English Title: Influence of High Hydrostatic Pressure on the Material and Permeation Characteristics of Polymer Foils

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Abstract

Das Aromaprofil von Lebensmitteln kann sowohl durch technologische Einflüsse als auch bei der Lagerung verändert werden. Hierbei spielen v.a. die Wechselwirkungen mit der Ver­packung eine entscheidende Rolle. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag dazu, die Veränderungen von Kunststoff-Ver­packungs­materialien sowie ihre Interaktionen mit dem umschlossenen Inhalt unter dem Einfluß von hohem hydrostatischem Druck zu erfassen. Die Untersuchungen der Permeationseigenschaften verschiedener Polymere zusammen mit Modellsubstanzen unterschiedlicher Polarität ergaben, daß sich die Permeationsraten mit steigendem Druck verringern. Dieses Phänomen konnte für alle Kombinationen an Modell­substanzen und ge­wählten Folien erkannt werden. Weiterhin wurde festgestellt, daß Drücke ab 60 MPa bei 22 °C die Permeation fast komplett unterbinden. Ergänzende Versuche zeigten, daß diese druckinduzierten Effekte in den meisten Fällen reversibel sind. Die verminderte Durchlässigkeit der Polymer-Folien gleicht sich nach Druck­entspannung wieder der ursprünglichen Durchlässigkeit unter Normaldruck an. Dabei sind weder Druckhöhe noch Druckhaltezeit ausschlaggebend. Eine Erhöhung der Temperatur führt zu einer Steigerung der Durchgangsraten. Die Zu­nahme ist abhängig von der Druckhöhe - je kleiner der Druck, desto größer die Permeations­erhöhung. Die Versuche mit Modellsubstanzen und Polymeren gleicher Polarität (unpolare) zeigen einen besonders großen Substanzeintrag in die Folie, der auch geruchlich erkennbar war. Schon während der "Vorlaufzeit" (Zeit die benötigt wird, den Versuch vorzubereiten und den ge­wünschten Enddruck aufzubauen) wird sehr viel Substanz von der Folie sorbiert. Durch eine entsprechende Versuchsdurchführung war es möglich auch diese Vorgänge mitzu­erfassen. Aus den erhaltenen Meßergebnissen konnten anhand eines theoretischen Rechen­modells die Permeations- und Verteilungskoeffizienten errechnet werden. Ent­sprechend der geminderten Stoff­durchgänge unter Druck verkleinert sich auch der zugehörige Permeationskoeffizient. Analoge Studien zum Einfluß des Lösungsmittels auf das Permeationsverhalten zeigten, daß durch Senken der Polarität durch Zugabe von Ethanol zu Wasser der Substanzdurchgang gesteigert wird. Dies läßt sich mit der Veränderung des Verteilungskoeffizienten begründen. Messungen der mechanischen Festigkeit (Zugfestigkeit) und der strukturellen Eigenschaften (Kristallinität) der Polymere mit und ohne Druckbehandlung ergaben keine wesentlichen Veränderungen.

Translation of abstract (English)

Flavour profiles of food may vary with respect to technological treatment and storage. Here, the interactions with the packaging material play an important role. This work investigates the effect of high pressure processing on the permeability and the mechanical properties of polymer films for food packaging. The results obtained for different substances in combination with different polymer films show that permeation decreases with an increase of pressure. All examined material combinations (model substance solutions of different polarity and polymer films) behave this way. At a temperature of 22 °C and pressure of 60 MPa permeation is reduced almost to zero. Additional experiments show that these pressure induced effects are reversible in most cases . After release of the pressure the permeation rate increase from nearly zero to the same value as the control that has been kept at atmospheric pressure. There is no difference whether the treatment is performed at high or low pressures and whether the time of pressurizing is short or long. With increasing temperature permeation rates will increase. The permeation under low pres­sure will be more affected by the increasing temperature than the permeation under higher pressure. Experiments with unpolar model substances and unpolar polymers exhibit a signficant intake of substance into the polymeric material. We noticed that the intake of substance in the material during the "come-up-time" (time it takes until the bags are filled and the desired pressure is reached) is very large. A modified arrangement allows to observing these processes. By theoretical modelling we were able to calculate the permeation and the distribution coefficients. The permeation coefficients decrease with increasing pressure, too. Analogous studies prove solvent effects on the permeation rates: a change in solvent polarity by addition of ethanol increases the permeation rate. This is due to variations of the distribution coefficient. Mechanical (tensile strength) and structural properties (crystaline fraction) are not affected by high pressure treatment.