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

In de moderne wereld is de plastic verpakking die een broodje vers houdt of een vrucht knapperig maakt een wonder van gemak, maar het brengt een zware milieuomkost met zich mee. De meeste van deze verpakkingen zijn gemaakt van synthetische polymeren, materialen afgeleid van aardolie die niet gemakkelijk afbreken en eeuwenlang ophopen in stortplaatsen en oceanen. Als reactie hierop wenden wetenschappers zich tot de natuur om alternatieven te vinden die dezelfde beschermende taak vervullen, maar die weer kunnen terugkeren naar de aarde. Het kernidee achter deze verschuiving is het gebruik van zetmeel, een natuurlijk koolhydraat dat in planten voorkomt, als de belangrijkste bouwsteen voor verpakkingen. Zetmeel is overvloedig aanwezig en biologisch afbreekbaar, wat betekent dat micro-organismen in de bodem het kunnen consumeren en kunnen terugveranderen in onschadelijke natuurlijke componenten. Echter, pure zetmeelfilms hebben vaak zwakheden: ze kunnen te bros zijn, te snel oplossen wanneer ze nat worden, of niet de kracht hebben om zware voorwerpen vast te houden. Om deze gebreken te herstellen, mengen onderzoekers vaak andere natuurlijke stoffen bij die het materiaal kunnen versterken of nuttige eigenschappen kunnen toevoegen, zoals het vermogen om bacteriën te bestrijden die ervoor zorgen dat voedsel rot.

Een onderzoeker aan de Ambo Universiteit in Ethiopië zette zich het doel om een nieuw type biologisch afbreekbaar film te creëren door twee specifieke natuurlijke ingrediënten te combineren: zetmeel geëxtraheerd uit avocadopitten en gel van de aloë vera-plant. Avocadopitten zijn een veelvoorkomend afvalproduct van de fruitverwerkingsindustrie, die vaak worden weggegooid nadat de vrucht is gegeten of verwerkt voor olie. Door het zetmeel uit deze zaden te extraheren, wilde de onderzoeker een afvalproduct in een waardevol hulpbron veranderen. Ze mengden dit zetmeel met aloë vera-gel, een substantie die bekend staat om zijn verzachtende en conserverende kwaliteiten, om te zien of de combinatie een verpakkingsfilm kon creëren die sterk, waterbestendig en in staat was om voedsel vers te houden. Het doel was niet alleen om een film te maken die uit elkaar valt, maar één die echte bescherming biedt terwijl deze veilig blijft voor het milieu.

De onderzoeker begon met het verzamelen van grondstoffen, het wassen van avocadopitten en aloë vera-bladeren, en het verwerken ervan tot een fijn zetmeelpoeder en een heldere gel. Vervolgens maakten ze een reeks testfilms door verschillende hoeveelheden van het zetmeel en de gel te mengen met water en een kleine hoeveelheid glycerol, een stof die wordt gebruikt om de film flexibel te houden. Ze testten negen verschillende combinaties, waarbij de variatie in zetmeel liep van 2% tot 6% en de aloë vera-gel van 0,5% tot 1,5%. Na het verhitten en roeren van de mengsels om een gladde vloeistof te creëren, goten ze deze in schalen en lieten ze drogen in een oven om dunne, transparante vellen te vormen. Zodra de films klaar waren, onderwierp de onderzoeker ze aan een batterij aan testen om te zien hoe ze standhielden onder druk, hoe ze reageerden op water en of ze bacteriën konden stoppen met groeien.

De resultaten toonden aan dat de samenstelling van de film er sterk toe deed. Wanneer de onderzoeker de hoeveelheid zetmeel uit avocadopitten in het mengsel verhoogde, werd de film aanzienlijk sterker. De sterkste films, gemaakt met 6% zetmeel, konden een trekkracht van 10 megapascal weerstaan, een maatstaf voor sterkte die veel hoger was dan films gemaakt met minder zetmeel. Dit suggereert dat de zetmeelkorrels een strak, onderling verbonden netwerk vormden dat weerstand kon bieden tegen breken. Echter, het toevoegen van meer aloë vera-gel maakte de film niet altijd sterker; in feite leek de gel bij hogere concentraties de structuur licht te verzwakken, waarschijnlijk omdat de extra vochtigheid en gelcomponenten de strakke binding van de zetmeelketens verstoorden. Ondanks dit verbeterde de toevoeging van aloë vera het vermogen van de film om waterdamp te weerstaan. De films met meer aloë vera-gel lieten minder vocht door hen heen passeren, wat een cruciale eigenschap is voor verpakkingen die nodig hebben om voedsel niet uit te drogen of zompig te laten worden.

Naast sterkte en waterbestendigheid vertoonden de films indrukwekkende vermogens om bacteriën te bestrijden. De onderzoeker testte de films tegen twee veelvoorkomende soorten bacteriën: E. coli, die vaak in besmet voedsel wordt gevonden, en Staphylococcus aureus, een bacterie die huid- en luchtweginfecties kan veroorzaken. Wanneer ze kleine schijfjes van de film op een cultuur van deze bacteriën plaatsten, stopte de groei van de bacteriën in een cirkel rond de film. De grootte van deze heldere zone, waar geen bacteriën konden overleven, varieerde van 12 tot 18 millimeter voor E. coli en 14 tot 20 millimeter voor S. aureus. De films met hogere hoeveelheden aloë vera-gel presteerden het best, waarbij sommige de effectiviteit van een standaard antibioticum gebruikt als controle in het experiment evenaarden. Dit geeft aan dat de aloë vera-gel zijn natuurlijke antimicrobiële eigenschappen behield, zelfs nadat het in de film was gemengd, wat een ingebouwd schild biedt tegen bederf.

Misschien wel het belangrijkste voor het milieu: de films bleken zeer biologisch afbreekbaar. De onderzoeker begroef kleine stukjes van de films in de grond en woog ze elke paar dagen om te zien hoeveel van het materiaal in de loop van de tijd verdween. Binnen 25 dagen hadden de films een aanzienlijk deel van hun gewicht verloren, waarbij sommige combinaties met meer dan 80% waren afgebroken. De film gemaakt met 4% zetmeel en 1,5% aloë vera-gel vertoonde de hoogste mate van degradatie, waarbij het 81,5% van zijn gewicht verloor in die periode. Deze snelle afbraak suggereert dat zodra de verpakking wordt weggegooid, deze niet decennia lang in het milieu zal blijven hangen, maar in plaats daarvan zal worden geconsumeerd door bodemmicroben en zal terugkeren naar de aarde.

De studie concludeert dat het geheel mogelijk is om avocadozaadafval te transformeren in een functioneel, milieuvriendelijk verpakkingsmateriaal door het te mengen met aloë vera-gel. De resulterende films zijn sterk genoeg om de eisen van transport te weerstaan, effectief in het blokkeren van vocht en in staat om de groei van schadelijke bacteriën te remmen. Hoewel de onderzoeker opmerkte dat de exacte balans van ingrediënten cruciaal is — te veel gel kan de film verzwakken, terwijl te weinig misschien niet genoeg antimicrobiële bescherming biedt — bieden de bevindingen een veelbelovend pad voorwaarts. Door landbouwbijproducten te gebruiken die anders weggegooid zouden worden, pakt deze aanpak zowel het probleem van plasticvervuiling als de behoefte aan duurzame voedselverpakking aan, door een eenvoudig zaadje te veranderen in een oplossing voor een schonere toekomst.