Przewidywanie parametrów opakowań w celu maksymalizacji trwałości produktu

Porcje napojów w proszku w saszetkach to szybko rosnący segment rynku. Dla konsumentów są one wygodne i niedrogie. Dla producentów i sprzedawców detalicznych są opłacalne – ich transport i magazynowanie kosztują znacznie mniej niż w przypadku napojów gotowych do spożycia. To właściwie produkt idealny, który jednak stawia wysokie wymagania wobec opakowania. Dzieje się tak dlatego, że dwoma głównymi składnikami takich napojów są sam miks w proszku oraz... opakowanie.

Każda saszetka to pojedyncza porcja, co oznacza, że opakowanie stanowi ponad 50% kosztów surowców dla tego produktu. Głównym zadaniem tego opakowania jest utrzymanie sypkiej konsystencji mieszanki – poniżej krytycznej aktywności wody – przez cały docelowy okres trwałości produktu.

Przeinwestowanie w opakowania obcina zyski

Niedostateczna ochrona w postaci opakowania może powodować wzrost lub spadek aktywności wody w produktach spożywczych w czasie, co prowadzi do zmian fizycznych, migracji wilgoci, degradacji chemicznej oraz podatności na rozwój mikroorganizmów. Z kolei stosowanie zbyt grubych lub złożonych opakowań jest kosztowne i może obniżać zyski. W jaki sposób można określić dokładną ilość materiału opakowaniowego, jakiej potrzebuje Twój produkt?

W przeszłości bardzo niewielu producentów podejmowało decyzje dotyczące opakowań w oparciu o naukę. Stosowali oni podejście empiryczne: stosowali nadmierne zabezpieczenia, aby uniknąć problemów, a zmiany wprowadzali dopiero wtedy, gdy problemy się pojawiały. Jednak w przypadku produktów jednorazowych nadmierne pakowanie może znacząco uszczuplić zyski. W takich sytuacjach, gdy wymagane jest sprawne manewrowanie między kosztem a jakością, pomocne okazują się precyzyjne dane naukowe.

Właściwe opakowanie wymaga dwóch prostych wskaźników

Najważniejszym czynnikiem decydującym o tym, co stanie się z aktywnością wody w Twoim produkcie w czasie, jest przepuszczalność materiału opakowaniowego – czyli to, jak skutecznie zapobiega on transferowi wilgoci w różnych warunkach. Aby dobrać odpowiednie opakowanie zapewniające pożądaną trwałość, potrzebujesz zatem dwóch prostych wskaźników: krytycznej aktywności wody oraz przepuszczalności opakowania.

Szybka i łatwa wyznaczanie krytycznej aktywności wody

Punktem wyjścia do obliczeń dotyczących opakowań jest wartość krytycznej aktywności wody. Tradycyjnie wartość tę trudno było uzyskać – dawne technologie wyznaczania izoterm nie zapewniały dokładnych punktów przegięcia. Jednak możliwość uzyskania precyzyjnego punktu za pomocą analizatora sorpcji par (VAPOR SORPTION ANALYZER – VSA) sprawia, że tego typu obliczenia opakowaniowe stały się możliwe.

Urządzenie VSA generuje izotermę o wysokiej rozdzielczości, zwaną krzywą dynamicznej izotermy punktu rosy (DDI). Krzywe DDI pozwalają zaoszczędzić dużo czasu przy identyfikacji krytycznej aktywności wody w produktach żywnościowych i farmaceutycznych o niskiej wilgotności, ponieważ wyraźnie ilustrują zmianę właściwości sorpcyjnych substancji (patrz Rysunek 1). Krzywa ta pokazuje temperaturę transformacji szklistej dla konkretnej formulacji napoju w proszku.

Żywność o wyższej wilgotności może nie wymagać wyznaczania krzywej DDI, ponieważ w ich przypadku bardziej prawdopodobne jest, że to psucie mikrobiologiczne skraca okres przydatności do spożycia. W przypadku produktów o wyższej wilgotności graniczne wartości aktywności wody dla rozwoju mikroorganizmów można znaleźć w literaturze (wartość 0,85 aw stanowi granicę dla bakterii chorobotwórczych, a poniżej 0,6 aw żadne organizmy nie będą się rozwijać). Inne czynniki skracające okres trwałości, które należy wziąć pod uwagę przy określaniu krytycznej aktywności wody, to zmiany tekstury, utlenianie lipidów, brunatnienie nieenzymatyczne (reakcja Maillarda), utrata witamin lub zmiana barwy.

Dlaczego przepuszczalność opakowania ma znaczenie

Siłą napędową przemieszczania się wody przez opakowanie jest różnica w warunkach aktywności wody wewnątrz i na zewnątrz opakowania. Gdy występuje taka różnica, pojawia się siła napędowa powodująca, że woda wnika do wnętrza opakowania lub je opuszcza, wpływając na produkt.

Celem opakowania jest ograniczenie prędkości transferu wilgoci. Wartość ta jest zazwyczaj podawana przez producentów opakowań jako współczynnik przepuszczalności pary wodnej (WVTR). Znając krytyczną aktywność wody oraz współczynnik WVTR potencjalnego opakowania, można przeprowadzić modelowanie predykcyjne w celu podjęcia decyzji opartych na stosunku kosztów do korzyści.

Modelowanie predykcyjne jest często przeprowadzane za pomocą szeregu skomplikowanych równań (dostępnych w publikacji „Fundamentals of Moisture Sorption Isotherms”), ale istnieje prostszy sposób. Program komputerowy o nazwie Moisture Analysis Toolkit automatycznie wykona te obliczenia za Ciebie. Wystarczy wprowadzić zmienne dla danego produktu, a zestaw narzędzi określi idealne warunki dla Twojego opakowania, pozwalając nawet na modyfikację parametrów analizy w celu znalezienia opakowania zapewniającego najlepszy zwrot z inwestycji.

Modelowanie predykcyjne w praktyce

Korzystając z obliczeń opakowaniowych, oceniliśmy cztery różne rodzaje opakowań dla napoju w proszku – jego oryginalne opakowanie oraz trzy potencjalne alternatywy. Oto wyniki w warunkach przyspieszonego starzenia wilgotnościowego (25 °C, wilgotność 75%):

Oczywiście oryginalne opakowanie sprawdza się najlepiej. Jednak wyniki te zrodziły dwa istotne pytania. Po pierwsze, czy okres trwałości wynoszący 7812 dni to nie przesada w kwestii pakowania? Po drugie, zastanawialiśmy się, dlaczego opakowanie o trwałości 7812 dni uległo uszkodzeniu już po kilku miesiącach spędzonych na dnie torby sportowej. Przeprowadziliśmy więc kolejny test i uzyskaliśmy prostą odpowiedź – szatnię.

Niewłaściwe traktowanie przez klienta może skrócić okres trwałości

Szatnia w zasadzie idealnie odzwierciedla trudne warunki, a testy przeprowadzone w celu ich symulacji (40 °C, 75% wilgotności, choć w znanych nam szatniach wartości te często zbliżają się do 85 lub 90%) wykazały coś zaskakującego:

Porcja napoju sportowego w oryginalnym opakowaniu zaczęłaby zbrylać się i tworzyć grudki w ciągu niespełna miesiąca w warunkach panujących w szatni. (Jeśli zastanawiasz się, dlaczego wciąż wypadało lepiej niż pakiety o niższej przewodności 2 i 3, wynika to z faktu, że tamte opakowania miały większą powierzchnię niż oryginał).

Przewodność zależy od temperatury, czasem w ekstremalnym stopniu, co pokazują dane dotyczące „oryginalnego opakowania”. Z kolei dane dotyczące współczynnika przepuszczania pary wodnej (WVTR) zgodne z normami ASTM nie dostarczają informacji o przewodności w żadnej temperaturze, jeśli nie zna się warunków, w jakich przeprowadzano testy.

Rozwiąż równanie dotyczące pakowania

Producent napoju przepłacił za nadmierne zapakowanie produktu, a mimo to zawiódł konsumentów. Jedynym sposobem na realne rozwiązanie problemu doboru opakowania są twarde dane. Izotermy wysokiej rozdzielczości VSA pozwalają wykorzystać uproszczone, zależne od temperatury równania aktywności wody w celu:

• Określenia rzeczywistej przewodności pary wodnej opakowania
• Obliczenia czasu, po jakim zapakowany produkt osiągnie krytyczną aktywność wody w różnych warunkach
• Ustalenia przewodności opakowania niezbędnej do spełnienia wymagań dotyczących okresu trwałości
• Sprawdzenia aktywności wody produktu po określonym czasie w różnych warunkach

Aby uzyskać bardziej szczegółowe informacje na temat krytycznej aktywności wody, krzywych DDI, przepuszczalności opakowań i modeli predykcyjnych, obejrzyj webinar: Prognozowanie zachowania opakowań.

Dowiedz się więcej o opakowaniach

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

Dodatkowe informacje

Amerykańskie Towarzystwo Badań i Materiałów (ASTM). 2008. Standardowe metody badań przepuszczalności pary wodnej przez materiały. ASTM E 96-00. Filadelfia, PA.

Azanha, A. B., i J. A. F. Faria. „Use of mathematical models for estimating the shelf‐life of cornflakes in flexible packaging.” Packaging Technology and Science 18, nr 4 (2005): 171-178. Link do artykułu.

Carter, Brady P. i Shelly J. Schmidt. „Developments in glass transition determination in foods using moisture sorption isotherms.” Food chemistry 132, nr 4 (2012): 1693-1698. Link do artykułu.

Risbo, Jens. „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. Link do artykułu.

Kilcast, David i Persis Subramaniam, red. The stability and shelf-life of food. Cambridge: CRC press, 2000. Link do artykułu.

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 Microbiology 60, nr 2 (2000): 171-184. Link do artykułu.

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

Labuza, T. P. i C. R. Hyman. „Moisture migration and control in multi-domain foods.” Trends in Food Science & Technology 9, nr 2 (1998): 47-55. Link do artykułu.

Wong, Ee Hua, Yong Chua Teo i Thiam Beng Lim. „Moisture diffusion and vapour pressure modeling of IC packaging.” W Electronic Components & Technology Conference, 1998. 48th IEEE, s. 1372-1378. IEEE, 1998. Link do artykułu.

Yuan, Xiaoda, Brady P. Carter i Shelly J. Schmidt. „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). Link do artykułu.

‍