‏دانشمندان پروتئین شیر را به جایگزین پلاستیک زیست‌تخریب‌پذیر تبدیل کردند.

پروتئینی که ماست شما را غلیظ و پنیرتان را کش‌دار می‌کند، یک شغل جدید پیدا کرده است: جایگزینی پلاستیک بسته‌بندی.

محققانی از کلمبیا و استرالیا مطالعه‌ای را در نشریه «پلیمرها» منتشر کرده‌اند که جزئیات یک فیلم زیست‌تخریب‌پذیر را شرح می‌دهد که عمدتاً از کازئین کلسیم – همان پروتئینی که تقریباً 80 درصد شیر گاو را تشکیل می‌دهد – ساخته شده است و با نشاسته، مقداری خاک رس و یک چسبنده مصنوعی برای نگه داشتن همه چیز در کنار هم مخلوط شده است. نتیجه، یک فیلم بسته‌بندی است که در خاک در حدود 13 هفته به طور کامل تجزیه می‌شود، در حالی که تجزیه پلاستیک‌های معمولی قرن‌ها طول می‌کشد.

کازئین – پروتئین شیر – به طور طبیعی هنگام حل شدن و خشک شدن، شبکه‌های مولکولی متراکم تشکیل می‌دهد و ساختار پایه مناسبی به فیلم‌ها می‌دهد. اما به تنهایی، فیلم کازئین خالص پس از خشک شدن منقبض می‌شود و شکننده می‌شود، مانند یک تکه چسب خشک شده. محققان دریافتند که گلیسرول، یک نرم‌کننده رایج با درجه غذایی، مانند یک روان‌کننده در داخل پلیمر عمل می‌کند و آن را انعطاف‌پذیر نگه می‌دارد.

سپس نشاسته اصلاح‌شده را برای حجیم کردن آن و PVA – یک پلیمر زیست‌تخریب‌پذیر – برای بهبود چشمگیر استحکام و سازگاری بین سایر مواد اضافه کردند و voilà.

اما نکته کلیدی این ترکیب، بنتونیت است: یک ماده معدنی خاک رس آتشفشانی که به ذرات نانومقیاس آسیاب شده و در مخلوط معلق شده است. هنگامی که فیلم خشک می‌شود، آن ورقه‌های ریز خاک رس خود را در لایه‌های مسطح و همپوشانی در داخل ماده مرتب می‌کنند – مانند دیواری از کارت‌های انباشته شده که از میان فیلم عبور می‌کند.

بخار آب که سعی می‌کند از بسته‌بندی عبور کند، دیگر نمی‌تواند مستقیماً عبور کند – باید در یک هزارتوی از این موانع رسی حرکت کند و مسیری طولانی‌تر و پرپیچ و خم را دنبال کند. این اثر “انتشار پرپیچ و خم” دلیل کاهش نفوذپذیری بخار آب فیلم به میزان تقریباً سه مرتبه نسبت به فیلم‌های کازئین-نشاسته معمولی گزارش شده در مقالات علمی است. این کاهش هزار برابری است.

فیلم نهایی قبل از پاره شدن، بیش از دو برابر طول اصلی خود کشیده می‌شود. فیلم‌های کازئین-نشاسته مشابه بدون PVA یا بنتونیت بسیار سفت‌تر هستند. این بهبود در استحکام ناشی از لایه‌های سیلیکات بنتونیت است که به عنوان تقویت‌کننده داخلی عمل می‌کنند و تنش را به طور مساوی‌تری در سراسر ماده هنگام کشیدن یا خم شدن توزیع می‌کنند. آن را کمتر شبیه یک کیسه پلاستیکی استاندارد و بیشتر شبیه یک کامپوزیت تقویت‌شده با الیاف در نظر بگیرید – فقط از مواد غذایی به جای الیاف کربن ساخته شده است.

در جبهه میکروبیولوژی، کلنی‌های باکتری روی فیلم زیر آستانه تعیین شده توسط استانداردهای ISO برای کاربردهای بسته‌بندی غیر استریل باقی ماندند. این بدان معناست که این فیلم‌ها خواص ضد میکروبی صریحی ندارند، اما محیطی شبیه به ظرف پتری نیز ایجاد نمی‌کنند. محققان این موضوع را به عنوان یک جهت برای کار آینده مشخص کردند و خاطرنشان کردند که گنجاندن نانوذرات نقره یا سایر عوامل فعال می‌تواند فیلم را به قلمرو واقعاً ضد باکتریایی سوق دهد.

زیست‌تخریب‌پذیری با دفن نمونه‌های فیلم مستطیلی در خاک به مدت نه روز و وزن کردن آنها روزانه پیگیری شد. تهاجمی‌ترین تجزیه در 72 ساعت اول اتفاق افتاد – کازئین و نشاسته به سرعت شروع به جذب رطوبت، متورم شدن و تکه‌تکه شدن می‌کنند. پس از آن، تخریب با سرعت ثابتی ادامه یافت.

برون‌یابی منحنی، تجزیه کامل را در حدود 13 هفته قرار می‌دهد، که طولانی‌تر از فیلم‌های ساده کازئین‌دار است، اما به طور قابل توجهی کوتاه‌تر از هر چیزی است که بر پایه نفت است. این بسیار کوتاه‌تر از هزاران سالی است که ممکن است یک کیسه پلاستیکی برای طی کردن همین فرآیند زمان ببرد.

محققان از روش ریخته‌گری محلول برای تولید فیلم‌ها استفاده کردند، اساساً مخلوط مایع را در قالب‌ها ریختند و اجازه دادند در یک اجاق با دمای 38 درجه سانتی‌گراد (حدود 100 درجه فارنهایت) خشک شود. این روش به اندازه کافی کم‌فناوری است که بدون تجهیزات عجیب و غریب مقیاس‌بندی شود، که برای پذیرش در کشورهای در حال توسعه که زیرساخت‌های مدیریت زباله‌های پلاستیکی اغلب محدود است، اهمیت دارد.

گام‌های بعدی

هنوز کارهایی در پیش است. آزمایش پایداری حرارتی انجام نشده است، عملکرد ضد میکروبی نیاز به تأیید عمیق‌تری دارد و شفافیت نوری با افزودن بنتونیت کمی کاهش می‌یابد – اگرچه محققان می‌گویند این تغییر برای چشم غیرمسلح نامحسوس است.

اینها مانع نیستند. اینها نوعی از مشکلات مهندسی هستند که با انتقال فرمولاسیون از آزمایشگاه به تولید آزمایشی حل می‌شوند. اثبات اصلی مفهوم – اینکه شما می‌توانید یک فیلم بسته‌بندی مواد غذایی کاربردی و واقعاً زیست‌تخریب‌پذیر را از پروتئین شیر و خاک رس آتشفشانی بسازید – درست در داده‌ها وجود دارد.