| | |  | | | | | | Obiettivi della ricerca
Caratteristica peculiare della stampa rotocalco a livello nazionale è l’uso pressoché generalizzato di inchiostri monosolvente, a base di acetato di etile. La situazione è condizionata da due fattori:
• ecologico (dovuto all’esigenza di non emettere VOCs nell’atmosfera);
• economico (il recupero del solvente in alternativa alla combustione dello stesso, tramite un sistema ad hoc, che richiede peraltro l’impiego di inchiostri e adesivi fondamentalmente “monosolvente”).
Se i vantaggi ecologici ed economici risultano subito evidenti, un altro aspetto non viene tenuto nel giusto conto dagli utilizzatori finali: il prodotto finito ha, in genere, una ritenzione di solvente dovuta in massima parte ad acetato di etile. L’obiettivo che la ricerca si pone è quello di studiare il comportamento “organolettico” dell’acetato di etile. L’esigenza dello studio nasce dal fatto che, molto spesso, i capitolati riportano valori di ritenzione solventi totale, e di acetato di etile in particolare, che sono fissati senza tener conto, perché non conosciuto, del reale rischio di danno organolettico sia in relazione all’odore sia, soprattutto, all’eventuale alterazione di gusto della parte edibile. Il problema è ancor più complicato per quei trasformatori che esportano in paesi in cui l’uso di inchiostri monosolvente è praticamente sconosciuto, come accade nei mercati centro e nord europei. In molti casi vengono richiesti valori di ritenzione di acetato di etile molto bassi, paragonabili spesso con altri solventi molto più “pericolosi” organoletticamente, quali metil etil chetone, acetato di propile e di iso butile o, addirittura, toluene. Naturalmente in questi casi non si tiene conto del fatto che l’acetato di etile sia, praticamente, l’unico solvente “misurabile”. Rilevando sia la soglia di percezione olfattiva di acetato di etile con un metodo che simuli le condizioni reali di utilizzo che la relativa soglia di percezione gustativa in alcuni alimenti o simulanti degli stessi, indice quindi di un’alterazione organolettica della parte edibile, si può dare una valenza oggettiva in quanto numerica, al potenziale inquinante dell’acetato di etile. Si possono quindi fissare, su queste basi sperimentali, opportuni coefficienti di sicurezza così come accade per gli aspetti tossicologici.
Objects of the study
The peculiar feature of rotogravure printing in Italy is the virtually generalised use of monosolvent, ethyl acetate based inks. This situation is conditioned by two factors:
• ecology (due to the need to avoid emissions of VOCs in the atmosphere);
• cost (reclaiming the solvent as an alternative to burning this, by means of an ad hoc system, but which requires the use of essentially “monosolvent” inks and adhesives).
While the ecological and economic advantages are immediately obvious, not enough attention is given to another aspect by the end users: generally speaking, the end product retains the solvent due mostly to the ethyl acetate. The aim of this study is to look at the “organoleptic” behaviour of the ethyl acetate. The need for this study arises from the fact that, very often, the specifications contain total solvent retention values and ethyl acetate values in particular, that are fixed without taking into consideration the real risk of organoleptic damage (because unknown), both with regard to the smell and, above all, to possible alterations in flavour of the edible part. The problem is even more complicated for those converters that export to countries where the use of monosolvent ink is practically unheard of, as happens on the Central and Northern European markets. In many cases, very low ethyl acetate retention values are required, often equal to those for other far more “harmful” solvents in terms of flavour and smell, such as methyl ethyl ketone, propyl acetate and iso butyl acetate, or even toluene. Of course, no account is made for the fact that ethyl acetate is practically the only “measurable” solvent in these cases. By measuring both the olfactory perception threshold of ethyl acetate using a method that simulates the actual conditions of use and the corresponding taste perception threshold in some foods or relative simulants - in other words, an index of organoleptic alteration of the edible part - one can offer objective valency (in numeric terms) of ethyl acetate’s potential to contaminate. This makes it possible to set suitable safety coefficients using these experimental data, as already happens for other toxicological aspects.
| |  | | | | La ricerca scientifica al servizio dell’industria: il rispetto dei capitolati di fornitura ai grandi utilizzatori europei impone condizioni molto severe ai produttori di imballaggi flessibili destinati agli alimenti. In questo contesto, la ricerca fornisce un valido ausilio nel “ritarare” le preoccupazioni reali per eventuali - e possibili - contaminazioni. È il caso, per esempio, dell’acetato di etile che, alla luce dell’analisi condotta, è da preferirsi ad altri solventi.
Valter Rocchelli et alt.
Ospitiamo, in questo fascicolo, un’ampia sintesi del lavoro sperimentale svolto dal Laboratorio di Chimica Analitica - LCA Coates Lorilleux SpA (laboratorio certificato dal Ministero della Sanità italiano), che ha sviluppato una ricerca finalizzata alla valutazione delle soglie di percezione sensoriale di acetato di etile (e altri solventi) impiegati nella stampa rotocalco di film flessibili, destinati a venire a contatto con i prodotti alimentari.
Nota: La relazione è stata presentata alla XV assemblea d’autunno del Giflex (XXX) il 6 ottobre 2000 da Valter Rocchelli e che si basa sul lavoro sperimentale condotto all’interno del Laboratorio di Chimica Analitica- LCA Coates Lorilleux SpA, coordinato dallo stesso Valter Rocchelli, con il supporto di Mara Baronciani e Loredana Tinelli (LCA), Silvia Silvestri e Simona Zecchini (Distam - Università degli Studi di Milano).
Una premessa su mercato e norme
[...] L’imballaggio per definizione deve proteggere ciò che vende e vendere ciò che protegge. In alcune circostanze sfavorevoli, ma fortunatamente non frequenti, alcuni componenti dell’imballaggio possono trasferire al prodotto odori e sapori sgradevoli, o comunque ad esso estranei.
Se da un lato queste cessioni non costituiscono, in genere, un pericolo per la salute dell’uomo (le concentrazioni sono ben al di sotto delle soglie tossicologiche), dall’altro possono costituire un problema di natura sensoriale.
A livello nazionale, il DM 21/3/73 (e successivi aggiornamenti e modifiche) (1) disciplina i materiali destinati a venire in contatto con gli alimenti, imponendo criteri igienico-sanitari garanti della non tossicità degli imballaggi, attraverso l’individuazione dei composti chimici adatti alla loro fabbricazione, catalogati in liste positive.
La legislazione italiana, fin dalla legge n. 283 del 1962 per arrivare all’emanazione legislativa più recente - il D.L. 25/1/92 n.108 che ha recepito la Direttiva CEE 89/109 - ha tenuto in considerazione il rischio della contaminazione organolettica degli alimenti confezionati. In particolare l’art. 2 di tale direttiva CEE stabilisce che: «... i materiali e gli oggetti... non devono cedere ai prodotti alimentari costituenti in quantità tali da: costituire un pericolo per la salute umana; comportare una modifica inaccettabile della composizione dei prodotti alimentari o un’alterazione dei loro caratteri organolettici...». Esiste quindi un problema di natura tossicologica (che esula dagli obiettivi di questo studio) e uno di natura organolettica.
Rischi di danno organolettico
Una caratteristica comune a tutti gli atti legislativi è quella di riportare un’affermazione di principio, senza indicare però limiti di percezione di odore o sapore, né metodologie specifiche per valutare l’alterazione organolettica. Le proprietà organolettiche degli alimenti fanno direttamente riferimento al “sensore umano”, senza però riscontri quantitativi dell’eventuale danneggiamento e corrispondenti coefficienti di sicurezza come per l’aspetto tossicologico. Ed è per la mancanza di riferimenti numerici, accompagnata dall’esigenza di una normativa di valenza generale, che il legislatore è stato costretto a esprimersi in termini di “sfavorevole modifica delle caratteristiche organolettiche” (che, purtroppo, non è una grandezza esprimibile in termini quantitativi).
Emerge dunque l’esigenza che l’imballaggio finito, la stampa ed eventuali adesivi compresi, non debba cedere sostanze che possano provocare variazioni “sfavorevoli” delle caratteristiche organolettiche intrinseche degli alimenti confezionati.
Concetto di potenziale inquinante
È importante quindi, per le realtà produttive coinvolte nel ciclo di fabbricazione degli imballaggi per alimenti, saper valutare o meglio “misurare” il potenziale inquinante di quanto prodotto, trasformato e utilizzato.
Ciò significa conoscere i composti che possono migrare nella parte edibile per via gassosa e all’interfaccia imballaggio-alimento, nonché i meccanismi e le condizioni di migrazione. I materiali flessibili per l’imballaggio sono film plastici monostrato, coestrusi, accoppiati o laminati complessi costituiti da diversi strati (es. carta/alluminio/polietilene). Il loro potenziale inquinante nei riguardi degli alimenti contenuti è dato, in linea teorica, da composti organici che si possono indicare nelle seguenti classi: additivi delle materie plastiche (plastificanti, antiossidanti, antiUV etc.); residui di monomeri; adesivi di accoppiamento e loro additivi; eventuali prodotti di decomposizione formatisi durante i processi di fabbricazione; inchiostri e vernici da stampa e loro additivi; solventi degli inchiostri da stampa; solventi degli adesivi di accoppiamento.
LA SPERIMENTAZIONE
Grande parte delle pubblicazioni esistenti sulle analisi sensoriali sono caratterizzate da una grande variabilità nei valori tabulati, frutto della non uniformità nei metodi utilizzati, a partire dalla stessa definizione di soglia. L’assaggiatore può essere posto di fronte a più contenitori di campioni, in concentrazioni ascendenti; oppure di volta in volta può essere invitato a distinguere il campione da un bianco o da due bianchi. In nessun caso comunque si trovano riferimenti ai tempi e alle temperature di condizionamento, nonché a quelle di assaggio. Anche i metodi statistici di calcolo riportano grandi differenze. È dunque necessario fare chiarezza nel settore per avere valori di soglia confrontabili con valori ottenuti in laboratorio, per le analisi che si eseguono ordinariamente.
PARTE OLFATTIVA
Analisi sensoriale
Determinazione della soglia olfattiva
dei principali solventi
In questa prima fase, lo scopo è di verificare a quale concentrazione di solvente nello spazio di testa di un contenitore vuoto, un panel addestrato alle prove olfattive riesce a percepirne l’odore (in modo significativo), per confronto con un analogo contenitore vuoto. La prova deve essere eseguita dopo condizionamento del campione a temperatura non superiore a 40 °C e avendo, in parallelo, la misura gascromatografica del solvente nello spazio di testa, cioè dell’esatta quantità che “arriva” al naso dei panelisti.
Metodo per la determinazione della soglia olfattiva
Per il calcolo della soglia olfattiva si è seguita la norma ASTM E1432-91 (2) riapprovata nel 1997. Con tale procedura è possibile il calcolo di soglie individuali e di gruppo attraverso la presentazione ai singoli panelisti di un 3AFC (three-alternative forced-choice), cioè di un test triangolare a scelta forzata. L’assaggiatore, posto di fronte a tre contenitori, due dei quali costituiscono dei bianchi e uno solo contiene il solvente, deve individuare il campione.
Il campione viene presentato a diverse concentrazioni e ognuna di queste viene testata più volte.
È possibile in questo modo costruire, per ogni assaggiatore, una retta, i cui punti sono individuati dalle varie concentrazioni e dalle % di esatto riconoscimento.
La soglia olfattiva di ogni assaggiatore è la concentrazione che corrisponde al 50% di esatto riconoscimento sulla retta personale. Se queste soglie individuali presentano una distribuzione “a campana”, è possibile trovare la soglia olfattiva di gruppo attraverso il calcolo della media geometrica di tali valori.
Descrizione della procedura
Per il calcolo della soglia olfattiva si è scelto un gruppo di assaggiatori in n° da 10 a 16 facenti già parte di un panel addestrato su prove sensoriali normalizzate (3).
Da una soluzione madre di solvente in acqua sono state ottenute soluzioni diluite. 1 µl di ogni soluzione è stata iniettata di volta in volta in vial da 20 ml, poi condizionate per 1 h a 40 °C. Tale temperatura è ritenuta convenzionalmente la massima alla quale può andare incontro un prodotto durante la sua shelf life.
Ogni assaggiatore veniva invitato di volta in volta ad annusare tre vial, una con il campione e due condizionate nello stesso modo ma contenenti 1 µl di sola acqua.
Per ogni solvente si sono testate da 4 a 7 diluizioni ripetendo i test da 3 a 6 volte.
Analisi strumentale
I valori di soglia olfattiva determinati costituiscono la base di partenza per individuare i corrispondenti valori di soglia di percezione sui materiali.
L’approccio strumentale prende in considerazione la soglia di percezione dei solventi nell’atmosfera interna di un’ipotetica confezione costituita dai materiali flessibili termosaldati, che è stata confrontata con la misura gascromatografica del “rilascio di solvente”, cioè con la misura dell’attitudine di un materiale a cedere il solvente dal lato interno, in determinate condizioni, per attivare lo stimolo olfattivo.
Determinazione dei solventi residui in imballaggi flessibili: metodo rapido UNI U59.0B.162.0 (4)
Il metodo si applica nella determinazione quali/quantitativa dei solventi residui negli imballaggi flessibili e semirigidi per alimenti o di loro parti, prodotti per estrusione, accoppiamento o laccatura di pellicole metalliche, plastiche, cartacee a uso alimentare. Il limite di determinazione del metodo è di 0,5 mg/m2. Tale determinazione viene eseguita mediante analisi gascromatografica con campionamento in spazio di testa statico, dopo condizionamento dei provini a 125 °C per 30 minuti.
Determinazione dei solventi presenti sulla superficie interna di film flessibili
Questa tecnica consente di monitorare il residuo solvente e l’eventuale presenza di altri composti organici volatili su uno dei due lati del film e si basa sull’analisi dell’atmosfera interna delle celle in cui sono evaporati i solventi desorbiti unicamente dal lato esposto. [...]
Descrizione della procedura
Dal materiale sono stati ritagliati due provini circolari di superficie pari a 2 dm2 da inserire nelle celle con il lato interno (non stampato) rivolto verso l’interno della cella. Dopo aver chiuso la cella, la si pone in stufa termostatata a 40 °C per 1 ora. Terminato il condizionamento si preleva 1 cm3 di atmosfera, che si trova all’interno della cella, mediante una siringa da gas, attraverso il setto perforabile e si inietta immediatamente nel gascromatografo. Per la determinazione quantitativa si è proceduto con le modalità sopra descritte, ma al posto del campione di film flessibile si sono impiegati provini di alluminio e attraverso il setto si sono iniettate quantità note della soluzione standard dei solventi. Si è poi proceduto alla calibrazione su 3 livelli per tutti i solventi contenuti nella soluzione standard. La figura 1 riporta la curva di calibrazione dell’acetato di etile.
PARTE GUSTATIVA
Analisi sensoriale
Determinazione della soglia di percezione gustativa di acetato di etile in alimenti o loro simulanti
L’obiettivo era di misurare in termini numerici il potenziale inquinante di acetato di etile, in modo tale da prevedere il rischio di danno organolettico della parte edibile, e più precisamente il rischio di alterazione del gusto. Il primo passo è quindi il calcolo della soglia di percezione gustativa del solvente in simulanti alimentari e più precisamente:
- simulante acquoso (acqua minerale naturale per consumo umano);
- simulante solido (biscotti per la prima colazione prodotti con farina di grano tenero tipo 0, zucchero, margarina vegetale, amido, uova, burro, panna 2%, sciroppo di glucosio, sale, agenti lievitanti, aroma vanillina. Contenuto in grassi: 21%).
Descrizione della procedura
Anche per questo lavoro è stata seguita la norma ASTM-E 1432-91 (2).
La soglia gustativa di ogni assaggiatore è la concentrazione che corrisponde al 50% di esatto riconoscimento sulla retta personale. Se queste soglie individuali presentano una distribuzione “a campana” o “a campana scodata” è possibile determinare la soglia gustativa di gruppo, attraverso il calcolo della media geometrica di tali valori.
• Determinazione della soglia in acqua - Per il calcolo della soglia gustativa dell’acetato di etile in acqua per il consumo umano, è stato scelto un panel di 18 assaggiatori già addestrati (5, 6). Da una soluzione madre di acetato di etile in acqua minerale naturale, sono state ottenute più soluzioni diluite. Circa 25 ml di ogni soluzione venivano preparati di volta in volta in bicchieri di vetro e presentati all’assaggiatore con un test triangolare, insieme ad altri due bicchieri identici, ma contenenti solo acqua. Si sono testate 6 diluizioni ripetendo i test 6 volte.
• Determinazione della soglia nei biscotti - Un importante problema sperimentale da risolvere per poter calcolare la soglia gustativa, è il metodo di contaminazione dei simulanti solidi, in quanto gli stessi devono essere “drogati” con acetato di etile in modo omogeneo e a concentrazioni note. È stato quindi messo a punto un metodo di lavoro per ottenere una contaminazione significativamente omogenea per un’aliquota sufficiente di simulante per eseguire il test sensoriale e un metodo analitico idoneo a misurare esattamente il livello di contaminazione ottenuto.
Dopo diverse prove preliminari abbiamo ottimizzato la seguente procedura di inquinamento dei biscotti: un’aliquota di tre biscotti del peso complessivo di 24 g è stata accuratamente divisa in pezzi di circa 1 g ciascuno e posta in un essiccatore di vetro di capacità pari a 600 ml.
L’essiccatore viene quindi “inquinato” con quantità note di acetato di etile (da 1 a 5 µl) distribuite su due supporti in fibra di vetro posizionati sia sopra che sotto i biscotti. Il condizionamento avviene a temperatura ambiente per un periodo di 24 ore. Alla fine del condizionamento viene allestito il test gustativo e contemporaneamente vengono campionati i biscotti per l’analisi gascromatografica per la determinazione del contenuto in acetato di etile. I valori del test sensoriale vengono quindi riferiti al valore di acetato di etile misurato.
L’omogeneità di questo sistema di inquinamento è stata valutata eseguendo la determinazione gascromatografica dell’acetato di etile su 5 aliquote di biscotti provenienti dal test e valutando la ripetibilità dei dati ottenuti.
Metodo per la determinazione della soglia gustativa
Per velocizzare l’esecuzione del test sono state selezionate sette persone, quelle ritenute più sensibili tra i componenti del panel già impiegato per i test sensoriali con l’acqua. Allo scadere del condizionamento del biscotto (24 ore a temperatura ambiente) un’aliquota di circa 1 g viene velocemente avvolta in alluminio e presentata agli assaggiatori con test triangolare, insieme ad altre due aliquote da 1 g che non sono state inquinate, avvolte in alluminio, che costituiscono il “bianco”. Simultaneamente alla prova gustativa, su alcune aliquote di biscotto è stata eseguita l’analisi gascromatografica, per determinare l’esatto contenuto di acetato di etile.
Si sono impostati e testati 5 diversi livelli di concentrazione ripetendo i test 5 volte per ognuno di essi.
Per l’elaborazione finale dei risultati, si è tenuto conto della reale concentrazione misurata sui biscotti provenienti dal condizionamento e raggruppato i dati in range di concentrazione.
Questa operazione si è resa necessaria in quanto, pur inquinando con le stesse quantità di acetato di etile, non è stato possibile ottenere, nel biscotto, per ogni livello, le stesse identiche concentrazioni di acetato di etile.
Analisi strumentale
Metodi utilizzati per la sperimentazione con il simulante acquoso
È stata valutata l’attitudine dell’acetato di etile a migrare dall’imballaggio nel simulante acquoso ed è stato quantificato l’acetato di etile migrato.
Per questa fase sono state eseguite la determinazione dei solventi residui e dei solventi residui localizzati nel lato interno su campioni di imballaggio flessibile; quindi è stato realizzato il contatto fra il lato interno dell’imballaggio e il simulante acquoso per verificare la migrazione dell’acetato di etile, dopo aver messo a punto un metodo per la determinazione quantitativa dell’acetato di etile nell’acqua.
• Per determinare i solventi presenti sulla superficie interna di film flessibili, è stata impiegata la procedura già descritta in precedenza, ma risultano differenti le modalità di condizionamento, effettuato, in questo caso, per 1 h a 70 °C.
• La determinazione quali/quantitativa dell’acetato di etile migrato dall’imballaggio flessibile nel simulante acquoso (acqua per uso umano) viene eseguita attraverso analisi gascromatografica con campionamento in spazio di testa statico.
Descrizione della procedura
Dal materiale si sono ricavati provini con superficie di 2 dm2, impiegati per realizzare un contatto dell’imballaggio con il simulante acquoso.
L’acqua viene posta a contatto con il lato interno del film flessibile, tramite celle simili a quelle utilizzate per la determinazione dei solventi rilasciati dal lato interno; le celle vengono poste a 40 °C per 24h con rapporto superficie campione/volume acqua di 2 dm2/200 ml.
Terminato il contatto, 10 ml di simulante acquoso vengono introdotti in vial di vetro della capacità di 20 ml e chiuse con setto in gomma butilenica teflonata e ghiera di alluminio.
Le vial, contenenti l’acqua proveniente dalle celle, sono condizionate termicamente a 80 °C per 30 minuti in un campionatore automatico dello spazio di testa statico e analizzate per via gascro- matografica.
La calibrazione è stata effettuata analizzando soluzioni standard di acetato di etile in acqua distillata a diverse concentrazioni, preparate a partire da una soluzione madre. La figura 2 riporta la curva di calibrazione a tre livelli dell’acetato di etile.
Analisi strumentale
Metodo utilizzato per la sperimentazione con il simulante solido
Il metodo ha l’obiettivo di misurare l’acetato di etile nei biscotti appositamente inquinati per la prova gustativa, ed è basato sull’analisi gascromatografica con campionamento in spazio di testa statico.
Descrizione della procedura
Le aliquote di 1 g di biscotto provenienti dal test vengono immediatamente avvolte in alluminio, polverizzate tra le dita, introdotte in fiale per spazio di testa da 20 ml e velocemente chiuse con setto e ghiera.
Di ciascuna aliquota viene misurato il peso esatto; si procede quindi all’analisi gascromatografica, previo condizionamento termico a 80°C per 30 minuti.
Per la calibrazione quantità note di acetato di etile vengono aggiunte a fiale già contenenti 1 g di biscotto polverizzato come i campioni. La figura 3 riporta la curva di calibrazione a tre livelli dell’acetato di etile.
I risultati ottenuti
PARTE OLFATTIVA
Analisi sensoriale
Soglia olfattiva di acetato di etile
Di seguito riportiamo i risultati ottenuti applicando la norma ASTM E1432 per determinare la soglia di percezione olfattiva di acetato di etile.
La tabella 1 riporta le caratteristiche chimico-fisiche dell’acetato di etile (7).
La tabella 2 riporta i risultati dei test condotti rappresentando, per ogni componente del panel, il numero delle risposte esatte per ogni concentrazione o quantità di solvente. In tabella 3 gli stessi dati vengono riportati come percentuale di risposte esatte calcolate secondo la formula (a).
Per ogni panelista viene costruito un grafico bidimensionale che riporta in ascisse il logaritmo della quantità assoluta di acetato di etile introdotto nella fiala ed in ordinate la % di esatto riconoscimento.
Nella figura 4 riportiamo, a titolo di esempio, la curva relative a un panelista.
La soglia olfattiva per ogni panelista viene individuata nella quantità di solvente che corrisponde al 50 % di esatto riconoscimento sulla retta. Nel grafico riportato come esempio, tale valore, come si può vedere, corrisponde a 1,9 µg.
Nella tabella 4 sono riportate le soglie olfattive individuali, distinguendo tra due differenti tipi di soglia: la “soglia di percezione”, che è la concentrazione corrispondente al 50% dei riconoscimenti esatti e la “soglia di riconoscimento”, ossia la concentrazione che corrisponde al 100% di risposte esatte nei test.
L’ulteriore elaborazione dei dati consiste nel calcolo della media geometrica delle soglie individuali che, come appare dal grafico (figura 5) sono caratterizzate da una distribuzione di tipo gaussiana con un andamento cosiddetto “a campana”.
Nella tabella 5 è finalmente riportata la soglia olfattiva di acetato di etile determinata con il presente metodo, espressa in µg assoluti.
Analisi sensoriale
Soglia olfattiva di altri solventi utilizzati nella stampa rotocalco
Allo scopo di testare il metodo “sul campo” e di avere dati di confronto fra le soglie di percezione olfattiva di differenti composti, abbiamo considerato anche altri solventi e composti volatili (la tabella 6 ne riporta le caratteristiche):
- metossi propanolo (glicol/estere utilizzato come ritardante di stampa);
- acetil acetone (composto non utilizzato come tale ma che può essere presente negli stampati come residuo di lavorazione o come prodotto di decomposizione di un additivo; promotore di adesione, acetonil acetonato di titanio;
- acetato di isobutile (solvente chimicamente simile all’acetato di etile, ma con volatilità inferiore, caratterizzato da un odore facilmente percepibile).
Le tabelle 7, 8, 9 evidenziano la soglia olfattiva di gruppo per i tre solventi e composti volatili considerati.
La sperimentazione ha dunque permesso di determinare la soglia olfattiva di acetato di etile, applicando il metodo anche agli altri composti organici volatili: la comparazione è evidente nella tabella 10.
I composti considerati hanno dunque soglie di percezione olfattive molto differenti: il metossi propanolo risulta, fra quelli analizzati, il composto meno “odoroso”, mentre l’acetil acetone ha una soglia pari alla metà di quella dell’acetato di etile.
Appare poi evidentissima la differenza fra i dati dei due esteri: la soglia olfattiva di iso butil acetato è di 20 volte inferiore di quella di acetato di etile pur essendo entrambi i composti due esteri di basso peso molecolare e pur avendo, l’acetato di etile, un punto di ebollizione decisamente inferiore a quello dell’acetato di isobutile: 78°C contro 117 °C.
Analisi strumentale
Le metodiche sviluppate in questa ricerca sono state applicate a 25 film flessibili per alimenti, di diversa composizione e struttura, stampati rotocalco, alcuni destinati a contenere prodotti da forno, altri prodotti dolciari e prodotti in polvere. Su questi campioni è stata valutata la concentrazione residua di solventi con la procedura indicata dalla norma UNI U59.0B.162.0, che prevede il condizionamento a 125 °C per 30’ e permette di determinare il contenuto totale dei solventi.
Il passo successivo è stato quello di determinare il rilascio di solventi dal lato interno dei materiali, cioè quello destinato al contatto con gli alimenti; in questo modo si può determinare solo ciò che migra dal film stampato verso l’interno dell’ipotetica confezione, cioè nell’ambiente in cui verrà posta la parte edibile. Nella tabella 11 si riportano le caratteristiche dei campioni di materiale utilizzati e i valori determinati con i due metodi.
Confronto fra soglie olfattive
e acetato di etile rilasciato dal lato interno di materiali flessibili
La sperimentazione ha permesso di determinare la soglia olfattiva di acetato di etile. Per poter confrontare i dati ottenuti dalle analisi sensoriali e strumentali è stato necessario trasformare i valori di soglia, fino a ora espressi in µg assoluti di solvente introdotto nelle fiale, in unità di peso per unità di superficie, con riferimento alla cella utilizzata per le prove, che espone un provino di 2 dm2 in un volume della camera interna di 200 ml.
In tabella 12 si riportano i valori di soglia calcolati passando dal dato espresso in µg/ml nella fiala e nella camera interna della cella, al corrispondente valore in mg/m2 di acetato di etile rilasciato dal campione nell’atmosfera interna della cella stessa.
Con lo studio del rilascio solventi sul lato interno è stato appurato che solo 5 campioni su 25 superano la soglia di percezione e solo 2 quella di riconoscimento. Questi campioni sono da considerarsi potenzialmente “critici” per le caratteristiche organolettiche di eventuali alimenti confezionati in essi: si nota però che gli stessi campioni presentano valori di ritenzione di acetato di etile decisamente elevati. I dati riportati, in ogni caso, non sono da valutarsi altrimenti di un esempio applicativo delle metodiche sviluppate.
Tuttavia l’approccio metodologico sopra descritto mostra interessanti potenzialità per la progettazione di materiali flessibili destinati a contenere alimenti, se applicato in modo mirato e sistematico a un numero di campioni sufficientemente ampio per ottenere una validazione statistica dei dati prodotti.
I risultati ottenuti
PARTE GUSTATIVA
Analisi sensoriale
Soglia gustativa dell’acetato di etile in acqua
Anche in questo caso è stata applicata la norma ASTM-E 1432, per determinare la soglia di percezione gustativa dell’acetato di etile nel simulante acquoso.
In tabella 13 viene riportata la percentuale di risposte esatte, calcolate secondo la norma.
Per ogni panelista viene costruito un grafico bidimensionale che riporta in ascisse il logaritmo della concentrazione di acetato di etile di ogni soluzione testata ed in ordinate la % di esatto riconoscimento.
Per la costruzione del grafico, poiché l’asse delle ascisse è logaritmico, occorre plottare il valore 100% come 99.5%, il valore 0% come 0.5% e i valori minori di 0 come 0.1%.
Nella figura 6 riportiamo, a titolo di esempio, la curva relativa a un panelista. La soglia gustativa individuale di ogni panelista coincide con la concentrazione che corrisponde al 50% di riconoscimento sulla retta. Nel grafico riportato la soglia risulta di 3,9 ppm. Vengono ripresi i valori di soglia gustativa individuale dell’acetato di etile, distinguendo anche in questo caso fra soglia di percezione e di riconoscimento, rappresentate mediante un istogramma di frequenza (figura 7). Come previsto nella NORMA ASTM-E1432, questa distribuzione a campana scodata permette il calcolo della soglia di gruppo dell’acetato di etile, come media geometrica delle soglie individuali. La tabella 14 riporta le soglie gustative di percezione e riconoscimento del gruppo di panelisti, espresse in ppm (mg/l). Il valore di soglia sensoriale determinato non differisce molto da quello ottenuto empiricamente in una precedente ricerca (8).
Analisi sensoriale
Soglia gustativa dell’acetato di etile in biscotti
Le soglie individuali dell’acetato di etile possono essere rappresentate anche mediante un istogramma di frequenza, come riportato nella seguente figura 8. Come previsto nella norma ASTM-E1432, questa distribuzione a campana scodata permette il calcolo della soglia di gruppo dell’acetato di etile, come media geometrica delle soglie individuali. La tabella 15 riporta le soglie gustative di percezione e riconoscimento del gruppo di panelisti, espresse in ppm, (µg/g).
Discussione dei risultati
I dati sopra riportati indicano che per far variare il gusto di un biscotto “drogato” con acetato di etile, il solvente deve essere assorbito dal biscotto stesso, in quantità non inferiore a 29 mg/kg. Ora, ipotizzando una confezione da 400 gr di biscotti, costituita da 10 dm2 di materiale flessibile, per raggiungere la concentrazione di etile acetato nei biscotti corrispondente al valore di soglia, occorre che gli stessi vengano contaminati da: 29 mg x 0,4 kg = 11,6 di acetato di etile (11,6 mg di acetato di etile in 10 dm2 corrispondono a 116 mg/m2). Dunque per raggiungere la soglia di percezione gustativa nei biscotti, il materiale che li contiene deve avere 116 mg/m2 di acetato di etile sul lato interno disponibile alla migrazione.
Analisi strumentale
Simulante acquoso
Il metodo messo a punto per la determinazione dell’acetato di etile in simulante acquoso è stato applicato al simulante posto a contatto con campioni di diverso materiale flessibile, per verificare se la quantità di acetato di etile che migra dall’imballaggio nel simulante ne possa alterare il gusto in modo rilevabile.
Per questa fase del lavoro è stata eseguita in primis la determinazione gascromatografica dei solventi residui nei campioni di imballaggio flessibile, e di seguito la determinazione gascromatografica dei solventi rilasciati dal lato interno del materiale.
Il valore della ritenzione totale è certamente un parametro importante per la valutazione approssimativa del potenziale inquinante di un imballaggio flessibile; ma non è difficile immaginare che un solvente residuo possa essere più pericoloso se è presente sul lato interno del film, cioè sul lato a diretto contatto con l’alimento, dove è ovviamente più disponibile a migrare. La prova di migrazione dell’acetato di etile in simulante acquoso è in grado di indicare se il potenziale inquinante produce o meno un’interazione sfavorevole con l’alimento, alterandone il gusto, nel caso in cui superi il valore di soglia di percezione. Nella tabella 16 si riportano le caratteristiche dei campioni e i risultati delle analisi.
Discussione dei risultati
La tabella precedente riporta i parametri determinati esclusivamente a titolo di esempio applicativo, su alcuni campioni di materiali flessibili accoppiati. I dati riportati quindi non possono essere elaborati per verificare correlazioni intrinseche, in quanto non sono in numero sufficiente per avere validazione statistica. Dai risultati ottenuti con le analisi strumentali possiamo constatare che i campioni di film flessibile considerati in questo lavoro sono caratterizzati da una ritenzione solvente totale e localizzata nel lato interno decisamente elevate; se ci fermassimo a valutare solo questi dati potremmo forse dire che i campioni sono dei materiali con potenziale inquinante “rilevabile”. Ma questo potenziale produce in tutti i casi un’alterazione del gusto?
Ricordando che la soglia di percezione gustativa dell’acetato di etile in acqua corrisponde a 6,5 mg/l,si nota che i campioni 26, 28 e 29 hanno prodotto una migrazione del solvente inferiore alla suddetta soglia, pur partendo da residui tutt’altro che trascurabili. In questi casi quindi si può affermare che, nonostante la migrazione di acetato di etile sia rilevabile analiticamente, non raggiunge un’entità tale da produrre danno organolettico specifico. Il campione 27 invece ha ceduto all’acqua acetato di etile in concentrazione che di poco ha superato il valore di soglia: 8,4 mg/l contro 6,5 mg/l. Naturalmente considerando i dati alla luce del valore di solvente residuo che caratterizza il campione in oggetto (443 mg/m2) ogni commento in merito appare scontato. Per ultimo vogliamo far notare che il valore di soglia rilevato, 6,5 mg/l di acetato di etile nell’acqua, può essere ottenuto, nelle condizioni adottate di contatto, cioè 200 ml di acqua e 2 dm2 di film, solo se il film stesso ha un contenuto di 65 mg/m2 di solvente disponibile alla migrazione, quindi sul lato interno. Questo dato certamente indica quanto sia ridotta l’attitudine dell’acetato di etile ad alterare le caratteristiche organolettiche di un simulante particolarmente critico come l’acqua per migrazione. Tutto ciò è rappresentato nella figura 9. Nell’istogramma, il valore di soglia di percezione dell’acetato di etile è stato trasformato nel corrispondente valore in mg/m2, tenendo conto delle condizioni di contatto, in particolare del rapporto superficie del campione e volume di acqua, con cui sono state eseguite le prove di migrazione descritte precedentemente; in questo modo la soglia risulta pari a 65 mg/m2.
Conclusioni
La ricerca ha raggiunto gli obiettivi prefissati: il comportamento dell’acetato di etile è stato studiato in modo estensivo, ottenendo la possibilità di esprimerne il rischio di danno organolettico con entità numeriche ben definite. Le soglie di percezione e di riconoscimento determinate potranno consentire di individuare corrispondenti limiti di sicurezza organolettici, come per l’aspetto tossicologico.
Volendo entrare nel merito dei risultati ottenuti, va fatta rilevare la dimostrata scarsa “pericolosità” organolettica dell’acetato di etile e questo, ci auguriamo, deve essere opportunamente considerato in sede di stesura dei capitolati di fornitura dei materiali flessibili, quando si fissano i limiti dei solventi residui. L’approccio metodologico applicato nella presente ricerca rappresenta un valido strumento per studiare il comportamento organolettico di solventi e/o composti volatili diversi dall’acetato di etile, eventualmente presenti nei materiali flessibili. In questo modo si potrà quindi dare una validazione numerica al potenziale inquinante dei composti volatili e fissarne eventuali limiti di contenuto totale o di rilascio nei materiali, in base a consolidati criteri scientifici.
Bibliografia
1. DM 21/3/1973
2. ASTM E 1432 - 91 (Reapproved 1997), Standard practice for Defining and Calculating Individual and Group Sensory Thresholds from Forced-choice Data Sets of Intermediate Size.
3. Norma ISO 5496, 1990, Sensory analysis - methodology - Initiatio and training of assessors in the detection and recognition of odours.
4. Progetto UNI 1995, Determinazione gascromatografica dei solventi residui negli imballaggi flessibili - metodo rapido (progetto STANDSTILL-U59.0B.162.0)
5. Norma ISO 8586-1, 1989, Sensoy analysis - Methodology - General guidance for the selection, training and monitoring of assessors.
6. Norma ISO3972, 1979, Sensory analysis - Determination of sensitivity of taste
7. The Merck Index
8. ItaliaImballaggio 3/1997-XXII- Quaderni “L’imballaggio flessibile per prodotti alimentari: aspetti normativi e analitici”.
| | Dedicated to converters
(and end users)
Scientific research at the service of industry: observance of supply specifications for large European users imposes some very strict conditions on the producers of flexible packaging for food. In this context, research provides a valid tool for “readjusting” the real worries about potential - and possible - contamination. This is the case, for instance, with ethyl acetate that, in the light of this analysis, should be preferred over the other solvents.
Valter Rocchelli et al.
This article contains a detailed summary of the experiments carried out by the Chemical Test Lab - LCA Coates Lorilleux SpA (test lab certified by the Italian Ministry of Health), which has carried out research aimed at evaluating the sensorial perception thresholds of ethyl acetate (and other solvents) used in rotogravure printing of flexible packaging for food.
Note: This report was presented at the 15th Autumn Assembly of Giflex (XXX) on 6th October 2000 by Valter Rocchelli and is based on experiments carried out by the Chemical Test Lab - LCA Coates Lorilleux SpA, coordinated by Valter Rocchelli, assisted by Mara Baronciani and Loredana Tinelli (LCA), Silvia Silvestri and Simona Zecchini (Distam - Milan University).
A brief word on the market and the standards
[...] Packaging, by definition, must protect what is being sold and sell what it protects. In some unfortunate circumstances, though luckily not very frequent, certain components in the packaging can transfer smells and flavours to the product that are either unpleasant or atypical.
If, on the one hand, these transfers do not generally constitute a risk for human health (the concentrations are way below the toxicological thresholds), they can, however, create a problem in terms of our senses.
On a national level, the Italian Ministerial Decree 21/3/73 (and subsequent amendments and changes) (1) governs the materials allowed to come into contact with food, setting down some strict hygiene/health criteria to guarantee the non-toxicity of the packaging, by means of identifying the chemical compounds suitable for the production of this packaging, classed in positive lists.
Italian law, ever since law n° 283 of 1962 onwards, right up to the most recent law - legislative decree n° 108 of 25/1/92 implementing EEC Directive 89/109 - has always borne in mind the risk of organoleptic contamination of packed foods. In particular, Art. 2 of the EEC Directive establishes that: «... the materials and objects... must not transfer to foods substances of such a quantity that: they represent a risk for human health; they lead to an unacceptable change in the composition of the foods or an alteration in one of their organoleptic characteristics...». There is, therefore, a problem in terms of toxicology (falling outside the objectives of this study) and another of an organoleptic nature.
Risks of organoleptic damage
A characteristic that’s common to all these laws is that they include a statement of principle, without however setting limits of perception of smell and taste or the specific methods required to evaluate the organoleptic alteration. The organoleptic properties of foods are directly linked to “human senses”, but without any quantitative controls for possible damage and the corresponding safety coefficients, as is the case for the toxicological aspect. And it is due to this lack of numerical references, accompanied by the need for a general standard of valency, that the lawmaker is forced to express himself in terms of “unfavourable change in the organoleptic characteristics” (that, unfortunately, is not a magnitude that can be expressed in qualitative terms).
There is, therefore, the need that finished packaging, printing and any adhesives involved should not transfer substances that may provoke “unfavourable” variations in the intrinsic organoleptic characteristics of the packed foods.
Concept of potential of contamination
It’s thus important for producers involved in the production cycle of food packaging that they know how to evaluate or, better still, “measure” the potential of contamination of what they produce, convert and use.
This means knowing which compounds may migrate to the edible part in a gaseous state and at the packaging/food interface, as well as the mechanisms and conditions of migration. Flexible packaging materials are plastic films that may be single-layer, coextruded, laminated or complex laminates made up of different layers (e.g. paper/aluminium/polyethylene). Their potential of contamination for the foods contained depends, in theory, on organic compounds that can be classed as follows: additives in plastics (plasticizers, antioxidants, anti-UV agents etc.); monomer residues; laminating adhesives and their additives; possible products of decomposition that form during the production processes; printing inks and paints and their additives; printing ink solvents; solvents in the laminating adhesives.
The experiments
Most of the publications today concerning sensorial analysis are marked by great variability in their listed values, the result of a lack of uniformity in the methods used, starting from the very definition of the threshold itself.
The tester may be faced with several sample containers with increasing levels of concentration, or he may occasionally be asked to distinguish a sample from a control or two controls. In neither case are there any references to the conditioning, let alone tasting, times and temperatures. There are also great differences in the statistical methods of calculation.
The sector thus needs a certain amount of clarification to get threshold values for the analyses that are normally carried out so that these may be compared with those obtained in the lab.
Olfactory stage
Sensorial analysis
Determination of the olfactory threshold for main solvents
In this first stage, the aim is to check at what concentration of a solvent in the headspace of an empty container a trained panel of olfactory testers can perceive (significantly) the smell through comparison with a similar empty container. This test must be performed after conditioning of the sample at a temperature of not more than 40 °C and having, at the same time, gaschromatography measurement of the solvent in the headspace, i.e., of the exact quantity that “reaches” the nose of the tester.
Method for determining the olfactory threshold
Standard norm ASTM E1432-91 (2) re-approved in 1997 was used to calculate the olfactory threshold. This procedure made it possible to calculate individual and group thresholds by means of presenting each panel member with a 3AFC (three-alternative forced-choice). The tester was faced with three containers (two of which were controls and the other containing the solvent) and was asked to identify the sample.
The sample was presented in different concentrations and each of these was tested several times.
In this way, one can build up a curve for each tester, where the points are obtained from the different concentrations and the % of the exact recognition.
The olfactory threshold for each tester is the concentration that corresponds to exactly 50% exact recognition of his personal curve. If these individual thresholds are distributed like a “bell”, the group olfactory threshold can be found by calculating the geometric mean of these values.
Description of the procedure
To calculate the olfactory threshold, a group of 10 to 16 testers was selected from the members of a panel trained in normalized sensorial tests (3).
Diluted solutions were obtained from a parent water solution. 1 µl of each solution was injected each time in a 20 ml vial, then conditioned for 1h at 40°C. (This temperature is conventionally held to be the max that a product can be expected to experience during its shelf life.)
Each tester was then invited to smell each of the three vials in turn, one with the sample and two conditioned in the same way but simply containing 1 µl of pure water.
4 to 7 dilutions were tested for each solvent, repeating the tests 3 to 6 times.
Instrumental analysis
The olfactory threshold values obtained form the basis from which the corresponding material perception threshold values can be identified.
The instrumental approach takes into consideration the perception threshold for the solvents within the enclosed atmosphere of a hypothetical pack consisting of heatsealed flexible material, which has been compared with the gaschromatography measurement of the “solvent release”, i.e. with the measurement of the tendency of a material to transfer the solvent from the inside in given conditions to activate the olfactory stimulus.
Determination of residual solvents
in flexible packaging: fast method UNI U59.0B.162.0 (4)
This method applies to the qualitative and quantitative determination of the residual solvents in flexible and semirigid food packaging or components, produced through extrusion, lamination or lacquering of metal, plastic or paper films for food. The determination limit in this method is 0.5 mg/m2. This determination is effected by gaschromatography analysis with static headspace sampling, after conditioning of the test specimens at 125 °C for 30 minutes.
Determination of the solvents on the internal surface of flexible film
This technique lets one monitor the solvent residue and the presence of any other volatile organic compounds on one of the two surfaces of the film and is based on analysis of the internal atmosphere of the cells where the solvents desorbed from the exposed side only have been evaporated. [...]
Description of the procedure
Two 2 dm2 circular test specimens were cut from the material and inserted in the cells with their inner surface (not printed) facing the inside of the cell. After closing the cell, this was placed in a thermostat-controlled heater at 40°C for 1 hour. After conditioning, 1 cm3 of the atmosphere inside the cell was extracted using a gas syringe through the pierceable septum and was immediately injected in the gaschromatographer. The quantity was determined by following the above steps, but instead of using the sample of flexible film, aluminium test specimens were used and known quantities of the standard solvent solution were injected through the septum. 3 different levels were then calibrated for all solvents contained in the standard solution. Figure 1 shows the calibration curve for ethyl acetate.
Taste stage
Sensorial analysis
Determination of the taste perception threshold for ethyl acetate in food and food simulants
The aim here is to measure in numerical terms ethyl acetate’s potential of contamination in order to foresee the risk of organoleptic damage to the edible part and, more precisely, the risk of an alteration in taste. The first step is to calculate the taste perception threshold for the solvent in food simulants. These are:
- a water-based simulant (natural mineral water for human consumption);
- a solid simulant (breakfast biscuits produced from wheat flour, sugar, vegetable margarine, starch, egg, butter, cream 2%, glucose syrup, salt, yeast and vanilla flavouring. Fat content: 21%).
Description of the procedure
Standard ASTM-E 1432-91 was also used for this stage (2).
The taste threshold of each tester is the concentration that corresponds to 50% exact recognition on a personal curve. If these individual thresholds are “bell” or “tailless bell” in shape, the group taste threshold can be determined by calculating the geometric mean of these values.
• Determination of the threshold in water - To calculate the taste threshold for ethyl acetate in water for human consumption, a panel of trained 18 testers was selected (5, 6). Several diluted solutions were obtained from a parent solution of ethyl acetate in natural water. About 25 ml of each solution was prepared each time in glasses and given to the testers in a triangular test (3AFC), together with another two identical glasses containing just water. 6 dilutions were tested, repeating the tests 6 times.
• Determination of the threshold in biscuits - An important problem in experimentation that needs to be solved in order to be able calculate the taste threshold is the method of contamination of the solid simulants, as these must be “doped” with ethyl acetate evenly and at known concentrations.
A working method was therefore developed to obtain significantly homogeneous levels of contamination for a sufficient aliquot of simulant in order to carry out the sensorial test and a suitable method of analysis in order to measure the resulting level of contamination exactly.
After many different preliminary tests, the following biscuit contamination procedure was optimised: an aliquot of three biscuits weighing 24 g overall was carefully divided into pieces of about 1 g each and placed in a glass drier with 600 ml capacity.
The drier was then “contaminated” with known amounts of ethyl acetate (from 1 to 5 µl) distributed on two fibreglass supports placed above and below the biscuits.
Conditioning took place at room temperature over a period of 24 hours. The taste test took place at the end of conditioning and, at the same time, samples of the biscuits were taken for the gaschromatography analysis in order to determine the content of ethyl acetate.
The values of the sensorial tests were then compared with the measured values of ethyl acetate.
The homogeneity of this system of contamination was evaluated using gaschromatography analysis of the ethyl acetate in 5 aliquots of biscuits from the test and by evaluating the repeatability of the resulting data.
Method for establishing the taste threshold
In order to speed up the carrying out of the tests seven people were selected, constituting those that were considered to be the most sensitive among the members of the panel already used for the sensorial tests with water.
After the biscuit has undergone full conditioning (24 hours at room temperature) an aliquot of around 1 g is quickly wrapped in aluminium and presented to the tasters in a triangular test, along with other two aliquots of 1 g that have not been polluted, likewise wrapped in aluminium, that make up the “blank”. At exactly the same time as the taste test, a gaschromatographic analysis is carried out on some aliquots of biscuit so as to set the exact ethyl acetate content. Five different levels of concentration are set and tested for repeating the test 5 times for each of the same. For the final working out or the results, the actual concentration measured on the biscuits that have undergone conditioning is taken into consideration and grouped into concentration ranges. This operation is made necessary inasmuch as, while the biscuits were “polluted “with the same quantity of ethyl acetate, the same identical concentration of ethyl acetate for each level could not be obtained.
Instrumental analysis
Methods used for experiment with the water simulants
The tendency of the ethyl acetate to migrate from the packaging into the water simulant was rated and the quantity of ethyl acetate that migrated was quantified. For this phase the residual solvent and the residual solvent located on the inner side of the flexible packaging sample were rated; hence contact between the inner side of the packaging and the water simulant was made in order to check the migration of the ethyl acetate, after devising a method for quantitative rating of the ethyl acetate in the water.
• In order to rate the solvents present on the inner surface of the flexible film, the previously described procedure was used, though with a different mode of conditioning, carried out in this case for 1 h at 70 °C.
• The quali/quantitative rating of the ethyl acetate migration from the flexible packaging into the water simulant (water for human use) is carried out by way of the gaschromatological analysis with sampling in static headspace.
Description of the procedure
Test pieces are cut from the material of a surface area of 2 dm2 and used for creating a contact with the packaging with the watery simulant.
The water is placed in contact with the inner side of the flexible film, by way of cells similar to those used for rating solvents released from the outer side; the cells are placed at 40 °C for 24 hours with a sample surface/water volume ratio of 2 dm2/200 ml.
Once contact was terminated, 10 ml of watery simulant is introduced into the glass phial of a 20 ml capacity subsequently closed with separator in butilenic rubber and aluminium ring. The phials containing the water from the cells are heat conditioned at 80° C for 30 minutes in an automatic sampler of the static headspace and analysed using gaschromatography.
The calibration is carried out analysing standard solutions of ethyl acetate in distilled water in different concentrations, prepared from a parent solution.
Figure 2 shows the calibration curve the three levels of ethyl acetate.
Instrumental analysis
Method used for experimenting
with the solid simulant
The method has the objective of measuring the ethyl acetate in biscuits that have been purposefully polluted for the taste test, and it is based on gaschromatological analysis with static headspace sampling.
Description of the procedure
The aliquots of 1 g of biscuit from the test are immediately wrapped in aluminium, crushed between ones fingers, introduced into a phial with 20 ml headspace and quickly closed with separator and ferrule.
The exact weight of each aliquot is measured; the gaschromatological analyses is carried out following a thermal conditioning at 80° C for 30 minutes.
For the calibration known quantities of ethyl acetate are added to the phial that already contains the 1 g of crumbled biscuits as samples.
Figure 3 shows the calibration curve at three levels of ethyl acetate.
Results obtained
Olfactive part
Sensorial analysis
Olfactive threshold of ethyl acetate
Below we publish the results obtained applying standard ASTM E1432 in order to rate the perception threshold of ethyl acetate.
Table 1 shows the chemical physical characteristics of ethyl acetate (7).
Table 2 shows the results of the test carried out, representing , for each component of the panel, the number of affirmative responses for each concentration or quantity of solvent.
Table 3 the same data is shown as a percentage of affirmative responses, calculated following formula (a).
For each panel member a bidimensional graph was constructed showing the logarithm of the absolute quantity of ethyl acetate introduced into the phial and the exact recognition in % ordinates
Figure 4 gives an example of the curve of a panel member.
The olfactive threshold for each panel member is located in the quantity of solvents that correspond to 50% of the exact recognition on the straight. In the graph shown as an example one can see this figure corresponds to 1.9 µg.
Table 4 shows the individual olfactive threshold, distinguishing between two different types of threshold: the “perception threshold”, that is the concentration corresponding to 50% of affirmative recognitions and the “recognition threshold ”, or that is the concentration that corresponds to 100% of affirmative responses in the tests.
Further data processing consists in the calculation of the geometric average of the individual thresholds, that, as the graph shows (figure 5) feature a Gaussian type bell-shaped pattern.
Finally, table 5 finally shows the olfactive threshold of ethyl acetate established by the method at hand, expressed in absolute µg.
Sensorial analysis
Olfactive threshold of other solvents used in rotogravure printing
in order to give a “hands on” testing of the method and to have comparative data between olfactive perception threshold and different compounds, we have also considered other solvents and volatile components (table 6 shows their characteristic):
- metoxi propanol (glycol, ester used a print retardant):
- acetyl acetone (compound not used as such but that can be present in printed material as a processing residue or as the result of decomposition of an additive; adhesion aid, titanium acetonil acetonate;
- Isobutil acetate (chemical solvent similar to ethyl acetate but with a lower volatility, featuring an easily identifiable odour).
Tables 7, 8, 9 show the group olfactive threshold for the three volatile solvents and compounds considered.
The experiment has hence allowed us to rate the olfactive threshold of ethyl acetate, also applying the method for the other volatile organic components: the comparison is shown in table 10.
The compounds considered have hence very different olfactive perception thresholds, metoxi propanol is among the least odorous of the compounds that were examined, while acetil acetone has a threshold half that of ethyl acetate.
The difference between the figures for the two esters are very clear: the olfactive threshold of isobutil acetate is 20 times lower than that of ethyl acetate even though both are the compound of two esters of low molecular weight, even the ethyl acetate has a boiling points that is a lot lower that of isobutil acetate: 78 °C against 117 °C.
Instrumental analysis
The methodology applied in this study has been applied to 25 flexible films for foodstuff of various composition and structure, printed on a rotogravure press, some for oven products, others for confectionery or powdery products. Out of these samples a residual concentration has been rated with the procedure indicated standard UNI U59 0B.162.0, that lays down condition at 125 °C for 30 min and allows one to rate the total release of the solvents. The following step was that of rating the release of solvents on the inner side of the materials, that for contact with foodstuffs; in this way one only rates what migrates from the printed film towards the inside of the hypothetical pack or bottle, that is the environment in which the edible part is to be placed in. In table 11 we are shown the characteristics of the sample of material used and the figures obtained with the two methods.
Comparison between olfactive thresholds and ethyl acetate released from the inner side of the flexible material
The experiment has enabled the setting of an olfactive threshold for ethyl acetate. So as to be able to compare the data obtained by the instrumental and sensorial analysis the threshold values, up to now expressed in absolute µg of solvents introduced into the phial, have been converted into units of weight per surface unit, this in relation to the cells used during testing, where a test piece of 2 dm2 was exposed in an inner chamber volume of 200 ml.
Table 12 shows the threshold values calculated starting off from the data expressed in µg/ml in the phial and in the inner chamber of the cell, to attain the corresponding value in mg/m2 of ethyl acetate released by the sample in the inner atmosphere of the selfsame cell.
In studying the release of solvents on the inner side only 5 samples out of 25 superseded the perception threshold and only 2 superseded the recognition threshold. These samples are to be considered potentially “critical” for the organoleptic features of any foodstuff packed in the same: it is to be noted though that the same samples reveal high ethyl acetate retention rates. The data shown is not to be rated as other than an applicative example of the methods developed.
All the same the above methodological approach shows interesting potential for the design of flexible material for containing foodstuffs, this if applied in a systematic and set way to a sufficiently broad number of samples so as to obtain the statistical validation of the data produced.
Results obtained
Taste part
Sensorial analysis
Taste threshold of ethyl acetate in water
Even in this case the ASTM-E 1432 standard has been applied in order to rate the taste perception threshold of ethyl acetate in watery simulant.
Table 13 bears the percentage of affirmative responses, calculated according to convention.
For each panel member a two dimensional graph has been drawn up that shows the logarithm of the concentration of ethyl acetate of each solution tested along the “y” axis and the % of exact recognition along the “x” axis. In order to construct the graphs, the “x” axis being logarithmic, a hundred per cent has to be plotted as if it were 99.5% , 0% as if 0.5% and the figures below 0 as O.1%. Figure 6 shows a panel member’s curve as an example. The individual taste threshold of each panel member coincides with the concentration that corresponds to 50% of recognition along the straight line. In the graph shown the threshold given is 3.9 ppm. The individual threshold ratings of ethyl acetate are indicated, here too indicating the difference between the perception and the recognition threshold using a frequency chart (figure 7).
As laid down by Standard ASTM-E1432 this tailless bell-shaped pattern enables the calculation of the group threshold of the ethyl acetate as a geometric average of the individual thresholds.
Table 14 shows the taste perception and recognition thresholds of the group of panel members expressed in ppm (mg/l). The rating of the sensorial threshold is not that different from that obtained empirically in a preceding study (8).
Sensorial analyses
Taste threshold of ethyl acetate in biscuits
The individual threshold of ethyl acetate can also be shown in the form of a frequency chart, as shown in figure 8. As laid down in STANDARD ASTM-E1432 this tailless bell-shaped pattern enables the calculation of the group threshold of ethyl acetate as a geometric average of the individual threshold. Table 15 bears the taste threshold in terms of perception and recognition of the group of panel members expressed in ppm, (µg/g).
Discussion of the results
The above data indicates that a change in taste of the biscuit “drugged” with ethyl acetate occurs when the solvent has been absorbed by the biscuit in quantities not lower than 29 mg/kg.
Now if one conceives of a 400 g biscuit pack made up of 10 dm2 of flexible material, in order to reach the concentration of ethyl acetate in biscuits corresponding to the threshold value the same need to be contaminated by 29 mg x 0,4 kg = 11,6 of ethyl acetate (11,6 mg of ethyl acetate in 10 dm2 =116 mg/m2).
Hence, in order to reach the biscuits taste perception threshold the material that contains them has to have 116 mg/m2 of ethyl acetate on its inner side ready for migration.
Instrumental analysis
Water simulant
The method devised for locating ethyl acetate in a water simulant was applied to the simulant placed in contact with the various samples of flexible material in order to check if the quantity of ethyl acetate that migrates from the packaging into the simulant can change its taste considerably.
For this phase firstly a gaschromatological test of the residual solvent released from the inner side of the material was carried out.
The total retention figure is certainly an important parameter for approximately rating the polluting potential of flexible packaging; it is easy to perceive that a residual solvent is more dangerous if it is present on the inner side of the film, that is the side that is in direct contact with the foodstuff from whence it is obviously more liable to migrate. Proving the migration of ethyl acetate in a water simulant is a way of indicating whether the polluting potential produces an unfavourable interaction with the foodstuff by altering its taste in the event that it exceeds the set perception threshold.
Table 16 shows the characteristics of the samples and the results of the analysis.
Discussion of the results
The preceding tables show the determining parameters of some samples of laminate flexible material solely as an applicative example.
The data shown cannot hence be processed in order to check the intrinsic correlations, inasmuch as it is not sufficiently broad to offer a statistical validation. Of the results obtained with instrumental analyses we can note that the samples of flexible films considered featured a decidedly high total and localised solvent retention on their inner side that; if we limited our study to rating these figures we would be able say that the samples are materials with a “measurable” pollution potential. But does this potential produce an alteration in taste in all cases? Remembering that the threshold of taste perception of ethyl acetate in water corresponds to 6.5 mg/l, one notes that samples 26, 28 e 29 have produced a solvent migration that is lower than the said threshold, even while starting off from residue that is anything but negligible. In this case one can state that, despite the fact that the migration of ethyl acetate can be analytically measured, it does not reach the degree of producing specific organoleptic damages. In turn sample 27 has given off ethyl acetate into water in concentrations that are a little above the threshold value: 8.4 mg/L against 6.5 mg/L.
Naturally considering the data in the light of the value of solvent residue that characterised the sample at hand (443 mg/m2) the effects are plain to see.
Lastly, we would like to note that the rate of threshold measured, 6.5 mg/l of ethyl acetate in the water, can only be obtained in the conditions of contact adopted, that is 200 ml of water and 2 dm2 di film, if the selfsame film only has a content of 65 mg/m2 of solvents available for migration, and this on the inner side.
This figure certainly indicates how little ethyl acetate alters the organoleptic characteristics of a particularly critical simulant such as water by migration. All this is shown in figure 9.
In the chart, the rate of the perception threshold of ethyl acetate has been transformed into the corresponding value of mg/m2, bearing in mind the conditions of contact, and particularly the surface ratio of the sample and water volume with which the migration test described previously was carried out; thus the threshold is set at 65 mg/m2.
Conclusions
The study has attained the set objectives: the behaviour of ethyl acetate has been studied extensively, enabling one to express the risk of organoleptic damage in specific figures;
The deriving perception and recognition thresholds allow one to set corresponding organoleptic safety limits, the same going for the toxological side of things. In appraising the results obtained, the low organoleptic “danger element” of ethyl acetate is to be highlighted, a point that should be held in due course when defining supply contracts for flexible materials and the relative solvent residue limits.
The methodological approach applied in the present study can indeed be deemed a valid tool of study for the organoleptic behaviour of solvents and/or volatile compounds other than ethyl acetate that may be present in flexible materials. This enables one to set down the polluting potential of volatile compounds in figures and set limits to the total content or release into the materials, this on the basis of consolidated scientific criteria.
Bibliography
1. DM 21/3/1973
2. ASTM E 1432 - 91 (Reapproved 1997), Standard practice for Defining and Calculating Individual and Group Sensory Thresholds from Forced-choice Data Sets of Intermediate Size.
3. Standard ISO 5496, 1990, Sensory analysis - methodology - Initiation and training of assessors in the detection and recognition of odours.
4. Project UNI 1995, Gaschromatographic rating of residual solvents in flexible packaging - rapid method (project STANDSTILL-U59.0B.162.0)
5. Standard ISO 8586-1, 1989, Sensory analysis - Methodology - General guidance for the selection, training and monitoring of assessors.
6. Standard ISO3972, 1979, Sensory analysis - Determination of sensitivity of taste
7. The Merck Index
8. Italia imballaggio 3/1997-XXII- Notes on “flexible packaging for food products: aspects concerning standards and analyses”.
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Ultim’ora
A partire dal mese di novembre Valter Rocchelli, dopo aver coordinato le attività del Laboratorio LCA di Coates Lorilleux, assumerà l’incarico di direttore generale di PDC Srl, un centro di ricerca polifunzionale, creato con l’obiettivo di diventare un punto di riferimento nel settore dell’imballaggio. Grazie alla completezza dei servizi erogati, all’autorevolezza del personale tecnico impegnato (che ha sviluppato competenze in ambito nazionale e internazionale), nonché all’impiego di strumentazione sofisticata, questo centro innovativo sarà in grado di garantire un approccio globale alle problematiche di packaging, proponendosi tra l’altro come interfaccia attiva nelle sedi istituzionali (commissioni italiane ed europee UNI e CEN, Istituto Italiano Imballaggio... ).
Queste le aree di intervento di PDC Srl:
• Ricerca e Sviluppo - sviluppo di nuove soluzioni di imballo; innovazione di materiale, prodotto, processo, tecnologia; sviluppo di nuove metodologie analitiche; packaging design; prototipazione.
• Servizi analitici - analisi chimiche, fisiche, meccaniche, sensoriali e microbiologiche.
• Consulenza - progetti “chiavi in mano”; assistenza su processi e analisi; training su materiali, processi, teniche analitiche; organizzazione di conferenze; assistenza generale.
Il target potenziale del centro è ampio e variegato e spazia dai produttori e/o confezionatori di beni di consumo (food e non food) agli utilizzatori di packaging, dai produttori di materie prime e di macchine per il confezionamento e l’imballaggio fino ai produttori di packaging, passando dalle università agli istituti di ricerca.
La sede di PDC Srl è Bottanuco (Bergamo).
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Latest news
After having coordinated the activity of the LCA laboratory of Coates Lorilleux, from November onwards Valter Rocchelli will take on the post of head of PDC Srl, a polyfunctional study centre created with the objective of constituting a benchmark for the packaging sector. Thanks to the all-round services rendered, the capabilities of the technical personnel employed (that have developed skills and knowhow working at a national and international level), as well as the use of sophisticated tools, this innovatory centre is set to offer an overall approach to packaging problems, among other things constituting an interface for institutional bodies (European and Italian CEN and UNI commissions, Istituto Italiano Imballaggio... ).
PDC Srl intervenes in the following areas:
• Research and Development - developing new packaging solutions; material-, product- process- and technology innovation; development of new analytical methodologies; packaging design; prototyping.
• Analytical services - chemical, physical, mechanical, sensorial and microbiological analyses.
• Consultancy - “turnkey” projects, process assistance and analysis, training on materials, processes, analytical techniques, organization of conferences, general assistance.
The centre is to target a broad and varied range of customers including producers and/or packers of consumer goods (food and non food) packaging producers and users, raw materials producers, packaging and wrapping machine builders, also including universities and research institutes.
PDC Srl is based at Bottanuco (Bergamo).
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