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Nanotechnologie

Von Super-Verpackungen und Nanofood

Das Zauberwort Nanotechnologie lässt Augen glänzen. Man erwartet sich viel davon, nur wenig ist bis jetzt wirklich greifbar.

Die Nanotechnologie wird gerne als Schlüsseltechnologie für die Materialentwicklung des 21. Jahrhunderts bezeichnet. Es handelt sich dabei aber nicht einfach um ein neues Werkzeug, denn die Nanotechnologie ist in der Lage, die Entwicklung, Herstellung und Verwendung von Materialien aus den unterschiedlichsten Bereichen zu revolutionieren. Für den Lebensmittelbereich von besonderem Interesse sind Nanosensoren für eine verbesserte Qualitätssicherung, leistungsfähigere Verpackungsmaterialien und Nanofood.

Im Bereich der Winzlinge

Ein Nanometer ist eine Größeneinheit, die schwer vorstellbar ist: ein Millionstel Millimeter oder auch 0,000000001 Meter. Das Besondere an Partikeln mit einer Primärteilchengröße von weniger als 100 Nanometern ist ein sehr hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Wesentlich dabei ist, dass bei Partikelgrößen von 1000 nm (1 µm) nur 1,5 tausendstel Prozent aller Atome an der Oberfläche liegen, bei nanokristallinen Strukturen dagegen bis zu 30 Prozent. Die mechanischen, optischen, elektrischen, magnetischen und chemischen Eigenschaften der Materialien werden hier wesentlich durch die Atome an den Korngrenzen bestimmt und können daher völlig anders sein, als die der entsprechenden herkömmlichen Materialien aus den gleichen Stoffen. Unser makroskopisches Physikverständnis reicht nicht aus, um die Vorgänge im Nanobereich zu verstehen.

Zur Veranschaulichung der Größenverhältnisse:
 

Nanostrukturierte Materialien sind aus Nanopartikeln aufgebaut. Ihre Eigenschaften sind vollkommen anders im Vergleich zu denselben Verbindungen in kristalliner oder amorpher Form. Gegenüber Bulkmaterialien verändern sich bei nanostrukturierten Materialien beispielsweise die elektronischen Eigenschaften, die hier durch quantenmechanische Effekte bestimmt werden. Während Bulkmaterial energetisch gesehen eine Bandstruktur besitzt, wird diese bei den Nanopartikeln in diskrete Energieniveaus gespalten. So kann man beispielsweise durch unterschiedliche Teilchengrößen die Farbe bestimmter Moleküle einzustellen. Ein Goldpartikel mit einem Durchmesser von 60 Nanometern erscheint beispielsweise rot - ein Goldpartikel, das doppelt so groß ist, blau.

Leistungsfähige Verpackungen

Für die Lebensmittelverpackungen von Interesse sind verbesserte Materialeigenschaften wie erhöhte Barrierewirkung oder bessere Beständigkeit bei geringerem Gewicht. Insbesondere das Anwendungsgebiet der aktiven und intelligenten Verpackungen wird von der Möglichkeit profitieren, intelligente Funktionen auf molekularer Ebene einzubringen.
Aktive Verpackungen bestehen aus Packstoffen, die mit gezielt ausgewählten Zusatzfunktionen ausgerüstet sind, um die Qualität empfindlicher Füllgüter wie Lebensmittel, Arzneimittel oder Kosmetika auf hohem Niveau zu sichern. Sie geben nach Bedarf erwünschte Stoffe an ihren Grenzflächen ab oder nehmen selektiv unerwünschte Stoffe wie Gase und Feuchtigkeit auf. Lebensmittel bleiben dadurch länger frisch und behalten länger ihre Farbe, ihr Aroma und ihren Nährwert.
Ein mögliches Einsatzgebiet für die Nanotechnologie könnte die Einarbeitung von Nanomaterialien mit unterschiedlichstem Wirkpotenzial sein - beispielsweise bakteriozide Nanocomposites in der Kunststoffmatrix. Diese könnten wesentlich effizienter wirken, als heute verfügbare mikrobiell aktive Verpackungen. Dasselbe trifft auf Verpackungen mit eingebauten Sauerstoff-Scavenger zu.
Ein anderes Gebiet sind gefüllte Kunststoffe. Neue gefüllte Materialien sind um ein Vielfaches stärker als die heute üblichen, dabei aber gleichzeitig leichter als diese. Gegenüber konventionell gefüllten Kunststoffen bieten sie Vorteile wie verbessertes mechanisches Verhalten, leichtere Verarbeitbarkeit oder stärkere Barrierewirkung. So lassen sich transparente Folien mit verringertem Gewicht, gasdichte Kunststoffe oder antistatische Verpackungen herstellen. Die Barriereeigenschaften sind vor allem bei Lebensmittel-, Getränke- und Pharma-Verpackungen von Bedeutung. Zum Beispiel lässt sich damit das Entweichen von Kohlendioxid aus gesprudelten Getränken verhindern.

Winzige Sensoren

Mit Hilfe der Nanotechnologie möchte man zukünftig auch winzigste Sensoren herstellen, die entlang der Prozesslinie die Produktqualität überwachen. Damit könnte auch die Anwesenheit von Mikroorganismen in unzugänglichen Anlagenbereichen detektiert werden. Diese Winzlinge erlauben es auf lange Sicht, strategische Entscheidungen auf zuverlässigen Informationen aufzubauen.

Bionanotechnologie

Die Natur stellt uns hervorragend entwickelte, hochleistungsfähige Nanostrukturen zur Verfügung. In der Bionanotechnologie machen wir uns diese biologischen Strukturen zu Nutze, lassen uns von der Natur inspirieren oder wenden Nanotechnologie auf lebende Systeme an.
Ein Bereich ist der gesteuerte Aufbau neuer Architekturen aus individuellen Biomolekülen. Diese Architekturen besitzen neue Funktionen und Eigenschaften im Bereich von 0,1 bis 1000 nm. Um neue Materialien zu konstruieren, werden die gleichen Building Blocks verwendet, die auch die Natur für strukturelle und katalytische Funktionen einsetzt. Biologische Makromoleküle wie Polypeptide, RNA und DNA können in vitro durch Selbstorganisation zu neuen Strukturen entwickelt werden. Auf diese Weise könnten neue Materialien entstehen, die auch nanoskalige Bewegungen - etwa ähnlich denen der Geißeltierchen - durchführen können.

Nanofood

Mit der Nanotechnologie könnten völlig neue Lebensmittel entstehen. Ein Anwendungsfeld, das sich unserem jetzigen Verständnis öffnet, sind die Nutraceuticals. Hier kann die Nanotechnologie dazu beitragen, bessere Darreichungsformen zu entwickeln, bei denen ein Wirkstoff in Nanometer-Dimension in eine schützende Matrix eingebettet ist. So entstehen winzige aber hochwirksame Kapseln, die alle Arten von Wirkstoffen in sich aufnehmen, an den Zielort transportieren und dort wieder frei setzen können. Eine interessante Entwicklung kommt aus den USA. Dort hat man so genannte Colloidosome entwickelt. Die winzigen Kapseln entstehen, indem kleine Wassertröpfchen in eine andere Flüssigkeit, die eine geringe Anzahl an Partikeln enthält, eingebracht werden. Die wenigen Partikel lagern sich an der Oberfläche der Wassertropfen an. Durch vorsichtiges Erhitzen entsteht aus diesen Partikeln um den Wassertropfen herum eine hauchdünne aber feste Schale. Durch definierte Produktionsbedingungen lässt sich die Größe der kleinen Öffnungen in dieser Schale so einstellen, dass der enthaltene Wirkstoff eine definierte Zeit benötigt, um zu entweichen.
Verwendet man eine weiche Matrix aus biologischen Material, ist das zu einem gewissen Grad vergleichbar mit den jetzt schon eingesetzten mikroverkapselten Produkten. Doch es existieren durchaus Denkansätze, die so genannte harte Matrizes, also anorganische Substanzen verwenden, wie etwa Silikon oder keramische Substanzen.
Es gibt derzeit keine Anhaltspunkte, dass der Körper weiche Partikel nicht problemlos vertragen sollte. Der Körper ist an weiches Material gewöhnt und die Partikel unterscheiden sich diesbezüglich nicht von Zellmaterial. Nicht ganz so klar ist dies in Hinblick auf harte Partikel. Denn unser Körper ist nicht darauf eingestellt, anorganische Substanzen zu verarbeiten - auch wenn sie noch so winzig sind. Außerdem: Gerade weil sie so winzig sind, zeigen sie ein uns völlig unbekanntes chemisches Verhalten und man kann derzeit noch nicht exakt vorhersagen, in wiefern Nanopartikel vollkommen andere Wege in unserem Körper nehmen und wo sie letztendlich landen.
Das Prinzip der winzigen Kapseln kann auch für die Herstellung von normalem Essen eingesetzt werden, zum Beispiel für eine noch gezieltere Freisetzung von noch frischeren Aromen. Prinzipiell ist es aber auch denkbar, völlig neue Lebensmittel entstehen zu lassen. Hier tun sich Perspektiven auf, die vor allem vor dem Hintergrund bemannter Raumfahrtprojekte auf zunehmendes Interesse stoßen.

Patente und Lizenzen

Den vielversprechenden Bereich Nanotechnologie haben sich bereits die großen Konzerne und Institutionen gekrallt und den Weg zu Produktinnovationen mit zahlreichen Patenten - um nicht zu sagen „Wegelagerer-Patenten“ gepflastert. Nur wer Geld hat, kann mitspielen, die Kleinen und die Entwicklungsländer werden per Ellebogentaktik aus dem Markt gedrängt.
Bis März 2005 gab es alleine in den USA 3.818 Nanotechnologie-Patente. Nach den USA sind vor allem Japan, Deutschland, Kanada und Frankreich besonders patentfreudig.
Ein reicher Mann könnte ein chinesischer Wissenschaftler werden, der 900 Patente auf altertümliche chinesische medizinische Kräuter hält. Er nimmt für sich in Anspruch, diese auf nanoskalige Rezepturformulierungen reduziert zu haben. Auch die koreanische Firma Pacific Corporation hält ein europäisches Patent über „Nano-Ginseng“ für kosmetische Produkte. Die Substanz soll besonders leicht in die Haut eindringen und so einen Antiageing Effekt haben.
Einer Studie des Unternehmensberaters Helmut Kaiser zufolge sind derzeit rund 200 Unternehmen aktiv im Bereich „Nanofood“. Die meisten Projekte beschäftigen sich mit Nano-Sensoren und Nano-Apparaten für die Verbesserung von Sicherheit und Qualität. Insgesamt 180 Anwendungen befinden sich momentan in unterschiedlichen Entwicklungsstadien. Auf den Markt gelangt sind allerdings bislang die wenigsten.

Die Frage der Sicherheit

Wie Nanopartikel auf den menschlichen Körper wirken, ist nicht geklärt. Jedoch ist zu vermuten, dass solch winzigste Partikel auch weitaus weiter in den Körper eindringen, als Wissenschaftler das je zuvor erlebt haben.
Die derzeit laufenden Entwicklungen können Lebensmittelherstellern in zweierlei Hinsicht helfen: im Verarbeitungsprozess und bei der Entwicklung völlig neuer Arten von Lebensmittel. Doch diese zweite Schiene wird in der Bevölkerung auf Widerstand stoßen. Viele Experten warnen davor, die Bevölkerung nicht ausreichend über Effekte und Wirkungsweise der Nanotechnologie aufzuklären. Ohne Ehrlichkeit könnte es gut sein, dass dieNanotechnologie dieselbe Ablehnung wie die Gentechnik erfährt.
Bevor bei uns in Europa aber ein Nanofood-Produkt auf den Tisch kommt, steht ein langer Weg über die Hürden der Novel Food Verordnung bevor.