Biobasierte Barrierebeschichtungen für Papier

Verschiedene Granulate und Papierschalen Barrierelösungen für Lebensmittelverpackungen
Die Wissenschaftler setzen Zellulose und verschiedenste Proteine anstelle von synthetischen Kunststoffen zur Herstellung wasserbasierter, nasschemischer Beschichtungen ein. (Bild: Fraunhofer IVV)

Verpackungen aus erneuerbaren Materialien wie Papier eignen sich aufgrund der geringen Gasbarriere meist nicht für haltbare Lebensmittel mit hoher Wasseraktivität. Wissenschaftler am Fraunhofer IVV wollen das ändern und suchen jetzt nachhaltige Barrierelösungen.

Das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Freising arbeitet an der Entwicklung modernster biobasierter Beschichtungen und Klebstoffe, die als Wasserdampf-, Sauerstoff- sowie Mineralölbarrieren fungieren. Das Ziel: erdölbasierte Verpackungsmaterialien für Lebensmittel durch biobasierte Mehrschichtsysteme zu ersetzen und gleichzeitig die Funktionalität zu verbessern.

Proteine und Zellulose schützen vor Sauerstoff

Um die Menge an Sauerstoff, die in eine Verpackung eindringt, zu minimieren, verwenden Hersteller normalerweise teure Polymere auf Erdölbasis, wie zum Beispiel Ethylenvinylalkohol (EVOH) als Barrierematerialien. Wissenschaftler des Fraunhofer IVV setzen nun Zellulose sowie verschiedenste Proteine anstelle von synthetischen Kunststoffen zur Herstellung wasserbasierter, nasschemischer Beschichtungen ein. Diese sind beispielsweise Molkenproteine, Caseine, aber auch pflanzliche Proteine aus Lupinen, Kartoffeln, Sonnenblumen oder Rapssamen.

Dr. Martina Lindner, Fraunhofer IVV

(Bild: Fraunhofer IVV)



„Wir haben verschiedene Proteinrezepturen entwickelt, die als Rohmaterial für eine Beschichtung zum Schutz vor Sauerstoff dienen. Nun suchen wir Industrie- und Forschungspartner, mit denen wir gemeinsam diese Entwicklungen auch in die industrielle Anwendung bringen.“ Dr. Martina Lindner, Wissenschaftlerin und Geschäftsfeldmanagerin Verpackung am Fraunhofer IVV.

Die Wissenschaftler haben eine Reihe unterschiedlicher Methoden getestet, um geeignete Proteinrezepturen mit ausgezeichneten Filmbildungseigenschaften zu erhalten. Damit die Beschichtungen flexibel genug sind und keine Risse während der Verpackungsherstellung bilden, haben sie die Proteine anschließend mit verschiedenen essbaren Weichmachern gemischt.

Ein zweiter Ansatz ist die Entwicklung nanozellulosebasierter Beschichtungen. Nanozellulose stammt aus Holz und weist eine sehr hohe Barriere gegenüber Sauerstoff und Mineralöl auf. Sie ist wasserlöslich und kann deswegen auch in Form eines Lacks aufgetragen werden.

Dennoch muss für diese Anwendung die Nanozellulose weiter funktionalisiert werden, um geeignete Materialcharakteristika zu erhalten. Dann könnte es möglich sein, EVOH, Polyamid (PA) und Polyvinylidenchlorid (PVdC) in bestimmten Anwendungen zu ersetzen. In Zukunft sind auch alternative Quellen für Nanozellulose vorgesehen, beispielsweise kurzfaserige recycelte Pulpe, die normalerweise verbrannt wird, Weizenstroh bzw. -spelzen oder hochreine bakterielle Nanozellulose.

Wachse und Cutin weisen Wasser ab

Viele biobasierte Materialien sind hydrophil und bieten daher keine gute Barriere gegenüber Wasser. Es gibt aber biologische Prozesse, bei denen der Transport von Wasser durch die Pflanzen selbst limitiert wird – mithilfe von Wachs und Cutin. Wachse kommen auf der Oberfläche von Pflanzen vor, die in warmen und trockenen Klimazonen wachsen und sich so vor Wasserverlust schützen. Cutin ist ein natürliches Polymer, das in Pflanzen als Zwischenschicht zwischen der Wachsoberfläche und der zellulären darunterliegenden Struktur vorkommt.

Die verwendeten Wachse wurden aus der Oberfläche von Pflanzen (Olive, Efeu und Zitrone) extrahiert, zu einer Dispersion auf Wasserbasis verarbeitet und als Beschichtung auf Papiere und Kunststoffe aufgetragen. Die Forscher konnten zeigen, dass die Wasserdampfdurchlässigkeit damit deutlich reduziert werden kann. Die Barrierewirkung selbst entspricht in etwa der von PE.

Bezüglich der Gasbarriere die vielversprechendste Alternative: mit Ethanol extrahiertes Olivencuticulawachs, das sogar mit kommerziellen Wachsen mithalten kann. Versuche in Pilotanlagen konnten zeigen, dass ein Upscaling des Beschichtungsprozesses möglich ist und sogar zu Ergebnissen führt, die besser sind als im Labormaßstab. Da aber alle natürlichen Wachse einen Schmelzpunkt unter 90 °C haben – was die Siegel- und Kratzfestigkeitseigenschaften der Beschichtungen beeinflusst –, arbeiten die Wissenschaftler derzeit an der weiteren Verbesserung dieser Formulierungen.

Papier mit Barrierebeschichtung vor blauem Hintergrund

Biobasierte Beschichtungen können als Wasserdampf-, Sauerstoff- sowie Mineralölbarrieren fungieren. (Bild: Fraunhofer IVV)

Abgesehen von den Wachsen ist auch Cutin ein vielversprechendes Rohmaterial. Basierend auf dem natürlichen Vorbild entwickelten die Wissenschaftler eine cutinbasierte Beschichtung für Papierprodukte. Diese ist wasserabweisend und erhöht somit die Dimensionsstabilität und Reißfestigkeit von papierbasierten Produkten in feuchter Umgebung. Die Beschichtung kann als Dispersion auf Wasser- oder Ethanolbasis aufgetragen werden und könnte eine nützliche Anwendung für wasserabweisende Umschläge, Gemüsetransportkisten, Kartonverpackungen für Joghurtbecher oder andere Anwendungen sein. Außerdem ist diese Beschichtung als biobasierte Alternative zu PE-Extrusionsbeschichtungen für Papier und Polymersubstrate denkbar.

Barrierebeschichtung mit Klebstoff

Neben Barrierebeschichtungen entwickeln die Wissenschaftler auch biobasierte Klebstoffe, die gleichzeitig eine hohe Sauerstoffbarriere aufweisen. So kombinieren diese Klebstoffe die Eigenschaften zweier Materialien in einer einzelnen Schicht, was den Materialverbrauch im Bereich der Lebensmittelverpackungen potenziell senken könnte.

Papier und Tiegel mit Granulat zur Barrierebeschichtung

(Bild: Fraunhofer IVV)

Das Fraunhofer IVV hat einen speziellen Prozess entwickelt, um Proteine aus Reststoffen der Lebensmittelindustrie zu extrahieren. Diese durchlaufen dabei strukturelle Änderungen, die zu den gewünschten klebenden Eigenschaften führen, die sehr gute Sauerstoffbarriere aber aufrechterhalten. Daher kann eine solche Beschichtung Barrierepolymere wie EVOH auf petrochemischer Basis ersetzen und gleichzeitig als Kaschierklebstoff in Mehrschichtverpackungen fungieren.

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Die genannten Entwicklungen werden derzeit im Rahmen der folgenden öffentlich geförderten Forschungsprojekte weiterentwickelt: BionicBarrier (unterstützt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung; Fördervereinbarung 031B0701); BioActiveMaterials (unterstützt durch das Bundesministerium für Wirtschaft, Mittelstand und Energie auf Basis der Entscheidung des deutschen Bundestages, Fördervereinbarung 222 EN); Ecoat (finanziert durch die Bio Based Industries Joint Undertaking (JU) unter dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung Nummer 837863. Die JU erhielt Unterstützung vom Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union und dem Bio Based Industries Consortium.); NanoCELL (unterstützt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung; Fördervereinbarung 03XP0196F); ProCell (EIT Food /  Europäische Union, Fördervereinbarung 20137).

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