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Bessere Ethylenbindung: Chemisch veränderter Ton könnte Obst länger frisch halten
Ethylen beschleunigt die Reifung vieler Früchte und kann sich in geschlossenen Transportbehältern anreichern. Forscher haben nun gezeigt, dass chemisch verändertes Montmorillonit das Gas auf zwei unterschiedlichen Wegen bindet. Säurebehandlung erhöht vor allem die Aufnahme, während eine Modifikation mit Cholin Ethylen stärker zwischen den Tonschichten festhält.
Frederiksberg (Dänemark). Obst wie Bananen, Avocados oder Tomaten produziert während der Reifung Ethylen. In geschlossenen Verpackungen und Containern kann sich das gasförmige Pflanzenhormon anreichern und die Reifung weiter beschleunigen. Materialien, die Ethylen aufnehmen, könnten diesen Prozess künftig bremsen. Entscheidend ist dabei nicht nur, wie viel Gas ein Material bindet, sondern auch, wo und wie stabil es gespeichert wird.
Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) um Karina Kovalchuk haben nun drei Varianten des Tonminerals Montmorillonit systematisch verglichen. Das Team untersuchte eine unbehandelte Form, säureaktiviertes Montmorillonit und eine mit Cholin funktionalisierte Variante. Mit Röntgenverfahren, gravimetrischen Messungen und Spektroskopie einschließlich inelastischer Neutronenstreuung verfolgten die Wissenschaftler, an welchen Stellen sich Ethylen im Material anlagert.
„Ton ist ein interessantes Material, weil er natürlich, billig, ungiftig und überall zu finden ist und wir ihn sicher in den Körper aufnehmen können“, sagt Heloisa Bordallo vom Niels Bohr Institute (NBI).
Die Analysen zeigen, dass die chemische Behandlung den Weg des Ethylens durch das Material deutlich verändert. Bei der Säureaktivierung entstehen zusätzliche mesoporöse Adsorptionsplätze, also winzige Hohlräume mit großer innerer Oberfläche. Zugleich kann ein Teil des Gases zwischen die Schichten des Minerals eindringen. Dadurch steigt die gesamte Ethylenaufnahme gegenüber dem unbehandelten Material deutlich an.
Die Cholin-Modifikation verschiebt den Schwerpunkt dagegen zur Einlagerung zwischen den Tonschichten. Dort wird das Ethylen stärker stabilisiert. Die beiden Behandlungen liefern damit unterschiedliche Stellschrauben für künftige Adsorber. Säureaktivierung begünstigt eine hohe Aufnahme, während Cholin vor allem die längerfristige Festhaltung des aufgenommenen Gases unterstützt.
„Jetzt kennen wir die grundlegende Physik und Chemie des Prozesses, der beeinflusst, wie Ton Ethylen aufnimmt und festhält“, sagt Karina Kovalchuk.
Für mögliche Verpackungen ist diese Unterscheidung wichtig. Ein Ethylenfänger muss nicht nur möglichst viel Gas aufnehmen, sondern es auch ausreichend lange festhalten, damit es nicht wieder in den Luftraum der Verpackung gelangt. Die Studie liefert deshalb vor allem ein physikalisch-chemisches Bauprinzip, mit dem sich Tonmaterialien gezielt auf unterschiedliche Anforderungen abstimmen lassen.
Die Ergebnisse beruhen auf Material- und Gasmessungen im Labor. Ob die behandelten Tone die Haltbarkeit realer Früchte während Transport und Lagerung tatsächlich verlängern, wurde in dieser Arbeit noch nicht untersucht. Nach Angaben der University of Copenhagen (UCPH) arbeitet das Team nun an der weiteren Optimierung und will das Material als Nächstes in Lebensmittelverpackungen testen.
Als mögliche Anwendung nennen die Forscher kleine Beutel oder Pads mit Tonpulver, die zusammen mit Obst und Gemüse in Verpackungen oder Transportbehälter gelegt werden könnten. Dort sollen sie Ethylen aus der Luft aufnehmen. Erst praktische Versuche müssen jedoch zeigen, welche Materialmenge nötig wäre, wie lange der Effekt anhält und ob sich das Verfahren unter realen Bedingungen bewährt.