Identification, characterisation, and evaluation of bioactive plant-based compounds for the sustainable stabilisation of food packaging materials

Abstract

Typically, plastic packaging materials are produced using additives, like e.g. stabilisers, to introduce specific desired properties into the material or, in case of stabilisers, to prolong the shelf life of such packaging materials. However, those stabilisers are typically fossil-based and can pose risks to both environmental and human health. Therefore, the present study presents more sustainable alternatives based on regional renewable resources which show the relevant antioxidant, antimicrobial and UV absorbing properties to successfully serve as a plastic stabiliser. In the study, all plants are extracted and characterised with regard to not only antioxidant, antimicrobial and UV absorbing effects, but also with regard to additional relevant information like chemical constituents, molar mass distribution, absorbance in the visible range et cetera. The extraction process is furthermore optimised and, where applicable, reasonable opportunities for waste valorisation are explored and analysed. Furthermore, interactions between analysed plant extracts are described and model films based on Poly-Lactic Acid are prepared, incorporating analysed plant extracts. Based on those model films, formulation tests and migration analysis according to EU legislation is conducted. <br /> The well-known aromatic and medicinal plant thyme (<em>Thymus vulgaris</em> L.) includes phenolic terpenoids like thymol and carvacrol which have strong antioxidant, antimicrobial and UV absorbing effects. Analyses show that those effects can be used in both lipophilic and hydrophilic surroundings, that the variant <em>Varico 3</em> is a more potent cultivar than other analysed thyme variants, and that a passive extraction setup can be used for extract preparation while distillation of the Essential Oils can be a more efficient approach. <br /> Macromolecular antioxidant polyphenols, particularly proanthocyanidins, have been found in the seed coats of the European horse chestnut (<em>Aesculus hippocastanum</em> L.) which are regularly discarded in phytopharmaceutical industry. In this study, such effects and compounds have been reported for the first time while a valorisation of waste materials has been analysed successfully. Furthermore, a passive extraction setup for waste materials and whole seeds has been developed. In extracts of snowdrops, precisely <em>Galanthus elwesii</em> HOOK.F., high concentrations of tocopherol have been found which promote a particularly high antioxidant capacity in lipophilic surroundings. Different coniferous woods (<em>Abies</em> div., <em>Picea</em> div.) which are in use as Christmas trees are extracted after separating the biomass in leafs and wood parts before being analysed regarding extraction optimisation and drought resistance of active substances. Antioxidant and UV absorbing proanthocyanidins are found even in dried biomasses, allowing the circular use of already used Christmas trees as bio-based stabilisers and the production of sustainable paper as a byproduct.

<strong>Identifizierung, Charakterisierung und Evaluierung von bioaktiven sekundären Inhaltsstoffen für die nachhaltige Stabilisierung von Lebensmittelverpackungen</strong> <br / > Kunststoffverpackungen werden üblicherweise unter Zusatz von Additiven wie Stabilisatoren produziert, um erwünschte Eigenschaften in das Material einzubringen oder seine Haltbarkeit zu erhöhen. Diese Stabilisatoren sind jedoch in der Regel erdölbasiert und können schädlich für die Umwelt und für die menschliche Gesundheit sein. Diese Thesis präsentiert daher nachhaltigere Alternativen, die aus regionalen nachwachsenden Rohstoffen mit den für Stabilisatoren relevanten antioxidativen, antimikrobiellen und UV-absorbierenden Eigenschaften hergestellt werden. Alle untersuchten Pflanzen werden extrahiert und neben ihrer antioxidativen, UV-absorbierenden und antimikrobiellen Eigenschaften auch auf weitere relevante Parameter wie die chemische Zusammensetzung, die Molmassenverteilung oder ihre Färbung untersucht. Zudem wird der Extraktionsprozess optimiert und eine mögliche Wiederaufwertung von Abfallstoffen analysiert. Weiterhin werden die Interaktionen zwischen den verschiedenen Pflanzenmaterialien beschrieben und pflanzlich additivierte Modell-Verpackungen auf Polymilchsäure-Basis hergestellt, anhand deren auch Formulierungen getestet und das Migrationsverhalten gemäß EU-Vo 10/2011 geprüft werden. <br /> Die bereits gut erforschte Arznei- und Gewürzpflanze Thymian (<em>Thymus vulgaris</em> L.) enthält phenolische Terpenoide wie Thymol und Carvacrol, welche starke antioxidative, antimikrobielle und UV-absorbierende Wirkungen aufweisen. Diese Effekte konnten sowohl in lipophilen als auch in hydrophilen Umgebunden beobachtet werden; zudem konnte der Kultivar <em>Varico 3</em> als potentester untersuchter Kultivar identifiziert und eine passive Extraktionsmethode für Thymian, neben der ggf. effizienteren Destillation ätherischer Öle, etabliert werden. <br /> In den regelmäßig als Abfall der Phytopharmazeutika-Produktion anfallenden Samenschalen der europäischen Rosskastanie (<em>Aesculus hippocastanum</em> L.) konnten hochmolekulare antioxidative Polyphenole aus der Gruppe der Proanthocyanidine nachgewiesen werden. Diese Inhaltsstoffe wurden hier erstmals beobachtet und auch eine Aufwertung von Abfällen in diesem Kontext erstmals untersucht. Zudem wurde eine passive Extraktionsmethode für Samenschalen entwickelt. In Extrakten von Schneeglöckchen, speziell <em>Galanthus elwesii</em> HOOK.F., wurden sowohl hohe Gehalte an Tocopherol als auch ein besonders hohes lipophiles antioxidatives Potential gefunden. Verschiedene als Weihnachtsbaum genutzte Nadelhölzer (<em>Abies</em> div., <em>Picea</em> div.) wurden getrennt nach Nadeln und Holz extrahiert und bzgl. Extraktionsoptmierung und Trocknungsresistenz der Wirkstoffe analysiert. Selbst in getrockneter Biomasse wurden antioxidative und UV-absorbierende Proanthocyanidine gefunden, wodurch die Aufwertung von bereits genutzten Weihnachtsbäumen primär zu Stabilisatoren und sekundär zu nachhaltigeren Papierprodukten ermöglicht wird.