AG Verpackung und Lagerung
Die Arbeitsgruppe Verpackung und Lagerung konzentriert sich auf die Entwicklung und Erprobung innovativer Technologien zur Erhaltung der Qualität und Haltbarkeit von Obst und Gemüse und zur Optimierung der Verpackung und Lagerung entlang der Lieferkette von Gartenbauerzeugnissen (siehe auch "Verpackungen neu denken").
Unsere Forschungsschwerpunkte sind die Verpackung unter modifizierter Atmosphäre (MAP), Verpackungen mit modifizierter Atmosphäre und Luftfeuchtigkeit (MAHP), Lagerung in kontrollierter Atmosphäre (CA), Ethylen-Kontrolle und Verpackungsdesign auf der Grundlage mathematischer Modellierung.
Bei der Verpackung unter modifizierter Atmosphäre (MAP) geht es um das Verpacken ganzer oder frisch geschnittener Gartenbauerzeugnisse in Kunststoffschalen, die mit einer durchlässigen Folie verschlossen sind. Bei MAP stellen sich Gleichgewichtskonzentrationen von O2 und CO2 in der Verpackung ein als Funktion der Produktmasse, der Atmungsrate und der Gasdurchlässigkeit der für die Verpackung verwendeten Folien. Unser Ziel ist es, das am besten geeignete Verpackungsmaterial bzw. die Anzahl und Größe der Perforationen zu ermitteln, die erforderlich sind, um die Atmungsrate für jedes einzelne frische Produkt optimal den jeweiligen Lieferkettenbedingungen anzupassen.
Verpackungen mit modifizierter Atmosphäre und Luftfeuchtigkeit (MAHP): Die meisten verwendeten Verpackungsfolien haben eine geringe Gas- und Wasserdampfdurchlässigkeit, die zu Feuchtigkeitskondensation führt. Die Kondensation von Wasserdampf auf der Produktoberfläche wiederum begünstigt das Wachstum von Mikroorganismen, die in der Folge den Verderb der Produkte beschleunigen. Wir entwickeln verschiedene Strategien zur Feuchtigkeitskontrolle und bewerten ihre Wirksamkeit bei der Erhaltung der Qualität und Sicherheit von Frischprodukten.
Lagerung in kontrollierter Atmosphäre (CA): Bei der CA-Lagerung werden die O2- und CO2-Konzentrationen innerhalb vorgewählter Grenzwerte überwacht und gesteuert. Ein neuer Trend ist das „dynamische CA-System“, bei dem die Bedingungen ständig an die Atmungsaktivität der Früchte angepasst werden. Durch kontinuierliches Überwachen des Respirationsquotienten (RQ) ist es möglich, bei der Langzeitlagerung von Früchten eine sichere untere O2-Grenze zu gewährleisten. Unser Ziel ist die Entwicklung und Anwendung eines sensorgestützten Systems zur Echtzeit-Überwachung der Atmungsrate und des RQ im DCA-System.
Ethylen-Kontrolle: Ethylen ist ein farb- und geruchloses Gas. Es wird von frischen Produkten erzeugt und beschleunigt deren Reifung und Verderb. Die Kontrolle von Ethylen ist ebenfalls sehr wichtig, da selbst bei bester Kühlung eine Ethylen-Anreicherung die Früchte schnell reifen lässt. Wir arbeiten daran, neuartige Methoden wie Photokatalyse, Photolyse und Nano-Ton-Materialien in Verpackungs- und Lagersysteme zu integrieren.
Verpackungsdesign auf der Grundlage mathematischer Modellierung: Das Verpackungsdesign für Frischeprodukte erfordert eine gezielte Materialauswahl auf Grundlage der Gas- und Wasserdampfdurchlässigkeit, der Atmungsrate und der Transpiration einer bestimmten Frucht. Dabei sind die Lagertemperatur, die Verpackungsgröße, die Produktmenge und die optimalen O2-, CO2- und Feuchtigkeitsbedingungen für dieses Produkt zu berücksichtigen. Zudem muss die Kondensation von Wasserdampf minimiert werden. Aufgrund unseres technischen Hintergrunds gelang uns die Entwicklung prädiktiver mathematischer Modelle für das Verpackungsdesign und die Haltbarkeit von Frischeprodukten. Solche Modelle werden heute für die Auswahl, Simulation und Validierung von Verpackungsmaterialien bei Laborversuchen und bei großtechnischen Versuchen für eine Vielzahl von Produkten eingesetzt.
Mathemathisches Modell für die Simulation von Verpackungshohlraum und Haltbarkeitsdauer: Das Simulationsprogramm bietet ein flexibles System zur Eingabe vordefinierter Lieferkettenbedingungen und der Eigenschaften von Frischwaren und Verpackungsmaterial. Es trägt dazu bei, die kostspieligen und zeitaufwändigen experimentellen Verfahren zur Auswahl des optimalen Verpackungsmaterials für Frischwaren zu minimieren. Im Programm MATLAB werden 'Produkt-Verpackung-Atmosphäre' Systeme in Form von Differentialgleichungen integriert und mit numerischen Methoden errechnet.
Das Simulationsprogramm eignet sich für die Auslegung von Perforationen (Größe und Anzahl) für ausgewogene Verpackungslösungen bei modifizierter Atmosphäre (EMAP). Es ermöglicht auch die Auslegung von EMAP in Kombination mit Verpackungsmaterialien höherer Wasserdurchlässigkeit oder mit aktiven Feuchtigkeitsabsorbern. Zudem eignet es sich für die Vorhersage der Haltbarkeitsdauer von Frischwaren unter realen Bedingungen der Lieferkette.
Weitere Informationen (bitte zitieren Sie diese Publikation, wenn Sie die Software in wissenschaftlichen Arbeiten verwenden): Jalali A., Linke M., Geyer M. and Mahajan P. (2021). Integrative programming for simulation of packaging headspace and shelf life of fresh produce. MethodsX, 8, 101514. https://doi.org/10.1016/j.mex.2021.101514
Download des Matlab-Codes:https://github.com/B-PM-375/Food-Packaging-Simulation
Forschungsausstattung:
- Atmungsmesssysteme – verschiedene Typen: stationär, mobil oder modular
- Kühlräume mit computergestütztem Steuerungs- und Überwachungssystem
- CA-Kammern – insgesamt 24 Kammern mit individueller Steuerung von O2- und CO2-Gasen
- Ethylen-Messung – ETD-300 für präzise Ethylen-Messung
- Gaschromatografie (GC) speziell für den Einsatz bei hohen Ethylen-Konzentrationen
- Gas-Chromatograf (GC-MS) zur Analyse von flüchtigen organischen Verbindungen
- thermographisches Kamerasystem zur Messung der Oberflächentemperatur von Früchten
- Sensoren und Datenlogger zur Messung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Gaskonzentrationen und Luftströmung
- Gasmischer zur Erzeugung von Gasen mit beliebiger Kombination von O2, CO2, N2 und C2H4
- Verpackungsmaschine mit integrierter Erzeugung modifizierter Atmosphäre
- Gasanalysator mit manueller/automatischer Messung von O2 und CO2
- System zur Messung der Permeabilitäten gegenüber O2, CO2, H2O von Verpackungsmaterialen
- Verpackungsmaterialien – verschiedene Polymere, einschließlich biobasierter und biologisch abbaubarer Polymere
- Materialien zur Ad-/Absorption von Ethylen und Feuchtigkeit
- 3D-System zur Messung der tatsächlichen Oberfläche und des Volumens einzelner Früchte oder Gemüse
- Software-Programme für Verpackungsdesign, Haltbarkeitsvorhersagen und Atmungsanalysen
- Kamerasystem für Standbilder und Zeitraffer-Aufnahmen
- photokatalytischer Reaktor für die Ethylen-Oxidation unter Verwendung von TiO2 und UV-Licht bzw. von Vakuum-UV-Lampen
- Feuchtegenerator zur Erzeugung stabiler Feuchtebedingungen, z.B. zur Sensorkalibrierung
- Standardgase zur Sensorkalibrierung und Vorbereitung von modifizierten Atmosphären
- System zur Entfernung von Ethylen und zur kontinuierlichen Luftreinigung im Labor
- Ozonanlage zur Erzeugung und Filtration von Ozon in Lagerkammern
