นักวิทยาศาสตร์เปลี่ยนโปรตีนจากนมเป็นพลาสติกทางเลือกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ—นี่คือวิธีการ
สรุปโดยย่อ
- นักวิจัยสร้างฟิล์มบรรจุภัณฑ์ที่ย่อยสลายได้จากโปรตีนในนม แป้ง และดินภูเขาไฟ
- วัสดุนี้ลดความสามารถในการซึมผ่านของไอน้ำได้เกือบ 1,000 เทียบกับฟิล์มไบโอโพลิเมอร์ที่คล้ายกัน
- ย่อยสลายได้เต็มที่ในดินประมาณ 13 สัปดาห์—เร็วกว่าพลาสติกจากปิโตรเลียมอย่างมาก
โปรตีนที่ทำให้โยเกิร์ตของคุณข้นและชีสของคุณยืดหยุ่นเพิ่งได้รับงานใหม่: แทนที่พลาสติกแรป นักวิจัยจากโคลอมเบียและออสเตรเลียได้เผยแพร่ผลการศึกษาที่ Polymers ซึ่งอธิบายถึงฟิล์มบรรจุภัณฑ์ที่ย่อยสลายได้ซึ่งทำจากแคลเซียมเคซาไนต์—โปรตีนเดียวกับที่ประกอบขึ้นประมาณ 80% ของนมวัว—ผสมกับแป้ง เล็กน้อยของดินภูเขาไฟ และสารเชื่อมสังเคราะห์เพื่อยึดทุกอย่างเข้าด้วยกัน ผลลัพธ์คือฟิล์มบรรจุภัณฑ์ที่ย่อยสลายได้เต็มที่ในดินในประมาณ 13 สัปดาห์ เมื่อเทียบกับพลาสติกทั่วไปที่อาจใช้เวลานานหลายศตวรรษ เคซาไนต์—โปรตีนในนม—จะสร้างเครือข่ายโมเลกุลแน่นหนาเมื่อถูกละลายและแห้ง ซึ่งให้โครงสร้างพื้นฐานที่ดีแก่ฟิล์ม แต่ด้วยตัวเอง ฟิล์มเคซาไนต์บริสุทธิ์จะหดตัวและเปราะหลังจากแห้ง เช่นเดียวกับกาวแห้ง นักวิจัยพบว่ากลีเซอรอล ซึ่งเป็นพลาสติกไลเซอร์ชนิดอาหารทั่วไป ทำหน้าที่เป็นตัวหล่อลื่นภายในโพลิเมอร์ ช่วยให้มันยืดหยุ่นได้
ภาพ: Polymers
จากนั้นพวกเขาเติมแป้งที่ปรับปรุงแล้วเพื่อเพิ่มปริมาณ และ PVA—โพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้—เพื่อปรับปรุงความแข็งแรงและความเข้ากันได้ระหว่างส่วนประกอบอื่นๆ และ ว้าว แต่กุญแจสำคัญของส่วนผสมนี้คือ เบนโทไนต์: แร่ดินภูเขาไฟที่บดเป็นอนุภาคนาโนและแขวนลอยอยู่ในส่วนผสม เมื่อฟิล์มแห้งแล้ว แผ่นดินภูเขาไฟขนาดเล็กเหล่านี้จะจัดเรียงตัวในชั้นแบนทับซ้อนกันภายในวัสดุ—คล้ายกับกำแพงของไพ่ที่ซ้อนกันในฟิล์ม ไอน้ำที่พยายามผ่านบรรจุภัณฑ์ไม่สามารถทะลุผ่านได้โดยตรงอีกต่อไป—ต้องเดินทางผ่านเขาวงกตของแผ่นดินภูเขาไฟเหล่านี้ ซึ่งเป็นเส้นทางที่ยาวและคดเคี้ยว ผลกระทบของ “การแพร่กระจายแบบซับซ้อน” นี้คือความสามารถในการซึมผ่านของไอน้ำในฟิล์มลดลงเกือบสามหลักในทางทฤษฎีเมื่อเทียบกับฟิล์มเคซาไนต์-แป้งธรรมดาที่รายงานในวรรณกรรม นั่นคือการลดลงพันเท่า
ฟิล์มสุดท้ายสามารถยืดได้มากกว่าสองเท่าของความยาวเดิมก่อนจะฉีกขาด ฟิล์มเคซาไนต์-แป้งที่ไม่มี PVA หรือเบนโทไนต์จะมีความแข็งแรงน้อยกว่า การปรับปรุงความแข็งแรงนี้มาจากชั้นซิลิเกตของเบนโทไนต์ที่ทำหน้าที่เป็นเสริมแรงภายใน กระจายแรงกดดันได้อย่างสม่ำเสมอมากขึ้นเมื่อถูกดึงหรือโค้งงอ คิดง่ายๆ ว่าไม่ใช่ถุงพลาสติกธรรมดา แต่เป็นคอมโพสิตเสริมใย—ทำจากวัตถุดิบอาหารแทนเส้นใยคาร์บอน
ในด้านจุลชีววิทยา กลุ่มแบคทีเรียบนฟิล์มยังคงต่ำกว่าขีดจำกัดที่กำหนดโดยมาตรฐาน ISO สำหรับการใช้งานบรรจุภัณฑ์ที่ไม่ผ่านการฆ่าเชื้อ ซึ่งหมายความว่าฟิล์มเหล่านี้ไม่มีคุณสมบัติต้านจุลชีพโดยชัดเจน แต่ก็ไม่ได้สร้างสภาพแวดล้อมในจานเพาะเชื้อ นักวิจัยชี้ว่านี่เป็นแนวทางสำหรับงานในอนาคต โดยการผสมอนุภาคเงินหรือสารออกฤทธิ์อื่นๆ อาจทำให้ฟิล์มกลายเป็นจริงๆ ที่มีคุณสมบัติต้านแบคทีเรีย
การย่อยสลายทางชีวภาพถูกติดตามโดยการฝังตัวอย่างฟิล์มสี่เหลี่ยมในดินเป็นเวลาเก้าวันและชั่งน้ำหนักทุกวัน การสลายตัวที่รุนแรงที่สุดเกิดขึ้นใน 72 ชั่วโมงแรก—เคซาไนต์และแป้งเริ่มดูดซับความชื้นอย่างรวดเร็ว บวมและแตกเป็นชิ้นๆ หลังจากนั้น การย่อยสลายดำเนินไปอย่างต่อเนื่องในอัตราที่เสถียร
การคาดการณ์เส้นโค้งแสดงให้เห็นว่าการสลายตัวสมบูรณ์จะใช้เวลาประมาณ 13 สัปดาห์ ซึ่งนานกว่าฟิล์มเคซาไนต์-แป้งธรรมดา แต่สั้นกว่ามากเมื่อเทียบกับพลาสติกจากปิโตรเลียม ซึ่งอาจใช้เวลานานหลายพันปี นั่นคือเวลาน้อยกว่าที่ถุงพลาสติกจะใช้เวลาทำลายตัวเองในกระบวนการเดียวกันมาก
ภาพ: Polymers
นักวิจัยใช้วิธีการเทสารละลายเพื่อผลิตฟิล์ม โดยเทส่วนผสมเหลวลงในแม่พิมพ์และปล่อยให้แห้งในเตาอบที่อุณหภูมิ 38°C (ประมาณ 100°F) ซึ่งเป็นเทคนิคที่ไม่ซับซ้อนพอที่จะขยายการผลิตโดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ ซึ่งสำคัญสำหรับการนำไปใช้ในประเทศกำลังพัฒนา ที่โครงสร้างการจัดการขยะพลาสติกมักมีข้อจำกัด ยังมีงานอีกมากรออยู่ การทดสอบความคงทนทางความร้อนยังไม่ได้ดำเนินการ ประสิทธิภาพในการต้านจุลชีพต้องการการตรวจสอบเชิงลึก และความใสของแสงลดลงเล็กน้อยเมื่อเติมเบนโทไนต์—แต่ทีมวิจัยกล่าวว่าการเปลี่ยนแปลงนี้แทบมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า นี่ไม่ใช่ปัญหาที่ทำให้ต้องยกเลิกความสนใจ นี่คือปัญหาทางวิศวกรรมที่สามารถแก้ไขได้เมื่อสูตรถูกพัฒนาจากห้องทดลองไปสู่การผลิตเชิงทดลอง หลักฐานสำคัญของแนวคิดนี้—ที่คุณสามารถสร้างฟิล์มบรรจุภัณฑ์อาหารที่ใช้งานได้จริงและย่อยสลายได้อย่างแท้จริงจากโปรตีนในนมและดินภูเขาไฟ—อยู่ในข้อมูลแล้ว