Bei Lebensmittelverpackungen kann die Fähigkeit der Verpackung, den Stoffaustausch mit der äußeren Umgebung zu begrenzen, die Konservierung und den Schutz des Produkts beeinflussen.
Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid können Folien und Verpackungsstrukturen auf unterschiedliche Weise durchdringen. Deshalb ist es bei der Entwicklung und Qualifizierung einer Verpackung wichtig, die Barriereeigenschaften des Materials mithilfe spezifischer Messungen zu bewerten.
Die Messung der Durchlässigkeit von Lebensmittelverpackungen ermöglicht es, die Transmission dieser Stoffe durch Folien, Laminate, Mehrschichtstrukturen und andere Verpackungsmaterialien quantitativ zu bestimmen.
Die wichtigsten Parameter sind OTR, WVTR und CO₂TR. Sie charakterisieren jeweils die Barrierewirkung gegenüber Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid.
Warum sollte die Durchlässigkeit von Lebensmittelverpackungen gemessen werden?
Eine Verpackung muss einen Schutz bieten, der den Eigenschaften des Produkts und den vorgesehenen Lagerbedingungen entspricht.
Die Durchlässigkeit der Verpackung kann deshalb ein wichtiger Parameter bei der Materialauswahl und der Entwicklung der Verpackungsstruktur sein.
Die Messung ermöglicht es:
- unterschiedliche Materialien und Strukturen miteinander zu vergleichen;
- die Leistungsfähigkeit einer Barrierefolie zu überprüfen;
- Mehrschichtfolien und Laminate zu optimieren;
- die Auswirkungen von Materialdicken und Beschichtungen zu bewerten;
- die Entwicklung neuer Materialien zu unterstützen;
- die Übereinstimmung mit technischen Spezifikationen zu überprüfen;
- die gleichbleibende Leistungsfähigkeit während der Produktion zu kontrollieren.
Der experimentell ermittelte Wert macht die Barriereeigenschaften eines Materials zu einem quantitativen und vergleichbaren Parameter.
Welche Barriereeigenschaften sollten bewertet werden?
Die Auswahl der Messung hängt von der Art des Produkts, dem verwendeten Material und dem Stoffaustausch ab, der begrenzt werden soll.
Bei Lebensmittelverpackungen betreffen die wichtigsten untersuchten Barriereeigenschaften:
- Sauerstoff, anhand des Parameters OTR;
- Wasserdampf, anhand des Parameters WVTR;
- Kohlendioxid, anhand des Parameters CO₂TR.
Diese Messungen können einzeln oder in Kombination eingesetzt werden, um das Barriereverhalten eines Materials umfassender zu charakterisieren.
Weitere Informationen zu den einzelnen Parametern:
OTR: Die Sauerstoffbarriere bewerten
Sauerstoff kann die Stabilität zahlreicher Lebensmittel beeinflussen. Abhängig von ihrer Zusammensetzung und den Lagerbedingungen kann es deshalb notwendig sein, den Sauerstoffdurchtritt durch die Verpackung zu begrenzen.
Die Messung des OTR (Oxygen Transmission Rate) ermöglicht es, die Sauerstoffmenge zu quantifizieren, die unter den festgelegten Prüfbedingungen durch das Material hindurchtritt.
Die OTR-Prüfung kann eingesetzt werden, um:
- Folien mit unterschiedlichen Barriereeigenschaften zu vergleichen;
- die Wirkung von Beschichtungen und Behandlungen zu überprüfen;
- Mehrschichtstrukturen zu charakterisieren;
- die Auswahl des Verpackungsmaterials zu unterstützen;
- die Qualität und Reproduzierbarkeit der Materialeigenschaften zu kontrollieren.
- Die Messung ist besonders hilfreich, wenn die Verpackung einen definierten Schutz gegenüber Sauerstoff bieten muss.
WVTR: Die Wasserdampfbarriere bewerten
Die Kontrolle des Wasserdampfdurchtritts ist für Verpackungen wichtig, die für feuchtigkeitsempfindliche Produkte bestimmt sind oder bei denen der Wasseraustausch mit der Umgebung begrenzt werden muss.
Der Parameter WVTR (Water Vapor Transmission Rate) quantifiziert die Wasserdampftransmission durch ein Material unter den für die Prüfung festgelegten Bedingungen.
Die WVTR-Messung kann verwendet werden, um:
- Folien mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsbarrieren zu vergleichen;
- Materialien und Mehrschichtstrukturen zu bewerten;
- die Auswirkungen von Materialdicke und Beschichtungen zu überprüfen;
- die Entwicklung neuer Verpackungsstrukturen zu unterstützen;
- die gleichbleibende Leistungsfähigkeit des Materials zu kontrollieren.
Für eine umfassende Bewertung der Barriereeigenschaften kann der WVTR zusammen mit dem OTR oder dem CO₂TR bestimmt werden.
CO₂TR: Die Kohlendioxidbarriere bewerten
Der CO₂TR (Carbon Dioxide Transmission Rate) misst die Übertragung von Kohlendioxid durch ein Material.
Diese Charakterisierung kann für bestimmte Verpackungsanwendungen relevant sein, bei denen das Vorhandensein oder der Verlust von CO₂ bei der Entwicklung der Verpackung berücksichtigt werden muss.
Die CO₂TR-Messung ermöglicht es:
- unterschiedliche Barrierematerialien zu vergleichen;
- Folien und Mehrschichtstrukturen zu charakterisieren;
- die Auswirkungen unterschiedlicher Beschichtungen und Materialzusammensetzungen zu bewerten;
- die Materialauswahl zu unterstützen;
- die Leistungsfähigkeit der Verpackung anhand eines quantitativen Parameters zu überprüfen.
OTR, WVTR und CO₂TR beschreiben unterschiedliche Eigenschaften und sind nicht austauschbar. Welcher Parameter gemessen werden sollte, hängt von der Anwendung und dem Ziel der Prüfung ab.
Welche Materialien und Verpackungen können analysiert werden?
Die Durchlässigkeit von Lebensmittelverpackungen kann an unterschiedlichen Materialien und Strukturen untersucht werden.
Zu den wichtigsten Anwendungsbereichen gehören:
- Kunststofffolien;
- Barrierefolien;
- einschichtige Folien;
- Mehrschichtfolien;
- Laminate;
- metallisierte Folien;
- Materialien mit Barriereschichten;
- coextrudierte Strukturen;
- Materialien für flexible Verpackungen;
- bestimmte Verpackungsarten und Behälter.
Die Möglichkeit, unterschiedliche Strukturen zu analysieren, erlaubt es, alternative Verpackungslösungen miteinander zu vergleichen und zu untersuchen, wie Materialzusammensetzung, Dicke und Aufbau die Barriereeigenschaften beeinflussen.
Wie wird eine Durchlässigkeitsprüfung durchgeführt?
Das Prüfverfahren hängt vom zu bestimmenden Parameter und vom zu untersuchenden Material ab.
Im Allgemeinen wird die Probe in einer Messzelle so positioniert, dass sie zwei Bereiche mit definierten Bedingungen voneinander trennt. Das zu untersuchende Gas kommt mit einer Oberfläche der Probe in Kontakt, während das durch das Material hindurchtretende Gas vom Messsystem erfasst wird.
Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, müssen die wichtigsten Prüfbedingungen kontrolliert werden. Dazu können gehören:
- Temperatur;
- relative Luftfeuchtigkeit;
- Druck;
- Gaszusammensetzung;
- Prüffläche;
- Probendicke;
- Konditionierungsbedingungen;
- Eigenschaften und Vorbereitung des Materials.
- Die Prüfbedingungen müssen auf das untersuchte Material und das Ziel der Charakterisierung abgestimmt sein.
Faktoren, die die Durchlässigkeit von Verpackungen beeinflussen
Der gemessene Wert kann von zahlreichen Faktoren abhängen, die sowohl mit dem Material als auch mit den Prüfbedingungen zusammenhängen.
Zu den wichtigsten Einflussgrößen gehören:
Material und Struktur
Die Zusammensetzung der Folie, die Anzahl der Schichten, die verwendeten Materialien und vorhandene Beschichtungen können das Barriereverhalten beeinflussen.
Dicke
Die Materialdicke kann die Menge des Stoffes beeinflussen, die durch die Probe hindurchtritt. Beim Vergleich unterschiedlicher Materialien muss dieser Parameter deshalb ebenfalls berücksichtigt werden.
Temperatur
Die Transmissions- und Barriereeigenschaften können sich mit der Temperatur verändern. Die Prüfungen müssen daher unter kontrollierten und definierten Bedingungen durchgeführt werden.
Relative Luftfeuchtigkeit
Die Luftfeuchtigkeit kann insbesondere bei der Charakterisierung der Wasserdampfbarriere eine wichtige Rolle spielen und das Verhalten bestimmter Materialien beeinflussen.
Prüfbedingungen
Das verwendete Gas, der Druck, die Messfläche und die Konditionierung der Probe können das Endergebnis beeinflussen.
Aus diesem Grund muss ein Durchlässigkeitswert immer im Zusammenhang mit den Bedingungen interpretiert werden, unter denen er ermittelt wurde.
Durchlässigkeit und Haltbarkeit von Lebensmitteln
Die Barrierewirkung der Verpackung ist einer der Aspekte, die bei der Entwicklung einer Verpackung und bei der Bewertung der Lagerbedingungen eines Lebensmittels berücksichtigt werden können.
Die Begrenzung bestimmter Stoffaustauschprozesse mit der Umgebung kann dazu beitragen, die vorgesehenen Bedingungen innerhalb der Verpackung stabiler zu halten.
Die Durchlässigkeit ist jedoch nicht der einzige relevante Parameter. Die Haltbarkeit eines Produkts hängt auch von den Eigenschaften des Lebensmittels, dem Herstellungsprozess, den Verpackungsbedingungen, der Temperatur und weiteren Faktoren ab.
Die Messung der Barriereeigenschaften liefert daher experimentelle Daten, die bei der Entwicklung und Qualifizierung der Verpackung helfen und gemeinsam mit den anderen für die jeweilige Anwendung relevanten Parametern bewertet werden sollten.
Durchlässigkeit und Materialentwicklung
Bei der Entwicklung einer neuen Verpackung kann die Durchlässigkeitsmessung eingesetzt werden, um verschiedene Lösungen zu vergleichen, bevor die endgültige Materialstruktur ausgewählt wird.
Beispielsweise lassen sich vergleichen:
- unterschiedliche Polymermaterialien;
- verschiedene Materialdicken;
- ein- und mehrschichtige Strukturen;
- unterschiedliche Laminate;
- metallisierte Folien;
- Materialien mit Barriereschichten;
- verschiedene Konfigurationen derselben Struktur.
Dieser Ansatz ermöglicht eine datenbasierte Materialauswahl und hilft dabei, die Auswirkungen von Änderungen an der Verpackungsstruktur zu überprüfen.
Qualitätskontrolle von Lebensmittelverpackungen
Die Durchlässigkeitsmessung kann auch im Rahmen der Qualitätskontrolle eingesetzt werden.
Wiederholte Prüfungen unter definierten Bedingungen ermöglichen es, die gleichbleibende Leistungsfähigkeit von Materialien zu überprüfen und die Ergebnisse mit internen Spezifikationen oder festgelegten Produktanforderungen zu vergleichen.
Die Messungen können in folgende Prozesse integriert werden:
- Wareneingangskontrolle von Rohmaterialien;
- Materialqualifizierung;
- Validierung neuer Strukturen;
- Produktionskontrolle;
- Vergleich verschiedener Chargen;
- Überprüfung der Leistungsfähigkeit nach Änderungen am Prozess.
Messbare Daten erleichtern den Vergleich zwischen Materialien und unterstützen technische Entscheidungen zur Auslegung der Verpackungsstruktur.
Messgeräte zur Bestimmung der Durchlässigkeit von Lebensmittelverpackungen
Die Auswahl des Messgeräts hängt von den Barriereeigenschaften ab, die charakterisiert werden sollen.
Bei Lebensmittelverpackungen kann es erforderlich sein, einen, zwei oder alle drei wichtigen Transmissionsparameter zu messen: OTR, WVTR und CO₂TR.
ExtraSolution bietet verschiedene Konfigurationen, um die Messungen an die Anforderungen des Labors anzupassen.
OTR und CO₂TR
Produktseite MultiPerm O2-CO2 ermöglicht die Charakterisierung der Sauerstoff- und Kohlendioxidtransmission durch Folien und Barrierematerialien.
OTR und WVTR
Produktseite MultiPerm O2-H2O kombiniert die Messung der Sauerstoffdurchlässigkeit mit der Messung der Wasserdampfdurchlässigkeit.
WVTR und CO₂TR
Produktseite MultiPerm H2O-CO2 ermöglicht die Untersuchung der Wasserdampf- und Kohlendioxidtransmission.
OTR, WVTR und CO₂TR
Produktseite TotalPerm integriert die drei wichtigsten Durchlässigkeitsmessungen in einem einzigen System. Dadurch lassen sich die Barriereeigenschaften desselben Materials umfassender charakterisieren.
Nur WVTR
Produktseite PermeH2O ist speziell für die Messung der Wasserdampfdurchlässigkeit und die Bestimmung des WVTR ausgelegt.
Die Auswahl der geeigneten Konfiguration richtet sich nach den benötigten Parametern, den zu untersuchenden Materialien und den Tätigkeiten des Labors.
ExtraSolution-Lösungen für Lebensmittelverpackungen
Die Lösungen von ExtraSolution zur Messung der Durchlässigkeit sind für Forschung und Entwicklung, Materialqualifizierung und Qualitätskontrolle konzipiert.
Die Geräte können zur Charakterisierung von Kunststofffolien, Barrierematerialien, Laminaten und Mehrschichtstrukturen eingesetzt werden. Sie unterstützen damit unterschiedliche Phasen der Verpackungsentwicklung und -prüfung.
Die Möglichkeit, unterschiedliche Sensoren und Konfigurationen zu kombinieren, erlaubt es, die am besten geeignete Lösung für die zu untersuchenden Barriereeigenschaften auszuwählen.
Weitere Informationen zur Durchlässigkeitsmessung
Weitere Informationen zu den technischen Aspekten der Materialcharakterisierung finden Sie auf folgenden Seiten:
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Kontaktieren Sie ExtraSolution, um die passende Konfiguration für Ihre Messanforderungen und die zu untersuchenden Barriereeigenschaften zu finden.