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Perché eseguire i test di shelf-life? Un imballaggio insufficiente consente all'attività dell'acqua nei prodotti alimentari di aumentare o diminuire nel tempo, causando cambiamenti fisici indesiderati, migrazione dell'umidità, degradazione chimica e suscettibilità alla crescita microbica. Un imballaggio eccessivo, invece, è costoso e può erodere i profitti. Come si può determinare l'esatta quantità di imballaggio di cui il prodotto ha bisogno? Tutti questi aspetti sono controllati dall'attività dell'acqua. Se capite come funziona l'attività dell'acqua, potete sviluppare e confezionare prodotti che rimangono sicuri e appetibili per tutta la loro durata di conservazione, senza spendere troppo.
La shelf life è il periodo di tempo in cui un prodotto rimane appetibile. Il prodotto può subire alcuni cambiamenti durante la durata di conservazione, ma la fine della durata di conservazione è definita come un punto in cui il prodotto non è più accettabile per i consumatori. I cambiamenti inaccettabili possono riguardare le caratteristiche sensoriali, la perdita di stabilità chimica, la variazione delle proprietà fisiche, la crescita microbica, la degradazione delle vitamine e altro ancora.
Il primo passo per determinare la durata di conservazione è quello di identificare i fattori che determinano la durata di conservazione del prodotto. Ci sono tre fattori principali che influenzano la durata di conservazione:
Questi tre fattori possono essere intrinseci al prodotto stesso, ovvero alla sua formulazione. Oppure possono essere estrinseci, legati alle condizioni di conservazione, in particolare all'umidità e alla temperatura di stoccaggio, o al tipo di imballaggio. Tutti e tre i fattori sono collegati e possono essere controllati dall'attività dell'acqua.
Guardate il video qui di seguito per vedere come l'attività dell'acqua viene utilizzata per prevedere, prevenire e controllare i fattori che compromettono la durata di conservazione.
Scoprite gli elementi essenziali dell'attività dell'acqua in questo webinar di 20 minuti. Imparerete:
Che cos'è l'attività dell'acqua
- Come si differenzia dal contenuto di umidità
- Perché controlla la crescita microbica
- Come la comprensione dell'attività dell'acqua può aiutare a controllare l'umidità nei prodotti.
La Figura 1 è un diagramma di stabilità che mostra l'attività dell'acqua e il contenuto di umidità. L'attività dell'acqua è indicata sull'asse delle ascisse, mentre l'asse delle ordinate illustra i tassi di reazione (si pensi al contenuto di umidità come a un aumento del tasso di reazione). La traccia blu scuro è una generica isoterma di assorbimento dell'umidità. L'isoterma di assorbimento dell'umidità illustra la relazione tra l'attività dell'acqua e il contenuto di umidità in un prodotto. Le altre tracce rappresentano le modalità di guasto. Si può notare che il tasso di crescita di muffe, lieviti e batteri aumenta esponenzialmente all'aumentare dell'attività dell'acqua. Il tasso di attività enzimatica inizia ad aumentare significativamente a poco meno di 0,9 e aumenta con l'aumentare dell'attività dell'acqua. Tuttavia, l'ossidazione dei lipidi è diversa. A un'attività idrica molto bassa è elevata, ma poi, quando l'attività idrica aumenta a circa 0,3-0,5, diventa stabile. Al di sopra di 0,5, l'ossidazione dei lipidi inizia nuovamente ad aumentare. Le reazioni di imbrunimento raggiungono il picco a circa 0,6. La sezione ombreggiata in blu nella Figura 1 illustra che in un intervallo di attività dell'acqua compreso tra 0,3 e 0,5 possono verificarsi deterioramenti fisici o cambiamenti di consistenza: perdita di croccantezza, formazione di croste o collasso della matrice alimentare.
Come illustrato in precedenza, ogni modalità di guasto del prodotto è associata a una specifica attività dell'acqua. Questa attività dell'acqua è nota come attività critica dell'acqua, o RHc. L'attività critica dell'acqua è l'esatta attività dell'acqua alla quale si verifica un cambiamento indesiderato nel prodotto. Ad esempio, i cambiamenti fisici sono identificati da una variazione delle proprietà di assorbimento, che alla fine si traduce in una variazione della consistenza. Questo cambiamento si verificherà in corrispondenza di una determinata attività dell'acqua specifica per il vostro prodotto, che sarà il più stabile al di sotto di tale attività critica. Un'isoterma di assorbimento dell'umidità (Figura 2) aiuta a identificare l'RHc del prodotto.
La Figura 2 è un grafico che mostra diverse isoterme di assorbimento dell'umidità generate da AQUALAB VSA. Il grafico riporta l'attività dell'acqua lungo l'asse delle ascisse e il contenuto di umidità lungo l'asse delle ordinate. La traccia di colore blu medio indica che il latte in polvere ha un'attività idrica critica di circa 0,42. Come si può dire? A circa 0,42, si nota un forte aumento del contenuto di umidità con un piccolo aumento dell'attività dell'acqua. È qui che iniziano a verificarsi fenomeni di caking e clumping.
È interessante notare che il latte in polvere ha una seconda attività critica dell'acqua tra 0,7 e 0,8, dove inizia a verificarsi la cristallizzazione. Per i cereali (traccia blu scuro), l'attività idrica critica è di circa 0,5. La RHc delle crocchette senza cereali è più vicina a 0,7 a causa della crescita microbica. Le aziende produttrici di alimenti per animali devono rimanere al di sotto di questo livello. Il saccarosio ha un'attività idrica critica di circa 0,85, in cui si verifica un improvviso aumento del contenuto di umidità con un piccolo incremento dell'attività idrica.
Si noti inoltre che l'attività critica dell'acqua dipende dalla temperatura. Aumentando la temperatura del prodotto, l'attività critica dell'acqua diminuirà. È quindi importante conoscere l'RHc e le condizioni di conservazione del prodotto (temperatura). È quindi possibile combinare la formulazione e il confezionamento del prodotto per rimanere al di sotto dell'attività critica dell'acqua per tutta la durata della produzione e della conservazione.
I test di shelf-life accelerati richiedono di identificare innanzitutto la modalità o le modalità di guasto più probabili e quindi di valutare quando e perché si verificano. È possibile che si verifichi più di una modalità di guasto. Se non si è sicuri di quale guasto si verificherà per primo, è necessario monitorare tutti i livelli di modalità potenziali durante il test. Ad esempio, se la crescita microbica è una modalità di guasto, è necessario comprendere i limiti di attività dell'acqua per la crescita microbica (guardare il video per conoscere i limiti di crescita microbica).
Se l'irrancidimento è la modalità di fallimento, è necessario misurare i livelli di ossidazione. Se un cambiamento nella consistenza pone fine alla durata di conservazione, è necessario un'isoterma di assorbimento dell'umidità (vedi Figura 2). Per la degradazione delle vitamine, è necessario misurarne i livelli. I cambiamenti di colore possono essere valutati utilizzando le immagini a colori (chiamate anche colorimetria). Le reazioni enzimatiche possono essere valutate osservando l'attività enzimatica. Dopo aver identificato il tipo di dati da raccogliere, è possibile eseguire test di shelf-life accelerati per identificare l'intervallo di attività dell'acqua ideale per il prodotto. Il grafico seguente illustra alcuni scenari di come potrebbe essere un processo di test accelerato di shelf-life dopo aver identificato le modalità di guasto più probabili.
Lo scopo dei test accelerati di conservabilità è quello di ottenere dati empirici per il vostro prodotto specifico. E questo è importante. A volte la durata di conservazione viene determinata osservando prodotti simili presenti sul mercato e rapportando la durata di conservazione al proprio prodotto. Tuttavia, per determinare la durata di conservazione è meglio utilizzare il proprio prodotto finale. A tal fine, è necessario raccogliere dati empirici e metterli in relazione con la specifica RHC dipendente dalla temperaturain cui il prodotto si guasta.
Utilizzando l'attività dell'acqua (aw), le fasi fondamentali dei test accelerati di conservabilità sono:
Ecco i dettagli su come impostare un test:
Il test "accelerato" significa aumentare la temperatura e l'attività dell'acqua per vedere che le cose accadono più velocemente. Poiché l'RHC diminuisce all'aumentare della temperatura, si selezioneranno tre diverse attività dell'acqua e tre diverse temperature e si manterrà il prodotto a una combinazione di ognuna di queste tre (nove sottocampioni) finché il prodotto non diventa indesiderabile. Durante questo periodo, si seguirà l'andamento della modalità di guasto prescelta. Ad esempio, se state monitorando l'ossidazione dei lipidi, misurerete il livello di ossidazione fino a quando non diventerà inaccettabile per il consumatore. (Sarete voi a decidere cosa si intende per "inaccettabile", poiché alcuni cambiamenti si verificano nel prodotto quando è ancora accettabile). Nel corso del tempo, raccogliete i dati relativi al tempo e alla quantità di cambiamenti per determinare il tasso. Quindi modellate i dati raccolti tenendo conto del tempo, della temperatura e dell'attività dell'acqua. Una volta ottenuta questa correlazione, sarete in grado di modellare la durata di conservazione e i tassi di reazione per la vostra modalità di guasto.
Per vedere come funziona, esaminiamo un test sul latte artificiale eseguito presso AQUALAB. Questo studio è stato pubblicato e può essere consultato nel 2017 Shelf-Life International Meeting. Il latte artificiale è stato tenuto a tre temperature elevate (30, 37 e 45 gradi C) e a tre diverse attività dell'acqua (0,43, 0,50 e 0,65). Abbiamo preparato nove diversi sottocampioni utilizzando una combinazione di questi fattori. Abbiamo messo il prodotto in contenitori sigillati con sotto una soluzione salina satura che producesse la specifica attività dell'acqua a cui eravamo interessati. Poi abbiamo messo i contenitori in forni impostati alle temperature corrette e abbiamo monitorato i cambiamenti.
Abbiamo scelto l'ossidazione dei lipidi come modalità di fallimento del latte artificiale e abbiamo monitorato le barre T per determinare quando l'ossidazione aveva raggiunto un livello inaccettabile. Per questo esperimento, un livello inaccettabile era un milligrammo di malondialdeide per chilogrammo. Poi abbiamo esaminato la velocità di reazione per ciascuna delle combinazioni di temperatura e attività dell'acqua. L'abbiamo determinata utilizzando la pendenza del tempo rispetto al valore della barra T, e in questo caso si trattava di una relazione lineare.
Tuttavia, non è sempre così. A volte si tratta di una reazione del primo ordine, il che significa che avrà una relazione più esponenziale. Per noi, invece, si trattava di una relazione lineare che ha reso molto semplice la creazione di un modello idrotermico per il latte artificiale (inviare un'e-mail a mary.galloway@metergroup.com per ottenere una copia dello studio: A Hygrothermal Model for Predicting Shelf Life in Infant Formula di Brady P. Carter, Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell e Shyam S. Sablani).
Un produttore di patatine di cavolo riccio ha sperimentato la fine della durata di conservazione a soli 30 giorni a causa della perdita di consistenza e della formazione di muffa. 30 giorni hanno reso difficile spedire il prodotto molto lontano. Come può aumentare la durata di conservazione?
A tal fine, deve determinare a quale attività dell'acqua le patatine sono a rischio di crescita microbica. Secondo i limiti di attività dell'acqua per la crescita microbica pubblicati in letteratura (vedi Tabella 1), se l'attività dell'acqua del prodotto è inferiore a 0,7, non si verificherà alcuna crescita microbica. Qualsiasi valore superiore è a rischio di muffa.
Gamma di attività dell'acqua | Microrganismi generalmente inibiti dall'acqua Attività in questo intervallo | Alimenti generalmente compresi in questo intervallo |
---|---|---|
0.95-1.00 | Pseudomonas, Escherichia, Proteus, Shigella, Klebsiella, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum e Salmonella | Frutta fresca, frutta e verdura in scatola e pesce |
0.90-0.95 | Saccharomyces cerevisiae, Vibrio parahaemolyticus, Serratia, Lactobacillus, Pediococcus, Bacillus cereus e Listeria monocytogenes. | Alcuni formaggi (cheddar, swiss, provolone, muenster), e prosciutto stagionato |
0.85-0.90 | Staphylococcus aureus, Micrococcus e molti lieviti (Candida e Torulopsis) | Salame, pan di spagna, formaggi secchi e margarina |
0,85 E SU | ALIMENTI POTENZIALMENTE PERICOLOSI | |
0.80-0.85 | Pennicelli micotossigeni (Penicillum expansum, Penicillum islandicum), e alcuni lieviti (Saccharomyces bailii e Debaromyces hansenii) | La maggior parte dei succhi di frutta concentrati, il latte condensato, e gli sciroppi. |
0.75-0.80 | batteri alofili e aspergilli micotossigeni (Aspergillus niger, Asper- gillus ochraceous e Aspergillus candidus). gillus ochraceous, e Aspergillus candidus) | Marmellata, confettura e marzapane |
0.65-0.75 | muffe xerofile (Erotium chevalieri, Erotium amstelodami, Wallemia sebi), e Saccharomyces bisporus | Gelatina, melassa, zucchero di canna grezzo, noci e alcuni frutti secchi |
0.60-0.70 | NESSUNA MUFFA PER IL DETERIORAMENTO | |
0.60-0.65 | Lieviti osmofili (Zygosaccharomyces rouxii) e alcune muffe (Aspergillus enchulatus e Monascus bisporus). (Aspergillus enchulatus e Monascus bisporus). | Frutta secca contenente il 15-20% di umidità, alcune caramelle e miele. |
0,60 E INFERIORE | NESSUNA CRESCITA MICROBICA | |
0.50-0.60 | Nessuna proliferazione microbica | Pasta secca e spezie |
0.40-0.60 | Nessuna proliferazione microbica | Nessuna proliferazione microbica |
0.30-0.40 | Nessuna proliferazione microbica | Biscotti, cracker e croste di pane |
0.20-0.30 | Nessuna proliferazione microbica | Caffè macinato tostato e zucchero da tavola |
Il passo successivo consiste nel determinare a quale attività dell'acqua le patatine perdono consistenza. Per scoprirlo, il produttore ha bisogno di un'isoterma di assorbimento dell'umidità che indichi esattamente il momento in cui si verificherà il cambiamento di consistenza (Figura 4).
La Figura 4 mostra un'isoterma per una patatina di cavolo riccio con l'attività dell'acqua lungo l'asse delle ascisse e il contenuto di umidità lungo l'asse delle ordinate. Visivamente, si potrebbe intuire che la perdita di consistenza si verifica in un punto di inflessione della traccia in cui le proprietà di assorbimento aumentano drasticamente. Tuttavia, è difficile identificare esattamente tale punto, quindi il modo più semplice è quello di eseguire una valutazione della derivata seconda su tale pendenza. La valutazione della derivata seconda esamina la pendenza per determinare quando si verifica un cambiamento nella pendenza, che indica una variazione nell'assorbimento dell'umidità (Figura 5).
Nella seconda derivata a destra della Figura 5, il primo picco sarà l'RHC. Si può notare che, se confrontata con l'isoterma a sinistra, la correlazione è buona. Pertanto, se il produttore di chips di cavolo riccio riesce a mantenere le chips al di sotto di questa attività idrica critica di 0,57, esse manterranno la loro consistenza croccante e non saranno più suscettibili alla crescita microbica. Mantenere i corretti livelli di attività dell'acqua è facile utilizzando un misuratore di attività dell'acqua AQUALAB 4TE (guardate il video per vedere come funziona).
Una volta determinata l'attività critica dell'acqua, è possibile calcolare la durata di conservazione. Le equazioni sulla durata di conservazione tengono conto di diversi fattori. Uno dei primi fattori è l'imballaggio del prodotto. Ogni confezione ha un tasso di trasmissione del vapore acqueo (Figura 6).
In qualsiasi ambiente, ci sarà una certa quantità di acqua nell'aria o umidità relativa (RH). L'imballaggio scelto permette solo a una certa quantità di acqua di passare e interagire con il prodotto. Questa quantità è generalmente misurata in grammi per metro quadrato al giorno. Il confezionatore testa l'imballaggio in determinate condizioni (di solito circa 38 gradi Celsius e 90% di umidità relativa). Queste condizioni entreranno in gioco nel calcolo della durata di conservazione. Inoltre, è necessario conoscere la superficie della confezione in metri quadrati e la massa del prodotto all'interno della confezione.
Altre informazioni necessarie sono le condizioni di conservazione del prodotto: temperatura, umidità e pressione atmosferica. La pressione atmosferica dipende dall'altitudine e può variare anche in base alle condizioni atmosferiche.
Infine, è necessario conoscere l'attività idrica del prodotto. Questa comprende l'attività idrica iniziale e l'attività idrica critica.
Il calcolo della durata di conservazione si basa su diverse equazioni che esulano dallo scopo di questo articolo (leggi qui). Ma esiste un modo più semplice. Un software chiamato Moisture Analysis Toolkit esegue automaticamente questi calcoli per voi. Basta inserire le variabili di un prodotto e il toolkit determina la situazione ideale per il vostro imballaggio, consentendovi persino di variare i parametri di analisi e di trovare l'imballaggio che offre il miglior ritorno sull'investimento. Di seguito sono riportate alcune schermate tratte direttamente dal software per mostrarne il funzionamento.
Il software vi chiederà di inserire il tasso di trasmissione del vapore acqueo, la temperatura di prova e l'umidità (di solito circa 38 gradi Celsius con un'umidità del 90%). Quindi si inseriscono le condizioni di conservazione del prodotto e alcune informazioni sul prodotto stesso. Nella Figura 7, abbiamo collocato il prodotto in un luogo con un'umidità del 60% e una pressione atmosferica di 100 kilopascal. Il prodotto pesa 454 grammi ed è conservato in un ambiente a 30 gradi Celsius. Si calcola la superficie dell'imballaggio e si inseriscono le attività idriche iniziali e critiche. Utilizzando il software, è possibile selezionare rapidamente il file dell'isoterma precedentemente salvato (l'isoterma del prodotto viene calcolata e memorizzata automaticamente nel software utilizzando lo strumento AQUALAB VSA).
Dopo aver inserito le informazioni, premere il tasto calcola e il software fornisce una stima della durata di conservazione (in questo caso 30 giorni). Per modificare o prolungare la durata di conservazione, cercare un imballaggio con un tasso di trasmissione del vapore acqueo inferiore.
Se si desidera aumentare la durata di conservazione, è possibile utilizzare un altro calcolatore nel kit di strumenti per l'analisi dell'umidità, progettato proprio per questo scenario (Figura 8).
La Figura 8 mostra che per ottenere una durata di conservazione di 180 giorni, è necessario un WVTR della confezione pari a 1,3. Potete portare queste informazioni al vostro confezionatore e dirgli che avete bisogno di un prodotto con questo WVTR per ottenere la durata di conservazione desiderata.
La Tabella 2 mostra un confronto tra alcuni materiali di imballaggio comuni.
È importante sapere che questi tassi di trasmissione del vapore acqueo sono stati ottenuti a 38 gradi C e al 90% di umidità relativa. Ma non è sempre così. A volte sono stati ottenuti a 30 gradi C e al 75% di umidità relativa. Si noti inoltre che questa tabella è in unità metriche, ed è così che il software la calcola, ma a volte il WVTR è indicato come grammi per metro quadrato per 24 ore. Oppure potrebbe essere in unità standard come i pollici quadrati. È quindi importante che le unità di misura siano corrette quando si inserisce il WVTR per il materiale di imballaggio. Si noti che il polipropilene ha un WVTR di 8,2, ma per un polipropilene orientato e con uno strato metallizzato, il WVTR si riduce a 1,0. È bene capire di che tipo di imballaggio si ha bisogno, perché non si vuole sotto-imballare. Prendendo come esempio le patatine di cavolo, la Figura 8 mostra che con un WVTR di 7,5 il produttore alimentare è in grado di mantenere il prodotto solo per 30 giorni. Se invece il produttore sceglie un imballaggio con un WVTR di 1,3, il prodotto durerà per sei mesi. Tuttavia, si noti che più basso è il WVTR, più alto sarà il costo, quindi non esagerate con l'imballaggio, o pagherete per un imballaggio di cui non avete bisogno.
Il toolkit per l'analisi dell'umidità consente di calcolare facilmente l'effetto delle variazioni degli ingredienti sulla durata di conservazione. È possibile calcolare l'attività idrica finale di una miscela o di una ricetta senza nemmeno preparare il prodotto. A tal fine è necessario creare un'isoterma per ogni ingrediente. La Figura 9 mostra come il toolkit per l'analisi dell'umidità predice l'attività dell'acqua finale se al prodotto finale viene aggiunto un condimento.
In alto a sinistra, si aggiungono i diversi ingredienti. In basso a sinistra si trovano i risultati. Per un chilo di chips di cavolo riccio, abbiamo inserito l'attività idrica iniziale e la massa per scoprire cosa succede all'attività idrica quando si aggiungono cinque grammi di aglio in polvere. Dopo aver inserito le informazioni, abbiamo premuto il tasto calcola e il software ha fornito una nuova attività dell'acqua finale per la miscela. Nella Figura 9, l'attività dell'acqua è leggermente diminuita. Il software indica anche il contenuto di umidità finale delle chips di cavolo e dell'aglio. Il grafico a destra mostra come vengono combinate le isoterme (le chips di cavolo riccio sono la traccia blu e l'aglio è la traccia verde). La traccia rossa è un'isoterma combinata e il programma fornisce anche l'attività idrica di equilibrio (0,449) che sarà l'attività idrica finale della miscela.
Gli esempi sopra riportati illustrano come il VSA e il toolkit per l'analisi dell'umidità possano accelerare i processi di ricerca e sviluppo e prevedere come cambierà l'attività dell'acqua in un prodotto. Ma se non avete fatto test di shelf-life, dovrete verificare le vostre previsioni. Il software del toolkit per l'analisi dell'umidità è ottimo per manipolare i parametri e fornire una risposta rapida, ma si tratta di previsioni che utilizzano equazioni matematiche. È necessario eseguire test empirici per dimostrare che la formulazione e il confezionamento sono esattamente quelli desiderati.
Storicamente, pochissimi produttori hanno preso decisioni scientifiche in materia di confezionamento e durata di conservazione. Molte aziende confezionano in modo eccessivo per evitare problemi e apportano modifiche solo quando questi si verificano. Tuttavia, un imballaggio eccessivo può ridurre notevolmente i profitti. Pertanto, quando è necessaria un'abile manovra tra costi e qualità, le informazioni scientifiche precise aiutano a incrementare i profitti. A titolo di esempio, ecco i passaggi per determinare la durata di conservazione e il confezionamento.
I microrganismi dipendono dall'acqua per crescere: senza di essa, sono costretti a rimanere inattivi. Ma come si fa a sapere quanta acqua è disponibile e quali microbi cresceranno?
I test di conservabilità completi possono essere eccessivi, richiedono tempo e sono costosi. Le misurazioni dell'attività dell'acqua offrono un metodo molto più semplice e conveniente. Ecco perché.
Scoprite perché l'attività dell'acqua è un controllo preventivo ideale ai sensi dell'FSMA, che funziona nei programmi HARPC basati sul rischio per prevenire la crescita microbica.
Indipendentemente dal modo in cui cuocete, curate o rimuovete l'umidità dal vostro prodotto, esiste una linea sottile tra sovra e sotto essiccazione. Per massimizzare la resa e il profitto, è necessario trovare il punto giusto.