In modernen High-Tech-Verpackungen bleiben Lebensmittel länger frisch
Obst und Gemüse sind das A und O für die gesundheits- und ernährungsbewussten Menschen von heute. Doch Gemüse vom Markt findet man in den meisten Küchen nur noch selten. Kochen oder „garteln“ sind in unserer hektischen Zeit eher Hobbies als alltägliche Tätigkeiten zum eigenen Lebensunterhalt. Auch beim Einkauf soll es schnell und bequem gehen. Der Supermarkt hat längst den Laden um die Ecke abgelöst, denn es ist ja viel einfacher, wenn man alles am selben Ort bekommt. Frisch und knackig sollen die Waren natürlich trotzdem sein.
Luft war gestern
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Egal ob Fleisch, Fisch, Obst, Gemüse, Milchprodukte oder Brot – wirklich frische Lebensmittel halten maximal ein paar Tage. Danach fangen sie unbarmherzig an, zu verderben. Wie aber schaffen es die Supermärkte, dass uns aus den Regalen jeden Tag frische Waren anlachen und „Kauf mich!“ rufen?
Das Geheimnis liegt in der Verpackung.
Beim sogenannten „Modified Atmosphere Packaging“ (MAP) befindet sich in der Verpackung statt Luft ein Gas bzw. Gasgemisch. Am häufigsten werden Stickstoff und Kohlendioxid eingesetzt. Unerwünscht ist in den meisten Fällen der Sauerstoff, denn der ist nicht nur die Hauptursache für den oxidationsbedingten Verderb von Lebensmitteln. Er fördert auch das Wachstum aerober Mikroorganismen.
Die Zusammensetzung der Ersatzatmosphäre hängt vom Inhalt der Verpackung ab: So beträgt der CO2-Anteil zum Beispiel bei Rindfleisch 20 %, bei Fisch 80 % und bei Teigwaren 60 %. Mit MAP verpackte Produkte bleiben erheblich länger frisch – oft doppelt so lang wie an der Luft. Sie können damit länger in den Regalen liegen und müssen nicht schon nach wenigen Tagen entsorgt werden.
Schutzatmosphären werden nicht nur bei den vergleichsweise kleinen Supermarkt-Portionen verwendet. Eine kontrollierte Atmosphäre verhindert zum Beispiel das frühzeitige Reifen von Bananen beim Transport von Kolumbien nach Europa. Bei anderen Lebensmitteln wie Milchprodukten können die Hersteller dank MAP oft vollständig auf den Einsatz von Konservierungsstoffen verzichten.
Manchmal sind Löcher erwünscht
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Eine spezielle Herausforderung sind Verpackungen für frisches Obst und Gemüse. Diese Produkte sind auch nach ihrer Ernte noch lebendige Organismen, in denen biochemische Prozesse stattfinden: Die Früchte „atmen“ (Respiration) und „schwitzen“ (Transpiration). Damit sie auch in der Verpackung frisch bleiben, muss kontinuierlich eine geringe Menge Sauerstoff in die Verpackung gelangen und das bei der Atmung anfallende CO2 entweichen.
Das kann durch Laserperforation erreicht werden. Dabei werden gezielt Mikrolöcher in die Verpackung gebrannt, die zur Atmungsaktivität des Produkts passen und den Sauerstoffgehalt entsprechend regeln. Je nach Lebensmittel und Material haben diese Löcher Durchmesser zwischen 50 µm und 300 µm.
Laser gewährleisten, dass bei den geringen Größen eine gleichmäßige Perforation entsteht, die allen Anforderungen der Verpackungsindustrie gerecht wird.
Gepulste CO2-Laser für Mikrolöcher
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Um sicherzustellen, dass der Strahl alle Schichten der Verpackung durchdringt, werden meist CO2-Laser mit hohen Pulsintensitäten verwendet. Um eine regelmäßige Lochverteilung in genau definierten Abständen zu erreichen, werden diffraktive optische Elemente (DOEs) verwendet. Ein 15 x 15 Multispot Element kann aus einem Laserstrahl 225 Teilstrahlen erzeugen, die mit einem Schuss 225 Löcher in eine Folie brennen. Größe und Abstand der Löcher können durch eine zusätzliche Optik verändert werden.
… und wie komm ich an mein Essen?
Damit die Schutzatmosphäre in der Packung bleibt, muss natürlich das „Drumherum“ stimmen. Die meisten Verpackungsfolien sind sogenannte Multilayerstrukturen, bestehen also aus mehreren übereinanderliegenden Schichten.
Dabei hat jedes Material seine eigene Funktion: So ist beispielsweise PET für die Steifigkeit und die Aromakonservierung verantwortlich; das flexible, aber reißfeste PE dient als Siegelmedium; PP ist undurchlässig für Wasserdampf und Aluminium schützt lichtempfindliche Lebensmittel.
Eine robuste Verpackung ist das eine, doch letztendlich möchte der Verbraucher sie auch leicht und ohne größere Kampfhandlungen öffnen. Auch hier kommen Laser ins Spiel – nicht als Lichtschwerter beim Öffnen, sondern als Werkzeuge bei der Herstellung der Verpackungen.
Aufreißhilfen mit dem Laser fertigen
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Der Kniff ist, für die sogenannten Aufreißhilfen die mechanischen Schichten der Verbundkunststoffe gezielt zu schwächen, während andere Funktionen wie die Aromakonservierung oder der Lichtschutz erhalten bleiben. Das geschieht durch Laserritzen.
Da die Bestandteile des Verbundmaterials unterschiedliche optische Eigenschaften haben, können mit dem Laser einzelne Schichten bearbeitet werden, während andere unversehrt bleiben. Um die komplexen Formen in das Material zu bringen, werden meist computergesteuerte Ritzsysteme verwendet. Industrielle Bildverarbeitungssysteme sorgen für die korrekte Positionierung auf der Verpackung. Mit einer entsprechenden Software kann der Strahl dann für jede Verpackung beliebig gesteuert werden.
Eingebauter Dampfkochtopf
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Laserperforation hält Lebensmittel nicht nur frisch, sie ermöglicht auch eine schnelle und bequeme Zubereitung von Fertiggerichten. Gemüse, Fleisch oder Fisch werden einfach mitsamt der Verpackung in die Mikrowelle geschoben und dort dampfgegart. Die Packung bleibt dabei die ganze Zeit geschlossen und es muss noch nicht einmal Wasser zugegeben werden. Wie bei einem Schnellkochtopf baut sich im Behälter ein Überdruck auf, und der Inhalt wird schnell und schonend gegart. Der Trick ist ein in der Abdeckfolie integriertes Ventil, das sich bei einem bestimmten Innendruck öffnet und den Dampf entweichen lässt.
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Gut in Form mit diffraktiven optischen Elementen
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Diffraktive optisch Elemente – kurz DOEs – sind Substrate, in die durch ein lithographisches Verfahren Mikrostrukturen geätzt werden. Durch die Beugungseffekte lassen sich Laserstrahlen teilen, bündeln oder in nahezu beliebige Formen bringen. Entsprechend vielseitig sind die Anwendungsmöglichkeiten von DOEs. Im Gegensatz zu klassischen Strahlformungsverfahren haben sie den Vorteil, dass die gewünschten Strukturen mit einem einzigen optischen Element realisiert werden können und die Strahlenergie fast vollständig ausgenutzt wird. Unsere Partner Holo/OR fertigt DOEs für den Einsatz in High-Power-Lasern.
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Diffractive Optical Elements
Zur Strahlprofil-Änderung werden diffraktive optische Elemente wie Strahlformer, Diffusor, Homogenisierer oder Vortex-Linsen verwendet.
Ausgelegt für die Er:YAG-Laser mit der Wellenlänge 2,94 µm wurden DOEs aus Saphir für den Einsatz in der Medizintechnik entwickelt.
Kunststoff DOEs zur Strahlformung oder Strahlteilung für mittlere und niedrige Leistungen.
Korrekturen von Abbildungsfehlern mit einem einzelnen Element.
Diffraktive ZnSe-Optiken für den typischen Wellenlängenbereich im nahen und fernen IR
Sollen mit einem Element mehrere Strahlen erzeugt werden, so ist der Einsatz von DOEs ideal.
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