Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Verpackung: Ausgabe 10/2014, 06.10.2014

Clevere Verpackung

Forscher des Deutschen Instituts für Lebensmitteltechnik haben eine intelligente Verpackungsidee entwickelt, mit der sich die optimale Pasteurisation durch Hochdruck eindeutig nachweisen lässt.

Autor: Jens Schröder, Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V.

Hohe Sicherheits- und Hygienemassnahmen bilden die Grundlage der heutigen Lebensmittelproduktion. Dass der Vorsprung im Bereich Forschung und Entwicklung längst als entscheidender Wettbewerbsvorteil – auch von der Industrie – wahrgenommen wird, ist dabei nicht verwunderlich. Das gilt insbesondere für die Haltbarmachung. Neben konventionellen Methoden der Pasteurisation steht Lebensmittelproduzenten heute eine breite Palette innovativer Technologien der Haltbarmachung zur Verfügung. Vorrangiges Ziel dieser Entwicklungen ist eine schonende Behandlung der Produkte mit Blick auf den Erhalt von Aromen und wertgebenden Inhaltsstoffen. So sind insbesondere Alternativen zum Einsatz konventioneller Methoden wie die Wärmebehandlung und die Zugabe künstlicher Inhaltsstoffe gefragt, nicht zuletzt auch durch den Verbraucher.

Hochdrucktechnologie in der Entwicklung.

Aktuell erfolgt die Haltbarmachung von verpackten Lebensmitteln überwiegend durch thermische Verfahren. Aufgrund steigender Anforderungen an die Lebensmittelqualität sowie die Sicherheit nutzen Produzenten nicht-thermische Verfahren wie die Behandlung mittels hohem hydrostatischem Druck, die hauptsächlich bei Wurst und Fleischwaren, aber auch Meeresfrüchten und pastösen Lebensmittelmassen zum Einsatz kommen.

Gerade bei neuen Technologien, die Unternehmen in der Praxis seltener anwenden, ist es wichtig, die erfolgreiche Integration in den bestehenden Produktionsprozess zuverlässig und lückenlos nachweisen zu können. Jeder Hersteller, der die Hochdrucktechnologie oder andere Pasteurisationsprozesse in seine Prozesskette integriert, muss sich die Frage stellen: Ist die Behandlung jedes einzelnen Produkts tatsächlich erfolgt? Bei thermischen Verfahren kommen hierzu im Allgemeinen Datenlogger zum Einsatz, die entsprechende Temperaturverläufe an prozesskritischen Stellen dokumentieren. Dieses Vorgehen ist bei einer Behandlung mittels Hochdruck noch nicht mit kommerziellen Sensoren machbar. Derzeit stehen nur einige Sonderlösungen wie zum Beispiel Online-Temperatursensoren zur Verfügung. Zudem bilden Produktionsunterbrechungen oder Schichtwechsel kritische Intervalle.

Kritische Schnittstellen im Visier.

Ideal für eine verpackungsweise Kont­rolle der Hochdruckbehandlung wäre ein direkt auf der Verpackung aufgebrachter oder integrierter Marker, der die Behandlung einer jeweiligen Lebensmittelverpackung eindeutig nachweist. Diesbezüglich bieten auf die Verpackung aufgedruckte Schwingkreise die Möglichkeit, eine Überwachung der Hochdruckbehandlung sicherzustellen. Wissenschaftler des Deutschen Instituts für Lebensmitteltechnik im norddeutschen Quakenbrück setzen sich regelmässig mit diesen praxisbezogenen Problemstellungen auseinander und kennen die kritischen Schnittstellen im Einführungsprozess von Innovationen. Im Forschungsbereich Prozessanalytik haben die Forscher ein Konzept für einen in die Verpackung integrierten Hochdruckmarker erarbeitet und im Rahmen eines Forschungsprojekts (Aif 16466 N) umgesetzt, mit dem ein entsprechender Nachweis realisierbar ist.

Elektromagnetische Resonanzen bringen Gewissheit.

Das generelle Funktionsprinzip ist an EAS-Warensicherheitsetiketten angelehnt, die einen Schwingkreis enthalten und beim Durchschreiten eines, durch ein magnetisches Feld erzeugten Gates funk­tionsfähige EAS-Etiketten detektiert. Dies erfolgt durch Prüfung der Resonanz­erscheinung in einem bestimmten Frequenzbereich und bewirkt bei intakten Etiketten die Auslösung eines Alarm­signals. In Analogie hierzu drucken die Experten auf eine Lebensmittelver­packung einen Schwingkreis mit einer geeigneten definierten Resonanzerscheinung. Infolge einer durchgeführten Hochdruckbehandlung ergibt sich eine messtechnisch erfassbare Veränderung der Resonanzerscheinung. Dies macht einen anschliessenden Nachweis jeder behandelten Probe möglich.

Schematische Darstellung des Funktionsprinzips.

Zur Realisierung müssen Unternehmen nur die Komponenten des Schwingkreises drucktechnisch auf eine Verpackung aufbringen. Zum einen ist eine Flachspule mit einer ausreichenden Induktivität erforderlich, zum anderen wird zur Umsetzung eines schwingungsfähigen Systems eine Kapazität benötigt. Dies realisieren die Fachleute durch einen Kondensator in der Ausführung als Plattenkondensator oder Interdigitalkondensator. Für den dargestellten Einsatzzweck bietet der Plattenkondensator durch dessen Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungsmaterialien und die Umsetzung höherer Kapazitäten auf geringerem Raum Vorteile. Zur technischen Umsetzung eines Plattenkondensators müssen zwei metallische Flächen mit einem dazwischen befindlichen Dielektrikum erzeugt werden. Für den Verpackungsdruck eines schwingungsfähigen Systems mit einem Plattenkondensator ergeben sich hierdurch zwei Realisierungsmöglichkeiten. Zum einen lässt sich ein doppelseitiger Druck vornehmen, bei dem die Verpackungsfolie gleichzeitig das Dielektrikum des Kondensators darstellt, oder es wird ein einseitiger, jedoch mehrlagiger Druck vorgenommen, wobei eine isolierende Farbschicht als Dielektrikum dient.

Die Realisierung solcher Schwingkreise mittels leitfähiger Druckfarben konnten die Wissenschaftler in Laborversuchen darstellen. Darüber hinaus konnten sie zeigen, dass der Einfluss einer Hochdruckbehandlung eine Auswirkung auf die Leitfähigkeit der eingesetzten Farbe ausübt. Der Grad der Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit durch den Einfluss der Hochdruckbehandlung ist darüber hinaus vom Einsatz der leitfähigen Druckfarbe abhängig. Leitfarben unter Verwendung verschiedener leitfähiger Pigmente wiesen hierbei unterschiedlich starke Beeinflussungen durch den Hochdruck auf. Unter Verwendung eines reproduzierbaren Messaufbaus und geeigneten Messgeräten können Unternehmen die hieraus resultierende Veränderung der Resonanzerscheinung detektieren und auswerten. Bringen Fachleute gezielt Teilbereiche mit einem starken Einfluss der Leitfähigkeit in eine Gesamtstruktur mit geringem Einfluss ein, so können sie gezielt Bereiche wie Kondensatoren durch den Hochdruckeinfluss elektronisch vom Schwingkreis trennen. Dies bewirkt eine gezielte Veränderung der Resonanzerscheinung. Ferner ergibt sich durch den Einsatz kompressibler Verpackungsfolien oder Isolierfarben eine Kompaktierung des Dielektrikums des eingesetzten Plattenkondensators während des einwirkenden hydrostatischen Drucks beziehungsweise eine entsprechende Entspannung durch den rapiden Druckabfall nach Beendigung des Behandlungsprozesses. Diese Veränderung der Materialstärke des Dielektrikums hat eine Beeinflussung der Schwingkreiskapazität zur Folge, die wiederum in einer messtechnisch erfassbaren Verschiebung der Resonanzfrequenz resultiert. Hierdurch lässt sich ein eindeutiger Nachweis einer Hochdruckbehandlung zweifelsfrei erbringen.

Anwendung nicht nur in der Pasteurisation.

Das Einsatzgebiet des dargestellten Systems erstreckt sich nicht ausschliesslich auf den Nachweis einer Hochdruckbehandlung, sondern bietet auch in weiteren Bereichen deutliche Vorteile. Der Einsatz eines Interdigitalkondensators eröffnet durch die Aufbringung eines hygroskopischen Materials die Option der Bestimmung des Feuchtigkeitsgrades dieses Materials durch Analyse der Resonanzerscheinung des Schwingkreises, wodurch der Nachweis einer thermischen Pasteurisation gegeben ist. Ferner könnte eine Zuordnung unterschiedlicher Resonanzfrequenzen zu spezifischen Lebensmitteln beispielsweise die Klassifizierung oder das Lagermanagement vereinfachen. Des Weiteren bietet die Aufbringung mehrerer Schwingkreise unterschiedlicher Frequenz, die Chance, Informationen zu den Lebensmitteln direkt durch die Bedruckung der Verpackungsfolie zu hinterlegen. Dadurch lassen sich entlang der gesamten Supply Chain spezifische Produktinformationen auswerten. Hierbei können Nutzer durch das gezielte Überkleben oder Übersprühen von Teilbereichen der Spulenstruktur Informationsänderungen, wie beispielsweise die Dokumentation eines Arbeitsschrittes, auf dem verpackten Lebensmittel deklarieren.

Blick in die Zukunft.

Eine hohe Leitfähigkeit der Struktur ist Voraussetzung für die Realisierung eines schwingungsfähigen Systems. Aus diesem Grund müssen Farben mit metallischen Pigmenten hoher Leitfähigkeit, wie beispielsweise Nickel, Aluminium oder Silber, eingesetzt werden. Diese Komponenten weisen jedoch zum Teil einen hohen Preis auf, sodass Unternehmen bei der Umsetzung im industriellen Massstab möglichst geringe Abmessungen und Schichtdicken realisieren müssen.

Versuche und Berechnungen zeigen eine Realisierung von Strukturgrössen der Abmessung 15 × 15 mm bei einer Schichtdicke von 5 µm unter Verwendung von Silberleitfarbe. Die Kosten sind hierbei stark vom aktuellen Rohstoffpreis abhängig und können daher starken Schwankungen unterliegen. Unter Verwendung einer Silberleitfarbe lässt sich beim aktuellen Silberpreis und bei einer Abnahme kleiner Mengen von einem Kostenfaktor im Bereich von 0,1 ct ausgehen. Unter Verwendung eines anderen Leitlacks, wie beispielsweise eines Nickelleitlacks, ergeben sich durch den geringeren Anschaffungspreis Farbkosten, die pro Struktur auch in kleinen Abnahmemengen lediglich bei 0,07 ct liegen. Unabhängig von der Wahl des Leitlacks würde die industrielle Massenproduktion durch die erhöhte Abnahmemenge zu einer Reduzierung der Farbkosten führen. Die drucktechnische Umsetzung der Schwingkreise auf der Verpackung lässt sich hierbei im Siebdruck- oder Tiefdruckverfahren realisieren.

Nachdem die Forscher die Funktionsfähigkeit des Systems aufzeigten, können sie die Überführung der entwickelten Methode in den industriellen Massstab in einem nachgelagerten Forschungsprojekt oder in einer Koopera­tion mit Industriepartnern umsetzen.

Das IGF-Vorhaben 16466N der Forschungsvereinigung Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI), Godesberger Allee 142–148, 53175 Bonn, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.


Weitere Informationen:
Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V.



Eine Hochdruckanlage in Betrieb. Mit Drücken von bis zu 6000 bar stellt die Technologie eine physikalische Alternative zu konventionellen, meist thermischen oder chemischen Methoden der Haltbarmachung dar


Schematische Darstellung des Funktionsprinzips


Verpacktes Lebensmittel mit angedeuteter Integration des Markers

Forschungskreis der Ernährungsindustrie

Das IGF-Vorhaben 16466N der Forschungsvereinigung Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Ergebnisse des Vorhabens sind vor allem für Betriebe der Lebensmittelindustrie relevant, bei denen eine Haltbarmachung der Produkte innerhalb der Endverpackung erfolgt. Dies trifft vor allem auf die Bereiche der Nass-Fertiggerichte (Fleischfertiggerichte, Suppen, Sossen, Gemüseprodukte, Pizza und Pasta) sowie der Wurstwaren zu, die Produzenten oftmals innerhalb der Verpackung nachpasteurisieren. Die Herstellung derartiger Produkte erfordert geeignete Verfahren zur Haltbarmachung. Zur Vermeidung von Rekontaminationen sowie Auslaugen wertgebender Inhaltsstoffe erfolgt die Entkeimung oftmals innerhalb der Verpackung. Hierfür haben Experten geeignete thermische Verfahren, wie das Sous-Vide-Verfahren, sowie nicht-thermische Alternativen, wie das Hochdruckverfahren, entwickelt. Gerade der Einsatz von Hochdruckverfahren gewinnt zunehmend an Bedeutung. Dies zeigt ein Blick in die zurückliegende Dekade: In dieser stieg die Anzahl der kommerziell eingesetzten Anlagen zur Hochdruckbehandlung von etwa 20 (1999) auf annähernd 140 Anlagen im Jahr 2009, installiert in etwa 75 Unternehmen weltweit. Im Jahr 2008 wurden weltweit etwa 200 000 t Lebensmittel mit Hochdruck behandelt.