Multifunktionale biobasierte Wasserdampf-Barrierebeschichtungen für Verpackungen auf Faserbasis

Barriereschichten schützen bei faserbasierten Lebensmittelverpackungen vor Verderb

 Das stetige Wachstum der Weltbevölkerung in Verbindung mit dem kulturellen und industriellen Wandel hin zu Convenience, Massenproduktion und Online-Shopping hat zu einem erheblichen Anstieg des Verbrauchs an Verpackungsmaterial geführt. Die hohe Nachfrage nach faserbasierten Verpackungen ist auf ein gestiegenes Umweltbewusstsein und neue politische Kampagnen sowie Regularien zur Förderung der Nachhaltigkeit und zur Einschränkung der Produktion von Produkten auf fossiler Basis zurückzuführen. Trotz der zahlreichen Vorteile von faserbasierten Substraten, darunter hohe Verfügbarkeit, Nachhaltigkeit und Vielseitigkeit, bieten diese keine nennenswerte Schutzbarriere gegen das Eindringen von Gasen oder Flüssigkeiten. Dies ist vor allem im Bereich der Lebensmittelverpackungen kritisch, da Sauerstoff und Feuchtigkeit zum Verderb der Lebensmittel führen können.

Biobasierte Barrierebeschichtungen sind noch nicht multifunktional

Die derzeit gängige Lösung für dieses Problem besteht darin, faserbasierte Substrate mit Schutzschichten gegen das Eindringen von Gasen und Feuchtigkeit zu beschichten, wobei Polymere auf fossiler Basis wie PE, EVOH usw. verwendet werden. Diese Materialien sind jedoch nicht nur ressourcenbeschränkt und umweltschädlich, sondern behindern auch die Wiederverwertbarkeit des Papiers. Aktuelle Ansätze für biobasierte Lösungen verwenden erneuerbare Polymere wie Polysaccharide, Proteine und Wachse als einzelne Schichten oder eine Kombination davon. Diese bieten entweder eine Barrierefunktion gegenüber Wasserdampf oder Sauerstoff oder eine Siegelbarkeit. Ein Biowerkstoff, der alle notwendigen Eigenschaften für die Herstellung einer Verpackung für empfindliche Lebensmittel in sich vereint, ist derzeit weder auf dem Markt verfügbar, noch gibt es erfolgreiche Forschungsansätze.

Neuartige biobasierte Beschichtung aus Kork

Das »BioBarrier4Fiber« Projekt hat sich zum Ziel gesetzt, dieses Problem zu lösen, indem es ein neuartiges Beschichtungskonzept für faserbasierte Lebensmittelverpackungen entwickelt, das erstmals eine Wasserdampfbarriere mit hoher Flexibilität, Verarbeitbarkeit und Siegelfähigkeit kombiniert. Dieses multifunktionale Beschichtungssystem soll aus verschiedenen Suberinfettsäuren (SFA) hergestellt werden. Gewonnen werden sie aus dem Kork von Eichen und Buchen in Deutschland und der Türkei. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung eignen sich Suberinfettsäuren für diesen Zweck besonders gut. Sie bestehen aus hochfunktionellen, polymerisierbaren aliphatischen Säuren variabler Länge und Struktur. In der Natur fungieren sie als hydrophober Polyester, der eine Schutzschicht um das Periderm von Pflanzen bildet. Mit »BioBarrier4Fiber« soll diese Funktion nun auch für Verpackungen genutzt werden.

Projektergebnisse – »BioBarrier4Fiber«

Prozessentwicklung – Extraktion von Suberinfettsäuren

Für die Gewinnung von Suberinfettsäuren (SFA) aus Korkrinde entwickelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein Extraktionsverfahren, das auf einer alkalischen Depolymerisation basiert. Dieses Verfahren wurde zunächst im Labormaßstab etabliert und anschließend erfolgreich skaliert. Auch in größeren Maßstäben konnten die SFA-Extrakte in vergleichbarer Qualität hergestellt werden.

SFA-Beschichtung mit guten Barriereeigenschaften

Das Fraunhofer IVV evaluierte zudem den Beschichtungsprozess für faserbasierte Substrate. Die SFA-basierten Formulierungen wurden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf verschiedene Papiersubstrate aufgetragen. Die so beschichteten Materialien zeigten im Vergleich zur unbeschichteten Referenz eine deutlich verbesserte Wasserdampfbarriere. Unter praxisnahen Prüfbedingungen (23 °C, 85 % relative Luftfeuchtigkeit) wurden Wasserdampfdurchlässigkeitsraten (WVTR) im Bereich von 5–10 g/m²·d erreicht. Diese Ergebnisse stellen für ein rein biobasiertes Beschichtungsmaterial einen großen Erfolg dar und verdeutlichen das Potenzial der Technologie für zukünftige Verpackungsanwendungen.

SFA-beschichtete Papierbeutel verlängern die Haltbarkeit

Zur Herstellung von Demonstratorbeuteln wurde ergänzend eine zusätzliche Siegellackschicht eingesetzt, da die extrahierten Suberinfettsäuren im aktuellen Entwicklungsstand noch keine ausreichende Siegelfähigkeit aufwiesen. Lagertests mit Kirschtomaten zeigten, dass die Früchte in SFA-beschichteten Papierbeuteln länger frisch blieben als unverpackte Tomaten. Die gezielte Optimierung der Siegelfähigkeit von SFA ist in weiteren Forschungsprojekten geplant.

Enge Zusammenarbeit von Forschung und Industrie

Die Auswahl und Vorbehandlung der Buchen- und Eichenrinden sowie die Entwicklung und Optimierung der Extraktionsprozesse und des Beschichtungsmaterials erfolgten in Zusammenarbeit zwischen dem Fraunhofer IVV und dem türkischen Forschungszentrum TÜBITAK. Begleitend unterstützten acht Verbände – darunter der Industrieverband für Lebensmitteltechnologie und Verpackung e.V. (IVLV) und der Verband der Verpackungshersteller in der Türkei (ASD) – gemeinsam mit einem Industriekomitee die Projektarbeiten und bewerteten das technisch-wirtschaftliche Potenzial der entwickelten Lösung.