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Wider den Verderb

brot + backwaren 6/2003

Zur Verlängerung der Haltbarkeitsdauer von Lebensmitteln sowie zur Verbesserung der Qualität der verpackten Produkte werden häufig Verpackungen unter modifizierter Atmosp...brot + backwaren 6/2003

Zur Verlängerung der Haltbarkeitsdauer von Lebensmitteln sowie zur Verbesserung der Qualität der verpackten Produkte werden häufig Verpackungen unter modifizierter Atmosphäre (MAP – Modified Atmosphere Packaging) eingesetzt. Hierbei handelt es sich um eine Technologie, bei der eine Gasatmosphäre um ein Füllgut hergestellt wird, die von der Luftzusammensetzung abweicht, um qualitätsverbessernde und haltbarkeitsverlängernde Effekte zu erzielen.
Der Schlüssel dieser Technologie liegt in der Variation der Konzentration verschiedener Gase in Abstimmung auf das jeweilige Lebensmittel. Generell werden bei den Gasgemischen Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff (N2) als Hauptkomponenten verwendet. Durch den Ausschluss von Sauerstoff durch Stickstoff können unerwünschte Oxidationsreaktionen verhindert werden. Kohlendioxid hingegen wirkt ab Konzentrationen von 15 % auf die meisten Mikroorganismen bakteriostatisch, wodurch ein weiterer Beitrag zur Haltbarkeitsverlängerung erzielt wird. Die wichtigsten Voraussetzungen einer erfolgreichen MAP-Technologie sind:

  • gute Ausgangsqualität des Produkts bzw. der Rohstoffe
  • entsprechende Temperaturkontrolle und Einhaltung der Kühlkette bei gekühlten MAP-Produkten
  • gute Hygienepraxis (Einhaltung von HACCP oder ähnlichen Systemen)
  • Einsatz von Gasmischungen entsprechend dem Füllgut
  • Verwendung von geeigneten und dichten Verpackungen.
Besonders der letzte Punkt, die Optimierung der Verpackung, ist ein entscheidender Faktor für die Effizienz von MAP. Die Verpackung muss eine äußerst geringe Sauerstoff- bzw. Gasdurchlässigkeit sowie dichte Siegelnähte oder Verschlüsse aufweisen, da anderenfalls die Verpackungsatmosphäre entweicht und Sauerstoff eindringen kann.
In der Regel besteht eine modifizierte Atmosphäre aus 100 % Stickstoff oder einem Gasgemisch aus Kohlendioxid und Stickstoff. Generell sollte der Restsauerstoffanteil in jeder Verpackung unter 2 % liegen. Bei höheren Sauerstoffwerten kann der Vorteil von MAP in Bezug auf Oxidationsschutz nicht mehr optimal genutzt werden. Falls Kohlendioxid in einer Konzentration, in der es bakteriostatische Wirkung entfalten kann, ein Bestandteil der modifizierten Atmosphäre ist, sollte die Minimalkonzentration dieses Gases in einem Bereich von 15 % bis 20 % liegen. Unterhalb dieser Grenze ist ein optimaler Schutz durch Kohlendioxid nicht mehr zu erwarten [1,2].
Eine weitere Möglichkeit, die Gasatmosphäre in Verpackungen zu modifizieren, ist der Einsatz von „Aktiven Verpackungen“. Durch so genannte Verpackungseffektoren kann z.B. der Sauerstoff aus der Verpackung entfernt werden. Generell kommen für Backwaren neben Sauerstoffabsorber Kohlendioxidemitter, Ethanolemitter und Feuchteregulatoren in Frage. Als Sauerstoffabsorber werden neben pulverisiertem Eisen vor allem nichtmetallische Substanzen wie Ascorbinsäure oder Ascorbate verwendet. Verpackungseffektoren werden entweder als Säckchen oder Etiketten der Verpackung beigefügt oder direkt in die Folie eingearbeitet. Generell steckt der Einsatz von Aktiven Verpackungen in Europa noch in den Kinderschuhen.

Material und Methoden

184 Lebensmittelproben von unter MAP abgepackten Produkten mit der Bezeichnung „unter Schutzatmosphäre verpackt“ oder ähnlichem Wortlaut, wurden aus dem Handel gezogen. Es wurden vor allem Proben aus den Produktgruppen Backwaren, Käse, Wurst, Fleisch, Geflügel und Snacks ausgewählt. Die Bestimmung der Gaszusammensetzung der Atmosphäre erfolgte innerhalb der angegebenen Mindesthaltbarkeitsdauer gaschromatographisch mittels Mikro-GC (HP Portable Micro Gas Chromatograph for Refinery Gas Analysis, P200H, RGA). Die Trennung des Gasgemisches erfolgt an zwei Trennsäulen, analysiert wurden die Konzentrationen von Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickstoff unter folgenden Prüfbedingungen: Trennsäule A (Trennung O2/N2): MS-5A 10m, Head Pressure 31,75 psi, Temperatur 40 °C; Trennsäule B (Trennung CO2/Luft): PPU 8m, Head Pressure 25,088 psi, Temperatur 40 °C; Probenzeit: 5 s, Injektionszeit: 10 ms, Laufzeit: 90 s, Trägergas: Helium.

In Hinblick auf die oben angeführten Anforderungen einer Maximalkonzentration von 2 % Sauerstoff und mindestens 15 % Kohlendioxid in der Atmosphäre bei Produkten, die Kohlendioxid als zusätzlichen Schutz verlangen, wurden die Proben aus dem Handel untersucht und bewertet.

Ergebnisse

Nur 56 % der aus dem Handel gezogenen Proben wiesen optimale Gaszusammensetzungen der Verpackungsatmosphäre auf. Bei 48 % der Proben wurde ein starker Verbesserungsbedarf festgestellt. 8 % aller untersuchten Verpackungen wiesen einen Sauerstoffgehalt von etwa 21 % auf, was auf grobe Undichtheiten in der Verpackung schließen lässt. Bei knapp einem Drittel aller Verpackungen wurde ein Restsauerstoffgehalt innerhalb der MHD von über 5 % festgestellt und bei 36 % der Verpackungen ein Restsauerstoffgehalt über 2 %.
Die Untersuchung des Kohlendioxid-Gehalts bei Verpackungen aus dem Handel, sofern Kohlendioxid als Bestandteil der modifizierten Atmosphäre beigemischt war, zeigte, dass bei 31 % aller Verpackungen der Kohlendioxid-Gehalt unter 15 % lag, wodurch kein optimaler Schutz durch Kohlendioxid mehr gegeben ist.
Aufgegliedert nach Produktgruppen wurde bei Fertigprodukten bei nur 14 von 25 untersuchten Proben ein Sauerstoffgehalt von unter 5 % festgestellt. Bei zwei der untersuchten Proben lag der Sauerstoffgehalt in der Höhe der Luftatmosphäre. Der positive Effekt von MAP-Verpackungen ist bei Proben mit Restsauerstoffgehalten von über 2 % in der Verpackungsatmosphäre nicht mehr gegeben. Bei 10 von 26 Proben (hauptsächlich Brot und Kleingebäck) aus dem Backwarenbereich lag der Sauerstoffgehalt bei über 2 %, wobei als Maximalwert knapp 15 % Sauerstoff gemessen wurden.
Auch bei Snackprodukten wie Chips oder anderem Knabbergebäck wurde der Zielwert für maximalen Restsauerstoffgehalt von 2 % in vielen Fällen nicht erreicht. Bei dieser Produktgruppe lag der Restsauerstoff bei 17 von 26 Produkten über 2 %, obwohl gerade diese Lebensmittel wegen des durchschnittlich sehr hohen Fettgehalts sehr empfindlich auf Sauerstoff reagieren. In einem Fall wurde bei der Verpackung eines Snackprodukts, dessen Sauerstoffkonzentration in der Verpackungsatmosphäre nach 3 Monaten Lagerung bei 21% lag, eine Sauerstoffdurchlässigkeit des Verpackungsmaterials von 162 ccm/qm.d.bar gemessen. Im Hinblick auf die lange Haltbarkeit von 12 Monaten war diese Durchlässigkeit viel zu hoch, ein Produktschutz durch die Verpackung ist in diesem Fall nicht mehr gegeben.
Insgesamt konnte bei 184 untersuchten Verpackungen festgestellt werden, dass knapp die Hälfte zu optimieren ist. Einerseits kann man dadurch bis zum Ende der MHD gute Qualität garantieren, andererseits die Haltbarkeit in einigen Fällen verlängern. Die Ursachen für die stark abweichende Gaszusammensetzung von unter Schutzatmosphäre abgepackten Lebensmitteln können sowohl in der Verpackung als auch im Füllgut selber gesucht werden [3].
Eine der häufigsten Ursachen sind Undichtheiten der Verpackung. Hier reicht das Spektrum von schadhaftem Verpackungsmaterial über undichte Siegelnähte bis zu schwer zu detektierende Mikro-Lecks mit einem Porendurchmesser von unter 20 µm. Erster Schritt zur Vermeidung von Undichtheiten in der Verpackung ist die Kontrolle der Siegelparameter, wie Siegelzeit, -druck und -temperatur.
Ein weiterer Grund für zu hohe Sauerstoffgehalte in der Verpackung ist häufig eine ungeeignete Gaspermeabilität des Verpackungsmaterials. Es werden Folien eingesetzt, die für die Dauer der Haltbarkeit des Produkts eine zu hohe Gasdurchlässigkeit haben.
Durch Kenntnis der Gasdurchlässigkeit des Verpackungsmaterials kann berechnet werden, wie lange eine Verpackung mit einem bestimmten Gasvolumen vor einem Anstieg eines zu hohen Sauerstoffgehaltes bzw. Verlust an Kohlendioxid innerhalb einer vorgegebenen Haltbarkeitszeit schützt. Aus der Kenntnis der Lagerdauer und des Oberflächen-Volumsverhältnisses können umgekehrt auch die maximal zulässige Permeabilität der Verpackung berechnet und so entsprechende Forderungen an den Packstofflieferanten gestellt werden. Eine gute Möglichkeit zur Berechnung der Gasaustauschvorgänge bei Packungen ist das mathematische Modell der Gaspermeationskinetik, bei dem das aktuelle Verhalten der Packungen unter Einbeziehung von Sauerstoffverbrauch durch das Füllgut sowie der Bewertung von Verarbeitungseinflüssen bei der Herstellung der Packung, wie die Ausbildung von Dünnstellen, einfließen.
Durch mechanische Beanspruchung der Folie nach dem Tiefziehen oder Abrollen können Mikro-Cracks und Dünnstellen in der Folie entstehen, was zu einem erhöhten Gasaustausch zwischen der Verpackungsatmosphäre und der Luftatmosphäre führt. Besonders beim Einsatz von Barrierefolien ist die Verarbeitung der Verpackung zu beachten. Verpackungsmaschinen sollten so eingestellt sein, dass eine freie Gängigkeit der Folie und somit geringe mechanische Beanspruchung gewährleistet werden können. Es ist also nicht nur die Kenntnis der Durchlässigkeit des Ausgangsmaterials erforderlich, sondern vielmehr die Abschätzung der Permeabilität der fertigen, ganzen Verpackung.
In jedem Fall sind eine genaue Spezifizierung der Verpackung, die Erstellung eines Anforderungsprofils und eine entsprechende Gütesicherung von großer Wichtigkeit. Die genaue notwendige Sauerstoffbarriere muss je nach Produkt, Lagertemperatur und Haltbarkeitsdauer festgelegt werden.
Restsauerstoff kann ebenso aus dem Produkt selbst entweichen, nachdem es verpackt ist. Dies ist vor allem bei Lebensmitteln mit poröser Struktur, wie Gebäck, der Fall. Dadurch wird der Sauerstoffgehalt in der Verpackungsatmosphäre erhöht und die Schutzwirkung von MAP ist nicht mehr gegeben. Bei Backwaren gibt es verschiedene Ansätze, dieser Problematik Herr zu werden. Eine Möglichkeit ist die Injektion von Kohlendioxid vor dem Abpacken in das Produkt, um Sauerstoff auszutreiben. Ein anderer Ansatz ist der Einsatz von Sauerstoffabsorbern, um frei werdenden Sauerstoff zu binden.
Das Füllgut kann jedoch auch durch Wechselwirkung mit der Gasatmosphäre der Verpackung die Konzentrationen der Schutzgase verändern. Besonders Kohlendioxid kann sich in Fetten und Lebensmittel mit einem höheren Wassergehalt lösen. Da sich Gase bei geringen Temperaturen besser lösen, wird dieser Effekt bei gekühlten Produkten, was einen Großteil der MAP-Produkte betrifft, noch verstärkt. Dadurch verändert sich die Zusammensetzung der Gasatmosphäre für die Produkthaltbarkeit ungünstig. Besonders stark kommt dieser Effekt bei Verpackungen zum Tragen, bei denen das Verhältnis Gasvolumen zu Produktvolumen nicht optimal ist. Dieses Verhältnis sollte zumindest 1–1,5:1 betragen, in der Praxis findet man oft sogar Verpackungen mit dem Verhältnis Gasvolumen zu Produktvolumen 0,1:1. Durch Aufnahme des Kohlendioxids durch das Produkt wird in manchen Fällen, insbesondere bei ungünstigen Volumenverhältnissen, so viel Gas absorbiert, dass es zu einem Einziehen der Verpackungen kommt. Durch Vorlegen eines geeigneten Gasgemisches mit einem entsprechenden Volumen und genügend Inertgas (Stickstoff) kann auch trotz Wechselwirkung mit dem Produkt eine geeignete Verpackungsatmosphäre erzielt werden. Ferner kann sich die Gaszusammensetzung auch durch allfällige Verderbsreaktionen des Lebensmittels verändern, was z.B. zu einem Anstieg von Kohlendioxid oder der Bildung von Schwefelwasserstoff oder Ammoniak führen kann.


 

Dr. Michael Washüttl
ofi-Verpackungsinstitut
Arsenal Obj. 213
Franz Grill-Str. 5
A-1030 Wien
Tel. +43-1-798 16 01/960
e-mail: michael.washuettl@ofi.co.at
www.of.co.at


 

Literatur

[1] Blakistone, B.A.; Principles and Applications of Modified Atmosphere Packaging of Foods, second edition, 1998, Blackie Academic & Professional, London, UK

[2] Farber, J.M.; Doods, K.L.; Principles of Modified-Atmosphere and Sous Vide Packaging, Technomic Publishing Ci.Inc., Lancaster, Basel

[3] Campden Food & Drink Research Association; Guidelines for the Good Manufacturing and Handling of Modified Atmosphere Packed Food Products, July 1992 (Technical Manual No. 34)

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