Isothermen: der Heilige Gral der Formulierung

Ein Feuchtigkeits-Sorptionsisotherm ist eine graphische Darstellung, die zeigt, wie sich die Wasseraktivität (aw) ändert, wenn Wasser in einem bei konstanter Temperatur gehaltenen Produkt adsorbiert und absorbiert wird. Diese komplizierte Beziehung ist für jedes Produkt einzigartig. Die Wasseraktivität nimmt fast immer zu, wenn der Feuchtigkeitsgehalt zunimmt, aber die Beziehung ist deswegen nicht linear. In der Tat sind Feuchtigkeits-Sorptionsisothermen für die meisten Lebensmittel S-förmig (sigmoidal). Für Lebensmittel, die kristalline Materialien oder Fette beinhalten, ist sie J-förmig.

Handgemacht ist altbacken.

Der klassische Weg ist die Probe in einen Trockenapparat zu geben, der eine Salzlösung mit einer bekannten Wasseraktivität hat – und zwar so lange, bis das Gewicht der Probe aufhört zu wechseln. Schließlich wird die Probe von Hand gewogen, um den Wassergehalt zu bestimmen. Jede Probe erzeugt einen Punkt auf der Isotherme-Kurve. Weil der Prozess extrem lange dauert, wurden Kurven traditionell mit fünf oder sechs Datenpunkten mit Kurvenanpassungsgleichungen wie GAB oder BET konstruiert.

Schneller ist besser.

Sie sehen selbst: Das Erstellen von Isothermen von Hand ist mühevoll. Eine automatisierte Methode würde Forschern und Mitarbeitern in QS-Laboren viel Arbeit ersparen. Eine der ersten und immer noch von den meisten Dampfsorptionsinstrumenten verwendeten Methoden ist die DVS- oder dynamische Dampfsorptionsmethode. Hierbei wird eine Probe einem Strom von feuchtigkeitsgesteuerter Luft ausgesetzt, während eine Mikrowaage winzige Gewichtsänderungen misst, da die Probe Wasser aufnimmt oder abgibt. Sobald das Gleichgewicht erreicht ist, geht das Instrument dynamisch auf die nächste voreingestellte Feuchtigkeitsstufe. Diese Tests dauern in der Regel zwei Tage bis hin zu mehreren Wochen.

Die DVS-Methode funktioniert gut für die Untersuchung der Kinetik der Sorption. Sie beantwortet die Frage, was mit einem Produkt passiert, wenn es bestimmten Feuchtigkeiten ausgesetzt ist und wie schnell es Wasser aufnimmt bzw. abgibt. Die Methode ist nicht sehr hilfreich bei der Erstellung einer hochauflösenden Isotherme-Kurve, da jeder Gleichgewichtsschritt nur einen Punkt auf der Isotherme-Kurve erzeugt.

DDI-Isotherme blicken hinter den Probentellerrand.

Die dynamische Taupunkt-Isotherme-Methode (DDI) wurde entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Die DDI-Methode schafft hochauflösende Isotherme und detaillierte Adsorptions- und Desorptionskurven, indem sie einen Schnappschuss sowohl der Wasseraktivität als auch des Feuchtigkeitsgehaltes (alle 5 Sekunden) darstellen – die Probe ist dabei einer befeuchteten oder trockenen Luft ausgesetzt. DDI-Graphen enthalten Hunderte von Datenpunkten und zeigen Details, die bisher nicht darstellbar waren. Dazu gehören kritische Punkte, bei denen Verbacken, Verklumpen, Schmelzen oder Texturänderungen auftreten.

Finden Sie kritische Wasseraktivitätswerte.

Trotz doppelter Abfüllung und der Erteilung strenger Lagerungsrichtlinien hatte ein Hersteller von sprühgetrocknetem Milchpulver Probleme beim Verklumpen.

Wenn Milch sprühgetrocknet wird, hinterlässt die schnelle Verdunstung Zucker in einem glasigen Zustand. Glasige Laktose hat andere Eigenschaften als kristalline Laktose. Durch die geringe Beweglichkeit backen die Partikel nicht zusammen oder verklumpen, wenn das Pulver in einem glasigen Zustand ist. Die kristalline Struktur hat einen niedrigeren Energiezustand, so dass es immer einige Moleküle geben wird, die einen Übergang von glasig zu kristallin durchschreiten. Probleme treten immer dann auf, wenn die Übergangsrate einen bestimmten Punkt erreicht.

Wasseraktivität prognostiziert Übergangsrate.

Bei zu einer Wasseraktivität von 0,30 aw kann es einige Jahre dauern, bis die ganze Laktose kristallin wird. Ab 0,4 aw dagegen nur einige Monate. Bei einer Wasseraktivität von über 0,43 aw findet der Übergang in wenigen Stunden statt. Sobald die Laktose kristallisiert ist, ändert sich das Milchpulver dauerhaft, denn es enthält eine drastisch unterschiedliche Menge an Wasser. Es wird sich weder auflösen noch schmecken: es ist ungenießbar.

DDI-Isotherme sagen den Glasübergangspunkt vorher.

Der Glasübergangspunkt für Pulver, wie sprühgetrocknetes Milchpulver, kann mit einer hochauflösenden DDI-Isotherme bestimmt werden. Traditionelle Isotherme berufen sich auf Modelle, die die Isotherme-Kurve zwischen einigen wenigen gemessenen Punkten ausfüllen. DDI-Isothermen messen Hunderte von Punkten und können Übergänge wie den Glasübergangspunkt für sprühgetrocknetes Milchpulver eindeutig identifizieren.

Der Spitzenwert auf dem zweiten Ableitungsdiagramm der Isotherme identifiziert den kritischen Phasenänderungswert als 0,43 aw. Eine genaue Prüfung der Kurve mit besseren Kontrollwerten half dem oben erwähntem Hersteller, die Kundeakzeptanz deutlich zu erhöhen.

Erstellen Sie Mischmodelle

Ein Kuchenhersteller hat ein Rezept für cremefarbenen Kuchen entwickelt. Die Bestandteile des Rezepts waren Zuckerguss (ca. 7% Feuchtigkeit), Sahnefüllung (12%) und Kuchenteig (15%). Feuchtigkeitsmigration während der Haltbarkeit hat zu Texturveränderungen geführt, der und ist in den Kucken gelaufen.

Erkennen Sie, wie sich Feuchtigkeit bewegt.

Isotherme für jede Zutat zeigten, dass Zuckerguss – die trockenste Zutat – die höchste Wasseraktivität hatte: 0,79 aw. Die Wasseraktivitäten der Creme und des Kuchens waren ähnlich: 0,66 bzw. 0,61 aw.

Vorhersage der Wasseraktivität des Endprodukts

Transformieren von Isothermen zu chi-Plots erlauben es, die Wasseraktivität des Endprodukts vorherzusagen: also 0,67 aw. Das ist ein mikrobiell sicherer Wert für den Kuchen.

Vermeiden Sie unliebsame Überraschungen.

Der Kuchenmacher hat den Kuchen bei einer Wasseraktivität von 0,67 erfolgreich gebacken und probiert.

Verpackungen auswählen

Einzelne Pulver-Mix-Mischungen erfreuen sich einer wachsenden Nachfrage. Verpackungen machen dabei mehr als 50% der Rohstoffkosten für dieses Produkt aus. Hauptziel der Verpackung muss es also sein, die Getränkemischung unterhalb der kritischen Wasseraktivität über die festgelegte Haltbarkeit des Produkts stabil zu halten.

Wer hierfür eine Verpackungsanalyse durchführt, beginnt mit einem kritischen Wasseraktivitätswert. Dank der dynamischen Taupunkt-Isotherm-Analyse (DDI) wird dies möglich. Die folgende Kurve zeigt den Glasübergangspunkt für eine bestimmte Getränkerezeptur:

Die kritische Wasseraktivität – der genaue Glasübergangspunkt – für diese Trinkmischung beträgt 0,618 bei 25 ° C.

Verpackungs-Leitfähigkeit berechnen.

Mit Hilfe von optimierten Verpackungsberechnungen (erhältlich in Grundlagen von Isothermen und als Software-Tool) haben wir vier verschiedene Arten von Verpackungen für das ausgewählte Mixgetränk ausgewertet – das Originalpaket und drei mögliche Alternativen. Die Werte wurden unter erschwerten Feuchtigkeitsbedingungen (25 ° C, 75% Luftfeuchtigkeit) gewonnen. Hier sind die Ergebnisse:

Verstehen Sie Änderungen bei der Zusammensetzung.

Eine Tierfutterfirma veränderte die Rezeptur, um ein konservierungsfreies Produkt zu produzieren, das durch Wasseraktivität kontrolliert wurde. Kurz nach der Einführung des Produkts, kam es zu Reklamationen.

Die anfängliche Auswertung zeigte, dass die Haltbarkeitsvorhersagen auf Wasseraktivitätstests beruhten, die bei einer ungewöhnlich niedrigen Temperatur von 15 °C durchgeführt wurden. Isothermen bei 15 °C, 25 °C und 40 °C, zeigten, dass, wenn sie unter erschwerten Bedingungen gelagert wurden (wie es bei Tierfutter oft der Fall ist), ein Verderben sehr wahrscheinlich ist.

Die Isothermen bot ein komplettes prädiktives Bild, so dass der Kunde das Problem mit einer neuen Rezeptur lösen könnte.

Produktfehler erkennen.

Nach 13 problemlosen Jahren hatte ein Pekanuss-Anbauer seine Ernte wegen Schimmelproblemen verloren. Eine Isotherme wurde erstellt, um das Problem zu untersuchen.

Um das mikrobielle Wachstum zu vermeiden, müssen die Pekanüsse auf 0,60 aw getrocknet werden. Wie die Isotherme zeigt, entspricht 0,60 aw 4,8% mc in Pekanüssen. Die Pekanuss-Isotherme ist auch in dieser kritischen Kontrollregion recht flach, so dass eine kleine Variation des Feuchtigkeitsgehaltes zu einer großen und potenziell gefährlichen Veränderung der Wasseraktivität führt.

Isotherme zeigt, dass Spezifikationen zu niedrig eingestellt wurden.

Die komplette Isotherme zeigt, dass der bisherige Trocknungsprozess bei Pekanüssen nicht ausreicht, um die Sicherheit und Qualität der Ernte zu gewährleisten. Der Pekanuss-Anbauer misst den Feuchtigkeitsgehalt durch Trockenverlust. Weil seine Freisetzungsspezifikation 5% betrug und seine Genauigkeit ± 0,5% betrug, könnte der tatsächliche Wassergehalt der getrockneten Ernte irgendwo zwischen 4,5% bis 5,5% liegen. Sowohl eine Lagerung bei zu hoher Luftfeuchtigkeit als auch eine unzureichende Verpackung hätten im Falle der Pekanüsse zu unsicheren Wasseraktivitäten und damit zum Verderb geführt.