11.03.2022 - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo

Essbarer, biologisch abbaubarer, antimikrobieller Kunststoff weist höhere Zugfestigkeit auf als Kunststoff auf Erdölbasis

Material wird aus Gelatine, Ton und einer Nanoemulsion aus ätherischem Öl von schwarzem Pfeffer hergestellt

Die Entsorgung von Lebensmittelverpackungen ist eine der Hauptursachen für die weltweite Umweltverschmutzung. Jedes Jahr werden mehr als 350 Millionen Tonnen Plastik produziert, und Schätzungen zufolge sind 85 % des in die Ozeane gekippten Mülls aus Plastik. Brasilien ist mit rund 11 Millionen Tonnen pro Jahr der viertgrößte Produzent. Erschwerend kommt hinzu, dass die meisten Plastikverpackungen aus nicht erneuerbaren Rohstoffen wie Erdöl hergestellt werden.

In Anbetracht all dieser Nachteile ist die Verringerung des Einsatzes fossiler Brennstoffe zur Herstellung von Kunststoffen das Ziel zahlreicher Forschungsarbeiten auf der ganzen Welt. Viele Wissenschaftler arbeiten an der Entwicklung biologisch abbaubarer Verpackungsmaterialien, die auch eine Kontamination durch Mikroorganismen verhindern und die Haltbarkeit verlängern, um Verluste zu verringern.

Eine Studie, die von einem Forschungsteam namens Composites and Hybrid Nanocomposites Group (GCNH) an der Staatlichen Universität von São Paulo (UNESP) in Ilha Solteira durchgeführt wurde, hat einen wichtigen Beitrag zu diesen Bemühungen geleistet. Sie wurde von der FAPESP unterstützt, und ein Artikel über ihre Ergebnisse wurde in der Zeitschrift Polymers veröffentlicht.

Die Forscher stellten ihren Biokunststoff (oder "grünen Kunststoff", wie er auch genannt wird) aus Rindergelatine des Typs B her, die in Form eines farblosen Pulvers leicht im Einzelhandel erhältlich ist.

"Gelatine war eines der ersten Materialien, das für die Herstellung von Biopolymeren verwendet wurde. Sie wird immer noch häufig verwendet, da sie reichlich vorhanden, kostengünstig und sehr gut filmbildend ist", so die Chemikerin und Materialwissenschaftlerin Márcia Regina de Moura Aouada, Professorin an der Ilha Solteira School of Engineering (FEIS-UNESP) und letzte Autorin des Artikels.

"Biopolymere für Verpackungen haben jedoch Eigenschaften, die verbessert werden müssen, um mit Erdölprodukten vergleichbar zu sein, vor allem was die mechanischen Eigenschaften und die Dampfdurchlässigkeit betrifft, daher haben wir der Gelatine Cloisit-Na+-Nanoton zugesetzt", erklärte sie.

Durch den Zusatz von Nanoton wurde die Folie homogener und ihre Zugfestigkeit stieg auf 70 Megapascal (MPa). Herkömmliche Polyethylenverpackungen haben weniger als die Hälfte dieser Zugfestigkeit (im Bereich von 20 MPa-30 MPa).

"Neben Nanoton haben wir auch eine Nanoemulsion aus dem ätherischen Öl von schwarzem Pfeffer hinzugefügt, um der Verpackung einen attraktiveren Geschmack und Geruch zu verleihen. Die Mischung verlängert auch die Haltbarkeit der mit dem Material verpackten Lebensmittel dank der antimikrobiellen und antioxidativen Komponenten in der Polymermatrix", sagte sie.

Es ist erwähnenswert, dass der fragliche Biokunststoff ursprünglich für die Verpackung von Rindfleisch in Form von Hamburgern entwickelt wurde, die anfällig für mikrobielle Verunreinigungen sind und stark riechen, aber das Prinzip der Zugabe von Nanoton und einer Nanoemulsion ätherischer Öle zu einer Gelatinematrix kann und wird auf andere Lebensmittel ausgeweitet werden, wobei die Art und der Anteil der verwendeten ätherischen Öle variiert werden.

"Wenn sich diese Art von Verpackung auf dem Markt durchsetzt, könnte sie die Verwendung von Kunststoffen aus biologisch nicht abbaubaren Polymeren und damit die Menge an festen Abfällen erheblich reduzieren", so Moura Aouada. "Außerdem wird der Biokunststoff die verpackten Lebensmittel besser vor Verunreinigungen durch Krankheitserreger schützen und dazu beitragen, Verluste zu verringern.

Die am GCNH-UNESP verfolgten Forschungslinien konzentrieren sich auf die Kreislaufwirtschaft, bei der Abfälle in Ressourcen umgewandelt werden. Die Leiterinnen der Gruppe, Fauze Aouada und Márcia Moura Aouada, sind Professorinnen im Rahmen des Graduiertenprogramms für Materialwissenschaften (PPGCM) der UNESP.

"Unsere Vorschläge stehen im Einklang mit den von den Vereinten Nationen verabschiedeten Zielen für eine nachhaltige Entwicklung(Sustainable Development Goals,SDGs), die darauf abzielen, die Armut zu beenden, die wirtschaftliche Nachhaltigkeit des Planeten zu fördern und dafür zu sorgen, dass die gesamte Weltbevölkerung Frieden und Wohlstand genießen kann", so Moura Aouada.

Die Gruppe stellt auch Wundauflagen aus bakterieller Zellulose und essbare Verpackungen mit Nanostrukturen aus Grünkohlpüree, Kakaopüree, Cupuassu(Theobroma grandiflorum)-Püree, Camu-Camu(Myrciaria dubia)-Extrakt und Nanoemulsionen her, die in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie eingesetzt werden können.

Die Forschungsarbeiten werden von der FAPESP durch ein reguläres Forschungsstipendium sowie vom Zentrum für die Entwicklung funktioneller Materialien (CDMF), einem Forschungs-, Innovations- und Verbreitungszentrum (RIDC) der Bundesuniversität von São Carlos (UFSCar), unterstützt.

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