L'eccesso di imballaggi riduce i profitti

Perché eseguire test di conservazione? Un imballaggio inadeguato consente all'attività dell'acqua nei prodotti alimentari di aumentare o diminuire nel tempo, causando cambiamenti fisici indesiderati, migrazione dell'umidità, degrado chimico e suscettibilità alla crescita microbica. D'altra parte, un imballaggio eccessivo è costoso e può erodere i profitti. Come è possibile determinare la quantità esatta di imballaggio necessaria per il proprio prodotto? Tutti questi aspetti sono controllati dall'attività dell'acqua. Comprendendo il funzionamento dell'attività dell'acqua, è possibile sviluppare e confezionare prodotti che rimangono sicuri e appetibili per tutta la loro durata di conservazione, senza spendere troppo.

Che cos'è esattamente la durata di conservazione?

La durata di conservazione è il periodo durante il quale un prodotto rimane appetibile. Il prodotto può subire alcune alterazioni durante la durata di conservazione, ma la fine della durata di conservazione è definita come il momento in cui il prodotto non è più accettabile per i consumatori. Le alterazioni inaccettabili possono riguardare le caratteristiche sensoriali, la perdita di stabilità chimica, il cambiamento delle proprietà fisiche, la proliferazione microbica, la degradazione delle vitamine e altro ancora.

Fase 1: Identificare cosa determina la fine della durata di conservazione

Il primo passo per determinare la durata di conservazione è identificare cosa determina la fine della durata di conservazione del prodotto. Ci sono tre fattori principali che influenzano la durata di conservazione:

• Proprietà microbiche: muffe o batteri potenzialmente pericolosi che crescono fino a raggiungere livelli non sicuri nel prodotto.
• Cambiamenti chimici: imbrunimento, ossidazione dei lipidi, reazioni enzimatiche e altro ancora
• Deterioramento fisico: cambiamenti nella consistenza, formazione di grumi, migrazione dell'umidità e altro ancora.

Questi tre fattori possono essere intrinseci al prodotto stesso, ovvero alla sua formulazione. Oppure possono essere estrinseci, ovvero correlati alle condizioni di conservazione, in particolare all'umidità e alla temperatura di conservazione, o al tipo di confezione. Tutti e tre i fattori sono collegati all'attività dell'acqua e possono essere controllati da essa.

Guarda il video qui sotto per scoprire come l'attività dell'acqua viene utilizzata per prevedere, prevenire e controllare i fattori che determinano la fine della durata di conservazione.

Scopri gli aspetti fondamentali delle attività acquatiche condensati in questo webinar di 20 minuti. Imparerai:

• Che cos'è l'attività dell'acqua
• In che cosa differisce dal contenuto di umidità
• Perché controlla la crescita microbica
• Come comprendere l'attività dell'acqua può aiutarti a controllare l'umidità nel tuo prodotto.

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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 x, mentre l'asse y illustra le velocità di reazione (considerare il contenuto di umidità come un aumento della velocità di reazione). La traccia blu scuro è un'isoterma generica di assorbimento dell'umidità. Un'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 deterioramento. Si può notare che il tasso di crescita di muffe, lieviti e batteri aumenta in modo esponenziale all'aumentare dell'attività dell'acqua. Il tasso di attività enzimatica inizia ad aumentare in modo significativo appena sotto 0,9 e aumenta all'aumentare dell'attività dell'acqua. Tuttavia, l'ossidazione dei lipidi è diversa. A livelli di attività dell'acqua molto bassi è elevata, ma poi, all'aumentare dell'attività dell'acqua fino a circa 0,3-0,5, diventa stabile. Al di sopra di 0,5, l'ossidazione dei lipidi ricomincia 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 deterioramento fisico o cambiamenti di consistenza: perdita di croccantezza, agglomerazione o collasso della matrice alimentare.

Fase 2: Individuare l'attività dell'acqua critica del prodotto

Come illustrato sopra, ogni modalità di deterioramento del prodotto è associata a una specifica attività dell'acqua. Tale attività dell'acqua è nota come attività critica dell'acqua, o RHc. L'attività critica dell'acqua è l'attività dell'acqua esatta alla quale si verificherà un cambiamento indesiderato nel prodotto. Ad esempio, i cambiamenti fisici sono identificati da un cambiamento nelle proprietà di assorbimento, che alla fine porta a un cambiamento nella consistenza. Questo cambiamento avverrà a una certa attività dell'acqua specifica per il prodotto, che sarà più stabile al di sotto di tale attività critica dell'acqua. Un'isoterma di assorbimento dell'umidità (Figura 2) aiuta a identificare qual è_l'RHc per il prodotto.

La figura 2 è un grafico che mostra diverse isoterme di assorbimento dell'umidità generate dall'AQUALAB VSA. Il grafico riporta l'attività dell'acqua lungo l'asse x e il contenuto di umidità lungo l'asse y. La traccia blu media illustra che il latte in polvere ha un'attività dell'acqua critica di circa 0,42. Come si può capire? A circa 0,42, si osserva un forte aumento del contenuto di umidità con un leggero aumento dell'attività dell'acqua. È qui che iniziano a verificarsi agglomerati e grumi.

È interessante notare che il latte in polvere ha una seconda attività dell'acqua critica compresa tra 0,7 e 0,8, dove inizia a verificarsi la cristallizzazione. Per i cereali (traccia blu scuro), l'attività dell'acqua critica è di circa 0,5._L'RHc delle crocchette senza cereali è più vicino a 0,7 a causa della crescita microbica. Le aziende produttrici di alimenti per animali domestici devono rimanere al di sotto di questo livello. Il saccarosio ha un'attività dell'acqua critica di circa 0,85, dove si verifica un improvviso aumento del contenuto di umidità con solo un piccolo aumento dell'attività dell'acqua.

Si noti inoltre che l'attività critica dell'acqua dipende dalla temperatura. All'aumentare della temperatura del prodotto, l'attività critica dell'acqua diminuisce. È quindi importante conoscere_l'RHc e le condizioni di conservazione (temperatura) del prodotto. È quindi possibile combinare la formulazione del prodotto e l'imballaggio per rimanere al di sotto dell'attività critica dell'acqua durante tutta la produzione e la durata di conservazione.

Fase 3: Eseguire test accelerati sulla durata di conservazione (se necessario)

Per eseguire test accelerati sulla durata di conservazione è necessario innanzitutto identificare quali modalità di deterioramento sono più probabili, quindi valutare quando e perché si verificano. È possibile che vi sia più di una modalità di deterioramento. Se non si è certi di quale deterioramento si verificherà per primo, durante il test sarà necessario monitorare tutti i potenziali livelli di deterioramento.  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 il rancido è la causa del deterioramento, è necessario misurare i livelli di ossidazione. Se un cambiamento nella consistenza ne compromette la durata di conservazione, è necessario ricorrere a un'isoterma di assorbimento dell'umidità (vedere la Figura 2). Per il deterioramento delle vitamine, è necessario misurare i livelli vitaminici. I cambiamenti di colore possono essere valutati utilizzando 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 accelerati sulla durata di conservazione 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 sulla durata di conservazione dopo aver identificato le modalità di deterioramento più probabili.

Come eseguire test accelerati sulla durata di conservazione

Lo scopo dei test accelerati sulla durata di conservazione è quello di ottenere dati empirici specifici per il vostro prodotto. E questo è importante. A volte la durata di conservazione viene determinata osservando prodotti simili presenti sul mercato e rapportando tale durata al proprio prodotto. Tuttavia, è meglio utilizzare il proprio prodotto finale per determinare la durata di conservazione. Ciò avviene raccogliendo dati empirici e poi rapportando tali dati alla specifica_RHc dipendente dalla temperatura alla quale il prodotto non è più idoneo al consumo.

Utilizzando l'attività dell'acqua (_aw), i passaggi fondamentali per accelerare i test di conservazione sono:

Ecco i dettagli su come impostare un test:

Il test "accelerato" consiste nell'aumentare la temperatura e l'attività dell'acqua per accelerare il processo. Poiché_l'RHc diminuisce all'aumentare della temperatura, selezionerete tre diverse attività dell'acqua e tre diverse temperature e manterrete il vostro prodotto a una combinazione di ciascuna di queste tre (nove sottocampioni) fino a quando il prodotto non diventerà indesiderabile. Durante questo periodo, si monitorerà l'andamento della modalità di deterioramento scelta. Ad esempio, se si sta monitorando l'ossidazione dei lipidi, si misurerà il livello di ossidazione fino a quando non diventa inaccettabile per il consumatore. (Sarà 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 cambiamento per determinare il tasso. Quindi modellare i dati raccolti tenendo conto sia del tempo, sia della temperatura, sia dell'attività dell'acqua. Una volta ottenuta questa correlazione, sarà possibile modellare la durata di conservazione e i tassi di reazione per la modalità di deterioramento scelta.

Esempio 1: latte artificiale

Per capire come funziona, esamineremo un test condotto da AQUALAB su un latte artificiale. Questo studio è stato pubblicato e può essere consultato nel Shelf-Life International Meeting del 2017. Il latte artificiale è stato conservato a tre temperature elevate (30, 37 e 45 °C) e tre diverse attività dell'acqua (0,43, 0,50 e 0,65). Abbiamo creato nove diversi sottocampioni utilizzando una combinazione di questi fattori. Abbiamo messo il prodotto in contenitori sigillati con una soluzione salina satura che avrebbe prodotto l'attività dell'acqua specifica che ci interessava. Quindi abbiamo posto i contenitori in forni impostati alle temperature corrette e abbiamo monitorato i cambiamenti.

Abbiamo scelto l'ossidazione dei lipidi come modalità di deterioramento 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 pari a un milligrammo di malondialdeide per chilogrammo. Abbiamo quindi esaminato la velocità di reazione per ciascuna di queste combinazioni di temperatura e attività dell'acqua. Abbiamo determinato questo valore 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 di primo ordine, il che significa che avrà una relazione più esponenziale. Ma per noi si trattava di una relazione lineare, il che ha reso molto semplice creare un modello temporale idrotermico per il latte artificiale (email [email protected] per una copia dello studio: A Hygrothermal Model for Predicting Shelf Life in Infant Formula (Un modello igrotermico per prevedere la durata di conservazione del latte artificiale) di Brady P. Carter, Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell e Shyam S. Sablani).

Esempio 2: chips di cavolo riccio

Un produttore di chips di cavolo riccio ha riscontrato che la durata di conservazione era di soli 30 giorni a causa della perdita di consistenza e della formazione di muffa. 30 giorni rendevano difficile per lui spedire il prodotto a grandi distanze. Come può aumentare la durata di conservazione?

Per farlo, deve determinare a quale attività dell'acqua i chip sono a rischio di proliferazione microbica. Secondo i limiti di attività dell'acqua per la proliferazione microbica pubblicati in letteratura (vedi Tabella 1), se mantiene l'attività dell'acqua del suo prodotto al di sotto di 0,7, non si verificherà alcuna proliferazione microbica. Qualsiasi valore superiore a questo è a rischio di muffa.

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 con esattezza quando si verificherà tale cambiamento di consistenza (Figura 4).

La figura 4 è un'isoterma per una chips di cavolo riccio con attività dell'acqua lungo l'asse x e contenuto di umidità lungo l'asse y. Visivamente, si potrebbe ipotizzare che la perdita di consistenza avvenga in un punto di inflessione della traccia in cui le proprietà di assorbimento aumentano drasticamente. Tuttavia, è difficile identificare con esattezza tale punto, quindi il modo più semplice è eseguire una valutazione della derivata seconda su quella pendenza. Una valutazione della derivata seconda esamina la pendenza per determinare quando si verifica un cambiamento nella pendenza, indicando un cambiamento nell'assorbimento di umidità (Figura 5).

Nella derivata seconda a destra della Figura 5, il primo picco corrisponderà_all'RHc. Come si può vedere dal confronto 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 dell'acqua critica di 0,57, queste manterranno la loro consistenza croccante e non saranno più soggette alla proliferazione microbica. Mantenere livelli corretti di attività dell'acqua è facile utilizzando un misuratore di attività dell'acqua AQUALAB 4TE (guardate il video per vedere come funziona).

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Fasi 4 e 5: Determinare la durata di conservazione desiderata e calcolare l'imballaggio

Una volta determinata l'attività critica dell'acqua, è possibile eseguire i calcoli relativi alla durata di conservazione. Le equazioni relative alla durata di conservazione tengono conto di diversi fattori. Uno dei primi fattori è l'imballaggio del prodotto. Ogni imballaggio ha un tasso di trasmissione del vapore acqueo (Figura 6).

In qualsiasi ambiente, nell'aria è presente una certa quantità di acqua o umidità relativa (UR). L'imballaggio scelto consente solo a una certa quantità di acqua di passare e interagire con il prodotto. Questo valore viene generalmente misurato in grammi per metro quadrato al giorno. Il vostro confezionatore testa l'imballaggio in determinate condizioni (di solito a circa 38 gradi Celsius e 90% di umidità relativa). Tali condizioni entreranno in gioco per il calcolo della durata di conservazione. Inoltre, è necessario conoscere la superficie dell'imballaggio in metri quadrati e la massa del prodotto all'interno della confezione.

Altre informazioni richieste 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 meteorologiche.

Infine, dovrai conoscere l'attività dell'acqua del tuo prodotto. Ciò include l'attività iniziale dell'acqua e anche l'attività critica dell'acqua.

Equazioni di durata di conservazione semplificate

Esistono diverse equazioni che entrano nel calcolo della durata di conservazione che esulano dall'ambito di questo articolo (leggi qui per saperne di più). Ma esiste un modo più semplice.  Un programma software chiamato Moisture Analysis Toolkit eseguirà automaticamente questi calcoli per voi**.** È sufficiente inserire le variabili relative a un prodotto e il toolkit determinerà la situazione ideale per il vostro imballaggio, consentendovi anche di variare i parametri di analisi e trovare l'imballaggio che offre il miglior ritorno sull'investimento. Di seguito sono riportati alcuni screenshot tratti direttamente dal software per mostrarvi come funziona.

Il software vi chiederà di inserire il tasso di trasmissione del vapore acqueo, la temperatura e l'umidità di prova (di solito circa 38 gradi Celsius con il 90% di umidità). Successivamente, dovrete inserire le condizioni di conservazione del vostro prodotto e alcune informazioni sul prodotto stesso. Nella Figura 7, abbiamo collocato il prodotto in un luogo con il 60% di umidità e 100 kilopascal di pressione atmosferica. Il prodotto pesa 454 grammi ed è conservato in un ambiente a 30 gradi Celsius. Calcola la superficie della confezione e poi inserisci l'attività dell'acqua iniziale e quella critica. Usando il software, puoi selezionare velocemente il tuo file isotermico salvato in precedenza (l'isoterma del tuo prodotto viene calcolata automaticamente e salvata nel software usando lo strumento AQUALAB VSA).

Dopo aver inserito le informazioni, clicca su "Calcola" e il software ti fornirà una stima della durata di conservazione (in questo caso 30 giorni). Per modificare o prolungare la durata di conservazione, cerca un imballaggio con un tasso di trasmissione del vapore acqueo inferiore.

Se desideri aumentare la durata di conservazione, puoi utilizzare un altro calcolatore nel kit di strumenti per l'analisi dell'umidità progettato appositamente per questo scenario (Figura 8).

La figura 8 mostra che per ottenere una durata di conservazione di 180 giorni è necessario un WVTR dell'imballaggio pari a 1,3. È possibile fornire questa informazione al proprio confezionatore e comunicargli che è necessario un WVTR di questo valore per ottenere la durata di conservazione desiderata.

La tabella 2 presenta un confronto tra alcuni materiali di imballaggio comuni.

È importante sapere che questi valori di trasmissione del vapore acqueo sono stati ottenuti a una temperatura di 38 °C e un'umidità relativa del 90%. Ma non è sempre così. A volte vengono ottenuti a una temperatura di 30 °C e un'umidità relativa del 75%. Si noti inoltre che questa tabella è in unità metriche, ed è così che il software effettua i calcoli, ma a volte il WVTR è indicato in grammi per metro quadrato per 24 ore. Oppure potrebbe essere espresso in unità standard come pollici quadrati. È quindi importante che le unità siano corrette quando si inserisce il WVTR per il materiale di imballaggio. Si noti che il polipropilene ha un WVTR di 8,2, ma un polipropilene orientato e con uno strato metallizzato riduce il WVTR a 1,0. È bene capire che tipo di imballaggio è necessario, perché non si vuole imballare in modo insufficiente. Utilizzando le chips di cavolo riccio come esempio, la Figura 8 mostra che con un WVTR dell'imballaggio pari a 7,5 il produttore alimentare è in grado di conservare il prodotto solo per 30 giorni. Ma se il produttore sceglie un imballaggio con un WVTR pari a 1,3, il prodotto durerà sei mesi. Tuttavia, è importante notare che più basso è il WVTR, più alto sarà il costo, quindi non esagerare con l'imballaggio, altrimenti pagherai per un imballaggio che non ti serve.

Fase 6: Rivalutare dopo le modifiche alla formulazione

Il toolkit per l'analisi dell'umidità semplifica il calcolo dell'effetto delle modifiche agli ingredienti sulla durata di conservazione. È possibile calcolare l'attività dell'acqua finale di una miscela o di una ricetta senza nemmeno realizzare il prodotto. Per farlo è necessaria un'isoterma per ciascuno degli ingredienti. La figura 9 mostra come il toolkit per l'analisi dell'umidità preveda l'attività dell'acqua finale se al prodotto finale viene aggiunto un condimento.

In alto a sinistra si aggiungono diversi ingredienti. In basso a sinistra si trovano i risultati. Per mezzo chilo di chips di cavolo riccio, abbiamo inserito l'attività dell'acqua iniziale e la massa per scoprire cosa succede all'attività dell'acqua quando si aggiungono cinque grammi di aglio in polvere. Dopo aver inserito le informazioni, basta premere "calcola" e il software fornisce 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 riccio 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 dell'acqua all'equilibrio (0,449), che sarà l'attività dell'acqua finale della miscela.

Fase 7: Verificare le previsioni sulla durata di conservazione con test empirici

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. Tuttavia, se non avete effettuato test di durata di conservazione, 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 comunque di previsioni basate su equazioni matematiche. Dovrete eseguire test empirici per dimostrare che la vostra formulazione e il vostro imballaggio sono esattamente ciò di cui avete bisogno.

Perché eseguire i test di durata di conservazione?

Storicamente, pochissimi produttori hanno preso decisioni scientifiche in materia di imballaggio e durata di conservazione. Molte aziende ricorrono a un imballaggio eccessivo per evitare problemi e apportano modifiche solo quando questi si verificano. Tuttavia, un imballaggio eccessivo può ridurre significativamente i profitti. Pertanto, quando è necessario un abile equilibrio tra costi e qualità, informazioni scientifiche precise aiutano a migliorare i risultati economici. A titolo di riepilogo, ecco i passaggi per determinare la durata di conservazione e l'imballaggio.

1. Identificare cosa determina la fine della durata di conservazione (modalità di deterioramento: per ulteriori informazioni, consultare la Guida completa alla durata di conservazione dei prodotti alimentari).
2. Individuare l'attività critica dell'acqua (_RHc)
3. Eseguire test accelerati sulla durata di conservazione, se necessario.
4. Determinare la durata di conservazione desiderata
5. Calcolare l'imballaggio adeguato
6. Rivalutare dopo le modifiche alla formulazione
7. Verificare le previsioni sulla durata di conservazione con test empirici

Risorse sulla durata di conservazione

• Un modello igrotermico per prevedere la durata di conservazione degli alimenti per lattanti di Brady P. Carter, Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell e Shyam S. Sablani
• Stabilità della durata di conservazione degli alimenti Cambiamenti chimici, biochimici e microbiologici a cura di N.A. Michael Eskin
• Scienza e tecnologia dell'essiccazione degli alimenti Microbiologia, chimica, applicazioni a cura di Y.H. Hui
• Freschezza e durata di conservazione degli alimenti a cura di Keith R. Cadawallader e Hugo Weenen
• Datazione aperta degli alimenti di Theodore P. Labuza e Lynn M. Szybist
• Durata di conservazione: Briefing sull'industria alimentare di Dominic Man
• Valutazione della durata di conservazione degli alimenti, seconda edizione a cura di Dominic Man e Adrian Jones
• Comprendere e misurare la durata di conservazione degli alimenti a cura di R. Steele
• Stabilità e durata di conservazione degli alimenti a cura di David Kilcast e Persis Subramaniam
• Sous Vide e Cook Chill Processing per l'industria alimentare a cura di S. Ghazala
• Sterilizzazione degli alimenti in buste retortabili di A.G. Abdul Ghani Al Baali

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