// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Stärkesensor zeigt Feuchtigkeit in Lebensmittelpackungen
Feuchtigkeit macht knusprige Lebensmittel schnell weich, bleibt in geschlossenen Verpackungen aber unsichtbar. Ein poröser Sensor aus Kartoffelstärke und Kobaltchlorid zeigt steigende Luftfeuchte durch einen Farbwechsel von Blau zu Rosa an. In Versuchen mit Crackern folgte die Farbänderung eng dem Feuchteanstieg und dem Verlust der Härte, für direkten Lebensmittelkontakt ist das Material jedoch noch ungeeignet.
São Paulo (Brasilien). Bei Crackern, Keksen und Cerealien entscheidet Feuchtigkeit wesentlich darüber, ob die Produkte knusprig bleiben. Herkömmliche Verpackungen sollen Wasserdampf fernhalten, liefern aber selbst keine Information darüber, wie feucht es im Inneren tatsächlich ist. Genau hier sollen intelligente Verpackungen ansetzen, indem sie Veränderungen des Innenraums direkt sichtbar machen.
Kolorimetrische Sensoren können solche Veränderungen ohne Elektronik anzeigen, wobei poröse Materialien besonders interessant sind, weil sie Wasserdampf schnell aufnehmen und dadurch einen gut sichtbaren chemischen Farbumschlag auslösen. Entscheidend ist jedoch, ob dieser Farbumschlag unter realistischen Lagerbedingungen tatsächlich mit einer Qualitätsveränderung des Lebensmittels zusammenhängt.
Forscher der Universidade de São Paulo (USP) um Prof. Dr. Bianca Chieregato Maniglia haben dafür poröse Kryogele aus Kartoffelstärke hergestellt und mit unterschiedlichen Mengen Kobaltchlorid versetzt. Kryogele sind schwammartige Materialien, deren Porenstruktur durch Einfrieren und anschließende Gefriertrocknung eines Gels erhalten bleibt. Das Team verglich zunächst Sensoren mit fünf, zehn, 15 und 20 Gramm Kobaltchlorid je 100 Gramm trockener Stärke bei 18, 60 und 99 Prozent relativer Luftfeuchte.
„Das Stärkegel wird eingefroren und einer Gefriertrocknung [Entwässerung] unterzogen. Während dieses Prozesses wird das gefrorene Wasser durch Sublimation entfernt und geht direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Durch das Entfernen der wässrigen Phase bleibt die beim Einfrieren entstandene poröse Struktur erhalten, sodass ein Material mit hoher Fähigkeit zur Wechselwirkung mit der Umgebung entsteht“, erklärt Prof. Dr. Bianca Chieregato Maniglia.
Mit zunehmender Feuchte wechselten die mit Kobaltchlorid versetzten Kryogele von Blau über violette Töne in Richtung Rosa, während der Sensor ohne Salz diesen Farbumschlag nicht zeigte. Am deutlichsten reagierte die Variante mit 20 Prozent Kobaltchlorid, die deshalb anschließend auch bei 45 und 75 Prozent relativer Luftfeuchte geprüft wurde.
Für den als b* bezeichneten Farbwert, der in der verwendeten Farbskala die Blau-Gelb-Achse beschreibt, ergab sich über die untersuchten Feuchtestufen eine lineare Beziehung mit R² = 0,922. Die Pressemitteilung beschreibt sichtbare Farbänderungen innerhalb weniger Sekunden, während die Forscher für die quantitative Kalibrierung die Sensorfarbe nach längerer Exposition unter definierten Feuchtebedingungen auswerteten.
„Das Besondere an dieser Studie war die größere Oberfläche des Sensors, die ihn sehr empfindlich macht und es uns erlaubt, unterschiedliche Feuchtigkeitsbedingungen im Inneren der Verpackung zu beobachten. Wenn ich ihn in eine sehr trockene Umgebung bringe, reagiert er. Umgekehrt reagiert er auch, wenn ich ihn in eine sehr feuchte Umgebung bringe“, erklärt Prof. Dr. Bianca Chieregato Maniglia.
Ob die Anzeige auch etwas über die Lebensmittelqualität aussagt, testete das Team mit Cream Crackern, die es in Polyethylen, Polypropylen oder eine Folie auf Gelatinebasis verpackte und definierten Feuchtebedingungen aussetzte. Parallel erfassten die Forscher die Sensorfarbe, die Feuchte im Verpackungsinneren und die Härte der Cracker.
Nach 24 Stunden unterschieden sich die Verpackungssysteme bei der Crackerhärte noch nicht signifikant, unter sehr hoher Luftfeuchte wurde mit längerer Lagerdauer jedoch ein deutlicher Unterschied sichtbar. Nach einer Woche verloren unverpackte Cracker und Proben in der Gelatineverpackung deutlich an Härte, währ