ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΣΥΣΚΕΥΑΣΙΑΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Δρ. Αναστασία Μπαδέκα Τμήμα Χημείας Παν/μιο Ιωαννίνων

ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ ΥΛΙΚΩΝ ΣΥΣΚΕΥΑΣΙΑΣ ΣΕ ΑΕΡΙΑ, ΥΔΡΑΤΜΟΥΣ ΚΑΙ ΟΣΜΗΡΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ

Η διάλυση και η μεταφορά ενώσεων μικρού μοριακού βάρους μέσω του υλικού συσκευασίας είναι ένας παράγοντας που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά το σχεδιασμό της συσκευασίας. Είναι πορεία δύο δρόμων: Απώλεια υγρασίας ή αρωματικών ενώσεων του τροφίμου (προς το περιβάλλον) Πρόσληψη ανεπιθύμητων οσμών ή υγρασίας από το περιβάλλον.

Οι πορείες με τις οποίες περνούν τα αέρια και οι ατμοί μέσω των πολυμερικών υλικών είναι: Μέσω πόρων – τα αέρια και ατμοί ρέουν μέσω μικροσκοπικών πόρων, οπών και σπασιμάτων των υλικών Διαλυτοποίηση-διάχυση – αέρια και ατμοί διαλύονται στην μία επιφάνεια του πολυμερούς, διαχέονται μέσα στο υλικό λόγω διαφοράς συγκέντρωσης και εξατμίζονται στην άλλη πλευρά του πολυμερούς (διαπερατότητα)

ΘΕΩΡΙΑ Σε σταθερές συνθήκες το αέριο ή ο ατμός θα διαχυθεί μέσω του πολυμερούς με σταθερό ρυθμό εάν η διαφορά πίεσης μεταξύ των δύο πλευρών του πολυμερούς διατηρείται σταθερή. Η ροή J του διεισδυτικού μέσα από μία επιφάνεια πολυμερούς ορίζεται ως: t A Q J × = Q είναι το ολικό ποσό του διεισδυτικού που πέρασε από μία επιφάνεια Α σε χρόνο t

Η σχέση μεταξύ του ρυθμού διαπέρασης και της συγκέντρωσης δίνεται από το 1ο Νόμο του Fick: J είναι η ροή ανά μονάδα επιφάνειας, c είναι η συγκέντρωση του διεισδυτικού, D ορίζεται ως ο συντελεστής διάλυσης και δc/δx είναι η διαφορά συγκέντρωσης κατά το πάχος δx x c D J d - =

ΣΤΑΘΕΡΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ) ( p A l P t Q D = Η διάχυση είναι σε σταθερή κατάσταση, η σχέση συγκέντρωσης-απόστασης είναι γραμμική, η διάχυση λαμβάνει χώρα μόνο προς μία κατεύθυνση και οι συντελεστές διάχυσης D και διαλυτότητας S είναι ανεξάρτητοι από τη συγκέντρωση. Η εξίσωση που ισχύει σε αυτή την περίπτωση είναι η ) ( p A l P t Q D = Q=ποσότητα που διαπέρασε, t=ο χρόνος, P=ο συντελεστής διαπερατότητας, Α=επιφάνεια, Δp=διαφορά πίεσης μεταξύ των δύο πλευρών του υλικού, l=πάχος υλικού

ΜΗ ΣΤΑΘΕΡΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Εξαιτίας του περιορισμένου ρυθμού διάχυσης της ένωσης μέσα στο πολυμερές υπάρχει μία περίοδος μέχρι να επιτευχθεί η σταθερά κατάσταση. Μία τυπική καμπύλη διαπέρασης και του χρόνου υστέρησης είναι η εξής Q Σταθερή κατάσταση Ασταθής κατάσταση L t

Q = F At Ο ρυθμός διαπέρασης, F, είναι ίσος με Q = ποσότητα διεισδυτικού που πέρασε από τη μεμβράνη Α = επιφάνεια μεμβράνης t = χρόνος

Προέκταση του ευθύγραμμου τμήματος της σταθεράς κατάστασης, σημείο τομής ο χρόνος υστέρησης, L και υπολογίζεται ο συντελεστής διάχυσης, D L l D 6 2 = D = ο συντελεστής διάχυσης, l = πάχος, L = χρόνος υστέρησης

Η σταθερά διαπερατότητας, P, είναι ίση με At D = Ql P Q = ποσότητα της ένωσης που διαπέρασε, l = πάχος μεμβράνης, Α = επιφάνεια μεμβράνης, t = χρόνος, Δp = διαφορά πίεσης μεταξύ των δύο πλευρών της μεμβράνης

Ο συντελεστής διαλυτότητας και ο συντελεστής διάλυσης περιγράφουν τον συντελεστή διαπερατότητας, Ρ P=DS S=P/D

Όταν λαμβάνει χώρα διόγκωση του πολυμερούς (οργανικοί διαλύτες, μεγάλα μόρια αερίων) τότε οι D και S εξαρτώνται από τη συγκέντρωση και το χρόνο. Απαιτείται η μελέτη συμπεριφοράς της προσρόφησης συναρτήσει του χρόνου Τοποθέτηση του πολυμερικού υλικού σε ομοιόμορφη συγκέντρωση ατμών σε γνωστή θερμοκρασία και πίεση. Μέτρηση απώλειας ή αύξησης του βάρους στην κατάσταση ισορροπίας σε διαφορετικές συγκεντρώσεις ατμών και προσδιορισμός της ισόθερμης προσρόφησης

ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ Συντελεστής διαπερατότητας Ο συντελεστής διαπερατότητας, Ρ, είναι ένα μέτρο της ποσότητας του διεισδυτικού που περνά από μία μονάδα επιφανείας πολυμερούς. Συντελεστής διάχυσης Ο συντελεστής διάχυσης, D, είναι ένα μέτρο της ταχύτητας των μορίων που κινούνται μέσα στο πολυμερές (cm2/s) Συντελεστής διαλυτότητας Ο συντελεστής διαλυτότητας, S, είναι ένας δείκτης του αριθμού των μορίων διεισδυτικού τα οποία διαχέονται (πυκνότητα ανά μονάδα όγκου).

Παράγοντες που επηρεάζουν τη διαπερατότητα Χημική σύσταση και μορφολογία του υλικού συσκευασίας (πολικότητα, αδράνεια, ακαμψία, συσσώρευση, κρυσταλλικότητα, σταυροδεσμοί, υψηλή θερμοκρασία Tg) Χημική σύσταση του διεισδυτικού (διαστάσεις, πολικότητα, ικανότητα συμπύκνωσης)

Συγκέντρωση του διεισδυτικού Παρουσία και άλλων ενώσεων (οξικός αιθυλεστέρας, λεμονένιο) Σχετική υγρασία (πολικά) Θερμοκρασία S=Soexp(-ΔHs/RT) αέρια , ατμούς  D=Doexp(-Ed/RT)  P=Poexp(-Ep/RT) 

ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΣ Μέθοδος αυξημένης πίεσης Μέθοδος αυξημένης συγκέντρωσης Μέθοδος αυξημένου όγκου Μέθοδος ανίχνευσης με χρήση μεμβράνης

Μέτρηση διαπερατότητας σε Ο2 Το οξυγόνο επηρεάζει τη γεύση, οσμή, χρώμα, τη θρεπτική αξία και το χρόνο ζωής των τροφίμων Χρησιμοποιούνται αυτοματοποιημένα συστήματα μέτρησης (MOCON – Oxtran) με κουλομετρικό ανιχνευτή Μονάδες μέτρησης cm3/m2 day atm

Μέτρηση διαπερατότητας σε υδρατμούς Η υγρασία επηρεάζει οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των τροφίμων (απώλεια ή προσρόφηση υγρασίας) καθώς και το χρόνο ζωής τους Χρησιμοποιούνται αυτοματοποιημένα συστήματα μέτρησης (MOCON – Permatran) με υπέρυθρο ανιχνευτή Μονάδες μέτρησης cm3/m2 day

Μέτρηση διαπερατότητας σε CO2 Οι νέες τεχνικές συντήρησης τροφίμων απαιτούν νέα υλικά συσκευασίας. Η τροποποιημένη ατμόσφαιρα και η ελεγχόμενη ατμόσφαιρα του συσκευασμένου τροφίμου πρέπει να διατηρείται αυστηρά έτσι ώστε να είναι αποτελεσματικές μέθοδοι συντήρησης. Χρησιμοποιούνται αυτοματοποιημένα συστήματα μέτρησης με υπέρυθρο ανιχνευτή Μονάδες μέτρησης cm3/m2 day atm

Γενικά ισχύει ότι οι διαπερατότητες των πολυμερικών υλικών σε Ν2, Ο2 και CO2 έχουν λόγο 1:4:24

Ρυθμοί διαπερατότητας οξυγόνου και υδρατμών διαφόρων υλικών πάχους 25μm Υλικό OTR (cm3/m2day atm) 25oC & 50% RH WVTR (g/m2 day) 25oC & 75% RH PVDC 2 1 EVOH 0,5-10* 40 PVDC-PVC 15 9 Nylon 6 50-150* Polyester 80 8 PVC 200 20 HDPE 1400 OPP 1500 LDPE 8000 5 HIPS 4500 30

Μέτρηση διαπερατότητας σε οργανικούς ατμούς (άρωμα) Στατικός τρόπος Μέτρηση διαπερατότητας σε οργανικούς ατμούς (άρωμα) Στατικός τρόπος Έξοδος δειγματοληψίας (GC) Δείγμα μεμβράνης Εξεταζόμενη ένωση

Δυναμικός τρόπος Αδρανές αέριο Έξοδοι δειγματοληψίας (GC) περιβάλλον Δείγματα μεμβρανών Εξεταζόμενη ένωση

Ένα υλικό χαρακτηρίζεται ως υψηλός φραγμός ανάλογα με τη τιμή της διαπερατότητάς του στο Ο2 < 2cm3/m2 day atm

Όταν ένα πολυμερικό υλικό έχει υψηλό φραγμό στο οξυγόνο συνήθως έχει καλό φραγμό στις οσμηρές ενώσεις εκτός από τις περιπτώσεις που υπάρχει αλληλεπίδραση με το διεισδυτικό

Εάν ένα πολυμερικό υλικό έχει υψηλό φραγμό στο Ο2 δεν συνεπάγεται ότι θα έχει καλό φραγμό στους υδρατμούς

Ιδιαίτερη προσοχή με τα υλικά που προσροφούν υγρασία