Brasilianische Forscher haben einen biologisch abbaubaren Sensor auf Stärkebasis entwickelt, der seine Farbe ändert, wenn Feuchtigkeit in Lebensmittelverpackungen eindringt. Dank der Zugabe von Kobaltchlorid wechselt das intelligente Gerät seine Farbe von Blau zu Rosa, je nachdem, ob der Feuchtigkeitsgehalt steigt oder sinkt. Diese Technologie ermöglicht es Verbrauchern und Herstellern, die Qualität und Knusprigkeit von Lebensmitteln wie beispielsweise Keksen ganz einfach mit bloßem Auge oder über einen Handybildschirm zu überwachen, wodurch komplexe Geräte überflüssig werden. Die Forschung wurde von Wissenschaftlern des Instituts für Chemie von São Carlos an der Universität von São Paulo (IQSC-USP) geleitet und von der FAPESP im Rahmen von drei Projekten gefördert.
Die Autoren begannen die Tests mit Cracker-Keksen, die sehr feuchtigkeitsempfindlich sind und bei unsachgemäßer Lagerung schnell ihre Knusprigkeit verlieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die Farbveränderung mit einem Anstieg des Feuchtigkeitsgehalts einherging, der stark mit einem Verlust der Textur der Cracker korrelierte. Dies deutet darauf hin, dass der Sensor tatsächliche Veränderungen der Lagerbedingungen erfolgreich widerspiegelt.
In nur wenigen Sekunden verändert der kleine, auf Stärke basierende Zylinder, der in der Nähe der Cracker platziert wurde, seine Farbe und wechselt zwischen verschiedenen Blau- und Rosatönen. Wenn das Salz trocken ist, färbt es sich blau. Wenn es Wasser aufnimmt, färbt es sich rosa, was auf das Vorhandensein von Wasserdampf hinweist. Dies geschieht, weil Kobaltchlorid in Gegenwart von Wasser hydratisiert, was zu einer Veränderung seiner chemischen Struktur und folglich zu einem Farbwechsel führt.
„Das Besondere an dieser Studie war die größere Oberfläche des Sensors, wodurch er hochempfindlich wurde und es uns ermöglichte, unterschiedliche Feuchtigkeitsbedingungen im Inneren der Verpackung zu beobachten. Wenn ich ihn in eine sehr trockene Umgebung lege, reagiert er. Umgekehrt reagiert er auch, wenn ich ihn in eine sehr feuchte Umgebung lege“, erklärt Bianca Maniglia, Professorin am IQSC-USP und Forschungsbetreuerin.
Nach aktuellen Daten des brasilianischen Verpackungsverbandes (ABRE) erwirtschaftet die Verpackungsbranche in Brasilien derzeit jährlich rund 165,7 Milliarden Brasilianische Real. Es wird erwartet, dass die Industrie und die Verbraucher diese neue Technologie in Zukunft nutzen können, um die Knusprigkeit und den Feuchtigkeitsgehalt verschiedener Produkte zu bestimmen.
Inspiration aus Kindheitserinnerungen
Die Idee, Kobaltchlorid zur Herstellung des Sensors zu verwenden, entstand aus einer Kindheitserinnerung. Während der Entwicklung des Projekts erinnerte sich Maniglia an den „Wetterhahn“, ein Küchenornament, das vom „Hahn von Barcelos“, einem der nationalen Symbole Portugals, inspiriert war. Dieses Objekt, das in den 1980er Jahren in brasilianischen und portugiesischen Haushalten weit verbreitet war, änderte seine Farbe, um anzuzeigen, ob es regnen oder sonnig werden würde.
Nach mehreren Tests beschlossen die Forscher, den Sensor mit demselben Material zu beschichten, das auch für die Beschichtung der Hähne verwendet wurde. Allerdings passten sie es an eine andere Technologie an, die die Forschungsgruppe entwickelt: Kryogel, ein hochporöses Material, das durch das Einfrieren von Polymeren hergestellt wird (daher der Name „Kryo“).
„Das Stärkegel wird eingefroren und einer Gefriertrocknung [Dehydrierung] unterzogen. Während dieses Prozesses wird das gefrorene Wasser durch Sublimation entfernt und geht dabei direkt vom festen Zustand in den gasförmigen über. Durch die Entfernung der wässrigen Phase bleibt die beim Einfrieren entstandene poröse Struktur erhalten, was zu einem Material mit einer hohen Fähigkeit zur Wechselwirkung mit der Umgebung führt“, erklärt der Wissenschaftler.
Es müssen noch weitere Untersuchungen durchgeführt werden. „Für den kommerziellen Einsatz müssten herkömmliche Verpackungen neu konzipiert werden, da der Sensor aufgrund des enthaltenen Kobaltchlorids derzeit giftig ist und daher nicht in direkten Kontakt mit Lebensmitteln kommen darf“, merkt Maniglia an.
Nach Angaben des Wissenschaftlers prüft die Forschungsgruppe verschiedene Techniken und Materialien, darunter auch den Einsatz bioaktiver Verbindungen, die aus Früchten wie der Schale der Jabuticaba gewonnen werden. „Diese natürlichen Pigmente reagieren empfindlich auf pH-Schwankungen und zeigen Farbveränderungen, die als visuelle Indikatoren genutzt werden können; zudem besitzen sie eine antioxidative Wirkung. In diesem Fall ist es das Ziel, ein System zu entwickeln, das beispielsweise den Verderb von Fleisch überwachen kann. Die Einbindung dieser natürlichen Verbindungen ist auch deshalb wichtig, weil sie dazu beiträgt, deren Wert zu steigern“, sagt der Forscher.
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