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Forscher in Australien und Kolumbien haben eine dünne, biologisch abbaubare Folie aus Milchproteinen, modifizierter Stärke und Nanotonschichten entwickelt, die als nachhaltige Alternative zu Einweg-Lebensmittelverpackungen vielversprechend ist. Erste Laborergebnisse deuten darauf hin, dass das Material im Boden relativ schnell zerfällt, dabei aber praktische Festigkeit und Flexibilität behält. Solche milchbasierten Biopolymere verbinden erneuerbare Rohstoffe mit Nanomaterialien und bieten einen möglichen Weg, sowohl Umweltverschmutzung als auch die Verbreitung schädlicher chemischer Zusatzstoffe konventioneller Kunststoffe zu verringern. Die Studie veranschaulicht, wie Werkstoffwissenschaft, Nanotechnologie und Verpackungsforschung zusammenwirken können, um Lösungen für die Verpackungsindustrie und die Kreislaufwirtschaft zu entwickeln.
Herstellung und Tests der milchbasierten Folie
Das neuartige Material kombiniert Calciumcaseinat — eine Form von Casein, dem dominierenden Milchprotein — mit modifizierter Stärke und Bentonit-Nanoclay. Geringe Mengen Glycerin und Polyvinylalkohol (PVA) werden hinzugefügt, um die Flexibilität zu erhöhen und mechanische Eigenschaften zu verbessern. In der Polymerwissenschaft wirken solche Weichmacher und synthetischen Co-Polymere, indem sie die Glasübergangstemperatur reduzieren, Rissbildung mindern und die Verarbeitbarkeit der Folien während der Herstellung erleichtern. Die gezielte Kombination von Proteinmatrix und natürlichen Füllstoffen ermöglicht die Einstellung von Festigkeit, Dehnbarkeit und Barriereeigenschaften gegenüber Wasser und Gasen.
Die Laboruntersuchungen, die im Fachjournal Polymers dokumentiert wurden, verfolgten sowohl das mechanische Verhalten als auch die biologische Abbaubarkeit der Folien. Unter standardisierten Bedingungen und nachdem die Proben in gewöhnlicher Erde vergraben worden waren, zeigte sich ein stetiger Abbau; die Forscher schätzten, dass die Folien unter den Testbedingungen innerhalb von etwa 13 Wochen vollständig zerfallen könnten. Neben der makroskopischen Disintegration wurden mikrobiologische Tests durchgeführt: Die Anzahl bakterieller Kolonien blieb in Bereichen, die für Materialien ohne antimikrobielle Ausrichtung akzeptabel sind. Dies legt nahe, dass die Zusammensetzung keinen unkontrollierten mikrobiellen Überwuchs während des Zersetzungsprozesses fördert und somit keine offensichtlichen hygienischen Risiken in der Testphase erkennbar waren.
Zusätzliche technische Messgrößen, die in vergleichbaren Studien üblich sind, umfassen Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Youngscher Modul sowie die Barrierekennwerte Wasserdampfdurchlässigkeit (WVTR) und Sauerstoffdurchlässigkeit (OTR). Während die vorliegenden Ergebnisse die grundsätzliche Eignung des Materials belegen, zeigen sie zugleich typische Kompromisse: Proteinhaltige Folien können gute mechanische Eigenschaften liefern, benötigen aber oft Optimierungen oder Zusatzschichten, um die Barriereleistung für feuchtigkeitsempfindliche Lebensmittel vergleichbar mit konventionellen Kunststofffolien zu machen. Praktische Weiterentwicklungen könnten Beschichtungen, Laminatschichten oder gezielte Nanofüllstoffdispersionen umfassen, um WVTR und OTR zu reduzieren, ohne die Kompostierbarkeit wesentlich zu beeinträchtigen.
Internationale Zusammenarbeit und praktische Entscheidungen
Das Projekt wurde an der Flinders University in Südaustralien geleitet und in Partnerschaft mit Chemieingenieuren der Universidad de Bogotá Jorge Tadeo Lozano in Kolumbien durchgeführt. Laut den Forschern entstand die Idee aus Experimenten mit milchbasierten Nanofasern und Gießpolymeren, die typische Verpackungsfolien nachbilden. Durch die Einbindung weitverfügbarer natürlicher Inhaltsstoffe wie Stärke und Bentonit — einer geschichteten Nanotonschicht, die bekanntermaßen die Barriereeigenschaften verbessern kann — passte das Team das Gemisch so an, dass es sowohl kostengünstig als auch biologisch abbaubar bleibt. Die Wahl leicht erhältlicher Rohstoffe ist wichtig für die Skalierbarkeit und die wirtschaftliche Attraktivität bei einer möglichen industriellen Anwendung.
Nanomaterial-Forscher Professor Youhong Tang und Nikolay Estiven Gomez Mesa aus Kolumbien.
"Wir begannen mit Caseinaten, weil sie reichlich vorhanden sind und leicht Folien bilden", erklärt ein Teammitglied und betont, dass die Formulierung bewusst preiswerte, umweltfreundliche Komponenten verwendet. Technisch gesehen beruht die Folienbildung auf intermolekularen Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrücken zwischen Caseinmolekülen sowie auf physikalischer Vernetzung durch Trocknung und Wechselwirkung mit Füllstoffen. Bentonit kann durch seine schichtartige Struktur einen tortuosen Diffusionsweg erzeugen, der die Gas- und Feuchtigkeitspermeation reduziert. Gleichzeitig müssen Dispergierbarkeit, Grenzflächenadhäsion und Mischungs-Homogenität sorgfältig gesteuert werden, damit mechanische Eigenschaften und Abbaubarkeit im gewünschten Bereich bleiben.
Professorin Alis Yovana Pataquiva-Mateus aus der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universidad de Bogotá Jorge Tadeo Lozano, Kolumbien, experimentiert in der Nanobioengineering-Forschungsgruppe mit neuen Polymeren.
Aus praktischer Sicht zielen die Forscher darauf ab, ein Gleichgewicht zu finden zwischen Leistungsanforderungen — etwa Festigkeit, Flexibilität und Barriere gegen Feuchtigkeit und Sauerstoff — und der Fähigkeit, nach Gebrauch in den Boden zurückzukehren, ohne langlebige Mikroplastikpartikel oder toxische Rückstände zu hinterlassen. Für die Industrie ist wichtig, dass Materialien nicht nur ökologisch vorteilhaft sind, sondern auch wirtschaftlich und regulatorisch umsetzbar: Rohstoffkosten, Herstellungstechniken (z. B. Gießen, Beschichten oder Extrusion), Verarbeitbarkeit in bestehenden Produktionslinien und Anforderungen an die Lebensmittelkontaktzulassung spielen dabei eine zentrale Rolle.
Warum das wichtig ist: Verschmutzung, Gesundheit und Kreislaufwirtschaft
Konventionelle Kunststoffe enthalten oft Tausende von Additiven — Farbstoffe, Flammschutzmittel, Weichmacher — von denen einige toxisch sind oder als karzinogenverdächtig gelten. Internationale Organisationen wie die OECD warnen davor, dass ohne gezielte politische Maßnahmen die weltweite Kunststoffproduktion zwischen 2020 und 2040 deutlich steigen könnte. Studien, unter anderem Analysen in Fachzeitschriften wie Nature, schätzen, dass rund 60 % der produzierten Kunststoffe Einwegprodukte sind und lediglich etwa 10 % recycelt werden. In diesem Zusammenhang können biobasierte Materialien, die schnell abgebaut werden, die Menge persistenter Abfälle reduzieren und die Verbreitung gefährlicher chemischer Zusatzstoffe in Umwelt und Nahrungskette verringern.
Speziell für Lebensmittelverpackungen, einem Sektor mit hohem Anteil an Einwegkunststoffen, bieten milchbasierte Biopolymere eine gezielte Möglichkeit, die Umweltauswirkungen zu mindern. Wenn diese Folien in industriellen Kompostieranlagen oder kontrollierten Bodenumgebungen zuverlässig zersetzt werden, unterstützen sie kreislauforientierte Geschäftsmodelle: Verpackungen könnten als kompostierbare Produkte ausgelegt werden, die bewusst in organischen Rückführungsprozessen enden, anstatt auf Deponien oder in der Umwelt zu verbleiben. Zudem reduziert die Nutzung von Nebenströmen aus der Lebensmittelindustrie, etwa Molke oder Caseinabfällen, den Druck auf fossile Rohstoffe und stärkt lokale Wertschöpfungsketten.
Ökobilanzbetrachtungen (Life Cycle Assessment, LCA) sind jedoch notwendig, um die tatsächlichen Umweltvorteile zu quantifizieren. Faktoren wie Energieverbrauch bei der Verarbeitung, Transportdistanzen, Landnutzungsänderungen, mögliche Emissionen während der Zersetzung und die Anforderungen an Entsorgungsinfrastrukturen können die Gesamtbilanz beeinflussen. Realistisch betrachtet sind milchbasierte Biokunststoffe kein Allheilmittel, aber sie können einen wichtigen Beitrag leisten, insbesondere wenn sie im Rahmen einer integrierten Strategie zur Reduktion von Einwegplastik und zur Förderung von Kreislaufwirtschaftslösungen eingesetzt werden.
Herausforderungen und nächste Schritte
Obwohl die ersten Ergebnisse vielversprechend sind, bestehen weiterhin mehrere praktische Hürden. Das Forscherteam empfiehlt zusätzliche antibakterielle und Sicherheitsprüfungen, um Verbraucher*innen und die Haltbarkeit von verpackten Lebensmitteln nicht zu gefährden. Wichtige nächste Schritte umfassen umfassende Migrationsprüfungen, sensorische Tests (Geruch, Geschmack), Langzeitstabilität unter verschiedenen Lagerbedingungen sowie ökotoxikologische Bewertungen der Abbauprodukte, um sicherzustellen, dass keine schädlichen Substanzen freigesetzt werden.
Die Skalierung der Produktion erfordert wirtschaftliche Analysen, Pilotfertigungsläufe und behördliche Prüfungen für den Lebensmittelkontakt. Regulatorische Anforderungen variieren je nach Region: In der EU wären beispielsweise Prüfungen nach entsprechenden Verordnungen für Lebensmittelkontaktmaterialien erforderlich, in anderen Märkten gelten nationale Behördenstandards (z. B. EFSA, FDA). Technisch gesehen sind mehrere Faktoren zu optimieren: die Verbesserung der Feuchtigkeits- und Sauerstoffbarriere, die Sicherstellung eines konsistenten Abbaus unter unterschiedlichen Bodenbedingungen (Temperatur, Feuchte, Mikrobiota) und die Verifikation, dass bei der Zersetzung keine gefährlichen Zerfallsprodukte entstehen.
Weitere Entwicklungsoptionen umfassen die Integration funktionaler Additive mit geringer Toxizität, die Entwicklung dünner Barriereschichten oder die Erzeugung von Mehrschichtverbunden, die industrielle Anforderungen an Schutz und Haltbarkeit erfüllen, aber am Ende des Lebens biologisch abbaubar bleiben. Wirtschaftlich gesehen müssen Herstellungsprozesse so gestaltet werden, dass sie in bestehende Produktionsumgebungen integrierbar sind — etwa durch Anpassung an gängige Beschichtungs- oder Extrusionsverfahren — und die Rohstoffkosten konkurrenzfähig bleiben.
„Nachhaltige Lösungen für Lebensmittelverpackungen zu finden, ist ein wesentlicher Schritt zur Eindämmung zunehmender Verschmutzungsprobleme“, sagt Professor Youhong Tang. Er fordert zugleich zusätzliche antimikrobielle und Sicherheitsbewertungen, während die Entwicklung weiter voranschreitet. Die Forscher betonen, dass das Design bewusst auf preisgünstige, biologisch abbaubare Inhaltsstoffe abzielt, um die Annahme in verschiedenen Branchen zu erleichtern und Markteintrittsbarrieren zu senken.
Experteneinschätzung
„Materialien wie milchproteinbasierte Folien sind interessant, weil sie erneuerbare Rohstoffe nutzen und für gezielte Lebensdauern konstruiert werden können“, erklärt Dr. Elena Martín, eine Forscherin für nachhaltige Werkstoffe. „Die Abwägungen betreffen vor allem Barriereeigenschaften und industrielle Kompatibilität: Hersteller benötigen die Gewissheit, dass die Verpackung Lebensmittel während Transport und Lagerung zuverlässig schützt. Sollten diese Hürden überwunden werden, könnte eine schnell im Boden abbaubare Folie die Verschmutzung durch Einwegverpackungen deutlich reduzieren.“
Aus technischer Sicht sind mehrere Aspekte entscheidend, um Marktreife zu erreichen: präzise Auswahl und Dosierung von Weichmachern wie Glycerin, optimale Verteilung von Bentonit-Nanopartikeln zur Erreichung tortuoser Diffusionspfade, sowie mögliche Kopplungsreaktionen zwischen Proteinmatrix und Füllstoffen zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit. Anwendungsspezifisch lassen sich Eigenschaften durch Variation der Dicke, durch Laminierung oder durch hybride Verbundsysteme anpassen, um beispielsweise empfindliche Produkte wie frisches Obst, Backwaren oder verarbeitete Lebensmittel optimal zu schützen.
In der Gesamtschau sind milchbasierte Biokunststoffe keine Allzwecklösung, aber sie bilden einen relevanten Baustein unter vielen: die Kombination biologisch abbaubarer Polymere, natürlicher Füllstoffe und Nanomaterialien kann Verpackungen erzeugen, die gute Funktionalität mit einer sicheren Rückführung in die Umwelt verbinden. Für Entscheidungsträger in Industrie und Politik lohnt es sich, solche Ansätze in Förderprogramme, Normungsprozesse und Innovationsprojekte einzubinden, um tragfähige, skalierbare Alternativen zu herkömmlichen Einwegkunststoffen voranzubringen.
Quelle: scitechdaily
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