Preparation of biodegradable CNTs-ZnO/cellulose membrane with photothermal antibacterial activity for food packaging application

Lebensmittelverpackungen sind die stillen Wächter unserer täglichen Mahlzeiten und haben die schwierige Aufgabe, frische Erzeugnisse zu bewahren und gleichzeitig Verschwendung zu verhindern. Jahrzehntelang war die Lösung weitgehend Kunststoff, ein Material, das wegen seiner Haltbarkeit und Leichtigkeit geschätzt, aber wegen seiner Beständigkeit in der Umwelt und seiner Unfähigkeit, mikroskopisch kleine Bakterien, die den Verderb von Lebensmitteln verursachen, aktiv zu stoppen, kritisiert wird. Während Wissenschaftler schon lange versucht haben, Kunststoff durch natürliche, biologisch abbaubare Alternativen wie Pflanzenfasern zu ersetzen, fehlt es diesen grünen Materialien oft an der Kraft, gegen genau jene Mikroben vorzugehen, die sie eigentlich enthalten sollen. Die Herausforderung besteht darin, ein Verpackungsmaterial zu schaffen, das nicht nur sicher für die Erde ist, sondern auch in der Lage ist, das Innere der Lebensmittel aktiv zu verteidigen – vielleicht durch die Nutzung der Lichtenergie zur Erzeugung von Wärme, die Bakterien abtötet, und zwar ohne auf toxische Chemikalien zurückzugreifen, die in die Nahrung einsickern könnten.

In einer aktuellen Studie haben Forscher der Jiangsu University in China eine neue Art von Verpackungsmembran entwickelt, die versucht, dieses Problem zu lösen, indem sie eine natürliche Pflanzenfaser mit einer speziellen Mischung aus Nanopartikeln kombiniert. Das Team begann mit Cellulose, dem Hauptstrukturbestandteil von Pflanzen, die sie aus Reisstroh extrahierten. Diesem natürlichen Grundstoff fügten sie ein Verbundmaterial aus Kohlenstoffnanoröhren und Zinkoxidpartikeln hinzu. Kohlenstoffnanoröhren sind unglaublich dünne, röhrenartige Strukturen aus Kohlenstoffatomen, die hervorragend Licht absorbieren können, während Zinkoxid ein Mineral ist, das für seine Fähigkeit bekannt ist, Bakterien abzutöten. Durch das Mischen dieser Komponenten und deren Abscheidung auf der Cellulose schufen die Forscher eine dünne, flexible Folie, die als Schutzschild gegen Verderb fungiert.

Das auffälligste Merkmal dieser neuen Membran ist ihre Fähigkeit, Licht in Wärme umzuwandeln. Als die Forscher die Folie simuliertem Sonnenlicht aussetzten, stieg die Oberflächentemperatur rasant an. Innerhalb von nur zwei Minuten der Bestrahlung mit einer Lichtintensität von 1,8 Watt pro Quadratzentimeter erhitzte sich die Oberfläche der Membran von angenehmen 22,0 Grad Celsius auf heiße 67,2 Grad Celsius. Dieser schnelle Temperaturanstieg ist entscheidend, da viele Bakterien in einer solchen Hitze nicht überleben können. Die Studie zeigte, dass die Membran, wenn sie in die Nähe gängiger lebensmittelverursachender Bakterien wie Staphylococcus aureus und Escherichia coli gebracht wurde, deren Wachstum effektiv hemmte. Die Membran war besonders effektiv gegen E. coli, wobei sie das Wachstum um mehr als 97,85 Prozent hemmte, und zeigte zudem eine starke Resistenz gegen S. aureus mit einer Hemmrate von über 65,66 Prozent.

Über ihre Fähigkeit hinaus, Bakterien mit Hitze abzutöten, erwies sich die Membran auch als praktische Lösung für die reale Lagerung von Lebensmitteln. Die Forscher testeten das Material, indem sie frische Erdbeeren einwickelten – eine Frucht, die aufgrund ihres hohen Wassergehalts und ihrer Anfälligkeit für Schimmel schnell verdirbt. Über einen Zeitraum von neun Tagen blieben die in die neue Membran eingewickelten Erdbeeren unter Lichtbedingungen frisch und prall und zeigten keine Anzeichen von Schimmel, der die in Standard-Kunststofffolien eingewickelten Erdbeeren bedeckte. Die in das neue Material eingewickelten Erdbeeren verloren nur 7 Prozent ihres Gewichts, was eine signifikante Verbesserung darstellt und darauf hindeutet, dass die Membran die Feuchtigkeit gut reguliert, sodass die Frucht atmen kann, ohne zu schnell auszutrocknen oder zu feucht zu werden.

Die Studie befasste sich auch mit dem ökologischen Schicksal des Materials. Im Gegensatz zu herkömmlichem Kunststoff, der Jahrhunderte bestehen bleiben kann, ist die neue Membran so konzipiert, dass sie natürlich abgebaut wird. Wenn sie im Boden vergraben wurde, begann die Membran innerhalb weniger Tage merklich zu degradieren und wurde innerhalb von zwanzig Tagen weitgehend durch Mikroorganismen abgebaut. Diese biologische Abbaubarkeit, kombiniert mit ihrer Fähigkeit, die Haltbarkeit von Frischware zu verlängern, deutet auf einen Weg für Verpackungen hin, die Lebensmittel schützen, ohne den Planeten zu belasten. Die Forscher fanden heraus, dass die Membran ihre Wirksamkeit über mehrere Heiz- und Kühlzyklen hinweg beibehielt, was darauf hindeutet, dass sie für wiederholte Anwendungen in der Verpackung stabil genug ist. Indem sie die einfache Kraft des Sonnenlichts nutzt, um Wärme zu erzeugen, und dies mit einer natürlichen, kompostierbaren Basis kombiniert, bietet diese Arbeit einen vielversprechenden Schritt in Richtung einer Zukunft, in der Lebensmittelverpackungen so nachhaltig sind wie die Lebensmittel, die sie schützen.