Fast wie Lasagne: Wie richtiges Schneiden und Analysieren hilft, die Zusammensetzung von Verpackungsfolie zu bestimmen
Das AIRsight™ Infrarot- und Raman-Mikroskop lüftet die Geheimnisse von Mikrotomschnitten
Dr. Kai Klein, Dr. Aikaterini Karatzia, Shimadzu Europe
Moderne Folienverpackungen aus Kunststoff schützen Lebensmittel und pharmazeutische Produkte und machen diese länger haltbar. In der Regel bestehen solche Verpackungen aus mehreren Schichten, die miteinander verbunden werden. Die Analyse der einzelnen Schichten liefert wichtige Erkenntnisse, die unter anderem für die Qualitätskontrolle und das Recycling genutzt werden können. Das kann jedoch recht kompliziert sein. Wie misst man mehrere Schichten einer Folie, die selbst nur wenige Mikrometer dick ist? Eine Möglichkeit besteht darin, sich die Vorteile zweier verschiedener Analysemethoden auf neuartige Weise zunutze zu machen.
Warum eigentlich Lasagne?
Es ist Zeit fürs Abendessen und Sie sind hungrig. Heute freuen Sie sich auf eines Ihrer Lieblingsgerichte: Lasagne. Dort liegt sie nun auf Ihrem Teller. Sie sehen sie genau vor sich – und sie sieht köstlich aus! Vielleicht fangen Sie sofort an zu essen, weil Sie sehr hungrig sind und es nicht erwarten können, die Lasagne endlich zu probieren. Vielleicht halten Sie aber auch kurz inne, um sich das Gericht in aller Ruhe anzuschauen. Vorsichtig schneiden Sie es an, um das Innere freizulegen. Der Querschnitt zeigt die verschiedenen Schichten, die in Kombination ein kulinarisches Feuerwerk ergeben: Hackfleisch- und Béchamelsauce, Pasta und Käse (Abbildung 1).
Ähnlich wie eine Lasagne sich aus mehreren Schichten aufbaut, besteht auch eine voll funktionsfähige Verpackung heutzutage aus vielen verschiedenen Schichten Kunststoff. Moderne Verpackungen wie Kunststofffolien, die beispielsweise in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie verwendet werden, halten Produkte frisch und haltbar, schützen den Inhalt und sparen im Vergleich zu ähnlich effektiven Alternativen Gewicht. Für die Herstellung solcher Verpackungen werden üblicherweise mehrere Schichten Kunststoff miteinander verbunden – wobei je nach Verwendungszweck verschiedene Materialien zum Einsatz kommen. So schützt eine Siegelschicht das Produkt normalerweise vor dem Eindringen von Sauerstoff oder Nässe. Eine Trägerschicht sorgt für Stabilität, während wiederum die bedruckte äußere Schicht den Verbraucher zum Kauf anregen soll. In manchen Fällen gibt es eine weitere Schicht als Barriere gegen Licht oder Gerüche.
Eine Untersuchung der einzelnen Schichten ist aus verschiedenen Gründen sehr wichtig, sei es für die Forschung, die Materialentwicklung, die Qualitätssicherung, das Abfallmanagement oder das Recycling. So muss man beispielsweise für die Entsorgung und Wiederverwertung genau wissen, welches Material recycelt werden soll. Aus wissenschaftlicher Sicht ist es mit diesen Informationen möglich, eine Verpackung kontinuierlich zu verbessern und zu optimieren.
Der Schnitt: Die erste Herausforderung bei der Analyse von Folienverpackung aus Kunststoff
Die Analyse der verschiedenen Schichten kann sich jedoch manchmal als ziemlich kompliziert erweisen. Wie misst man mehrere Schichten einer Folie, die selbst nur wenige Mikrometer dick ist? Wenn man verstehen möchte, warum eine Verpackung so funktioniert wie sie funktioniert, lohnt sich ein Blick in diese mikroskopische Welt. An dieser Stelle kommt das Mikrotom ins Spiel.
Mit diesem Schneidegerät lassen sich extrem dünne und glatte Schnitte solcher Materialien erzeugen. Der mit dem Mikrotom erzielte Querschnitt gewährt einen Einblick in die Anzahl, Reihenfolge und Dicke der einzelnen Schichten. Freigelegt werden zudem nicht nur die Materialübergänge und Klebeschichten, sondern auch Unregelmäßigkeiten oder Defekte, durch die sich die Haltbarkeit eines Produkts verringern kann. Eine regelmäßige Analyse von Verpackungsmaterialien ist daher für die Qualitätssicherung in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie von hoher Bedeutung.
Nach Auswahl einer geeigneten Probe wird diese in die Halterung des Mikrotoms geklemmt. Bei Mehrschichtfolie ist es ratsam, die Probe senkrecht zur Schnittrichtung zu platzieren, um einen sauberen Querschnitt zu erzeugen (Abbildung 2). Je nach Art und Stabilität der Probe wird diese entweder direkt fixiert oder beispielsweise in ein stabilisierendes Medium aus Kunstharz eingeschlossen. Für das Einbetten sehr dünner Folien empfiehlt sich die Verwendung eines Mediums, das sich chemisch inert zum untersuchten Material verhält und nicht übermäßig erhitzt werden muss.
Die Wahl des Messers und der Schnittstärke hängt häufig von der geplanten Analyse ab. Für Transmissionsmessungen mit einem Infrarotmikroskop (IR-Mikroskop) werden dünnere Schnitte mit härteren Messern erzeugt als beispielsweise für Reflexionsmessungen. Der Schnitt selbst sollte in einer gleichmäßigen, fließenden Bewegung durchgeführt werden. Auf diese Weise vermeidet man raue Stellen auf der Oberfläche, welche die spätere mikroskopische Analyse erschweren können. Die einzelnen hauchdünnen Präparate werden anschließend je nach gewählter Analysemethode vorbereitet. Für Transmissionsmessungen können die Schnitte an den Enden leicht mit Klebeband fixiert werden, sodass die zu beleuchtende Messstelle frei bleibt. Für Reflexionsmessungen können die Schnitte auf einem metallbeschichteten Träger oder wenn sie ausreichend dick sind auf einem herkömmlichen Objektträger aus Glas fixiert werden.
Die Analyse: Die zweite Herausforderung bei der Analyse von Folienverpackung aus Kunststoff
Mit einem IR-Mikroskop lassen sich gezielt an bestimmten Messstellen einer Probe IR-Spektren erzeugen. Die Mikroskopsysteme AIMsight™ und AIRsight™ verfügen jeweils über eine Weitfeldkamera und ein 15×-IR-Objektiv für spektroskopische Messungen. Darüber hinaus dient das AIRsight™-System zugleich als Raman-Spektrometer mit 50×- und 100×-Objektiven sowie Laseranregung im sichtbaren Wellenlängenbereich.
Die IR-Spektroskopie basiert auf der Absorption von IR-Strahlung durch polare Gruppen, deren Bindungslängen und -winkel sich durch den Energiegewinn ändern. Durch die Absorption entstehen also Schwingungen der chemischen Bindungen im Molekül. Die Raman-Spektroskopie hingegen misst Molekülschwingungen durch unelastische Streuung an der elektronischen Umgebung von polarisierbaren Gruppen (Abbildung 3). Die Kombination beider Methoden liefert also komplementäre Informationen zur chemischen Zusammensetzung des Materials und ermöglicht somit eine genauere und vollständigere Analyse einer Probe.
Dass Raman und IR bei denselben funktionellen Gruppen komplementäre Informationen liefern, ist ein sehr wichtiger Aspekt. Manchmal kommt es vor, dass eine funktionelle Gruppe bei einer Methode kein Signal zeigt. Deshalb ist es wichtig, beide Methoden kombiniert anzuwenden. Da die meisten Substanzen und funktionellen Gruppen entweder Raman- oder IR-aktiv sind, ermöglicht das AIRsight™ Messungen mit beiden Methoden an derselben Messstelle, ohne dass die Probe bewegt werden muss. Damit mit beiden Methoden Spektren generiert werden können, müssen die Moleküle in der Probe also auch unterschiedliche funktionelle Gruppen aufweisen.
Da molekulare Schwingungsenergien vom chemischen Umfeld abhängen, weisen verschiedene Substanzen charakteristische IR-Absorptions- und Raman-Streuungssignaturen auf. Durch die Kombination aus IR- und Raman-Spektroskopie lässt sich eine Vielzahl von Materialien verlässlich identifizieren und differenzieren.
Abbildung 4 zeigt den Verlauf des IR-Strahlengangs im AIMsight™ und AIRsight™ Mikroskop. Die Probe wird mittig an der durch die roten Kegel markierten Stelle platziert. Der Strahlengang von unten ermöglicht Transmissionsmessungen, der von oben dagegen Reflexionsmessungen. Mit der Weitfeldkamera verschafft man sich einen Überblick über den relevanten Messbereich. Sobald eine passende Messstelle identifiziert wurde, kann die Ansicht zur Detailvergrößerung und Fokusanpassung auf das 15×-IR-Objektiv gewechselt werden. In dieser Ansicht lassen sich Messstellen für Transmissions- oder Reflexionsmessung mit unterschiedlichen Blenden sowie eine zusätzliche Messstelle für eine Hintergrundmessung der Umgebungsluft einstellen. Die Hintergrundmessung dient dazu, Störsignale von CO2 und Wasser zu minimieren. Anschließend beginnen die eigentlichen Messungen mit einer festgelegten Anzahl von Scans bis das endgültige Spektrum angezeigt wird. Nach diesem Verfahren lassen sich auch Linienscans und Kartierungen von relevanten Messbereichen erstellen, die aus mehreren Messstellen bestehen. Das für jede Messstelle erzeugte Spektrum kann anschließend zwecks Identifikation mit einer Datenbank verglichen werden.
Die Raman-Laser dagegen sind oben auf dem Mikroskop montiert und können die Probe nur von oben belichten. Die 50×- und 100×-Raman-Objektive erfassen das zurückgestreute Licht von der Probe und erzeugen so ein Differenzspektrum, das den Unterschied der Wellenzahl zum einfallenden Laser abbildet. Anders als bei der FTIR-Methode werden Raman-Spektren nicht in absoluten Einheiten, sondern im Verhältnis zum Laserlicht gemessen.
Das richtige Rezept
Durch Kombination der Mikrotomie zur Probenvorbereitung mit der IR- und Raman-Spektroskopie lassen sich die verschiedenen Schichten von Verpackungsfolie chemisch analysieren. Durch die Anfertigung dünner Querschnitte werden die internen Strukturen solcher Folien für räumlich aufgelöste spektroskopische Messungen zugänglich gemacht (Abbildung 5). Veranschaulichen lässt sich dieser Ansatz anhand des folgenden Beispiels der Mehrschichtfolie einer handelsüblichen Kartoffelchipsverpackung.
Optisch konnten fünf verschiedene Schichten innerhalb des Querschnitts identifiziert werden. Für deren chemische Identifikation wurde die IR-Spektroskopie eingesetzt. Durch Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) konnten fünf separate Schichten erkannt werden, die aus insgesamt drei verschiedenen Materialien bestehen. Die äußeren Folienschichten bestehen aus Polyethylenterephthalat (PET), gefolgt von einer mittleren Schicht aus Polypropylen (PP) und weiteren Nylon-Schichten (Abbildung 6).
PET wird aufgrund seiner Festigkeit, chemischen Beständigkeit und Transparenz üblicherweise als äußere Schicht von Lebensmittelverpackungen verwendet. Darüber hinaus bietet es eine schützende Oberfläche, die bedruckbar ist. Schichten aus Nylon werden häufig integriert, um die Barriereeigenschaften einer Verpackung gegen Sauerstoff zu verstärken und Verlust von Aroma zu verhindern und tragen dadurch zu einer längeren Haltbarkeit bei. Die Polypropylenschicht in der Mitte sorgt für Stabilität und Flexibilität und bietet zugleich eine hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit, was gerade bei einer Snackverpackung entscheidend ist, um die Produktqualität zu bewahren.
Auch für die Analyse kam die Raman-Spektroskopie zum Einsatz. Neben den durch die FTIR-Spektroskopie identifizierten Schichten brachte die Raman-Analyse zwischen den PET- und Nylonschichten jeweils eine weitere Schicht aus Titandioxid (TiO2) zutage, die mithilfe der IR-Spektroskopie nicht erkannt wurden (Abbildung 7). Das liegt daran, dass TiO₂ keine starken IR-aktiven Schwingungsmodi aufweist, aber eine eindeutige Ramanaktivität infolge von Veränderungen der molekularen Polarisierbarkeit zeigt. Dieses Ergebnis verdeutlicht, dass es für eine umfassende Bestimmung mehrschichtiger Verpackungsmaterialien von Vorteil ist, die IR- und die Raman-Spektroskopie zu kombinieren.
Ein gutes Produkt braucht gute Zutaten
Obwohl die Mikrotomie in der Regel nur zum Einsatz kommt, um Querschnitte von biologischen Proben anzufertigen, hat sich gezeigt, dass sie sich auch mit der IR- und Raman-Spektroskopie kombinieren lässt, um mehrschichtige Verpackungsfolien im Detail zu untersuchen. Während Polymerschichten in der Regel zuverlässig mit der IR-Spektroskopie identifiziert werden können, liefert die Raman-Spektroskopie komplementäre Informationen. So lassen sich beispielsweise anorganische Zusatzstoffe erkennen oder die Grenzen zwischen den einzelnen Schichten dank der stärkeren Vergrößerung präziser bestimmen. Die Analyse einer handelsüblichen Chipsverpackung zeigt, dass die AIMsight™ und AIRsight™ Mikroskopsysteme für solche Anwendungen hervorragend geeignet sind und somit Prozesse in der Qualitätssicherung, der Materialentwicklung und dem Recycling von Verpackungen in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie unterstützen können. Wie bei einer guten Lasagne kommt es darauf an, alle Zutaten in der richtigen Reihenfolge zu schichten.
Sources
Ščetar, M. (2021). Multilayer Packaging Materials. Packaging Materials and Processing for Food, Pharmaceuticals and Cosmetics, 131-144. Anukiruthika, T., Sethupathy, P., Wilson, A., Kashampur, K., Moses, J. A., & Anandharamakrishnan, C. (2020). Multilayer packaging: Advances in preparation techniques and emerging food applications. Comprehensive reviews in food science and food safety, 19(3), 1156-1186.Piergiovanni, L., & Limbo, S. (2016). Food packaging materials (Vol. 1671). Basel, Switzerland:: Springer.
Weblinks
Multilayer film analysis using the AIRsight™ infrared Raman microscope
A comparative study of depth and cross-section measurement of food packaging