Determination of the optimal micro-perforation conditions for food packaging applications

In recent years, the world has witnessed a growing interest in the consumption of fresher, healthier and minimally-processed foods, especially fresh-cut products and ready-to-use fruits and vegetables. As happens for any other type of food, such products demand for specific packaging solutions able to suitably protect them until consumption. This means prolonging their so-called “shelf-life”, which results in providing more convenience and quality to the customer, with lower prices and less risk of wasting food. Fresh fruits and vegetables are still living tissues even after processing, meaning that they keep on breathing inside the package. Respiration strongly depends on (and affects) the internal atmosphere gas composition, in terms of oxygen, carbon dioxide and water vapor and it significantly impacts food quality. Too high O2 levels speed up product ripening, while too low O2 levels result in anoxia, favoring fermentative processes which develop off-flavors. Therefore, there must be an optimal level able to prolong shelf-life. The same is true for moisture, which has to guarantee the right texture and characteristics to the food, without favoring microbial growth. This kind of control can be achieved by acting upon the permeability of packaging materials, either by the material nature or making some perforations in them. Traditional commercial macro-perforated packages have holes of about 1 cm, which avoid anoxia and saturation but do not allow control of internal atmosphere; micro-perforated films instead, have holes of 0.1 mm that allow sufficient permeation through the barrier and control of the internal atmosphere at the same time. In order to design the proper packaging solution, it is necessary to develop a mathematical model able to describe what happens to the internal gas concentrations in response to the perforations made. Such models have to take into account several factors as: food respiration, storage conditions, materials employed and perforations made.

Negli ultimi anni, si sta assistendo ad un crescente interesse da parte dei consumatori per prodotti che siano sempre più freschi, salutari e minimamente processati, specialmente frutta e verdura fresh-cut e pronta all’uso. Analogamente a quanto succede per ongi altro tipo di cibo, tali prodotti richiedono soluzioni di packaging specifiche in grado di proteggerli adeguatamente fino al momento del loro consumo. Ciò significa prolunare la loro “shelf-life”, o vita di scaffale, il che risulta in notevoli vantaggi per il consumatore, in termini di qualità e prezzi, oltre che in una riduzione dello spreco di cibo. Frutta e verdura sono dei tessuti vivi anche dopo essere stati processati, il che significa che continuano a respirare anche una volta all’interno della confezione. L’attività respiratoria dipende fortemente dall’atmospfera interna, intesa come ossigeno, CO2 e vapore aqueo, ed ha un notevole impatto sulla qualità del cibo. Livelli eccessivi di ossigeno accelerano la maturazione del prodotto, mentre se troppo poco ossigeno è presente si stabiliscono delle condizioni anaerobiche, le quali promuovono processi fermentativi con conseguenti odori e sapori indesiderati. Pertanto, deve esistere un intervallo ottimale capace di prolungare quanto più possibile la vita di scaffale. Lo stesso ragionamento è valido per l’umidità, la quale deve garantire le corrette caratteristiche del prodotto e la giusta consistenza, senza favorire lo sviluppo di microorganismi quali muffe. Un tale controllo può essere realizzato agendo sulla permeabilità del materiale, o modificandone la natura o facendo delle perforazioni in esso. I tradizionali imballaggi che si trovano in commercio sono dotati di macro-perforazioni aventi diemnsioni dell’ordine del centimetro, le quali consentono di evitare condizioni anaerobiche e di saturazione all’interno della confezione, ma non consentono un controllo dell’atmosfera interna. Usando invece delle micro-perforazioni, dell’ordine del decimo di millimetro, è possibile avere un sufficiente livello di permeazione ed allo stesso tempo controllare la composizione dell’atmosfera interna. Per poter progettare una corretta soluzione di packaging, è necessario sviluppare un modello matematico in grado di descrivere cosa accade alle concentrazioni dei gas interni alla confezione in relazione alle perforazioni fatte. Un tale modello deve tenere in considerazione diversi fattori quali: respirazione del cibo, condizioni di stoccaggio, materiali utilizzati e perforazioni applicate.