Сывороточный белок превратили в термостабильный пенопласт

Шведские ученые превратили волокна сывороточного белка в термостабильный пористый материал. Он выдерживает нагрев до 180 градусов Цельсия, и после нагревания даже становится прочнее из-за образования изопептидных связей между соседними белковыми цепями. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Sustainable Systems.

Пористые термостабильные материалы нужны везде: в автомобильных катализаторах и топливных фильтрах, устройствах по захвату углекислого газа и промышленных катализаторах. А вот изготовить такие материалы не так просто — большинство органических полимеров при температуре выше ста градусов Цельсия постепенно размягчаются и теряют пористость, а затем и вовсе начинают плавиться. 

Шведские материаловеды под руководством Микаэля Хеденквиста (Mikael S. Hedenqvist) из Королевского технологического института в Стокгольме предложили делать термостабильный пенопласт из белковых нанофибрилл (Protein nanofibrils, PNF) — волокон, которые получаются при гидролизе белков. Нанофибриллы не впервые используют при создании материалов — например, в прошлом году швейцарские ученые сделали из них аэрогель для очистки воды. Материалы на основе PNF имеют хорошую механическую прочность, но постепенно разрушаются при контакте с водой. Чтобы стабилизировать PNF в водной среде, ученые используют различные реакции «сшивки», то есть соединяют соседние волокна между собой.

Для получения материала Хеденквист и его коллеги использовали изолят сывороточного белка —  побочный продукт производства молочных продуктов. К изоляту добавляли хлороводородную кислоту, затем смесь пропускали через мембраны для диализа и оставляли на двадцать четыре часа при температуре 80 градусов Цельсия. После этого раствор упаривали и замораживали на 72 часа, а затем переносили в вакуумную камеру для медленного испарения растворителя. Авторы экспериментировали с концентрацией изолята и формой нанофибрилл. Из разбавленного раствора они вырастили более длинные прямые волокна, а из более насыщенного — короткие волнистые волокна. К некоторым образцам также добавили от 25 до 50 массовых процентов глицерина, чтобы увеличить их пластичность и способность к обратимым деформациям при растяжении.

Все сывороточные пенопласты показали отличную термическую стабильность: они выдерживали нагрев до 180 градусов Цельсия в течение двадцати четырех часов, сохранив объем и форму. Коммерчески доступные пластики в тех же условиях были менее стабильны. Образцы из полиэтилена и полистирола полностью расплавились, а образец из полиуретана значительно поменял текстуру. Авторы особо отметили, что при воспламенении сывороточного пенопласта не образуется жидкий расплав. В случае возгорания такие материалы менее опасны для человека и их легче потушить.

Кроме того, оказалось, что высокие температуры делают сывороточный пенопласт прочнее — например, после месяца нагревания до 150 градусов Цельсия

некоторых образцов увеличился более, чем в пять раз. Стабильность в воде и других растворителях тоже значительно повысилась: например, обожженный сывороточный пенопласт полностью сохранил форму после тридцати минут в водном растворе лауретсульфата натрия (необожженный образец за это время полностью растворился). Авторы объясняют такое упрочнение материала возникновением дополнительных

 связей между соседними цепями. Интересно, что образцы с глицерином до нагревания имели низкую прочность, но после нагревания стали даже более прочными, чем образцы без глицерина.

По мнению исследователей, пенопласты на основе сывороточного белка могут стать дешевой и экологичной заменой полиуретану и другим термостабильным материалам.

В прошлом месяце британские химики опубликовали статью о самособирающейся пленке на основе соевого белка. Благодаря регулярному расположению полипептидных цепей, такой материал обладает высокой прочностью даже без дополнительного химического сшивания.

Наталия Самойлова