Metoder for måling av oksygen- og vanndampgjennomgang i emballasje

En rekke matvarer er følsomme for oksygen og fuktighet, altså vanndamp. Emballasjens tetthet overfor oksygen og vanndamp, er avgjørende for holdbarhets­tiden til disse matvarene.

For å kunne vurdere om en emballasje egner seg til ulike næringsmidler, trenger vi pålitelige metoder for å måle oksygen- og vanndamp­gjennomgangen (OTR og WVTR). Nofima har nå tilgjengelig en ny analyseplattform for måling av oksygen- og vanndampgjennomgang i de fleste typer emballasjer og materialer (se faktaboks).

Produktene må beskyttes mot oksygen og vanndamp

Emballasje til næringsmidler skal blant annet beskytte produktet mot uønsket inntrenging av oksygen og vanndamp under distribusjon og lagring. Mye av dagens emballasje til næringsmidler består av ulike plastmaterialer.

Oksygen og vanndamp kan trenge inn i en plastemballasje på tre måter:

• Gjennom selve emballasjematerialet. Forskjellige plastmaterialer har ulike barriereegenskaper overfor gasser og vanndamp.
• Via mikroskopiske porer i forseglingen etter at emballa­sjen er lukket.
• Gjennom påførte skader (hull, ofte mikroskopiske) i emballasjematerialet.

Nofimas målemetoder

Det finnes flere metoder for å måle oksygen- og vanndampgjennomgang i et emballasje­materiale, både for flate materialer (plastfilm, kartongbiter) og for ferdig formet emballasje. I Nofimas Systech instrumenter som tester på flate materialer monteres prøven (f.eks. tynne plastfilmer) i et kammer med ønsket testgass (oksygen eller vanndamp) på den ene siden og nitrogengass på den andre siden (figur 1).

Oksygen eller vanndamp trenger gjennom prøvematerialet og føres med nitrogengassen til en sensor. Gjennomgangen av oksygen og vanndamp måles i mengde (milliliter for oksygen og gram for vanndamp) som trenger gjennom et gitt areal per døgn. Denne typen instrumenter kan også måle på pakninger med spesialtilpasset tilleggsutstyr.

Figur 1: Prinsippskisse for måling av oksygengjennomgang i emballasje (dynamisk metode)

Nofima har en egenutviklet metode for måling av oksygengjennomgang i pakninger. Den kalles AOIR-metoden, som står for Ambient Oxygen Ingress Rate. Dette er en statisk metode. Prinsippet for AOIR-metoden er at emballasjen fylles med testgass før den legges ved ønskede temperatur- og fuktighets­betingelser. To til tre gassmålinger blir utført i testperioden, og gjennomgang av oksygen kan beregnes.

Metoden kan brukes til å bestemme oksygengjennomgang for hele pak­ninger, flate materialer inklusive materialer med mikroperforering. Metoden fungerer godt ved høye OTR-verdier som for perforerte pakninger til frukt og grønnsaker. Metoden har noe høyere usikkerhet for flate materialer med svært lave OTR-verdier (< 1 ml/m² ∙ dag). AOIR-metoden er videreutviklet til også å måle CO₂-gjennomgang i emballasjen. 

Tabell 1. Fordeler og ulemper med de ulike målemetodene

Egenskap	Systech – OTR	Systech – WVTR	AOIR
Måle på flate materialer	Ja	Ja	Ja
Måle på pakninger	Ja	Begrenset	Ja
Kapasitet	2 prøver samtidig	2 prøver samtidig	Mange samtidig
Måle CO2 – gjennomgang	Nei	Nei	Ja
Måleområde	0,005 – 28000	0,002 – 1000	> 0,01
Temperaturintervall (anbefalt)	10 – 50°C	10 – 50°C	Ubegrenset
Fuktighetsintervall (anbefalt)	20 – 90%	< 90%	Noe begrenset
Kan teste på perforerte / svært åpne materialer	Nei Noe begrenset	Nei  Ikke > 1000	Ja Ja

Oksygen og vanndampgjennomgangen påvirkes av temperatur og fuktighet

Fire plastmaterialer ble testet for oksygen- og vanndampgjennomgang på Systech instrumentene.

• Barrierefilm: polyester/etylen vinyl alkohol/polyetylen (PET/EVOH/PE, tykkelse: 63 µm)
• Vakuumpose: polyamid (nylon)/polyetylen (PA/PE, tykkelse: 90 µm)
• Underbane: polymelkesyre (PLA, tykkelse: 300 µm)
• Flowpack-film: orientert polypropylen film (OPP, tykkelse: 40 µm)

Barrierefilmen brukes ofte som overbane i dyptrekker til ulike gasspakkede produkter med relativt lang holdbarhet. Vakuumposen brukes til pakking av ferske og bearbeidede fisk- og kjøttprodukter og ost. Polymelkesyre-filmen kan benyttes som underbane i en dyptrekker og kan være et fornybart alternativ til fossilbaserte plasttyper. Flowpack-filmen benyttes til pakking av frukt, grønnsaker, mange bakervarer og andre tørrvarer.

Generelt påvirkes oksygen- og vanndampgjennomgang av materialtype og materialenes tykkelse. I tillegg viser figur 2 og 3 at både oksygen- og vanndampgjennomgang øker med stigende temperatur og fuktighet.

Figur 2. Oksygengjennomgang for ulike monomaterialer og sammensatte emballasje­materialer (laminater) ved ulike testbetingelser: a og c) effekt av temperatur testet ved 50 % relativ fuktighet (på begge sider av testmaterialet) og b og d) effekt av relativ fuktighet testet ved 23 °C.

Figur 2 viser at barrierefilmen hadde åtte ganger så høy oksygengjennomgang ved 30 °C enn ved 10 °C, og åtte ganger høyere oksygengjennomgang ved 80 % enn ved 20 % relativ fuktighet. Selv om barrierefilmen har lave OTR-verdier i utgangspunktet, må lagringsbetingelsene tas hensyn til ved valg av materialer for spesielt O₂ følsomme produkter.

Oksygengjennomgangen for vakuumposen økte seks ganger fra 10 °C til 30 °C, men var mindre følsom for fuktighet og hadde bare to ganger så høy oksygengjennomgang ved 80 % enn ved 20 % relativ fuktighet. Etylen vinyl alkohol (EVOH) i barrierefilmen og polyamid (PA) i vakuumposen er fuktighetsømfintlige, og må beskyttes mot fuktighetsinntrenging for å bevare god barriere.

Bioplasten polymelkesyre (PLA) og polypropylen (PP) var mindre påvirket av temperatur (tre ganger økning i oksygengjennomgang fra 10 °C til 30 °C), og oksygengjennomgangen for disse materialene var ikke påvirket av fuktighet.

Figur 3. Vanndampgjennomgang for ulike monomaterialer og sammensatte emballasje­materialer (laminater) ved ulike testbetingelser: a og c) effekt av temperatur testet ved 85 % relativ fuktighet og b og d) effekt av relativ fuktighet testet ved 23 °C.

Temperatur hadde også stor effekt på vanndampgjennomgangen, spesielt for barriere­filmen, vakuumposen og polypropylen-filmen, med åtte til ni ganger økning fra laveste til høyeste temperatur. Polymelkesyre-materialet hadde tilsvarende firedobling i verdi. Vanndampgjennomgangen var mindre påvirket av endringer i fuktighet. Ved en økning fra 50 til 90 % i fuktigheten ble vanndampgjennomgangen doblet for alle materialene. Polyolefiner som polyetylen og polypropylen er blant de materialene som har lavest vanndamp­gjennom­gang.

Perforerte materialer og CO₂ gjennomgang

AOIR-metoden ble opprinnelig utviklet for å måle oksygengjennomgang i vanlige pakningstyper brukt til matemballering. Metoden er senere videreutviklet til å måle oksygengjennomgang for meget åpne perforerte pakninger samt CO₂-gjennomgang i emballasjen.  Gassgjennomgang for perforerte materialer kan ikke måles på Systech instrumentene.

Frukt og grønnsaker fortsetter å puste (respirere) også etter at de er høstet og pakket. For å unngå skadelige lave oksygennivå og/eller skadelige høye CO₂-nivå i pakningene, er det derfor viktig å måle CO₂-gjennomgangen i tillegg til oksygengjennomgangen.

Figur 4. Effekt av temperatur på oksygen- og CO₂-gjennomgang i a) 40 µm polypropylen film og b) ett laserhull i en 40 µm polypropylen film.

I figur 4a er måleresultatene for oksygen- og CO₂-gjennomgang målt ved to temperaturer for vanlig benyttet polypropylenfilm (tykkelse: 40 µm) til frukt og grønnsaker. Filmen brukes blant annet til pakking av salater og poser med gulrot.

For gulrot er det vanlig å perforere filmen med små mikrohull laget med laser for å få tilstrekkelig høy gassgjennomgang. En pose til gulrøtter har 20 til 30 slike hull, avhengig av mengde gulrøtter i posene og størrelsen på hullene. Figur 4b viser gassgjennom­gangen i slike hull i en polypropylenfilm (tykkelse: 40 µm) målt ved to temperaturer.

For polypropylenfilm uten perforering økte CO₂-gjennomgangen med temperatur og var tre ganger så høy som oksygengjennom­gangen. For laserhullet var gassgjennomgangen lite påvirket av temperatur, og CO₂-gjennomgangen var litt lavere enn O₂-gjennomgangen. I en film med mange laserhull vil det meste av gassgjennomgangen gå gjennom hullene. Konsekvensen av at gassgjennomgangen i perforerte filmer er lite påvirket av temperatur er at pakningene må designes ut fra den høyeste lagringstemperaturen pakningene skal oppbevares ved.

Hvis pakningenes hullsetting er beregnet for lagring ved 4 °C og de i stedet legges på romtemperatur, vil produktenes pustehastighet øke raskere enn gassgjennomgangen i filmen. Oksygennivåer ned mot null og CO₂-nivåer langt over 5 % kan bli resultatet i pakningene, og mange produkter tar skade av dette.

Analysemetoder til nytte for industrien

Næringsmiddel- og emballasjeleverandører må ha kunnskap om barriereegenskapene til de emballasjematerialene som brukes til pakking av mat. Hvilke plastmaterialkombinasjoner som benyttes til ulike matvarer under aktuelle lagringsbetingelser avgjøres i stor grad av produktenes krav til beskyttelse mot oksygen og fuktighet.

Nofima vil i framtiden benytte sin oppgraderte analyseplattform i ulike forskningsprosjekter og i direkte oppdrag for næringsmiddel- og emballasjeindustri. Dette er et viktig verktøy i veien mot mer bærekraftige emballasjematerialer i en sirkulær økonomi.

Faktaboks:

Nofimas analyseplattform for gassbarriere består av:

• Instrument fra Systech Illinois for oksygengjennomgang (OTR)
• Instrument fra Systech Illinois for vanndampgjennomgang (WVTR)
• AOIR-metode: Gjennomgang av oksygen og CO₂ (OTR og CO₂TR)

Alle metodene kan teste på flate materialer og pakninger, men de har noe ulike bruks- og måleområder. Metodene benyttes også med ulike testbetingelser som temperatur og relativ fuktighet i omgivelsene rundt prøvematerialet. Egnet metode velges ut fra materialenes egenskaper.

Igangkjøring av ny analyseplattform for OTR og WVTR er utført i det strategiske programmet FoodMicro-Pack finansiert av Fondet for forskningsavgift på landbruksprodukter.