Water vapor tightness of packages: methods and optimizing

Työn tarkoituksena oli testata jo tutkimuskeskuksella käytössä ollutta ja tutkimuskeskukselle tässä työssä kehitettyä pakkauksen vesihöyrytiiveyteen liittyvää mittausmenetelmää. Saatuja tuloksia verrattiin keskenään sekä materiaalista mitattuihin arvoihin. Elintarvikepakkauksia tutkittiin myös kosteussensoreiden, säilyvyyskokeen sekä kuljetussimuloinnin avulla. Optimoinnilla tutkittiin pakkauksen muodon vaikutusta vesihöyrytiiveyteen. Pakkauksen vesihöyrynläpäisyn mittaamiseen kehitetty menetelmä toimi hyvin ja sen toistettavuus oli hyvä. Verrattaessa sitä jo olemassa olleeseen menetelmään tulokseksi saatiin, että uusi menetelmä oli nopeampi ja vaati vähemmän työaikaa, mutta molemmat menetelmät antoivat hyviä arvoja rinnakkaisille näytteille. Kosteussensoreilla voitiin tutkia tyhjän pakkauksen sisällä olevan kosteuden muutoksia säilytyksen aikana. Säilyvyystesti tehtiin muroilla ja parhaan vesihöyrysuojan antoivat pakkaukset joissa oli alumiinilaminaatti- tai metalloitu OPP kerros. Kuljetustestauksen ensimmäisessä testissä pakkauksiin pakattiin muroja ja toisessa testissä nuudeleita. Kuljetussimuloinnilla ei ollutvaikutusta pakkausten sisäpintojen eheyteen eikä siten pakkausten vesihöyrytiiveyteen. Optimoinnilla vertailtiin eri muotoisten pakkausten tilavuus/pinta-ala suhdetta ja vesihöyrytiiveyden riippuvuutta pinta-alasta. Optimaalisimmaksi pakkaukseksi saatiin pallo, jonka pinta-ala oli pienin ja materiaalin sallima vesihöyrynläpäisy suurin ja vesihöyrybarrierin määrä pienin.

Factors affecting tightness of package

Työn tarkoituksena oli tutkia kartonkipohjaisten pakkausmateriaalien läpäisyominaisuuksia sekä pakkausten tiiveyteen vaikuttavia tekijöitä. Työssä verrattiin skaivatun ja skaivaamattoman raakareunan sekä tölkkien pohjaratkaisujen ominaisuuksia vesihöyryn- ja hapen läpäisevyydessä, kun käytetty kartonki oli molemmin puolin polymeeripäällystetty. Tiiveysominaisuuksia tutkittiin myös vuotomittauksin, värjäyksin ja elektronimikroskoopilla. Kuivan elintarvikkeen säilytystestillä ja kilpailijapakkausanalyyseillä oli tarkoituksena myös saada selville eri pakkausmateriaalien ja pakkauksien läpäisevyys- ja tiiveysominaisuuksia. Pakkauksen saumoilla oli yhtä suuri tai suurempi vaikutus vesihöyryn läpäisyssä kuin itse materiaalilla, kun pakkaus oli molemmin puolin polymeeripäällystetty kartonkikuppi. Skaivatun sauman vesihöyrynläpäisy oli vain 4-10 % pienempi kuin raakareunallisen sauman. Pakkauksen ulkopuolisten raakareunojen suojaaminen pienensi vesihöyrynläpäisevyyttä 30 %. Kun pakkauksen sisäpuolen raaka-reuna oli suojattu teipillä, saumoilla ei ollut niin suurta vaikutusta vesihöyryn läpäisyyn verrattuna materiaaliin. Raakareunan määrällä tölkin pohjassa tai pienillä vuodoilla tölkin saumoissa ei ollut merkitystä vesihöyryn läpäisyyn. Hapenläpäisyssä oli tärkeää ehyt barrierkerros. Polymeerisen barrierkerroksen reiät ja sauman skaivaus vaikuttivat enemmän kuin vesihöyryn läpäisyssä. Mitä enemmän tölkin pohjassa oli raakareunaa, sitä suurempi oli sen hapenläpäisy. Pakkauksen konvertointi, koneen säädöt ja lämmön kohdistus, ovat saattaneet aiheuttaa värjäyksellä havaitut barrierkerroksen mikroreiät. Kaupalliset kuiva-ainepakkaukset sisälsivät pääasiassa alumiinilaminaatin vesihöyryn, hapen ja valon suojana, kun tuotteena oli maitojauhetta ja rasvaa sisältävä elintarvike. Kuitenkin, jos pakkausmateriaali sisälsi vain ohuen sumutetun alumiinikerroksen, sen barrieriominaisuus ei ollut yhtä hyvä kuin alumiinilaminaatin. Äidinmaidonkorvikkeen säilytystestissä seurattiin eri analyysein tuotteen laatua kolmen kuukauden säilytyksen ajan. Pakkauksen vesihöyryn läpäisyominaisuus osoittautui tärkeimmäksi, sillä kosteuden vaikutus tuotteen laadun heikkenemisessä oli suurin. Hapen vaikutus on myös olennainen ja siten hyvä hapenestokerros sekä tiiveys ovat myös tärkeitä pakkauksen ominaisuuksia.

The tightness performance of pre-formed trays as package

Suojakaasupakkaaminen (MAP) on yleistynyt viime aikoina, koska sen avulla voidaan säilöä tuoreita tai vähän käsiteltyjä elintarvikkeita pidempään. Suurin syy hyllyiän pidentymiseen on hiilidioksidin aiheuttama mikrobien kasvun hidastuminen. Toisaalta huolena on patogeenisten mikrobien lisääntyminen anaerobisissa olosuhteissa. Pidempi säilyvyys voidaan saavuttaa myös käyttämällä vähemmän lisä- ja säilöntäaineita. Samalla suojakaasupakkaaminen kuitenkin vähentää myös pilaantuneiden tuotteiden määrää. Eniten suojakaasua käytetään lihan pakkaamisessa. Suojakaasupakkaamisessa elintarvikepakkaukseen syötetään normaalista huoneilmasta poikkeava kaasuseos. Pääasiassa kaasuseos koostuu hiilidioksidista, hapesta ja typestä. Lisäksi voidaan käyttää pieniä määriä hiilimonoksidia, argonia ja rikkidioksidia. Kaasuseoksen koostumus määräytyy elintarvikkeiden ominaisuuksien ja vaatimusten perusteella. Halutun kaasukoostumuksen tulee säilyä pakkauksessa muutamasta päivästä muutamaan kuukauteen riippuen elintarvikkeesta. Siksi tärkein pakkaukselta vaadittava ominaisuus on riittävä kaasutiiveys ja erityisesti hapenläpäisevyys. Koska suurin osa suojakaasupakkauksista on tällä hetkellä muovisia, tutkittiin kokeellisessa osiossa kartonkipakkausten tiiveysominaisuuksia. Kokeet tehtiin vertailemalla erilaisten vuoka- ja kansimateriaalien vaikutusta pakkausten tiiveyteen. Vuokien onnistuminen oli suurin yksittäinen tuloksiin vaikuttanut tekijä. Epäonnistuneen vuoan vaikutukset näkyivät myös saumauksessa, koska saumaustyökalun ja vuoan piti sopia yhteen. Lisäksi näkymättömät mikroreiät hankaloittivat todellisten vuotokohtien paikallistamista. Vuototestausten perusteella materiaaleille löydettiin kuitenkin viitteelliset optimiparametrit. Tärkein saumauksessa vaikuttanut tekijä oli sopivan saumauslämpötilan valinta. Prässättyjen vuokien laatu oli epätasainen. Siksi erityisesti rinnakkaisten kansitus- ja hapenläpäisymittausten väliset erot olivat merkitseviä. Lisäksi prässäys laski materiaalien hapenläpäisyominaisuuksia. Yksittäisten vuokien tiiveysominaisuudet täyttivät kuitenkin kaupallisille kaasupakkauksille asetetut vaatimukset. Vesihöyrynläpäisevyydessä materiaalin vesihöyrynläpäisy oli merkittävämpää kuin vesihöyryn kulkeutuminen vuotokohtien tai epäonnistuneiden saumojen kautta.

Nestepakkauskartongin kosteuden hallinta

Koska kartonki on hygroskooppista, sen kosteus on riippuvainen ilman lämpötilasta ja suhteellisesta kosteudesta. Liian korkea kosteus kartongissa aiheuttaa jäykkyyden alenemista, kartongin sitkeyttä, sekä pullistuneita pakkauksia kuluttajilla. Kosteusongelmia syntyy varastoinnissa, sekä kylmän rullan käsittelyn aikana lämpimissä tuotantotiloissa. Rullaa tulisi säilyttää tiiviissä paketissa, jotta se olisi suojattu ympäristön vaihtelevilta olosuhteilta. Jos pakkaus ei ole tiivis ja ympäröivä ilma pääsee kontaktiin kartongin kanssa kylmävarastoinnin aikana, nousee kartongin kosteus jo parissa vuorokaudessa yli 7 %:iin ilman lämpötilan ollessa 15 °C ja suhteellisen kosteuden 95 %. Kirjallisuusosan tavoitteena oli kartoittaa tekijät, joilla on vaikutusta kuitujen ominaisuuteen imeä itseensä kosteutta ympäröivästä ilmasta. Kokeellisessa osassa selvitettiin, oliko kartongin kosteuden nousu johtunut tasapainokosteuden nousemisesta. Painopisteenä oli tutkia kosteuden muutokset varastoinnin ja konvertoinnin sekä pakkaustuotteen käytön aikana. Simuloinnin avulla määritettiin kosteuden penetroituminen rullaan. Tutkittiin pakkausmateriaalien vesihöyrytiiveydet ja käärinnän vaikutus rullapakkauksen sisäisiin olosuhteisiin. Nestepakkauskartongin tasapainokosteus ei ollut muuttunut. Käytännön varastointikokeiden avulla havaittiin, että pinon päällimmäinen rulla altistui eniten ympäröivän ilman olosuhteiden muutoksille. Havaittiin myös kosteuseroa tämän rullan reunojen välillä. Mitä lyhyempi on varastointiaika kartongin päällystyksen jälkeen, sitä paremmin ehkäistään kosteuden noususta aiheutuvat haitat kartongissa. Maksimivarastointiaika rullille on 1,5 kuukautta, jolloin kartongin kosteus oli 6,5 % ja pinon päällimmäisessä rullassa noin 6,7 %. Pitkään varastoidusta kartongista valmistetuissa maitotölkeissä oli korkein kosteus, suurin pullistuma ja alhaisin otejäykkyys 10 päivän jälkeen täytöstä. Varastointiajan ollessa pitkä, kartongista tulee sitkeää ja venyvää, ja se sitoo enemmän kosteutta kuin mitä se on sitonut ennen varastoon tuloa. Skaivaus pienentää kosteuspenetraatiota raakakartonkiin, jolloin jäykkyys säilyy ja pullistuma pienenee pakkauksessa.

Methods to test gas tightness of packages

One of the primary goals for food packages is to protect food against harmful environment, especially oxygen and moisture. The gas transmission rate is the total gas transport through the package, both by permeation through the package material and by leakage through pinholes and cracks. The shelf life of a product can be extended, if the food is stored in a gas tight package. Thus there is a need to test gas tightness of packages. There are several tightness testing methods, and they can be broadly divided into destructive and nondestructive methods. One of the most sensitive methods to detect leaks is by using a non destructive tracer gas technique. Carbon dioxide, helium and hydrogen are the most commonly used tracer gases. Hydrogen is the lightest and the smallest of all gases, which allows it to escape rapidly from the leak areas. The low background concentration of H2 in air (0.5 ppm) enables sensitive leak detection. With a hydrogen leak detector it is also possible to locate leaks. That is not possible with many other tightness testing methods. The experimental work has been focused on investigating the factors which affect the measurement results with the H2leak detector. Also reasons for false results were searched to avoid them in upcoming measurements. From the results of these experiments, the appropriate measurement practice was created in order to have correct and repeatable results. The most important thing for good measurement results is to keep the probe of the detector tightly against the leak. Because of its high diffusion rate, the HZ concentration decreases quickly if holding the probe further away from the leak area and thus the measured H2 leaks would be incorrect and small leaks could be undetected. In the experimental part hydrogen, oxygen and water vapour transmissions through laser beam reference holes (diameters 1 100 μm) were also measured and compared. With the H2 leak detector it was possible to detect even a leakage through 1 μm (diameter) within a few seconds. Water vapour did not penetrate even the largest reference hole (100 μm), even at tropical conditions (38 °C, 90 % RH), whereas some O2 transmission occurred through the reference holes larger than 5 μm. Thus water vapour transmission does not have a significant effect on food deterioration, if the diameter of the leak is less than 100 μm, but small leaks (5 100 μm) are more harmful for the food products, which are sensitive to oxidation.