Development and characterization of biodegradable packaging films from avocado seed starch by incorporating aloe vera gel

In der modernen Welt ist die Kunststoffverpackung, die ein Sandwich frisch oder eine Frucht knackig hält, ein Wunderwerk des Komforts, doch sie verursacht enorme Umweltkosten. Die meisten dieser Verpackungen bestehen aus synthetischen Polymeren – Materialien, die aus Erdöl gewonnen werden und sich nicht leicht zersetzen, wodurch sie über Jahrhunderte in Deponien und Ozeanen akkumulieren. Als Reaktion darauf wenden sich Wissenschaftler an die Natur, um Alternativen zu finden, die dieselbe schützende Aufgabe erfüllen, aber zur Erde zurückkehren können. Der Kern der Idee hinter diesem Wandel ist die Verwendung von Stärke, einem natürlichen Kohlenhydrat, das in Pflanzen vorkommt, als primären Baustein für Verpackungen. Stärke ist reichlich vorhanden und biologisch abbaubar, was bedeutet, dass Mikroorganismen im Boden sie konsumieren und wieder in harmlose natürliche Bestandteile umwandeln können. Diese reinen Stärkefilme weisen jedoch oft Schwächen auf: Sie können zu spröde sein, sich bei Nässe zu schnell auflösen oder nicht die Festigkeit besitzen, um schwere Gegenstände zu halten. Um diese Mängel zu beheben, mischen Forscher oft andere natürliche Substanzen bei, die das Material verstärken oder nützliche Eigenschaften hinzufügen können, wie etwa die Fähigkeit, Bakterien zu bekämpfen, die zum Verderben von Lebensmitteln führen.

Ein Forscher an der Ambo Universität in Äthiopien setzte sich zum Ziel, einen neuen Typ von biologisch abbaubarem Film zu entwickeln, indem er zwei spezifische natürliche Inhaltsstoffe kombinierte: Stärke, die aus Avocadokernen extrahiert wurde, und Gel aus der Aloe Vera Pflanze. Avocadokerne sind ein häufiges Abfallprodukt der Fruchtverarbeitungsindustrie und werden oft entsorgt, nachdem die Frucht gegessen oder für die Ölproduktion verarbeitet wurde. Durch die Extraktion der Stärke aus diesen Kernen wollte der Forscher ein Abfallprodukt in eine wertvolle Ressource verwandelt. Er mischte diese Stärke mit Aloe-Vera-Gel, einer Substanz, die für ihre beruhigenden und konservierenden Eigenschaften bekannt ist, um zu sehen, ob die Kombination einen Verpackungsfilm erzeugen könnte, der stark und wasserbeständig ist und in der Lage ist, Lebensmittel frisch zu halten. Das Ziel war nicht nur, einen Film zu erschaffen, der zerfällt, sondern einen, der echten Schutz bietet und gleichzeitig sicher für die Umwelt bleibt.

Der Forscher begann mit der Sammlung der Rohstoffe, indem er Avocadokerne und Aloe-Vera-Blätter wusch und diese in ein feines Stärkepulver und ein klares Gel verarbeitete. Er erstellte dann eine Reihe von Testfilmen, indem er unterschiedliche Mengen der Stärke und des Aloe-Vera-Gels mit Wasser und einer kleinen Menge Glycerin mischte, einer Substanz, die dazu dient, den Film flexibel zu halten. Er testete neun verschiedene Kombinationen, wobei er die Stärke von 2 % bis 6 % und das Aloe-Vera-Gel von 0,5 % bis 1,5 % variierte. Nach dem Erhitzen und Rühren der Mischungen, um eine glatte Flüssigkeit zu erzeugen, goss er sie in Schalen und trocknete sie in einem Ofen, um dünne, transparente Schichten zu bilden. Sobald die Filme bereit waren, unterzog der Forscher sie einer Testreihe, um zu sehen, wie sie unter Druck standhalten, wie sie auf Wasser reagieren und ob sie das Wachstum von Bakterien verhindern können.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Zusammensetzung des Films eine große Rolle spielte. Wenn der Forscher die Menge der Avocokernstärke in der Mischung erhöhte, wurde der Film signifikant stärker. Die stärksten Filme, die mit 6 % Stärke hergestellt wurden, konnten einer Zugkraft von 10 Megapascal standhalten – ein Maß für die Festigkeit, das viel höher war als bei Filmen mit weniger Stärke. Dies deutet darauf hin, dass die Stärkekörner ein dichtes, miteinander vernetztes Netzwerk bildeten, das Brüche widerstehen konnte. Das Hinzufügen von mehr Aloe-Vera-Gel machte den Film jedoch nicht immer stärker; tatsächlich schien das Gel bei höheren Konzentrationen die Struktur leicht zu schwächen, wahrscheinlich weil die zusätzliche Feuchtigkeit und die Gelkomponenten die enge Bindung der Stärkeketten störten. Trotzdem verbesserte die Zugabe von Aloe Vera die Fähigkeit des Films, Wasserdampf zu widerstehen. Die Filme mit mehr Aloe-Vera-Gel ließen weniger Feuchtigkeit durch, was eine entscheidende Eigenschaft für Verpackungen ist, die Lebensmittel davor schützen müssen, auszutrocknen oder aufzuweichen.

Über die Festigkeit und Wasserbeständigkeit hinaus zeigten die Filme beeindruckende Fähigkeiten bei der Bekämpfung von Bakterien. Der Forscher testete die Filme gegen zwei häufige Arten von Bakterien: E. coli, das oft in kontaminierten Lebensmitteln vorkommt, und Staphylococcus aureus, ein Bakterium, das Haut- und Atemwegsinfektionen verursachen kann. Wenn er kleine Filmdiskus-Stücke auf eine Bakterienkultur legte, hörte das Wachstum der Bakterien in einem Kreis um den Film auf. Die Größe dieser klaren Zone, in der keine Bakterien überleben konnten, lag zwischen 12 und 18 Millimetern für E. coli und 14 bis 20 Millimetern für S. aureus. Die Filme mit höheren Anteilen an Aloe-Vera-Gel schnitten am besten ab, wobei einige die Wirksamkeit eines als Kontrolle verwendeten Standardantibiotikums erreichten. Dies deutet darauf hin, dass das Aloe-Vera-Gel seine natürlichen antimikrobiellen Eigenschaften auch nach der Vermischung in den Film beibehalten hat, was einen eingebauten Schutz gegen Verderb bietet.

Vielleicht am wichtigsten für die Umwelt war, dass die Filme eine hochgradig biologische Abbaubarkeit bewiesen. Der Forscher vergrub kleine Stücke der Filme in der Erde und wog sie alle paar Tage, um zu sehen, wie viel des Materials im Laufe der Zeit verschwand. Innerhalb von 25 Tagen hatten die Filme einen signifikanten Teil ihres Gewichts verloren, wobei einige Kombinationen um mehr als 80 % abgebaut wurden. Der Film, der aus 4 % Stärke und 1,5 % Aloe-Vera-Gel bestand, zeigte die höchste Abbaurate und verlor in diesem Zeitraum 81,5 % seines Gewichts. Dieser schnelle Abbau deutet darauf hin, dass die Verpackung, sobald sie entsorgt wird, nicht jahrzehntelang in der Umwelt verweilt, sondern stattdin von Bodenmikroben konsumiert und zur Erde zurückgeführt wird.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass es durchaus möglich ist, Abfallprodukte aus Avocokernen in ein funktionales, umweltfreundliches Verpackungsmaterial zu verwandeln, indem man sie mit Aloe-Vera-Gel vermengt. Die resultierenden Filme sind stark genug, um den Belastungen des Transports standzuhalten, effektiv darin, Feuchtigkeit zu blockieren, und fähig, das Wachstum schädlicher Bakterien zu hemmen. Während der Forscher feststellte, dass das genaue Gleichgewicht der Inhaltsstoffe entscheidend ist – zu viel Gel kann den Film schwächen, während zu wenig möglicherweise nicht genügend antimikrobielle Wirkung bietet –, bieten die Ergebnisse einen vielversprechenden Weg in die Zukunft. Indem landwirtschaftliche Nebenprodukte verwendet werden, die ansonsten weggeworfen würden, adressiert dieser Ansatz sowohl das Problem der Plastikverschmutzung als auch den Bedarf an nachhaltiger Lebensmittelverpackung, indem er einen einfachen Samen in eine Lösung für eine sauberere Zukunft verwandelt.