Выберите ваш город
Или укажите в поле

Продукт, к барьеру!

25 Сентября 2012
Продукт, к барьеру!

Техническое проектирование упаковки должно проводиться только после изучения продукта

Упаковочные материалы с защитой от света, влаги, кислорода и химических веществ являются предметом новых разработок.

 

Упаковка часто оказывается объектом злословия. Но эффективная упаковка, способная предотвратить разрушение продукта, особенно пищевого, может принести настоящую пользу обществу. Упаковка позволяет эффективно использовать пищевые продукты и другие товары через большой промежуток времени после того, как они были изготовлены. Главное преимущество упаковки для общества — это ее барьерные свойства, защищающие упакованный продукт.

В то время как избыточная упаковка может рассматриваться как расточительное использование материалов, недостаточная может приводить к потерям пищевых продуктов. И эти потери значительно больше. Разумеется, упаковка дает и другие преимущества продавцам и потребителям, такие как возможность видеть продукт, простота идентификации содержимого, удобство в использовании, экономия энергии в результате сокращения веса и пр. Конструирование упаковки с барьерными свойствами может и должно рассматриваться как объект технического проектирования.

В статье о проектировании упаковки, написанной Элдриджем М. Маунтом (Eldridge M. Mount), президентом EMMOUNT Technologies LLC, который имеет тридцатилетний опыт работы в области экструзии и ориентирования полипропиленовых и полиэфирных пленок в фирмах ExxonMobil Chemical и ICI Americas Film Divs, автор останавливается на барьерных свойствах упаковки.

Барьерная упаковка — это тема, которая всегда будет вызывать интерес и которую постоянно нужно усовершенствовать. Это происходит потому, что барьерные свойства упаковки связаны с одной из самых важных и ценных характеристик упакованного продукта — сроком его годности.

Срок годности упакованных продуктов определяется свойствами упаковки, ее целостностью, условиями в которых она хранится и свойствами самого упакованного продукта. Следовательно, термин «барьерная» является очень широким и должен определяться для каждой ситуации.

 

Что должна делать барьерная упаковка?

 

Элдридж М. Маунт отмечает, что рассматриваемая упаковка имеет одну главную способность — «быть как следует закрытой»: это первый барьер, которым должна обладать упаковка для защиты от воровства, паразитов, плесени и бактерий. Без надежного закрытия упаковки остальные барьерные свойства не имеют большого смысла.

Упаковочные материалы постоянно совершенствуются. Например, даже в стальном контейнере с навинчивающейся крышкой между резьбой крышки будет меньше герметичности, чем в стальных стенках контейнера. Следовательно, способ закрывания контейнера путем применения крышки с резьбой ограничивает защитные свойства контейнера. Поэтому запаянные стальные банки стали настоящим революционным прорывом.

 

Жестяные банки продлевают срок хранения консервированных продуктов

 

Всегда существует вопрос, что является наилучшим барьером для данной упаковки. Но первым вопросом, на который должен ответить инженер, является: «Каков необходимый барьер для требуемого срока годности продукта?». Этот вопрос легко задать, но на него сложно ответить. Единственный путь поиска ответа — это знать то, что приводит продукт, который надо упаковать, в негодность. Это знание является ключевым фактором, необходимым для технического проектирования эффективной защитной упаковки.

Существует много примеров. В последние десять лет грейпфруты, мускусные дыни, бананы и т. п. упаковывают по отдельности в термоусадочную пленку. Такая форма упаковки может стать решением описанной в старинной пословице ситуации об одном гнилом яблоке, которое портит всю бочку. В этом примере упаковка обеспечивает барьер от плесени, не давая ее спорам из зараженного фрукта распространиться на другие. Это эффективный барьер, необходимый для такого типичного случая.

Когда говорят о барьерных свойствах упаковки, чаще всего имеют в виду защиту от влажности и попадания кислорода. Иногда речь идет о барьере для света или барьере для запаха и вкуса [1], и действительно, эти четыре барьерных свойства (защита от света, влаги, кислорода и химических веществ) являются предметом новых разработок в проектировании упаковочных материалов.

 

На данном фото видно, что помело упаковано в термоусодочную пленку, и сверху обтянута сеткой с этикеткой, которая служит ручкой для переноски

 

В этом случае главный вопрос — «Каков правильный порядок барьерной защиты данного продукта?».

Ответ на него определяется информацией о факторах, приводящих продукт в негодность, которую (информацию) получают в ходе испытаний для установления срока годности или в процессе измерений химических изменений продукта во время его хранения. Блекнет ли цвет продукта, тускнеет ли его поверхность, портится ли он, высыхает ли этот продукт или впитывает воду, выделяет он или впитывает органические пары, и каково это воздействие на сам продукт? Исследования подобного характера можно найти в литературе по физике, химии и науке о пищевых продуктах. Без этих знаний мы не сможем спроектировать упаковку.

 

Определение барьерных свойств упаковки

 

Говоря в общем и целом, если вы упаковываете органический материал, свет быстро испортит его по причине, прежде всего, ультрафиолетового излучения.

По мнению автора статьи, барьерные свойства по отношению к свету следует рассматривать в первую очередь. Значит, инженер должен задаться вопросом, какой уровень барьера по отношению к свету требуется: 96%-ная светопроницаемость (прозрачная пленка), 50%-ная светопроницаемость (тонированная пленка), 30%-ная проницаемость (непрозрачные или пигментированные пленки) или 1—2 % светопроницаемости (металлизированные пленки).

 

Рисунок 1. График интенсивности красного цвета продукции по отношению ко времени воздействия нормального света.

 

 

Определившись с барьером в отношении света, нужно понять, какая степень защиты будет от влаги и кислорода. Потеря или увеличение содержания влаги приводит к потере свежести продукта, в избыток кислорода ведет к химическому окислению (или для жиров и масел — к прогорканию).

После того как инженер определится со степенью барьерных свойств будущей упаковки, он может подобрать нужные материалы и технологии для придания упаковочному материалу барьерных свойств, чтобы создать эффективную упаковку.

 

Проектирование упаковки с барьерными свойствами

 

Во-первых, что за продукт, и каков срок его годности? Как долго он должен выставляться в магазине и оставаться свежим? Заказчик говорит, что в упаковке должно быть 227 г, а нормальное время нахождения продукта в цепи поставок составляет 120 дней.

 

Таким образом, упаковка должна содержать 227 г (1/2 фунта) продукта в течение 120 дней, то есть срок годности должен составить 120 дней.

 

Каков должен быть размер пакета? Двести двадцать семь грамм продукта, готового к упаковке, занимают объем 300 куб. см (10 см x 15 см x 2 см). Значит, без учета области сваривания длина упаковки составит 20 см с длиной по окружности более 24 см. (Скажем, приблизительно 28 см, поскольку продукт упаковывается не слишком плотно, добавьте еще 1—1,5 см на задний шов с нахлестом.) Это дает поверхность запечатанной упаковки площадью 560 кв.см.

 

Продукт ярко-красный и содержит 0,74 г витамина C [2], который чувствителен к воздействию света и кислорода, но красный цвет не блекнет до 200 дней (см. Рис. 1). Витамин C придает продукту его вкус и является активным ингредиентом действия продукта, значит, его необходимо защитить от окисления. Если содержание витамина С падает до 0,6 г, это уже за рамками спецификации. Продукт влажный, он содержит 8% воды (18,16 г), и если влажность упадет до 6% (потеря около 4,54 г воды), его нельзя использовать.

 

Витамин C чувствителен к воздействию света и кислорода, но красный цвет не блекнет до 200 дней

 

 

Теперь нужно сделать два примечания: 1) красный цвет защищает витамин C от фотоокисления и 2) каждая молекула кислорода внутри упаковки немедленно вступит в реакцию с витамином С при попадании внутрь упаковки. В этом случае потеря витамина С мажет быть вызвана окислением от атмосферного воздуха. Можно посчитать, что изменение содержания витамина С с 0,74 г до 0,60 г требует проникновения 0,00079 моля кислорода в упаковке, или по закону состояния идеального газа 17,71 кубических сантиметров кислорода. Однако объем упаковки (~400 куб.см при объеме продукта 300 куб.см) уже будет содержать около 20 куб.см кислорода, поэтому, вероятно, нам нужно будет делать упаковку в газовой среде [3]. Сейчас известно, что для этой упаковки не нужен барьер, защищающий от света и нужен газ, чтобы предотвратить потери витамина С от окисления. Теперь можно рассчитать барьерные свойства, которые нужны нам в прозрачной пленке для обеспечения срока годности 120 дней:

 

Барьер против влажности = г/100 кв. дюймов/день = (потеря влаги в г)/[площадь упаковки * срок годности]

Скорость миграции влаги (WVTR)= 4,54/(5,60 * 120) = 0,006756 г/100 кв. дюйм/ день = 0,105 г/кв. м/день

Кислородный барьер = куб. см/100 кв. дюйм/день = (увеличение кислорода в куб. см)/ [площадь упаковки * срок годности]

Кислородный барьер = куб. см/100 кв. дюйм/день = (17,71)/[5,6 * 120] = 0.0256 куб.см/100 кв.дюйм./день = 0,396 куб.см/кв.м/день.

Это довольно низкие барьеры против влаги и кислорода. Рис. 2 (график барьерных свойств пленок) представляет барьеры против кислорода и влаги для различных пленок.

 

 

Рисунок 2. График типичных барьерных свойств пленки, измеренных при температуре 38 градусов Цельстия и относительной влажности воздуха 90%

 

 

Даже притом, что нам не требуется барьера против света, необходимо выбрать металлизированную высокобарьерную пленку, чтобы достичь соответствия необходимым требованиям относительно барьерных свойств.

Конечно, в нашем случае требуются самые надежные барьерные свойства, поскольку кислород мгновенно вступает в реакцию с витамином С, и влага быстро теряется.

Также необходимо быть осторожными, потому что барьерные свойства пленок, изображенных на Рис. 2, определяются при температуре 38 градусов Цельсия и относительной влажности воздуха 90% (очень жаркий и влажный летний день). Если мы храним продукт именно при этих условиях, то Рис. 2 подходит для выбора пленок. Однако, если мы храним продукт при температуре 25 градусов Цельсия и относительной влажности воздуха 75%, нам понадобится новый график или же придется экстраполировать данные Рис. 2 на конкретные условия температуры и влажности.

Еще одну вещь следует помнить: если вода удерживается продуктом, то можно использовать пленки с более высокой влагопроницаемостью. Чтобы понять, можем ли мы использовать пленки с низкобарьерными свойствами, нам нужно проделать ряд экспериментов на потерю влаги и веса, а также витамина С в конкретных условиях хранения.

Если же мы ограничены имеющимися в наличии пленками, тогда мы видим по Рис. 2 что барьер от влаги 1 г/кв.м/день (0,0645 г/100 кв.дюйм./день) даст срок годности, эквивалентный 4,54 г/(5,6 *0,0645) = 12,5 дней. В таком случае, у нас будут проблемы со сбытом или же нужно продавать продукт только на месте его изготовления.

Мы можем проектировать упаковку с заданными барьерными свойствами, только зная основные факторы, приводящие продукт в негодность, размеры необходимой упаковки и желаемый срок годности. Это поможет разработать упаковку с лучшими барьерными свойствами, а также позволит ей соответствовать нужному сроку годности при использовании известных упаковочных материалов.

 

Примечания

 

1. Вкус и аромат благодаря химическим свойствам присутствуют в продукте; поэтому барьер для вкуса и аромата может рассматриваться в смысле химического барьера. Химическое проникновение в или из упаковки может привести к потере или усилению запаха.

 

2. Витамин C представляет собой L-аскорбиновую кислоту ( L-ascorbic acid) с молекулярной структурой C6H8O6 и молекулярной массой 176,12 г/моль. Потеря 0,14 г означает потерю 0,00079 моль витамина C.

 

3. Чтобы понять, нужна ли нам газовая среда, следует знать скорость протекания реакции витамина С с кислородом при комнатной температуре.

Поделиться: