Cold atmospheric pressure plasma pretreatment as a novel tool to tailor the functional properties of quince seed mucilage biopolymer-based edible films

In de moderne wereld zijn de plastic folies en bakjes die ons voedsel vers houden een tweesnijdend zwaard. Hoewel ze onze maaltijden beschermen tegen bederf, zijn ze gemaakt van materialen die niet gemakkelijk afbreken, wat een blijvende afdruk achterlaat op het milieu en zorgen oproept over giftige chemicaliën die in ons voedsel lekken. Wetenschappers zoeken al lang naar een betere manier en hebben zich tot de eigen materialen van de natuur gewend. Een veelbelovende kandidaat is een kleverige, gelachtige substantie die te vinden is in de zaden van de kweepeer, een peervormig lid van de rozenfamilie. Wanneer deze zaden in water weken, laten ze een dik slijm vrij, een natuurlijk polymeer dat kan worden gedroogd tot dunne, eetbare vellen. Deze vellen hebben het potentieel om synthetische plastics te vervangen, maar ze staan voor een aanzienlijke hindernis: in hun natuurlijke staat zijn ze vaak te broos om te hanteren en te poreus om vocht buiten te houden, waardoor ze slechte kandidaten zijn voor het beschermen van voedsel.

Om dit op te lossen, richtten onderzoekers zich op een hulpmiddel dat klinkt als sciencefiction, maar in werkelijkheid een nauwkeurige industriële techniek is: koud atmosferisch plasma. Stel je een straal van onzichtbare, energieke deeltjes voor die een oppervlak kunnen raken zonder het te verbranden. Deze technologie stelt wetenschappers in staat om het oppervlak van een materiaal te bombarderen met geladen atomen en moleculen, waardoor de structuur op microscopisch niveau wordt herschikt zonder warmte of harde chemicaliën te gebruiken. Het doel is om de fragiele, natuurlijke film gemaakt van kweepeerzaden te versterken, het taaier te maken en beter in staat te stellen waterdamp tegen te houden. Een team van onderzoekers testte onlangs dit idee door het vloeibare mengsel van kweepeerzaad-slijm met dit plasma te behandelen voordat het in een film werd omgezet, in de hoop de perfecte balans tussen tijd en energie te vinden om een delicate natuurlijke substantie te transformeren tot een duurzaam verpakkingsmateriaal.

De onderzoekers begonnen met het verzamelen van kweepeerzaden en het behandelen van deze met de koude plasmastraal. Ze gokten niet zomaar aan de instellingen; ze varieerden systematisch de kracht van de straal en de duur van de blootstelling aan de zaden. Ze testten drie verschillende vermogensniveaus en drie verschillende tijdsduur, waardoor ze een raster van mogelijkheden creëerden om te zien welke combinatie het beste werkte. Nadat de zaden waren behandeld, extraheerde het team het slijm, mengde het met een kleine hoeveelheid glycerol om het flexibel te houden, en goot de oplossing in schalen om uit te drogen tot dunne films. Ze onderwierpen deze nieuwe films vervolgens aan een reeks tests, waarbij ze alles maten, van de dikte tot de mate waarin ze water afstoten en hoeveel kracht ze konden weerstaan voordat ze knapten.

Een van de eerste dingen die het team ontdekte, was dat de plasmabehandeling de dikte van de films niet veranderde. Of de zaden nu behandeld waren of niet, de resulterende vellen bleven een consistente dikte van 0,70 millimeter. Dit was een belangrijke bevinding, omdat het betekende dat de behandeling de eigenschappen van het materiaal veranderde zonder de basis fysieke afmetingen te veranderen. Echter, het oppervlak van de films veranderde drastisch. Wanneer de onderzoekers maten hoe waterdruppels op het oppervlak rustten, ontdekten ze dat de behandeling de films meer waterafstotend maakte. Het beste resultaat kwam voort uit het behandelen van de zaden met een specifiek vermogensniveau gedurende exact drie minuten. In deze conditie vormden de waterdruppels zich meer dan in andere monsters, wat suggereert dat het oppervlak hydrofober, of waterafstotender, was geworden. Dit is een cruciale eigenschap voor voedselverpakkingen, omdat het helpt voorkomen dat de film zompig wordt en zijn sterkte verliest in vochtige omgevingen.

Het vermogen om vocht tegen te houden, ook wel waterdampdoorlaatbaarheid genoemd, vertoonde een vergelijkbaar patroon. De films die drie minuten waren behandeld, waren het beste in het tegenhouden van waterdamp, ongeacht het gebruikte vermogensniveau. Deze verbetering suggereert dat de plasmabehandeling de moleculen in de film heeft geholpen om dichter op elkaar te pakken, waardoor een dichtere barrière ontstond waar watermoleculen niet gemakkelijk doorheen konden dringen. De onderzoekers ontdekten echter ook een duidelijke limiet aan dit proces. Wanneer ze de behandeltijd uitbreidden naar vijf minuten, werden de films zelfs slechter in het blokkeren van vocht dan de onbehandelde exemplaren. De langdurige blootstelling aan de plasmastraal begon de structuur van het slijm te beschadigen, waardoor er minuscule paden ontstonden waar water doorheen kon ontsnappen. Dit gaf aan dat hoewel de technologie het materiaal kon verbeteren, te veel ervan destructief was en het netwerk afbrak dat de wetenschappers juist probeerden te versterken.

De textuur van de films veranderde ook. Met behulp van een krachtige microscoop die het oppervlak op microscopisch niveau kon voelen, ontdekte het team dat een korte behandeling van één minuut het oppervlak ruwer maakte. Deze ruwheid werd veroorzaakt doordat de plasmastraal voorzichtig kleine delen van het oppervlak wegëtste. Interessant genoeg werd het oppervlak bij een langere behandeling weer gladder en gelijkmatiger. Dit suggereert dat na de initiële verruwing de moleculen de tijd hadden om zichzelf te herschikken in een compactere en meer geordende structuur. De mechanische sterkte van de films volgde een vergelijkbare regel van "minder is meer". De sterkste en meest flexibele films werden geproduceerd met een korte behandeling van één minuut bij een lager vermogen. Deze films konden verder uitrekken en meer gewicht dragen voordat ze braken, vergeleken met de onbehandelde monsters. Maar opnieuw: het te lang of te krachtig behandelen zorgde ervoor dat de films bros en zwak werden, waardoor de eigenschappen die ze nuttig maken, verloren gingen.

De hittebestendigheid van de films vertelde ook een verhaal van balans. Wanneer de onderzoekers de films verwarmden om te zien hoe ze onder stress standhielden, ontdekten ze dat de optimaal behandelde monsters hogere temperaturen konden weerstaan voordat ze afbraken. Dit suggereert dat de plasmabehandeling de moleculen sterker heeft laten binden, wat een stabielere structuur creëert. De films die echter vijf minuten waren behandeld, vertoonden tekenen van instabiliteit en braken bij lagere temperaturen. Dit bevestigde dat de langere blootstelling de moleculaire ketens had beschadigd, waardoor het materiaal minder robuust werd. De chemische analyse van de films toonde aan dat de basisstructuur van het kweepeerzaad-slijm intact bleef, maar de oppervlaktechemie was veranderd. De plasmastraal had waarschijnlijk nieuwe verbindingen tussen de moleculen gecreëerd en de manier waarop het oppervlak met water reageert veranderd, zonder de kern van het materiaal te vernietigen.

De studie concludeert dat koud atmosferisch plasma een krachtig hulpmiddel is voor het verbeteren van natuurlijke voedselverpakkingen, maar dat het een delicate aanpak vereist. De onderzoekers ontdekten dat een korte, zorgvuldig gecontroleerde blootstelling een fragiele, vochtgevoelige film kan transformeren in een sterker, meer waterbestendig materiaal. De sleutel was het vinden van het ideale punt waar het plasma de bindingen tussen moleculen versterkt zonder ze uit elkaar te scheuren. Het behandelen van de zaden gedurende drie minuten bij een gemiddeld vermogensniveau leek de beste algehele prestatie te bieden, waarbij de capaciteit van de film om vocht te blokkeren, de sterkte en de hittebestendigheid werden verbeterd. Het verlengen van de behandeling naar vijf minuten keerde deze voordelen echter om, wat bewees dat er een punt van verminderde meeropbrengst is waarop de technologie schadelijk wordt. Dit werk benadrukt dat hoewel de natuur de grondstoffen voor duurzame verpakkingen biedt, geavanceerde technieken zoals koud plasma kunnen worden gebruikt om deze materialen te verfijnen, waardoor ze levensvatbare alternatieven worden voor de plastics die momenteel onze schappen domineren. De toekomst van voedselverpakking zal wel eens afhangen van het vinden van deze precieze momenten van interventie, waarbij een korte aanraking van energie een eenvoudig zaadextract transformeert in een beschermend schild voor ons voedsel.