Các nhà khoa học biến protein sữa thành một loại nhựa sinh học phân hủy được—Dưới đây là cách thực hiện

Tóm tắt

• Các nhà khoa học đã tạo ra một màng đóng gói phân hủy sinh học từ protein sữa, tinh bột và đất sét núi lửa.
• Vật liệu này giảm khả năng thấm hơi nước gần 1.000 lần so với các màng sinh học tương tự.
• Nó hoàn toàn phân hủy trong đất sau khoảng 13 tuần—nhanh hơn rất nhiều so với nhựa dựa trên dầu mỏ.

Protein giúp sữa chua đặc và phô mai dẻo dai vừa có một công việc mới: thay thế màng bọc nhựa. Các nhà nghiên cứu từ Colombia và Australia đã công bố một nghiên cứu trên Polymers về một màng phân hủy sinh học chủ yếu từ calcium caseinate—cùng loại protein chiếm khoảng 80% sữa bò—kết hợp với tinh bột, một chút đất sét và một chất kết dính tổng hợp để giữ mọi thứ lại với nhau. Kết quả là một màng đóng gói phân hủy hoàn toàn trong đất sau khoảng 13 tuần, so với nhựa thông thường có thể mất hàng thế kỷ. Casein—protein trong sữa—tự nhiên hình thành các mạng phân tử dày đặc khi hòa tan và sấy khô, tạo ra cấu trúc cơ bản tốt cho màng. Nhưng riêng nó, màng casein thuần khiết co lại và trở nên giòn sau khi sấy khô, giống như một miếng keo khô. Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng glycerol, một chất làm mềm thực phẩm phổ biến, hoạt động như một chất bôi trơn trong polymer, giúp giữ cho nó linh hoạt.

Hình ảnh: Polymers

Sau đó, họ pha trộn tinh bột đã được biến đổi để làm tăng thể tích và PVA—một loại polymer phân hủy sinh học—để cải thiện đáng kể độ bền và khả năng tương thích giữa các thành phần khác, và voilà. Nhưng thành phần chính của hỗn hợp này là bentonite: một khoáng đất sét núi lửa nghiền nhỏ thành các hạt nano và phân tán trong hỗn hợp. Khi màng khô lại, những lớp đất sét nhỏ này xếp thành các lớp phẳng, chồng lên nhau trong vật liệu—giống như một bức tường các lá bài xếp chồng. Hơi nước cố gắng đi qua bao bì không còn có thể đi thẳng nữa—nó phải vượt qua mê cung các rào cản đất sét này, theo một con đường dài, quanh co hơn. Hiệu ứng “khuếch tán quanh co” này là lý do tại sao khả năng thấm hơi nước của màng giảm gần ba bậc so với các màng casein-tinh bột thông thường được báo cáo trong tài liệu. Đó là giảm một nghìn lần. 

Màng cuối cùng có thể kéo dài hơn gấp đôi chiều dài ban đầu trước khi rách. Các màng casein-tinh bột không chứa PVA hoặc bentonite thì cứng hơn nhiều. Cải tiến về độ bền này đến từ các lớp silicat của bentonite hoạt động như lớp gia cố bên trong, phân phối đều lực căng khi kéo hoặc uốn. Hãy nghĩ đến nó như một loại composite gia cố bằng sợi—chỉ khác là thay vì sợi carbon, nó được làm từ các thành phần thực phẩm. Về mặt vi sinh học, các quần thể vi khuẩn trên màng vẫn dưới ngưỡng tiêu chuẩn của ISO dành cho các ứng dụng đóng gói không vô trùng. Điều này có nghĩa là các màng này không có đặc tính kháng khuẩn rõ ràng, nhưng cũng không tạo ra môi trường như đĩa petri. Các nhà nghiên cứu đã đề cập đây là hướng nghiên cứu trong tương lai, lưu ý rằng việc thêm nanoparticle bạc hoặc các hoạt chất khác có thể giúp màng trở thành thực sự kháng khuẩn. Quá trình phân hủy sinh học được theo dõi bằng cách chôn các mẫu màng hình chữ nhật trong đất trong chín ngày và cân hàng ngày. Quá trình phân hủy mạnh nhất diễn ra trong 72 giờ đầu—casein và tinh bột bắt đầu hấp thụ độ ẩm nhanh chóng, phồng lên và phân mảnh. Sau đó, quá trình phân hủy tiếp tục với tốc độ đều đặn hơn. Dự đoán đường cong phân hủy hoàn toàn khoảng 13 tuần, dài hơn các màng chỉ chứa casein, nhưng ngắn hơn nhiều so với các loại nhựa dựa trên dầu mỏ. Điều này ngắn hơn rất nhiều so với hàng nghìn năm mà một chiếc túi nhựa có thể mất để phân hủy.

Hình ảnh: Polymers

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp đổ dung dịch để sản xuất màng, về cơ bản là đổ hỗn hợp lỏng vào khuôn và để khô trong lò ở 38°C (khoảng 100°F). Phương pháp này đủ đơn giản để mở rộng quy mô mà không cần thiết bị đặc biệt, điều này quan trọng đối với việc áp dụng ở các nước đang phát triển, nơi hạ tầng xử lý rác thải nhựa còn hạn chế. Vẫn còn nhiều công việc phía trước. Chưa thực hiện kiểm tra độ ổn định nhiệt, hiệu quả kháng khuẩn cần được xác nhận kỹ hơn, và độ trong suốt quang học giảm nhẹ khi thêm bentonite—mặc dù các nhà nghiên cứu cho biết sự thay đổi này không thể nhận biết bằng mắt thường. Đây không phải là những vấn đề gây cản trở. Chúng là những vấn đề kỹ thuật sẽ được giải quyết khi công thức chuyển từ phòng thí nghiệm sang sản xuất thử nghiệm. Bằng chứng cốt lõi—rằng bạn có thể tạo ra một màng đóng gói thực phẩm chức năng, thực sự phân hủy sinh học từ protein sữa và đất sét núi lửa—đang nằm ngay trong dữ liệu.