Hai mai notato che quando apri una confezione di yogurt alcune volte lo yogurt ha un aspetto compatto mentre altre volte no? Per quale motivo si verifica questo?
La risposta è da ricercare nel livello di idrorepellenza della pellicola di chiusura della confezione: lo yogurt rimarrà aderente alla pellicola di chiusura con una minore idrorepellenza ma non rimarrà aderente alla pellicola di chiusura della confezione con una maggiore idrorepellenza.
A sinistra: Lo yogurt non rimane aderente (alta idrorepellenza). A destra: Lo yogurt rimane aderente (bassa idrorepellenza). 161
L'idrorepellenza rappresenta solo una delle numerose proprietà integrate con il trattamento della superficie delle pellicole usate nel confezionamento alimentare, in modo che possano svolgere funzioni specifiche. È richiesta l'esecuzione di diverse funzioni per il confezionamento alimentare come:
- Mantenimento della freschezza e della qualità degli alimenti
- Facilita d consumo da parte dei consumatori (es: apertura della confezione)
- Creazione di una superficie resistente ai contaminanti
La richiesta di esecuzione di specifiche funzioni per il confezionamento alimentare (es: la riduzione di perdite di alimenti riducendo l'aderenza) è in aumento. La tecnologia di confezionamento si sta evolvendo di conseguenza. La qualità di questi trattamenti applicati alla superficie di una pellicola deve essere controllata misurando approfonditamente le rugosità superficiali.
L'ispezione di rugosità superficiali, spesso realizzate con un microscopio confocale laser 3D, misura la rugosità di irregolarità di ridotte dimensioni sulla superficie della pellicola e le quantifica numericamente. Nel mio ultimo test, ho utilizzato un microscopio confocale laser LEXT™ OLS5100 3D per determinare la correlazione tra idrorepellenza e rugosità superficiale mediante due diverse pellicole di chiusura delle confezioni di yogurt.
Continua a leggere per conoscere i risultati!
Controllo visivo delle condizioni superficiali nelle pellicole di chiusura delle confezioni di yogurt
Innanzitutto mi sono concentrato sulle condizioni superficiali nella parte posteriore delle pellicole di chiusura delle confezioni di yogurt in 3D mediante il microscopio confocale laser OLS5100.
Le pellicole di chiusura delle confezioni sono costituite da strati multipli di pellicole, incluso uno strato in alluminio con elevata proprietà riflettente. Per acquisire correttamente la forma della superficie più esterna della pellicola, è importante acquisire dati che non siano soggetti da un elevata proprietà riflettente dello strato inferiore in alluminio. L'utilizzo di un obiettivo a alto ingrandimento con una ridotta profondità di campo permette di ridurre l'effetto della proprietà riflettente dello strato inferiore e consente l'acquisizione dei dati solamente nella superficie esterna della pellicola.
Il microscopio OLS5100 si adatta a una lunghezza d'onda del laser di 405 nm e si avvale di un obiettivo LEXT dedicato che elimina le aberrazioni. Con questa configurazione possono essere acquisiti dei dati nell'intero campo visivo.
Obiettivi LEXT dedicati da sinistra a destra: Obiettivo a basso ingrandimento 10X; obiettivi a elevate prestazioni 20X, 50X e 100X; obiettivi a ampia distanza di lavoro 20X, 50X e 100X. 165
L'acquisizione dei dati 3D rende visivamente chiaro che la pellicola di chiusura della confezione di yogurt a alta idrorepellenza possiede degli aggregati convessi sferici di diverse dimensioni distribuiti in modo casuale sulla superficie di base. Invece la pellicola di chiusura della confezione con bassa idrorepellenza non possiede una rilevante forma convessa.
Dati visivi 3D delle due pellicole di chiusura della confezione acquisiti con il microscopio confocale laser OLS5100. A sinistra: Pellicola di chiusura della confezione con alta idrorepellenza (obiettivo 50X, circa 250 µm). A destra: Pellicola di chiusura della confezione con bassa idrorepellenza (obiettivo 50X, circa 250 µm).
Per comprendere le condizioni superficiali di un campione con un'alta idrorepellenza è sufficiente fare rifermento alle superfici di foglie di loto e di broccoli. Potresti avere osservato l'idrorepellenza di queste superfici con le gocce d'acqua fluiscono. Queste superfici possiedono una forma irregolare denominata struttura frattale. Grazie a questa forma, l'acqua viene respinta. Una struttura frattale rappresenta una forma nella quale delle forma simili possono essere viste a diverse scale.
Idrorepellenza di una foglia di loto (a sinistra) e di un broccolo (a destra)
Prendendo ispirazione da queste forma naturali, questa struttura frattale viene applicata anche a pellicole di chiusura delle confezioni di yogurt a alta idrorepellenza. Nell'esempio precedente i dati per un campo visivo (circa 250 µm) è illustrato mediante un obiettivo 50X.
Acquisizione di dati di rugosità superficiali con un campo visivo più ampio
In seguito ho acquisito i dati da un'area più ampia per verificare quale tipo di distribuzione possiede questa caratteristica forma complessa nella parte posteriore della pellicola di chiusura della confezione dello yogurt a alta idrorepellenza.
Un obiettivo a alto ingrandimento è efficace nell'acquisizione dei dati solo nella superficie esterna della parte posteriore della pellicola di chiusura della confezione. Tuttavia l'ampiezza del campo visivo è troppo ridotta per acquisire tutti i dati.
La funzione di stitching del microscopio OLS5100 permette di unire singole immagini acquisite mediante un obiettivo a alto ingrandimento, in modo da creare un'immagine a alta risoluzione in un campo visivo più ampio.
A sinistra: Singole immagini 2D prima dello stitching. A destra: Immagine 2D dopo lo stitching.
Di seguito è possibile osservare che l'aspetto degli aggregati convessi distribuiti casualmente in un campo visivo (a destra) possiede una disposizione simile anche quando il campo visivo viene ampliato (a sinistra). Gli aggregati convessi hanno una struttura frattale.
A sinistra: Immagini sottoposte a stitching 3 × 3 (obiettivo 50X, circa 700 µm). A destra: Un campo visivo (obiettivo 50X, circa 250 µm).
Quantificazione delle condizioni superficiali delle pellicole di chiusura delle confezioni di yogurt
Le seguenti immagini mostrano visivamente che:
- Le condizioni superficiali delle pellicole a alta idrorepellenza differiscono significativamente da quelle delle pellicole a bassa idrorepellenza
- Aggregati convessi esistono in pellicole a alta idrorepellenza
- Gli aggregati convessi hanno una struttura frattale nella quale aggregati convessi simili sono distribuiti anche quando le immagini sono sottoposte a stitching e osservate in un ampio campo visivo.
In base a questi risultati, ho quantificato le condizioni superficiali di queste due pellicole di chiusura delle confezioni misurando la loro rugosità superficiale mediante il microscopio confocale laser OLS5100 3D.
In genere, per la valutazione della rugosità, viene spesso utilizzato un tester di rugosità superficiale di tipo stilo in grado di acquisire dati lungo una linea. Invece per quanto riguarda le forme con irregolarità distribuite localmente, come nel caso di superfici a alta idrorepellenza, il valore di rugosità varia significativamente in funzione della linea tracciata dalla stilo. Inoltre, visto che il contatto con la stilo può danneggiare il campione la misura potrebbe rappresentare un'operazione critica.
Al contrario, un microscopio confocale laser 3D è in grado di acquisire dati della superficie senza contatto. Questo è possibile scansionando il fascio laser. Questo processo rende possibile l'acquisizione di un maggior numero di informazioni della forma della superficie rispetto ai dati lineari ottenuti con la stilo.
A sinistra: La stilo può danneggiare la superficie del campione. A destra: Misura senza contatto mediante un microscopio confocale laser 3D non danneggia il campione.
A sinistra: Tester di rugosità superficiale di tipo stilo acquisisce informazioni solamente su una linea. A destra: Il microscopio confocale laser OLS5100 acquisisce informazioni su un intero piano. 187
I dati acquisiti mediante un ampio campo visivo (circa 700 µm)) sono stati usati per la misura della rugosità superficiale.
Per ottenere dati utili per la rugosità superficiale, è importante effettuare una valutazione con un campo visivo che contiene almeno 10 tipiche componenti di forma irregolari che possono influire maggiormente sulla funzione del campione.
Consideriamo le implicazioni di questo per il precedente campione a alta idrorepellenza. Considerando che ogni aggregato convesso osservato in un campo visivo (obiettivo 50X, circa 250 µm) è una tipica componente di forma che fornisce una funzione idrorepellente, sono necessari almeno 10 aggregati convessi acquisiti in un campo visivo più ampio. Per acquisire più di 10 aggregati convessi e valutare la rugosità superficiale si sono usati dati con campo visivo ampio con immagine sottoposte a stitching 3 × 3.
Risultati di misura di rugosità superficiali di due pellicole di chiusura delle confezioni di yogurt
Mediante l'obiettivo 50X, il microscopio laser 3D ha permesso di ottenere i seguenti risultati per la superficie posteriore delle due pellicole di chiusura delle confezioni:
| Campione | Sp [µm] | Sv [µm] | Sz [µm] | Sa [µm] | Sdq | Sdr [%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Alta idrorepellenza _50×z1_3×3 | 28,419 | 9,597 | 38,016 | 4,297 | 2,082 | 31,562 |
| Bassa idrorepellenza _50×z1_3×3 | 2,044 | 7,434 | 9,478 | 0,471 | 0,127 | 0,561 |
I parametri a cui fare riferimento sono i seguenti: Sp, Sz, Sa, Sdq e Sdr. Di seguito viene presentata una panoramica su questi parametri:
Sz (altezza massima) e Sp (altezza massima dei picchi)
Se si fa riferimento al valore Sz, è possibile osservare l'entità delle irregolarità rispetto alla superficie media. Sz è la somma dell'altezza massima dei picchi (sp) e della profondità massima delle valli (Sv). È possibile evidenziare che la differenza tra Sp e Sv è significativa solo nell'Sp. In questo esempio, questi dati mostrano che la pellicola di chiusura della confezione a alta idrorepellenza possiede numerose forma convesse rispetto alla superficie media.
Sa (media aritmetica delle altezze)
Sa mostra il valore medio della differenza delle altezze dalla superficie media. La pellicola di chiusura della confezione a alta idrorepellenza con un elevato valore Sa possiede una maggiore irregolarità.
Sqd (gradiente dell'errore quadratico medio)
Sqd mostra l'entità della media del gradiente locale delle irregolarità della superficie. La pellicola di chiusura della confezione a alta idrorepellenza con un elevato valore Sqd possiede una maggiore irregolarità, la quale riduce la lucentezza della superficie.
Sdr (indice dell'area d'interfaccia estesa)
L'Sdr mostra l'indice d'incremento nell'area della superficie. Maggiore è l'idrorepellenza, più ampio è il movimento ondulatorio e più ampia è l'area della superficie.
Definire l'idrorepellenza delle pellicole di chiusura delle confezioni mediante i dati della rugosità superficiale
Trasformando la superficie idrorepellente della pellicola di chiusura della confezione in una struttura frattale, viene ridotta l'area di contatto tra lo yogurt e la pellicola di chiusura della confezione. Questa forma della superficie permette la produzione da parte dello yogurt che non aderiscono alla pellicola. La riduzione dell'area di contatto significa che l'area della superficie della pellicola è ampia e irregolare. Invece la pellicola di chiusura della confezione con una bassa idrorepellenza possiede un'area della superficie uniforme che crea un'ampia area di contatto. È possibile concludere che lo yogurt aderisce a questa pellicola di chiusura visto che l'adesione aumenta all'aumentare dell'area di contatto.
Di seguito viene illustrata la relazione che intercorre tra il livello dell'idrorepelenza e i dati della rugosità superficiale:
 |  |
| Pellicola di chiusura della confezione di un yogurt con un'alta idrorepellenza | Pellicola di chiusura della confezione di un yogurt con una bassa idrorepellenza |
| Area di contatto con lo yogurt: | Ridotta | Ampia |
| Irregolarità (Sp / Sz / Sa): | Alta | Bassa |
| Pendenza locale di irregolarità (Sdq): | Alta | Bassa |
| Area della superficie (Sdr): | Ampia | Ridotta |
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