Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von rezyklierbaren bio-basierten Materialien mit antimikrobiellen und antioxidativen Eigenschaften zur Verbesserung der Haltbarkeit von Lebensmitteln

Das übergeordnete Ziel ist, die Funktionalitäten konventioneller, mineralölbasierter Lebensmittelverpackungen (Beutel und Einschlagpapiere) durch biobasierte Multilayer zu ersetzten oder zu verbessern. Das Material soll eine adäquate Sauerstoff-, Wasserdampf- und Mineralölbarriere sowie antioxidative und antimikrobielle Eigenschaften aufweisen.

Die mikrobiologische Stabilität der Lebensmittel soll durch Protein- und Wachsbeschichtungen mit Wasserdampf- und Sauerstoffbarriere gesichert werden (<10cm3/(m2*d*bar) bzw. <10 g/(m2*d)). Zusätzlich verlangsamen natürliche Antioxidantien, antimikrobielle Substanzen sowie Bio-Polymere mit intrinsischer antimikrobieller Wirkung den Verderb (Reduzierung von E.coli um mind. 90%, antioxidative Aktivität von mind. 90%). Proteinschichten erhöhen die Mineralölbarriere um bessere Barrieren als mit PE und PP zu erreichen. Die Multilayer werden durch biobasierten Protein-Mizellen-Klebstoff verklebt, welcher zusätzlich gute Sauerstoffbarrieren aufweist. Die Entwicklung wird im Labor- und Pilotmaßstab ausgeführt. Abschließend wird ein Fallbeispiel erstellt.

Der Nutzen für KMUs ist vielfältig: Landwirtschaftliche Betriebe verringern ihre Reststoffströme und reduzieren so Kosten und CO2-Emissionen, da die Reststoffströme als Rohmaterial für die Verpackungen genutzt werden. Die Papierindustrie erobert neue Märkte und sichert so Arbeitsplätze. Lebensmittelabpacker und Einzelhandel reduzieren Lebensmittel- und finanzielle Verluste aufgrund der verlängerten Lebensmittelhaltbarkeit. Als Reaktion auf die schwindenden Mineralölressourcen und die legislativen Vorgaben können Verpackungsproduzenten, Abpacker und der Einzelhandel rezyklierbare, biobasierte Materialien verwenden. Das Recycling wird durch die einfache enzymatische Auftrennung der Multilayer erleichtert. Zusätzlich profitieren die Unternehmen von einem ökologischen Image und der daraus folgenden Anziehungskraft für die Konsumenten.

Ergebniszusammenfassung:

Seitens Fraunhofer IVV ist besonders die Mineralölbarriereschicht auf Basis von Proteinen hervorzuheben. Bisher wurde in der Literatur nur die Mineralölbarriere von Stärke berichtet, welche lediglich mit dem vereinfachenden Tenax-Test untersucht wurde. Nun konnte die Mineralölbarriere von Proteinbeschichtungen genauestens untersucht werden. Nach einem Screening für verschiedene Proteine, Weichmacher und Weichmacherkonzentrationen zeigte sich eine Barriere, die für Alkane um den Faktor 10.000 als PP und damit vergleichbar zum fossil basierten EVOH ist. Die Barriere der Proteine scheint maßgeblich durch die Quervernetzungsdichte und damit Cysteingehalt der Proteine sowie den Reinheitsgrad der Proteine beeinflusst zu sein. So zeigte sich für Molke eine extrem hohe Barriere, eine gute Barriere für das weniger reine Kartoffel- und Sonnenblumenprotein und keine Barriere für das Ackerbohnen- und Lupinenprotein. Bei letzterem ist dies durch die mizelläre Struktur zu erklären, welche gleichzeitig zu hoher Klebkraft aber auch zu geringer Quervernetzung führt.

Seitens Fraunhofer IGB konnten stabile Beschichtungsdispersionen formuliert werden, die als wesentliche funktionale Inhaltsstoffe Bienenwachs, Casein und ein natürliches Antioxidans enthalten. Mit diesen Dispersionen konnten auf üblichen Pilotanlagen Beschichtungen auf Papieren hergestellt werden. Die Beschichtungen verleihen den Papieren eine gute Barrierewirkung gegenüber Sauerstoff und Wasserdampf. Aufgrund der Wachskomponente sind sie allerdings nicht siegelfähig. Einsatzmöglichkeiten sind im Bereich Einschlagpapiere oder Kartonbeschichtungen. Es konnte gezeigt werden, dass die antioxidative Wirkung auch nach der Verarbeitung noch fast vollständig vorhanden ist. Für eine antimikrobielle Wirkung gab es Hinweise, z. B. durch die lange Haltbarkeit der Dispersionen im Vergleich zu Dispersionen ohne Antioxidans.