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Innovations in modified atmosphere and humidity packaging applied to fresh produce

Grossi Bovi Karatay, Graziele

FG Lebensmittelbiotechnologie und -prozesstechnik

Fresh produce are unique among food products as they remain metabolically (e.g. respiring) and physically active (e.g. transpiring) and their shelf and storage life are shortened as consequence of these processes. Both transpiration and respiration plays an important role in water loss and in the postharvest quality of horticultural products. Transpiration is a process driven by the water vapour pressure difference between the product and its surrounding atmosphere, whereas respiration is a complex metabolic process comprising several different pathways that produce metabolites, carbon dioxide (CO2), biochemical energy, reduction equivalents and, finally, water from the oxidation of atmospheric oxygen (O2) at the expense of stored sugars, organic acids, lipids or fat. According to Food and Agricultural Organization (FAO), fresh produce have the highest wastage rates (45 %) in comparison to any other food product, almost half of all fresh produce produced are wasted. Appropriate packaging has been shown to slow down such physiological and metabolic processes and consequently prolonging the shelf life of fresh product. Modified atmosphere packaging (MAP) has been and still is extensively used for this purpose. However, current MAP design considers the respiration rate of product as the only important parameter for deciding target gas barrier properties of packaging materials. Nevertheless, besides O2 and CO2 regulation, it is also important to take into consideration the in-package humidity, in order to avoid condensation inside MAP systems. Condensation represents a risk to the product quality as water may accumulate on packaging material and/or product surface resulting in defects in external appearance and promoting growth of spoilage microorganisms. Thus, humidity regulation is extremely important to further extend shelf life of fresh produce. Moreover, for the selection of the most appropriate packaging strategy that takes into consideration moisture regulation; modified atmosphere and humidity packaging (MAHP) application is required. For MAHP application it is essential to know how much water is released by the product and through the packaging system. Water loss in horticultural products is commonly measured by quantifying the amount of water released by the product per unit of time, known as the transpiration rate (TR). Based on this context, experiments on a single unpackaged strawberry were performed at 4, 12 and 20 °C; and 76, 86, 96 and 100 % RH. Water loss was also investigated as a function of the number of strawberries (1, 3, 6 and 15) and package volume (0.8, 1.4 and 2.3 L) at 12 °C. Experiments showed that different numbers of packaged strawberries in a fixed package size behaved differently; the TR of one strawberry was   2.5 times higher than of 15 strawberries. The key finding was that headspace played an important role in water loss of packaged strawberries. Therefore, TR measurements of single strawberries measured in large chambers with unrestricted surrounding air flow conditions are not suitable to estimate water loss from packaged fresh produce. Hence, two different TR models were developed: i) a model as a function of temperature, RH and mass transfer for an unpackaged single strawberry and ii) a model based on degree of filling for packaged strawberry. The latter model has potential application towards the selection of optimal moisture control strategies for packaged strawberries. Moreover, this research focused on strategies to avoid/reduce in-package condensation by moisture and/or humidity regulation approaches in MAHP systems. Two feasible and innovative moisture regulation approaches were studied. The first approach consisted of packages fitted with a rectangular window of highly water permeable film (33, 66 and 100 % of total upper package area). The films used as windows were cellulose-based NatureFlex™ polymeric film and Xtend® breathable film, while Propafilm™ was used as control. The second approach involved the use of moisture absorbing pads, namely FruitPad, containing different contents of fructose (0, 20 and 30 %) as an active ingredient for moisture absorption. FruitPads were exposed to different storage conditions and moisture absorption kinetics was gravimetrically determined over 5 days of storage. FruitPad with 30 % fructose showed highest amount of moisture absorption (0.94 g of water per g of pad) at 20 °C and 100 % RH. The Weibull model combined with the Flory-Huggins model adequately described changes in the moisture content of the FruitPad (R2 = 0.93 – 0.96). Furthermore, to mimic retail practices, high water permeable films (NatureFlex™ and Xtend®) and FruitPads with different fructose contents (0, 20, 30, 35 and 40 %) were assessed under dynamic storage conditions and performance of the package design was evaluated. Package design performance was evaluated in terms of headspace gas composition, mass loss, condensation, physico-chemical changes and visual and ortho-nasal quality evaluation. Results showed that both strategies were efficient in reducing water vapour condensation, as compared to the control packages; however, this was at the expense of higher product mass loss. Percentage mass loss of packaged strawberries ranged from 0.6 % to 4 % and was 33 % for unpackaged. Overall results of this thesis showed that the use of high water vapour permeable films as windows, instead of packing the entire product in such film, was advantageous as it can be customised according to the specific physiological properties of each packaged fresh produce. Thus, avoiding excessive mass loss of product. FruitPads were also promising as they do not only absorb the water in direct contact with fresh produce but also water vapour from the package headspace. In addition, similar to the high water permeable film as windows it was possible to avoid excessive mass loss of product by selecting the appropriate fructose content. Overall, the potential of using the two innovative moisture control strategies for packaging of strawberry in MAHP systems is reflected in the different parts of this PhD thesis. The experimental data obtained from this research deepened the understanding of how the physiological processes of strawberries, temperature management, and package geometry affected the in-package humidity and condensation. These results provided substantial contributions to the scientific knowledge on MAHP as well as to the packaging industry by aiding in the selection of most adequate moisture control strategy to be used.
Frische gartenbauliche Produkte nehmen unter den Lebensmitteln eine besondere Stellung ein, denn sie leben auch nach der Ernte weiter, sie bleiben stoffwechselaktiv, atmen und transpirieren. Dies wiederum verkürzt bzw. beeinflusst ihre Haltbarkeit und ihre Lagerungsqualität. Sowohl Transpiration als auch Atmung spielen eine wichtige Rolle beim Wasserverlust; sie beeinflussen auch in hohem Maße die Nacherntequalität von Gartenbauprodukte. Die Wasserdampfflüsse der Transpiration werden dabei durch den Wasserdampfpartialdruckgradienten zwischen dem Produkt und der umgebenden Atmosphäre angetrieben. Die Atmung dagegen ist ein sehr komplexer Stoffwechselprozess, der mehrere Teilschritte umfasst. Dabei werden auf Kosten von eingelagerten Zuckern, organischen Säuren, Lipiden oder Fetten unterschiedlichste Stoffwechselzwischenprodukte sowie Kohlendioxid (CO2), Reduktionsäquivalente, biochemische Energie und schließlich, unter Oxidation von Luftsauerstoff (O2), Wasser gebildet. Wie Analysen der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) zeigten, haben diese Frischprodukte die höchsten Verlustraten (45 %) unter allen Lebensmitteln. Beinahe die Hälfte des produzierten Obst und Gemüses landet auf dem Müll! Optimierte, spezifische Verpackungen können die Stoffwechselprozesse jedoch verlangsamen und damit die Haltbarkeit der Produkte entsprechend erhöhen. Verpackungen in denen sich eine modifizierte Atmosphäre einstellt (modified atmosphere packaging, MAP) wurden und werden in diesem Zusammenhang intensiv genutzt. Bisher werden die Verpackungssysteme ausschließlich auf ihr Vermögen zur Verringerung der Atmungsaktivität hin designt. Folglich werden auch nur die entsprechenden Diffusions- bzw. Gasbarriereeigenschaften als wichtiges Auswahlkriterium für das zu wählende Verpackungsmaterial angesehen. Jedoch ist es sehr wichtig, nicht nur die jeweiligen Sauerstoff- und Kohlestoffdioxidkonzentrationen in der Verpackung zu beeinflussen, auch die gezielte Regulation der Luftfeuchtigkeit, d. h. des Wasserdampfgehaltes in der Verpackung ist von großer Bedeutung, um eine Kondensation in den MAP-Systemen zu vermeiden. Eine Kondensation von Wasserdampf kann eine Bedrohung für die Produktqualität darstellen, da sich das Wasser auf dem Verpackungsmaterial, vor allem aber auch auf der Produktoberfläche anhäufen kann. Dadurch wird das Erscheinungsbild der Produkte verschlechtert; aber vor allem wird das Wachstum von Mikroorganismen und damit der Verderb der Produkte verstärkt. Eine Kontrolle und Regulation der Luftfeuchtigkeit in der Verpackung ist daher extrem wichtig, will man die Haltbarkeit der Frischprodukte weiter verlängern. Für die Wahl der optimalen Strategie für die Regulation der Luftfeuchtigkeit in einer MA-Verpackung ist es absolut essentiell, die Wasserdampfabgabeeigenschaften, d. h. die Transpirationseigenschaften der jeweiligen Produkte genau zu kennen. Die Wasser(dampf)verluste und somit die Transpirationsraten (TR) der gartenbaulichen Produkte werden oft durch Messung des Masseverlusts pro Zeiteinheit erfasst. In diesem Zusammenhang wurden im Rahmen dieser Arbeit Experimente an einzelnen unverpackten Erdbeeren durchgeführt, die bei 4, 12 und 20 °C bzw. bei 76, 86, 96 und 100 % gelagert wurden. Das tatsächliche Ausmaß der Wasserdampfabgabe wurde auch in Abhängigkeit von der Anzahl der Früchte (1, 3, 6 und 15) in Packungen mit unterschiedlichem Volumen (0,8, 1,4 und 2,3 L) untersucht, die jeweils bei 12 °C gelagert wurden. Diese Versuche zeigten, dass eine Variation der Anzahl der Früchte in einer Verpackung mit definiertem Volumen die Transpirationseigenschaften und damit den Gesamtwasserverlust deutlich beeinflusst. Eine einzelne Erdbeere transpiriert zweieinhalb Mal so viel wie 15 Früchte. Die wichtigste Erkenntnis aus diesen Versuchen war aber, dass der Luftraum über den Früchten generell eine essentielle Rolle bei den Wasserverlusten der verpackten Früchte spielt. Somit sind die an unverpackten Einzelfrüchten bei ungehinderter Luftumströmung ermittelten Transpirationsraten nur ganz bedingt nutzbar, um die Wasserverluste von verpackten Frischprodukten abzuschätzen. Aus diesem Grund wurden weiterhin zwei unterschiedliche Transpirationsmodelle entwickelt. Das erste Modell als Funktion von Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Massentransfer für eine unverpackte einzelne Erdbeere und dem ersten Fickschen Diffusionsgesetz, während das zweite den Füllungsgrad der Packung mit Erdbeeren mit einbezieht. Diese Modelle besitzen nicht nur für Erdbeeren ein großes Potential zur effektiven Selektion der optimalen Kontrollstrategie der Luftfeuchtigkeit in den Verpackungen. Darüber hinaus fokussierten sich die Forschungsarbeiten auf die Kontrolle der Luftfeuchte in MA-Verpackungen, um eine Kondensation zu vermeiden bzw. zumindest zu reduzieren. Dabei wurden zwei mögliche innovative Strategien zur Feuchteregulation näher untersucht; i) die Nutzung von Plastikfolieneinsätzen mit hoher Permeabilität für Wasserdampf in der Umverpackung und ii) kontaktlos feuchtigkeitsaufnehmende Absorptionskissen (FruitPad). Bei dem ersten Ansatz wurden die Verpackungen mit unterschiedlich großen (33, 66 bzw. 100 % der gesamten Verpackungsoberseite) rechteckigen Einsätzen aus Folienmaterial mit hoher Permeabilität für Wasserdampf versehen. Diese Einsätze bestanden aus zellulosebasierender NatureFlex™ Polymerfolie bzw. aus atmungsaktiver Xtend® Folie, während PropafilmTM Folie für die Kontrollen bzw. für die restliche Umverpackung genutzt wurde. In dem zweiten Ansatz wurden „FruitPads“ verwendet, die unterschiedliche Gehalte an Fruktose (0, 20 und 30 %) als aktive Bestandteil zur Absorption der Feuchtigkeit enthielten. Die FruitPads wurden unterschiedlichen Lagerbedingungen ausgesetzt und die Wasserabsorption gravimetrisch über fünf Tage bestimmt. Dabei zeigten die FruitPads mit 30 % Fruktose mit 0,94 g H2O pro g Padmaterial bei 20 °C und wasserdampfgesättigter Atmosphäre die höchste Wasserabsorption. Mit einem Weibull-Modell, kombiniert mit dem Flory-Huggins-Model, konnten die Änderungen im Wassergehalt der FruitPads sehr gut beschrieben werden (R2= 0,93–0,96). Die relevanten Eigenschaften der wasserdampfdurchlässigen Folien (NatureFlex™ und Xtend®) und der FruitPads mit den unterschiedlichen Fruktosegehalten (0, 20, 30, 35 und 40 %) wurden weiterhin unter dynamischen Lagerbedingungen untersucht und die Verpackungseigenschaften analysiert. Die Leistung der Verpackung wurde hinsichtlich der Gaszusammensetzung im Kopfraum, der Kondensation im Inneren sowie des Massenverlusts, der physikalisch-chemischen Veränderungen und der visuellen/ortho-nasalen Qualitätsbewertung der verpackten Erdbeeren bewertet. Der prozentuale Massenverlust lag dabei zwischen 0,6 und 4 % und Vergleich zu unverpackten Erdbeeren mit 33 %. Zusammenfassend ergaben die Resultate dieser Experimente, dass die Nutzung von wasserdampfdurchlässigen Folienbereichen im Vergleich zum vollständigen Verpacken der Produkte in solchen Folien den Vorteil einer einfachen Anpassung der Verpackung an die produktspezifischen Transpirationseigenschaften hat, wodurch übermäßige Wasserverluste vermieden werden können. FruitPads zeigten sich ebenso vielversprechend, da sie bei direktem Kontakt mit den Früchten das Wasser ebenso absorbierten wie den Wasserdampf aus dem Verpackungsvolumen. Ähnlich wie bei den wasserdampfdurchlässigen Folienbereichen ist es mit den FruitPads möglich, durch die Wahl geeigneter Fruktosegehalte übermäßige Wasserverluste der Produkte zu vermeiden. In den unterschiedlichen Abschnitten dieser Dissertation werden die Nutzungspotentiale zweier innovativer Techniken zur Feuchtigkeitskontrolle in MAHP-Verpackungen am Beispiel von Erdbeeren detailliert behandelt. Die in diesen Experimenten erzielten Ergebnisse vertiefen das Verständnis der Einflüsse von Fruchtphysiologie, Temperaturmanagement und Verpackungsgeometrie auf die Feuchtigkeit und die Kondensation in Verpackungen. Diese Ergebnisse leisten damit einen wesentlichen Beitrag zum wissenschaftlichen Verständnis der MAHP und helfen der Verpackungsindustrie bei der Wahl der optimalen Technik für eine effektive Kontrolle und Regulation der Feuchtigkeit in Fruchtverpackungen.