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Gelb ist das neue Braun
Katalysator auf Holzbasis, um die Früchte frisch zu halten

Wenn verschiedene Arten von Gemüse und Obst zusammen gelagert werden, beeinflussen sie den Reifungsprozess des anderen. Dies ist auf Ethylen zurückzuführen, das von einigen pflanzlichen Lebensmitteln emittiert wird und die Reifung beschleunigt. Um übermäßige Lebensmittelverschwendung durch beschleunigte Reifung zu vermeiden, entwickeln Forscher von Empa und ETH Zürich einen neuen Katalysator, der Ethylen zu Wasser und Kohlendioxid abbaut.
Wenn frisch gekaufte Bananen in einem vollen Obstkorb aufbewahrt werden, bleiben sie nicht lange gelb. Nur wenige Tage später nehmen die krummen Früchte eine bräunliche Farbe an und werden eher weggeworfen als gegessen. Der Grund für diese schnelle Reifung ist das chemische Ethylen. Das gasförmige Pflanzenhormon fungiert nicht nur als Botenstoff innerhalb einer einzelnen Frucht, sondern beeinflusst auch andere Exemplare in der Nähe. Ethylen löst eine echte Kettenreaktion aus, indem es die Produktion von (mehr) Ethylen in anderen Pflanzen und Früchten stimuliert. Und mehr Ethylen bedeutet schnellere Reifung. Daher verursachen Früchte wie Äpfel, die besonders viel Ethylen abgeben, eine vorzeitige Reifung beispielsweise in Bananen, die als Reaktion auf das Hormon besonders stark reagieren. Wenn dieses Lebensmittel zusammen gelagert wird, kann eine schnelle Reifung zu einer unerwünschten Nebenwirkung werden. Obst kann nicht so lange gelagert werden - was nicht nur zu Lebensmittelverlusten im Kühlschrank führt, sondern auch in der gesamten Lieferkette vom Importeur bis zum Groß- und Einzelhandel.

Platin für langsamere Reifung
Um dem beschleunigten Reifungsprozess entgegenzuwirken, muss Ethylen von Obst und Gemüse ferngehalten werden. Zu diesem Zweck haben die Empa / ETH Zürich-Forscher Huizhang Guo und Mirko Lukovic eine Idee entwickelt, um das von Obst und Gemüse freigesetzte Ethylen abzubauen. Das Konzept basiert auf einer delignifizierten Holzstruktur, die mit einem Katalysator angereichert ist, der auf atomarer Ebene dispergiert ist. Holz besteht aus drei Grundstoffen: Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Die Forscher verwendeten ein Protokoll, das in der Professur für Holzwerkstoffe an der ETH Zürich und der Empa entwickelt wurde
und löste mit Hilfe einer sauren Lösung sowohl Lignin, Holzbindesubstanz, als auch einen Teil der Hemicellulosen. Dies macht die verbleibende Cellulosestruktur extrem porös mit einer sehr großen spezifischen Oberfläche. Diese Eigenschaften machen das delignifizierte Holz zu einem perfekten natürlichen Gerüst für einen Katalysator.

In einem nächsten Schritt wird das delignifizierte Holz in zwei verschiedene Lösungen gegeben. Das erste schafft das Fundament, damit die Platinpartikel später an den Zellwänden des Holzes haften können; Die zweite enthält die Platinpartikel, die dann in die Holzstruktur gelangen.

Pionier bereits auf dem Markt
Dieses Konzept ähnelt dem in Automotoren verwendeten. Wenn Ethylen durch diese poröse Struktur fließt, "stößt" es wiederholt auf oberflächengebundenes Platin, das den Abbau von Ethylen zu Wasser und Kohlendioxid (CO2) katalysiert. Das Empa-Team konnte zeigen, dass der Katalysator bei Raumtemperatur praktisch das gesamte emittierte Pflanzenhormon zersetzt. Wenn die Temperatur jedoch auf 0 Grad fällt, kann Wasser - eines der Reaktionsprodukte - nicht mehr verdampfen, haftet am Katalysator und verhindert eine weitere chemische Reaktion. Um den Katalysator von der Kondenswasserschicht zu befreien und wieder funktionieren zu lassen, reicht es aus, die gesamte Struktur alle zwei Stunden einige Minuten lang aufzuwärmen, sagt Lukovic.

Diese Ergebnisse zeigen die Funktionalität des mit Katalysator angereicherten modifizierten Holzes. Der nächste Schritt wäre eine Hochskalierung des Konzepts auf industrielles Niveau, sagen die Forscher. Größere und massenproduzierte Versionen ihres Prototyps könnten in Kühlschränken und Kühlhäusern installiert werden, wodurch der Reifungsprozess verlangsamt und Obst und Gemüse erheblich länger frisch gehalten werden. Darüber hinaus kann die Lebensdauer eines solchen Katalysators so lang sein wie die Lebensdauer des Kühlschranks.

Das Konzept des katalytischen Abbaus von Ethylen zur Verlängerung der Haltbarkeit von Früchten ist nicht neu. Seit 2015 produziert das japanische Unternehmen Hitachi Kühlschränke mit Platinkatalysatoren. Hitachi verwendet Silica als Gerüst für die Platin-Nanopartikel. Die Empa-Forscher haben dieses Konzept durch die Verwendung eines Gerüsts auf Holzbasis und eine effizientere Nutzung des (ziemlich teuren) Platinkatalysators verbessert. Delignifiziertes Holz ist eine umweltfreundliche und erneuerbare Ressource mit einer bemerkenswert porösen und hierarchischen Struktur. Dadurch können Platin-Nanopartikel mit einer Größe von 20 Nanometern gleichmäßig und effizient in einem sehr kleinen Volumen verteilt werden, um den gewünschten katalytischen Effekt zu erzielen. Darüber hinaus vermeidet die bei Empa entwickelte Technologie eine mögliche Kontamination des Lebensmittels mit Platin-Nano- / Mikropartikeln, indem der Katalysator auf der Oberfläche der porösen Holzstruktur fixiert wird.

erschienen am: 2020-03-24 im europaticker



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