Die Reifeprüfung: Kohlenstoffnanoröhrchen-basierter Ethylen-Sensor ermittelt Fruchtreife

18.05.2012: Beim Stichwort Ethylen (Ethen) denkt man eher an Polyethylen-Kunststoffe als an Früchte. Aber Ethylen ist nicht nur ein Ausgangsprodukt der chemischen Industrie, sondern auch das kleinste Pflanzenhormon und steuert physiologische Prozesse, wie die Reifung von Früchten, die Keimung, das Aufblühen und das Verwelken von Blüten. Amerikanische Wissenschaftler stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt einen sehr empfindlichen Ethylen-Sensor vor, mit dem der Reifegrad von Früchten beurteilt werden könnte.

Der Reifungsprozess vieler Früchte wird ausgelöst, wenn Ethylen an einen bestimmten Rezeptor bindet. Bananen beispielsweise werden meist unreif geerntet, unter Stickstoffatmosphäre transportiert, um den Reifungsprozess zu stoppen, und vor der Auslieferung dann in einer „Reiferei“ mit Ethylen begast. Es darf aber nicht zuviel des Guten werden, sonst sind die Bananen rasch „überreif“. Entsprechend wichtig ist es, die Ethylenkonzentration in Lagerräumen genau zu kontrollieren. Aber auch die genaue Kenntnis, wieviel Ehtylen Früchte zu welchem Zeitpunkt ihrer Entwicklung freisetzen, ist interessant, etwa um den idealen Erntezeitpunkt zu ermitteln.

Als kleines unpolares Molekül lässt sich Ethylen (C₂H₂) nur schwer nachweisen. Konventionelle Methoden basieren meist auf teuren, aufwändigen Messgeräten, die für einen Einsatz vor Ort, etwa einer Obstplantage, nicht geeignet sind. Timothy M. Swager und sein Team vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge (USA) haben nun einen kleinen transportablen Sensor entwickelt, der so geringe Ethylen-Konzentrationen, wie sie bei der Fruchtreifung freigesetzt werden, zuverlässig messen kann. Er ist dabei einfach und kostengünstig herstellbar.

Das Sensorelement besteht aus einer kleinen Glasplatte mit zwei Goldelektroden. Zwischen den Elektroden wird eine Mischung aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen und einem speziellen Kupferkomplex aufgetragen. Der Kupferkomplex lagert sich fest an die Kohlenstoffnanoröhrchen an. Kommt der Sensor mit Ethylen in Berührung, bindet das Ethylen an den Kupferkomplex. Dadurch wird dessen Bindung zu den Kohlenstoffnanoröhrchen gelockert. Die elektronischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhrchen reagieren sehr empfindlich darauf, wie stark die Wechselwirkungen zu den Kupferkomplexen sind. Ihr elektrischer Widerstand ändert sich in Abhängigkeit von der Ethylenkonzentration.

Die Forscher legten Früchte in eine luftdichte Kammer und leiteten Stickstoff hindurch und über den Sensor. So konnten sie die Ethylen-Ausdünstungen verschiedener Früchte vergleichen und die Veränderungen der abgesonderten Ethylenmenge einer Frucht während ihrer Reifung verfolgen. So zeigt sich ein deutlicher Ethylen-Peak während der Lagerung von Früchten, die nach der Ernte nachreifen, wie Bananen, Birnen und Avocados. Das Maximum wird erreicht, wenn die Frucht reif ist. Nicht-nachreifende Früchte wie Orangen setzen dagegen gleichmäßig niedrige Ethylenmengen frei.

Originalveröffentlichung:
Dr. Birgit Esser, Jan M. Schnorr, Prof. Dr. Timothy M. Swager; Selektiver Nachweis von Ethylengas mit Kohlenstoffnanoröhren als Hilfsmittel in der Fruchtreifebestimmung; Angewandte Chemie, Article first published online: 19 APR 2012