Fertigprodukte erfreuen sich in der Bevölkerung einer stetig wachsenden Beliebtheit. Geschützt werden diese Lebensmittel meist durch Folien, die auf fossilen Rohstoffen basieren. Forscher des Fraunhofer-Gesellschaft    zur Förderung der angewandten Forschung e.V  haben jetzt nicht nur ein Biomaterial aus Molkeprotein entwickelt, sondern auch ein wirtschaftliches Verfahren, mit dem sich Multifunktionsfolien industriell herstellen lassen.

Mit neuen Verpackungsmaterialien auf Molkebasis können fossile Ressourcen eingespart werden.  Mit dem Vormarsch abgepackter Lebensmittel steigt auch der Bedarf an der passenden Verpackung. Bei frischen Lebensmitteln kommen dafür häufig transparente Mehrschichtfolien zum Einsatz. Diese Folien schützen den Inhalt vor Feuchtigkeit, Sauerstoff und weiteren Umwelteinflüssen. Die dabei verwendeten Stoffe basieren überwiegend auf fossilen Brennstoffen. Ihre Herstellung ist nicht nur teuer, sondern verbraucht auch immer knapper werdende Ressourcen. Eine nachhaltige Alternative dazu haben Forscher vom Fraunhofer Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Freising entwickelt – inklusive des technischen Verfahrens für den industriellen Einsatz.  

Ob es um abgepackten Camembert oder eingeschweissten Leberkäse geht: Ohne die richtige Verpackung geht heute nichts mehr. Die Lebensmittel müssen geschützt werden vor Sauerstoff, Wasserdampf und chemischen sowie biologischen Einflüssen. Und natürlich sollen sie möglichst lange frisch bleiben. Oft schützen transparente Mehrschichtfolien Nahrung vor externen Einflüssen. Damit möglichst wenig Sauerstoff an das Nahrungsmittel gelangt, werden häufig petrochemisch basierte und teure Polymere wie Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (EVOH) als Barrierematerial verwendet. Die Gesellschaft für Verpackungsmarktforschung schätzt, dass im Jahr 2014 in Deutschland mehr als 640 Quadratkilometer an Verbundmaterialien mit EVOH als Sauerstoffbarriere-Schicht produziert und verbraucht werden das entspricht in etwa der Fläche des Bodensees.

Da liegt es auf der Hand, ein nachhaltiges Verpackungsmaterial zu entwickeln, das Ökonomie mit Ökologie verbindet. In dem EU-Projekt »Wheylayer « nutzen Forscher Molkeprotein statt petrochemisch basierter Kunststoffe. Die in der Molke natürlich vorkommenden Inhaltsstoffe verlängern die Haltbarkeit von Lebensmitteln, und die Molkeproteinschicht lässt sich biologisch abbauen. Die Forschungsergebnisse sind vielversprechend. »Es ist uns gelungen, eine Formulierung aus Molkeprotein als Basis für die Folienbeschichtung zu gewinnen. Und wir haben einen Prozess entwickelt, mit dem sich die Multifunktionsfolien im industriellen Massstab wirtschaftlich herstellen lassen «, resümiert Markus Schmid vom Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Freising.  

Als Grundlage für das neue Beschichtungsmaterial verwendeten sie aufgereinigte Molkeproteine, die mithilfe verschiedener lebensmittelgeeigneter Faktoren modifiziert (verändert) wurden. Die transparente Beschichtung verlängert durch die Molkebestandteile die Haltbarkeit von Lebensmitteln. Sie eignet sich z. B. als Ersatz für Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (EVOH), einem Kunststoff, der oft zur Verpackung von Nahrungsmitteln eingesetzt wird. Immerhin 640 Quadratkilometer Beschichtung auf fossiler Basis könnten jedes Jahr in Deutschland eingespart werden, wenn EVOH komplett durch das neue Produkt ersetzt würde. Technisch möglich wäre das: Durch das parallel entwickelte, zum Patent eingereichte Herstellungsverfahren lässt sich die Molkebeschichtung schnell und einfach auf Kunststofffolien aufbringen. Diese können dann mit anderen Folien verbunden werden. Bereits vorhandene Anlagen müssen dafür nur geringfügig umgebaut werden.  

Die Freisinger Forscher arbeiten derweil schon an ihrem nächsten Molkeprodukt: Einer hitzestabilen Beschichtung für Verpackungen, die sich thermisch verformen lassen.

Aber lässt sich aus Molke überhaupt eine Barriereschicht fertigen? Zunächst haben die IVV-Wissenschaftler Süss- und Sauer-Molke aufgereinigt und hochreine Molkeprotein-Isolate hergestellt. Um geeignete Proteine mit herausragenden filmbildenden Eigenschaften zu erhalten, haben sie unterschiedliche Modifikationswege geprüft. Damit die gewonnenen Proteine den gewünschten mechanischen Beanspruchungen standhalten, wurden sie mit verschiedenen, ebenfalls biobasierten Weichmachern und anderen Zusätzen in unterschiedlichen Konzentrationen formuliert. »Diese Zusätze sind allesamt zugelassene Substanzen «, sagt Schmid.

Die Suche nach der optimalen Formulierung gestaltete sich für die Freisinger Forscher aufwändig: Verwendet man beispielsweise zu viele Weichmacher, sinkt die Barriereeigenschaft gegenüber Wasserdampf und Sauerstoff das Lebensmittel wäre nicht ausreichend geschützt. Am Ende haben die Freisinger aber nicht nur die optimale Formulierung entwickelt, sondern auch das entsprechende Verfahren, um im industriellen Massstab wirtschaftlich Molkeproteinfilme auf Kunststofffolien aufzubringen und diese durch andere Technologien mit anderen Folien zu verbinden. So entstehen Mehrschichtstrukturen mit Barrierefunktionen, die in flexiblen, transparenten Lebensmittelverpackungen eingesetzt werden. »Am IVV haben wir erstmals einen solchen Mehrschichtaufbau im Rolle-zu-Rolle-Verfahren realisiert eine Weltneuheit «, erklärt Schmid. Unternehmen, die künftig auf Molkeproteine umsteigen wollen, müssen ihre Anlagen nur geringfügig umrüsten. Das entsprechende Patent ist eingereicht.  

Die IVV-Forscher sind von der Zukunft der Molkeproteine als alternatives Verpackungsmaterial so überzeugt, dass sie ein eigenes Projekt initiiert haben, das einen Schritt weiter geht: Denn laut einer Umfrage der Gesellschaft für Verpackungsmarktforschung (GVM) steigt nicht nur die Nachfrage nach Folienverbunden, sondern auch der Bedarf an Verbunden, die sich durch Wärme verformen lassen. Deren Volumen wird sich in Deutschland aufgrund der steigenden Nachfrage an Fertigprodukten in Schalen von 76 497 Tonnen im Jahr 2009 auf 93 158 Tonnen im Jahr 2014 erhöhen. Die Wissenschaftler arbeiten mit Hochdruck daran, in thermogeformten Verbunden die EVOH-Schicht durch eine auf Molkeprotein basierende Barriereschicht zu ersetzen. Auch diese alternative Anwendung schont die Ressourcen und verringert den Eintrag von Kohlendioxid in die Atmosphäre.

Quelle: Dr. Margit Ritzka, www.aid.de,  Fraunhofer-Gesellschaft    zur Förderung der angewandten Forschung e.V., BMH