포장 성능을 예측하여 제품의 유통기한을 극대화하십시오

1회용 분말 음료 믹스는 성장 중인 시장 부문입니다. 소비자에게는 편리하고 가격도 저렴합니다. 제조사와 유통업체에게는 수익성이 높은 제품으로, 즉석 음료에 비해 운송 및 재고 관리 비용이 훨씬 적게 듭니다. 사실 이 제품은 이상적인 상품이지만, 포장재에 대한 관심이 집중되는 이유이기도 합니다. 스포츠 음료 스틱의 두 가지 주요 구성 요소는 음료 믹스와… 바로 포장재이기 때문입니다.

각 파우치는 1회 분량으로 구성되어 있어, 이 제품의 원자재 비용 중 포장재가 50% 이상을 차지합니다. 이 포장의 주된 목적은 제품의 목표 유통기한 동안 음료 믹스가 유동성을 유지하도록 하는 것, 즉 수분 활성도가 임계치 이하로 유지되도록 하는 것입니다.

과도한 포장이 수익을 갉아먹는다

포장이 부적절하면 시간이 지남에 따라 식품의 수분 활성도가 상승하거나 하락할 수 있으며, 이로 인해 물리적 변화, 수분 이동, 화학적 변질 및 미생물 증식 위험이 발생할 수 있습니다. 반면 과도한 포장은 비용이 많이 들며 수익을 감소시킬 수 있습니다. 그렇다면 제품에 필요한 정확한 포장량을 어떻게 파악할 수 있을까요?

역사적으로 볼 때, 과학적인 근거에 기반해 포장 방식을 결정해 온 제조업체는 극히 드물었습니다. 이들은 경험적 접근 방식을 취해 왔는데, 문제를 피하기 위해 과도하게 포장을 하고, 문제가 발생해야만 변경을 가하는 식이었습니다. 하지만 1회용 제품의 경우, 과도한 포장은 수익을 크게 깎아먹을 수 있습니다. 비용과 품질 사이에서 능숙한 균형 잡기가 필요한 이런 상황에서, 정확한 과학적 정보가 큰 도움이 됩니다.

올바른 포장을 위해서는 두 가지 간단한 기준이 필요합니다

시간이 지남에 따라 제품의 수분 활성도가 어떻게 변할지를 결정하는 가장 중요한 요인은 포장재의 투과성, 즉 다양한 조건에서 수분 이동을 얼마나 효과적으로 차단할 수 있는지에 달려 있습니다. 따라서 원하는 유통 기한에 맞는 적절한 포장을 선정하려면 ‘임계 수분 활성도’와 ‘포장재 투과성’이라는 두 가지 간단한 지표를 고려해야 합니다.

빠르고 간편한 수분 활성도 측정

포장 계산의 출발점은 수분 활성도 값입니다. 과거에는 이 값을 구하기가 어려웠는데, 구식 등온선 분석 기술로는 정확한 변곡점을 파악할 수 없었기 때문입니다. 하지만 이제 증기 흡착 분석기(VSA)를 통해 정확한 수치를 얻을 수 있게 됨에 따라, 이러한 유형의 포장 계산이 가능해졌습니다.

VSA는 ‘동적 이슬점 등온선(DDI) 곡선’이라 불리는 고해상도 등온선을 생성합니다. DDI 곡선은 물질의 흡착 특성 변화를 명확하게 보여주기 때문에(그림 1 참조), 수분 함량이 낮은 식품 및 의약품에서 중요한 수분 활성도를 파악하는 데 많은 시간을 절약해 줍니다. 이 곡선은 특정 음료 믹스 제형의 유리 전이점을 보여줍니다.

수분 함량이 높은 식품의 경우, 유통기한을 단축시키는 주된 요인이 미생물 부패일 가능성이 높기 때문에 DDI 곡선이 필요하지 않을 수 있습니다. 수분 함량이 높은 제품의 경우, 확인해야 할 임계 수분 활성도는 미생물 증식을 기준으로 하며, 이는 문헌에서 확인할 수 있습니다(병원성 세균의 경우 0.85 aw가 기준치이며, 0.6 aw 이하에서는 어떤 미생물도 증식하지 않습니다).  유통기한을 단축시키는 다른 요인들로는 조직 변화, 지질 산화, 마이야르 반응에 의한 갈변, 비타민 손실 또는 색소 손실이 있으며, 이러한 요소들은 임계 수분 활성을 파악할 때 고려해야 할 수 있습니다.

포장재의 투과성이 중요한 이유

포장재를 통해 물이 이동하는 원동력은 포장 내부와 외부의 수분 활성도 차이에 있습니다. 이러한 차이가 존재할 경우, 물이 포장 내부로 유입되거나 외부로 유출되어 제품에 영향을 미치는 원동력이 발생합니다.

포장의 목적은 수분 이동 속도를 줄이는 데 있습니다. 이 속도는 일반적으로 포장 제조업체에서 수증기 투과율(WVTR)로 표기합니다. 예상되는 포장의 임계 수분 활성도와 WVTR을 활용하면 예측 모델링을 수행하여 비용 대비 효과에 대한 결정을 내릴 수 있습니다.

예측 모델링은 대개 일련의 복잡한 방정식을 통해 수행되지만(자세한 내용은 『수분 흡착 등온선의 기초』에서 확인할 수 있음), 더 간단한 방법이 있습니다.  'Moisture Analysis Toolkit'이라는 소프트웨어 프로그램이 이러한 계산을 자동으로 수행해 줍니다**.** 제품에 대한 변수만 입력하면, 이 툴킷이 귀사의 포장에 가장 적합한 조건을 결정해 줄 뿐만 아니라, 분석 매개변수를 변경하여 투자 대비 최대의 수익을 가져다주는 포장을 찾아볼 수도 있습니다.

예측 모델링의 실제 적용

포장 설계 계산을 통해 음료 믹스용 네 가지 포장 유형(기존 포장 및 세 가지 대안)을 평가했습니다. 습도 노출 조건(25°C, 습도 75%)에서 얻은 결과는 다음과 같습니다:

분명히 원래 포장 방식이 가장 우수한 성능을 보였습니다. 하지만 이러한 결과는 두 가지 큰 의문을 불러일으켰습니다. 첫째, 유통기한이 7,812일인 것은 과도한 포장이 아닐까요? 둘째, 유통기한이 7,812일이나 되는 포장이 체육관 가방 바닥에 불과 몇 달만 있었을 뿐인데 왜 손상되었는지 궁금했습니다. 그래서 또 다른 테스트를 진행했고, 그 답은 간단했습니다. 바로 ‘락커룸’이었습니다.

소비자의 부적절한 사용은 제품의 유통기한을 단축시킬 수 있습니다

락커룸은 사실상 악조건의 전형이라 할 수 있는데, 이러한 악조건을 모방하여 실시한 테스트(40°C, 습도 75%—비록 우리가 아는 많은 락커룸의 경우 85%나 90%에 육박하지만)에서 놀라운 사실이 드러났습니다:

원래 포장 상태의 스포츠 음료 스틱은 라커룸 환경에 놓인 지 한 달도 채 되지 않아 굳어지고 뭉치기 시작했습니다. (왜 이 제품이 전도도가 더 낮은 2번과 3번 포장 제품보다 여전히 우수한지 궁금하시다면, 그 제품들은 원래 포장보다 표면적이 더 넓었기 때문입니다).

“원본 포장” 데이터에서 볼 수 있듯이, 전도도는 온도에 따라 달라지며, 때로는 그 영향이 매우 크기도 합니다. 또한 ASTM 표준에 부합하는 수증기 투과율(WTVR) 데이터는 시험이 수행된 조건을 알지 못한다면, 어떤 온도에서의 전도도에 대한 정보도 제공하지 않습니다.

포장 방정식을 풀어보세요

이 음료 제조사는 과도한 포장에 과도한 비용을 지출했음에도 불구하고 소비자들의 기대를 저버리고 말았습니다. 포장 문제를 진정으로 해결할 수 있는 유일한 방법은 확실한 데이터를 활용하는 것입니다. VSA 고해상도 등온선을 사용하면, 온도에 따라 달라지는 간소화된 수분 활성도 방정식을 통해 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다:

• 패키지의 실제 증기 전도도를 측정한다
• 다양한 조건에서 포장된 제품이 임계 수분 활성도에 도달하기까지 걸리는 시간을 계산한다
• 유통 기한 요건을 충족하기 위해 필요한 패키지 전도도를 설정하십시오
• 다양한 조건 하에서 일정 기간이 지난 후 제품의 수분 활성도를 측정한다

임계 수분 활성도, DDI 곡선, 포장재 투과성 및 예측 모델링에 대한 보다 자세한 정보를 원하시면 ‘포장 성능 예측’ 웨비나를 시청해 주십시오.

포장에 대해 자세히 알아보기

이번 30분짜리 웨비나에서 식품 과학자 메리 갤러웨이와 재커리 카트라이트가 유통기한 관련 궁금증을 해결하는 방법을 소개합니다. 다음 내용을 배워보세요:

• 예상보다 유통기한이 빨리 끝나는 원인을 파악하기 위해 문제와 불만 사항을 조사하십시오
• 레시피 변경이 유통기한에 어떤 영향을 미칠지 예측하세요
• 다양한 재료 옵션의 효과를 비교해 보세요
• 특정 포장 방식이 제품의 유통기한을 달성하거나 연장하는 데 도움이 되는지 평가하십시오

추가 정보

미국재료시험협회(ASTM). 2008. 재료의 수증기 투과성에 대한 표준 시험 방법. ASTM E 96-00. 펜실베이니아주 필라델피아.

Azanha, A. B. 및 J. A. F. Faria. “유연 포장재에 담긴 콘플레이크의 유통기한 추정용 수학적 모델의 활용.” 《Packaging Technology and Science 》 18권 4호 (2005): 171-178. 논문 링크.

Carter, Brady P., 및 Shelly J. Schmidt. “수분 흡착 등온선을 이용한 식품의 유리전이 온도 측정 기술의 발전.” Food chemistry 132, 제4호 (2012): 1693-1698. 논문 링크.

Risbo, Jens. “포장된 다성분 식품 시스템에서의 수분 이동 역학 I: 시리얼-건포도 시스템의 유통기한 예측.” Journal of Food Engineering 58, 제3호 (2003): 239-246. 논문 링크.

킬캐스트, 데이비드, 퍼시스 수브라마니아엄 편. 『 식품의 안정성과 유통기한』. 캠브리지: CRC 프레스, 2000. 논문 링크.

Koutsoumanis, Konstantinos, 및 George-John E. Nychas. “어류의 유통기한을 신속하게 예측하기 위한 미생물 모델 개발을 위한 체계적인 실험 절차의 적용.” International Journal of Food Microbiology 60, 제2호 (2000): 171-184. 논문 링크.

Del Nobile, M. A., G. G. Buonocore, S. Limbo, 및 P. Fava. “수분 민감성 필름으로 포장된 곡물 기반 건조 식품의 유통기한 예측.” Journal of food science 68, 제4호 (2003): 1292-1300. 논문 링크.

Labuza, T. P. 및 C. R. Hyman. “다중 영역 식품에서의 수분 이동 및 제어.” Trends in Food Science & Technology 9권 2호 (1998): 47-55. 논문 링크.

Wong, Ee Hua, Yong Chua Teo, Thiam Beng Lim. “IC 패키징의 수분 확산 및 증기압 모델링.” 『 전자 부품 및 기술 컨퍼런스(Electronic Components & Technology Conference)』 , 1998. 제48회 IEEE, pp. 1372-1378. IEEE, 1998. 논문 링크.

Yuan, Xiaoda, Brady P. Carter, 및 Shelly J. Schmidt. “자동 수증기 흡착 장치를 이용한 폴리덱스트로스의 유리상-고무상 전이가 일어나는 임계 상대 습도 결정.” Journal of food science 76, 제1호 (2011). 논문 링크.

‍