Unmögliche Materialien: Zellulose

22. Juli 2022 – Zuletzt aktualisiert am 22. Juli 2022 um 16:18 GMT

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Der umstrittene Farbstoff Titandioxid (E171) erregt seit langem Aufmerksamkeit wegen seines Zusammenhangs mit negativen gesundheitlichen Folgen, einschließlich der Entstehung von Krebs.

Der umstrittene Inhaltsstoff, der derzeit als Farbstoff in Produkten wie Kaugummi, Gebäck, Kaffeesahne, Nahrungsergänzungsmitteln, Suppen und Saucen verwendet wird, ist auch schädlich für den Planeten.

In etwas mehr als zwei Wochen, am 7. August, wird Titandioxid in der EU nicht mehr als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen sein. Lebensmittelhersteller suchen nach Alternativen für weiße Pigmente, und ein Spin-out der Universität Cambridge glaubt, die Lösung gefunden zu haben.

Impossible Materials entwickelt ein nachhaltiges, weißes Pigment, das vollständig aus Zellulose besteht.

Die Inspiration für die Technologie von Impossible Materials stammt aus der Natur: einer Käfergattung namens Cyphochilus, die in Südostasien beheimatet ist.

Kopf, Körper und Beine des Cyphochilus-Käfers sind mit winzigen elliptischen Schuppen bedeckt, die das gesamte Außenskelett bedecken. Diese Schuppen sind ungewöhnlich hellweiß.

Damit etwas weiß erscheint, muss das Licht aller sichtbaren Wellenlängen gestreut werden. Der Schlüssel zur Herstellung eines weißen Materials liegt in der Schaffung einer rauen, porösen Struktur, in der das Licht „hin und her springen“ kann, erklärte das Start-up.

Das Exoskelett des Cyphochilus-Käfers enthält genau das: ein „außergewöhnliches“ netzwerkartiges System, das Impossible Materials als „einen der besten“ Lichtstreuer der Natur anerkennt.

Mithilfe der Käferschuppen als „Bioinspiration“ versuchte das Team von Impossible Materials, eine ähnliche Faserstruktur zu finden, um weiße Farbe zu erzeugen, die sie in Zellulose identifizierten. „Seine inhärente stabartige Struktur ahmt das Lichtstreusystem des Cyphochilus-Käfers nach“, erklärte das Start-up.

Wie CEO Lukas Schertel erklärte, ist es nicht sehr schwierig, „Weißsein“ zu schaffen. „Man kann Weiß immer erzeugen, indem man viele ‚Streuungselemente‘ verwendet, wie wir es nennen. Wenn viele Partikel vorhanden sind, wird das einfallende Licht irgendwie zufällig verteilt und es entsteht das weiße Erscheinungsbild.“

„Wenn Sie mehr von diesem Material hinzufügen oder die Beschichtung sehr dick machen, erhalten Sie immer ein weißes Aussehen.“​

Die eigentliche Herausforderung für die Industrie besteht darin, mit sehr wenig Material und sehr dünnen Abmessungen Weißgrad zu erzeugen.

Impossible Materials übersetzt die Struktur im Exoskelett des Käfers mithilfe eines nachhaltigeren Materials: Zellulose. „Die Kombination unseres Know-hows zur Optimierung der optischen Partikel und zur Optimierung der Verwendung des nachhaltigen Materials war der Ursprung der Technologie.“​

Das Start-up behauptet, „sicherere“ und erneuerbarere Strukturpigmente herzustellen, die in Lebensmittelfarben, Verpackungen, Autolacken, Papier sowie Kosmetika und Körperpflegeartikeln wie Zahnpasta verwendet werden können.

„Jetzt kommt das Produkt … viel näher an das heran, was die Industrie gewohnt ist, denn es gibt nicht nur den Weißheitsaspekt, sondern auch mechanische Stabilität, Mischstabilität und Temperaturbeständigkeit.“

„Aber es besteht immer noch zu 100 % aus Zellulose. Sonst nichts.“

Der „größte“ Treiber für das Bestreben von Impossible Materials, Titandioxid auf dem Markt zu ersetzen, sei der regulatorische Druck, erklärte Schertel.

Titandioxid oder TiO2​​ wird von der Internationalen Agentur für Krebsforschung (IARC) der Vereinten Nationen als möglicherweise krebserregend für den Menschen eingestuft. Im Oktober 2020 entschied die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA), dass TiO2​​ bei der Verwendung als Lebensmittelzusatzstoff nicht mehr als sicher gilt.

Frankreich hatte seine Verwendung bereits ab dem 1. Januar 2020 verboten, nachdem frühere Untersuchungen darauf hindeuteten, dass es Krebs verursachen könnte. Die 2017 in Nature veröffentlichte Studie ergab, dass das präkanzeröse Wachstum bei Laborratten um 40 % zunahm, nachdem das Molekül 100 Tage lang ihrem Trinkwasser zugesetzt wurde.

In der EU trat die Verordnung zum Verbot der Verwendung von TiO2 als Lebensmittelzusatzstoff am 7. Februar in Kraft und sah eine sechsmonatige Schonfrist vor, um Lebensmittelunternehmen Zeit zu geben, die Verwendung des Zusatzstoffs auslaufen zu lassen und eine Alternative zu finden.

Diese sechsmonatige Schonfrist geht nun zu Ende, und dennoch ist Schertel nicht davon überzeugt, dass die Hersteller die perfekte Alternative gefunden haben. Sie seien mit dem „Weißgrad“ der aktuellen TiO2-Alternativen auf dem Markt in Bezug auf die Leistung unzufrieden, sagte der CEO gegenüber FoodNavigator.

Und eine vollständige Entfernung von TiO2 ohne Ersatz ist keine Option. „Die Kundenakzeptanz eines Produkts ist ohne TiO2 geringer, weil es [mit TiO2] eine Art ‚visuelle Qualität‘ hat.“

„Daher suchen Hersteller aktiv nach einem Ersatz. Ich glaube nicht, dass eine der Alternativen auf dem Markt so innovativ oder nachhaltig ist wie unser Material.“​

„Wir kommen mit dem Nachhaltigkeitsaspekt, wir sind leistungskonkurrenzlos. Ich denke, die Chancen, dass wir auf dem Lebensmittelmarkt erfolgreich sein werden, sind sehr hoch.“​

Mit einer Produktion von rund 10 Millionen Tonnen pro Jahr ist TiO2 Marktführer in der 16 Milliarden US-Dollar schweren Weißpigmentindustrie. Es ist in fast zwei Dritteln aller Pigmente enthalten.

Abgesehen von den allgemein bekannten gesundheitlichen Bedenken sei TiO2 auch ein „umweltbedenkliches“ Material, erklärte Schertel. Die Verbindung entsteht, wenn Titan – das in Mineralien in der Erdkruste vorkommt – mit dem Sauerstoff der Luft reagiert.

Titan wird in Australien, Sierra Leone, Südafrika, Russland und Japan abgebaut, und die Produktion von TiO2 sei mit „großen“ CO2-Emissionen verbunden, wurde uns gesagt. Die Titanium Dioxide Manufacturers Association schätzt den CO2-Fußabdruck des Pigments auf der Grundlage von Daten aus dem Jahr 2012 auf 5,3 tCO2e/TiO2​-Produkt.

Impossible Materials hingegen arbeitet mit dem weit verbreiteten Naturmaterial Zellulose, das aus Bioabfällen wie Zellstoff oder landwirtschaftlichen Abfällen gewonnen werden kann.

„Zellulose ist viel nachhaltiger, weil sie sich abbauen kann, was bei keinem der Pigmente auf Schwermetallbasis der Fall ist. Und sie kann nachwachsen.“

Der CEO räumte ein, dass es in diesem Artikel noch zu früh sei, um genau zu berechnen, wie viel CO2e durch den Austausch von TiO2 gegen die Alternative von Impossible Materials eingespart werden könnten, und sagte, frühe Prognosen deuten auf eine potenzielle CO2-Einsparung von 90 % hin, „was viel ist“. .​

Die größte Herausforderung für Impossible Materials besteht darin, seinen Inhaltsstoff für das kommerzielle Umfeld zu skalieren. Das Start-up sammelt derzeit Geld, um sein Produkt in die nächste Skalierungsstufe und schließlich in die Kommerzialisierung zu bringen.

Impossible Materials arbeitet derzeit mit Kunden an Proof of Concepts.

Im Hinblick auf seine Go-to-Market-Strategie prüft das Start-up die Belieferung sowohl von Zutatenunternehmen als auch von Herstellern. Zunächst wird Impossible Materials auf hochwertige Nischenanwendungen abzielen, beispielsweise in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikbranche.

Im Hinblick auf die Regulierung betonte Schertel, dass das Pigment keine Nanogröße habe. „Unser Produkt ist keine Nanozellulose … Ich denke, das macht es sehr interessant, denn der Nanoaspekt war das Hauptanliegen bei Titandioxid – nicht das Material selbst, sondern seine Nanogröße.“​

Tatsächlich wurde von der EFSA festgestellt, dass TiO2 (höchstens) 50 % der Partikel im Nanobereich (d. h. weniger als 100 Nanometer) enthält, denen Verbraucher ausgesetzt sein können.

Als die EFSA den Zusatzstoff für den menschlichen Verzehr als unsicher einstufte, sagte Prof. Maged Younes, Vorsitzender des EFSA-Gremiums für Lebensmittelzusatzstoffe und -aromen (FAF): „Ein entscheidender Faktor für diese Schlussfolgerung ist, dass wir Bedenken hinsichtlich der Genotoxizität nach dem Verzehr nicht ausschließen konnten.“ Titandioxidpartikel. Nach oraler Einnahme ist die Aufnahme von Titandioxidpartikeln gering, sie können sich jedoch im Körper anreichern.“​

Schertel erklärte, dass die Technologie von Impossible Materials „viel näher“ an der sogenannten mikrokristallinen Cellulose sei und geht davon aus, dass sie auf der Verpackung als solche gekennzeichnet wird.

Zellulosematerialien dieser Art gelten beispielsweise in den USA allgemein als sicher (GRAS).

„Unsere Aufgabe als Zutatenlieferant ist es, eine gleichbleibende Qualität mit allen charakterisierten Eigenschaften zu produzieren, und diese fließen dann in die Rezeptur ein. Die Rezeptur muss dann von den Lebensmittelherstellern genehmigt werden“, fuhr er fort.

„Da sehen wir aber keine Hürden, denn wir bewegen uns in diesem Mikrobereich und nicht im Nanobereich.“​

Impossible Materials rechnet damit, in den nächsten 12 bis 18 Monaten die „Implementierungsphasen“ mit Kunden zu durchlaufen und plant, innerhalb der nächsten zwei bis drei Jahre eine Massenproduktion zu erreichen.

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