Cùng một loại bánh quy, đựng trong túi PE đơn lớp thì vài tuần đã có mùi dầu ôi, nhưng đựng trong túi ghép có lớp nhôm thì giữ được hương nhiều tháng. Sự khác biệt nằm ở tốc độ thấm oxy của vật liệu bao bì, thông số quan trọng hàng đầu khi thiết kế bao bì cho thực phẩm nhạy oxy.

Tốc độ thấm oxy là gì?

Tốc độ thấm oxy (Oxygen Transmission Rate – OTR) là lượng khí oxy đi qua một đơn vị diện tích vật liệu trong một đơn vị thời gian, ở điều kiện nhiệt độ, độ ẩm tương đối và chênh lệch áp suất riêng phần oxy xác định. Đơn vị thường dùng là cm³/(m²·ngày) (đôi khi ghi kèm ·atm hoặc ·bar), ở ví dụ 23 °C và 0% hoặc 50% RH.

Một số khái niệm liên quan:

  • Độ thấm (permeability, permeability coefficient): OTR quy về độ dày đơn vị và chênh lệch áp suất đơn vị; là đặc tính riêng của vật liệu, dùng để so sánh các polymer.
  • OTR của bao bì nguyên chiếc: tính cho cả bao bì (cm³/bao bì·ngày), bao gồm thấm qua thân, nắp, mối hàn, gioăng.
  • Tốc độ thấm hơi nước (WVTR): đại lượng tương tự cho hơi nước.

Cơ chế thấm khí qua polymer

Khí thấm qua màng polymer không có lỗ thủng theo ba bước: hòa tan vào bề mặt màng phía nồng độ cao, khuếch tán qua lớp polymer, rồi giải hấp ở phía nồng độ thấp. Khả năng chắn khí phụ thuộc vào cấu trúc polymer: mạch phân tử xếp chặt, độ kết tinh cao, phân cực mạnh, liên kết hydro giữa các mạch làm giảm độ thấm oxy. Ngoài ra khí còn có thể đi qua lỗ kim, vết nứt, mối hàn kém, gây rò rỉ lớn hơn nhiều so với thấm qua màng.

OTR của các vật liệu phổ biến

Giá trị tham khảo cho màng dày khoảng 25 µm ở khoảng 23 °C (thay đổi theo loại nhựa, độ ẩm, nhà sản xuất), tính bằng cm³/(m²·ngày·atm):

  • LDPE: cỡ vài nghìn, chắn oxy kém nhưng chắn ẩm tốt, dùng làm lớp hàn.
  • PP định hướng (OPP): cỡ 1.000–2.000.
  • PET định hướng: cỡ 50–120.
  • PA (nylon) định hướng: cỡ 20–50 ở điều kiện khô, tăng khi ẩm; bền đâm thủng.
  • PVDC: cỡ 1–10, chắn cả oxy và hơi nước tốt.
  • EVOH: dưới 1 ở điều kiện khô, là vật liệu chắn oxy hàng đầu nhưng rất nhạy ẩm, nên luôn được kẹp giữa các lớp chắn ẩm như PE, PP.
  • Màng mạ nhôm (metallized): cỡ 0,5–5 tùy chất lượng lớp mạ.
  • Màng phủ oxit (AlOx, SiOx): cỡ 0,5–2, trong suốt, dùng được với lò vi sóng.
  • Lá nhôm, thủy tinh, kim loại: về lý thuyết gần bằng 0 nếu không có lỗ kim, vết gấp nứt.

Màng có OTR dưới khoảng 10 cm³/(m²·ngày) thường được xếp là vật liệu chắn khí cao.

Yếu tố ảnh hưởng

  • Độ ẩm tương đối: làm tăng mạnh OTR của vật liệu ưa nước như EVOH, PA, giấy, màng sinh học (tinh bột, protein), nhưng ít ảnh hưởng đến PE, PP, PET. Đây là lý do bao bì tiệt trùng (retort) có lớp EVOH bị suy giảm khả năng chắn khí tạm thời sau khi tiệt trùng.
  • Nhiệt độ: OTR tăng theo nhiệt độ; ở điều kiện khí hậu nhiệt đới như Việt Nam, bao bì thấm oxy nhanh hơn so với số liệu đo ở 23 °C.
  • Độ dày: OTR tỷ lệ nghịch với độ dày lớp chắn.
  • Gia công và sử dụng: gấp, uốn, kéo căng, tạo hình nhiệt, rung lắc khi vận chuyển gây vết nứt lớp mạ hoặc lớp phủ, làm tăng OTR.

Cách đo OTR

  • Phương pháp coulometric (ASTM D3985, ISO 15105-2): mẫu màng ngăn cách buồng chứa oxy và buồng chứa khí mang nitơ; oxy thấm qua được cảm biến coulometric đo chính xác. Đây là phương pháp chuẩn, đo được giá trị rất thấp.
  • Đo bao bì nguyên chiếc (ASTM F1307): đo OTR của chai, khay, túi hoàn chỉnh.
  • Cảm biến quang học (huỳnh quang): dán điểm cảm biến bên trong bao bì, đo nồng độ oxy theo thời gian mà không phá mẫu; hữu ích cho nghiên cứu hạn sử dụng.
  • Phương pháp áp suất chênh lệch (manometric): dùng cho nhiều loại khí.

Tính hạn sử dụng theo oxy

Với sản phẩm nhạy oxy, nhà thiết kế bao bì xác định lượng oxy tối đa sản phẩm chịu được trước khi chất lượng giảm không chấp nhận (ví dụ vài ppm với bia, vài chục ppm với nước sốt, cà phê), rồi tính thời gian để lượng oxy thấm vào và oxy dư ban đầu trong khoảng trống đạt ngưỡng đó. Thời gian này phụ thuộc OTR của bao bì nguyên chiếc, diện tích bề mặt, thể tích sản phẩm và điều kiện bảo quản. Có thể kết hợp với gói hút oxy hoặc polymer hút oxy để kéo dài hạn dùng.

Sản phẩm cần chắn oxy cao

  • Thực phẩm giàu chất béo dễ oxy hóa: hạt, snack, bánh quy bơ, sữa bột, dầu cá.
  • Cà phê rang, chè, gia vị (mất hương).
  • Bia, rượu vang, nước ép (mất hương, sẫm màu, mất vitamin C).
  • Thịt chế biến, phô mai trong bao gói chân không, MAP.
  • Sản phẩm tiệt trùng trong túi retort, khay nhựa thay lon.

Ngược lại, rau quả tươi còn hô hấp cần bao bì có OTR cao hoặc màng vi đục lỗ để tránh thiếu oxy.

Câu hỏi thường gặp

OTR thấp nhất có phải luôn tốt nhất? Không. Vật liệu chắn khí cao đắt hơn và khó tái chế hơn. Nên chọn mức chắn khí vừa đủ cho hạn sử dụng mục tiêu và điều kiện phân phối.

Vì sao số liệu OTR nhà cung cấp đưa ra khác thực tế? Vì OTR thường đo ở điều kiện chuẩn (23 °C, độ ẩm thấp) trên màng phẳng chưa gia công; trong thực tế, nhiệt độ, độ ẩm cao, nếp gấp, mối hàn làm OTR bao bì tăng đáng kể.

Thuật ngữ liên quan

Đọc thêm: Shelf Life Là Gì? Cách Xác Định Hạn Dùng Thực Phẩm