Längere Haltbarkeit von Lebensmitteln – Computersimulationen können helfen

Wie lässt sich ein frisches Lebensmittel so verpacken, dass es möglichst lange haltbar ist? Und wie kann die Verpackung ohne viele und aufwändige Lagertests optimiert werden? Etwa auch dann, wenn etablierte, fossile Verpackungen durch neue, nachhaltigere Varianten ersetzt werden sollen? Und wie beeinflusst eine aktive Verpackung das Design? Zur Verlängerung der Haltbarkeit sind EMAP-Verpackungen (equilibrium modified atmosphere packaging) ein aktives Forschungsfeld. In diesen wird die Durchlässigkeit der Verpackung gegenüber Sauerstoff und Kohlendioxid so gewählt, dass sich eine der Haltbarkeit möglichst zuträgliche Atmosphäre im Kopfraum der Verpackung einstellt. Hierbei wird ein stabiler Zustand erreicht, bei dem Sauerstoff so schnell nachkommt, wie er verbraucht wird und Kohlendioxid so schnell abgeführt wird, wie es entsteht. Für die Entwicklung und Optimierung von Verpackungssystemen sind computergestützte Shelf-Life-Simulationen ein nützliches Werkzeug. Dadurch lassen sich vergleichsweise aufwändige praktische Lagertests zwar nicht gänzlich vermeiden, aber doch gezielter durchführen und in der Anzahl reduzieren. Damit eine solche Simulation aussagekräftig ist, müssen alle wichtigen Prozesse mathematisch beschrieben werden. Das geschieht über Ratengleichungen, die ausdrücken wie schnell diese Prozesse ablaufen. Die zeitliche Betrachtung zeigt dann, wie sich alle wichtigen Größen verändern. Was muss beachtet werden? Welche Prozesse spielen nun in der Gesamtbetrachtung eines frischen Lebensmittels, wie etwa Erdbeeren, eine Rolle? Für die Einstellung einer stabilen Atmosphäre sind vor allem die für die Gaszusammensetzung im Kopfraum beeinflussende Prozesse wichtig, wie in Abb.1 schematisch dargestellt. Da wäre zum einen der Gasaustausch mit der Umgebung, insbesondere von Sauerstoff und Kohlendioxid, aber auch Wasserdampf. Zum anderen bestehen Obst und Gemüse aus lebendem Gewebe und die Zellen atmen auch nach der Ernte weiter, wobei sie Sauerstoff verbrauchen und Kohlendioxid und Wasserdampf abgeben. Das gleiche gilt auch für die auf dem Lebensmittel siedelnden Mikroorganismen wie zum Beispiel Bakterien und Pilze, welche sich auf dem Produkt ausbreiten können. Gasaustausch über Verpackung festlegen Hier kommt die EMAP ins Spiel: die Zusammensetzung des Kopfraums kann durch den Gasaustausch über die Verpackung so eingestellt werden, dass das Lebensmittel noch atmen kann, die Mikroben aber in ihrer Aktivität und ihrem Wachstum gehemmt werden. Neben dem Gasdurchtritt durch das Material selbst, spielen hier Anzahl und Größe von spezifisch eingebrachten Löchern in der Folie (Perforationen) eine Rolle. Das funktioniert, weil die Atmung des Produkts und der Mikroben in unterschiedlichem Maße von der Anwesenheit von Sauerstoff und Kohlendioxid abhängt. Zu viel Sauerstoff und die Mikroben gedeihen, zu wenig und das Produkt stirbt ab. Fällt der Sauerstoffgehalt zu tief, können einige Mikroben obendrein auf anaeroben Stoffwechsel umstellen und den Verderb des Produktes durch Fermentation beschleunigen. Durch Sauerstoffentzug können sich schnell Nekrosen im Produktgewebe bilden. Ein erhöhter Gehalt an Kohlendioxid hingegen zwingt die Mikroben in einen Ruhezustand und verlangsamt ihr Wachstum, wobei eine zu hohe Konzentration an Kohlendioxid wiederum Gewebeschäden am Produkt verursacht. Shelf-Life-Simulation per Computer Um nun ein neues oder bestehendes Verpackungssystem zu optimieren wäre es möglich, eine Reihe von Lagertests mit verschiedenen Konfigurationen für jedes Lebensmittel durchzuführen. Es ist ersichtlich, dass dies umso (zeit-) aufwändiger wird, je mehr Kombinationen von Lebensmittel und Verpackung betrachtet werden. An dieser Stelle kommen die Shelf-Life-Simulationen ins Spiel. Anstatt alle Lagertests in der Praxis durchzuführen, werden Simulationen am Computer durchgeführt, in denen mehrere Wochen Lagerung innerhalb weniger Sekunden simuliert werden können. Am Ende sollten dann nur noch wenige Tests zur Bestätigung der Simulationsergebnisse durchgeführt werden. Die Raten und Abhängigkeiten für alle relevanten Prozesse müssen im Vorfeld bekannt sein. Diese müssen durch gezielte Messungen bestimmt werden - doch der Aufwand lohnt sich, da diese Bestimmung nur einmal anfällt. Danach können die einzelnen Komponenten in der Computersimulation nach Bedarf frei kombiniert werden. In Abb.2 ist ein beispielhaftes Ergebnis einer solchen Simulation dargestellt. Zum einen ist gezeigt, wie sich innerhalb eines halben Tages nach Beginn der Simulation eine stabile Schutzatmosphäre einstellt. Der Sauerstoffgehalt ist reduziert und der Kohlendioxidgehalt erhöht. Die Atmung des verpackten Lebensmittels kann fortgesetzt werden und das mikrobielle Wachstum ist gehemmt. Dies ist im zweiten Teil der Abbildung dargestellt. Die mikrobielle Belastung ist relativ zum größtmöglichen Wert dargestellt, einmal unter normalen Bedingungen und einmal unter EMAP-Bedingungen. Im zweiten Fall wird die Überschreitung des Grenzwertes um etwa fünf Tage verzögert und die Haltbarkeit des Lebensmittels verlängert. Durch Variation der Parameter können verschiedene Verpackungskonfigurationen in kurzer Zeit getestet werden. Aktive Verpackung Eine weitere Möglichkeit ist die der aktiven Verpackung. Hier wird die Verpackung mit Funktionen ausgestattet, die über eine reine Barrierefunktion hinausgehen. So kann etwa die Zusammensetzung der Kopfraum-Atmosphäre durch Sauerstoffabsorber und Feuchteregulatoren beeinflusst werden, welche direkt in das Verpackungsmaterial eingearbeitet werden können. Gerade für frisches Obst und Gemüse sind auch antimikrobielle Verpackungszusätze interessant. In diesem Fall werden der Verpackung Substanzen zugesetzt, die in geringem Maße freigesetzt werden und zum Verderb beitragende Mikroben hemmen, ohne die Qualität und Sicherheit des zu schützenden Lebensmittels zu beeinträchtigen. Sollen aktive Verpackungen in den Designprozess eingebunden werden, so ist auch hier die Simulation sinnvoll. Am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) in Freising führen die Wissenschaftler Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu den hier beschriebenen Bereichen durch. Neben der Durchführung und kontinuierlichen Weiterentwicklung von Shelf-Life-Simulationen entwickeln wir auch neue Verpackungsmaterialien, darunter biobasierte und aktive Stoffe. Kontaktieren Sie uns, wenn Sie mehr wissen möchten! Dr. Phil Rosenow, Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung

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