9 Minute
Cercetători din Australia și Columbia au dezvoltat un film subțire, biodegradabil, realizat din proteine din lapte, amidon modificat și nanoclay, care pare o alternativă sustenabilă la ambalajele alimentare de unică folosință. Rezultatele preliminare de laborator arată că materialul se descompune rapid în sol, păstrând în același timp rezistența și flexibilitatea necesare pentru utilizări practice, oferind astfel o cale potențială pentru reducerea poluării și a riscurilor chimice asociate cu plasticul convențional.
Cum este fabricat și testat filmul pe bază de lapte
Noul material combină caseinatul de calciu — o formă de cazeină, proteina principală din lapte — cu amidon modificat și nanoclay bentonitic. Cantități mici de glicerină și alcool polivinilic (PVA) sunt adăugate pentru a îmbunătăți flexibilitatea și performanțele mecanice. În știința polimerilor, astfel de plastifianți și co-polimeri sintetici ajută filmele să reziste la crăpare și facilitează manipularea în timpul procesului de fabricație.
Testele de laborator raportate în revista Polymers au urmărit atât comportamentul mecanic, cât și biodegradabilitatea. Aceste teste includ evaluări ale rezistenței la tracțiune, alungirii la rupere, modulului elastic și comportamentului la îndoire repetată (fatigabilitate). În condiții de îngropare în sol obișnuit, filmele au prezentat o degradare constantă și s-a estimat că se descompun complet în aproximativ 13 săptămâni în condițiile experimentale folosite. Pentru a înțelege comportamentul microbiologic al materialului în faza de degradare, cercetătorii au efectuat și teste de cultură microbiană: nivelurile coloniilor bacteriene au rămas în limite acceptabile pentru filme care nu sunt concepute a fi antimicrobiene, ceea ce sugerează că formula nu stimulează proliferarea microbiană dăunătoare în timpul descompunerii.
Pe lângă măsurătorile mecanice standard, echipa a folosit tehnici analitice complementare pentru a caracteriza structura și proprietățile filmelor: spectroscopie FTIR pentru identificarea legăturilor chimice, microscopie electronică de scanare (SEM) pentru observarea morfologiei suprafeței și a distribuției nanoclay-ului, precum și teste de impermeabilitate la vapori și oxigen care vizează performanța ca ambalaj alimentar. Rezultatele acestor investigații oferă indicații tehnice importante despre modul în care interacționează componentele — de exemplu, cum caseinatul formează o matrice polimerică și cum bentonita stratificată îmbunătățește proprietățile de barieră.
Colaborare internațională și decizii practice
Proiectul a fost coordonat la Flinders University din Australia de Sud, în parteneriat cu ingineri chimici de la Universidad de Bogotá Jorge Tadeo Lozano din Columbia. Potrivit cercetătorilor, ideea a rezultat din experimente anterioare cu nanofibre pe bază de lapte și turnare de polimeri care imită filmele folosite frecvent în ambalaje. Prin adăugarea unor ingrediente naturale larg disponibile, cum ar fi amidonul și bentonita — o nanoclay stratificată cunoscută pentru îmbunătățirea proprietăților de barieră — echipa a ajustat amestecul astfel încât să fie atât ieftin, cât și biodegradabil.
Cercetători în nanomateriale, profesorul Youhong Tang și Nikolay Estiven Gomez Mesa din Columbia.
„Am început cu caseinate pentru că sunt abundente și se transformă ușor în filme”, spune un membru al echipei, subliniind că formularea folosește intenționat componente ieftine și prietenoase cu mediul. Abordarea urmărește un echilibru între performanță — rezistență mecanică, flexibilitate și capacitate de a acționa ca barieră la umiditate sau oxigen — și abilitatea de a reveni la sol fără a lăsa microplastice persistente sau reziduuri toxice.
Profesorul Alis Yovana Pataquiva-Mateus, de la Departamentul de Inginerie, Universidad de Bogotá Jorge Tadeo Lozano, Columbia, experimentează noi polimeri în Grupul de Cercetare Nanobioinginerie.
Deciziile practice luate de echipă reflectă preocupări legate de costuri și scalabilitate: folosirea materiilor prime care sunt disponibile regional (lapte și amidon), combinată cu adaosuri minime de compuși sintetici (precum PVA), poate reduce bariera de intrare pentru industrializare. Folosirea bentonitei ca nanofiller este, de asemenea, o opțiune practică deoarece aceasta poate fi găsită la scară largă și poate fi procesată relativ ușor pentru a forma structuri lamelare care îmbunătățesc permeabilitatea la vapori și oxigen.
De ce contează: poluare, sănătate și economia circulară
Plasticele convenționale pot conține mii de aditivi — coloranți, retardanți de flacără și plastifianți — dintre care unele sunt toxici sau suspectați a fi cancerigeni. Organizația pentru Cooperare și Dezvoltare Economică (OECD) avertizează că, fără intervenții, producția globală de plastic ar putea crește cu aproximativ 70% între 2020 și 2040. Analize publicate în Nature estimează că în jur de 60% din plasticul produs este pentru utilizare unică, iar doar aproximativ 10% este reciclat. În acest context, materiale bio-bazate și cu degradare rapidă pot reduce povara deșeurilor persistente și diseminarea în mediu a aditivilor chimici periculoși.
Colaborarea Flinders–Bogotá poziționează biopolimerii derivați din lapte ca o opțiune specifică pentru ambalajele alimentare, un sector care reprezintă o mare parte din plasticul de unică folosință. Dacă aceste filme pot fi scalate eficient, ele ar putea ajuta industriile și consumatorii să adopte practici mai circulare: ambalaje proiectate pentru compostare industrială sau pentru a fi returnate în sol, în loc să se acumuleze în gropile de gunoi sau în mediu.
Beneficiile potențiale sunt multiple: reducerea microplasticelor din sol și ape, diminuarea transferului de aditivi toxici în alimente sau în lanțul trofic, și creșterea valorii reziduurilor organice prin compostare. În plus, introducerea de materiale biodegradabile fabricate din resurse regenerabile (precum proteinele din lapte) poate îmbunătăți indicatorii de mediu din analizele de tip life cycle assessment (LCA), în special dacă înlocuiesc plasticul virgin greu de reciclat.
Provocări și pași următori
Deși rezultatele inițiale sunt promițătoare, rămân numeroase obstacole practice. Echipa recomandă evaluări suplimentare privind activitatea antibacteriană și siguranța pentru a se asigura că sănătatea consumatorilor și perioada de valabilitate nu sunt compromise. Testele suplimentare ar trebui să includă studii privind migrația compușilor în contactul cu alimentele, conform cerințelor reglementare (de exemplu, parametrii utilizați de agenții de reglementare precum EFSA sau FDA), și evaluări pentru potențiale substanțe care rezultă în urma degradării filmului.
Scalarea producției va necesita analize economice detaliate, seriile pilot de fabricație și teste de conformitate reglementară pentru siguranța contactului cu alimentele. Factorii tehnici cheie includ îmbunătățirea performanței barierei la umiditate și oxigen, asigurarea unei degradări consistente în diverse condiții de sol (diferențe între solurile agricole, de pădure sau urbane) și verificarea faptului că materialul nu eliberează produse de degradare dăunătoare, cum ar fi compuși toxici sau microfragmente persistente.
Din punct de vedere tehnic, potențiale direcții de optimizare includ modificarea interacțiunilor între fazele proteinice și cele pe bază de amidon, controlul distribuției nanoclay-ului pentru a maximiza efectul de barieră, și dezvoltarea de acoperiri sau stratificări care să îmbunătățească performanța în condiții de umiditate ridicată. De asemenea, trebuie explorate combinațiile cu alți biopolimeri (de exemplu PLA, PHA) sau tratamente enzimatic-fizice care să permită adaptarea timpului de degradare în funcție de aplicație (de la compostare industrială la degradare în sol).
„Găsirea de soluții durabile pentru ambalajele alimentare este un pas esențial pentru a reduce nivelurile crescânde de poluare”, afirmă profesorul Youhong Tang, care solicită, de asemenea, evaluări antimicrobiene și de siguranță suplimentare pe măsură ce dezvoltarea continuă. Cercetătorii subliniază că designul vizează în mod explicit ingrediente ieftine și biodegradabile pentru a facilita adoptarea la scară largă în diverse sectoare industriale.
Expert Insight
„Materialele precum filmele din proteine de lapte sunt interesante deoarece valorifică materii prime regenerabile și pot fi proiectate pentru durate de viață țintite”, spune dr. Elena Martín, o cercetătoare în materiale sustenabile. „Compromisurile vor fi în proprietățile de barieră și compatibilitatea industrială: producătorii trebuie să aibă garanția că ambalajul protejează alimentele în timpul transportului și depozitării. Dar dacă aceste obstacole sunt depășite, un film care se degradează rapid în sol ar putea reduce dramatic poluarea cauzată de ambalajele alimentare de unică folosință.”
În plus față de comentariul expertei, este util să subliniem pași practici pentru translatarea rezultatelor din laborator în produse comerciale: implementarea unor analize de impact de mediu (LCA) pentru a compara scenarii diferite de management al sfârșitului vieții produsului; studii de compatibilitate cu liniile de ambalare existente (mașinării de etichetare, termoformare sau laminare); și dezvoltarea de standarde de certificare pentru compostabilitate și biodegradare în sol pentru tipuri specifice de produse alimentare.
Per ansamblu, bioplasticele pe bază de lapte nu sunt o soluție universală, dar reprezintă o cale semnificativă printre multe altele: combinând polimeri biodegradabili, umpluturi naturale și nanomateriale pentru a crea ambalaje care funcționează bine și care revin în siguranță în mediu atunci când sunt eliminate. Implementarea practică va depinde de cooperarea între cercetare, industrie și organismele de reglementare pentru a asigura performanță, siguranță și viabilitate economică.
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu