Anwendung von Algenpolysacchariden in Lebensmittelverpackungen

Derzeit entwickelt sich die Plastikverschmutzung nach dem Klimawandel allmählich zum zweitgrößten Umweltproblem der Welt und stellt die globale nachhaltige Entwicklung vor große Herausforderungen. China ist der größte Produzent und Verbraucher von Kunststoffen weltweit. Synthetische Kunststoffe aus Erdölprodukten werden in der Lebensmittelverpackungsindustrie häufig verwendet. Herkömmliche Kunststoffverpackungen sind häufig nicht-recyclebar, nicht-biologisch abbaubar und nur schlecht wiederverwendbar, was zu einer raschen Anhäufung von Kunststoffabfällen auf Mülldeponien und in Ozeanen führt, was zu ernsthaften Umwelt- und Gesundheitsproblemen führt. Darüber hinaus können sich Mikroplastik und giftige Zusatzstoffe in Kunststoffen auch über die Nahrungskette anreichern.

Biologisch abbaubare Verpackungsmaterialien aus Biopolymeren können nicht-biologisch abbaubare Verpackungsmaterialien auf Erdölbasis-ersetzen und so die Umweltverschmutzung verringern. Unter den Biopolymeren sind Polysaccharide reichlich vorhanden, kostengünstig, ungiftig, erneuerbar und umweltfreundlich. Algenpolysaccharide wie Carrageenan, Alginat, Agar und Ulvan haben biologische Aktivitäten wie antivirale, antibakterielle, entzündungshemmende, antioxidative, antitumorale und immunregulierende Eigenschaften und werden häufig in der Medizin, Lebensmittelindustrie, Kosmetik und anderen Bereichen eingesetzt. Gleichzeitig verfügen Algenpolysaccharide über gute Filmbildungseigenschaften, eine gewisse mechanische Festigkeit und eine gute Gasbarriereleistung, wodurch sie sich für die Entwicklung umweltfreundlicher Kunststoffverpackungen eignen, die Lebensmittelqualität und mikrobielle Sicherheit gewährleisten.

Im Allgemeinen werden Algenpolysaccharide häufig in Form von Polysaccharidkompositen in Lebensmittelverpackungsmaterialien eingesetzt. Zu den Methoden zur Modifizierung von Polymeren auf Polysaccharid--Basis gehören die chemische Modifizierung von Polysacchariden, die Zugabe natürlicher oder chemischer Zusatzstoffe (wie Weichmacher, Tenside, Bräunungsschutzmittel usw.), das Mischen mit verschiedenen Polymertypen, die Gestaltung mehrschichtiger Filme und die Zugabe von Nanopartikeln. Mit diesen Methoden können Polysaccharid-Verbundmaterialien hergestellt werden, die zur Entwicklung neuer Arten von Lebensmittelverpackungen verwendet werden.

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Essbare Filme und Beschichtungen

Thakur et al. [2] verwendeten Reisstärke/ι-Carrageenan/Stearinsäure/Glycerin/Tween 20, um eine essbare Beschichtung mit hoher Zugfestigkeit (116,5 N/m²), mäßiger Löslichkeit (63,22 %) und geringer Wasserdampfdurchlässigkeit (3,55×10⁻¹¹ g·Pa⁻¹·s⁻¹·m⁻¹) zu erzeugen, die eine bildete essbarer, konservierender Überzug auf der Oberfläche von Früchten.

Peretto et al. [3] stellten eine essbare Beschichtung aus Natriumalginat/Petersilienphenol/Methylcinnamat her, die durch elektrostatisches Sprühen oder Streichen auf frische Erdbeeren aufgetragen werden kann. Im Vergleich zu herkömmlichen nicht-elektrostatischen Sprühmethoden verbessert dieser Ansatz die Fruchtfestigkeit und andere mechanische Eigenschaften und sorgt gleichzeitig für eine höhere natürliche antimikrobielle Aktivität, wodurch die Frische von Erdbeeren besser erhalten bleibt.

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Aktive Verpackung

Aktive Verpackungen stellen nicht nur eine inerte Barriere gegen äußere Einflüsse dar, sondern spielen auch eine wichtige Rolle bei der Lebensmittelkonservierung und Qualitätsüberwachung. Aktive Verbindungen in Aktivverpackungen können Feuchtigkeit, Kohlendioxid, Sauerstoff oder Ethylen aus Lebensmitteln oder der Umwelt entfernen oder antibakterielle, antioxidative und geschmacksverstärkende Wirkungen-entfalten.

Abbildung 1 Essbare Filme und Beschichtungen für Aktivverpackungen auf Basis von Algenpolysacchariden [1]


Essbare Filme, die aus κ-- und ι--Carrageenan, Glycerin und Lapacho-Extrakt hergestellt werden, haben eine gute antioxidative Wirkung, was dazu beiträgt, die Haltbarkeit von Obst und Gemüse zu verlängern [4]. Antimikrobielle Filme aus Agar und Nisin aus Lactobacillus in Sake können die herkömmliche Aluminiumfolie ersetzen, die in Käseverpackungen verwendet wird [5]. Durch die Zugabe antibakterieller Metallnanopartikel zu Polysaccharid-Verbundfolien kann die antimikrobielle Wirkung deutlich verstärkt werden. Aktive Lebensmittelverpackungsfolien, die aus Pullulan/Carrageenan-CuS-Nanopartikeln/D-Limonen entwickelt wurden, weisen eine gute antibakterielle Aktivität gegen lebensmittelbedingte Krankheitserreger auf [6]. Ultraviolettes Licht ist ein wesentlicher Faktor, der die Alterung und den Verderb von Lebensmitteln begünstigt. Yang et al. [7] entwickelten aktive Filme mit UV-blockierenden und wärmeisolierenden Eigenschaften, indem sie bio-inspirierte feste Dopamin-Melanin-Nanopartikel in Natriumalginat/Polyvinylalkoholfilme integrierten.

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Intelligente Verpackung

Intelligente Verpackungen können Verbrauchern schnelle, zerstörungsfreie Informationen in Echtzeit über die Qualität und Sicherheit verpackter Lebensmittel liefern.

Unter diesen bieten kolorimetrische pH-Sensorfolien eine sichere, zerstörungsfreie Methode zur visuellen Beurteilung der Lebensmittelfrische während der Lagerung. Kolorimetrische pH-Sensorfilme, die aus ι-Carrageenan und natürlichen Mischfarbstoffen entwickelt wurden, zeigen deutliche Farbveränderungen (rot-lila-blau-grün-gelb) über einen pH-Bereich von 1,0-12,0 und können zur Erkennung von Lebensmittelverderb eingesetzt werden [8]. Kolorimetrische Filme, die durch Einarbeitung von Himbeertresterextrakt in Pektin/Natriumalginat/Xanthangummi-Verbundfilme hergestellt werden, zeigen im pH-Bereich von 5–10 deutliche Farbveränderungen von Rosa-Rot-Braun-Blau-Dunkelgrün, was sie für die Erkennung der Frische proteinreicher Lebensmittel nützlich macht [9].

Abbildung 2 Schematische Darstellung intelligenter Verpackungs- und Frischeindikatoren