DE2502324A1

DE2502324A1 - Zeit-temperatur-indikator

Info

Publication number: DE2502324A1
Application number: DE19752502324
Authority: DE
Inventors: Robert J Witonsky
Original assignee: Bio Medical Sciences Inc
Current assignee: Bio Medical Sciences Inc
Priority date: 1974-01-21
Filing date: 1975-01-21
Publication date: 1975-07-24
Also published as: AU7741875A; FR2258623A1; BR7500365A; AR202334A1; IT1026390B; JPS50108986A; FR2258623B1; BE824631A; NL7500695A; US3942467A

Description

Zeit-Temperatur-Indikator

Die Erfindung betrifft einen Indikator, der die Erreichung mindestens eines vorgewählten Zeit-Temperatur-Integrals anzeigt. · '.

Das Bedürfnis, festzustellen, ob ein tiefgefrorenes Produkt irgendwann einmal aufgetaut war, besteht bereits seit langem, und es gibt zahlreiche Vorrichtungen, die dies anzeigen sollen. Eine Klasse solcher Vorrichtungen bedient sich eines Stoffes, der gefroren ist, aber bei einer vorgewählten Temperatur schmilzt, wobei er auf chemischem oder physikalischem Wege einen Indikator irreversibel aktiviert. Typische Vorrichtungen dieser Art sind in den folgenden US-PSen beschrieben:

1 917 04a

2 216 127 2 277 273 2 340 337 2 553 369 2 617 734 2 662 018

2 753 270 2 762 711 2 788 282 2 823 131 2 850 393 2 852 394 2 951 405

2 955 942

3 047 405 3 055 759 3 065 083 3 194 669 3 362 834 3 437 010

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BMS 38 DW

'aufgebaut"

Alle diese Vorrichtungen zeigen nur die Tatsache "aufge* an, ohne einen Versuch zu machen, den Zeitraum zu bestimmen, während dessen das Produkt aufgetaut war, oder die Temperatur zu bestimmen, die das Produkt in aufgetautem Zustande erreicht hat.

Eine zweite Gruppe von bekannten Indikatoren bedient sich der Diffusion oder Kapillarwirkung, wobei ein Docht oder ein ähnliches durchlässiges Organ einen gewissen Grad von Klassifizierung ermöglicht. Typische Vorrichtungen dieser Art sind in den folgenden US-PSen beschrieben:

2 560 537 3 243 303

2 716 065 3 414 415

2 951 764 3 479 877

3 118 774

Nun ist es bekannt, dass verschiedene Naturstoffe und synthetische Stoffe sich im Laufe der Zeit verschlechtern, selbst wenn man Vorsichtsmassnahmen ergreift, wie Lagerung unter Tiefkühlung, Verpackung in einer inerten Atmosphäre, Sterilisierung und Zusatz von Mitteln gegen das Verderben. So können z.B. Nahrungsmittel, Filme, pharmazeutische Stoffe, biologische Präparate und dergleichen im Laufe der Zeit eine Zersetzung erleiden, selbst wenn sie sterilisiert worden sind und bei so tiefen Temperaturen aufbewahrt werden, dass ein mikrobiologischer Abbau ausgeschlossen ist. Eine solche Zersetzung kann auf verschiedene Ursachen zurückzuführen sein, zu denen streng chemi-. sehe Reaktionen, wie die Oxidation, und enzymatische Vorgänge gehören. Daher gibt es für jeden Stoff dieser Art eine Grenze seiner zulässigen Lagerungsdauer, und diese Grenze ist der Zeitpunkt, zu dem eine merkliche Änderung einer Eigenschaft' des Stoffes stattfindet.· Ein Indikator, der anzeigt, wann diese Grenze überschritten ist, würde von grossem Wert sein.

Die. Kinetik, die solchen Verschlechterungsvorgängen zugrunde liegt, kann jedoch äusserst kompliziert sein. Obwohl z.B„ aus-

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ser Zweifel steht, dass die Verschlechterung eine Funktion der Temperatur ist, kann die Verschlechterungsgeschwindigkeit solcher Produkte ebenfalls mit der Temperatur variieren, so dass
die Verschlechterung bei einer ersten Temperatur mit einer bestimmten Geschwindigkeit,bei einer zweiten Temperatur mit
einer anderen Geschwindigkeit vor sich geht. Das Gesamtausmaß
der Verschlechterung hängt von der Zeitdauer ab, für die das
Produkt auf jeder dieser Temperaturen gehalten worden ist,
d.h. von dem Temperaturintegral über die Zeit. Die praktische
Auswirkung davon kann man z.B. an zwei gleichen Proben von gefrorenen Nahrungsmitteln sehen, die gleichzeitig verpackt worden sind. Für beide Proben existiert ein endliches Zeit-Temperatur-Integral, bis eine merkliche Qualitätsänderung "stattfindet. Wenn eine Packung bei der Verteilung oder Lagerung eine
Temperatur von 10 oder 20 C annimmt, selbst ohne dabei aufzutauen, ist ihre Lebensdauer kürzer als diejenige einer anderen Packung, die während der gesamten Lagerungszeit auf einer tieferen Temperatur gehalten worden ist. Ein Verbraucher, der
diese Packungen, die jetzt beide bei der normalen Tiefkühlertemperatur gelagert werden, kaufen will, hat keine Möglichkeit, diesen Unterschied in der Temperaturgeschichte festzustellen.

Es sind bereits Systeme zum Überwachen der Temperaturgeschichte von Produkten bekannt. So bedient sich die US-PS 2 671 028
eines Enzyms, wie Pepsin, in einem Indikatorsystem, während
aus der US-PS 3 751 382 ein enzymatischer Indikator bekannt
ist, bei dem Urease Harnstoff zersetzt und die Reaktionsprodukte eine Änderung des pH-Wertes des Systems verursachen.
Die Aktivität des Enzyms und damit die Zersetzungsgeschwindigkeit ist von der Temperatur abhängig, so dass die aus dieser
Zersetzung resultierende pH-Änderung mit herkömmlichen Säure-Base-Indikatoren überwacht werden kann. Ein System dieser Art, das nicht der Lösung des umfassenderen Problems der Überwachung der Temperaturgeschichte, sondern der Lösung des speziellen Problems der mikrobiologischen Fäulnis gewidmet ist,

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leidet aber an den arteigenen Begrenzungen einer jeden enzymatischen Reaktion. Die Aktivität von Enzymen ist nämlich nicht nur eine Funktion der Temperatur, sondern sie ist auch gegen
den Ablauf der Zeit, die gemessen wird, empfindlich, indem sie allgemein mit der Zeit abnimmt. Ferner ist die enzymatische
Aktivität auch gegen pH-Änderungen empfindlich, und eine solche Änderung ist beispielsweise das wirksame Prinzip in dem
System der US-PS 3 751 382. Schliesslich beschreibt die US-PS 3 768 976 ßin ausgeklügelteres System, bei dem die Zeit-Temperatur-Integration durch Überwachen des Hindurchdringens von
Sauerstoff durch einen Film mit Hilfe eines Redox-Farbstoffs
erzielt wird. ' ,

Ein Grundproblem ist die Tatsache, dass die zweite Ableitung
der Zeit-Temperatur-Zersetzung (d.h. die Geschwindigkeit^- ■
änderung je Einheit der Temperaturänderung) bei verschiedenen Produkten verschieden ist. So ist die Änderung in der 'Verschlechterungsgeschwindigkeit je Einheit der Temperaturänderung bei gewissen Früchten und Beeren sehr verschieden
von der Geschwindigkeitsänderung bei magerem Fleisch. Die
Werte für Molkereiprodukte unterscheiden sich von beiden. Infolgedessen eignet sich ein System, das auf einer einzigen
enzymatischen Reaktion oder auf der Durchlässigkeit eines gegebenen Films beruht, nur als Indikator für solche Stoffe,
bei denen die Kurven, die die Abhängigkeit ihrer Zersetzungsgeschwindigkeit von der Temperatur angeben, eine ähnliche
Steigung haben. Obwohl die US-PS 3 751 383 eine Methode zum
Ändern des Zeitpunktes beschreibt, bei dem der Indikator
einen Farbumschlag erleidet, wird dabei die Aktivierungsenergie des Enzymsystems nur wenig geändert, und das Verhältnis der Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit zur Temperaturänderung bleibt im wesentlichen das gleiche.

Die Erfindung betrifft einen Indikator, der in seiner Arbeitsweise äusserst einfach und zuverlässig ist. Es ist nicht nur möglich, das Zeit-Temperatur-Integral zu steuern, bei dem

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dieser Indikator eine Anzeige gibt, sondern es können auch verschiedene Abhängigkeiten der Geschwindigkeitsänderung von der Temperatur festgestellt werden. Ebenso ist es möglich und sogar vielfach erwünscht, dass der Indikator mehrere Signale geben kann, z.B. ein Signal, wenn 50 % der Lebensdauer eines Produkts vergangen sind,- und ein zweites, unterschiedliches Signal, wenn 90 % der Lebensdauer vergangen sind.. . ■"

Das System gemäss der Erfindung ist nicht auf die Überwachung langer Lagerungszeiten bei tiefen Temperaturen beschränkt. Die gleichen Überlegungen gelten auch für kurze Zeiträume und, hohe Temperaturen,, So kann das System gemäss der Erfindung noch angewandt werden, um z.B. zu gewährleisten, dass Produkte ausreichend wärmesterilisiert worden sind. So eignet sich der Indikator vorzüglich zur Feststellung, dass Konserven, die eine Autoklavbehandlung erhalten haben, dem richtigen Zeit-Temperatur-Integral unterworfen worden sind, das erforderlich ist, um den notwendigen Grad der Abtötung von Mikroorganismen zu erzielen. In diesem Falle wird das Umschlagen des Indikators als Signal dafür verwendet, dass die erforderlichen Parameter, z.B. eine Zeitdauer von mindestens 15" Minuten bei 120° C, erreicht oder überschritten worden sind. Ebenso kann der Indikator verwendet werden, um zu gewährleisten, dass chirurgische Instrumente den richtigen Sterilisierungsbedin-" gungen unterworfen worden sind, dass pharmazeutische Mittel¹. nicht langer als zulässig gelagert worden sind, dass Molkereiprodukte richtig pasteurisiert worden sind, und dergleichen. Viele andere Anwendungszwecke, bei denen das Bedürfnis" besteht, die Temperaturgeschichte eines Produkts zu kennen, sind dem Fachmann geläufig.

Die erste Komponente des Indikators gemäss der Erfindung ist eine organische Komponente, die Solvolyse unter Säurebildung. erleidet. Im allgemeinen verläuft die solvolytische. Zersetzung nach einer kinetischen Gleichung erster Ordnung oder

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kommt ihr doch sehr nahe. Für diese Komponente eignen sich die verschiedensten Stoffe. So kann man verschiedene Säurederivate, ζ.Β«, symmetrische und gemischte Säureanhydride, Säurehalogenide, besonders Säurechloride und Säurebromide, Ester, Lactone und dergleichen verwenden«, Praktisch alle Derivate, die bei der Solvolyse eine Säure bilden, können verwendet werden,-da die kritischen Eigenschaften der organischen Verbindung nicht in ihrer besonderen Struktur, sondern in der Geschwindigkeitskonstante der Solvolysereaktion und der Aktivierungsenergie dieser Reaktion liegen.

Andere organische Bestandteile, die Solvolyse erleiden, sind Halogenide, insbesondere Chloride und Bromide. Typische Halogenide dieser Art sind Alkylhalogenide, Alkenylhalogenide, Halogenalkanole, Aralkylhalogenide, Aralkenylhalogenide und dergleichen.

Die zweite Komponente des erfindungsgemässen Indikators ist das Solvolysemedium. Dieses kann ein polares organisches Lösungsmittel oder ein wässriges Lösungsmittel sein. Unter einem wässrigen Lösungsmittel wird eine flüssige Phase verstanden, die zu einem gewissen Anteil, nämlich zu einem Bruchteil bis zu 100 %, aus Wasser besteht. Wie nachstehend erläutert wird, können reine organische Lösungsmittel für sich allein oder in Kombination verwendet werden. Das Lösungsmittel kann auchein oder mehrere zusätzliche organische Lösungsmittel enthalten, die sich der organischen Verbindung und der aus ihr entstehenden Säure gegenüber im wesentlichen inert verhalten. Geeignete Lösungsmittel sind niedere Alkanole, wie Äthanol, flüssige Ketone, wie Aceton und Methyläthylketon, Dimethylsulfoxid, Äther, wie Diäthylenglykoldimethyläther, Dioxan, Tetrahydrofuran und dergleichen„

Die dritte Komponente des erfindungsgemässen Indikators ist mindestens ein alkalischer Stoff von ausreichender Basizität, um die bei der Solvolyse entstehende Säure zu neutralisieren.

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Dieser Stoff kann praktisch jede beliebige Base, z.B. Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Natriumcarbonat, Triäthylamin und dergleichen, sein. Die Menge dieses alkalischen Stoffes ist geringer als das stöchiometrische Äquivalent der ges'amten Säuremenge, die erzeugt werden kann, und entspricht derjenigen Säuremenge, die sich bei dem vorgewählten Zeit-Temperatur-Integral gebildet haben wird. Vorteilhaft kann man auch mehrere alkalische Stoffe von unterschiedlicher Basizität verwenden, in welchem Falle die stärkere Base die zuerst erzeugte Säure neutralisiert und die schwächere Base erst in Wirkung tritt, wenn die stärkere Base vollständig aufgebraucht ist.

Die vierte Komponente des Indikators ist ein pH-empfindlicher' Farbstoff, der bei der Neutralisation des alkalischen Stoffes eine sichtbare Farbänderung erleidet. Diese sichtbare Änderung kann ein Umschlag von einer in eine andere Farbe, von farblos in eine Farbe oder von einer Farbe in farblos sein. Der pH-empfindliche Farbstoff erleidet also an dem Punkt, an dem der gesamte alkalische Stoff neutralisiert worden ist und der pH-Wert bei der weiteren Säurebildung infolge Hydrolyse der organischen Verbindung sinkt, eine Farbänderung. Bei der weiteren, oben beschriebenen Ausführungsform, bei der mehrere alkalische Stoffe von unterschiedlichen Basizitäten angewandt werden, kann man mit einer entsprechenden Anzahl von pH-emp-· findlichen Farbstoffen arbeiten, so dass bei vorgewählten Zeit-Temperatur-Integralen mehrere Farbänderungen stattfinden. So ist es möglich, in einem einzigen System verschiedene Bruchteile der Lebensdauer eines Produkts oder verschiedene Stadien der Wärmesterilisation, wie "nicht sicher", "sterilisiert" und "übersterilisiert" anzuzeigen.

Wie bereits erwähnt, hat der Quotient aus (a) der Änderungsgeschwindigkeit einer Eigenschaft eines Erzeugnisses, dessen Verschlechterung überwacht werden soll, bei einer Temperatur und (b) der Änderungsgeschwindigkeit bei einer niedrigeren

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Temperatur für verschiedene Stoffe verschiedene Werte. Diese Werte werden oft für einen Temperaturzuwachs von 10 C durch das Symbol "Q₁₀" ausgedrückt. So hat z.B. in der Temperaturspanne von 0 bis 20° C rohes und vorgekochtes fettes Fleisch Q^Q-Werte von etwa 3, während rohes und vorgekochtes mageres Fleisch CL₀-Werte zwischen 5 und 6 hat. Gemüse haben im allgemeinen einen GL^-We-rt zwischen 7 und 8, während Früchte und Beeren einen GL_Q-Wert von etwa 13 aufweisen. Daher können die Systeme so ausgewählt werden, dass die Änderung in der Entwicklungsgeschwindigkeit je Einheit der Temperaturänderung sich dem GL₀-Wert einer gegebenen Nahrungsmittelklasse annähert, und zu diesem Zweck bedient man sich der Aktivierungsenergiewerte der betreffenden Komponente.

Die Beziehung zwischen Q₁₀ und der Aktivierungsenergie entspricht der folgenden Gleichung:

(Gleichung 1) Q₁₀ = e^1OEa^/T1*^T2^#R ,

worin E„ = Aktivierungsenergie,

T₁ = eine erste Temperatur in Grad K, T₂ = eine zweite Temperatur, die um 10 C niedriger

ist als T₁, und - ■

R = die Gaskonstante

bedeuten. So erhält man z.B. im Temperaturbereich von -10 bis -20° C, einem wichti,
die folgenden Werte:

-20° C, einem wichtigen Bereich für gefrorene Nahrungsmittel,

^Ea>	Kcal/Mol	^{L Q}10	E_Q, Kcal/Mo: CL	^{L Q}10
	0,0	1,00	2O₁O	4,54
	5,0	1,46	22,0.	5,28
	8,0	1,83	25,0	6,63
	10,0	2,13	27,0	7,71
	12,0	2,48	30,0	9,61
	15,0	3,11	33,0	12,1
			34,0	13,0

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So gelingt es, Indikatoren herzustellen, die den Zersetzungsgeschwindigkeiten' verschiedener Stoffe im Verlaufe einer gewissen Zeitspanne angepasst sind, selbst wenn dabei Temperaturschwankungen stattfinden. Der Punkt, an dem das Signal von dem Indikator gegeben werden soll, hängt von der überwachten Entwicklungseigenschaft ab. Wenn man z.B. weiss, dass nach 500-stündiger Lagerung bei 0° C eine merkliche Änderung im Geschmack des Produkts eintritt, kann der Indikator so zusammengesetzt sein, dass er nach einem Zeitraum von 500 Stunden bei 0° C oder etwas vorher eine Farbänderung erleidet. Natürlich kann die gleiche merkliche Änderung in dem Produkt schon nach etwa 60 Stunden bei 20 C oder nach weniger als 10 Stunden bei 40 C auftreten, und diese Geschwindigkeitsänderungen mit der Temperatur entsprechen dem oben erläuterten GL _O*-Wert. Man kann den Indikator aber auch so zusammensetzen, dass er an einem Zwischenpunkt umschlägt, z.B. bei 75 % der Hältbarkeitszeit, die das Produkt bei hohem Gütegrad aufweist.

Während der Begriff des CL .-.-Wertes allgemein auf die Verschlechterung von Nahrungsmitteln angewandt wird, eignet er sich auch zur Herstellung von Indikatoren für andere Anwendungszwecke. So folgt z.Bο die Wirkung von Temperatur und Zeit bei der Wärmesterilisation einer ähnlichen Gesetzmässigkeit. Die Geschwindigkeit der Bakterienabtötung bei einer Temperatur, z.B. bei 110° C, erhöht sich mit jeder Temperatursteigerung um 10 C um einen Faktor von etwa 8. Man kann daher im Sinne der Erfindung einen Indikator so zusammensetzen, dass er den Grad der Bakterienabtötung bei der Wärmesterilisierung genau überwacht, selbst wenn die Sterilisierung, nicht isotherm erfolgt.

Die Auswahl der. organischen Verbindung und die Zusammensetzung des Indikators erfordert ferner die Berücksichtigung bekannter oder leicht bestimmbarer Werte für die Solvolyse-Halbwertszeiten ("t-i/p)· ^^a Solvolysereaktionen mit abnehmender Konzentration asymptotisch abnehmen, soll das System so ausgewählt

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werden, dass seine Solvolyse-Halbwertszeit bei der zu erwartenden Temperatur mindestens so gross ist wie der Zeitraum, während dessen das Produkt überwacht wird. Auf diese Weise verläuft die Bildung von Säure als Funktion der Zeit relativ linear. Bei dieser Auswahl ist ein hochgradiger Spielraum gegeben. So hydrolysieren Säureanhydride und Säurehalogenide um mehrere Grössenordnungen schneller als Ester. Innerhalb einer gegebenen Klasse ermöglicht die Strukturänderung eine weitere Auswahl; so hat z.B. ein Essigsäureester eine längere Halbwertszeit als der entsprechende Trichloressigsäureester, und Benzhydrylchlorid hat eine längere Halbwertszeit als Benzhydrylbromid.

Schliesslich kann man nach der Auswahl einer organischen Verbindung mit ungefähr der richtigen Halbwertszeit eine weitere Steuerung durch die Auswahl des Lösungsmittels erreichen. Wenn die organische Verbindung z.B. tert.Butylchlorid und das Lösungsmittel wässriges Äthanol ist, kann man die Halbwertszeit bei 25° C, die bei Verwendung von 90 % Wasser und 10 % Äthanol 36 Sekunden beträgt, durch Verwendung von 10 % Wasser und 90 % Äthanol auf 4,84 Tage verlängern. Diese Zeitspannen sind natürlich bei niedrigeren Temperaturen entsprechend länger. · _ "

Die Wahl der organischen Verbindung richtet sich nach dem beabsichtigten Anwendungszweck. Wenn der Indikator die Wärmegeschichte von gefrorenen Nahrungsmitteln überwachen soll, wird man eine Verbindung wählen, deren Halbwertszeit bei -18 C (der normalen Lagerungstemperatur von gefrorenen Nahrungsmitteln) in der Grössenordnung von mehreren Monaten liegt. Wenn man andererseits die Wärmesterilisierung überwachen will, braucht die Halbwertszeit bei 120 C nur etwa 10 bis 20 Minuten zu betragen. Es ist zu beachten, dass die Halbwertszeit nicht bestimmt, wann der Indikator umschlagen wird, sondern dass sie ein Faktor ist, der gewährleistet, dass die isotherme Säureerzeugung im wesentlichen linear verläuft, so

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dass der Punkt, bei dem der Indikator umschlägt, besser unter Kontrolle gehalten werden kann.

Nach Auswahl der anfänglichen Menge der organischen Verbindung, die Säure erzeugt, und Bestimmung der Menge der Base, die erforderlich ist, um bei dem gewünschten Zeit-Temperatur-Integral ein Signal zu erhalten, wird ein pH-empfindlicher Farbstoff ausgewählt, dessen Farbe gerade unterhalb des pH-Wertes der Base umschlägt. Wenn man z.B. Natriumhydroxid als alkalischen Stoff verwendet, kann man als Indikatorfarbstoff Xylenolblau verwenden. Wenn der alkalische Stoff Kaliumphosphat ist, eignet sich als Indikator Methylrot. Um das erforderliche Signal zu erhalten, soll die zugesetzte Menge an alkalischem Stoff der folgenden Gleichung entsprechen;

C
(Gleichung 2) C_R = 2L

1~

worin C = die molare Konzentration der organischen Ter-

bindung,
C-o = die molare Konzentration des alkalischen Stoffes,

Jl)

k = die Geschwindigkeitskonstante bei der ausgewählten Temperatur und

t = die Zeit, bei der der Indikator seine Farbe ändern soll,

bedeuten.

Die Gesamtmengen der einzelnen Komponenten richten sich nach Gesichtspunkten, wie den Herstellungsverfahren, den Kosten, der Verträglichkeit der Stoffe miteinander, dem Anwendungszweck und dergleichen, und diese Faktoren sind wiederum weitgehend von der Zweckmässigkeit und der Planung abhängig. Da das System in dem Augenblick seine Entwicklung beginnt,-in dem die organische Verbindung und das Solvolyse-Lösungsmittel miteinander in Berührung gebracht werden, müssen diese beiden Komponenten so lange voneinander getrennt gehalten v/erden, bis die Aktivierung des Systems stattfinden soll. In der Zeichnung

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ist beispielsweise im Querschnitt eine Ausführungsform einer Vorrichtung dargestellt,-in der die organische Verbindung von einem wässrigen Lösungsmittel und dem alkalischen Stoff durch eine zerbrechbare Sperrschicht getrennt gehalten wird. Das wässrige Lösungsmittel 11 ist in einem zerbrechbaren Behälter

12 eingeschlossen, der seinerseits in einem äusseren Behälter

13 angeordnet ist, der die organische Verbindung 14 als reines Material oder in einem nicht-wässrigen, aber mit Wasser mischbaren Lösungsmittel enthält. Der alkalische Stoff und der pH-empfindliche Farbstoff sind in dem wässrigen Lösungsmittel 11 gelöst. Der äussere Behälter 13 ist durchsichtig und aus einem chemisch indifferenten, elastischen Werkstoff, wie Polyäthylen, Polychloropren oder dergleichen, gefertigt und kann auf der Rückseite mit einem geeigneten Klebstoff beschichtet sein, so dass er an ein Produkt, das in der Zeichnung mit 15 bezeichnet ist, angeklebt werden kann. Durch Einwirkung eines schwachen Druckes, z.B. bei 16, wird die Sperrschicht zerbrochen, und die beiden Komponenten können sich miteinander mischen.

Natürlich ist es auch möglich, die Komponenten im Verlaufe des Herstellungsverfahrens zusammenzubringen oder die verschiedensten, aus zwei Kammern bestehenden Behälter zu verwenden, wie sie in den US-PSen 2 854 348, 3 055 759, 3 615 719, 3 695 903 oder 3 703 077 oder in anderen Patentschriften beschrieben sind.

Beisnieli

Dieses Beispiel beschreibt einen zeit-temperatur-integrierenden Indikator, der sich zum Überwachen der Temperaturgeschichte von gefrorenen Nahrungsmitteln eignet.

Einzelne, schnellgefrorene Boysenbeeren haben einen GL_n-Wert von etwa 6 (dieser Wert variiert je nach den Verarbeitungsund Verpackungsparametern). Der Packer stellt fest, dass sein

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38 DW ■ <5 " 2 5 O 2 3 2 A

Produkt eine Lebensdauer bei hoher Qualität von 300 Tagen hat, wenn es bei -18 C gelagert wird, dass die Lebensdauer aber nur 50 Tage beträgt, wenn das Produkt bei -8 C gelagert wird. Der Packer möchte nun einen Indikator zur Verfügung stellen, der dem Verbraucher anzeigt, wann.50 % und wann 90 % der Lebensdauer bei hoher Qualität verstrichen sind. Das Volumen des Indikators wird durch planerische und ästhetische Gesichtspunkte auf 0,1 ml begrenzt.

Aus der obigen Gleichung 1 wird bestimmt, dass die organische Verbindung.bei der erwarteten Lagerungstemperatur eine Solvolyse-Aktivierungsenergie von 22 bis 25 Kcal/Mol und eine Halbwertszeit von mindestens 300 Tagen haben soll. Aus veröffentlichten kinetischen Daten lässt sich leicht bestimmen, dass die Aktivierungsenergie für die Solvolyse von tert.Butylchlorid in wässrigem Aceton diese Grössenordnung hat, und dass bei Verwendung eines Lösungsmittels, das 18 % Wasser enthäl·
trägt.

enthält, die Halbwertszeit bei -18° C mindestens 300 Tage be-

Um ein anfängliches Signal zu erhalten, wenn 50 % der Lagerungslebensdauer bei hoher Qualität verstrichen sind, und ein zweites Signal zu erhalten, wenn 90 % der Lebensdauer verstrichen sind, werden zwei alkalische Stoffe von verschiedenen Basizitäten verwendet. Der erste wird in ungefähr 0,5-molarer Konzentration des organischen Stoffes und der zweite in ungefähr 0,27-molarer Konzentration des organischen Stoffes angewandt; diese Mengen lassen sich aus Gleichung 2 berechnen. Als ersten alkalischen Stoff verwendet man Natriumhydroxid und als zweiten, schwächeren alkalischen Stoff Kaliumphosphat. Um das erste Signal zu erhalten,' verwendet man einen pH-empfindlichen Farbstoff, der beim Neutralisationspunkt des Natriumhydroxids eine Farbänderung erleidet. Auf Grund der veröffentlichten Daten wird hierfür Xylenolblau gewählt. Ebenso ist ein zweiter pH-empfindlicher Farbstoff erforderlich, der seine Farbe beim Neutralisationspunkt der Kalium-

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phosphatlösung ändert, und zu diesem Zweck eignet sich Methylrot, wobei es erwünscht ist, dass die beiden Farbstoffe unterschiedliche Farbänderungen erleiden.

Man stellt die' folgenden Lösungen her:

Bestandteile Raumteile

A. 1,0-molare wässrige Natronlauge 3>0 1,0-molare wässrige Kaliumphosphatlösung 1,7 O,01-molares äthanolisches Xylenolblau 0,21 0,01-molares äthanolisches Methylrot 0,2 Wasser 13,3

B. 1,0-molares tert.Butylchlorid in .

wasserfreiem Aceton 6,0

wasserfreies Aceton 80,6

Die Lösungen A und B werden bis zur Verwendung, z.B. durch die in Fig. 1 dargestellte zerbrechbare Sperrschicht, voneinander getrennt gehalten. So kann die Lösung A in einem zerbrechbaren Behälter 12 untergebracht sein, der seinerseits dicht verschlossen in dem äusseren Behälter 13 angeordnet ist, wobei sich die Lösung B in dem Hohlraum 14 befindet. Beim Zerbrechen des Behälters 12 mischen sich die Bestandteile, und die Solvolyse des tert.Butylchlorids beginnt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Gemisch grün.

Nach 150-tägiger Lagerung bei -18° C hat sich so viol Salzsäure gebildet, dass alles Natriumhydroxid neutralisiert wird. Da das tert.Butylchlorid im Überschuss vorliegt, bildet sich weitere Salzsäure, und das Xylenolblau erleidet dementsprechend eine Farbänderung. Die Farbe schlägt in farblos um, und die Gesamtfarbe des ganzen Systems ändert sich im Verlaufe von etwa einem Tag von grün in gelb. Der Farbumschlag von grün in gelb zeigt sofort an, dass 50 % der Haltbarkeitsdauer verstrichen sind, und dass das Produkt zwar noch brauchbar

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ist, aber in naher Zukunft verwendet werden sollte. Solange der zweite alkalische Stoff unneutralisiert bleibt, behält der Indikator seine gelbe Farbe bei,, Entsprechend der Planung der Vorrichtung wird im Verlaufe der nächsten 120 Tage bei -18 C so viel Salzsäure erzeugt, dass alles Kaliumphosphat neutralisiert wird. Zu diesem Zeitpunkt, wenn alle Phosphat-Dianionen Protonen aufgenommen haben, reagiert weitere, erzeugte Säure mit dem Methylrot, und der Indikator schlägt von gelb in rot um. Durch weitere Freisetzung von Säure wird die rote Farbe hur noch intensiver. So wird dem Benutzer angezeigt, dass 90 % der Lagerungslebensdauer bei hoher Qualität verstrichen sind.

Wenn die Lagerung des Produkts nicht isotherm, z.B. bei -18 C, erfolgt ist, sondern bei der Lagerung auch höhere Temperaturen -vorgekommen sind, wird die Säurebildung beschleunigt, und dies gilt auch für die Zeitspanne, bis zu der ein Signal gegeben wird. Wenn man die Packung z.B. bei der Lagerung 5 Tage bei -8 C stehenlässt und dann wieder auf -18 C kühlt,' zeigt der Indikator 50 % der Haltbarkeitsdauer nicht erst nach 150 Tagen, sondern schon nach 125 Tagen an. Wenn die Ware 30 Tage auf -18° C, dann 5 Tage auf -8° C gehalten wird, dann 20 Stunden eine Temperatur von 0 C annimmt, hierauf 5 Tage auf -8 C gehalten und schliesslich wieder auf -18 C gekühlt wird, zeigt der Indikator schon nach etwa 70 bis 72 Tagen den Ablauf von 50 % der Haltbarkeitsdauer bei hoher Qualität an. Noch wichtiger ist es, dass die Änderung in der Säurebildungsgeschwindigkeit mit der Temperaturänderung: genau der Änderung der Verschlechterung mit der Temperaturänderung entspricht, weil zu Anfang eine organische Verbindung ausgewählt worden ist, die eine dem Q^Q-Wert des Produktes entsprechende Aktivierungsenergie aufweist. Wenn man z.B. Indikatoren für Butter, die einen Q₁₀-Wert von etwa 2 hat, oder für Schweinefleisch, das einen Q^Q-Wert von etwa 8 hat, herstellen will, wählt man organische Verbindungen aus, deren Aktivierungsenergien etwa 10 Kcal/Mol bzw. 28 Kcal/Mol betragen, um diese Wirkung zu erzielen.

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ΊΟ

Beispiel 2

Dieses Beispiel beschreibt einen zeit-temperatur-integrierenden Indikator, der sich zur Überwachung der Temperaturgeschichte bei einer Hochtemperatursterilisierung eignet.

Die Vorschriften für die Wärmesterilisierung eines gegebenen Produktes verlangen, dass das Produkt 30 Minuten einer Temperatur von mindestens 90^2° C ausgesetzt wird. Wenn die Temperatur auf 120-2 C erhöht wird, ist die Sterilisierung in 4 Minuten beendet. Unter Anwendung der Solvolyse von Athylenchlorhydrin in Äthylenglykol wird nach der in Beispiel 1 beschriebenen Methode der folgende Indikator hergestellt:

Bestandteile Raumteile

A. 1,0-molare wässrige Natronlauge 25 Äthylenglykol 2000 0,04-prozentiges wässriges Bromphenolblau 20

B. Athylenchlorhydrin 50

Bis zur Verwendung werden die Komponenten A und B getrennt voneinander gehalten. Beim Mischen und bei der Einwirkung einer Temperatur von 90° C entwickelt der Katalysator nach 30 Minuten eine blaue Farbe. Wenn die Temperatur auf 120 C gehalten wird, entwickelt sich die Farbe schon nach 4 Minuten.

Durch Erhöhung der Menge des alkalischen Stoffes kann die Zeit bis zum Farbumschlag verlängert werden. Wenn man 25 Raumteile Natronlauge verwendet, schlägt die Indikatorfarbe bei 120-2 C nach 14 Minuten um, während sie bei Verwendung von . 50 Raumteilen nach der doppelten Zeitspanne, nämlich nach 27 Minuten, umschlägt.

Wenn ein Indikator dieser Art kurz nach seiner Herstellung verwendet wird, ist es nicht unbedingt notwendig, die beiden Komponenten voneinander zu trennen, wenn keine übermässig hohe

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Temperatur zur Einwirkung gebracht wird, da die Solvolyse "bei normalen Temperaturen so langsam verläuft, dass die Vorrichtung praktisch inaktiv ist.

Beispiel 3 . .

Dieses Beispiel zeigt die Steuerung der Halbwertszeit durch Auswahl des Lösungsmittels. Die Aktivierungsenergie für die_: Solvolyse von Essigsäureanhydrid in Wasser beträgt etwa 1.6 bis; 22 Kcal/Mol, was einem Q.Q-Wert von gerade etwas weniger als bis gerade etwas mehr als 5 entspricht. In,reinem Wasser beträgt jedoch die Halbwertszeit dieser Reaktion 0,25 Sekunden, was die Anwendung eines solchen Systems für die Zeit-Temperatur-Integrierung unmöglich macht. Wenn man die gleiche Reaktion anwendet, jedoch das reine wässrige Lösungsmittel durch ein inertes, mit Wasser mischbares Lösungsmittel ersetzt, wird diese Halbwertszeit verlängert. So wird die Halbwertszeit in einem Gemisch aus 40 Teilen Dioxan und 60 Teilen Wasser auf 71 Minuten verlängert. Verwendet man ein Gemisch aus 60 Teilen Dioxan und 40 Teilen Wasser, so beträgt die Halbwertszeit nahezu 2 Stunden. Weitere Verlängerungen der Halbwertszeit lassen sich durch Erhöhung des Anteils von Dioxan bewerkstelligen.

Beispiel 4 .

Dieses Beispiel erläutert die Steuerung der Reaktionshalbwertszeit durch Änderung in der Zusammensetzung. Die Halbwertszeit der Hydrolyse von Dichloressigsäurephenylester beträgt etwa 4 Minuten, was für die meisten Änwendungszwecke zu kurz ist. V/endet man bei der gleichen Hydrolyse Essigsäurephenylester an, so erhöht sich dadurch die Halbwertszeit auf ungefähr 1000 Stunden, so dass diese Reaktion für die. überwachung der Zeit-Temperaturgeschichte von Stoffen, wie MoI-kere!produkten, ideal wird. In der gleichen Weise kann man auch Essigsäure-2,4-dinitrophenylester verwenden.

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Claims

Bio-Medical

Sciences, Inc. BMS 38 DW

Patentansprüche

/Zeit-Temperatur-Indikator zum Anzeigen der Erreichung mindestens eines vorgewählten Wertes, der dem Integral der Temperatur, die auf das betreffende System eingewirkt hat, über die Zeit entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass

a) ein polares Lösungsmittel,

b) eine organische Verbindung, die in dem Lösungsmittel eine im wesentlichen als kinetische Reaktion erster Ordnung verlaufende Solvolyse unter Bildung von Säure erleidet,

c) mindestens ein alkalischer Stoff von ausreichender Basizität, um die erzeugte Säure zu neutralisieren, wobei die Menge des alkalischen Stoffes geringer als das stöchiometrische Äquivalent der gesamten erzeugbaren Säuremenge und so ausgewählt ist, dass es stöchiometrisch derjenigen Säuremenge entspricht, die bei dem vorgewählten Integralwert erzeugt worden sein wird, und

d) mindestens ein pH-empfindlicher Indikator, der zwischen dem pH-Wert des alkalischen Stoffes und dem pH-Wert der Säure einen deutlichen Farbumschlag erleidet,

in einem geschlossenen Behälter enthalten sind, der so beschaffen ist, dass die Farbe seines Inhalts visuell wahrgenommen werden kann.

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2. Zeit-Temperatur-Indikator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Verbindung ein Anhydrid, ein Säurehalogenid, ein Ester oder ein Lacton einer organischen Säure oder ein hydrolysierbares organisches Halogenid und das Lösungsmittel ein wässriges organisches Lösungsmittel ist.
3. Zeit-Temperatur-Indikator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Halogenid ein Alkylhalogenid, ein Alkeny!halogenid, ein Aralkylhalogenid oder ein
Aralkenylhalogenid ist.
4. Zeit-Ternperatur-Indikator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere alkalische Stoffe von bedeutend unterschiedlichen Basizitäten und eine entsprechende Anzahl von Indikatorfarbstoffen enthält, von denen jeder bei der Neutralisation eines der alkalischen Stoffe eine deutliche Farbänderung erleidet.

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ZO

Leer seife