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Maßgeschneiderte Verpackungen auf Grundlage der Permeationseigenschaften
Die wichtigste Funktion einer Verpackung ist die Schutzfunktion, dabei soll das Füllgut vor verschie- denen Einflüssen wie Kontamination, Mikroorganismen, Mechanik geschützt werden. Die für die Haltbarkeit am rele- vantesten Beeinträchtigungen sind allerdings die Einflüsse von Sauerstoff und Wasserdampf.
Bei Lebensmitteln kommt es darauf an, die „richtige“ Barriere auszuwählen. Eine überdimensioniert dichte Verpackung kann sich negativ auswirken, indem einerseits zum Beispiel frische Salate oder Gemüse nicht mehr Stoffwechsel-aktiv sein können, wenn sie keinen Sauerstoff mehr atmen können, andererseits können Verpackungen dadurch einfach zu teuer werden. Das sogenannte Over-packaging ist weder vom Abpacker noch vom Verbraucher gewünscht. Soll ein Verpackungsmaterial auf ein bestimmtes Lebensmittel abgestimmt und zugeschnitten werden, ist das Wissen um die Grenze der Verträglichkeit gegenüber Sauerstoff oder Wasserdampf von großer Bedeutung. Hinzu kommen die Berücksichtigung der gewünschten Haltbarkeitsdauer und die Lagertemperatur (Lagerung im offenen Regal oder in der Kühltheke). Daraus lässt sich durch bekannte Algorithmen jeweils ein Durchlässigkeitswert für Sauer stoff und für Wasserdampf errechnen. Im Fraunhofer- Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung
IVV kann auf dem Hintergrund einer Datentabelle und unter Berücksichtigung der Materialstärke und der eventuellen Notwendigkeit einer Siegelung das passende Verpackungsmaterial ausgesucht werden. Bedruckung, Verpackungsgröße und Steri- lisation sind weitere Faktoren, die dabei berücksichtigt werden müssen.
Bei sehr empfindlichen Lebensmitteln ist es manchmal erforderlich, sich für eine modifizierte Atmosphäre im Kopfraum der Verpackung (Modified Atmosphere Packaging MAP) zu entscheiden. Hier spielen dann die Durchlässigkeiten der Verpackungsmaterialien gegenüber den MAP-Gasen eine wichtige Rolle. Sind diese nicht sinnvoll aufeinander abgestimmt, kann es zu Schrumpfverpackungen kommen. Dies ist der Fall, wenn das Gas in der Verpackung schneller heraus permeiert als die Gase der Umgebungsluft nach innen. Auch Bläh- packungen können vorkommen, die dann häufig zu Unrecht vom Verbraucher mit mikrobiellem Verderb in Verbindung gebracht werden. Gezielt und wohl dosiert eingesetzt, kann es wie bei der Chipsverpackung aber auch dem mechanischen Schutz des Füllguts dienen. Weitere interessante Ergänzungen im Verpackungsmaterial können sogenannte aktive Barrieren sein. Diese können erzielt werden mit Sauerstoff-Absorbern, die in einer Folie oder einer Beschichtung eingearbeitet sind. Der Sauerstoff wird so dem Kopfraum entzogen und damit das Füllgut über den Zeitraum bis der Absorber kapazitätsmäßig erschöpft ist, fast vollständig gegen den Einfluss von Sauerstoff geschützt. Solche Absorber gibt es auch für Ethylen (Reifungsgas), für Fehlaromen und für Feuchtigkeit. Ein Spezialfall davon ist die gezielte Erzeugung einer idealen relativen Feuchte in der Verpackung, wobei die ideale Feuchtigkeit unterhalb der Grenze des Mikro- organismen-Wachstums und oberhalb der Austrocknung der Lebensmittel eingestellt werden kann.
Verpackungen auf Basis nachwachsender Rohstoffe sollten aus Ausgangsstoffen sein, die nicht mit der Lebensmittelproduktion konkurrieren. Reststoffe aus der Lebens mittel- produktion sind dabei der Fokus, da sie
nicht extra produziert werden müssen. Die Menge an hergestellten Lebensmitteln wird dadurch nicht verringert und der carbon footprint positiv beeinflusst, da der Weg bis zur Abtrennung vom Lebensmittel nicht berücksichtigt werden muss. Doch besonders bei biobasierten Packstoffen stellen die Barriereeigenschaften eine Herausforderung dar. Die Wasser dampf durchlässigkeit ist in den allermeisten Fällen hoch und auch die Sauerstoffdurchlässigkeit ist nur in wenigen Fällen auf dem Niveau von erdölbasierten Polymeren. Hier sind die im Fraunhofer IVV vorhandenen wissensbasierten Technologien gefragt, um die Anforderungen für eine Lebensmittelverpackung zu erfüllen.
Die höchsten Anforderungen an die Barrierewirkung werden im Allgemeinen von technischen Folien erwartet. Verkap- selungen von photovoltaischen Zellen, sei es Dünnschichtphotovoltaik oder organische Photovoltaik, müssen eine gute Wasserdampfbarriere liefern, ansonsten verlieren die Zellen nach kurzer Zeit ihre Funktionsfähigkeit. Hierbei werden mehrere Schichtpaare aus anorganischen Aufdampfschichten mit organischen oder hybridpolymeren Lackierungen kombiniert. Je nach Höhe der Anforderungen werden ein oder zwei Schichtpaare eingesetzt. Weitere technische Produkte, die Barrieren gegen Sauerstoff und Wasserdampf benötigen, sind elektrochrome Displays, Dünnfilm- batterien, Vakuumisolationspaneele, Dünn- schicht transistoren und mit den höchsten Anforderungen an die Barrieren, die OLEDs.
Das Fraunhofer IVV beschäftigt sich mit diesen Aufgabenstellungen und ist ein kompetenter Partner bei Neuent wicklungen, Charakterisierungen und Bewertungen. Mit der für diese Materialien spezifischen Technikums- und Messgeräteausstattung können vielfältige Fragestellungen bearbeitet werden.
Autor: Dr. Klaus Noller, Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV
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10. - 12. März 2015 • Messe München
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