식품 산업에서의 코팅 연구

식품 용기의 유통기한 예측

식품 보관 용기나 식품과 접촉하는 기타 물체에 대한 코팅은 식품의 부패나 오염을 방지하고 식품의 부식성으로부터 용기 자체를 보호하는 데 중요합니다. 식품을 오랫동안 공기와 빛으로부터 보호할 수 있기 때문에 통조림은 여전히 식품 용기로 많이 사용되고 있습니다. 통은 전도성 표면을 가지고 있어 그 자체와 코팅에 대한 전기 화학적 연구가 가능합니다.

이상적인 경우 식품 용기에 보관된 유통기한을 예측할 수 있습니다. 식품의 부패 성분의 반응 속도가 항상 일정하지 않다는 점이 예측에 장애가 될 수 있습니다. 종종 반응 속도는 선형적이거나 비유적인 경우가 많습니다. 또한 식품이 다른 국가로 수출되는 경우와 같이 보관 온도가 다를 수 있습니다.

다양한 온도 및 보관 시간에서의 측정

이전 장에서 설명한 것처럼 높은 편광 저항 또는 코팅에 의해 추가된 저항은 캔의 부식이 적다는 것을 의미하며, 이는 캔에 포함된 식품의 유통 기한이 길어진다는 것을 의미합니다. 코팅의 저항은 온도와 보관 시간에도 영향을 받습니다. 유통기한을 올바르게 예측하려면 다양한 온도와 보관 시간에서 측정해야 합니다.

인터페이스 변화에 대한 감도가 높은 비파괴 기술인 EIS는 식품 캔의 코팅을 조사하는 데 적합한 방법입니다. 이전 장에서 설명한 원리를 잘 알고 있다고 가정하므로 여기서는 설명하지 않겠습니다.

대부분의 코팅은 캔을 채운 직후에는 이상적인 코팅처럼 작동하며, 이는 저항과 커패시터가 직렬로 연결되어 있음을 의미합니다( 그림 6.5 참조). 시간이 지남에 따라 코팅에 물이 침투하여 더 복잡한 동작이 발생합니다. 부식이 시작되지 않는 한 EIS는 단순화된 랜들스 회로처럼 보일 것입니다(그림 6.7). 직렬 저항은 _Rsol로 유지되지만 전하 전달 저항 _Rct는 기공 저항 _Rpor로, 이중층 용량 _Cdl은 코팅 커패시턴스_CC로 대체됩니다.

물이 금속 계면에 도달하면 부식이 나타날 수 있습니다. 이러한 상황은 그림 8.1의 등가 회로에 반영되어 있습니다. 부식으로 인해 코팅 아래에 가스가 형성되어 블리스터가 발생하고 접착이 해제될 수 있습니다. 블리스터가 닫혀 있는 한 블리스터 내부의 용액은 벌크 용액과 상당히 다를 수 있습니다. 부식 반응은 종종 낮은 pH 값으로 이어집니다.

유통 기한 테스트

먼저 캔을 평소와 같이 코팅하고 포장합니다. 캔은 1일, 1주, 1개월, 4개월, 12개월 등 일정 기간이 지난 후 테스트를 거칩니다.

캔의 제품이 전도성이 있는 경우 전해질 역할을 하는 제품에서 측정을 수행할 수 있습니다. 그렇지 않으면 제품을 0.5M NaCl 용액으로 교체해야 합니다. 캔 코팅의 지방 또는 유막이 추가 막으로 작용할 수 있지만 지방막을 제거하기 위한 강력한 세제로 인해 코팅이 변할 가능성도 있다는 점에 유의하세요.

캔이 작동 전극으로 연결됩니다. 기준 전극과 대조 전극을 캔 용액에 담급니다. 전기화학 임피던스 분광법을 수행하고 다양한 저장 시간에 대한 스펙트럼을 비교합니다. 시간이 지남에 따라 필름의 품질이 떨어지면 _Rpor가 감소할 것으로 예상됩니다.

앞서 언급했듯이 코팅의 품질과 음식이 얼마나 빨리 상하는지 사이에는 상관관계가 있습니다. 기공 또는 코팅 저항과 부패 물질의 반응 속도 r 사이에는 연관성이 있는 것으로 보입니다. 반응 속도 r은 반응물 농도의 음의 변화로 정의됩니다. 이 변화는 반응물의 농도 n의 거듭제곱과 반응 속도 상수 k에 따라 달라지며, n의 일반적인 값은 0, 1 또는 2입니다(방정식 8.1 참조).

힘의 법칙을 사용하여 농도 C를 기공 저항 _Rpor로 바꿀 수 있습니다(방정식 8.2).

n이 정의되고 k의 거동을 이해하면 오랜 시간 후의 반응 속도를 추정할 수 있습니다. n과 k를 결정하는 가장 좋은 방법은 세 가지 일반적인 n(0, 1, 2) 각각에 대한 미분 방정식을 선형 관계로 변환하는 것입니다. 샘플 데이터는 이러한 선형 관계에 따라 플롯되고 선형 적합을 통해 어떤 순서가 선형 기준을 가장 잘 충족하는지 결정됩니다.

0차 방정식을 풀면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

_R0por는 0일째의 기공 저항입니다. _{Rpor와 R0por의} 차이를 시간 t에 대해 플롯하고 선형 관계를 볼 수 있으면 반응은 0차(n = 0)이고 이 곡선의 기울기는 -k입니다.

¹ 차 (n = 1) 솔루션은 다음을 제공합니다.

비율의 로그 대 시간 t의 플롯은 반응이^1차 반응인 경우 기울기가 -k인 선형 곡선을 나타내야 합니다.

아날로그^2차 (n = 2) 방정식은 다음과 같이 전달합니다.

반응이^2차인 경우 시간 t에 대한 역의 차이 플롯은 선형 곡선을 제공하지만 이번에는 기울기가 -k가 아닌 k입니다. 가장 좋은 상관 계수 R²를 사용한 맞춤은 올바른 n으로 이루어집니다.

이렇게 하면 반응 순서와 반응 속도를 결정할 수 있습니다. 선형 적합의 값을 사용하면 특정 _Rpor에 도달하는 데 걸리는 시간 t를 계산할 수 있습니다. 선형 적합 결과는 방정식 8.6으로 설명됩니다.

기울기 a와 절편 b. 이 경우의 x가 t라는 점을 염두에 두면, 다른 n에 대한 t를 계산하는 데 필요한 방정식은 다음과 같습니다:

캔이 더 이상 허용되지 않는 시간 t를 결정해야 하는 경우, 더 이상 허용되지 않는 _Rpor (예: 300Ω)를 정의해야 합니다. 측정 결과의 _R0por와 이후 결정된 n 및 k를 사용하여 허용되지 않는 _Rpor에 도달할 때까지의 시간 t를 계산할 수 있습니다. 선형 적합에서 a와 b가 결정되면 해당 방정식(8.7, 8.8 또는 8.9)이 t에 대해 재배열됩니다.

이 방법을 사용하면 서로 다른 시점의 여러 값을 알고 있는 경우 고정 온도에 대한 시간 경과에 따른 거동을 예측할 수 있습니다. 여러 온도에 대한 반응 속도를 알고 있는 경우 다른 온도에 대한 반응 속도와 저장 수명을 추정할 수 있습니다. 그러나 이러한 추정치는 신중하게 접근해야 합니다. 온도를 변경하면 반응 속도에 영향을 미치는 다른 요인(예: 상전이)이 변경될 수 있습니다.

식품 포장에서는 유리 전이가 중요한 영향을 미칩니다. 이 주제는 복잡하기 때문에 반응 속도 또는 기공 저항 측정에서 측정에 사용되지 않은 온도에 대한 유통 기한을 확인하려는 독자는 해당 문헌을 참조하는 것이 좋습니다.