Die wahllose Verwendung von Verpackungsmaterialien aus Erdöl hat zu einer enormen Ansammlung von Kunststoffen auf Mülldeponien und im Meer geführt, da diese Materialien nur schwer abbaubar sind und nicht in nennenswertem Umfang recycelt werden. Um dieses Problem zu mildern und der wachsenden Nachfrage nach Produkten gerecht zu werden, die für die menschliche Gesundheit und die Umwelt unbedenklich sind, investiert die Lebensmittelindustrie in die Entwicklung nachhaltigerer Verpackungsalternativen, die die Nährwertqualität sowie organoleptische Merkmale wie Farbe, Geschmack, Geruch usw. bewahren Textur.
Ein Beispiel ist ein Film aus einer Verbindung, die aus Limonen, dem Hauptbestandteil der Schale von Zitrusfrüchten, und Chitosan, einem Biopolymer, das aus dem in Exoskeletten von Krebstieren vorkommenden Chitin gewonnen wird, hergestellt wird.
Der Film wurde von einer Forschungsgruppe im brasilianischen Bundesstaat São Paulo entwickelt, die sich aus Wissenschaftlern der Abteilung für Werkstofftechnik und Bioprozesse an der School of Chemical Engineering der State University of Campinas (FEQ-UNICAMP) und dem Packaging Technology Center am Institute of Food zusammensetzt Technologie (ITAL) des Landwirtschafts- und Versorgungsministeriums des Bundesstaates São Paulo, ebenfalls in Campinas.
Die Ergebnisse der Forschung werden in einem Artikel veröffentlicht, der in veröffentlicht wurde Lebensmittelverpackung und Haltbarkeit.
„Wir haben uns auf Limonen konzentriert, weil Brasilien einer der weltweit größten Orangenproduzenten ist [if not the largest] und São Paulo ist der führende Orangenproduzentstaat“, sagte Roniérik Pioli Vieira, letzter Autor des Artikels und Professor am FEQ-UNICAMP.
Limonen wurde aufgrund seiner antioxidativen und antimikrobiellen Wirkung bereits früher in Folien für Lebensmittelverpackungen verwendet, um die Konservierung zu verbessern. Seine Leistung wird jedoch durch Flüchtigkeit und Instabilität während des Verpackungsherstellungsprozesses beeinträchtigt, selbst im Labormaßstab.
Dies ist eines der Hindernisse für die Verwendung bioaktiver Verbindungen in kommerziellen Verpackungen. Es wird häufig in Prozessen hergestellt, die beim Schneiden oder Formen hohe Temperaturen und hohe Scherraten erfordern. Bioaktive Zusatzstoffe werden bei diesen Prozessen leicht abgebaut.
„Um dieses Problem zu lösen, kamen wir auf die Idee, ein Derivat von Limonen namens Poly(limonen) zu verwenden, das weder flüchtig noch besonders instabil ist“, sagte Vieira.
Die Forscher wählten Chitosan für die Filmmatrix, weil es ein Polymer natürlichen Ursprungs ist und bekannte antioxidative und antimikrobielle Eigenschaften besitzt. Ihre Hypothese war, dass durch die Kombination der beiden Materialien ein Film mit verbesserten bioaktiven Eigenschaften entstehen würde.
Im Labor verglichen die Wissenschaftler Filme mit Limonen und Poly(Limonen) in unterschiedlichen Anteilen, um der Herausforderung zu begegnen, einen Weg zu finden, sie mit Chitosan zu kombinieren, da sie sich theoretisch nicht vermischen. Die Forscher entschieden sich für die Polymerisation, einen Prozess, bei dem Polymere aus kleineren organischen Molekülen hergestellt werden.
In diesem Fall verwendeten sie eine Verbindung mit polaren chemischen Funktionen, um die Reaktion zu starten und die Wechselwirkung zwischen dem Additiv und der Polymermatrix zu erhöhen. Anschließend analysierten sie den resultierenden Film, um Eigenschaften wie Antioxidationskapazität, Licht- und Wasserdampfschutz sowie Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen zu bewerten.
Die Ergebnisse waren höchst zufriedenstellend. „Die Filme mit dem Zusatz Poly(Limonen) übertrafen diejenigen mit Limonen, insbesondere hinsichtlich der antioxidativen Aktivität, die etwa doppelt so stark war“, sagte Vieira. Die Substanz zeigte auch als Blocker für ultraviolette Strahlung eine zufriedenstellende Wirkung und erwies sich als nichtflüchtig, sodass sie für die Großserienproduktion von Verpackungen geeignet ist, bei denen die Verarbeitungsbedingungen strenger sind.
Die Folien stehen den Herstellern noch nicht zur Verfügung, vor allem weil chitosanbasierter Kunststoff noch nicht in ausreichend großem Maßstab hergestellt wird, um konkurrenzfähig zu sein, aber auch, weil der Poly(limonen)-Produktionsprozess optimiert werden muss, um die Ausbeute zu verbessern bei der Herstellung kommerzieller Verpackungen getestet.
„Unsere Gruppe arbeitet daran. Wir haben andere Anwendungen von Poly(limonen) beispielsweise im biomedizinischen Bereich untersucht. Wir versuchen, die Multifunktionalität dieses Zusatzstoffs zu demonstrieren, dessen Ursprung erneuerbar ist“, sagte Vieira.
Mehr Informationen:
Sayeny de Ávila Gonçalves et al, Poly(limonene): Ein neuartiges erneuerbares oligomeres Antioxidans und UV-Licht blockierendes Additiv für Filme auf Chitosanbasis, Lebensmittelverpackung und Haltbarkeit (2023). DOI: 10.1016/j.fpsl.2023.101085