Mit Mikronadeln und Hormonen gegen Lebensmittelverschwendung

Ein Mangoldblatt verrottet in aller Stille. Auf asiatischen Märkten oder auf Messen im Landesinneren Brasiliens vergeht die Zeit wie im Flug. Der Verlust geschieht vor der Pfanne. Nun verspricht eine Gruppe von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Smart Alliance aus Singapur, diesen Prozess zu verlangsamen. Der Vorschlag ist in der Form einfach, aber inhaltlich genial: Mit biologisch abbaubaren Mikronadeln aus Seide soll Melatonin direkt in das Pflanzengewebe injiziert werden. Das Ergebnis? Länger grünere Blätter. Keine Kühlkette erforderlich.

Der Schwerpunkt des Experiments lag auf Pak Choy, einem in Asien verbreiteten und leicht verderblichen Gemüse. Nach der Behandlung der Nadeln mit Melatonin hielt die Pflanze bei Zimmertemperatur noch vier weitere Tage durch. Gekühlt hielt es bis zu zehn Tage länger.

Veränderung beginnt mit dem Schnitt. Wenn die Pflanze von der Wurzel getrennt wird, beginnt ein natürlicher Alterungsprozess, der Seneszenz genannt wird. Melatonin, ein Hormon, das auch in Gemüse vorkommt, fungiert als Moderator dieses Prozesses.

„Wir wollten sehen, ob wir die Physiologie nach der Ernte kontrollieren können“, sagt Benedetto Marelli, Professor am MIT und Hauptautor der Studie.

Innovation ist die Antwort auf ein globales Problem. Etwa 30 % der geernteten Lebensmittel gehen vor dem Verzehr verloren. Die meisten verderben während des Transports und der Lagerung. Kühlung hilft, erfordert aber Energie, Logistik und Geld. In vielen Ländern, insbesondere in Afrika und Südostasien, sind diese Ressourcen knapp. Als Alternative bieten sich Seidennadeln an.

Die Materialwahl war kein Zufall. Die in den Nadeln verwendete Seide stammt aus Fibroin, einem natürlichen, biologisch abbaubaren und ungiftigen Protein. Die Form ermöglicht es, die wachsartige Haut von Pflanzen zu durchstechen, ohne sichtbare Verletzungen zu verursachen. Die injizierte Substanz verteilt sich in den inneren Gefäßen der Pflanze und erreicht ihre lebenswichtigen Teile.

Bevor die Forscher Melatonin testeten, trugen sie einen fluoreszierenden Farbstoff auf die Pak Chois auf, um zu sehen, ob das Gefäßsystem wie vorgesehen funktionierte. Nachdem die Verteilung bestätigt war, testeten sie zwei herkömmliche Ansätze: das Besprühen und das Eintauchen der Pflanzen in Melatonin. Keiner von ihnen hatte irgendeine Wirkung. Die Absorption war minimal. Nur die Direkteinspritzung funktionierte.

Die behandelten Blätter behielten ihren Grünton bis zum fünften Tag, während die Blätter der Kontrollgruppe am dritten Tag gelb wurden. Wissenschaftler überwachten Gewichtsverlust, Färbung und Chlorophyllgehalt. Der Unterschied war deutlich. Im Durchschnitt blieben die injizierten Blätter bis zum achten Tag bei Raumtemperatur verkaufsfähig.

Unter Kühlung erhöht sich der Nutzen noch weiter. Das behandelte Gemüse überlebte bis zum 25. Tag und zeigte ein gutes Aussehen. Laboranalysen zeigten eine stärkere antioxidative Aktivität. Auch die Genexpression veränderte sich: Das Hormon löste Mechanismen aus, die Pigmente schützen und den Zelltod verzögern.

Die Idee, Seide und Hormone in Nutzpflanzen einzusetzen, ist für Marellis Labor nicht neu. Sein Team hatte zuvor Mikronadeln zur Nährstoffzufuhr und Überwachung der Vitalfunktionen von Kulturen getestet. Die aktuelle Herausforderung besteht darin, die Technik zu skalieren. Im Experiment wurden die Nadeln manuell gesetzt. Im Feld wäre eine Anpassung der Anwendung an Landmaschinen, Traktoren, Drohnen notwendig.

„Um sie in großem Maßstab einzuführen, muss die Technologie kostengünstig gemacht werden“, räumt Marelli ein. „Aber das Potenzial ist immens.“

Weitere Informationen unter doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00487