Herstellung und Optimierung von Folien und Lebensmittelcoatings auf Basis von Chitosan


Nikolay Paller | Student | ZHAW02.10.2019

Jährlich fallen weltweit ca. 323 Tonnen an Plastikabfall an. Davon können ca. 16% direkt mit Verpackungen in Verbindung gebracht werden. Ein grosser Teil dieses Abfalls wird unkontrolliert in die Natur abgegeben, wo dieser unzählige Jahre unverändert herumliegt und die Umwelt negativ beeinflusst.

Um dieses Umweltproblem zu lösen, wurden in den letzten Jahren unterschiedliche bio-basierte Materialien auf ihre Eigenschaften im Vergleich mit fossilen Verpackungsmaterialien untersucht. Neben Proteinen sind vor allem Kohlenhydrate in Form von Polysacchariden in den Fokus der Forschungen gelangt. Eines dieser vielversprechenden Polysaccharide, ist das aus Krustentierschalen oder Insektenexoskeletten gewonnene Chitosan. Neben der biologischen Herkunft des Verpackungsmaterials ist Chitosan ebenfalls biologisch abbaubar.


In dieser Bachelorarbeit wurde zum einen die chemische Extraktion von Chitosan aus lokalen Mehlkäfern durchgeführt. In mehreren chemischen Schritten mit unterschiedlichen Lösungsmitteln, Reaktionstemperaturen und Reaktionszeiten wurden aus den Mehlkäfern alle weiteren Bestandteile wie Mineralien, Proteine und Farbpigmente entfernt.

Zum anderen wurden aus Chitosan Folien hergestellt und die Auswirkungen unterschiedlicher Faktoren auf die mechanischen Eigenschaften der Chitosanfolien überprüft. Neben verschiedenen Chitosankonzentration wurden unterschiedliche Säuren und Säurekonzentrationen sowie verschiedene Weichmacher angewendet. Die Folien wurden mittels Kraftmessgerät gemessen. Daraufhin wurden die generierten Daten aufbereitet, ausgewertet und die Einflüsse der jeweiligen Faktoren ermittelt. Zudem wurden die Ergebnisse mit handelsüblichen Folien verglichen. Des Weiteren wurden Lagerversuche mit Chitosan als Lebensmittelcoating bei Früchten und Hackbällchen mit unterschiedlichen Lagerbedingungen durchgeführt, um weitere Eigenschaften von Chitosan als Verpackungsmaterial zu eruieren. Im Fokus standen die antimikrobielle Wirkung von Chitosan, sowie der Schutz der Lebensmittel von physikalischen Schäden, insbesondere vor Wasserverlust.


Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Extraktion von Chitosan aus Mehlkäfern noch nicht vollends erforscht wurde und sich die Qualität und Reinheit des resultierenden Chitosans stark von den handelsüblichen Produkten aus Krustentierschalen unterschied. Es hat sich gezeigt, dass der Erfolg der jeweiligen Extraktionsschritte stark von der Temperatur und der Reaktionszeit abhängt und Methoden zur Extraktion von Chitosan aus Krustentierschalen, aufgrund der unterschiedlichen Bestandteile neben Chitosan, nicht optimal für die Gewinnung von Chitosan aus Mehlkäfern geeignet sind.

Chitosanfolien und deren mechanische Eigenschaften wurden stark beeinflusst von der Chitosankonzentration, der Art und Konzentration der verwendeten Säure sowie von Additiven. Während die Säureart und der Weichmacher sowohl die Dehnbarkeit wie auch Zugfestigkeit der Folien beeinflusste, wirkten sich die Säure- und Chitosankonzentration vor allem auf die Zugfestigkeit der Folien aus. Es hat sich gezeigt, dass Folien aus Chitosan in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften, noch nicht mit handelsüblichen Folien konkurrieren können, aber Potenzial haben. Problematischer ist eher die schwache Wasserdampfbarriere, welche mit Additiven wie Ölen oder Wachsen verbessert werden muss.


Die Optimierung der Extraktion von Chitosan aus Insekten wird in nächster Zeit mehr an Bedeutung erlangen, da weltweit immer mehr Insekten produziert werden und daher auch mehr Nebenströme entstehen, welche in den Wirtschaftskreislauf integriert werden sollen. Zusätzlich werden die Anwendungen von Chitosan als Lebensmittelverpackung in naher Zukunft zunehmen, da sich Chitosan sehr gut eignet um funktionelle Verpackungen herzustellen. Besonders als natürliches antimikrobielles Additiv in Folien und Beschichtungen mit guten Wasserdampfbarrieren könnte Chitosan synthetische Konservierungsmittel ersetzen.

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Kommentare (1)

Josef Lustenberger am 17.10 2019 um 17:07

Vesandfolien

Spannende Ausführungen. Ich beschäftige mit momentan stark mit Versandfolien für Zeitschriften oder ähnlicher Drucksachen. Wäre dabei eine Folienherstellung auf der auf Basis von Chitosan für diesen Verwendungszweck möglich?
Nikolay Paller am 22.10 2019 um 08:29

Versandfolien

Hallo Josef Prinzipiell sind Folien aus Chitosan besonders gut für Produkte geeignet, welche eine geringe Eigenfeuchtigkeit aufweisen. Jedoch muss auch nach der Verpackung darauf geachtet werden, dass Die Chitosanverpackung nicht zu starker Luftfeuchtigkeit oder gar Regen oder ähnlichem ausgesetzt wird. Das Problem, dass Chitosanfolien starke Leistungsschwankungen bei Feuchte aufweisen, beschäftigt aktuell Forscher auf der ganzen Welt. Aktuell würde ich dir noch nicht empfehlen deine Zeitschriften in Chitosanfolien zu verpacken, da es noch zu starken Komplikationen kommen kann. Freundliche Grüsse Nikolay

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