Verpacken unter modifizierter Atmosphäre

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SPECIAL:
VERPACKEN MIT KUNSTSTOFFEN
[FAHRZEUGBAU] [MEDIZINTECHNIK] [VERPACKUNG] [ELEKTRO & ELEKTRONIK] [BAU] [KONSUMGÜTER] [FREIZEIT & SPORT] [OPTIK]
Verpacken unter modifizierter
Atmosphäre
Kosteneinsparpotenziale bei Lebensmittelverpackungen aus Kunststoff
Kunststoffverpackungen für Lebensmittel müssen sowohl den Kostenanforderungen der Lebensmittelindustrie
entsprechen als auch eine hohe Haltbarkeit des zu schützenden Produkts gewährleisten. Welche Einflussgrößen
dabei von Bedeutung sind, zeigen die Ergebnisse einer Marktstudie.
A
m Lebensmittelmarkt haben sich Packungen mit modifizierter Atmosphäre (MAP: modified atmosphere
packaging) etabliert (Titelbild). Diese sind
entweder zweiteilig (Boden- und Oberfolie) oder in Form von Beuteln anzutreffen.
Eine wichtige Funktion der Verpackung
ist die Vermeidung unerwünschter Gas-
diffusion. Nach der MAP-Begasung soll
die eingestellte Gasatmosphäre in der
Verpackung aufrechterhalten werden. Bei
oxidationsempfindlichen Produkten wird
die Reduzierung des Sauerstoffeintrags
angestrebt. Bei respirierenden Produkten,
z. B. frischem Salat, ist jedoch eine erhöhte Sauerstoffpermeabilität notwendig.
Durch Anwendung geeigneter Packungen soll die vorgesehene Haltbarkeit des
Produkts erreicht werden. Dabei wird
durch Auswahl des Packstoffs die Gasdurchlässigkeit festgelegt.
Aufgrund des hohen ökonomischen
Drucks in der Lebensmittelindustrie sollen Verpackungen nach dem Motto „so
Lebensmittel halten
sich in geeigneten MAPPackungen länger
(Bilder: IVV)
© Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 8/2015
© Carl Hanser Verlag, München. Der Nachdruck, auch auszugsweise, ist nicht gestattet und muss beim Verlag gesondert beauftragt werden.
Lebensmittelverpackungen VERPACKEN MIT KUNSTSTOFFEN
wenig wie möglich, aber so viel wie nötig“ konzipiert werden. Das Ziel der Marktstudie „Verpackungs-Screening bei MAP
– Modified Atmosphere Packaging“ bestand darin, MAP-Packungen aus dem
Einzelhandel zu analysieren, zu bewerten
und anschließend Kosteneinsparpotenziale zu identifizieren [1 bis 3].
Am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, Freising,
wurden stichprobenartig im Lebensmitteleinzelhandel gekaufte Packungen untersucht [4]. Bis zum Erreichen des Mindesthaltbarkeitsdatums (MHD) wurde die
Gaszusammensetzung (O2, CO2, N2) im
Kopfraum der Verpackungen mithilfe eines Gasanalysators (Typ: Checkmate II,
Hersteller: PBI Dansensor Deutschland
GmbH) bestimmt. Die für den Packstoff
verwendeten Polymere wurden mithilfe
des thermoanalytischen Verfahrens der
dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC)
sowie mittels der IR-Spektroskopie (FTIR)
in Transmission und Reflexion identifiziert
und charakterisiert. Die Schichtdicken der
Mehrschichtfolien wurden durch lichtmikroskopische Messungen quantifiziert [5].
Die Bestimmung der Sauerstoffpermeabilität erfolgte durch das Trägergasverfahren nach DIN 53 380, T3, 50 % relative
Feuchte, 23 °C [6].
Gas abhängig vom Produkt
Wie erwartet, waren die Gaszusammensetzungen im Kopfraum der Packungen
abhängig vom Produkt (Tabelle 1) [4]. Bei
Teigwaren, Backwaren, Wurstwaren,
Fisch, Käse, Snackwaren und Fertiggerichten wurde eine geringe Sauerstoffkonzentration festgestellt. Diese Produkte sollen durch MAP-Behandlung mit
Stickstoff/Kohlenstoffdioxid-Mischungen oder Stickstoff vor Oxidation und
aeroben
Mikroorganismenwachstum
geschützt werden. Die Sauerstoffkonzentration bei den Cashew-Nüssen, den
Kartoffel-Sticks, der Lasagne und dem
Kräuterbutterbaguette war relativ hoch.
Eine mögliche Ursache ist Restsauerstoff
nach dem Abpackvorgang bzw. eine zu
hohe Sauerstoffpermeabilität des Packstoffs. Bei Frischfleisch wurde eine sehr
hohe Sauerstoffkonzentration (ca. 75
Vol.-%) identifiziert. Bei diesem Verpackungskonzept dient der Sauerstoff der
Stabilisierung des Muskelfarbstoffs
Oxy-Myoglobin und somit dem Erhalt
der roten Farbe des Fleisches.
Bild 1. Mikroskopische Aufnahme eines Mikrotomschnitts der Schale (links) und der Oberfolie
(rechts) von Minutensteaks vom Schwein [4]
Bild 2. Mikroskopische Aufnahme eines Mikrotomschnitts der Schale (links) und der Oberfolie
(rechts) von Hinterkochschinken [4]
Die Kohlenstoffdioxidkonzentrationen in den Packungen variierten hingegen von Produktgruppe zu Produktgruppe deutlich. Aufgrund seines bakterio
statischen Effekts trägt Kohlenstoffdioxid zur Hemmung des mikrobiellen
Wachstums bei. Bei Wurstwaren wurden
Kohlenstoffdioxidkonzentrationen von
15 bis 25 Vol.-% gemessen. Backwaren
wurden mit weit höheren Kohlenstoffdioxidkonzentrationen (> 50 Vol.-%) beaufschlagt, da hier ein erhöhtes Risiko für
Schimmelpilzwachstum besteht. Bei
Cashew-Nüssen und den Kartoffel-Sticks
wurde kein Kohlenstoffdioxid im
Kopfraum nachgewiesen. Da es sich bei
ihnen um trockene Produkte mit niedriger Gleichgewichtsfeuchte handelt, sind
sie weit weniger mikrobiell gefährdet
und eine Behandlung mit Kohlenstoff
dioxid ist unnötig.
Sauerstoffpermeabilitäten differieren
Besonderes Augenmerk wurde bei den
Untersuchungen auf die Sauerstoffpermeabilität des Packstoffs gelegt. Bei zweiteiligen Verpackungen wurde besonders
auf die Unterschiede beider Teile der Packungen geachtet. Die Ergebnisse zeigt
Tabelle 2 [4].
Wie erwartet, ist die Sauerstoffpermeabilität der Verpackungen für MAP-Anwendungen gering. Eine Ausnahme besteht bei Obst und Gemüse. Dort ist eine
hohe Sauerstoffpermeabilität notwendig.
Ein unerwartetes Ergebnis war der deutliche Unterschied der Sauerstoffpermeabilität beider Teile bei zweiteiligen Verpackungen. Die Sauerstoffpermeabilität der
Schalen war bei einigen Proben um ein
bis zwei Zehnerpotenzen größer als bei
den Deckelfolien. Die Unterschiede verkleinern sich unter realen Bedingungen,
wenn als Barrierepolymer im Deckel
EVOH (Ethylenvinylalkohol-Copolymer)
eingesetzt wird. EVOH weist bei hoher relativer Feuchte, wie sie in Packungen mit
feuchten Produkten vorkommt, eine erhöhte Sauerstoffpermeabilität auf. Die
Sauerstoffpermeabilität wurde bei 50 %
relativer Feuchte gemessen, also bei einer
geringeren relativen Feuchte wie sie im
Anwendungsfall auftritt. Trotzdem erlauben die Ergebnisse die Feststellung, dass
Sauerstoffpermeabilitäten beider Teile
der Verpackung häufig stark differieren.
Dieses Ergebnis lässt zwei Interpretationen zu:
WW Die Deckelfolie ist in einigen Fällen
deutlich überdimensioniert. Es besteht demnach Einsparpotenzial »
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SPECIAL VERPACKEN MIT KUNSTSTOFFEN Lebensmittelverpackungen
durch dünnere Barriereschichten oder
alternative Folien.
WW Die höhere Sauerstoffpermeabilität
der Schale ist eine Schwachstelle, die
oxidativen Verderb und aerobes Mikro
organismenwachstum fördert.
Schichtstruktur und Materialien
Um das Optimierungspotenzial bei Verpackungen bewerten zu können, ist es
notwendig, die Schichtstruktur und die
eingesetzten Materialien zu kennen. Bei
den Verpackungen handelte es sich meist
um Mehrschichtverbunde, bei denen unterschiedliche Polymere eingesetzt wurden (Tabelle 2) [4]. Die Einzelschichtdicken
betrugen zwischen 3 und 275 µm.
Das Barrierepolymer EVOH wird häufig wegen seiner geringen Sauerstoffpermeabilität bei MAP-Verpackungen
für sauerstoffempfindliche Produkte und
Frischfleisch eingesetzt. Wegen ihrer guten Siegeleigenschaften kommen Poly
ethylen (PE) und Polypropylen (PP) als
Siegelschicht in Frage. Polyethylen
thereph
thalat (PET) sowie Polyamid
(PA) erhöhen die Festigkeit und die Sta-
Die Autoren
Dipl.-Ing. Doris Gibis ist seit 2008 wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und
Verpackung IVV, Freising.
Dipl.-Ing. (FH) Sven Sängerlaub ist seit
2004 wissenschaftlicher Mitarbeiter am
Fraunhofer IVV und betreut das Geschäftsfeld Funktionsmaterialien.
Prof. Dr.-Ing. Kajetan Müller ist seit
2004 wissenschaftlicher Mitarbeiter am
Fraunhofer IVV und seit 2013 Professor an
der Hochschule Kempten mit den
Schwerpunkten Produktions- und Abfülltechnologie in der Lebensmittelindustrie,
Haltbarmachen von Lebensmitteln und
Mathematik.
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bilität der Packung. Zusätzlich weisen
sie eine mittlere Barriere gegenüber
Sauerstoff auf.
Bild 1 zeigt den Schichtaufbau einer
typischen Fleischverpackung (Minuten
steaks vom Schwein). Die Verpackungsschale bestand aus einer dicken PPSchicht (257 µm). Die hohe Sauerstoffpermeabilität des eingesetzten PP erklärt die
hohe Sauerstoffpermeabilität der Schale
mit 8,5 cm3 O2 (STP) (Packung∙Tag∙bar)-1
(Tabelle 2). Als Deckelfolie wurde ein
5-Schicht-Verbund mit integrierter Barriereschicht (EVOH) eingesetzt. Diese zeigte
im Vergleich zur Schale eine deutlich geringere Sauerstoffpermeabilität von
0,1 cm3 O2 (STP) (Packung∙Tag∙bar)-1.
Bild 2 demonstriert den Schichtaufbau von Verpackungen für Kochschinken. Die Sauerstoffpermeabilität der
Schale ist mit 12,5 cm3 O 2 (STP) (Packung∙Tag∙bar)-1 deutlich größer als die des De-
Produkt
ckels mit 0,2 cm3 O 2 (STP) (Packung∙Tag∙bar)-1. Bei der DSC- und IR-Analyse konnte das Barrierepolymer EVOH nicht nachgewiesen werden. Die Folie war weder
metallisiert noch mit einer Aluminiumfolie ausgerüstet. Deshalb ist es naheliegend, dass die Sauerstoffbarriere durch
eine aufgedampfte Siliziumoxidschicht
erzeugt wurde und diese Folie anschließend gegen eine PE-Folie kaschiert wurde. Aufgedampfte Siliziumoxidschichten
können nicht über DSC- und IR-Analyse
identifiziert werden. Sie werden analog
ebenfalls bei den Verpackungen für Tortellini (Beutel), Baguettebrötchen (Deckel), Käseaufschnitt (Deckel) und Salatcup (Deckel) vermutet. Aufgedampfte
Siliziumoxidschichten können durch
elektronenmikroskopische
Untersuchungen identifiziert werden. Die Messungen wurden jedoch im Rahmen dieser Studie nicht durchgeführt.
»
O2 [Vol.-%]
CO2 [Vol.-%]
N2 [Vol.-%]
Teigwaren
Nudeln
1,2 ± 0,6
19 ± 1
80 ± 2
Eierspätzle
0,1 ± 0,1
36 ± 1
64 ± 1
Dampfnudeln
0,7 ± 0,1
29 ± 1
70 ± 1
Tortellini
0,5 ± 0,2
31 ± 1
69 ± 1
Backwaren
Toastbrötchen (Weizen)
< 0,1
78 ± 1
23 ± 1
Baguettebrötchen
0,6 ± 0,4
77 ± 2
23 ± 1
Kräuterbutterbaguette
6,6 ± 0,5
55 ± 2
38 ± 2
Wurstwaren
Hinterkochschinken
0,5 ± 0,1
23 ± 1
77 ± 1
Teewurst
0,4 ± 0,4
15 ± 3
85 ± 3
Mini Cabanossi
< 0,1
18 ± 1
82 ± 1
Salami
< 0,1
21 ± 1
79 ± 1
Frischfleisch
Rinderhackfleisch
75 ± 1
18 ± 2
7±2
Minutensteaks (Schwein)
75 ± 2
19 ± 1
6±1
Hähnchenbrustfilet
72 ± 1
15 ± 1
13 ± 1
Fisch
Stremellachs, geräuchert
< 0,1
15 ± 2
85 ± 2
Garnelen
0,9 ± 0,1
54 ± 1
45 ± 1
Käse
Käseaufschnitt
< 0,1
31 ± 1
69 ± 1
Gouda
0,1 ± 0,1
22 ± 1
78 ± 1
Salat
Salatcup
< 0,1
23 ± 1
77 ± 1
Salat Mix (Beutel)
5,5 ± 0,1
13 ± 1
81 ± 1
Snackwaren
Cashew-Nüsse
2,0 ± 0,1
0±0
98 ± 2
Kartoffel-Sticks
6,5 ± 0,1
0±0
94 ± 2
Fertiggerichte
Chicken Nuggets
< 0,1
6±1
94 ± 1
Frikadelle
< 0,1
16 ± 1
84 ± 1
Lasagne
4,9 ± 0,8
10 ± 1
89 ± 1
Sandwich
< 0,1
21 ± 1
79 ± 1
Tabelle 1. Gaszusammensetzung (O2, CO2, N2) im Kopfraum von Packungen mit unterschiedli-
chen Lebensmitteln (Messung direkt nach Kauf im Einzelhandel) [4]
© Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 8/2015
© Carl Hanser Verlag, München. Der Nachdruck, auch auszugsweise, ist nicht gestattet und muss beim Verlag gesondert beauftragt werden.
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SPECIAL VERPACKEN MIT KUNSTSTOFFEN Lebensmittelverpackungen
Potenziale für Optimierung
Die Analyse der Sauerstoffpermeabilität
zeigt, dass die Schalen häufig eine deutlich größere Sauerstoffpermeabilität aufweisen als die Deckelfolien. Falls die Qua-
Produkt
mers EVOH oder die Anwendung alternativer Folien, z. B. aus PET. Hierbei lassen
sich gegebenenfalls Kosten reduzieren.
Weist das Produkt bei Verzehr Qualitätsmängel auf, kann die Ursache die überproportional hohe Sauerstoffpermeabili-
lität der Produkte bei Verzehr keine Mängel aufweist, kann daraus der Schluss gezogen werden, dass ein Teil der Verpackung (Deckel) überdimensioniert ist.
Damit besteht Potenzial für die Reduzierung der Schichtdicke des Barrierepoly-
S1
D [µm] S 2
D [µm] S 3
D [µm] S 4
Deckel
PET
10
PE
20
3
Boden
PA
14
PE
31
Beutel
PET
12
PE
56
D [µm] S 5
D [µm] S 6
Sauerstoffpermeabilität/
D [µm] [cm3 O2 (STP)
(Packung∙Tag∙bar)-1]
Teigwaren
Dampfnudeln
Tortellini
EVOH
PE
28
0,1
2,6
0,4
Backwaren
Baguettebrötchen
Kräuterbutterbaguette
Deckel
PP
29
PE
16
PE
24
Boden
PP
30
PE/PP
10
PA
28
EVOH
6
0,1
Beutel
PA
15
PE
22
EVOH
8
PE
17
PA
23
PE
42
0,1
0,1
Wurstwaren
Hinterkoch
schinken
Salami
Deckel
PP
35
HV ?
8
Boden
PET
259
PE
40
PE
21
HV ?
3
PE
35
0,2
12,5
Deckel
PA
17
PET
245
Boden
PET
204
PE
30
PE
44
0,1
Deckel
PET
12
PP
20
Boden
PP
257
Deckel
PET
12
Boden
PP
149
Deckel
PA
13
PE
18
Boden
PET
272
PE
24
Deckel
PP
20
PE/PP
11
Boden
PET
248
PE
26
Deckel
PET
25
PE
72
1,3
Boden
PET
162
PE
30
5,2
Beutel
PET
12
PA
29
0,31)
Frischfleisch
Minutensteaks
(Schwein)
Hähnchenbrustfilet
EVOH
5
PE
22
0,1
8,51)
PE
13
EVOH
4
PP
16
0,1
14,81)
Fisch
Stremellachs,
geräuchert
Garnelen
EVOH
8
PE
24
EVOH
6
PE
15
0,02
0,11)
0,07
0,11)
Käse
Käseaufschnitt
Gouda
EVOH
6
PE
29
0,2
Salat
Salatcup
Deckel
PET
12
Boden
PP
216
PE
37
Cashew-Nüsse
Beutel
PET
11
PET
11
Kartoffel-Sticks
Beutel
PP
20
PP
14
Chicken Nuggets Deckel
PA
13
PET
26
PET
206
2,4
19,5
Snackwaren
PE
41
PE
22
PE
21
2,5
2,5
Fertiggerichte
Boden
Sandwich
0,1
0,2
Deckel
PA
9
PE
39
0,5
Boden
PET
237
PE
29
0,11)
Vergleich
PP, 100 µm
520-800
PP-BO, 100 µm
250
PE-LD, 100 µm
2000-2200
PET, 100 µm
15-20
PA6, 100 µm
4-10
EVOH, 100 µm
0,05-0,5
Tabelle 2. Überblick über den Schichtaufbau einzelner Verpackungsmaterialien (links: Außenseite, rechts: Innenseite; S: Schicht, D: Dicke; 1): berech-
nete Werte; Messbedingungen: 23°C, 50 % rel. F.) [4]
© Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 8/2015
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Lebensmittelverpackungen VERPACKEN MIT KUNSTSTOFFEN
100
%
80
60
Gasanteil
Gasanteil
100
%
80
O2-Gehalt
CO2-Gehalt
N2-Gehalt
40
O2-Gehalt
CO2-Gehalt
N2-Gehalt
40
20
20
0
60
0
1
2
3
Lagerdauer
4
5
d
6
0
0
10
20
© Kunststoffe
Bild 3. Gaszusammensetzung von Packungen mit Frischfleisch als
Funktion der Zeit (Lagertemperatur: 5°C) [4]
tät der Schale sein. Sie sollte in diesem Fall
durch eine Schale mit geringerer Sauerstoffpermeabilität ersetzt werden.
Hilfreich ist die Betrachtung der Gaszusammensetzung in den Packungen als
Funktion der Zeit. Bild 3 zeigt den Verlauf
bei Frischfleisch [4]. Dort ändert sich die
Gaszusammensetzung innerhalb des
MHD kaum. Hinzu kommt, dass Umschlag
und Verzehr der Produkte meist direkt
bzw. wenige Tage nach der Erzeugung
stattfinden. Daher sind dort Packmittel
mit besonders niedriger Sauerstoffpermeabilität nicht notwendig. Dieses Ergebnis stützt die Annahme, dass die Deckel in Bezug auf die Sauerstoffbarriere
überdimensioniert sind.
Anders verhält es sich bei Kartoffel-Sticks. Dort steigt die Sauerstoffkonzentration kontinuierlich an und die Stickstoffkonzentration sinkt (Bild 4) [4]. Dadurch
wird dieses Produkt durch Sauerstoff gefährdet. Die Mindesthaltbarkeit über mehrere Wochen verlängert die Exposition zu
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50
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Lagerdauer
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80
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100
© Kunststoffe
Bild 4. Gaszusammensetzung von Packungen mit Kartoffel-Sticks als
Funktion der Zeit (Lagertemperatur: 23°C) [4]
Sauerstoff und erhöht die Gefahr eines oxidativen Verderbs. Eine Verpackung mit höherer Sauerstoffbarriere würde in diesem
Fall Abhilfe schaffen. Die Sauerstoffempfindlichkeit des Produkts muss jedoch bekannt sein, um eine valide und fundierte
Aussage über die Eignung des Verpackungsmaterials treffen zu können.
Analyse und Materialwahl
Um Verpackungen zu optimieren, ist es
ratsam, in einem ersten Schritt den Ist-Zustand zu analysieren. Die Gaspermeabilität
der Folien und der Schalen kann im Fraunhofer IVV unter realitätsnahen Bedingungen gemessen werden. Insbesondere
muss bei Einsatz von EVOH auf die relative
Feuchte während der Messung geachtet
werden. Sie kann bei feuchten Gütern nahezu 100 % betragen. Zusätzlich sollte die
Gaspermeabilität der gesamten Packung
gemessen und mit der Summe der Gaspermeabilitäten der Einzelteile verglichen
werden, um mögliche Probleme in der
Siegelnaht zu identifizieren. Um weitere
Schwachstellen zu finden, empfiehlt es
sich, außerdem Lagerversuche mit realen
Packungen durchzuführen und parallel
den Verlauf der Gaszusammensetzung im
Kopfraum zu analysieren.
Zur Auswahl eines geeigneten Verpackungsmaterials sind Lagerversuche in
Packstoffen mit unterschiedlichen Sauerstoffpermeabilitäten sinnvoll. Dieser Lösungsansatz wird in der Praxis häufig genutzt. Ist ein größeres Budget vorhanden,
empfiehlt sich die Bestimmung der Sauerstoffempfindlichkeit eines Lebensmittels. Diese Methode erlaubt eine zielgerichtete Dimensionierung des Packmittels. Ein wichtiger Aspekt bei der Optimierung ist die Zeit zwischen Produktion
und Verzehr der Produkte. Eine grobe
Faustformel besagt, dass die Gaspermeabilität höher sein darf, wenn die prognostizierte Mindesthaltbarkeit kurz ist bzw.
ein schneller Verzehr stattfindet. W
4/14/15 1:08 PM
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