Химики заменили пластик соевой пленкой

Ayaka Kamada et. al. / Nature Communications, 2021

Химики из Великобритании создали самособирающуюся пленку на основе соевого белка. Экологичный материал по прочности не уступает пластикам, которые на сегодняшний день широко используются в качестве упаковки. Еще одно преимущество соевой пленки заключается в регулярном расположении полипептидных цепей в ней, поэтому нет необходимости в химическом сшивании, которое часто используется для улучшения характеристик биополимерных пленок. К тому же, зачастую сшивающие вещества обладают токсичностью. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

В настоящее время основным материалом для упаковок пищи служит пластик. Как и любые другие пластиковые изделия, такие упаковки производятся из невозобновляемого сырья и являются одними из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды. Они не разлагаются в течение столетий и попадают в моря и океаны, становясь причиной гибели около миллиона птиц и ста тысяч морских животных ежегодно. Кроме того, некоторые пластики могут испускать потенциально токсичные вещества.

Полимеры природного происхождения, например, белки и целлюлоза, активно исследуются в качестве альтернативы синтетическим полимерам, таким как ПЭТ и ПВХ. Белки обладают способностью к самосборке — важному процессу в биологических системах, который происходит за счет многоточечных нековалентных соединений «строительных блоков» посредством водородных связей, электростатических и гидрофобных взаимодействий.

На сегодняшний день в создании белковых пленок посредством контролируемой самосборки в основном используют белки животного происхождения, такие как белки шелка или β-лактоглобулин. Однако их применение сопряжено с негативным воздействием на окружающую среду, а трудоемкие стадии очистки затрудняют масштабирование производства, при этом производственные затраты могут превышать 100 долларов США на килограмм материала.

Растительные белки — хорошая альтернатива животным белкам, к тому же изоляты соевого и горохового белка производят во всем мире в больших масштабах, и они могут быть получены по более низкой цене (3,5–4,6 доллара за килограмм). Однако большинство белков растительного происхождения плохо растворяются в воде, что создает проблемы в их самосборке в упорядоченные структуры.

Теперь химики из Кембриджского университета под руководством Аяки Камады (Ayaka Kamada) смогли создать пленку на основе соевого белка, используя в качестве растворителя уксусную кислоту. Ученые выбрали соевый белок, поскольку он наиболее доступный источник растительного белка на сегодняшний день, а также является побочным продуктом при производстве соевого масла.

Химики приготовили водный раствор изолята соевого белка с массовой долей 10 процентов, содержащий 30 процентов уксусной кислоты. Ученые использовали уксусную кислоту из-за ее способности усиливать сольватацию гидрофобных аминокислотных остатков. Чтобы повысить растворимость соевого белка, ученые нагрели раствор до 90 градусов по Цельсию и обработали его ультразвуком в течение 30 минут. Обработка ультразвуком была нужна, чтобы разбить крупные белковые агрегаты на мелкие частицы и дестабилизировать межмолекулярные взаимодействия. В итоге белок был полностью растворен и денатурирован, что позволило ему образовать новые межмолекулярные взаимодействия. Затем полученный белковый раствор вылили на горячую чашку Петри и охладили, в результате чего образовался полупрозрачный гидрогель.

Оказалось, что белки, обработанные водным раствором уксуса имели значительно меньший размер частиц (29 ± 9,1 нанометров) по сравнению с контрольным белком, который был растворен в деионизированной воде (148 ± 68 нанометров). Сканирующая электронная микроскопия продемонстрировала, что белки самоорганизовались в плотно упакованную гидрогелевую сеть, состоящую из тонкоцепочечных агрегатов. А белки, растворенные без добавления уксуса, не смогли образовать подобные структуры.

Инфракрасная спектроскопия показала, что изначально изолят соевого белка содержал 49 процентов β-листов и плохо растворялся в воде. При добавлении уксуса, обработке ультразвуком и нагревании белки разворачивались и частично гидролизовались, что делало их более доступными для образования новых межмолекулярных взаимодействий. Охлаждение раствора способствовало самосборке белка в межмолекулярные фибриллярные агрегаты, богатые β-слоями (65 процентов), демонстрируя высокую степень кристалличности.

 

Для получения пленок в качестве пластификатора добавляли глицерин и при нагревании равномерно распределяли полученную смесь на стеклянной подложке. Гидрогель охлаждали до комнатной температуры и давали ему высохнуть течение трех дней, чтобы он затвердел и превратился в пленку. Просвечивающая электронная микроскопия показала, что в пленке образовались значительные количества нанокристаллических структур размерами около 5–10 нанометров, сопоставимые с наноструктурами, обнаруженными в шелке.

В качестве демонстрации масштабируемости процесса химики изготовили пленку размером 30 на 40 сантиметров. Также два куска пленки запечатали термической сваркой и сделали мешок. По словам ученых, новый материал также можно использовать для создания водостойких покрытий. 

Механические испытания пленки показали, что она имеет модуль Юнга 209 ± 39,1 мегапаскалей, тогда как у неструктурированной пленки модуль Юнга составляет 131 ± 22,6 мегапаскалей. Прочность нового материала оказалась сопоставима с прочностью популярного полиэтилена и политетрафторэтилена. Химики отмечают, что в ранее описанных работах пленки на основе изолята соевого белка модифицировались целлюлозой и хитином, а их самоорганизующаяся пленка не нуждается в усилителях прочности из-за высокой степени межмолекулярных взаимодействий, образующихся в процессе самосборки.

Разработка нетоксичных и экологичных альтернатив пластику на сегодняшний день остро необходима. Однако в прошлом году немецкие химики пришли к выводу, что существующие сейчас на рынке биопластики полностью безвредными и экологичными назвать нельзя. Ученые определили точный состав упаковок на основе биоразлагаемых пластиков и растительных материалов. Материалы, изначально заявленные как экологичная и более безопасная альтернатива пластикам, оказались в равной степени токсичны. Частично объяснение этому — поразительно большое количество химикатов, найденных в биопластиках.

Виктория Барановская

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.