WVTR (Water Vapor Transmission Rate) คืออัตราที่ไอน้ำซึมผ่านวัสดุบรรจุภัณฑ์ต่อพื้นที่หนึ่งตารางเมตรในหนึ่งวัน ส่วน OTR (Oxygen Transmission Rate) คืออัตราที่ก๊าซออกซิเจนซึมผ่านวัสดุในลักษณะเดียวกัน ค่าที่ต่ำหมายถึงวัสดุกันไอน้ำหรือออกซิเจนได้ดี ผู้ผลิตจึงใช้ทั้งสองค่าเลือกวัสดุบรรจุภัณฑ์ให้เหมาะกับผลิตภัณฑ์และอายุการเก็บรักษาที่ต้องการ
สำหรับอาหาร เครื่องสำอาง และผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร อายุการเก็บรักษา (Shelf Life) ที่ระบุบนฉลากไม่ได้ขึ้นกับระบบสารกันเสียในสูตรเพียงอย่างเดียว แต่ขึ้นกับความสามารถของบรรจุภัณฑ์ในการกันความชื้นและออกซิเจนจากภายนอกด้วย ความชื้นที่ซึมเข้าสู่ผลิตภัณฑ์ผงอาจทำให้ผงจับตัวเป็นก้อน (Caking) ทำให้วิตามินที่ไวต่อความชื้นเสื่อมเร็วขึ้น และเกิดสภาวะที่จุลินทรีย์เจริญได้ ส่วนออกซิเจนที่ซึมเข้าสู่ผลิตภัณฑ์ที่มีน้ำมัน วิตามินซี วิตามินเอ และสารกลุ่มพอลิฟีนอล (Polyphenol) ทำให้เกิดการออกซิเดชันและคุณภาพลดลง การทดสอบการซึมผ่าน (Permeability Testing) จึงช่วยประเมินว่าบรรจุภัณฑ์ที่เลือกเหมาะกับอายุการเก็บรักษาที่จะระบุบนฉลากหรือไม่
บทความนี้สรุปสิ่งที่เจ้าของแบรนด์ ทีมประกันคุณภาพ (Quality Assurance: QA) และทีมพัฒนาบรรจุภัณฑ์ควรรู้ก่อนสั่งทดสอบ ได้แก่ หลักการของ WVTR และ OTR วิธีและสภาวะที่ใช้ทดสอบ ความเชื่อมโยงกับการกำหนดอายุการเก็บรักษา ผลิตภัณฑ์กลุ่มที่ควรทดสอบ และขอบเขตบริการที่ห้องปฏิบัติการวิสไบโอดำเนินการร่วมกับห้องปฏิบัติการพันธมิตร
หลักการของ Water Vapor Transmission Rate (WVTR)
WVTR คืออัตราที่ไอน้ำซึมผ่านวัสดุบรรจุภัณฑ์ มีหน่วยเป็นกรัมต่อตารางเมตรต่อวัน (g/m²/day) ค่าที่วัดได้เปลี่ยนไปตามอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ จึงต้องรายงานคู่กับสภาวะที่ใช้ทดสอบเสมอ วิธีวัดที่ใช้กันมี 2 แบบหลัก
- วิธีถ้วยชั่งน้ำหนัก (Cup Method): ปิดปากถ้วยที่บรรจุน้ำหรือสารดูดความชื้นด้วยตัวอย่างวัสดุ แล้วชั่งน้ำหนักถ้วยเป็นระยะเพื่อหาอัตราที่ไอน้ำผ่านวัสดุ (ASTM International, 2024)
- วิธีเซนเซอร์ความชื้น: วางตัวอย่างวัสดุกั้นระหว่างห้องสองด้านที่มีความชื้นต่างกัน แล้ววัดอัตราที่ความชื้นในห้องด้านที่แห้งกว่าเพิ่มขึ้นด้วยเซนเซอร์ (ASTM International, 2013)
การทดสอบ WVTR ของบรรจุภัณฑ์อาหารและเครื่องสำอางมักทำที่ 38 องศาเซลเซียส ความชื้นสัมพัทธ์ 90% ซึ่งเรียกว่าสภาวะเขตร้อน (Tropical Conditions) เพื่อจำลองการเก็บรักษาในภูมิอากาศร้อนชื้น
ค่า WVTR ที่ต่ำหมายถึงวัสดุกันไอน้ำได้ดี วัสดุสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ไวต่อความชื้นมาก เช่น ผงเครื่องดื่มเสริมอาหาร สารสกัดสมุนไพรชนิดผง และอาหารแห้ง จึงควรมีค่า WVTR ต่ำ ตัวอย่างเช่น ผู้พัฒนาบางรายตั้งเป้าไว้ต่ำกว่าประมาณ 1 กรัมต่อตารางเมตรต่อวัน ซึ่งโดยทั่วไปต้องใช้วัสดุหลายชั้น (Multilayer) ที่มีฟอยล์อะลูมิเนียมเป็นชั้นกั้น ส่วนเป้าหมายที่เหมาะกับแต่ละผลิตภัณฑ์ขึ้นกับความไวต่อความชื้นของผลิตภัณฑ์นั้นและอายุการเก็บรักษาที่ต้องการ
หลักการของ Oxygen Transmission Rate (OTR)
OTR คืออัตราที่ก๊าซออกซิเจนซึมผ่านวัสดุบรรจุภัณฑ์ภายใต้อุณหภูมิและความชื้นที่กำหนด มีหน่วยเป็นลูกบาศก์เซนติเมตรต่อตารางเมตรต่อวัน (cm³/m²/day หรือ cc/m²/day) วิธีที่ใช้กันแพร่หลายใช้เซนเซอร์คูลอมเมตริก (Coulometric Sensor) โดยให้ด้านหนึ่งของตัวอย่างวัสดุสัมผัสออกซิเจน ส่วนอีกด้านหนึ่งมีก๊าซไนโตรเจนไหลผ่านอย่างสม่ำเสมอเพื่อพาออกซิเจนที่ซึมผ่านวัสดุไปยังเซนเซอร์ (ASTM International, 2017)
การทดสอบ OTR ของบรรจุภัณฑ์อาหารและเครื่องสำอางมักทำที่ 23 องศาเซลเซียส ที่ความชื้นสัมพัทธ์ 0% หรือ 50% ขึ้นกับชนิดของวัสดุ เพราะวัสดุกั้นก๊าซบางชนิด เช่น เอทิลีนไวนิลแอลกอฮอล์ (Ethylene Vinyl Alcohol: EVOH) กันออกซิเจนได้น้อยลงเมื่อความชื้นสูง
บรรจุภัณฑ์สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ไวต่อการออกซิเดชัน เช่น น้ำมันและไขมันที่มีกรดไขมันไม่อิ่มตัว ผลิตภัณฑ์ที่มีวิตามินซี วิตามินเอ วิตามินอี และสารต้านอนุมูลอิสระกลุ่มพอลิฟีนอล จึงควรมีค่า OTR ต่ำ ตัวอย่างเช่น ผู้พัฒนาบางรายตั้งเป้าไว้ต่ำกว่าประมาณ 1 cm³/m²/day ซึ่งมักต้องใช้วัสดุหลายชั้นที่มีชั้นกั้นก๊าซ (Gas Barrier Layer) เช่น EVOH หรือฟอยล์อะลูมิเนียม
WVTR และ OTR เกี่ยวข้องกับอายุการเก็บรักษา (Shelf Life) อย่างไร
ในเชิงพาณิชย์ ค่า WVTR และ OTR ใช้ประมาณอายุการเก็บรักษาของผลิตภัณฑ์ในขั้นต้น ก่อนเริ่มการทดสอบความคงตัวระยะยาว (Real-time Stability) เต็มรูปแบบ การประมาณอายุการเก็บรักษา (Shelf Life Prediction) ใช้สมการที่เชื่อมอัตราการซึมผ่านเข้ากับเกณฑ์ยอมรับของผลิตภัณฑ์ ตัวอย่างเช่น ถ้าผงชนิดหนึ่งมีความชื้นเริ่มต้น 4% และเริ่มจับตัวเป็นก้อนเมื่อความชื้นถึง 8% ซึ่งเรียกว่าความชื้นวิกฤต (Critical Moisture Content) ก็คำนวณได้ว่าต้องใช้เวลานานเท่าใดความชื้นของผงในบรรจุภัณฑ์จึงเพิ่มถึงจุดนั้น
การคำนวณนี้ต้องใช้ข้อมูลประกอบอีกหลายส่วน เช่น ค่า WVTR ที่สภาวะการเก็บจริง พื้นที่ผิวของบรรจุภัณฑ์ น้ำหนักผลิตภัณฑ์ และความสัมพันธ์ระหว่างความชื้น (Moisture Content)ของผลิตภัณฑ์กับความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศรอบผลิตภัณฑ์ ซึ่งเรียกว่าไอโซเทิร์มการดูดซับความชื้น (Moisture Sorption Isotherm) ผลที่ได้จึงเป็นค่าประมาณที่ต้องยืนยันด้วยการทดสอบความคงตัว
เมื่อใช้ค่า WVTR และ OTR ร่วมกับการทดสอบความคงตัวระยะยาวและการทดสอบความคงตัวแบบเร่ง (Accelerated Stability) ข้อมูลทั้งสองส่วนจะเสริมกัน การทดสอบความคงตัวยืนยันว่าผลิตภัณฑ์คงคุณภาพในบรรจุภัณฑ์เป้าหมาย ส่วนค่า WVTR และ OTR อธิบายเชิงกลไกว่าทำไมบรรจุภัณฑ์นั้นป้องกันได้ และใช้เป็นเกณฑ์เปรียบเทียบเมื่อพิจารณาวัสดุทดแทนที่ต้นทุนต่ำกว่า
ผลิตภัณฑ์กลุ่มใดควรทดสอบ WVTR และ OTR
- กลุ่มที่ไวต่อความชื้น (Moisture-sensitive): ผงเครื่องดื่มชง อาหารแห้ง สารสกัดสมุนไพรชนิดผง ผงคอลลาเจน ผงโปรตีน วิตามินที่ไวต่อความชื้น เช่น วิตามินซีในรูปโซเดียมแอสคอร์เบต (Sodium Ascorbate) ผลิตภัณฑ์ที่ใช้ระบบห่อหุ้มสารสำคัญ (Encapsulation) เม็ดอม (Lozenge) และเม็ดฟู่ (Effervescent Tablet) ซึ่งปล่อยก๊าซเมื่อสัมผัสน้ำ
- กลุ่มที่ไวต่อการออกซิเดชัน (Oxidation-sensitive): ผลิตภัณฑ์ที่มีกรดไขมันไม่อิ่มตัว เช่น น้ำมันรำข้าว น้ำมันงา น้ำมันอาร์แกน และน้ำมันโอเมก้า-3 เซรั่มวิตามินซีในรูปกรดแอสคอร์บิก (L-Ascorbic Acid) ผลิตภัณฑ์ที่มีเรตินอล (Retinol) และเรตินิลเอสเทอร์ (Retinyl Esters) ผลิตภัณฑ์ที่ระบุปริมาณพอลิฟีนอล เช่น เรสเวอราทรอล (Resveratrol) และเคอร์คูมิน (Curcumin) รวมทั้งน้ำผลไม้สกัดเย็น (Cold-pressed Juice) และเครื่องดื่มสมุนไพรที่ไม่ได้ผ่านความร้อนสูง
- กลุ่มที่ไวต่อทั้งความชื้นและออกซิเจน: โพรไบโอติกชนิดผง ซึ่งจุลินทรีย์หลายสายพันธุ์อยู่รอดได้ดีในสภาวะแห้งและมีออกซิเจนต่ำ ผลิตภัณฑ์เอนไซม์ที่เสื่อมจากความชื้นและออกซิเจนพร้อมกัน และอาหารฟังก์ชัน (Functional Food) อื่นที่มีจุลินทรีย์มีชีวิต
บริการทดสอบ WVTR และ OTR ของห้องปฏิบัติการวิสไบโอ
ห้องปฏิบัติการวิสไบโอให้บริการทดสอบการซึมผ่านของไอน้ำ (WVTR) และออกซิเจน (OTR) ของทั้งแผ่นวัสดุและบรรจุภัณฑ์ทั้งชิ้น ร่วมกับห้องปฏิบัติการพันธมิตร ทีมงานดูแลงานตั้งแต่ต้นจนจบ ดังนี้
- วางแผนการทดสอบ (Test Plan): เลือกวิธีและสภาวะทดสอบให้สอดคล้องกับลักษณะผลิตภัณฑ์ สภาพการเก็บ และตลาดเป้าหมาย
- เตรียมตัวอย่าง: ตัดและเตรียมตัวอย่างแผ่นวัสดุ หรือเตรียมบรรจุภัณฑ์ทั้งชิ้น แล้วปรับสภาพตัวอย่าง (Sample Conditioning) ที่อุณหภูมิและความชื้นที่กำหนด
- ทดสอบและบันทึกผล: ทดสอบในห้องปฏิบัติการที่มีระบบเอกสารกำกับซึ่งตรวจสอบย้อนกลับได้ (Traceability) และคำนวณค่าการซึมผ่านเมื่อการซึมผ่านเข้าสู่สภาวะคงที่ (Steady State)
- รายงานผล: รายงานค่า WVTR และ OTR พร้อมสภาวะที่ใช้ทดสอบ และการประมาณอายุการเก็บรักษาเบื้องต้นจากค่า WVTR เมื่อลูกค้าให้ข้อมูลความชื้นวิกฤตของผลิตภัณฑ์
รายงานผลใช้เป็นข้อมูลประกอบการกำหนดอายุการเก็บรักษาที่จะระบุบนฉลาก การเตรียมเปิดตลาดส่งออก และการสื่อสารกับตัวแทนการค้า (Trading House) และลูกค้ารายสำคัญในต่างประเทศได้
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับ WVTR และ OTR
WVTR คืออะไร
WVTR (Water Vapor Transmission Rate) คืออัตราที่ไอน้ำซึมผ่านวัสดุบรรจุภัณฑ์ มีหน่วยเป็นกรัมต่อตารางเมตรต่อวัน ค่ายิ่งต่ำ วัสดุยิ่งกันความชื้นได้ดี และต้องรายงานคู่กับอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ที่ใช้ทดสอบ
OTR คืออะไร และวัดอย่างไร
OTR (Oxygen Transmission Rate) คืออัตราที่ก๊าซออกซิเจนซึมผ่านวัสดุบรรจุภัณฑ์ มีหน่วยเป็นลูกบาศก์เซนติเมตรต่อตารางเมตรต่อวัน วิธีที่ใช้กันแพร่หลายใช้เซนเซอร์คูลอมเมตริกวัดออกซิเจนที่ซึมผ่านวัสดุ โดยมีก๊าซไนโตรเจนพาออกซิเจนไปยังเซนเซอร์
ทำไมต้องรายงานค่า WVTR คู่กับอุณหภูมิและความชื้น
เพราะอัตราการซึมผ่านของไอน้ำเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ ค่าที่วัดต่างสภาวะกันจึงเปรียบเทียบกันตรง ๆ ไม่ได้ สภาวะที่ใช้บ่อยสำหรับบรรจุภัณฑ์อาหารและเครื่องสำอางคือ 38 องศาเซลเซียส ความชื้นสัมพัทธ์ 90% ซึ่งจำลองภูมิอากาศร้อนชื้น
ค่า WVTR และ OTR ช่วยกำหนดอายุการเก็บรักษาได้อย่างไร
ค่า WVTR และ OTR ใช้ประมาณอายุการเก็บรักษาในขั้นต้น เช่น คำนวณว่าความชื้นในผงจะเพิ่มจากค่าเริ่มต้นถึงความชื้นวิกฤตเมื่อใด การคำนวณต้องใช้ข้อมูลอื่นประกอบ เช่น พื้นที่ผิวของบรรจุภัณฑ์ น้ำหนักผลิตภัณฑ์ และไอโซเทิร์มการดูดซับความชื้น ผลที่ได้เป็นค่าประมาณที่ต้องยืนยันด้วยการทดสอบความคงตัว
ผลิตภัณฑ์แบบไหนควรใช้บรรจุภัณฑ์ที่มีค่า WVTR และ OTR ต่ำ
ผลิตภัณฑ์ที่ไวต่อความชื้น เช่น ผงเครื่องดื่มชง ผงคอลลาเจน และเม็ดฟู่ ควรใช้วัสดุที่มีค่า WVTR ต่ำ เช่น วัสดุหลายชั้นที่มีฟอยล์อะลูมิเนียม ส่วนผลิตภัณฑ์ที่ไวต่อการออกซิเดชัน เช่น น้ำมันที่มีกรดไขมันไม่อิ่มตัว เซรั่มวิตามินซี และผลิตภัณฑ์เรตินอล ควรใช้วัสดุที่มีค่า OTR ต่ำ เช่น วัสดุหลายชั้นที่มีชั้น EVOH หรือฟอยล์อะลูมิเนียม
เอกสารอ้างอิง:
- ASTM International. (2013). Standard test method for water vapor transmission rate of sheet materials using dynamic relative humidity measurement (ASTM E398-13).
- ASTM International. (2017). Standard test method for oxygen gas transmission rate through plastic film and sheeting using a coulometric sensor (ASTM D3985-17).
- ASTM International. (2024). Standard test methods for gravimetric determination of water vapor transmission rate of materials (ASTM E96/E96M-24).