製品の保存期間を最大限に延ばすために、包装性能を予測する

1回分入りの粉末ドリンクミックスは、成長著しい市場セグメントです。消費者にとっては、便利で手頃な価格です。メーカーや小売業者にとっては、レディ・トゥ・ドリンク（RTD）飲料に比べて輸送費や在庫コストが大幅に抑えられるため、収益性の高い商品です。実際、これらは理想的な製品ですが、その一方でパッケージングが注目を集めています。なぜなら、スポーツドリンクスティックにおける2つの主要な構成要素は、ドリンクミックスと……パッケージングだからです。

各袋は1回分となっているため、この製品の原材料費のうち50%以上を包装費が占めています。この包装の主な目的は、製品の目標保存期間を通じて、ドリンクミックスが流動性を保ち（臨界水分活度以下に維持されるように）することです。

過剰包装が利益を圧迫している

包装が不十分だと、食品中の水分活性が時間の経過とともに上昇または低下し、物理的な変化、水分移動、化学的劣化、さらには微生物の増殖を招く恐れがあります。一方、過剰な包装はコストがかさみ、利益を圧迫する可能性があります。では、製品に必要な包装量を正確に把握するにはどうすればよいのでしょうか？

これまで、科学的な根拠に基づいて包装に関する決定を下してきたメーカーはほとんどありませんでした。彼らは経験則に頼るアプローチをとってきました。つまり、トラブルを避けるために過剰な包装を行い、問題が発生して初めて変更を加えるというものです。しかし、単品包装製品の場合、過剰な包装は利益を大幅に圧迫する可能性があります。このように、コストと品質のバランスを巧みに調整する必要がある場合、正確な科学的情報が役立ちます。

適切な梱包には、2つのシンプルな基準が必要です

製品の水分活度が時間の経過とともにどのように変化するかを左右する最大の要因は、包装材料の透過性、すなわちさまざまな条件下で湿気の移動をどれだけ防ぐことができるかという点です。したがって、所望の保存期間に適した包装を見極めるには、「臨界水分活度」と「包装の透過性」という2つのシンプルな指標が必要となります。

迅速かつ簡単な水活性測定

包装設計の計算における出発点は、臨界水分活性値です。従来、この値を特定することは困難でした。旧式の等温線測定技術では、正確な変曲点を特定できなかったからです。しかし、現在では気相吸着分析装置（VSA）を用いて正確な値を測定できるようになったため、このような包装設計の計算が可能になりました。

VSAは、「動的露点等温線（DDI）曲線」と呼ばれる高解像度の等温線を生成します。DDI曲線は、物質の吸着特性の変化を明確に示すため（図1参照）、低水分含有量の食品や医薬品において臨界水分活度を特定する際の時間を大幅に短縮します。この曲線は、ある特定のドリンクミックス配合におけるガラス転移点を示しています。

水分含有量の高い食品については、保存期間の短縮要因が微生物による腐敗である可能性が高いため、DDI曲線が必要ない場合があります。水分含有量の高い製品の場合、特定すべき臨界水分活性の限界値は微生物の増殖に関するものであり、文献で確認することができます（病原菌の増殖限界値は0.85 awであり、0.6 aw以下では微生物は増殖しません）。  保存期間を短縮するその他の要因として、臨界水分活度の特定時に考慮すべきものには、食感の変化、脂質酸化、メイラード反応による褐変、ビタミン損失、または色調の劣化などがある。

パッケージの通気性が重要な理由

包装内を水が移動する原動力は、包装の内外における水分活性の状態の差です。この差が生じると、水が包装内へ流入したり、あるいは包装外へ流出したりする原動力が働き、製品に影響を及ぼします。

包装の目的は、水分の透過速度を低減することです。この透過速度は、通常、包装メーカーによって水蒸気透過率（WVTR）として公表されています。臨界水分活性と候補となる包装材のWVTRを用いることで、予測モデリングを行い、費用対効果の観点から判断を下すことができます。

予測モデリングは、多くの場合、一連の複雑な方程式を用いて行われます（『水分吸着等温線の基礎』に掲載）。しかし、もっと簡単な方法があります。  「Moisture Analysis Toolkit」というソフトウェアを使えば、これらの計算を自動的に行うことができます**。** 製品の変数を入力するだけで、このツールキットが最適な包装条件を算出します。さらに、分析パラメータを変更して、投資対効果（ROI）が最も高い包装を見つけることも可能です。

予測モデリングの実践

包装に関する計算を用いて、あるドリンクミックスの4種類のパッケージ（元のパッケージと3つの代替案）を評価しました。湿度負荷条件下（25℃、湿度75%）での結果は以下の通りです：

明らかに、元のパッケージが最も優れた性能を発揮しました。しかし、この結果から2つの大きな疑問が浮かびました。第一に、7,812日という保存期間は過剰な包装ではないのか？第二に、保存期間が7,812日もあるパッケージが、ジムバッグの底に数ヶ月置かれただけで劣化してしまったのはなぜか？そこで、私たちは別のテストを行い、その答えは「ロッカールーム」にあることが分かりました。

顧客による乱用は、製品の保存期間を縮める恐れがあります

ロッカールームは、過酷な使用環境そのものと言えます。そこで、過酷な使用条件を模擬した試験（40℃、湿度75％――ただし、私たちが知る多くのロッカールームでは85％や90％に近い環境です）を行ったところ、驚くべき結果が明らかになりました：

ロッカールームのような環境では、オリジナルのパッケージに入ったスポーツドリンクスティックは、1ヶ月も経たないうちに固まり始め、塊になってしまう。 （なぜそれでも導電率の低いパッケージ2や3よりも優れていたのかと疑問に思うかもしれないが、それらのパッケージはオリジナルよりも表面積が大きかったためである）。

「元のパッケージ」のデータが示すように、熱伝導率は温度に依存し、場合によってはその依存度が極めて高いこともあります。また、ASTM規格に準拠した水蒸気透過率（WTVR）のデータだけでは、試験がどのような条件下で行われたかを知らなければ、どの温度における熱伝導率に関する情報も得られません。

パッケージングの方程式を解く

この飲料メーカーは、過剰なパッケージングに過剰なコストを費やしたにもかかわらず、消費者の期待を裏切ってしまった。パッケージングの問題を真に解決する唯一の方法は、確かなデータを用いることである。VSA高解像度等温線を使用すれば、温度依存型の簡潔な水分活性式を用いて、以下のことが可能になる：

• パッケージの実際の蒸気透過率を測定する
• さまざまな条件下で、包装製品が臨界水分活度に達するまでの時間を算出する
• 保存期間の要件を満たすために必要なパッケージ導電率を決定する
• さまざまな条件下で、一定期間経過後の製品の水活度を測定する

臨界水活性、DDI曲線、包装の透過性、および予測モデリングに関するより詳しい情報については、ウェビナー「包装性能の予測」をご覧ください。

パッケージングについて詳しく見る

この30分間のウェビナーでは、食品科学者のメアリー・ギャロウェイ氏とザカリー・カートライト氏が、保存期間に関する疑問の解決策について解説します。以下の内容を学びましょう：

• 問題や苦情を調査し、賞味期限が予想より早く切れてしまう原因を特定する
• レシピの変更が賞味期限にどのような影響を与えるかを予測する
• さまざまな原材料の選択肢による効果を比較する
• 特定の包装方法が、製品の保存期間の達成または延長に役立つかどうかを評価する

補足情報

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