Forscher nutzen Pilze zur Herstellung plastikfreier Lebensmittelverpackungen
Mycelium macht Verpackungen wasser- und ölbeständig wie Plastik
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Wenn Sie in ein Lebensmittelgeschäft gehen, finden Sie einen Gang nach dem anderen mit Lebensmitteln, die in einer Vielzahl von Kunststoffen verpackt sind. Die Besorgnis über Chemikalien und Kunststoffe in Lebensmittelverpackungen hat in den letzten Jahren zugenommen. Eine kürzlich durchgeführte Studie hat ergeben, dass mehr als ein Viertel der 16.000 Chemikalien, die zur Herstellung von Kunststoffen verwendet werden, ein Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen. Die Verbraucher wünschen sich Alternativen, ohne auf den Komfort von Kunststoff verzichten zu müssen.
Ein Wassertropfen sitzt auf mit Myzel beschichteten Zellulose-Nanofibrillen, die zur Herstellung plastikfreier Verpackungen verwendet werden. Dies ist Teil eines Tests, bei dem untersucht wird, wie gut eine Oberfläche der Nanofibrillen im Labor Wasser widersteht.
Photo courtesy of the Howell Biointerface Lab.
Forscher der University of Maine suchten in der Natur nach einer Lösung. Sie entwickelten ein neues, wasser- und ölbeständiges Verpackungsmaterial für Lebensmittel, das aus Pilzmyzel und Zellulose-Nanofibrillen (CNF) aus Holz besteht und sich nach Beendigung seiner Verwendung leicht zersetzt.
Myzel ist das wurzelartige System von Pilzen, das sich unter sichtbaren Strukturen wie Pilzen verbirgt. Sie bilden Netzwerke, die kilometer- oder millimetergroß sein können. Das Besondere an ihnen ist ihre Fähigkeit, Wasser zu widerstehen. Materialien aus Myzel werden immer beliebter und dienen als eine Vielzahl von Materialien, von Leder bis zu Ziegeln.
"Kunststoffe sind sehr gut in dem, was sie tun, aber das waren Chemikalien und Blei in Farben und Benzin auch schon immer", sagt Caitlin Howell, UMaine Associate Professor für Bioengineering. "Manchmal dauert es eine Weile, bis wir die langfristigen Auswirkungen der Dinge, die wir erfinden, verstehen, aber das Gute daran ist, dass wir, wenn wir es wissen, etwas ändern können. Das Schöne an Pilzen ist, dass wir sie bereits essen, so dass wir wissen, dass sie langfristig sicher für uns sind."
UMaine-Forscher interessieren sich seit langem für CNF-Materialien wegen ihrer Ölbeständigkeit und ihrer biologisch abbaubaren Eigenschaften. CNF ist eine Art Zellulose, ein natürliches, aus Pflanzen gewonnenes Polymer, das durch verschiedene Verfahren für eine immer breitere Palette von Anwendungen eingesetzt werden kann.
Das neue Material kombiniert CNF mit einer Mycelbeschichtung, um die Vorteile von Wasser- und Ölbeständigkeit zu nutzen und so einen perfekten Ersatz für Lebensmittelverpackungen aus Kunststoff zu schaffen.
"Die Natur hat Lösungen, und wir Menschen können uns diese Lösungen ansehen und anpassen und sie besser in unser Ökosystem einpassen, wir müssen uns nicht für Plastik entscheiden", so Howell.
Wenn die Forscher dem Myzel ein Material zum Wachsen geben, in diesem Fall CNFs, versucht es auf natürliche Weise zu wachsen und sich in die Lücken einzufügen. "Im Grunde versuchen wir, das nachzuahmen, was sie in der Natur brauchen", sagt Sandro Zier, ein Doktorand der Chemietechnik in Howells Labor, der die Forschung leitete.
Der Pilz, der für die Myzelbeschichtung verwendet wird, wird im Voraus gezüchtet und dann mit einer Mischung aus zusätzlichen Nährstoffen versetzt, um sein Wachstum zu fördern. Dieser Mischung werden CNFs zugesetzt. Durch das Mischen wird sichergestellt, dass die Hyphen, die kleinen verzweigten Fäden, die die Struktur eines Pilzes ausmachen, klein anfangen und gleichmäßig wachsen. Die Malzextraktbrühe treibt das Wachstum des Pilzes an. Die CNFs erfüllen einen doppelten Zweck: Sie dienen als Nahrung für das Myzel und fügen ihre eigenen fettabweisenden Barriereeigenschaften hinzu.
Sobald die Beschichtung gewachsen und getrocknet ist, ist sie etwa 20-25 Mikrometer dick, ein Viertel der Dicke eines menschlichen Haares. Mit dem gleichen Verfahren kann diese Beschichtung entweder auf ein Material wie Papier aufgetragen werden oder es kann ein Film nur aus CNFs und Myzelium hergestellt werden, der auf der einen Seite leicht flauschig ist und sich auf der anderen Seite wie Plastik anfühlt.
Für dieses Projekt wählten die Forscher den Pilz Trametes versicolor, auch Truthahnschwanzpilz genannt, der in der Natur in verrottenden Bäumen wächst. Das bedeutete, dass das Myzel die aus Holz gewonnenen CNFs für sein eigenes Wachstum nutzen konnte. Ähnliche Pilze wurden bereits für die Verklebung von Spanplatten verwendet. Ein Hauptaugenmerk der Studie lag darauf, den Beschichtungsprozess zu beschleunigen.
"Wenn man Myzelmaterialien züchtet, braucht man normalerweise Wochen, um etwas zu erhalten, das man verwenden kann", sagte Howell. Zier und dem Forschungsteam gelang es, den wochenlangen Prozess auf drei Tage zu verkürzen. Sie arbeiten weiter an der Verfeinerung des Prozesses, um ihre Arbeit zu skalieren.
Durch die Verbesserung des Produktionsmaßstabs werden die ohnehin schon niedrigen Kosten dieser Verpackung weiter gesenkt. Durch die Anpassung der Beschichtungsmethode an gängige Industriemaschinen könnte der Prozess von Quadratzentimetern pro Stunde auf Quadratmeter pro Stunde gesteigert werden. Zier arbeitet mit einem Team von Studenten an der Entwicklung einer Methode, die ein Rolle-zu-Rolle-System nutzt, um den Maßstab zu erhöhen und die Forschung der Kommerzialisierung näher zu bringen.
Der Erfolg des Teams bei der Verwendung von Pilzen zur Herstellung nachhaltigerer Materialien beflügelt ihre Begeisterung für diese Forschung.
"Vielleicht brauchen wir den Pilz nicht, um alles zu durchwachsen", sagt Howell. "Vielleicht können wir ihn auch nur als Schicht auf der Oberfläche verwenden. Ich denke, das eröffnet eine ganze Reihe neuer Möglichkeiten für die Entwicklung nachhaltiger Materialien."
Neue nachhaltige Materialien sind besonders wichtig, da die Notwendigkeit, von Plastik wegzukommen, von Jahr zu Jahr größer wird, da die potenziellen Gesundheitsrisiken von Mikroplastik und die 19 bis 23 Millionen Tonnen Plastik, die nach Angaben der Vereinten Nationen jährlich in Flüsse, Seen und das Meer gelangen, immer mehr in den Vordergrund rücken.
"Jeder trägt hier dazu bei, Materialien herzustellen, die besser für die Natur sind als bisher", so Zier. "Das ist eine große Motivation für mich. Wenn ich in den Ozean gehe, sehe ich Plastik. Wenn ich möchte, dass meine Kinder ins Meer gehen, sollten sie das nicht mehr sehen."
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