العلماء يحولون بروتين الحليب إلى بديل بلاستيكي قابل للتحلل الحيوي—إليك كيف
باختصار
- أنشأ العلماء فيلم تغليف قابل للتحلل الحيوي من بروتين الحليب والنشا والطين البركاني.
- يقلل المادة من نفاذية بخار الماء بمقدار يقارب 1000 مرة مقارنة بأفلام البوليمر الحيوي المماثلة.
- يتحلل بالكامل في التربة خلال حوالي 13 أسبوعًا—أسرع بكثير من البلاستيك المستند إلى البترول.
البروتين الذي يجعل زباديك سميكًا وجبنةك مرنة حصل للتو على وظيفة جديدة: استبدال غلاف البلاستيك. نشر باحثون من كولومبيا وأستراليا دراسة في بوليمرات توضح فيلمًا قابلًا للتحلل الحيوي مصنوعًا أساسًا من كازين الكالسيوم—نفس البروتين الذي يشكل حوالي 80% من حليب البقر—مخلوطًا مع النشا، ورشة من الطين، ومواد رابطة صناعية لربط كل شيء معًا. النتيجة هي فيلم تغليف يتحلل تمامًا في التربة خلال حوالي 13 أسبوعًا، مقارنة بالبلاستيك التقليدي الذي قد يستغرق قرونًا. الكازين—بروتين الحليب—يشكل بشكل طبيعي شبكات جزيئية كثيفة عند إذابته وتجفيفه، مما يمنح الأفلام بنية أساسية جيدة. لكن بمفرده، يتقلص فيلم الكازين الجاف ويصبح هشًا، مثل قطعة من الغراء المجفف. وجد الباحثون أن الجليسرول، وهو ملين غذائي شائع، يعمل كزيت داخل البوليمر، محافظًا على مرونته.
الصورة: بوليمرات
ثم خلطوا النشا المعدل لزيادة الحجم وPVA—بوليمر قابل للتحلل الحيوي—لتحسين القوة بشكل كبير والتوافق بين المكونات الأخرى، و_ها هو_. لكن سر التركيبة هو البنتونيت: معدن طيني بركاني مطحون إلى جزيئات نانوية معلقة في الخليط. عندما يجف الفيلم، ترتب تلك الصفائح الطينية الصغيرة في طبقات مسطحة ومتداخلة داخل المادة—مثل جدار من البطاقات المكدسة يمر عبر الفيلم. لا يمكن لبخار الماء الذي يحاول عبور التغليف أن يمر مباشرة بعد الآن—عليه أن يتنقل عبر متاهة من حواجز الطين هذه، متبعًا مسارًا أطول ومتعرجًا. هذا التأثير “الانتشار المعقد” هو السبب في انخفاض نفاذية بخار الماء في الفيلم بمقدار يقارب ثلاثة أوامر من الحجم مقارنة بالأفلام التقليدية من الكازين والنشا المبلغ عنها في الأدبيات. وهو انخفاض بمقدار ألف مرة.
يمتد الفيلم النهائي لأكثر من ضعف طوله الأصلي قبل التمزق. الأفلام المماثلة من الكازين والنشا بدون PVA أو بنتونيت أكثر صلابة. هذا التحسن في القوة يأتي من طبقات السيليكات في البنتونيت التي تعمل كتعزيز داخلي، وتوزع الإجهاد بشكل أكثر توازنًا عبر المادة عند الشد أو الانحناء. فكر فيها أقل ككيس بلاستيك قياسي وأكثر كمركب مقوى بالألياف—مصنوع من مكونات غذائية بدلاً من ألياف الكربون.
على صعيد الميكروبيولوجيا، ظلت مستعمرات البكتيريا على الفيلم أقل من الحد الذي تحدده معايير ISO لتطبيقات التعبئة غير المعقمة. هذا يعني أن هذه الأفلام لا تمتلك خصائص مضادة للميكروبات بشكل صريح، لكنها لا تخلق بيئة طبق بتري أيضًا. أشار الباحثون إلى أن هذا هو اتجاه للعمل المستقبلي، مع ملاحظة أن دمج جسيمات فضة النانوية أو عوامل نشطة أخرى يمكن أن يدفع الفيلم إلى المنطقة الحقيقية للمضادات للبكتيريا.
تم تتبع التحلل الحيوي عن طريق دفن عينات مستطيلة من الفيلم في التربة لمدة تسعة أيام ووزنها يوميًا. حدثت أكبر عملية تحلل في أول 72 ساعة—يبدأ الكازين والنشا في امتصاص الرطوبة بسرعة، ويتورمان ويتفتتان. بعد ذلك، استمر التحلل بمعدل أكثر استقرارًا.
باستقراء المنحنى، يُتوقع أن يتم التفاعل بالكامل خلال حوالي 13 أسبوعًا، وهو أطول من الأفلام التي تحتوي على الكازين فقط، لكنه أقل بكثير من أي شيء مستند إلى البترول. وهو أقصر بكثير من الألفية التي قد يستغرقها تكسير كيس بلاستيك خلال نفس العملية.
الصورة: بوليمرات
استخدم الباحثون طريقة الصب الحلولي لإنتاج الأفلام، حيث يُصب المزيج السائل في قوالب ويُترك ليجف في فرن بدرجة حرارة 38°C (حوالي 100°F). إنها تقنية منخفضة التقنية بما يكفي للتوسع بدون معدات غريبة، وهو أمر مهم لاعتمادها في الدول النامية حيث تكون بنية إدارة نفايات البلاستيك غالبًا محدودة. لا تزال هناك أعمال مستقبلية. لم يتم اختبار الاستقرار الحراري بعد، ويحتاج الأداء المضاد للميكروبات إلى مزيد من التحقق، ويقل الوضوح البصري قليلاً مع إضافة البنتونيت—على الرغم من أن الباحثين يقولون إن التغيير غير ملحوظ للعين المجردة. هذه ليست عوائق كبيرة. إنها نوعية المشكلات الهندسية التي تُحل مع انتقال التركيبة من المختبر إلى الإنتاج التجريبي. إثبات المفهوم الأساسي—أنه يمكنك بناء فيلم تغليف غذائي قابل للتحلل الحيوي بشكل فعال من بروتين الحليب والطين البركاني—موجود تمامًا في البيانات.