Schluss mit Plastikmüll?

Forscher entwickeln innovative Nanofasern für essbare Verpackungen

Jedes Jahr fallen laut Greenpeace alleine in Österreich rund 900.000 Tonnen Plastikmüll an – davon sind rund 31 Prozent Verpackungen, die nur einmal verwendet werden. So erzeugt im EU-Schnitt jede einzelne Person etwa 36,1 Kilogramm Kunststoffverpackungsabfälle pro Jahr (Stand: 2021). Das entspricht EU-weit rund 16,13 Millionen Tonnen Kunststoffabfälle pro Jahr, wobei allerdings nur etwa 6,56 Millionen Tonnen davon recycelt werden.

Um dieser Umweltbelastung ein Ende zu setzen, wird weltweit an zahlreichen Alternativen zu herkömmlichen Kunststoffverpackungen geforscht. So auch an der Pennsylvania State University (Penn State), wo einem Team von Wissenschaftler:innen kürzlich ein Durchbruch gelungen ist: Sie haben es geschafft, essbare und biologisch abbaubare Nanofasern aus Milchprotein und pflanzlicher Zellulose zu entwickeln. Das ist der erste wichtige Schritt hin zu nachhaltigen und gar essbaren Verpackungen.

1.000 Mal dünner als ein menschliches Haar

Konkret haben die Forschenden das Milchprotein Kasein mit Hydroxypropylmethylcellulose (Hypromellose) – einer aus Pflanzenmaterial gewonnenen Verbindung – kombiniert, um Nanofasern zu erzeugen, die 1.000 Mal dünner sind als ein menschliches Haar. Diese Fasern wurden anschließend zu Matten verarbeitet, die sich für eine Vielzahl von Produkten eignen – beispielsweise biologisch abbaubare und sogar essbare Lebensmittelverpackungen. 

"In einer Proof-of-Concept-Studie haben wir die erfolgreiche Herstellung von eigenständigen kaseinreichen Elektrospinnmatten demonstriert. Elektrogesponnene Nanofasern auf Proteinbasis sind aufgrund ihrer potenziellen Verwendung in der Gewebezüchtung, in biomedizinischen Anwendungen wie Wundverbänden und in der sich abzeichnenden Rolle bei essbaren Verpackungen, die nachhaltige Lösungen für die Konservierung und Sicherheit von Lebensmitteln bieten, sehr gefragt", erläutert Federico Harte, Co-Leiter des Teams.

So funktioniert's

Die Kombination von mit Hypromellose angereichertem Kasein sei bis zu einem Zellulose-Kasein-Verhältnis von 1:4 elektrospinnbar, erklären die Forschenden. Zur Einbindung in Matten seien die Fasern mit den wenigsten Perlen – also verdickten, unregelmäßigen Abschnitten sowie der größten Oberfläche – am besten geeignet. Diese wurden aus einer Lösung mit einem Zellulose-Kasein-Verhältnis von 1:12 gesponnen. Darüber hinaus reagierten die Fasermatten bei 100 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit chemisch leicht auf Feuchtigkeit und verwandeln sich in klare Filme, die sich für Lebensmittelverpackungen eignen.

"Kasein wird seit Langem als Material sowohl für Lebensmittel als auch für andere Zwecke verwendet", erklärt Gregory Ziegler, ebenfalls Co-Leiter des Forschungs-Teams. Das Protein könne die Textur und den Nährwert von Lebensmitteln verbessern und zur Herstellung von Klebstoffen, Farben, Papierbeschichtungen, Kosmetika und Arzneimitteln verwendet werden. "Diese Forschung erhöht seinen Nutzen, indem sie ihm eine neue Form gibt: Nanofasern."

"Die Idee war, Matten auf der Basis von Kasein zu schaffen, was bisher noch nicht gemacht wurde. Unsere ersten Versuche mit Kasein alleine zeigten deutlich, dass wir die mechanischen Eigenschaften der Matten verbessern mussten, und wir beschlossen schließlich, Hypromellose hinzuzufügen, weil wir dachten, dass eine Wechselwirkung zwischen Kasein und Zellulose die mechanischen Eigenschaften dieser Matten optimieren würde", resümiert Harte und betont, dass die künftige Forschung neue Anwendungen für essbare Kasein-Nanofasern erforschen werde, wie etwa Lebensmittelverpackungen und Filtration. 

Die gesamte Studie können Sie hier nachlesen.

www.psu.edu