科學家將牛奶蛋白轉化為可生物降解的塑料替代品——以下是方法

簡要

• 科學家利用牛奶蛋白、澱粉和火山黏土製造出一種可生物降解的包裝薄膜。
• 該材料的水蒸氣滲透性比類似的生物聚合物薄膜降低了近1000倍。
• 它在土壤中完全降解約13週，比石油基塑料快得多。

讓你的優格變得濃稠、奶酪變得有彈性所用的蛋白質，現在有了新用途：取代塑料保鮮膜。 哥倫比亞和澳大利亞的研究人員在《聚合物》期刊上發表了一項研究，詳細介紹了一種主要由鈣酪蛋白（約佔牛奶的80%）與澱粉、少量黏土和合成粘合劑混合而成的可生物降解薄膜。結果顯示，這種包裝薄膜在土壤中約13週即可完全降解，而傳統塑料可能需要數百年。 酪蛋白——牛奶中的蛋白質——在溶解和乾燥時自然形成密集的分子網絡，賦予薄膜基本的結構基礎。但單獨的酪蛋白薄膜在乾燥後會收縮並變脆，就像一塊乾掉的膠水。研究人員發現，甘油——一種常見的食品級增塑劑——在聚合物內部起到潤滑作用，保持其柔韌性。

圖片：聚合物

他們接著加入改性澱粉以增加體積，並加入PVA——一種可生物降解的聚合物——以顯著提升強度和其他成分之間的相容性，然後就完成了。 但這個配方的關鍵是膨潤土：一種火山黏土礦物，被研磨成納米級顆粒並懸浮在混合物中。當薄膜乾燥時，這些微小的黏土片層會在材料內部排列成扁平、重疊的層——就像一堵堆疊的卡片牆一樣。 試圖穿越包裝的水蒸氣不再能直接通過——它必須穿越這些黏土屏障形成的迷宮，沿著更長、更曲折的路徑。這種“扭曲擴散”效應使得薄膜的水蒸氣滲透性比文獻中報導的純酪蛋白-澱粉薄膜降低了近三個數量級，約為千分之一的降低。 

最終的薄膜在撕裂前能拉伸超過原長的兩倍以上。沒有加入PVA或膨潤土的酪蛋白-澱粉薄膜則更為僵硬。這種強度的提升來自膨潤土的矽酸鹽層，作為內部增強材料，在拉伸或彎曲時能更均勻地分散應力。可以將其想像成一種纖維增強複合材料——只不過用的是食品成分而非碳纖維。 在微生物學方面，薄膜上的細菌菌落數量低於ISO標準對非無菌包裝的限制。這意味著這些薄膜並沒有明顯的抗菌特性，但也不會形成像培養皿一樣的環境。研究人員指出，這是未來的研究方向，加入銀納米粒子或其他活性劑可能使薄膜具有真正的抗菌能力。 通過將矩形薄膜樣品埋入土壤九天並每日稱重來追蹤生物降解情況。最劇烈的分解發生在最初的72小時內——酪蛋白和澱粉迅速吸收水分，膨脹並碎裂。之後，降解速度較為平穩。 根據曲線外推，完全分解約需13週，較純酪蛋白薄膜長，但遠短於石油基塑料的分解時間。這比塑料袋可能需要數千年的分解時間短得多。

圖片：聚合物

研究人員採用溶液模壓法製作薄膜，基本上是將液體混合物倒入模具中，然後在38°C（約100°F）的烤箱中乾燥。這種方法技術含量較低，易於規模化，對於發展中國家來說尤為重要，因為那裡的塑料廢棄物管理基礎設施通常有限。 仍有許多工作待完成。熱穩定性測試尚未進行，抗菌性能需要更深入的驗證，加入膨潤土後光學透明度略有下降——但研究人員表示，肉眼幾乎察覺不到變化。 這些都不是決定性問題。它們是從實驗室到試點生產過程中會逐步解決的工程問題。核心的概念驗證——用牛奶蛋白和火山黏土製造出一種功能性、真正可生物降解的食品包裝薄膜——已經在數據中清楚展現。