Verbesserte Photolumineszenz von Curcuma longa-Extrakten durch Chitosan-vermittelte Energieübertragung für Textilauthentifizierungsanwendungen

Fälschungen gelten in weit verbreiteten Industrien auf der ganzen Welt als Geißel. Der rasche Anstieg gefälschter Produkte auf dem Markt verursacht wirtschaftliche Verwüstungen, die den Lebensunterhalt des Haupterfinders beeinträchtigen 1,2,3,4,5,6. Dies wurde 2020⁷ aufgrund der anhaltenden Besorgnis über neu auftretende gefälschte Produkte in den Vordergrund gerückt, wie der zunehmende Trend zu Veröffentlichungen zeigt, die in ihren Titeln aus dem Schlüsselwort Fälschungsschutz oder Fälschung bestehen. Seit der letzten Meldung im Jahr 2019 ist ein deutlicher Anstieg bei Veröffentlichungen im Zusammenhang mit Fälschungen zu beobachten, was darauf hindeutet, dass erhebliche Anstrengungen unternommen werden, um die Herstellung und den Vertrieb betrügerischer Waren zu bekämpfen. Andererseits kann es auch ziemlich alarmierend sein, da es den Fortschritt der Fälschungsindustrie bedeutet, der voraussichtlich anhalten wird, wenn er nicht wirksam angegangen wird. Die Textilindustrie ist von diesem Problem nicht verschont, da das Vorhandensein gefälschter Textilprodukte unter anderem den Lebensunterhalt von echten Verkäufern, Herstellern und Webern stark beeinträchtigt^{hat 3,8}. So galt die Textilindustrie in Westafrika lange Zeit als einer der führenden Exportmärkte der Welt. Es wurde jedoch berichtet⁹, dass etwa 85 % des Marktanteils von geschmuggelten Textilien gehalten werden, die westafrikanische Textilmarken verletzen. Die Auswirkungen von Fälschungen wurden auch auf anderen Kontinenten wie Asien, Amerika und Europa gemeldet, was darauf hindeutet, dass diese Krise ein unkontrollierbares Ausmaß erreicht hat und eine erhebliche Bedrohung für die bereits angeschlagene Textilindustrie darstellt 2,3,4,10,11,12.

Mit den rasanten Fortschritten in Wissenschaft, Technologie und Innovation übernahmen Forscher die Aufgabe, Funktionsmaterialien für Anwendungen zur Fälschungssicherheit zu entwickeln. Der Einsatz verdeckter Technologie ist einer der häufigsten und effektivsten Ansätze, um der Produktion betrügerischer Waren entgegenzuwirken. Dabei werden photolumineszierende Materialien als Sicherheitsfarbstoffe verwendet, die bei Bestrahlung mit verschiedenen Wellenlängen eine bestimmte Lichtemission aufweisen ^13,14. Einige auf dem Markt erhältliche photolumineszierende Farbstoffe können jedoch in hohen Konzentrationen toxisch sein und somit eine Gefahr für die menschliche Gesundheit und die Umwelt darstellen^15,16.

Kurkuma (Curcuma longa) ist eine essentielle Pflanze, die in unzähligen Anwendungen wie Farben, Aromastoffen, Medikamenten, Kosmetika und Stofffarbstoffen verwendet^{wird 17}. In den Rhizomen sind natürlich vorkommende phenolische chemische Verbindungen vorhanden, die Curcuminoide genannt werden. Zu diesen Curcuminoiden gehören Curcumin, Demethoxycurcumin und Bisdemethoxycurcumin, unter denen Curcumin der Hauptbestandteil ist, der für die leuchtend gelbe bis orange Färbung und die Eigenschaften von Kurkuma^{verantwortlich ist 18}. Curcumin, auch bekannt als 1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadien-3,5-dion^19,20 mit einer Summenformel von C₂₁H₂₀O₆, hat aufgrund seiner antiseptischen, entzündungshemmenden, antibakteriellen und antioxidativen Eigenschaften im biomedizinischen und pharmazeutischen Bereich erhebliche Aufmerksamkeit erregt 17,18,21,22,23. Interessanterweise besitzt Curcumin auch spektrale und photochemische Eigenschaften. Besonders bemerkenswert sind seine intensiven photolumineszierenden Eigenschaften bei ultravioletten (UV) Anregungen, die nur durch wenige Studien untersucht wurden 19,24,25. Aufgrund dieser Eigenschaften und seiner hydrophoben Natur und seiner ungiftigen Eigenschaften erweist sich Curcumin als idealer Farbstoff für Authentifizierungsmarkierungen.

Die Extraktion von Curcumin aus Kurkuma wurde erstmals in den frühen 1800er Jahren berichtet. In den letzten Jahrhunderten wurden zahlreiche Extraktionsmethoden und -techniken entwickelt und verbessert, um eine höhere Ausbeute zu erzielen 26,27,28,29,30,31,32,33. Die konventionelle Lösungsmittelextraktion ist ein weit verbreiteter Ansatz, da organische Lösungsmittel wie Ethanol, Methanol, Aceton und Hexan verwendet werden, um Curcumin aus Kurkuma^{zu isolieren 34,35}. Diese Methode hat sich durch Modifikationen in Verbindung mit fortschrittlicheren Techniken wie der mikrowellengestützten Extraktion (MAE)18,36,37, der Soxhlet-Extraktion ^38,39, der enzymgestützten Extraktion (EAE)^39,40 und der Ultraschallextraktion³⁶ weiterentwickelt, unter anderem, um den Ertrag zu steigern. Im Allgemeinen wurde die Lösungsmittelextraktionsmethode aufgrund ihrer Vielseitigkeit, ihres geringen Energiebedarfs und ihrer Kosteneffizienz für die Extraktion natürlicher Farbstoffe eingesetzt, was sie ideal für skalierbare Branchen wie Textilien macht.

Curcumin wurde aufgrund seines ausgeprägten gelben Farbtons als natürlicher Farbstoff für Textilien integriert. Die schlechte Adsorption natürlicher Farbstoffe an Textilfasern stellt jedoch eine Herausforderung dar, die ihre kommerzielle Lebensfähigkeit behindert⁴¹. Beizmittel wie Metalle, Polysaccharide und andere organische Verbindungen dienen als gängige Bindemittel, um die Affinität natürlicher Farbstoffe zum Stoff zu stärken. Chitosan, ein Polysaccharid, das aus Krustentieren gewonnen wird, wurde aufgrund seiner Häufigkeit in der Natur, seiner Biokompatibilität und seiner Waschbeständigkeit häufig als alternatives Beizmittel verwendet⁴². Diese Studie berichtet über einen einfachen und unkomplizierten Ansatz bei der Vorbereitung der Curcumin-basierten Authentifizierungsmarkierung. Rohe Curcumin-Extrakte wurden durch eine beschallungsunterstützte Lösungsmittelextraktionsmethode gewonnen. Die photolumineszierenden Eigenschaften des extrahierten Curcumins wurden umfassend auf textilen Substraten untersucht und durch die Einführung von Chitosan als Beizmittel weiter verbessert. Dies zeigt das erhebliche Potenzial als natürlich gewonnener Photolumineszenzfarbstoff für Authentifizierungsanwendungen.