La total quality impone alle imprese alimentari un cambio di rotta sostanziale; e l’imballaggio, che spicca per sempre maggiori funzionalità, viene considerato elemento basilare per l’ulteriore salvaguardia dell’alimento, in vista di sviluppi commerciali. Nuove metodologie di ricerca aprono prospettive molto interessanti.
Domenico Acierno, Luigi Nicolais
Protezione del prodotto, praticità d’uso, sicurezza, costo minore e, non ultimo, aspetto gradevole sono obiettivi non sempre facilmente conciliabili. Se a ciò si aggiunge l’elevata dinamicità del mercato dell’imballaggio alimentare, la continua ricerca di soluzioni innovative è diventata imprescindibile. A questo proposito la ricerca si sta muovendo su due direttrici principali.
La prima (ed è quella che al momento interessa maggiormente l’industria italiana) è la messa a punto di sistemi passivi (come i laminati polimerici o gli accoppiati polimero/alluminio) in termini di sintesi e di processo, al fine di migliorarne le proprietà barriera.
La seconda riguarda invece lo sviluppo di sistemi di confezionamento attivi e la messa a punto di tecniche di progettazione che si basino sull’utilizzo di modelli matematici, grazie ai quali “prevedere” la shelf life del prodotto; sarà proprio questa modalità a interessare l’industria nel prossimo futuro.
Deperibilità sotto controllo
Molti degli studi relativi agli imballaggi attivi sono focalizzati sugli alimenti confezionati sottovuoto o in atmosfera modificata. In particolare, nel confezionamento degli alimenti freschi refrigerati, uno dei principali elementi da tenere sotto controllo è la pressione parziale di ossigeno all’interno della confezione. Infatti, molti dei processi degradativi di tali prodotti (per esempio il viraggio cromatico, il cambiamento di sapore e odore, l’irrancidimento, la perdita di nutrienti, la formazione di muffe) sono strettamente legati alla pressione parziale di ossigeno. Le tecniche tradizionali per rimuovere l’ossigeno dalle confezioni (ovvero l’imballaggio sottovuoto o confezionamento in atmosfera controllata) e per impedirne l’ingresso (utilizzo di polimero con elevate caratteristiche barriera) non sempre risultano in grado di conservare gli alimenti per periodi molto lunghi.
Per ovviare a questo inconveniente, negli ultimi anni diverse aziende hanno sviluppato appositi sistemi assorbenti di ossigeno (oxygen scavengers), disponibili in diversi formati. Alcuni sono venduti in bustine contenenti polveri atossiche di ferro o a base ferrosa in grado di rimuovere il gas per ossidazione ed estendere così la shelf life di prodotto. I principali problemi legati a questo tipo di prodotto sono nei costi elevati, derivanti non solo da quello delle bustine, ma soprattutto da quello di inserimento delle stesse nei contenitori.
Le alternative: film di nuova generazione
Sono disponibili nuovi film di imballaggio che, incorporando direttamente nella struttura polimerica sostanze reagenti con l’ossigeno, sono in grado di assorbire notevoli quantità di gas nel giro di pochissimo tempo (solitamente a distanza di uno o due giorni dalla data di confezionamento). Le due tecnologie più interessanti del momento sono le soluzioni fornite da Amoco e Cryovac che di recente hanno introdotto film plastici economici ed efficaci che offrono prestazioni estremamente funzionali e flessibili.
Polimero assorbitore da Cryovac
Il nuovo sistema Cryovac OS 1000 è rappresentato da un film multistrato contenente un invisibile polimero assorbitore, in grado di adattarsi ai sistemi preesistenti di confezionamento e distribuzione, senza alterare l’estetica dell’imballaggio. Lo strato del film assorbitore di ossigeno consiste essenzialmente di tre componenti principali: un polimero ossidabile, un fotoiniziatore e un catalizzatore. Il fotoiniziatore ha il compito di assorbire la luce ultravioletta e fornire l’energia necessaria per dare luogo alla reazione. In pratica il sistema è ideato in modo tale che il polimero reagente contenuto nel film diventi attivo grazie alla esposizione ai raggi ultravioletti, generati da un apposito sistema di illuminazione posto all’interno del sistema di lavorazione. Oltre ad avere una buona efficacia sugli alimenti refrigerati a base di carne, Cryovac OS I000 sembra particolarmente efficace nel confezionamento di paste fresche, in cui la riduzione dell’ossigeno nello spazio di testa, secondo le osservazioni, ritarda la formazione di muffe fino a 90 giorni.
Rimozione dell’ossigeno da BP Amoco
Anche i concentrati Amosorb di BP Amoco Chemicals vengono incorporati direttamente negli strati interni dei film multistrato di imballaggio durante la coestrusione o laminazione dei materiali. Il risultato è una struttura che non solo rimuove l’iniziale ossigeno posto nello spazio di testa delle confezioni, ma assorbe anche l’ossigeno che permea attraverso la confezione. Al momento esistono 3 serie di concentrati Amosorb: Amosorb 1000 per prodotti sterilizzati e riempiti a caldo; Amosorb 2000 per prodotti non sterilizzati e alimenti refrigerati e Amosorb 3000, compatibile con poliestere, ideale per l’imballaggio di bevande gasate, birra, salse a base di pomodoro, succhi di frutta e tè pronti. I prodotti Amosorb sono disponibili in concentrati a base di PP, PS, PE, PET e resine elastomeriche, che sono termicamente stabili fino a 320 °C e sono attivati dall’umidità. Particolarmente innovativa la versione Amosorb 3000, un copoliestere leggero ma molto resistente, con trasparenza e limpidezza superiori, utile per il confezionamento di numerose categorie di alimenti e bevande particolarmente sensibili all’ossigeno. Garantisce un assorbimento dell’ossigeno traspirante sia dalle pareti della confezione che dallo spazio di testa dell’imballaggio, o da quello dissolto nell’alimento o bevanda o, ancora, emesso dalla plastica del contenitore stesso.
Film con effetto antimicrobico
La ricerca sugli imballaggi attivi punta anche allo sviluppo di film sterili, capaci di un effetto antimicrobico su alimenti e bevande. In linea generale gli approcci all’imballaggio antimicrobico sono di due tipi. Il primo consiste nel legare un reagente (rappresentato da un enzima o da altre proteine antimicrobiche) alla superficie delle confezioni con l’ausilio di una struttura molecolare grande abbastanza per mantenere l’attività microbica sulla parete cellulare anche se intrappolata alla plastica. Il secondo approccio riguarda invece il rilascio di agenti nell’alimento o nella bevanda oppure la rimozione localizzata di un ingrediente alimentare essenziale per la crescita microbica.
• Un interessante esempio di film antimicrobico è fornito dall’azienda giapponese Mitsubishi che basa la propria tecnologia sull’integrazione di particelle di zeolite nella superficie dei laminati a contatto con gli alimenti. La zeolite utilizzata ha la caratteristica di incorporare alcune particelle di argento, le quali tendono a rilasciare ioni di argento quando la soluzione acquosa dal cibo entra nelle cavità esposte della struttura porosa di zeolite. L’acqua filtra le tracce di argento dalle particelle producendo un’elevata attività antimicrobica. Da notare però che l’effetto di questo sistema sembra limitato negli alimenti caratterizzati da un elevato contenuto di aminoacidi capaci di reagire con gli ioni di argento.
• Maxwell Chase Technologies propone invece una nuova tecnologia commercializzata negli Stati Uniti con il nome Fresh-R-Pax, che promette di aiutare a proteggere i consumatori da E.coli e salmonella. Questo sistema sembra infatti in grado di rimuovere gli eventuali microrganismi dagli alimenti (soprattutto verdure di tipo fresh-cut), intrappolandoli nel gel speciale contenuto nella struttura dei tamponi, bustine o vassoi in cui Fresh-R-Pax è disponibile.
• L’Università di Kyungnam (Masan, Corea) ha effettuato uno studio che utilizza film contenenti composti naturali antimicrobici derivati dai semi di pompelmo e che, a quanto pare, riescono a migliorare le performance di film di LDPE usati per il confezionamento di lattuga e germogli di soia. I film utilizzati in questa ricerca, che contenevano l’1% di estratto di seme di pompelmo, hanno dimostrato di avere effetti particolarmente inibitori nei riguardi di E.coli e Staphilococcus aureus.
• Con la crescente diffusione di frutta e verdura prelavata, tagliata e confezionata è cresciuto di pari passo l’interesse verso sistemi di imballaggio in grado di preservare il più a lungo possibile la freschezza e le qualità organolettiche di questi alimenti. In questo ambito uno dei processi naturali per assicurarsi una migliore conservazione di prodotto è rappresentato dall’EMA (Equilibrium Modified Atmosphere), un sistema che consiste nel far bilanciare la permeabilità ai gas del film plastico con il tasso di respirazione dell’insalata o verdura fresca. Ricordiamo che il ritmo di respirazione dell’alimento è un fattore estremamente soggettivo e complesso, perché dipende da diverse variabili come la varietà della specie, la maturità dell’alimento, la quantità di prodotto danneggiato dovuto ad ammaccature, i trattamenti di lavaggio e taglio a cui il prodotto è stato sottoposto e, soprattutto, dalla temperatura circostante che influenza direttamente la permeabilità ai gas dei film plastici.
Film intelligenti
La nuova generazione di film intelligenti è costituita da materiali plastici che modificano le loro proprietà di permeabilità ai gas durante la shelf life di prodotto, adattandosi al tasso di respirazione del contenuto o dell’ambiente che li circonda.
• Ne sono un esempio le nuove membrane super-permeabili all’ossigeno Intellipac prodotte dalla Landec. Il principio attivo delle membrane Intellipac si basa sull’applicazione della tecnologia Intelimer, che permette di modificare le proprietà di permeabilità ai gas della membrana a seconda della temperatura ambientale (caldo o freddo), oltre a dare luogo a una favorevole compensazione per modesti abusi di temperatura. Ciò che rende Intellipac una soluzione davvero interessante è la sua particolare struttura polimerica costituita da un rivestimento applicato a un substrato poroso, che viene poi saldato a caldo come etichetta alla superficie interna della busta. La tecnologia usata nel rivestimento dell’etichetta polimerica è basata sull’utilizzo di polimeri cristallizzabili che hanno degli specifici punti di fusione e forniscono un aumento della permeabilità man mano che la temperatura aumenta. Se il tasso di respirazione cresce e la richiesta di ossigeno aumenta, la permeabilità del contenitore aumenta di pari passo in modo da trasmettere i gas in entrata e in uscita dell’imballaggio più velocemente. Grazie a questo sistema la membrana Intellipac risulta 100 volte più permeabile all’ossigeno di un film in PE e nella maggioranza delle applicazioni fornisce l’85%-90% della respirabilità della busta.
Innovazione delle tecniche di progettazione
La necessità di ridurre il time to market del sistema d’imballaggio ha favorito lo sviluppo di metodologie di progettazione alternative a quelle tradizionali. Tra queste le più promettenti prevedono l’utilizzo di modelli matematici in grado di prevedere la shelf life del prodotto imballato nelle sue reali condizioni di utilizzo. Secondo la metodologia tradizionale, per determinare sia la shelf life del prodotto sia le prestazioni del sistema d’imballaggio, è necessario realizzare l’imballaggio stesso, conservarlo in ambienti che simulino le condizioni reali di conservazione e distribuzione, testando in tempi diversi la qualità del prodotto imballato. Tali test forniscono indicazioni dirette sul tempo di vita, senza però fornire alcuna informazione sul meccanismo responsabile della degradazione dell’alimento. Essi sono rappresentativi di un numero limitato di situazioni nelle quali il prodotto imballato può venirsi a trovare ma possono risultare molto dispendiosi in termini di tempo (e questo è particolarmente vero nel caso di prodotti per i quali si stimano tempi di vita nell’ordine dell’anno). Al contrario, laddove si utilizzino modelli matematici, è possibile ottimizzare il sistema d’imballaggio, simulandone il comportamento e, in questo modo, il tempo richiesto per eseguire le operazioni di “affinamento” si riduce drasticamente.
Modelli empirici per determinare a shelf life
A titolo d’esempio rimandiamo al caso delle “potato chips” ampiamente trattato [1, 2], per le quali si doveva determinare la composizione ottimale dello spazio di testa all’atto del confezionamento, ovviando così alla perdita di qualità (riduzione della croccantezza causata dall’assorbimento di acqua e irrancidimento, dovuto all’ossidazione dei grassi). La qualità delle “potato chips” è pertanto legata a due sotto indici di qualità: il grado di avanzamento della reazione di ossidazione e la quantità di acqua assorbita. Il prodotto diventa inaccettabile qualora uno dei due sottoindici di qualità superi la soglia di accettabilità.
L’ossidazione dei grassi è un fenomeno piuttosto complesso in quanto la velocità con cui esso evolve dipende dalla pressione parziale di acqua e di ossigeno, e dal grado di avanzamento della reazione di ossidazione. Quast e Karel hanno da tempo affrontato tale problematica [1, 2], sviluppando un modello empirico in grado di prevedere la velocità di ossidazione dei grassi. Si tratta di un sistema di 3 equazioni differenziali in 3 incognite, risolvendo il quale, note che siano le condizioni di confezionamento e di conservazione, è possibile prevedere l’evoluzione nel tempo dei due sottoindici di qualità, riuscendo così a prevedere la shelf life dei prodotti.
Le potato chips in genere vengono confezionate utilizzando un laminato, realizzato accoppiando un film di PP biorientato con uno di PP biorientato metallizzato. In questo modo si garantisce la necessaria barriera sia all’ossigeno che all’acqua, inoltre si preserva il prodotto dall’azione della luce che, come noto, catalizza la reazione di ossidazione dei grassi.
Per aumentare la shelf life delle potato chips, esse vengono confezionate in atmosfera protetta, con l’impiego di azoto puro. In questo modo si parte da valori praticamente nulli sia di ossigeno che di acqua.
Va comunque sottolineato che, mentre un aumento della pressione parziale di ossigeno all’atto del confezionamento si traduce sempre in una riduzione della shelf life del prodotto (in quanto la velocità con cui il prodotto irrancidisce aumenta con la pressione parziale di ossigeno), lo stesso non si verifica per la pressione parziale di acqua. Infatti, quest’ultima gioca un duplice ruolo nei confronti della qualità: da un lato un suo aumento provoca la riduzione di croccantezza, dall’altro riduce la velocità di ossidazione dei grassi. Pertanto diviene interessante stabilire in che misura sia possibile aumentare la shelf life del prodotto agendo sull’umidità relativa iniziale.
Il tipo di confezione peso in esame è una busta a cuscino caratterizzata da una superficie di scambio di 400 cm2, da un volume dello spazio di testa di 1.435 cm3 e da una massa di prodotto imballato di 65 g.
In figura 1 sono riportate 3 curve: due rappresentano la shelf life del prodotto in funzione del livello di metallizzazione (a) per due diverse condizioni di confezionamento: a) l’umidità relativa all’atto del confezionamento è costante e pari a 0,1%; b) l’umidità relativa iniziale è quella che garantisce la massima shelf life per il prefissato livello di metallizzazione (RH ottimale). La terza curva rappresenta l’incremento di shelf life che si ottiene imballando in condizioni ottimali di RH rispetto al caso di confezionamento in solo azoto. Come evidente dai dati riportati in figura 1, agendo solo sull’umidità relativa dell’atmosfera dello spazio di testa all’atto del confezionamento è possibile ottenere un miglioramento della shelf life dell’80%. Vale la pena di sottolineare che quando si imballa con solo azoto la curva di shelf life in funzione di a presenta un minimo. Pertanto per valori bassi di a all’aumentare dello spessore dello strato di alluminio, e pertanto dei costi, si ottiene un decremento della shelf life contrariamente a quanto ci si aspetterebbe. Di fatto nelle particolari condizioni di confezionamento e di conservazione utilizzati, il prodotto diventa inaccettabile a causa dell’irrancidimento dei grassi. Pertanto, aumentando lo strato di alluminio si rallenta l’ingresso sia di ossigeno che di acqua. Mentre il primo causa un rallentamento della cinetica di ossidazione, nel secondo caso si ottiene l’effetto opposto. Per il sistema di confezionamento esaminato, si osserva che per bassi valori di a il secondo effetto è preponderante rispetto al primo, mentre per valori elevati di a si verifica il contrario.
Nel caso particolare delle potato chips, con l’approccio alla progettazione del sistema d’imballaggio basato sull’impiego di modelli matematici, è stato possibile ottimizzare una delle variabili, ovvero l’umidità relativa iniziale. Agendo solamente su tale variabile, senza cioè variare sia il materiale sia la tecnica d’imballaggio, è stato possibile ottenere un miglioramento consistente della shelf life, pari all’80% circa.
Domenico Acierno, Luigi Nicolais
Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione, Università degli Studi di Napoli “Federico Il”, P.le Tecchio, 80 - 80125 Napoli
Bibliografia
[1] D.G. Quast, M. Karel and W.M.Rand, “Development of a Mathematical Model for Oxidation of Potato Chips as a Function of Oxygen Pressure, Extent of Oxidation, and Equilibrium Relative Humidity”, J. Food Sci., 37, 673 (1972)
[2] D.G. Quast and M. Karel, “Computer Simulation of Storage Life of Foods Undergoing Spoilage by Two Interacting Mechanisms”, J. Food Sci., 37, 679, (1972)
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From the process to the product
Total quality imposes on food producers the need for a considerable change in direction; and packaging, of importance for its increasing number of functions, is now considered a basic element for extended protection of the food in view of further commercial developments. New research methods open up some very interesting prospects.
Product protection, ease of use, safety, low cost and, last but not least, good appearance are objectives that aren’t always easy to reconcile in one product. If one then adds the marked dynamism of the food packaging industry, constant research into innovative solutions has now become a must. Indeed, research is currently moving in two main directions.
The first (and this is the area that most affects the Italian market at present) is the development of passive systems (such as polymer laminates or polymer/aluminium laminates) in terms of synthesis and process, with the aim of improving their barrier properties.
The second concerns the development of active packing systems and the finalising of design techniques based on the use of mathematical models, thanks to which it’s now possible to “predict” the product’s shelf life. Indeed, this is destined to interest the entire industry in the near future.
Spoilage under control
Many of the studies into active packaging are focused on vacuum-packed foods or those in a modified atmosphere. In particular, one of the main elements that needs to be kept under control when packing chilled fresh food is the partial pressure of oxygen within the pack. In fact, many of the processes leading to the food going off (for instance, color change, altered taste and smell, fats becoming rancid, the loss of nutrients, the formation of mould) are closely linked to the partial pressure of oxygen. Conventional techniques for removing the oxygen from the packs (i.e., vacuum-packing, or packing the food in controlled atmospheres) and preventing the gas from entry (the use of polymer with high barrier properties) aren’t always successful in preserving the food for particularly long periods.
To get around this problem, in recent years several companies have developed special oxygen absorption systems (the so-called oxygen scavengers), available in various formats. Some are sold as bags containing non-toxic iron or ferrous-based powders capable of removing the gas through oxidation and thus extending the product’s shelf life. The main problem here is the high cost, deriving not just from the cost of the bag itself, but also - and especially - from the cost of inserting these in the containers.
The alternatives: new generation films
Several new packaging films are now available that are capable of absorbing significant amounts of gas within very short periods (usually within the space of one or two days from the date of packing) by incorporating oxygen-reactive substances directly in the polymer structure. At present, the two most interesting technologies are the solutions offered by Amoco and Cryovac who have recently introduced some low-cost, efficient plastic films offering extremely functional and flexible performance.
Scavenger polymer from Cryovac
The new Cryovac OS 1000 system consists of a multilayer film containing an invisible scavenger polymer that can adapt itself to the existing packing and distribution systems without actually altering the look of the packaging. The layer of oxygen scavenger film basically consists of three main components: an oxidizable polymer, a photo-initiator and a catalyst. The photo-initiator has the task of absorbing the ultraviolet light and supplying the energy needed for the reaction to take place. In practice, the system has been developed so that the oxygen-reactive polymer in the film is triggered into action thanks to exposure to UV rays, generated by a special lighting system inside the processing system. In addition to offering good levels of efficacy for chilled meat-based products, Cryovac OS 1000 appears to be particularly effective in packing fresh pasta, where - according to their findings - the reduction of oxygen in the head space slows down the formation of mould for up to 90 days.
Removal of the oxygen from BP Amoco
The Amosorb concentrates from BP Amoco Chemicals are also directly incorporated in the internal layers of the multilayer packaging film during the coextrusion or lamination of the materials. The result is a structure that not only manages to remove the initial oxygen in the head space in the packs, but also absorbs the oxygen that permeates through into the pack. At the moment there are 3 series of Amosorb concentrates: Amosorb 1000 for sterilised, hot-filled products; Amosorb 2000 for non-sterilised products and chilled foods and Amosorb 3000, polyester-compatible, ideal for the packaging of fizzy drinks, beer, tomato-based sauces, fruit juices and tea drinks. The Amosorb products come in PP, PS, PE, PET and elastomer resin based concentrates, are heat stable up to 320 °C and are activated by moisture. The Amosorb 3000 version is especially innovative: this is a light yet very strong copolyester with superior transparency and purity, useful for packing numerous categories of food and drinks that are specially sensitive to oxygen. It guarantees absorption of the oxygen penetrating through the walls of the pack and that in the head space, as well as that dissolved in the food or drink and even the oxygen emitted by the plastic used for the container.
Films with antimicrobial effect
Research into active packaging is also looking at the development of sterile films capable of producing an antimicrobial effect for food and drinks. There are two basic approaches to antimicrobial packaging. The first consists in binding a reactant (this can be an enzyme or other form of antimicrobial protein) to the surface of the packs with the aid of a molecular structure that’s large enough to maintain the microbial activity on the cell walls even if trapped in the plastic. The second approach involves the release of agents in the food or drink or the localised removal of an essential nutritional ingredient for the growth of the microbes.
• An interesting example of an antimicrobial film comes from Mitsubishi of Japan. This bases its technology on the integration of particles of zeolite in the surface of the laminates coming into contact with the food. The zeolite used has the property of incorporating certain silver particles that tend to release silver ions when the water solution of the food enters the exposed cavities in zeolite’s porous structure. The water filters the traces of silver from the particles, thus producing intensive antimicrobial activity. However, it should be noted that the effect of this system is limited to foods with a high content of amino acids capable of reacting with the silver ions.
• Maxwell Chase Technologies, meanwhile, offers a new technology that’s already on the market in the USA under the name Fresh-R-Pax. This promises to help protect consumers from E.coli and salmonella. In fact, this system would appear to be able remove micro-organisms in food (especially fresh-cut vegetables), trapping them in the special gel contained in the structure of the pads, bags or trays containing the Fresh-R-Pax.
• The University of Kyungnam (Masan, Korea) has conducted a study using films containing naturally occurring antimicrobial compounds derived from grapefruit seeds and - so it would appear - manage to improve the performance of LDPE films used to pack lettuce and bean sprouts. The films used in this research project, which contained 1% grapefruit seed extract, have been found to have particularly good inhibition effects on E.coli and Staphylococcus aureus.
• With the growing popularity of pre-washed, cut and packed fruit and vegetables, interest in packaging systems capable of preserving the freshness, taste and appearance of these foods for as long as possible is growing at an equal rate. In this context, EMA (Equilibrium Modified Atmosphere) is one of the natural processes to guarantee better preservation of the products. EMA consists in balancing the gas permeability of the plastic film with the rate of respiration of the salad product or fresh vegetable. Note that the rhythm of respiration of the food is an extremely subjective and complex factor as it depends on several different variables such as the variety of the species, the maturity of the food, the proportion of the product that’s been damaged by bruising, the washing and cutting treatment used and, above all, the surrounding temperature, which has a direct influence on the gas permeability of the plastic films.
Intelligent films
The new generation of intelligent films consists of plastic materials that can modify their gas permeability during the shelf life of the product, adapting to the respiration rate of the contents or the immediate environment.
• A good example of this are the new Intellipac super-permeable to oxygen membranes from Landec. The active principle in the Intellipac films is based on the application of Intelimer technology, which makes it possible to modify the gas permeability properties of the film depending on the room temperature (hot or cold), plus allowing for favourable compensation for small deviations in temperature. What makes Intellipac a really interesting solution is its special polymer structure that consists of a lining applied to a porous substratum that’s then heat sealed like a label to the inside of the bag. The technology used in the polymer label lining is based on the use of crystallising polymers with specific melting points, supplying a gradual increase in permeability as the temperature rises. If the respiration rate grows and the request for oxygen increases, the permeability of the container also increases at the same rate in order to speed up the transfer of the gases entering and exiting the pack. Thanks to this system, the Intellipac membrane is 100 times more permeable to oxygen than a normal PE film and in most applications it provides 85%-90% of the respiring properties of the bag.
Innovation in design techniques
The need to reduce the time to market of the packaging system has favoured the development of alternative design methods to the conventional ones. The most promising of these involve the use of mathematical models capable of predicting the shelf life of the packaged product in its real conditions of use. If using conventional methods, in order to determine both the shelf life of the product and the performance of the packaging system, one has first to produce the actual packaging, store it in environmental conditions that simulate the real storage and distribution conditions and then test the quality of the packed product at set intervals. These tests provide direct indications as the shelf life of the product, but fail to provide any information on the mechanisms responsible for food spoilage. They are representative of a limited number of situations that the packaged product may face, but can be very costly in terms of time (and this is particularly true in the case of products where the normal shelf life is expected to be roughly a year). On the other hand, when mathematical models are used, one can optimise the packaging system by simulating its behaviour and so the actual time needed to carry out the “refining” operations is drastically cut.
Empirical models to determine shelf life
As an example, let’s consider the case of potato chips dealt with in detail [1, 2]. Here it was necessary to determine the best composition of the head space on packaging the chips in order to avoid the drop in quality (a reduction in crispness due to absorption of water and the chips becoming rancid as a result of the oxidisation of the fats). The quality of the potato chips is thus linked to two sub-indices of quality: the state of progress in the oxidation reaction and the amount of absorbed water. The product becomes unacceptable when one of the two sub-indices of quality exceeds the relevant acceptability thresholds.
The oxidation of the fats is a pretty complex phenomenon as the speed at which this evolves depends on the partial pressure of the water and oxygen and the state of progress of the oxidation reaction itself. Quast and Karel have been considering this problem for some time now [1, 2] and have developed an empirical model capable of predicting the speed of oxidation of the fats. This is a system with 3 differential equations with 3 unknowns, on resolving which, knowing the packaging and preservation conditions, it’s thus possible to predict the evolution over time of the two sub-indices of quality and so manage to predict the actual shelf life of the products.
As a general rule, potato chips are packed in a laminate bag, produced by laminating a bioriented PP film with a bioriented metalised PP film. This system guarantees the necessary barrier to both oxygen and moisture, plus protecting the product from the action of light which, as is known, acts as a catalyst for the fat oxidation reaction.
In order to increase the shelf life of the potato chips, these are packed in a protected atmosphere using pure nitrogen. This means that one starts with values of practically zero oxygen and zero moisture.
It should, however, be stressed that while an increase in the partial pressure of oxygen at the moment of packing always leads to a reduction in the shelf life of the product (as the speed at which the product turns rancid increases with the partial pressure of the oxygen), the same does not occur in the case of the partial pressure of water. In fact, this affects quality in two ways: on the one hand, its increase provokes a drop in the crispness of the chips, while on the other it reduces the speed of oxidisation of the fats. It’s therefore interesting to establish just how one can increase the shelf life of the product by adjusting the initial relative humidity.
The type of pack in question is a cushion bag with an exchange surface of 400 cm2, head space of 1,435 cm3 and a mass of packed product equal to 65 g.
Figure 1 shows 3 curves: two represent the shelf life of the product as a function of the level of metalisation (a) for two different conditions of packing: a) the relative humidity at the moment of packing is constant and equal to 0.1%; b) the initial relative humidity is that required to guarantee the max shelf life for the prefixed level of metalisation (optimal RH). The third curve shows the increase in the shelf life obtained by packing the product under optimal RH conditions compared to packing with pure nitrogen only. As can be seen from the data in figure 1, by adjusting only the relative humidity in the atmosphere of the head space at the moment of packing, one can obtain an 80% improvement in the shelf life. It’s worth pointing out that when products are packed using only nitrogen, the curve for the shelf life as a function of a has a minimum. Thus, with low values of a, when one increases the thickness of the aluminium layer (and thus the cost), there’s a drop in the shelf life, the exact opposite of what one would have expected. Indeed, under the special conditions of packing and preservation normally used, the product becomes unacceptable due to the fats becoming rancid. Therefore, the thicker the layer of aluminium, the slower the entry of both oxygen and water. While the former substance causes a slowdown in the oxidation process, the latter has the opposite effect. In the packing system under consideration, one finds that with low values of a, the second effect is predominant over the former, while the opposite is true with high values of a.
In the particular case of potato chips, with the approach to the design of the packaging system based on the use of mathematical models, it’s been possible to optimise one of the variables, i.e. initial relative humidity. By acting only on this variable, in other words without varying either the material or the packaging technique, one can get a consistent improvement in the shelf life, equal to about 80%.
Domenico Acierno, Luigi Nicolais
Department of Material and Production Engineering, “Federico II” University of Naples, Piazzale Tecchio, 80 - 80125 Naples, Italy
Bibliography
[1] D.G. Quast, M. Karel and W.M.Rand, “Development of a Mathematical Model for Oxidation of Potato Chips as a Function of Oxygen Pressure, Extent of Oxidation, and Equilibrium Relative Humidity”, J. Food Sci., 37, 673 (1972)
[2] D.G. Quast and M. Karel, “Computer Simulation of Storage Life of Foods Undergoing Spoilage by Two Interacting Mechanisms”, J. Food Sci., 37, 679, (1972)
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