Kompleksowy przewodnik producenta żywności po okresie przydatności do spożycia

Bez dokładnego, specyficznego dla produktu okresu trwałości możesz wyrzucać przeterminowany produkt, który wciąż jest dobry. Albo sprzedawać nieprzeterminowany produkt, który w rzeczywistości jest zepsuty. Możesz przepłacać za opakowanie, które nie pomaga Twojemu produktowi. Lub rezygnować ze znacznego wydłużenia okresu trwałości, które wynikałoby z lepszego opakowania. Sedno sprawy tkwi w tym, że nie wiesz tego na pewno, ponieważ działasz po omacku.

Dlaczego więc ludzie nie przeprowadzają więcej badań okresu trwałości?

Możesz przepłacać za opakowania, które nie przynoszą korzyści Twojemu produktowi.

Pełne badania okresu trwałości

Zazwyczaj dzieje się tak dlatego, że rzetelny, pełny test okresu trwałości to trudne zadanie. Wiąże się ono ze złożonymi relacjami między wilgotnością, temperaturą a przyczynami psucia się produktu.

Wiele czynników może sprawić, że Twój produkt stanie się niebezpieczny lub niesmaczny – pleśń, rozwój drobnoustrojów, jełczenie, zmiany konsystencji lub smaku, degradacja witamin. Większość ludzi nie posiada wiedzy specjalistycznej pozwalającej na przeprowadzenie pełnych badań okresu trwałości we własnym zakresie, a zlecenie tego zewnętrznemu laboratorium jest kosztowne.

Istnieje jednak naukowo uzasadniona alternatywa dla tego rodzaju badań okresu trwałości. To okres trwałości uproszczony dzięki aktywności wody. Generuje on wszystkie dane potrzebne do przewidywania trwałości produktu na podstawie eksperymentu, na który może pozwolić sobie każdy, nawet mały startup.

Trwałość a aktywność wody

W jaki sposób aktywność wody upraszcza określanie okresu trwałości?

1. Eliminuje czynniki rozpraszające. Znając aktywność wody w produkcie, dowiesz się, które mechanizmy psucia się stanowią problem dla tego konkretnego artykułu.
2. Uproszczenie prognozowania. Można wykorzystać miernik aktywności wody oraz jedną dodatkową metodę pomiaru (wybór zależy od konkretnego typu psucia się produktu) do przeprowadzenia prostego eksperymentu we własnym zakresie, który pozwoli precyzyjnie przewidzieć trwałość.
3. Standaryzacja produkcji. Ustawiając specyfikację aktywności wody, można osiągnąć optymalną trwałość dla każdej partii produktu.

Dane dotyczące trwałości mogą dostarczyć cennych informacji, które pomogą zapobiegać psuciu się produktów, przewidywać i wydłużać ich trwałość, dobrać najbardziej opłacalne opakowanie i nie tylko.

AQUALAB 3. Uzyskanie dokładnego pomiaru aktywności wody w produkcie może pomóc w dokładniejszym przewidywaniu okresu trwałości.

W jaki sposób aktywność wody pozwala przewidzieć okres trwałości?

Aktywność wody jest ważnym narzędziem do przewidywania i kontrolowania okresu trwałości produktów spożywczych. Okres trwałości to czas, przez który produkt zachowuje bezpieczeństwo, utrzymuje pożądane właściwości sensoryczne, chemiczne, fizyczne i mikrobiologiczne oraz spełnia wymagania dotyczące informacji o wartości odżywczej. Na okres trwałości wpływa wiele czynników, w tym aktywność wody, pH, potencjał redoks, tlen, stosowanie konserwantów oraz warunki przetwarzania i przechowywania. Mierząc i kontrolując aktywność wody w żywności i produktach farmaceutycznych, można:

• Przewidzenie, które mikroorganizmy będą potencjalnym źródłem psucia się żywności i zakażeń
• Utrzymać stabilność chemiczną żywności
• Zminimalizować nieenzymatyczne reakcje brązowienia oraz spontaniczne, autokatalityczne reakcje utleniania lipidów
• Kontrolować aktywność enzymów
• Przedłużyć trwałość składników odżywczych i witamin w żywności
• Zoptymalizować właściwości fizyczne żywności

Czynniki skracające trwałość

Na trwałość wpływają trzy główne czynniki: właściwości mikrobiologiczne, zmiany chemiczne oraz degradacja fizyczna. Wszystkie one są powiązane z aktywnością wody.

Rozwój drobnoustrojów

Pleśń i rozwój drobnoustrojów to najpoważniejsze zagrożenia dla trwałości produktów. Kontrola aktywności wody pozwala zahamować lub uniemożliwić rozwój mikroorganizmów, przedłużyć trwałość oraz umożliwić bezpieczne przechowywanie niektórych produktów bez chłodzenia. Korzystając z precyzyjnie zdefiniowanych tabel, można określić limit aktywności wody dla produktu i wykorzystać go podczas badań trwałości.

Tabela 1. Granice wzrostu aktywności wody dla wielu powszechnych mikroorganizmów

Ale jak możesz wykorzystać tę wiedzę na swoją korzyść podczas opracowywania receptury, specyfikacji, produkcji i pakowania? Obejrzyj nasz najnowszy webinar, aby dowiedzieć się:

• w jaki sposób aktywność wody pozwala przewidzieć rozwój drobnoustrojów
• jak stosować specyficzne dla danej branży graniczne wartości a_w organizmów przy ustalaniu specyfikacji
• jak wykorzystać różne techniki formulacji (w tym humektanty, powłoki, warstwy ochronne) do uzyskania wymaganej aktywności wody
• dlaczego warto rozważyć technologię „hurdle” (technologię barier) w celu rozwiązania określonych problemów

Degradacja chemiczna

Aktywność wody wpływa na szybkość niekorzystnych reakcji chemicznych, ponieważ woda działa jako rozpuszczalnik, może być sama reagentem lub zmieniać mobilność reagentów poprzez lepkość. Na przykład reakcje brązowienia nieenzymatycznego nasilają się wraz ze wzrostem aktywności wody, osiągając maksimum przy wartościach od 0,6 do 0,7 a_w, natomiast utlenianie lipidów jest ograniczone do minimum w zakresie od ok. 0,2 do 0,3 a_w. Optymalna stabilność chemiczna występuje zazwyczaj w pobliżu zawartości wilgoci monomolekularnej, określonej na podstawie izoterm sorpcji wilgoci.

Rysunek 1. Stabilność i reakcje zachodzące w produkcie można przewidzieć za pomocą aktywności wody.

Degradacja fizyczna

Wysoka, a rzadziej niska wilgotność otoczenia może wpływać na aktywność wody w produkcie, powodując niepożądane zmiany jego tekstury lub właściwości fizycznych oraz skracając okres trwałości. Do problemów tych należą: utrata chrupkości w produktach suchych, zbrylanie i powstawanie grudek w proszkach oraz gumowatość lub ciągliwość w produktach wilgotnych. Określenie krytycznej aktywności wody dla danego produktu może wymagać pewnych badań, jednak znajomość aktywności wody znacznie to ułatwia.

Znajomość optymalnej aktywności wody w produktach pozwala zapobiec niepożądanym zmianom ich właściwości fizycznych, takim jak zbrylanie i powstawanie grudek.

Pakowanie, wysyłka i przechowywanie

Zmiany aktywności wody podczas transportu i przechowywania mogą mieć istotny wpływ na okres trwałości produktu. Aktywność wody jest funkcją temperatury, a temperatury transportu i magazynowania mogą wpływać na aktywność wody wewnątrz opakowania. Uproszczone badania trwałości mogą pomóc w określeniu najlepszego sposobu pakowania oraz w ocenie wpływu warunków transportu i przechowywania na okres przydatności produktu do spożycia.

Rozpocznij uproszczone testy

Informacje na temat maksymalizacji okresu trwałości można znaleźć w literaturze z zakresu nauk o żywności, jednak odnalezienie instrukcji krok po kroku może być trudne. Opracowując plan testowania okresu trwałości konkretnego produktu, należy pamiętać tylko o kilku kwestiach.

NIE próbuj analizować wszystkiego

Na okres trwałości wpływa wiele czynników, jednak największe znaczenie mają aktywność wody i temperatura. Zacznij od kontrolowania tych dwóch czynników.

Jak mierzy się aktywność wody?

Producenci żywności mierzą aktywność wody w laboratorium oraz na linii produkcyjnej za pomocą higrometrów aktywności wody. Zmierzyć aktywność wody (a_w) w ciągu 5 minut lub mniej (średni czas pomiaru: 2,5 minuty) z dokładnością ±0,003 a_w . Urządzenia AQUALAB to najszybsze i najprecyzyjniejsze mierniki aktywności wody na rynku. Obejrzyj film, aby zobaczyć, jak działają.

OKREŚL najczęstsze przyczyny psucia się produktów

Na okres trwałość produktu zazwyczaj wpływa tylko jedna lub dwie przyczyny degradacji. Na przykład trwałość chipsów ziemniaczanych jest często ograniczana przez niepożądane posmaki związane z utlenianiem lipidów. Uproszczone badania trwałości powinny rozpocząć się od monitorowania utleniania lipidów przy różnych wartościach aktywności wody i temperaturach. Po uwzględnieniu wpływu utleniania lipidów można zbadać inne potencjalnie ograniczające czynniki, takie jak struktura (tekstura).

Podstawowe kroki prowadzące do określenia okresu trwałości

Podstawowe kroki testowania okresu trwałości przy użyciu aktywności wody.

Po rozpisaniu tych kroków na szczegółowy schemat blokowy wyglądałby on następująco (większy obraz można zobaczyć tutaj):

Rysunek 2. Schemat blokowy testowania okresu trwałości

Wybierz odpowiednie opakowanie

Po ustaleniu idealnego zakresu aktywności wody dla swojego produktu nadszedł czas, aby pomyśleć o opakowaniu. Najważniejszym czynnikiem decydującym o tym, co stanie się z aktywnością wody w produkcie wraz z upływem czasu, jest przepuszczalność materiału opakowaniowego – czyli to, jak dobrze zapobiega on wymianie wilgoci w różnych warunkach (patrz Wong i in. 1999). Aby dobrać odpowiednie opakowanie zapewniające żądany okres trwałości, potrzebujesz dwóch prostych wskaźników: przepuszczalności opakowania oraz krytycznej aktywności wody.

Znajdź współczynnik WVTR

Siłą napędową ruchu wody przez opakowanie jest różnica w wartościach aktywności wody wewnątrz i na zewnątrz opakowania. Producenci stosują opakowania do kontrolowania tempa przemieszczania się tej wody. Wilgoć przechodzi przez opakowanie w tempie wyrażanym jako wskaźnik przepuszczalności pary wodnej (WVTR). Możesz wykorzystać wartość WVTR w modelach matematycznych, aby określić optymalne opakowanie dla pożądanego okresu trwałości.

Określ krytyczny zakres aktywności wody

Jednym z głównych celów testowania okresu trwałości jest wyznaczenie najlepszego zakresu aktywności wody dla danego produktu. Może to być krytyczna wartość aktywności wody, której przekroczenie natychmiast spowoduje problemy z bezpieczeństwem lub strukturą, kończące okres trwałości. Może to być również „optymalny punkt wilgotności”, który maksymalizuje zysk i eliminować potencjalne problemy ze smakiem, teksturą i bezpieczeństwem.

Jeśli główną przyczyną psucia się produktu są zmiany fizyczne, krzywa dynamicznej izotermy punktu rosy (DDI) może pomóc w identyfikacji krytycznej aktywności wody. Krzywa DDI mierzy zmianę właściwości sorpcyjnych próbki podczas adsorpcji i desorpcji wody (patrz Rysunek 3).

Rysunek 3. Zależność zmian tekstury od izotermy suszonego rozpyłowo pełnego mleka w proszku.

Krzywe DDI mogą zaoszczędzić mnóstwo czasu przy identyfikacji krytycznej aktywności wody. Można je uzyskać, przesyłając próbkę swojego produktu do laboratoriów AQUALAB Lab Services lub korzystając z urządzenia VAPOR SORPTION ANALYZER w celu opracowania własnych krzywych DDI.

Jeśli czynnikiem ograniczającym okres trwałości jest psuje się mikrobiologiczne, możesz określić krytyczną aktywność wody lub jej zakres za pomocą limitów dobrze udokumentowanych w literaturie naukowej. Wiele mikroorganizmów stanowiących zagrożenie wymieniono w tej tabeli ukazującej zależność między aktywnością wody a wzrostem drobnoustrojów.

Jeśli główne przyczyny psucia się Twojego produktu to czynniki chemiczne, takie jak utlenianie lipidów, brunatnienie Maillarda lub utrata witamin, musisz poświęcić temu zagadnieniu nieco więcej uwagi. Aktywność wody jest powiązana z wieloma z tych reakcji chemicznych, jednak musisz przeprowadzić eksperymenty, aby określić charakter tej korelacji dla Twojego konkretnego produktu.

Zadbaj o trwałość produktu dzięki odpowiedniemu opakowaniu

Po ustaleniu przepuszczalności opakowania oraz krytycznej aktywności wody wartości te można wykorzystać do stworzenia modeli predykcyjnych.

Modelowanie predykcyjne opiera się często na szeregu skomplikowanych równań (opisanych w sekcji Dodatkowe materiały), jednak istnieje prostsza metoda. Program MOISTURE ANALYSIS TOOLKIT wykonuje te obliczenia za Ciebie. Narzędzie to wykorzystuje podstawowe dane wejściowe do określenia trwałości, ustalenia idealnych specyfikacji opakowania, a nawet pozwala na modyfikowanie parametrów analizy w celu sprawdzenia różnych wariantów pakowania.

Szczegółowa analiza przyczyn degradacji i nie tylko

Chcesz dowiedzieć się więcej? Poniżej znajduje się kompleksowy, szczegółowy przewodnik po poszczególnych krokach uproszczonego schematu blokowego trwałości (Rysunek 2). Rozwiń zakładki, aby dowiedzieć się więcej na każdy z tych tematów.

WIĘCEJ informacji na temat trwałości

W tym 30-minutowym webinarium naukowcy zajmujący się żywnością, Mary Galloway i Zachary Cartwright, opowiadają o tym, jak uzyskać odpowiedzi na pytania dotyczące trwałości produktów. Dowiedz się, jak:

• Rozwiązywanie problemów i reklamacji w celu ustalenia, dlaczego trwałość produktu kończy się szybciej niż oczekiwano
• Prognozowanie wpływu zmian w recepturze na trwałość produktu
• Porównanie wpływu różnych opcji składników
• Ocena, czy określona opcja opakowania pomoże osiągnąć lub wydłużyć trwałość produktu

Dlaczego AQUALAB 4TE przewyższa inne mierniki aktywności wody

Urządzenie AQUALAB 4TE zamyka próbkę w szczelnym pojemniku, w którym wilgotność względna powietrza w przestrzeni nad próbką osiąga stan równowagi z aktywnością wody w próbce. W stanie równowagi obie wartości są sobie równe, co pozwala nam zmierzyć wilgotność względną przestrzeni nad próbką i określić aktywność wody w samej próbce. Jest to najbardziej wiarygodna odpowiedź na pytanie, jak mierzyć aktywność wody.

Metody wtórne: higrometry, czujniki pojemnościowe

Podobnie jak wczesne mierniki aktywności wody, większość nowoczesnych przyrządów wykorzystuje elektryczne czujniki higrometryczne – pojemnościowe lub rezystancyjne – do pomiaru wilgotności w przestrzeni nadpowierzchniowej nad próbką.

Mierniki te stosują metody wtórne: wiążą sygnał elektryczny z wilgotnością względną i muszą być kalibrowane za pomocą znanych wzorców soli.

W przypadku tych czujników równowagowa wilgotność względna (ERH) jest równa aktywności wody w próbce tylko wtedy, gdy temperatury próbki i czujnika są identyczne. Dokładne pomiary wymagają dobrej kontroli lub precyzyjnego pomiaru temperatury. Czujniki pojemnościowe charakteryzują się prostą konstrukcją i są często stosowane w stosunkowo niedrogich miernikach aktywności wody.

Metoda punktu rosy w modelu 4TE jako metoda pierwotna

Najlepsze metody pozwalające odpowiedzieć na pytanie, jak mierzyć aktywność wody, to metody pierwotne wykorzystujące stosunek p/p0.

P0 (ciśnienie nasycenia pary wodnej) zależy wyłącznie od temperatury próbki (jak pokazano na dołączonym wykresie), co umożliwia pomiar p0 poprzez zmierzenie temperatury próbki. Z kolei P (ciśnienie pary wodnej w próbce) można zmierzyć, mierząc ciśnienie pary wodnej w szczelnej przestrzeni nad próbką. Najdokładniejszym sposobem pomiaru tego ciśnienia – odwołującym się do podstawowych praw fizyki – jest pomiar punktu rosy powietrza.

Rysunek 15. Pomiar ciśnienia nasycenia pary wodnej jest możliwy poprzez zmierzenie temperatury próbki (ciśnienie nasycenia pary wodnej jest zależne od temperatury).

Metoda pierwotna oznacza pomiar bezpośredni bez konieczności kalibracji

Głównymi zaletami metody punktu rosy (lub metody punktu rosy z chłodzonym zwierciadłem) są szybkość i dokładność. Czujnik punktu rosy z chłodzonym zwierciadłem to pierwotna metoda pomiarowa oparta na fundamentalnych zasadach termodynamiki. Mierniki aktywności wody z chłodzonym zwierciadłem zapewniają wysoce precyzyjne pomiary (±0,003 a_w), zazwyczaj w czasie około 5 minut. Ponieważ pomiar opiera się na wyznaczeniu temperatury, kalibracja nie jest konieczna. Użytkownicy powinni jednak zmierzyć standardowy roztwór soli, aby zweryfikować poprawne działanie instrumentu. W niektórych zastosowaniach szybkość tej metody pozwala producentom na monitorowanie aktywności wody w produkcie w czasie rzeczywistym (at-line).

Dodatkowe materiały

ASTM International. ASTM E96-00 Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2000.

Azanha, A.B., i Faria J. A. F. „Use of Mathematical Models for Estimating the Shelf-life of Cornflakes in Flexible Packaging.” Packaging Technology and Science 18, nr 4 (2005): 171-178.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Campbell, G.S. i Carter, A.H. 2015. The critical water activity from dynamic dewpoint isotherms as an indicator of premix powder stability. Journal of Food Measurement and Characterization. 9(4):479-486.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Campbell, G.S. i Carter, A.H. 2015. The critical water activity from dynamic dewpoint isotherms as an indicator of crispness in low moisture cookies. Journal of Food Measurement and Characterization 9(3):463-470.

Carter, B. P. i Schmidt, S. J. „Developments in Glass Transition Determination in Foods using Moisture Sorption Isotherms.” Food Chemistry 132, nr 4 (2012): 1693-1698.

Risbo, J. „The Dynamics of Moisture Migration in Packaged Multi-Component Food Systems I: Shelf Life Predictions for a Cereal-Raisin System.” Journal of Food Engineering 58, nr 3 (2003): 239-246.

The Stability and Shelf-Life of Food, pod redakcją Davida Kilcasta i Persis Subramaniam. Woodhead Publishing, 2000.

Koutsoumanis, Konstantinos i George-John E. Nychas. „Application of a systematic experimental procedure to develop a microbial model for rapid fish shelf life predictions.” International Journal of Food Microbiology60, nr 2-3 (2000): 171-84. doi:10.1016/s0168-1605(00)00309-3.

Del Nobile, M. A., Buonocore, G. G., Limbo, S. i Fava, P. „Shelf Life Prediction of Cereal-based Dry Foods Packed in Moisture-sensitive Films.” Journal of Food Science 68, nr 4 (2003): 1292-1300.

Labuza, T.P., i Hyman, C. R. „Moisture Migration and Control in Multi-domain Foods.” Trends in Food Science & Technology 9, nr 2 (1998) 47-55.

Wong, Ee Hua, Teo, Y. C., i Lim, T. B. „Moisture Diffusion and Vapor Pressure Modeling of IC Packaging.” Prezentacja na konferencji Annual Electronic Components and Technology Conference, Seattle, WA, 25–28 maja 1998 r.

Yuan, X., Carter, B. P., i Schmidt, S. J. „Determining the Critical Relative Humidity at which the Glassy to Rubbery Transition Occurs in Polydextrose using an Automatic Water Vapor Sorption Instrument.” Journal of Food Science 76, nr 1 (2011) 78-89.

‍