预测包装性能，以最大限度延长产品保质期

单份装粉末饮料混合包是一个正在快速增长的市场细分领域。对消费者而言，它们既方便又实惠；对制造商和零售商来说，它们利润丰厚，且运输和仓储成本远低于即饮饮料。事实上，它们堪称理想产品，但也使得包装成为焦点。这是因为运动饮料棒的两大主要成分是饮料混合粉和……包装。

每袋均为单次用量，因此包装成本占该产品原材料成本的50%以上。该包装的主要目的是确保在产品的目标保质期内，饮料粉保持自由流动状态——即水分活度保持在临界值以下。

过度包装蚕食利润

包装不足会导致食品中的水分活度随时间推移而升高或降低，从而引发物理变化、水分迁移、化学降解，并增加微生物滋生的风险。另一方面，过度包装成本高昂，会侵蚀利润。那么，如何确定产品所需的精确包装量呢？

从历史上看，极少有制造商会基于科学依据来制定包装决策。他们通常采取经验主义的做法：为了规避风险而过度包装，只有在出现问题时才会做出调整。但在单份装产品领域，过度包装会严重侵蚀利润。在这种需要在成本与质量之间权衡取舍的情况下，精准的科学信息便显得尤为重要。

正确的包装需要两个简单的指标

决定产品水分活度随时间变化的最重要因素是包装材料的透湿性——即其在不同条件下阻隔水分传递的能力。因此，要确定能满足预期保质期的正确包装方案，只需参考两个简单指标：临界水分活度和包装透湿性。

快速简便的水活度测定

包装计算的起点是临界水活度值。传统上，这一数值难以确定——老式的等温线技术无法提供精确的转折点。然而，如今借助蒸汽吸附分析仪（VSA）能够获得精确数值，使得此类包装计算成为可能。

VSA 生成了一种高分辨率的等温线，称为动态露点等温线（DDI）曲线。DDI 曲线能显著节省在低水分食品和药品中确定临界水分活度的时间，因为它清晰地展示了物质吸附性能的变化（见图 1）。该曲线显示了某款饮料混合配方的玻璃化转变点。

水分含量较高的食品可能无需绘制DDI曲线，因为导致保质期缩短的因素很可能是微生物变质。对于高水分产品，需要确定的关键水分活度阈值是微生物生长的临界值，相关数据可在文献中查阅（0.85 aw是致病菌的临界值，而低于0.6 aw时任何微生物均无法生长）。  其他可能缩短保质期且在确定临界水分活度时需考虑的因素包括：质地变化、脂质氧化、美拉德反应、维生素流失或色泽损失。

为什么包装透气性很重要

水在包装内移动的驱动力源于包装内外水活度条件的差异。当这种差异存在时，水就会受到驱动力作用而进入或离开包装，从而对产品产生影响。

包装的目标是降低水分传递速率。包装制造商通常将该速率表述为水蒸气透过率（WVTR）。利用临界水分活度和目标包装的水蒸气透过率，您可以进行预测建模，从而做出成本效益决策。

预测建模通常需要通过一系列复杂的方程来完成（详见《水分吸附等温线基础》），但其实还有一种更简单的方法。  一款名为“水分分析工具包”（Moisture Analysis Toolkit）的软件将自动为您完成这些计算**。** 只需输入产品的相关变量，该工具包便会为您确定最理想的包装方案，甚至允许您调整分析参数，从而找到能带来最佳投资回报的包装方案。

预测建模的实际应用

我们通过包装计算，对一种饮料粉的四种不同包装进行了评估——包括其原包装和三种可能的替代方案。在潮湿环境条件下（25 °C，75% 湿度），结果如下：

显然，原始包装的表现最为出色。但这些结果引发了两个重要问题。首先，7,812天的保质期是否属于过度包装？其次，我们不解的是，为何一款保质期长达7,812天的包装，在健身包底部仅放置了几个月就失效了。于是，我们又进行了一次测试，并得到了一个简单的答案——更衣室。

不当使用会缩短保质期

更衣室的环境几乎就是恶劣使用条件的缩影，而模拟恶劣使用条件进行的测试（40 °C、75% 湿度，尽管我们所知的许多更衣室湿度接近 85% 或 90%）揭示了一个惊人的事实：

在更衣室的环境下，原包装中的运动饮料棒不到一个月就会开始结块。（如果你想知道它为何仍能胜过导电率较低的第2和第3种包装，那是因为后者的表面积比原包装更大。）

正如“原始包装”数据所示，导电率受温度影响，有时这种影响甚至非常显著。而且，除非您了解测试的具体条件，否则符合 ASTM 标准的水蒸气透过率 (WTVR) 数据并不能提供任何温度下的导电率信息。

解包装方程

这家饮料制造商不仅在包装上花费过多，还让消费者大失所望。要真正解决包装难题，唯一的方法就是依靠确凿的数据。VSA高分辨率等温线可让您使用简化的、与温度相关的水分活度方程来：

• 测定包装的实际水蒸气透过率
• 计算在不同条件下，包装产品达到临界水分活度所需的时间
• 确定满足保质期要求的包装导电率
• 测定产品在不同条件下经过一定时间后的水分活度

如需了解有关临界水活度、DDI曲线、包装透气性及预测建模的更多详细信息，请观看网络研讨会：《预测包装性能》。

了解有关包装的更多信息

在这场30分钟的网络研讨会上，食品科学家玛丽·加洛韦和扎卡里·卡特赖特将探讨如何解答您关于保质期的疑问。您将学习如何：

• 排查问题和投诉，以查明保质期为何比预期更短
• 预测配方变更对保质期的影响
• 比较不同配料选项的效果
• 评估特定的包装方案是否有助于延长或改善产品的保质期

其他信息

美国材料与试验协会（ASTM）。2008。《材料水蒸气透过率的标准试验方法》。ASTM E 96-00。宾夕法尼亚州费城。

Azanha, A. B. 与 J. A. F. Faria. “利用数学模型估算软包装玉米片保质期.”《包装技术与科学》第18卷第4期（2005年）：171-178页。文章链接。

卡特（Carter）、布雷迪·P.（Brady P.）和谢莉·J.·施密特（Shelly J. Schmidt）。《利用水分吸附等温线测定食品玻璃化转变的最新进展》。《食品化学》第132卷第4期（2012年）：1693-1698页。文章链接。

里斯博，延斯。《包装多组分食品系统中水分迁移的动力学（一）：谷物-葡萄干系统的保质期预测》。《食品工程学报》第58卷第3期（2003年）：239-246页。文章链接。

Kilcast, David 和 Persis Subramaniam 编。《食品的稳定性与保质期》。剑桥：CRC出版社，2000年。文章链接。

Koutsoumanis, Konstantinos，以及 George-John E. Nychas。《应用系统性实验程序开发用于快速预测鱼类保质期的微生物模型》。《国际食品微生物学杂志》第60卷第2期（2000年）：171-184页。文章链接。

Del Nobile, M. A., G. G. Buonocore, S. Limbo 和 P. Fava. “采用湿度敏感薄膜包装的谷物类干食品保质期预测。”《食品科学杂志》第68卷第4期（2003年）：1292-1300页。文章链接。

Labuza, T. P. 与 C. R. Hyman. “多相食品中的水分迁移与控制。”《食品科学与技术趋势》第9卷第2期（1998年）：47-55页。文章链接。

Wong, Ee Hua、Yong Chua Teo 和 Thiam Beng Lim。《集成电路封装中的水分扩散与蒸汽压建模》。载于《电子元件与技术会议》（1998）。第48届IEEE会议，第1372-1378页。IEEE，1998。文章链接。

Yuan, Xiaoda, Brady P. Carter 和 Shelly J. Schmidt. “利用自动水蒸气吸附仪测定聚葡萄糖发生玻璃态向橡胶态转变的临界相对湿度。”《食品科学杂志》第76卷第1期（2011年）。文章链接。

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