Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Seung Hwan Ko von der Fakultät für Maschinenbau der Seoul National University hat eine neue Technologie zur Erfassung der Lebensmitteltemperatur und -frische mithilfe von laserinduziertem Graphen auf umweltfreundlichem und biologisch abbaubarem Handelspapier entwickelt.
Umwelt und Lebensmittelsicherheit sind weltweite Themen in der Lebensmittelindustrie. Laut Greenpeace stammten im Jahr 2021 78 % des häuslichen Kunststoffabfalls aus lebensmittelhaltigen Verpackungen. Somit wurde das schwerwiegende Umweltproblem aufgrund der übermäßigen Verwendung von Kunststoffen verstärkt.
Multinationale Konzerne wie Starbucks, Coca Cola und McDonald’s brachten biologisch abbaubare Becher, Flaschen und Strohhalme auf Papierbasis auf den Markt und führten das Wachstum umweltfreundlicher innovativer Technologien an. Um diese komplexen Probleme in der Lebensmittelindustrie zu lösen, sind umweltfreundliche Lebensmittelverpackungen und Echtzeit-Überwachungstechnologie erforderlich.
Jüngste Fortschritte in der Lebensmittellagerungs- und -überwachungstechnologie haben eine Vielzahl von Anwendungen in der Lebensmittelindustrie ermöglicht. Bei den meisten aktuellen Plattformen zur Erkennung des Lebensmittelzustands muss jedoch ein zusätzlicher Sensor am Lebensmittellagerbehälter angebracht werden, und der verwendete Sensor ist normalerweise ein nicht biologisch abbaubares Material, was auch ein Problem in Bezug auf die Umweltfreundlichkeit aufweist.
Die von Prof. Ko geleitete Forschungsgruppe fertigte den laserbestrahlten Graphensensor an kommerziell erhältlichen Milchkarikaturen an und entwickelte eine Plattform zur Erfassung der Lebensmittelfrische durch Erkennung des Gases, das aus Lebensmitteln stammt. Darüber hinaus wurde ein papierbasierter laserinduzierter Graphensensor auf der Rückseite eines Barcodes hergestellt, um die Echtzeitüberwachung der Frische von Fleisch über einen längeren Zeitraum mit einem Mobiltelefon zu ermöglichen. Darüber hinaus ist es möglich, einem Benutzer Wärmeinformationen über Lebensmittel bereitzustellen, indem ein Sensor auf einem allgemeinen Pappbecher auf die gleiche Weise hergestellt wird, der die Temperatur der enthaltenen Flüssigkeit erfasst.
Die von Prof. Ko geleitete Forschungsgruppe konzentrierte sich auf laserinduziertes Graphen. Das Forschungsteam hat eine Technologie zur Synthese von Graphen durch die lokale thermische Reaktion entwickelt, indem ein umweltfreundliches Papiersubstrat auf Kohlenstoffbasis mit einem Laser bestrahlt wird. Als Ergebnis wurde der Sensor ohne zusätzliche Bearbeitung direkt auf einem Substrat aus Zellulose für Lebensmittelverpackungen hergestellt und damit eine Plattform geschaffen, die den Zustand von Lebensmitteln in kontinuierlicher Echtzeit erfassen kann.
Laserinduziertes Graphen ist eines der Allotrope von Kohlenstoff wie Kohlenstoffnanoröhren, Fullerene und Diamanten. Es hat eine ausgezeichnete Elektronenmobilität, die es LIG ermöglicht, die Temperatur zu erfassen, und eine große spezifische Oberfläche, die es LIG ermöglicht, die Gasmoleküle gut zu erkennen.
Wenn die meisten Lebensmittel nicht bei der richtigen Temperatur gelagert werden, setzen sie Gase frei, wenn Krankheitserreger in den Lebensmitteln wachsen. Mit anderen Worten, es ist wichtig, die Temperatur eines Lebensmittels kontinuierlich zu überwachen, da die Lagertemperatur die Zukunft des Lebensmittelstatus bestimmt. Da die meisten Lebensmittel Gas freisetzen, wenn sie sich zersetzen, kann außerdem, wie zuvor erwähnt, die Frische der Lebensmittel durch Erfassen des emittierten Gases bestimmt werden. Das heißt, durch Erfassen der Frische und Temperatur des Lebensmittels ist es möglich, Informationen über den gegenwärtigen und zukünftigen Zustand des Lebensmittels zu erhalten.
Die in dieser Studie entwickelte papierbasierte Temperatur- und Frischeerfassungsplattform für Lebensmittel soll umwelt- und sicherheitsrelevante Lebensmittelprobleme lösen, indem sie Informationen über den aktuellen und zukünftigen Zustand von Lebensmitteln liefert. Das Forschungsteam demonstrierte die tatsächliche Situation des Lebensmittelverderbs, indem es das Lebensmittelverderbnissignal detektierte und die Lebensmitteltemperatur in verschiedenen thermischen Umgebungen abtastete.
Ko sagt, dass „diese Errungenschaft eine Forschung ist, die zum globalen Green New Deal-Trend passt und voraussichtlich wertvolle Erkenntnisse und Einblicke in die Entwicklung von Technologien liefern wird, die umwelt- und sicherheitsbezogene Probleme in der Lebensmittelindustrie lösen können. Und darüber hinaus in der Lebensmittelindustrie In der Industrie wird erwartet, dass es in verschiedenen industriellen Bereichen als umweltfreundlicher und biologisch abbaubarer Temperatur- und Gassensor eingesetzt wird.“
Die Forschungsergebnisse wurden in veröffentlicht Angewandte Materialien heute.
Yeongju Jung et al, Intelligente Papierelektronik durch laserinduziertes Graphen für die Überwachung des Verderbs von Lebensmitteln in Echtzeit in biologisch abbaubarer Form, Angewandte Materialien heute (2022). DOI: 10.1016/j.apmt.2022.101589