Beschichtungsforschung in der Lebensmittelindustrie

Vorhersage des Verfallsdatums von Lebensmittelbehältern

Die Beschichtung von Lebensmittelbehältern oder anderen Gegenständen, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen, ist wichtig, um zu verhindern, dass die Lebensmittel verderben oder kontaminiert werden, und um den Behälter selbst vor den korrosiven Eigenschaften der Lebensmittel zu schützen. Konservendosen sind als Lebensmittelbehälter immer noch weit verbreitet, da die Lebensmittel darin lange Zeit vor Luft und Licht geschützt sind. Dosen sind leitende Oberflächen, die elektrochemische Untersuchungen an sich selbst und ihren Beschichtungen ermöglichen.

Im Idealfall lässt sich das Verfallsdatum von Lebensmitteln in einem Behälter vorhersagen. Mögliche Hindernisse für eine Vorhersage sind die unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten der verderblichen Bestandteile des Lebensmittels, die nicht immer konstant sind. Oft ist die Reaktionsgeschwindigkeit linear oder eine Parabel. Außerdem kann die Lagertemperatur unterschiedlich sein, beispielsweise wenn das Lebensmittel in verschiedene Länder exportiert wird.

Messungen bei verschiedenen Temperaturen und Lagerzeiten

Wie in den vorangegangenen Kapiteln erläutert, bedeutet eine hohe Polarisationsbeständigkeit oder die durch die Beschichtung hinzugefügte Beständigkeit eine geringe Korrosion der Dose, was eine längere Haltbarkeit der darin enthaltenen Lebensmittel bedeutet. Die Beständigkeit der Beschichtung wird auch von der Temperatur und der Lagerzeit beeinflusst. Um eine korrekte Vorhersage der Haltbarkeit zu treffen, sind Messungen bei verschiedenen Temperaturen und Lagerzeiten erforderlich.

EIS ist als zerstörungsfreie Technik mit hoher Empfindlichkeit für Grenzflächenveränderungen eine geeignete Methode zur Untersuchung von Beschichtungen für Lebensmitteldosen. Es wird davon ausgegangen, dass Sie mit den in den vorangegangenen Kapiteln erläuterten Grundsätzen vertraut sind, so dass dies hier nicht weiter behandelt wird.

Die meisten Beschichtungen verhalten sich direkt nach dem Befüllen der Dose wie eine ideale Beschichtung, d. h. sie sind ein Widerstand und ein Kondensator in Reihe (siehe Abbildung 6.5). Ein komplexeres Verhalten entwickelt sich im Laufe der Zeit durch das Eindringen von Wasser in die Beschichtung. Solange keine Korrosion eingesetzt hat, wird die EIS wie eine vereinfachte Randles-Schaltung aussehen(Abbildung 6.7). Der Serienwiderstand _Rsol würde gleich bleiben, aber der Ladungstransferwiderstand _Rct würde durch den Porenwiderstand _Rpor und die Doppelschichtkapazität _Cdl durch die Beschichtungskapazität_CC ersetzt werden.

Wenn das Wasser die Metalloberfläche erreicht, kann es zu Korrosion kommen. Diese Situation wird durch das Ersatzschaltbild in Abbildung 8.1 wiedergegeben. Die Korrosion kann zur Gasbildung unter der Beschichtung führen, was Blasenbildung und Ablösung zur Folge hat. Die Lösung innerhalb einer Blase kann sich, solange die Blase geschlossen ist, stark von der Hauptlösung unterscheiden. Die Korrosionsreaktionen führen häufig zu einem niedrigen pH-Wert.

Prüfung der Lagerfähigkeit

Zunächst werden die Dosen wie üblich beschichtet und verpackt. Nach bestimmten Zeiträumen, z. B. 1 Tag, 1 Woche, 1 Monat, 4 Monate und 12 Monate, werden die Dosen getestet.

Wenn das Produkt in der Dose leitend ist, kann die Messung in dem Produkt durchgeführt werden, das als Elektrolyt wirkt. Andernfalls muss das Produkt durch eine 0,5 M NaCl-Lösung ersetzt werden. Beachten Sie, dass ein Fett- oder Ölfilm auf der Dosenbeschichtung als zusätzlicher Film wirken kann, aber es besteht auch die Möglichkeit, dass starke Reinigungsmittel zur Entfernung des Fettfilms Ihre Beschichtung verändern.

Die Dose wird als Arbeitselektrode angeschlossen. Die Referenz- und die Gegenelektrode werden in die Lösung der Dose getaucht. Es wird eine elektrochemische Impedanzspektroskopie durchgeführt und die Spektren für die verschiedenen Lagerzeiten verglichen. Es wird erwartet, dass _Rpor mit der Zeit abnimmt, wenn die Qualität des Films abnimmt.

Wie bereits erwähnt, gibt es einen Zusammenhang zwischen der Qualität einer Beschichtung und der Geschwindigkeit, mit der Lebensmittel verderben. Es scheint ein Zusammenhang zwischen der Poren- oder Beschichtungsresistenz und der Reaktionsgeschwindigkeit r der verderblichen Substanzen zu bestehen. Die Reaktionsgeschwindigkeit r ist definiert als die negative Änderung der Konzentration des Reaktionspartners. Die Änderung hängt von der Konzentration des Reaktanten hoch n und der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante k ab. Übliche Werte für n sind 0, 1 oder 2 (siehe Gleichung 8.1).

Mit Hilfe des Potenzgesetzes können wir die Konzentration C gegen den Porenwiderstand _Rpor austauschen (Gleichung 8.2).

Wenn n definiert und das Verhalten von k verstanden ist, kann die Reaktionsgeschwindigkeit nach langen Zeiträumen extrapoliert werden. Die Bestimmung von n und k erfolgt am besten durch Umformung der Differentialgleichung für jedes der drei üblichen n (0, 1 und 2) in eine lineare Beziehung. Die Beispieldaten werden entsprechend dieser linearen Beziehungen aufgetragen, und durch eine lineare Anpassung wird ermittelt, welche Ordnung die linearen Kriterien am besten erfüllt.

Die Lösung der Gleichung nullter Ordnung liefert

_R0por ist der Porenwiderstand am Tag 0. Trägt man die Differenz zwischen _Rpor und _R0por gegen die Zeit t auf und erkennt eine lineare Beziehung, so handelt es sich um eine Reaktion nullter Ordnung (n = 0) und die Steigung dieser Kurve ist -k.

Die Lösung der^1. Ordnung (n = 1) liefert

Eine Darstellung des Logarithmus des Verhältnisses gegen die Zeit t sollte eine lineare Kurve mit einer Steigung von -k ergeben, wenn die Reaktion^1. Ordnung ist.

Analog liefern die Gleichungen^2. Ordnung (n = 2)

Wenn die Reaktion^2. Ordnung ist, ergibt die Darstellung der inversen Differenz gegen die Zeit t eine lineare Kurve, aber diesmal ist die Steigung k (nicht -k). Die Anpassung mit dem besten Korrelationskoeffizienten R² wird mit dem richtigen n vorgenommen.

Auf diese Weise können sowohl die Reaktionsordnung als auch die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmt werden. Mit den Werten aus der linearen Anpassung kann die Zeit t, die benötigt wird, um einen bestimmten _Rpor zu erreichen, berechnet werden. Das Ergebnis der linearen Anpassung wird durch Gleichung 8.6 beschrieben.

Mit der Steigung a und dem Achsenabschnitt b. Wenn man bedenkt, dass x in diesem Fall t ist, lauten die Gleichungen zur Berechnung von t für die verschiedenen n:

Wenn die Zeit t bestimmt werden soll, bei der die Dose nicht mehr akzeptabel ist, muss ein nicht mehr akzeptabler _Rpor definiert werden, z.B. 300 Ω. Mit dem _R0por aus den Messungen und den anschließend ermittelten n und k kann die Zeit t bis zum Erreichen des nicht akzeptablen _Rpor berechnet werden. Nachdem a und b aus der linearen Anpassung bestimmt worden sind, wird die entsprechende Gleichung (8.7, 8.8 oder 8.9) für t umgestellt.

Mit dieser Methode kann das zeitliche Verhalten bei einer festen Temperatur vorhergesagt werden, wenn mehrere Werte zu verschiedenen Zeitpunkten bekannt sind. Wenn die Reaktionsgeschwindigkeiten für mehrere Temperaturen bekannt sind, können die Reaktionsgeschwindigkeiten und Haltbarkeiten für andere Temperaturen extrapoliert werden. Die Extrapolationen sind jedoch mit Vorsicht zu genießen. Eine Änderung der Temperatur kann andere Faktoren verändern, die die Reaktionsgeschwindigkeit k beeinflussen.

Bei Lebensmittelverpackungen ist der Glasübergang ein wichtiger Einflussfaktor. Aufgrund der Komplexität dieses Themas empfehlen wir Lesern, die aus der Messung der Reaktionsgeschwindigkeit oder des Porenwiderstands die Haltbarkeit für eine Temperatur bestimmen wollen, die bei den Messungen nicht verwendet wurde, die entsprechende Literatur zu konsultieren.