Wie „intelligente“ Hydrogel-Verpackungen Ihnen anzeigen, ob Ihre Lebensmittel noch frisch sind
Frische hat eine chemische Signatur
Die Fleischstücke in der Supermarkt-Kühltheke können vollkommen frisch aussehen, obwohl sich im Inneren der Verpackung bereits Bakterien vermehren. Gibt es eine Möglichkeit, dies schon vor dem Öffnen festzustellen?
Forscher der Kyushu-Universität sind der Meinung, dass die Verpackung selbst Aufschluss geben sollte. In einer im „Chemical Engineering Journal“ veröffentlichten Studie entwickelten sie eine weiche, flexible Folie, in die ein natürliches Pflanzenpigment eingebettet ist, das seine Farbe ändert, sobald Lebensmittel verderben, und den Verbrauchern so ein sichtbares Signal gibt, ohne dass die Verpackung geöffnet werden muss. Das Material kann zudem Risse selbst reparieren und hält so Bakterien während des Transports und der Handhabung fern.
Frische hat eine chemische Signatur. Fleisch ist beispielsweise anfangs leicht sauer. Wenn sich Bakterien vermehren, bauen sie Proteine ab und setzen alkalische Verbindungen frei, sodass der pH-Wert des Fleisches stetig ansteigt, noch bevor sichtbare Verderbniserscheinungen auftreten.
Anthocyane – die Pigmente, die für die Farbe von lila Süßkartoffeln und Rotkohl verantwortlich sind – verfolgen diese Veränderung direkt. Mit steigendem pH-Wert verfärben sie sich von purpurrot zu gelbgrün. Diese Veränderung ist mit bloßem Auge erkennbar, und aufgrund ihrer natürlichen Herkunft sind sie zudem für den Kontakt mit Lebensmitteln unbedenklich. Allerdings können Licht und Wärme ihre Farbreaktion leicht stören, was zu falschen Messwerten führt und sie als Langzeitindikator unzuverlässig macht.
Das Team gewann seine Anthocyane aus violetten Süßkartoffeln, einer erschwinglichen und weit verbreiteten Kulturpflanze, und verarbeitete sie anschließend zu einem Pulver durch Mahlen und Gefriertrocknen. Zur Stabilisierung griffen sie auf UiO₆₆-NH₂ zurück, ein metallorganisches Gerüst (MOF), das für seine thermische und chemische Stabilität bekannt ist.
„MOFs haben aufgrund ihrer einzigartigen porösen Strukturen und vielseitigen Funktionen enorme Aufmerksamkeit auf sich gezogen, und ich wurde neugierig, ob sie für etwas verwendet werden könnten, das näher am Alltag liegt, wie beispielsweise die Lebensmittelkonservierung“, erinnert sich Xirui Yan, korrespondierender Autor der Studie und JSPS-Forscher an der Fakultät für Agrarwissenschaften der Kyushu-Universität. „Bei den HOPE-Treffen mit Nobelpreisträgern besuchte ich den Vortrag von Professor Susumu Kitagawa über die nachhaltige Nutzung funktioneller poröser Materialien. Seine Sichtweise inspirierte mich dazu, umfassender darüber nachzudenken, wie MOFs in Lebensmittelsystemen einen Mehrwert schaffen könnten.“
Bei diesem Konzept werden Anthocyan-Moleküle durch vielfältige chemische Wechselwirkungen an die Oberfläche des MOF adsorbiert und dort verankert. Da die Moleküle fixiert und weniger beweglich sind, werden sie vor Sauerstoff, Licht und Wärme geschützt, die den Abbau vorantreiben, bleiben dabei aber empfindlich gegenüber dem pH-Wert. In Lebensmitteltests mit Schweinefleisch reagierte das geschützte Pigment durchweg zuverlässig: Als das Fleisch verdarb und sich alkalische Gase ansammelten, veränderte das Material kontinuierlich seine Farbe von purpurrot zu gelbgrün und lieferte so in jedem Stadium ein deutlich lesbares Signal.
Anschließend baute das Team das mit Anthocyaninen beladene MOF in ein Hydrogel ein und erzeugte so eine weiche, formbare Folie, die größtenteils pflanzlichen Ursprungs und biologisch abbaubar ist. Über die Frischeüberwachung hinaus verlängerte das Material auch die Haltbarkeit von Schweinefleisch um etwa 12 Stunden im Vergleich zu unbehandelten Proben.
„Ein weiterer interessanter Aspekt dieses Materials ist, dass es Lebensmittel nicht nur schützt – es heilt sich auch selbst“, bemerkt Fumihiko Tanaka, Professor an der Fakultät für Agrarwissenschaften der Kyushu-Universität. Wenn es zerschnitten und wieder zusammengepresst wird, ist die Beschädigung innerhalb weniger Minuten nahezu unsichtbar, und die Zugfestigkeit erholt sich innerhalb von zwei Stunden zu 99 %. „Bei herkömmlichen Verpackungen ist jeder Riss dauerhaft und wird zu einem Eintrittsort für Bakterien. Dieses Material verbindet sich von selbst wieder. Die ‚Wunde‘ heilt, ebenso wie seine Fähigkeit, den Inhalt zu schützen, was es im praktischen Einsatz langlebiger und zuverlässiger macht.“
Das Team arbeitet derzeit an einer begleitenden Smartphone-App, die Herstellern, Logistikunternehmen und Verbrauchern eine zuverlässige, objektive Möglichkeit bietet, die Lebensmittelqualität in Echtzeit zu beurteilen.
„Das muss nicht bei Lebensmittelverpackungen aufhören“, fügt Fumina Tanaka, außerordentliche Professorin an derselben Fakultät, hinzu. „Intelligente Materialien aus natürlichen Inhaltsstoffen und Nanotechnologie könnten Anwendungsmöglichkeiten bieten, die wir uns noch gar nicht vorstellen können. Wenn jemand einen Anwendungsbereich sieht, in dem dies funktionieren könnte, würden wir gerne davon erfahren.“
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