Hoe de houdbaarheid handhaven bij mono-, biodegradeerbare en dunnere verpakkingsmaterialen?
Onderzoek UGent
Gedwongen door de trend naar milieuvriendelijkere verpakkingen zijn dunnere, biodegradeerbare en monomateriaal-verpakkingen in opkomst. Maar welke gevolgen heeft dat voor de microbiële houdbaarheid en veiligheid van het verpakte voedingsmiddel? UGent voert hier al vijf jaar belangrijk onderzoek naar uit.
Modified Atmosphere Packaging (MAP)-verpakkingen zijn niet meer weg te denken uit de voedingssector. In dit proces wordt een vooraf gedefinieerd gasmengsel geïnjecteerd in de kopruimte van een voedselverpakking om zo de houdbaarheid van voedsel te verlengen in vergelijking met bewaring onder lucht. Hiervoor worden doorgaans hoge-barrièreverpakkingen gebruikt. Hoewel het duidelijk is dat er een overstap moet worden gemaakt naar duurzamere verpakkingssystemen voor voedingsmiddelen, verschillen de gasbarrière-eigenschappen van nieuwe en duurzamere verpakkingsmaterialen vaak van die van de in MAP momenteel veel gebruikte meerlaagse materialen met zeer efficiënte gasbarrière-eigenschappen.
Zo kan er bijvoorbeeld een overstap gemaakt worden naar monolaag verpakkingssystemen, eventueel met lagere gasbarrière-eigenschappen. Hierdoor zal het beschermende gasmengsel van CO2, N2 en eventueel O2 dat in MAP-verpakkingssystemen wordt gebruikt, in de loop van de tijd evolueren. Doorgaans wordt zuurstof vaak vermeden in MAP verpakkingen, terwijl CO2 wordt toegevoegd om de groei van micro-organismen te remmen. Wanneer de gasbarrière-eigenschappen van verpakkingen dalen, zal in het algemeen zuurstof de verpakking gemakkelijker binnentreden. Daarnaast zal de concentratie toegevoegde CO2 doorheen de tijd sneller dalen in vergelijking met de conventionele meerlaagse verpakkingen.
Deze gewijzigde, dynamische gassamenstelling in de verpakking kan de microbiële houdbaarheid en veiligheid van MAP-verpakte voedingsproducten beïnvloeden. Dit heeft op zijn beurt opnieuw een belangrijke invloed op de duurzaamheid van het voedings-verpakkingssysteem. Daarbij valt met name te denken aan voedselverliezen.
Nog veel onduidelijk
“Er is nog weinig gekend”, aldus professor Frank Devlieghere die aan het hoofd staat van de onderzoeksgroep Levensmiddelenmicrobiologie en -conservering aan de UGent. Deze onderzoeksgroep onderzoekt de microbiologie en conservering van levensmiddelen van de oogst of – in het geval van vlees – de slacht tot en met het moment dat het product uitgepakt op het bord van de consument ligt.
Devlieghere meldt dat de aanleiding van het langjarige onderzoek de trends in verpakkingsmateriaal richting dunner, recycleerbaar en biodegradeerbaar waren die ook zijn vakgroep signaleerde. “Dat geldt zowel voor kunststofbakjes als folieverpakkingsmateriaal. De voedingsmiddelenbedrijven proberen nu allemaal een omschakeling te maken, maar vragen zich nu af hoe het zit met de houdbaarheid van het product. Hoe groot is het effect van meer zuurstof in een verpakking voor de houdbaarheid van het product? Want laminaten laten zuurstof minder goed door, maar hoeveel zuurstof komt er nu eigenlijk binnen in MAP-verpakkingen die dunner, recycleerbaar want van monomateriaal of biodegradeerbaar zijn? En wat is dan vervolgens de houdbaarheid van het product?”
Speciale onderzoeksapparatuur
Een dergelijk onderzoek heeft heel wat voeten in de aarde, vertelt Devlieghere verder. “We zijn er effectief vijf jaar geleden mee begonnen. Om überhaupt te kunnen starten met het onderzoek was er een flinke investering in de infrastructuur noodzakelijk. Er is hele speciale apparatuur nodig om een levensmiddel of testobject te kunnen onderzoeken onder een goed gedefinieerde, gecontroleerde atmosfeer die zowel constant als dynamisch kan zijn.
"Deze apparatuur moest speciaal voor dat doel gebouwd worden. Op dit moment wordt gewerkt met het zogenaamde MMAIS (Modular Modified Atmosphere Incubation System), dat een gasmengsysteem met controlebord bevat van waaruit de toevoer van O2 en CO2 en N2 (stikstof) geregeld kan worden en gekoppeld wordt aan een stel van kubusvormige, doorzichtige incubatieboxen waarin de te testen atmosfeer op een gecontroleerde manier in aanwezig is."
“In een volgende fase proberen we een volledige ruimte te creëren waarin alle experimenten kunnen doorgaan onder een gecontroleerde atmosfeer. Dit moet ons toelaten om meer experimenten op een efficiëntere manier uit te voeren.”
Voorlopige conclusies
Ondanks dat er nog veel vervolgonderzoek nodig is, kan Devlieghere al wel enkele conclusies delen. “Normaal gesproken ga je uit van maximaal 0,5 procent zuurstof in een verpakking bij een CO2-gehalte van 30 procent. Als er meer zuurstof de verpakking zal binnentreden, zoals dat bij de niet-laminaten het geval is, blijkt het grootste effect op micro-organismen bij de lage percentages te liggen, zeg maar tussen de 0 en de 3 procent. Dit zijn echter in de praktijk ook de zuurstofpercentages die zullen binnenkomen bij gebruik van de nieuwe verpakkingsmaterialen. Als er nog meer zuurstof binnenkomt, heeft dat niet zoveel extra invloed meer.
Listeria monocytogenes
Een van de micro-organismen waar de vakgroep onderzoek naar doet is de Listeria monocytogenes bacterie. “Een pathogeen”, licht Devlieghere toe. “De relatie met de hoeveelheid zuurstof tot de groei van dit soort bacteriën blijkt uit de testen heel ingewikkeld te liggen. Daarbij beperkt de toevoeging van CO2 de groei van Listeria monocytogenes. Naarmate er meer CO2 in een verpakking zit, is het effect van zuurstof veel beperkter. Maar in welke mate de zuurstof verantwoordelijk is voor de groei van Listeria monocytogenes is ingewikkeld. Het blijkt ook heel sterk af te hangen van de pH-waarde van een product. Als de pH-waarde van het product laag is, is het effect van O2 zichtbaarder. Bij een hogere/neutrale pH is het effect van O2 niet per se zichtbaar.”
Modellen om te voorspellen
Vervolgonderzoek is absoluut nodig, vertelt Devlieghere. “We kunnen nu inmiddels de hoeveelheid zuurstof die een verpakking is binnengestroomd en de evolutie van de hoeveelheid toegevoegde CO2 voorspellen via mathematische modellen. Maar wat is het effect hiervan precies op de groei van de micro-organismen in een product? Uiteindelijk willen we dit kwantificeren, zodat we voldoende data hebben om bepaalde wetenschappelijke modellen te maken waarmee we microbiologisch bederf of groei van pathogenen onder diverse omstandigheden kunnen voorspellen in modellen. We weten wel dat zuurstof wat doet met de microbiologische houdbaarheid, maar de vraag is hoeveel? En hoeveel is dat dan bij 1, 2 of 3 procent al dan niet in combinatie met CO2?"
De permeabiliteit is sterk afhankelijk van het materiaal, bevestigt ook Devlieghere. “Die van PET is veel lager dan die van PP of PE. Maar wij doen het onderzoek onafhankelijk van het verpakkingsmateriaal omdat we al kunnen voorspellen hoe de gasconcentraties in een bepaalde verpakkingsconfiguratie evolueren in functie van de tijd. Maar hoe deze gasconcentraties de microbiële groei beïnvloeden, kunnen we nog niet berekenen. Hier werken we dus volop aan.”
Enige in België
De vakgroep van UGent is de enige in België die zich met dergelijk onderzoek bezighoudt met deze problematiek. “We zijn nu vijf jaar bezig en het eerste doctoraat over dit onderwerp zal in 2025 verschijnen met daarbij een aantal publicaties”, vertelt Devlieghere verder. “Amber van Reepingen is net begonnen en gaat daarmee verder.”
Het onderzoek wordt nu nog volledig door de eigen vakgroep en UGent betaald, maar Devlieghere hoopt dat geïnteresseerde bedrijven die een oplossing voor deze problematiek zoeken uiteindelijk ook gaan meewerken en -betalen. “We hopen voor ons onderzoek uiteindelijk ook concrete product-verpakkingscombinaties te kunnen testen, zodat wij ons onderzoek ook weer kunnen verrijken met die data. Aan de andere kant kunnen wij dan bedrijven weer nieuwe concrete oplossingen bieden.”
Diverse factoren spelen mee
De groei van Listeria monocytogenes doet het heel ‘goed’ onder gekoelde omstandigheden, legt prof. Devlieghere uit. “Een van de middelen om deze groei te beperken is de verpakking. Andere factoren zijn de pH-waarde en de wateractiviteit/aanwezigheid van water in een product. De pH-waarde van kaas is bijvoorbeeld helemaal anders dan die van vlees, dus dat heeft enorme invloed op wat zuurstof doet op de groei van de micro-organismen in de verpakking.”
Zeer arbeidsintensief project
Afgestudeerd bio-ingenieur Amber van Reepingen doet als PhD-student onderzoek naar duurzame verpakkingen in de onderzoeksgroep Levensmiddelenmicrobiologie en -conservering. Zij is nu bezig in haar derde jaar en heeft nog vier jaar te gaan. Zij bevestigt de woorden van de professor van haar onderzoeksgroep dat het onderzoek zeer arbeidsintensief is. “Wij experimenteren met hele lage zuurstofconcentraties, gassen en pH-waardes die van invloed zijn op het verpakte voedsel. Wij maken modellen die een voorspellende waarde hebben voor andere voedselproducten.”
Om toepasbare modellen te verkrijgen berekenen van Reepingen en haar collega’s groeicurves die weergeven wat de invloed is van de toe- of afname van een van de factoren. “Om één zo’n groeicurve te maken ben je soms anderhalve maand bezig. Maar voor een representatief model moet je dit toch driemaal herhalen. We bekijken dan ook meer geautomatiseerde methodes om die groei te bepalen. Daarnaast werken we met heel lage zuurstofconcentraties van 0 tot 3 procent, waarbij het extra lastig is om die constant te houden. Hiervoor is met het huidige MMAIS heel veel gas nodig waardoor de kosten hoog oplopen. Daarom zou het mooi zijn als we de beschikking krijgen over een afgesloten systeem, waarin je geen last hebt van invloeden van buitenaf. Wij zijn nu bezig met een aanvraag voor een dergelijke installatie en hopelijk kunnen wij deze dan in 2025 in gebruik nemen.”
Amber van Reepingen benadrukt tot slot het belang van bestaande productverpakkingscombinaties voor het onderzoek. “Die zijn van grote meerwaarde om data te verzamelen, zodat de betrouwbaarheid van de modellen nog groter wordt.”
Foto’s: UGent
