effondrement de la matrice de l'aliment.

La figure 2 est un graphique montrant plusieurs isothermes de sorption de l'humidité générés par l'AQUALAB VSA. L'activité de l'eau est représentée sur l'axe des x et la teneur en eau sur l'axe des y. Le tracé bleu moyen montre que le lait en poudre a une activité de l'eau critique d'environ 0,42. Comment le savez-vous ? À environ 0,42, on observe une forte augmentation de la teneur en eau pour une faible augmentation de l'activité de l'eau. C'est à ce moment-là que le mottage et l'agglutination commencent à se produire. 

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

Notez également que l'activité critique de l'eau dépend de la température. Si vous augmentez la température de votre produit, l'activité critique de l'eau diminuera. Il est donc important de connaître l'_HRc et les conditions de stockage de votre produit (température). Vous pouvez alors combiner la formulation et l'emballage du produit pour rester en dessous de l'activité critique de l'eau tout au long de la production et de la durée de conservation.

Si le rancissement est votre mode de défaillance, 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 de l'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 de l'imagerie couleur (également appelée colorimétrie). Enfin, les réactions enzymatiques peuvent être évaluées en examinant l'activité enzymatique. Après avoir déterminé le type de données à recueillir, vous pouvez effectuer des essais de conservation accélérée afin d'identifier la plage d'activité de l'eau idéale pour votre produit. Le tableau suivant illustre quelques scénarios de ce à quoi pourrait ressembler un processus de test de durée de vie accéléré après avoir identifié le(s) mode(s) de défaillance le(s) plus probable(s).

Voici les détails de la mise en place d'un test : 

Le test "accéléré" consiste à augmenter la température et l'activité de l'eau afin de voir les choses se produire plus rapidement. Étant donné que la _RHC diminue à mesure que la température augmente, vous sélectionnerez trois activités de l'eau et trois températures différentes et maintiendrez votre produit à une combinaison de chacune d'elles (neuf sous-échantillons) jusqu'à ce que le produit devienne indésirable. Pendant cette période, vous suivrez l'évolution 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 de ce qui est "inacceptable" puisque certains changements se produisent dans le produit lorsqu'il est encore acceptable). Au fil du temps, recueillez des données sur le temps en fonction de la quantité de changement afin de déterminer le taux. Modélisez ensuite les données recueillies en tenant compte du temps, de la température et de l'activité de l'eau. Lorsque vous aurez établi cette corrélation, vous serez en mesure de modéliser la durée de conservation et les taux de réaction pour votre mode de défaillance. 

L'étape suivante consiste à déterminer à partir de quelle activité de l'eau les chips perdent leur texture. Pour ce faire, le fabricant a besoin d'une isotherme de sorption de l'humidité qui lui permettra de déterminer avec précision le moment où il constatera ce changement de texture (figure 4). 

La figure 4 représente l'isotherme d'une chips de chou frisé, avec l'activité de l'eau en abscisse et la teneur en eau en ordonnée. Visuellement, on peut supposer que la perte de texture se produit à un point d'inflexion de la trace où les propriétés de sorption augmentent considérablement. Cependant, il est difficile d'identifier exactement ce point, aussi la méthode la plus simple consiste-t-elle à effectuer une évaluation de la dérivée seconde sur cette pente. L'évaluation de la dérivée seconde examine la pente pour déterminer le moment où un changement de pente se produit, indiquant un changement dans la prise d'humidité (figure 5). 

Dans la deuxième dérivée à droite de la figure 5, le premier pic sera le _RHC. Vous pouvez voir qu'en le comparant à l'isotherme de gauche, il y a une bonne corrélation. Par conséquent, 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 sujettes à la croissance microbienne. Il est facile de maintenir des niveaux d'activité de l'eau corrects en utilisant un mesureur d'activité de l'eau AQUALAB 4TE (regardez la vidéo pour voir comment il fonctionne).

Dans tout environnement, il y a une certaine quantité d'eau dans l'air ou humidité relative (HR). L'emballage que vous choisissez ne permet qu'à une certaine quantité de cette eau de passer et d'interagir avec votre produit. Cette quantité est généralement mesurée en grammes par mètre carré et par jour. Votre emballeur teste l'emballage dans certaines conditions (généralement environ 38 degrés Celsius et 90 % d'humidité relative). Ces conditions entreront en ligne de compte pour le calcul de la 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 sont les conditions de stockage du produit : température, humidité et pression atmosphérique. La pression atmosphérique dépend de l'altitude et peut également varier en fonction des conditions météorologiques. 

Enfin, vous devez connaître l'activité de l'eau de votre produit. Il s'agit de l'activité initiale de l'eau et de l'activité critique de l'eau. 

Le logiciel vous demandera d'indiquer le taux de transmission de la vapeur d'eau, la température et l'humidité de l'essai (généralement environ 38 degrés Celsius pour une humidité de 90 %). Vous devez ensuite indiquer les conditions de stockage de votre produit et quelques 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 de 30 degrés Celsius. Vous calculez la surface de votre emballage et entrez ensuite les activités initiales et critiques de l'eau. Le logiciel vous permet de sélectionner rapidement votre fichier d'isothermes préalablement enregistré (l'isotherme de votre produit est automatiquement calculé et enregistré dans le logiciel à l'aide de l'instrument AQUALAB VSA). 

Après avoir saisi les informations, cliquez sur "calculer" et le logiciel vous donne une estimation de la durée de conservation (dans ce cas, 30 jours). Pour modifier ou prolonger la durée de conservation, recherchez des emballages dont le taux de transmission de la vapeur d'eau est plus faible. 

Si vous souhaitez augmenter la durée de conservation, vous pouvez utiliser un autre calculateur de la boîte à outils d'analyse de l'humidité conçu spécialement 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 de 1,3. Vous pouvez communiquer cette information à votre emballeur et lui dire que vous avez besoin d'un produit ayant ce WVTR pour obtenir la durée de conservation souhaitée. 

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

Il est important de savoir que ces taux de transmission de la vapeur d'eau ont été obtenus à 38 degrés C et 90 % d'humidité relative. Mais ce n'est pas toujours le cas. Parfois, ils sont obtenus à 30 degrés C et 75 % d'humidité relative. Notez également que ce tableau est en unités métriques et que c'est ainsi que le logiciel le calcule, mais il arrive que le WVTR soit indiqué en grammes par mètre carré et par 24 heures. Il peut également s'agir d'unités standard telles que les pouces au carré. Il est donc important que les unités soient correctes lorsque vous saisissez la valeur WVTR pour un matériau 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 bon de savoir de quel type d'emballage vous avez besoin, car vous ne voulez pas sous-emballer. Si l'on prend l'exemple des chips de chou frisé, la figure 8 montre qu'avec un WVTR de 7,5, le fabricant de produits alimentaires ne peut conserver le produit que pendant 30 jours. En revanche, s'il choisit un emballage dont le WVTR est de 1,3, le produit se conservera pendant six mois. Notez toutefois que plus le WVTR est faible, plus le coût est élevé. Ne sur-emballez donc pas, car vous paierez pour un emballage dont vous n'avez pas besoin.

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 pour savoir ce qu'il advient de l'activité de l'eau lorsque l'on ajoute cinq grammes d'ail en poudre. Après avoir saisi les informations, cliquez sur calculer et le logiciel fournit une nouvelle activité de l'eau finale pour le mélange. Dans la figure 9, l'activité de l'eau a légèrement diminué. Le logiciel indique également le taux d'humidité final des chips de chou frisé et de l'ail. Le graphique de droite montre comment les isothermes sont combinées (les chips de chou frisé représentent le tracé bleu et l'ail le tracé vert). La trace rouge est une isotherme combinée et le programme fournit également l'activité de l'eau à l'équilibre (0,449) qui sera l'activité de l'eau finale du mélange.