Zimtaldehyd macht 85–90 % des ätherischen Zimtöls aus. China ist eines der Hauptanbaugebiete für Zimt und verfügt über reiche Zimtaldehydvorkommen. Die Molekülstruktur von Zimtaldehyd (C9H8O) besteht aus einer Phenylgruppe, die an Acrylein gebunden ist. Im natürlichen Zustand ist es eine gelbliche bis gelblich-braune, viskose Flüssigkeit mit einem einzigartigen, kräftigen Zimt- und Cola-Aroma und findet Verwendung in Gewürzen und Würzmitteln. Aktuell gibt es zahlreiche Berichte über die antibakterielle Wirkung von Zimtaldehyd und deren Mechanismus. Studien belegen seine gute antibakterielle Wirkung gegen Bakterien und Pilze. Im medizinischen Bereich wurden die Forschungsergebnisse zu Zimtaldehyd bei Stoffwechselerkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Tumorerkrankungen und anderen Anwendungsgebieten zusammenfassend dargestellt. Dabei zeigte sich, dass Zimtaldehyd positive pharmakologische Wirkungen gegen Diabetes, Übergewicht und Tumore besitzt. Aufgrund seiner reichhaltigen Quellen, natürlichen Inhaltsstoffe, Sicherheit, geringen Toxizität, seines einzigartigen Geschmacks und seiner antibakteriellen Wirkung mit breitem Wirkungsspektrum ist Zimtaldehyd ein von der US-amerikanischen Lebensmittel- und Arzneimittelbehörde (FDA) und China zugelassener Lebensmittelzusatzstoff. Obwohl die maximale Anwendungsmenge nicht begrenzt ist, schränken seine Flüchtigkeit und sein stechender Geruch seine breite Anwendung in Lebensmitteln ein. Die Fixierung von Zimtaldehyd in Lebensmittelverpackungsfolien kann deren antibakterielle Wirksamkeit verbessern und die sensorischen Auswirkungen auf Lebensmittel reduzieren. Zudem trägt es zur Verbesserung der Qualität bei Lagerung und Transport von Lebensmitteln sowie zur Verlängerung der Haltbarkeit bei.
1. Antibakterielle Kompositmembranmatrix
Die meisten Forschungsarbeiten zu antibakteriellen Lebensmittelverpackungsfolien verwenden natürliche und biologisch abbaubare Substanzen als filmbildende Matrix. Die Verpackungsfolien werden durch Beschichten, Gießen oder Hochtemperaturextrusion hergestellt. Aufgrund der unterschiedlichen Wirkungsweise und Kompatibilität verschiedener Membransubstrate und Wirkstoffe variieren die Eigenschaften der fertigen Membranen. Daher ist die Wahl des geeigneten Membransubstrats von großer Bedeutung. Gängige filmbildende Substrate sind synthetische, biologisch abbaubare Substanzen wie Polyvinylalkohol und Polypropylen, natürliche Substanzen wie Polysaccharide und Proteine sowie Verbundwerkstoffe. Polyvinylalkohol (PVA) ist ein lineares Polymer, das bei Vernetzung üblicherweise eine dreidimensionale Netzwerkstruktur bildet und hervorragende mechanische und Barriereeigenschaften aufweist. Natürliche, membranartige Matrixressourcen sind reichlich vorhanden und weit verbreitet. Polymilchsäure (PLA) beispielsweise kann aus Rohstoffen wie Stärke und Mais fermentiert werden. Sie verfügt über ausreichende und erneuerbare Ressourcen, ist gut biologisch abbaubar und biokompatibel und somit ein ideales, umweltfreundliches Verpackungsmaterial. Die Kompositmatrix besteht häufig aus zwei oder mehr Membranmatrizen, die im Vergleich zu einer einzelnen Membranmatrix eine komplementäre Rolle spielen können.
Mechanische Eigenschaften und Barriereeigenschaften sind wichtige Indikatoren zur Beurteilung der Eignung von Verpackungsfolien. Die Zugabe von Zimtaldehyd führt zu einer Vernetzung mit der Polymermembranmatrix und damit zu einer Verringerung der molekularen Fluidität. Die Abnahme der Bruchdehnung ist auf die Diskontinuität der Polysaccharidnetzwerkstruktur zurückzuführen, während die Zunahme der Zugfestigkeit durch die während der Filmbildung durch die Zimtaldehydzugabe erhöhte Anzahl hydrophiler Gruppen bedingt ist. Darüber hinaus wurde die Gasdurchlässigkeit der Zimtaldehyd-Kompositmembran im Allgemeinen erhöht. Dies ist vermutlich auf die Dispersion von Zimtaldehyd im Polymer zurückzuführen, wodurch Poren, Hohlräume und Kanäle entstehen. Dies reduziert den Stofftransportwiderstand von Wassermolekülen und führt letztendlich zu einer erhöhten Gasdurchlässigkeit der Zimtaldehyd-Kompositmembran. Die mechanischen Eigenschaften und die Permeabilität verschiedener Kompositmembranen sind ähnlich, jedoch unterscheiden sich Struktur und Eigenschaften der unterschiedlichen Polymersubstrate. Die unterschiedlichen Wechselwirkungen mit Zimtaldehyd beeinflussen die Leistung der Verpackungsfolie und somit deren Anwendung. Daher ist die Wahl des geeigneten Polymersubstrats und der richtigen Konzentration von entscheidender Bedeutung.
Zweitens, Zimtaldehyd und Verpackungsfolien-Bindemittel
Zimtaldehyd ist jedoch mit einer Löslichkeit von nur 1,4 mg/ml in Wasser schwer löslich. Obwohl die Mischtechnologie einfach und bequem ist, sind die beiden Phasen – fettlösliches Zimtaldehyd und wasserlösliche Membranmatrix – instabil. Zudem reduzieren die üblicherweise im Filmbildungsprozess erforderlichen hohen Temperaturen und Drücke die Konzentration des verfügbaren Zimtaldehyds in der Membran erheblich. Dadurch lässt sich die optimale bakteriostatische Wirkung nur schwer erzielen. Die Einbettungstechnologie hingegen umschließt oder adsorbiert den einzubettenden Wirkstoff mithilfe des Wandmaterials, um dessen Wirksamkeit zu verbessern oder ihn chemisch zu schützen. Durch die Fixierung von Zimtaldehyd im Verpackungsmaterial mittels Einbettungstechnologie kann dessen Freisetzung verlangsamt, die Retentionsrate erhöht, die antibakterielle Wirkung des Films verlängert und die mechanischen Eigenschaften des Verpackungsfilms optimiert werden. Die gängigen Methoden zur Herstellung von Trägermaterialien für die Kombination von Zimtaldehyd mit Verpackungsfolien lassen sich derzeit in zwei Kategorien einteilen: künstliche und natürliche Trägermaterialien. Zu den natürlichen Trägermaterialien zählen die Einbettung in Polymere, Nano-Liposomen oder Cyclodextrine sowie die Bindung oder Beladung mit Nano-Ton. Durch die Kombination von Schichtselbstorganisation und Elektrospinnen kann der Zimtaldehyd-Träger optimiert und sein Wirkmechanismus sowie sein Anwendungsbereich erweitert werden.
Anwendung von Zimtaldehyd-aktiver Lebensmittelverpackungsfolie
Verschiedene Lebensmittelarten weisen unterschiedliche Wassergehalte, Nährstoffzusammensetzungen sowie Lager- und Transportbedingungen auf, und die Wachstumsdynamik von Verderbniserregern ist sehr unterschiedlich. Daher variiert auch die konservierende Wirkung von antibakteriellen Zimtaldehydverpackungen je nach Lebensmittel.
1. Frischhaltender Effekt auf Gemüse und Obst
China ist reich an natürlichen Ressourcen, darunter auch an Obst und Gemüse, dessen Produktion und Absatzmarkt enorm sind. Aufgrund ihres hohen Feuchtigkeits- und Zuckergehalts und ihres hohen Nährstoffgehalts sind diese Produkte jedoch anfällig für mikrobielle Verunreinigungen und Verderb während Lagerung, Transport und Verkauf. Der Einsatz antibakterieller Verpackungsfolien ist daher ein wichtiges Mittel, um die Lager- und Transportqualität von Obst und Gemüse zu verbessern und deren Haltbarkeit zu verlängern. Die Verpackung von Äpfeln mit einer Zimtaldehyd-Polymilchsäure-Verbundfolie kann den Nährstoffverlust reduzieren, das Wachstum von Rhizopus hemmen und die Lagerfähigkeit auf 16 Tage verlängern. Bei der Verwendung von Zimtaldehyd-aktiver Lebensmittelverpackungsfolie für frisch geschnittene Karotten wurde das Wachstum von Schimmelpilzen und Hefen gehemmt, die Fäulnisrate des Gemüses verringert und die Haltbarkeit auf 12 Tage verlängert.
2. Frischeerhaltende Wirkung von Fleischprodukten: Fleischprodukte sind reich an Proteinen, Fetten und anderen Nährstoffen und zeichnen sich durch ihren einzigartigen Geschmack aus. Bei Raumtemperatur führt die Vermehrung von Mikroorganismen zum Abbau von Proteinen, Kohlenhydraten und Fetten im Fleisch. Dies verursacht Verderb, klebrige Oberfläche, dunkle Verfärbung, Elastizitätsverlust und unangenehmen Geruch. Aktive Lebensmittelverpackungsfolie mit Zimtaldehyd wird häufig für Schweinefleisch und Fisch verwendet. Sie hemmt hauptsächlich das Wachstum von Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Aeromonas, Hefen, Milchsäurebakterien und anderen Bakterien und kann die Haltbarkeit um 8 bis 14 Tage verlängern.
3. Frischeerhalt von Milchprodukten: Der Konsum von Milchprodukten in China steigt stetig. Käse ist ein fermentiertes Milchprodukt mit hohem Nährwert und Proteingehalt. Allerdings ist Käse nur begrenzt haltbar, und die Abfallrate bei niedrigen Temperaturen ist nach wie vor alarmierend hoch. Die Verwendung von Lebensmittelverpackungsfolie mit Zimtaldehyd kann die Haltbarkeit von Käse effektiv verlängern, seinen Geschmack erhalten und das Ranzigwerden verhindern. Bei Käsescheiben und Käsesaucen verlängert sich die Haltbarkeit durch die Verwendung von Zimtaldehyd-aktiver Verpackung auf 45 bzw. 26 Tage, was zur Ressourcenschonung beiträgt.
4. Die Frische von Stärkeprodukten wie Brot und Kuchen, die aus Weizenmehl hergestellt werden, ist aufgrund ihrer weichen Konsistenz, ihres süßen Geschmacks und ihrer guten Haltbarkeit sehr gut erhalten. Allerdings sind Brot und Kuchen nur begrenzt haltbar und anfällig für Schimmelpilzbefall, was zu Qualitätseinbußen und Lebensmittelverschwendung führt. Die Verwendung von Zimtaldehyd-haltigen Lebensmittelverpackungen für Biskuitkuchen und geschnittenes Brot kann das Wachstum und die Vermehrung von Penicillium- und Schwarzschimmel hemmen und die Haltbarkeit auf 10 bis 27 Tage verlängern.
Zimtaldehyd zeichnet sich durch seine reichliche Verfügbarkeit, hohe bakteriostatische Wirkung und geringe Toxizität aus. Als bakteriostatisches Mittel in aktiven Lebensmittelverpackungen lässt sich die Stabilität und die langsame Freisetzung von Zimtaldehyd durch die Entwicklung und Optimierung des Trägermaterials verbessern. Dies ist von großer Bedeutung für die Verbesserung der Lager- und Transportqualität frischer Lebensmittel und die Verlängerung ihrer Haltbarkeit. In den letzten Jahren wurden mit Zimtaldehyd viele Fortschritte in der Forschung zur Konservierung von Lebensmitteln durch Verpackungen erzielt. Die zugehörige Anwendungsforschung befindet sich jedoch noch in der Anfangsphase und weist weiterhin einige Herausforderungen auf. Ziel dieser Studie ist es, durch vergleichende Untersuchungen der Auswirkungen verschiedener Trägermaterialien auf die mechanischen und Barriereeigenschaften der Membran, eingehende Erforschung des Wirkmechanismus von Zimtaldehyd und des Trägermaterials sowie seiner Freisetzungskinetik in unterschiedlichen Umgebungen, Untersuchung des Einflusses des mikrobiellen Wachstums auf den Lebensmittelverderb und des Regulationsmechanismus antibakterieller Verpackungen hinsichtlich Zeitpunkt und Geschwindigkeit der Freisetzung antimikrobieller Wirkstoffe aktive Verpackungssysteme zu entwickeln, die unterschiedlichen Anforderungen an die Lebensmittelkonservierung gerecht werden.
Veröffentlichungsdatum: 03.01.2024