Учёные превратили молочный белок в биоразлагаемый пластик — вот как

Вкратце

• Учёные создали биоразлагаемую упаковочную плёнку из молочного белка, крахмала и вулканической глины.
• Материал снижает проницаемость водяного пара почти в 1000 раз по сравнению с аналогичными биополимерными плёнками.
• Полностью разлагается в почве примерно за 13 недель — значительно быстрее, чем пластики на нефтяной основе.

Белок, который делает ваш йогурт густым, а сыр эластичным, получил новую задачу: замену пластиковой плёнки. Исследователи из Колумбии и Австралии опубликовали в журнале Polymers исследование о биоразлагаемой плёнке, изготовленной в основном из кальция казеината — того же белка, который составляет около 80% коровьего молока — смешанного с крахмалом, щепоткой глины и синтетическим связующим веществом для скрепления компонентов. В результате получилась упаковочная плёнка, которая полностью разлагается в почве за примерно 13 недель, в отличие от обычных пластиков, для разложения которых требуется века. Казеин — молочный белок — естественным образом образует плотные молекулярные сети при растворении и высыхании, обеспечивая базовую структуру плёнки. Но сама по себе чистая казеиновая плёнка после высыхания сокращается и становится хрупкой, как высохший клей. Исследователи обнаружили, что глицерин, распространённый пищевая пластификатор, действует как смазка внутри полимера, сохраняя его гибким.

Изображение: Polymers

Затем они добавили модифицированный крахмал для увеличения объёма и PVA — биоразлагаемый полимер — для значительного повышения прочности и совместимости между компонентами, и вот. Ключевым компонентом смеси является бентонит: вулканическая глина, измельчённая до наноразмерных частиц и взвешенная в смеси. Когда плёнка высыхает, эти крошечные глиняные пластины располагаются в плоских, перекрывающихся слоях внутри материала — словно стена из сложенных карт. Влага, пытающаяся пройти через упаковку, уже не может идти прямо — ей приходится обходить лабиринт этих глиняных барьеров, следуя более длинному, извилистому пути. Этот эффект «извилистого диффузионного пути» объясняет, почему проницаемость водяного пара снизилась почти в три порядка по сравнению с обычными казеиново-крахмальными плёнками, описанными в литературе. Это снижение в тысячу раз. 

Конечная плёнка растягивается более чем вдвое до разрыва. Аналогичные казеин-крахмальные плёнки без добавления PVA или бентонита гораздо более жёсткие. Такое улучшение прочности достигается за счёт слоёв силиката бентонита, которые выступают в роли внутреннего армирования, равномерно распределяя напряжение при растяжении или изгибе. Можно представить это не как обычный пластиковый пакет, а как композит с армированием из волокон — только из пищевых ингредиентов вместо углеродных волокон. В области микробиологии колонии бактерий на плёнке оставались ниже порога, установленного стандартами ISO для нестерильных упаковочных материалов. Это означает, что эти плёнки не обладают явными антимикробными свойствами, но и не создают условий для роста бактерий, как в Петри. Исследователи отметили, что это направление требует дальнейших исследований, предполагая, что добавление серебряных наночастиц или других активных веществ может превратить плёнку в действительно антимикробный материал. Биоразложение отслеживали, закапывая прямоугольные образцы плёнки в почву на девять дней и взвешивая их ежедневно. Самое активное разрушение происходило в первые 72 часа — казеин и крахмал быстро впитывали влагу, набухали и распадались. После этого процесс разложения продолжался более медленно. Экстраполяция кривой показывает, что полное разрушение занимает около 13 недель, что дольше, чем у простых казеин-крахмальных плёнок, но значительно короче, чем у пластика на нефтяной основе. Это гораздо быстрее, чем миллионы лет, которые могут потребоваться для разложения пластикового пакета.

Изображение: Polymers

Для производства плёнок исследователи использовали метод заливки раствора — просто заливали жидкую смесь в формы и сушили в духовке при 38°C (около 100°F). Этот метод достаточно прост и позволяет масштабировать производство без использования экзотического оборудования, что важно для внедрения в развивающихся странах, где инфраструктура по утилизации пластика часто ограничена. Работа ещё продолжается. Не проведены тесты на термическую стабильность, требуется более глубокая проверка антимикробных свойств, а прозрачность немного снижается при добавлении бентонита — хотя исследователи утверждают, что это изменение практически незаметно невооружённым глазом. Это не критичные недостатки. Это инженерные задачи, которые решаются по мере перехода разработки из лабораторных условий в пилотное производство. Основная идея — что можно создать функциональную, по-настоящему биоразлагаемую упаковочную плёнку из молочного белка и вулканической глины — подтверждается данными.