Hoffnung auf großflächigen Ersatz von Plastik! Karotten „verwandeln“ sich und die Haltbarkeit von Bananen verlängert sich um 7 Tage

Beeinflusst durch die chinesische Ernährung war China schon immer das Land mit der weltweit größten Produktion und dem größten Konsum von Obst und Gemüse und liegt beim Pro-Kopf-Konsum von Obst und Gemüse weltweit an erster Stelle. So lag beispielsweise der durchschnittliche tägliche Obst- und Gemüsekonsum der Chinesen bereits im Jahr 2001 bei 1.027 Gramm, was 55 % des gesamten täglichen Lebensmittelkonsums entspricht.

In den letzten Jahren hat sich die Ernährungsstruktur meines Landes insgesamt nicht wesentlich verändert und Obst und Gemüse stellen nach wie vor die am häufigsten konsumierten Nahrungsmittel des täglichen Bedarfs dar. Mit der Entwicklung der Sozialwirtschaft und der Verbesserung des Lebensstandards in den letzten Jahren steigen jedoch die Anforderungen der Menschen an die Frische von Obst immer weiter. Insbesondere aufgrund der Popularität von Online-Shopping und Lieferdiensten werden viele Obst- und Gemüsesorten in mehrere Schichten Folie eingewickelt oder in Plastikboxen verpackt, um sie frisch zu halten.

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Diese Maßnahmen gewährleisten zwar die Frische von Obst und Gemüse, produzieren aber auch eine große Menge an Plastikmüll und Mikroplastik, die nicht nur die Umwelt belasten, sondern auch unserer Gesundheit schaden.

Um die Plastikverschmutzung zu reduzieren, haben Professor Gustav Nyström und Professor Tanja Zimmermann von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMP) kürzlich gemeinsam ein Forschungsteam geleitet, das erfolgreich aus Karotten- und Gemüseresten kostengünstig fibrillierte Zellulose-Nanofasern herstellen und daraus ein spezielles Spray herstellen konnte. In Experimenten bestätigten Forscher, dass das Spray eine schützende Faserschicht auf der Oberfläche von Obst und Gemüse bilden und die Haltbarkeit von Bananen um 7 Tage verlängern konnte.

Professor Gustav Nyström erklärte: „Diese biologische Schutzschicht wird aus Zellulose in natürlichen Obst- und Gemüseresten hergestellt. Sie ist für den menschlichen Körper völlig unschädlich und sehr leicht zu reinigen. Daher kann sie dazu beitragen, die Haltbarkeit von Obst und Gemüse zu verlängern und Lebensmittelabfälle zu reduzieren. Unser größtes Ziel ist es jedoch, Plastikverpackungen zu ersetzen und die Umweltverschmutzung zu reduzieren.“

Die Forschungsarbeit mit dem Titel „Nachhaltige Cellulose-Nanofaserfilme aus Karottentrester als sprühbare Beschichtungen für Lebensmittelverpackungsanwendungen“ wurde in der neuesten Ausgabe von ACS Sustainable Chemistry & Engineering veröffentlicht.

Zellulose, das am häufigsten vorkommende Biopolymer der Erde

Vor über 100 Jahren erfand Leo Baekeland, bekannt als der „Vater des Kunststoffs“, Kunststoff. Dieses Material, einst als die größte Erfindung des 20. Jahrhunderts bezeichnet, hat der Menschheit großen Komfort gebracht.

Doch 100 Jahre später entdeckten die Menschen plötzlich, dass der Abbau dieses starken und haltbaren Materials Hunderte von Jahren dauert und die Umwelt der Erde ernsthaft verschmutzt. Die Menschen können jedoch nicht länger auf dieses Material verzichten.

Bereits im Jahr 2010 wurden weltweit jährlich 270 Millionen Tonnen Plastik produziert. Bis 2019 erreichte die weltweite Jahresproduktion von Kunststoff 400 Millionen Tonnen. Schätzungen zufolge wird die weltweite Kunststoffproduktion bis 2030 700 Millionen Tonnen erreichen. Gleichzeitig liegt die derzeitige globale Recyclingrate für Kunststoffe bei weniger als 10 %, was bedeutet, dass mehr als 90 % der Kunststoffe weggeworfen werden.

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Mit dem gestiegenen Umweltbewusstsein haben sich die Menschen in den letzten Jahren dazu verpflichtet, leistungsstarke erneuerbare Materialien zu finden, um Kunststoff zu ersetzen und so den Weg in eine nachhaltige Zukunft zu ebnen. Als am häufigsten vorkommendes erneuerbares Biopolymer auf der Erde ist Zellulose ein vielversprechender Kandidat.

Zellulose ist wohl das am häufigsten vorkommende Biopolymer auf der Erde und kommt in Bäumen, Nutzpflanzen und anderer Biomasse vor. Als erneuerbares Material sind Fasern nicht nur weit verbreitet und nachhaltig, sondern ihre einzigartige mehrdimensionale Struktur und ihre vielfältigen Funktionen entsprechen auch voll und ganz den Produktionsbedürfnissen des Menschen.

Insbesondere die fibrillierte Zellulose, die nach der Zersetzung von Zellulose entsteht, weist eine variable und kontrollierbare Größe auf und verfügt, insbesondere nach der Ausdehnung auf den Nanomaßstab, über hervorragende funktionelle Eigenschaften in den Bereichen Mechanik, Optik, Wärme und Fluidik. Was die mechanischen Eigenschaften betrifft, beträgt beispielsweise der theoretische Modul von Zellulose etwa 100–200 GPa und die Zugfestigkeit etwa 4,9–7,5 GPa, was höher ist als bei den meisten Metallen, Legierungen, Polymeren und Keramiken.

Aus diesem Grund beginnen immer mehr Unternehmen, Biokunststoffe und nachhaltige Materialien in den Bereichen Produktverpackungen, Textilien und erneuerbare Konsumgüter auszuprobieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffen können Biokunststoffe aus fibrillierter Zellulose leicht von Bakterien und Pilzen im Boden abgebaut werden. Seine hervorragende mechanische Festigkeit, hohe Hitzebeständigkeit und chemische Korrosionsbeständigkeit zeigen außerdem, dass es das Potenzial hat, herkömmliche Kunststoffe zu ersetzen.

Obwohl fibrillierte Zellulose eine gute Funktionalität und hervorragende biologische Abbaubarkeit aufweist, sind ihre Produktionskosten hoch und möglicherweise nicht umweltfreundlich. Dies hat auch dazu geführt, dass in den letzten Jahren zwar immer mehr Forderungen nach biologisch abbaubaren Materialien laut wurden, deren tatsächliche Anwendungsmöglichkeiten jedoch noch immer begrenzt sind.

Eine günstigere Option

Derzeit verwenden die weltweit führenden Hersteller fibrillierter Cellulose-Nanofasern im Allgemeinen Holzzellstoff als Rohstoff, da Holz gut verfügbar ist und die Qualitätskontrolle relativ einfach ist.

Nach Ansicht von Professor Gustav Nyström ist es jedoch nicht sinnvoll, fibrillierte Cellulose-Nanofasern aus Holzzellstoff herzustellen. Erstens wird Holz im menschlichen Leben häufig verwendet und eine wiederholte Aufbereitung ist nicht umweltfreundlich. zweitens ist Holz teuer und kostspielig; Schließlich weist Holz einen hohen Ligningehalt auf und die Holzfasern sind fest miteinander verbunden, was die Trennung und Extraktion erschwert.

Professor Gustav Nyström versucht daher seit langem, neue Rohstoffe für die Herstellung fibrillierter Cellulose-Nanofasern zu finden. Da die Bindungsdichte von Zellulose in landwirtschaftlichen Produkten und Lebensmittelabfällen sehr gering ist und auch der Ligningehalt sehr niedrig ist, sind auch die Kosten für die Herstellung fibrillierter Zellulose-Nanofasern geringer, was sie zu einem sehr vielversprechenden Rohstoff macht.

Unter ihnen sind Karotten ein einfaches und leicht erhältliches Produkt. Laut Statistik wurden im Jahr 2019 weltweit insgesamt 45 Millionen Tonnen Karotten produziert, die meisten davon wurden zum Entsaften verwendet, wobei die beim Entsaften übrig gebliebenen Karottenrückstände 80 % Zellulose enthielten.

(Quelle: ACS Sustainable Chemistry & Engineering)

Frühere Vorstudien haben gezeigt, dass es möglich ist, aus Karottenresten fibrillierte Cellulose-Nanofasern herzustellen. Dabei gibt es zwischen den aus Karottenresten gewonnenen fibrillierten Cellulose-Nanofasern und denen aus Holz keinen Qualitätsunterschied. Noch wichtiger ist, dass der Energiebedarf zur Herstellung fibrillierter Cellulose-Nanofasern aus Karottentrester viel geringer ist als bei der Herstellung aus Holz.

Allerdings neigt Karottenmark dazu, während der Lagerung zu verderben, sodass eine Qualitätskontrolle des Rohmaterials schwierig zu gewährleisten ist. Zu diesem Zweck isolierte Professor Gustav Nyström fibrillierte Zellulose-Nanofasern aus frischem und drei Wochen gelagertem Karottentrester und bereitete daraus eine Suspension zur Verpackung und Konservierung von Lebensmitteln zu.

Die Ergebnisse zeigten, dass bei der Herstellung fibrillierter Cellulose-Nanofasern aus Karottenrückständen die Leistung der fibrillierten Cellulose-Nanofasern nicht davon beeinflusst wurde, ob die Karottenrückstände frisch waren oder nicht. Insbesondere stellten die Forscher fest, dass die aus diesen beiden Rohstoffen hergestellten Suspensionen fibrillierter Cellulose-Nanofasern gute Konservierungseigenschaften aufweisen und die Haltbarkeit von Bananen um 7 Tage verlängern können.

Abbildung | Vergleich der Haltbarkeit von Bananen (Quelle: Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

Darüber hinaus stellte Professor Gustav Nyström fest, dass bei der Verwendung von Karottentrester zur Herstellung fibrillierter Cellulose-Nanofasern durch eine Vorbehandlung mit Bleichmittel Lignin und andere Rückstände im Karottentrester erfolgreich entfernt werden können, wodurch der für die Zerfaserung erforderliche Energiebedarf erheblich gesenkt wird, ohne die Qualität der fibrillierten Cellulose-Nanofasern zu beeinträchtigen.

Berichten zufolge wird die von Professor Gustav Nyström entwickelte Technologie für fibrillierte Zellulose-Nanofasern derzeit in Zusammenarbeit mit dem Einzelhandelsriesen Lidl Schweiz und einem weiteren Obst- und Gemüselieferanten getestet und verbessert. Diese neue, frischhaltende Beschichtung aus fibrillierten Zellulose-Nanofasern.

Quellen:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.1c06345

https://phys.org/news/2022-01-ecological-coating-bananas.html

Geschrieben von: Zhu Hengheng

Herausgeber: Wang Haha

Layout: Li Xuewei

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