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

Voedselverpakkingen zijn de stille bewakers van onze dagelijkse maaltijden, belast met de moeilijke taak om producten vers te houden terwijl ze verspilling voorkomen. Decennialang was de oplossing grotendeels plastic, een materiaal dat wordt geprezen om zijn duurzaamheid en lichtheid, maar bekritiseerd vanwege zijn hardnekkigheid in het milieu en zijn onvermogen om actief de microscopische bacteriën te stoppen die ervoor zorgen dat voedsel rot. Hoewel wetenschappers al lang zoeken naar een vervanging voor plastic door natuurlijke, biologisch afbreekbare alternatieven zoals plantenvezels, missen deze groene materialen vaak de kracht om de microben te bestrijden die ze juist bedoeld zijn te bevatten. De uitdaging ligt in het creëren van een verpakkingsmateriaal dat niet alleen veilig is voor de aarde, maar ook in staat is om het voedsel erin actief te verdedigen, bijvoorbeeld door de energie van licht te gebruiken om warmte te generen die bacteriën doodt, en dat alles zonder te vertrouwen op giftige chemicaliën die in het voedsel zouden kunnen lekken.

In een recente studie hebben onderzoekers aan de Jiangsu Universiteit in China een nieuw type verpakkingsmembraan ontwikkeld dat probeert dit probleem op te lossen door een natuurlijke plantenvezel te combineren met een gespecialiseerd mengsel van nanodeeltjes. Het team begon met cellulose, het belangrijkste structurele onderdeel van planten, dat zij extraheerden uit rijststro. Aan deze natuurlijke basis voegden zij een composietmateriaal toe dat bestaat uit koolstofnanobuisjes en zinkoxide-deeltjes. Koolstofnanobuisjes zijn ongelooflijk dunne, buisvormige structuren gemaakt van koolstofatomen die uitstekend zijn in het absorberen van licht, terwijl zinkoxide een mineraal is dat bekend staat om zijn vermogen om bacteriën te doden. Door deze componenten bij elkaar te mengen en ze op de cellulose aan te brengen, creëerden de onderzoekers een dunne, flexibele film die fungeert als een schild tegen bederf.

Het meest opvallende kenmerk van dit nieuwe membraan is zijn vermogen om licht in warmte om te zetten. Wanneer de onderzoekers de film blootstelden aan gesimuleerd zonlicht, steeg de oppervlaktertemperatuur snel. Binnen slechts twee minuten van blootstelling aan een lichtintensiteit van 1,8 watt per vierkante centimeter, verhitte het oppervlak van het membraan zich van een comfortabele 22,0 graden Celsius naar een verzengende 67,2 graden Celsius. Deze snelle temperatuurstijging is cruciaal, omdat veel bacteriën niet kunnen overleven in dergelijke hitte. De studie toonde aan dat wanneer dit verwarmde membraan werd geplaatst nabij veelvoorkomende voedselpathogene bacteriën zoals Staphylococcus aureus en Escherichia coli, het hun groei effectief remde. Het membraan was bijzonder effectief tegen E. coli, waarbij de groei met meer dan 97,85 procent werd geremd, terwijl het ook een sterke weerstand vertoonde tegen S. aureus met een remmingspercentage van meer dan 65,66 procent.

Naast zijn vermogen om bacteriën met hitte te doden, bleek het membraan een praktische oplossing te zijn voor de opslag van voedsel in de echte wereld. De onderzoekers testten het materiaal door verse aardbeien te wikkelen, een vrucht die snel bederft vanwege het hoge watergehalte en de gevoeligheid voor schimmel. Gedurende een periode van negen dagen bleven de aardbeien die in het nieuwe membraan waren gewikkeld en onder lichtomstandigheden werden bewaard, vers en stevig, waarbij geen tekenen van de schimmel te zien waren die de aardbeien in standaard plastic folie bedekte. De aardbeien die in het nieuwe materiaal waren gewikkeld, verloren slechts 7 procent van hun gewicht, wat een aanzienlijke verbetering is die suggereert dat het membraan vocht goed beheert, waardoor de vrucht kan ademen zonder te snel uit te drogen of te vochtig te worden.

De studie behandelde ook het milieubestaan van het materiaal. In tegen tegenstelling tot traditioneel plastic, dat eeuwenlang kan voortbestaan, is het nieuwe membraan ontworpen om natuurlijk af te breken. Wanneer het in de bodem werd begraven, begon het membraan zich binnen enkele dagen merkbaar af te breken en werd het binnen twintig dagen grotendeels afgebroken door micro-organismen. Deze biologische afbreekbaarheid, gecombineerd met zijn vermogen om de houdbaarheid van verse producten te verlengen, suggereert een weg voorwaarts voor verpakkingen die voedsel beschermen zonder de planeet te belasten. De onderzoekers stelden vast dat het membraan zijn effectiviteit behield over meerdere cycli van verwarming en afkoeling, wat aangeeft dat het stabiel genoeg is voor herhaaldelijk gebruik in verpakkingstoepassingen. Door de eenvoudige kracht van zonlicht te benutten om warmte te genereren en het te combineren met een natuurlijke, composteerbare basis, biedt dit werk een veelbelovende stap naar een toekomst waarin voedselverpakking even duurzaam is als het voedsel dat het beschermt.