Wissenschaftler der NTU Singapur und der Harvard University entwickeln intelligente und nachhaltige Lebensmittelverpackungen

Die wasserdichte Lebensmittelverpackung besteht aus einer Art Maisprotein namens Zein, Stärke und anderen natürlich gewonnenen Biopolymeren, die mit einem Cocktail aus natürlichen antimikrobiellen Verbindungen versetzt sind (siehe Video). Dazu gehören Öl aus Thymian, einem in der Küche häufig verwendeten Kraut, und Zitronensäure, die häufig in Zitrusfrüchten vorkommt.

In Laborexperimenten hat sich gezeigt, dass die Fasern in der Verpackung die natürlichen antimikrobiellen Verbindungen freisetzen, wenn sie einer erhöhten Luftfeuchtigkeit oder Enzymen von schädlichen Bakterien ausgesetzt werden.

Die Verpackung ist so konzipiert, dass sie die erforderlichen winzigen Mengen an antimikrobiellen Verbindungen nur dann freisetzt, wenn zusätzliche Feuchtigkeit oder Bakterien vorhanden sind. Dadurch wird sichergestellt, dass die Verpackung mehrere Expositionen übersteht und monatelang haltbar ist.

Da die Verbindungen alle Bakterien bekämpfen, die auf der Oberfläche der Verpackung sowie auf dem Lebensmittel selbst wachsen, können sie für eine Vielzahl von Produkten verwendet werden, darunter verzehrfertige Lebensmittel, rohes Fleisch, Obst und Gemüse.

In einem Versuch blieben Erdbeeren, die in die Verpackung eingewickelt waren, sieben Tage lang frisch, bevor sie Schimmel ansetzten, verglichen mit Erdbeeren, die in herkömmlichen Plastikboxen aufbewahrt wurden, die nur vier Tage lang frisch blieben.

Die Erfindung ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von Wissenschaftlern der NTU-Harvard T. H. Chan School of Public Health Initiative for Sustainable Nanotechnology (NTU-Harvard SusNano), die Forscher der NTU und der Harvard Chan School zusammenbringt, um an innovativen Anwendungen in den Bereichen Landwirtschaft und Lebensmittel zu arbeiten, wobei der Schwerpunkt auf der Entwicklung ungiftiger und umweltverträglicher Nanomaterialien liegt.

Die Entwicklung dieses fortschrittlichen Lebensmittelverpackungsmaterials ist Teil der Bemühungen der Universität um die Förderung nachhaltiger lebensmitteltechnischer Lösungen, die mit dem Strategieplan NTU 2025 im Einklang stehen, der darauf abzielt, nachhaltige Lösungen für einige der dringenden großen Herausforderungen der Menschheit zu entwickeln.

Professor Mary Chan, Direktorin des Zentrums für antimikrobielles Bioengineering der NTU, die das Projekt mit geleitet hat, sagte: "Diese Erfindung würde eine bessere Option für Verpackungen in der Lebensmittelindustrie darstellen, da sie nachweislich überragende antimikrobielle Eigenschaften bei der Bekämpfung einer Vielzahl von lebensmittelbezogenen Bakterien und Pilzen aufweist, die für den Menschen schädlich sein könnten. Die Verpackung kann für verschiedene Produkte wie Fisch, Fleisch, Gemüse und Obst verwendet werden. Die intelligente Freisetzung von antimikrobiellen Mitteln nur bei Vorhandensein von Bakterien oder hoher Luftfeuchtigkeit bietet nur dann Schutz, wenn er benötigt wird, wodurch der Einsatz von Chemikalien minimiert und die natürliche Zusammensetzung der verpackten Lebensmittel erhalten wird".

Professor Philip Demokritou,außerordentlicher Professor für Umweltgesundheit an der Harvard Chan School, der auch Direktor des Zentrums für Nanotechnologie und Nanotoxikologie und Ko-Direktor der NTU-Harvard-Initiative für nachhaltige Nanotechnologie ist, der die Studie mit geleitet hat, sagte: "Lebensmittelsicherheit und -verschwendung sind zu einer großen gesellschaftlichen Herausforderung unserer Zeit geworden, die immense Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit und die Wirtschaft hat und die Ernährungssicherheit gefährdet. Eine der effizientesten Möglichkeiten zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit und zur Verringerung von Verderb und Abfall ist die Entwicklung effizienter biologisch abbaubarer, ungiftiger Lebensmittelverpackungsmaterialien. In dieser Studie verwendeten wir aus der Natur stammende Verbindungen, darunter Biopolymere, ungiftige Lösungsmittel und von der Natur inspirierte antimikrobielle Stoffe, und entwickelten skalierbare Systeme zur Synthese intelligenter antimikrobieller Materialien, die nicht nur zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit und -qualität, sondern auch zur Beseitigung von Umwelt- und Gesundheitsschäden, zur Verringerung der Verwendung biologisch nicht abbaubarer Kunststoffe auf globaler Ebene und zur Förderung nachhaltiger Agrar- und Ernährungssysteme eingesetzt werden können."

Peter Barber, CEO von ComCrop, einem singapurischen Unternehmen, das Pionierarbeit in der städtischen Dachlandwirtschaft geleistet hat, gab eine unabhängige Bewertung der Arbeit des NTU-Forschungsteams ab: "Das Lebensmittelverpackungsmaterial der NTU-Harvard Chan School ist eine nachhaltige Lösung für Unternehmen wie uns, die den Einsatz von Plastik reduzieren und umweltfreundlichere Alternativen nutzen wollen. Da ComCrop seine Produktpalette erweitern will, um die Lebensmittelproduktion in Singapur anzukurbeln, wird auch die Menge der benötigten Verpackungen steigen, und die Umstellung auf ein Material wie dieses würde uns helfen, die Wirkung zu verdoppeln. Die antimikrobiellen Eigenschaften der Verpackung, die möglicherweise die Haltbarkeit unseres Gemüses verlängern könnten, würden uns dabei sehr helfen. Das Verpackungsmaterial ist vielversprechend für die Branche, und wir freuen uns darauf, mehr über die Verpackung zu erfahren und sie möglicherweise eines Tages für unsere Zwecke einzusetzen."

Die Ergebnisse der Studie wurden im Oktober in der von Fachleuten begutachteten akademischen Zeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlicht.

Weniger Verpackungsmüll

Die Verpackungsindustrie ist der größte und wachsende Verbraucher von synthetischen Kunststoffen, die aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden, wobei Kunststoffe für Lebensmittelverpackungen den größten Teil der umweltbelastenden Kunststoffabfälle ausmachen.

In Singapur sind Verpackungen eine der Hauptmüllquellen. Daten der Nationalen Umweltbehörde Singapurs zeigen, dass von den 1,76 Millionen Tonnen Abfall, die 2018 im Inland entsorgt wurden, ein Drittel auf Verpackungsabfälle entfiel und mehr als die Hälfte davon (55 Prozent) aus Kunststoff bestand.

Das intelligente Material für Lebensmittelverpackungen könnte, wenn es in größerem Umfang eingesetzt wird, eine Alternative zur Verringerung des Plastikmülls darstellen, da es biologisch abbaubar ist. Sein Hauptbestandteil, Zein, wird ebenfalls aus Maisklebermehl hergestellt, das als Abfallprodukt bei der Verwendung von Maisstärke oder -ölen zur Herstellung von Ethanol anfällt.

Das Lebensmittelverpackungsmaterial wird durch Elektrospinnen[1] des Zeins, der antimikrobiellen Verbindungen mit Zellulose, einer natürlichen Polymerstärke, aus der Pflanzenzellwände bestehen, und Essigsäure, die üblicherweise in Essig enthalten ist, hergestellt.

Prof. Mary Chan fügte hinzu: "Die nachhaltige und biologisch abbaubare aktive Lebensmittelverpackung, die über eine eingebaute Technologie verfügt, um Bakterien und Pilze in Schach zu halten, ist für die Lebensmittelindustrie von großer Bedeutung. Sie könnte als umweltfreundliche Alternative zu erdölbasierten Polymeren dienen, die in kommerziellen Lebensmittelverpackungen verwendet werden, wie z. B. Plastik, das erhebliche negative Auswirkungen auf die Umwelt hat".

Prof. Demokritou fügte hinzu: "Aufgrund der Globalisierung der Lebensmittelversorgung und des Umdenkens hin zu einem gesünderen Lebensstil und umweltfreundlichen Lebensmittelverpackungen besteht ein Bedarf an der Entwicklung biologisch abbaubarer, ungiftiger und intelligenter/reaktionsfähiger Materialien zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit und -qualität. Die Entwicklung skalierbarer Syntheseplattformen für die Entwicklung von Lebensmittelverpackungsmaterialien, die sich aus natürlichen, biologisch abbaubaren Biopolymeren und von der Natur inspirierten antimikrobiellen Substanzen zusammensetzen, wird in Verbindung mit stimulusgesteuerten Ansätzen den aufkommenden gesellschaftlichen Bedarf zur Verringerung der Lebensmittelverschwendung und zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit und -qualität erfüllen."

Das Forscherteam der NTU und der Harvard Chan School hofft, seine Technologie zusammen mit einem Industriepartner in größerem Maßstab einsetzen zu können, mit dem Ziel, sie in den nächsten Jahren zu vermarkten.

Sie arbeiten derzeit auch an der Entwicklung anderer Technologien zur Entwicklung von intelligenten Lebensmittelverpackungen auf Biopolymerbasis, um die Lebensmittelsicherheit und -qualität zu verbessern.