Plastikmikroperlen, winzige Partikel, die in den 1990er und 2000er Jahren in Körperpflegeprodukten enthalten waren, verursachten erhebliche Umweltschäden. Diese winzigen Partikel, kleiner als ein Sesamsamen, passierten die Abwasserbehandlungsanlagen, sammelten sich in den Ozeanen und Flüssen an und stellten eine Bedrohung für das Meeresökosystem dar.

Glücklicherweise sind Seifen und Peelings mit Plastikmikroperlen nicht mehr auf dem Markt erhältlich. In den letzten Jahren haben viele Länder Mikroperlen als Quelle der Meeresverschmutzung erkannt und ihre Verwendung in Körperpflegeprodukten verboten. Diese Verbote haben den Weg für umweltfreundlichere Alternativen geebnet, die es den Verbrauchern ermöglichen, tiefenreinigende Produkte zu genießen, ohne die Umwelt zu schädigen.

Anstelle synthetischer Kunststoffe zeigt die Forschung, dass biologischer Abfall zahlreiche Möglichkeiten bietet. Eine solche Ressource ist Treber (BSG), ein Nebenprodukt der Bierproduktion. Günstig und reichlich vorhanden wird BSG als Tierfutter, in der Produktion von Biogas, Kompost und Dünger verwendet.

In jüngster Zeit hat BSG auch Anwendung als protein- und ballaststoffreiche Zutat in Crackern, Brot und Keksen gefunden. Unsere Forschung hat ergeben, dass BSG sich für die Verwendung in Körperpflegeprodukten in Form von nachhaltigen Peeling-Mikroperlen eignet.

Chemische Eigenschaften der Zellulose
Zellulose, das Hauptmolekül in den Zellwänden von Pflanzen, ist ein wesentlicher Bestandteil von Treber. Seit mehr als einem Jahrhundert bereiten Wissenschaftler große Mengen an zellulosebasierten Materialien durch die Umwandlung von Bäumen durch einen relativ einfachen chemischen Prozess vor. Die Bäume werden gefällt, geschält, gehackt, zu Zellstoff verarbeitet und gebleicht, und die verbleibende Zellulose wird in die gewünschte Endform gebracht.

Zellulosefasern lösen sich nicht in den meisten Lösungsmitteln, was zum Glück ist, da sonst Baumwollhemden im Regen weggewaschen würden und mit Aceton getränkte Taschentücher sich auflösen würden, anstatt Nagellack zu entfernen.

In der Zelluloseverarbeitungsindustrie gibt es nur wenige Chemikalien, die die Zelluloseresistenz überwinden können. Die meisten Optionen sind bekannt für ihre Instabilität, hohe Toxizität, hohe Kosten oder schlechte Wiederverwertbarkeit.

Jedoch bietet Natriumhydroxid, das in Wasser in verschiedenen Konzentrationen gelöst ist, eine nachhaltigere Option. Außerdem kann Zellulose mit Natriumhydroxid durch eine einfache Neutralisationsreaktion wieder in einen festen Zustand überführt werden.

Dieser alkalische Prozess kann reine Zellulosemikroperlen produzieren, die erstmals vor etwa zehn Jahren hergestellt wurden. Zellstoff wird in wässrigem Natriumhydroxid gelöst und dann tropfenweise in einem sauren Bad neutralisiert. Wenn das saure Bad abgelassen wird, bleiben kugelförmige Zellulosemikroperlen übrig.

Verfeinerung des Prozesses
Unsere Forschung betrachtete die Möglichkeit, Mikroperlen aus der großen Menge an zellulosereichem biologischen Abfall aus der Agrar- und Lebensmittelindustrie herzustellen. Mit BSG als Zellulosematerial und der gezielten Produktion von Peeling-Mikroperlen begannen wir im Labor zu experimentieren.

BSG stellte aufgrund der Komplexität seiner Zusammensetzung eine Herausforderung dar. Neben Zellulose enthält BSG Hemizellulose, Lignin, Proteine, Lipide und kleine Mengen an Asche, die alle sorgfältig miteinander verwoben sind, um verschiedene Pflanzenzellstrukturen zu bilden.

Um dieses Hindernis zu überwinden, erweicht die verdünnte Säurehydrolyse die Zellulose und andere Fasern (Hemizellulose und Lignin) aus BSG. Grobe Filtration wäscht einfache Zucker und Proteine aus, wodurch ein zellulose- und ligninreicher Zellstoff zurückbleibt.

Die nächsten Schritte umfassen die Verfeinerung der Natriumhydroxidlösung. Nur bei bestimmten Temperaturen und Konzentrationen sind Natriumhydroxidlösungen stärker als die Bindungen, die Zellulosefasern zusammenhalten; dies gilt auch für den komplexeren BSG-Zellstoff.

Unsere Experimente zeigten ein enges Prozessfenster, in dem sich BSG-Zellstoff vollständig auflöst, mit Hilfe kleiner Mengen Zinkoxid. Dann erreichen wir durch die Einführung dieser BSG-Lösungen, Tropfen für Tropfen, in ein saures Bad gleichzeitig das Formen und Härten.

Nach einigen Stunden wird das saure Bad abgelassen, und glatte, kugelförmige BSG-basierte Mikroperlen bleiben zurück.

Abschließend zeigten Festigkeits- und Stabilitätstests, dass BSG-Perlen die notwendige Festigkeit haben, um im Vergleich zu herkömmlichen Plastikmikroperlen zu bestehen. Wenn sie in Seifen eingebaut wurden, zeigten BSG-basierte Mikroperlen eine bessere Leistung als andere derzeit verfügbare Alternativen zu Plastikmikroperlen, wie gemahlene Kokosnussschalen und Aprikosenkerne.

Kreative Lösungen
Die Umwandlung von Bierabfällen in Peeling-Mikroperlen ist ein weiterer Schritt in Richtung einer nachhaltigeren Zukunft. Durch die Nutzung der Eigenschaften von Zellulose und Lignin, die in BSG vorhanden sind, zeigt diese Innovation das Potenzial von Abfallmaterialien zur Schaffung nachhaltiger Lösungen.

Dieser Erfolg unterstreicht die Bedeutung von Forschung und Innovation beim Übergang zu umweltfreundlicheren Praktiken. Letztendlich ermutigt es zur Erforschung anderer ähnlicher Möglichkeiten, unseren ökologischen Fußabdruck zu verringern.

Wenn es möglich ist, Bierabfälle in eine wertvolle Zutat für Körperpflegeprodukte zu verwandeln, stellen Sie sich nur vor, welche anderen Möglichkeiten im Abfall gefunden werden können.

Original:
Amy McMackin
Doktorandin für nachhaltige Lebensmittelverarbeitung, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
Sébastien Cardinal
Professor für organische Chemie, Université du Québec à Rimouski (UQAR)