Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) haben gezeigt, dass sie die Haltbarkeit von geernteten Pflanzen verlängern können, indem sie ihnen mit Hilfe von biologisch abbaubaren Mikronadeln Melatonin injizieren.
Die Forscher glauben, dass ihr System eine Alternative oder Ergänzung zur Kühlung darstellen könnte, teilte das MIT mit. Im Mittelpunkt ihres Ansatzes stehen Mikronadeln aus Seide. Die Mikronadeln können die zähe, wachsartige Haut der Pflanzen durchdringen, ohne eine Stressreaktion auszulösen, und geben präzise Mengen an Melatonin in das innere Gewebe der Pflanzen ab.
„Dies ist das erste Mal, dass wir diese Mikronadeln einsetzen können, um die Haltbarkeit einer frisch geschnittenen Pflanze zu verlängern“, sagt Benedetto Marelli, Hauptautor der Studie, außerordentlicher Professor für Bau- und Umwelttechnik am MIT und Leiter der Wild Cards Mission des MIT Climate Project. “Wir dachten, wir könnten diese Technologie nutzen, um etwas zu liefern, das die Physiologie der Pflanze nach der Ernte reguliert oder kontrolliert. Schließlich haben wir uns Hormone angesehen, und Melatonin wird von Pflanzen bereits zur Regulierung solcher Funktionen eingesetzt. Die Lebensmittel, die wir verschwenden, könnten etwa 1,6 Mrd Menschen ernähren. Selbst in den USA könnte dieser Ansatz eines Tages den Zugang zu gesunden Lebensmitteln verbessern.”
Für die Studie brachten Marelli und Forscher von SMART kleine Flecken der melatoninhaltigen Mikronadeln an der Basis des Blattgemüses Pak Choy an. Nach dem Auftragen stellten die Forscher fest, dass das Melatonin die Haltbarkeit des Gemüses bei Raumtemperatur um vier Tage und bei Kühlung um zehn Tage verlängern kann. “Nachernteabfälle sind ein großes Problem. Dieses Problem ist in den aufstrebenden Märkten Afrikas und Südostasiens von großer Bedeutung, wo viele Feldfrüchte produziert werden, aber auf dem Weg vom Bauernhof zum Markt nicht haltbar sind”, sagt Sarojam Rajani, Mitautor der Studie und leitender Forscher am Temasek Life Sciences Laboratory in Singapur.
Pflanzenvertilgungsmittel
Marellis Labor erforscht seit Jahren den Einsatz von Mikronadeln aus Seide, um bspw. Pflanzen mit Nährstoffen zu versorgen und die Pflanzengesundheit zu überwachen. Mikronadeln aus Seidenfibroinprotein sind ungiftig und biologisch abbaubar, und Marelli hat in früheren Arbeiten Möglichkeiten beschrieben, sie in großem Maßstab herzustellen. Um die Fähigkeit der Mikronadeln zu testen, die Haltbarkeit von Lebensmitteln zu verlängern, wollten die Forscher untersuchen, ob sie ein Hormon abgeben können, von dem bekannt ist, dass es den Seneszenzprozess beeinflusst. Melatonin hilft nicht nur dem Menschen beim Schlafen, sondern ist auch ein natürliches Hormon, das in vielen Pflanzen vorkommt und ihnen bei der Regulierung von Wachstum und Alterung hilft.
„Die Melatonin-Dosis, die wir verabreichen, ist so niedrig, dass sie von den Pflanzen vollständig abgebaut wird, so dass die Melatoninmenge, die normalerweise in der Nahrung enthalten ist, nicht wesentlich erhöht wird und wir nicht mehr Melatonin als üblich aufnehmen“, sagt Marelli. „Wir haben uns für Pak Choy entschieden, weil es in Asien eine sehr wichtige Kulturpflanze ist, und auch, weil Pak Choy sehr leicht verderblich ist.“
Pak Choy wird in der Regel geerntet, indem man die blättrige Pflanze vom Wurzelsystem abschneidet und so die Triebbasis freilegt, die einen leichten Zugang zu den Gefäßbündeln bietet, die Wasser und Nährstoffe an den Rest der Pflanze verteilen. Zu Beginn ihrer Studie injizierten die Forscher zunächst mit ihren Mikronadeln einen Fluoreszenzfarbstoff in die Basis, um zu bestätigen, dass die Gefäße den Farbstoff in der gesamten Pflanze verteilen können.
Die Forscher verglichen dann die Haltbarkeit von normalen Pak-Choi-Pflanzen und von Pflanzen, die mit Melatonin besprüht oder in Melatonin getaucht worden waren, und stellten keinen Unterschied fest. Nachdem die grundlegende Haltbarkeit festgestellt worden war, brachten die Forscher kleine mit Melatonin gefüllte Mikronadeln per Hand auf den Boden der Pak-Choi-Pflanzen auf. Anschließend lagerten sie die behandelten Pflanzen zusammen mit den Kontrollpflanzen in Plastikboxen sowohl bei Raumtemperatur als auch unter Kühlung. Das Team bewertete die Pflanzen, indem es ihr Gewicht, ihr Aussehen und die Konzentration von Chlorophyll, einem grünen Pigment, das mit dem Alter der Pflanzen abnimmt, überwachte.
Auf dem Weg zur Nacherntekonservierung
Bei Raumtemperatur begannen die Blätter der unbehandelten Kontrollgruppe innerhalb von zwei oder drei Tagen zu vergilben. Am vierten Tag beschleunigte sich die Vergilbung so weit, dass die Pflanzen wahrscheinlich nicht mehr verkauft werden konnten. Pflanzen, die mit den Melatonin-beladenen Seidenmikronadeln behandelt wurden, blieben dagegen am fünften Tag grün, und der Vergilbungsprozess verzögerte sich deutlich. Auch der Gewichtsverlust und der Chlorophyllabbau der behandelten Pflanzen verlangsamten sich bei Raumtemperatur erheblich. Insgesamt schätzten die Forscher, dass die mit Mikronadeln behandelten Pflanzen bis zum achten Tag ihren Verkaufswert behielten.
Obwohl die Mikronadeln im Vergleich zu anderen Anwendungsmethoden wie dem Besprühen oder Eintauchen von Pflanzen eine Minimierung des Abfalls ermöglichen könnten, ist nach Ansicht der Forscher noch weitere Arbeit erforderlich, um Mikronadeln in großem Maßstab einzusetzen. Obwohl die Forscher in diesem Experiment die Mikronadelpflaster von Hand aufbrachten, könnten die Pflaster in Zukunft auch mit Traktoren, autonomen Drohnen und anderen landwirtschaftlichen Geräten aufgebracht werden.
„Damit sich diese Methode durchsetzen kann, müssen wir eine Schwelle im Verhältnis zwischen Leistung und Kosten erreichen, die ihren Einsatz rechtfertigt“, erklärt Marelli. “Diese Methode müsste so billig werden, dass sie von den Landwirten regelmäßig eingesetzt werden kann.
