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Werden verschiedene Gemüse- und Früchtesorten zusammen gelagert, so beeinflussen sie sich im Reifeprozess gegenseitig. Schuld daran ist Ethen, das von einigen pflanzlichen Lebensmitteln abgegeben wird und die Fruchtreife beschleunigt. Um eine übermässige Verschwendung an Lebensmitteln durch die beschleunigte Reifung zu verhindern, entwickeln Forschende der Empa und der ETH Zürich einen neuen Katalysator, der das Pflanzenhormon in Wasser und Kohlenstoff zersetzt.
Gelb bleiben die frisch gekauften Bananen im vollen Früchtekorb nie lang. Schon einige Tage später nehmen die Früchte eine braune Farbe an und werden eher weggeworfen als gegessen. Grund für diese beschleunigte Reifung ist der Stoff Ethen. Durch seinen gasförmigen Aggregatzustand funktioniert Ethen nicht nur als Botenstoff innerhalb einer Frucht, sondern beeinflusst auch andere Früchte in der Nähe. So löst das Pflanzenhormon eine wahre Kettenreaktion aus, indem er in anderen Pflanzen und Früchten ebenfalls die Produktion von Ethen anregt. Mehr Ethen bedeutet eine schnellere Reifung. Äpfel, die zum Beispiel besonders viel Ethen abgeben, sorgen dann bei Früchten wie Bananen, die besonders empfindlich auf den Stoff reagieren, zu einer vorzeitigen Reifung. Früchte lassen sich weniger lange lagern – das führt nicht nur im Kühlschrank zu Hause zum unnötigen Wegwerfen, sondern auch in der Lieferkette vom Importeur über den Grosshandel bis zum Einzelhandel.
Ein Katalysator für eine verlangsamte Reifung
Um den Reifeprozess zu verlangsamen, muss Ethen von Früchten und Gemüse ferngehalten werden. Huizhang Guo und Mirko Lukovic, Forscher der Empa und der ETH Zürich, haben hierfür ein Konzept entwickelt, um das Ethen, das von Früchten und Gemüse abgegeben wird, zu zersetzen. Als Grundlage dient eine «delignifizierte» Holzstruktur, die mit einem atomar verteilten Katalysator auf Platin-Basis ausgestattet wird. Holz besteht aus drei Grundstoffen: Zellulose, Hemizellulose und Lignin, der Bindestoff im Holz. Aufbauend auf frühere Forschungsergebnisse (https://www.empa.ch/de/web/s604/holz-paradox-eq66) lösten die Forscher mit Hilfe einer Säure sowohl Lignin wie auch Hemizellulose aus dem Holz heraus. Dadurch wird das Holz extrem porös und bekommt eine enorm grosse spezifische Oberfläche. Dadurch wird delignifiziertes Holz zum idealen natürlichen Gerüst für den Platin-Katalysator.
Die Ergebnisse demonstrieren die Funktionsfähigkeit des mit dem Katalysator ausgestatteten delignifizierten Holz. Als nächster Schritt stünde ein Upscaling des Konzepts auf Industriemassstab an, meinen die Forscher. Grössere Prototypen des Katalysators könnten in Kühlschränken und Kühlhäusern verbaut werden und so den Reifeprozess von Früchten und Gemüse verlangsamen. Die Lebensdauer eines solchen Katalysators ist dabei ähnlich lange wie die Nutzungsdauer des Kühlschranks selbst.
In einem weiteren Schritt wird das delignifizierte Holz in zwei unterschiedliche Lösungen gegeben. Die erste schafft die Basis dafür, dass sich die Platinpartikel später an den Zellwänden des Holzes festsetzen können; in der zweiten befinden sich die Platinpartikel, die dann in die Holzstruktur gelangen. Das Konzept funktioniert ähnlich wie bei einem Dreiwege-Katalysator in Automotoren. Strömt das Ethen nun durch die poröse Struktur, trifft es immer wieder auf die Platinpartikel, die das Pflanzenhormon zu Wasser und Kohlendioxid (CO2) zersetzen. Das Empa-Team konnte zeigen, dass der Katalysator bei einer Raumtemperatur nahezu 100 Prozent des ausgestossenen Ethens zersetzt. Sinkt die Temperatur auf 0 Grad, kann das entstehende Wasser jedoch nicht mehr verdampfen und setzt sich auf dem Katalysator ab. Dadurch wird der chemische Umwandlungsprozess blockiert. Um den Katalysator vom Wasser zu befreien und wieder funktionsfähig zu machen, genügt es, die komplette Struktur alle zwei Stunden für einige Minuten zu erwärmen, sagt Lukovic.
Vorreiter bereits auf dem Markt
Das Konzept des katalytischen Abbaus von Ethen zur Verlängerung der Haltbarkeit von Obst ist nicht neu; seit 2015 produziert das japanische Unternehmen Hitachi Kühlschränke mit Platinkatalysatoren, um die gelagerten Lebensmittel länger haltbar zu machen. Hitachi verwendet Kieselsäure als Gerüst für die Platin-Nanopartikel. Die Empa-Forschenden haben dieses Konzept optimiert, indem sie ein Gerüst auf Holzbasis entwickelt und eine effizientere Nutzung des (eher teuren) Platinkatalysators erreicht haben. 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 in einem sehr kleinen Volumen gleichmässig und effizient verteilt werden, um den gewünschten katalytischen Effekt zu erzielen. Zudem vermeidet die an der Empa entwickelte Technologie eine mögliche Kontamination des Lebensmittels mit Platin-Nano-/Mikropartikeln, indem der Katalysator fest auf der Oberfläche der porösen Holzstruktur gebunden wird.