Onderzoekers hebben een plantaardig, duurzaam, schaalbaar materiaal dat plastic voor eenmalig gebruik in veel consumentenproducten zou kunnen vervangen.

De onderzoekers, van de Universiteit van Cambridge, creëerde een polymeerfilm door de eigenschappen van spinnenzijde na te bootsen, een van de sterkste materialen in de natuur. Het nieuwe materiaal is even sterk als veel gangbare kunststoffen die tegenwoordig worden gebruikt en zou plastic in veel gangbare huishoudelijke producten kunnen vervangen.

Het materiaal is gemaakt met behulp van een nieuwe benadering voor het assembleren van plantaardige eiwitten tot materialen die op moleculair niveau zijde nabootsen. De energiezuinige methode, die gebruik maakt van duurzame ingrediënten, resulteert in een plastic-achtige vrijstaande film, die op industriële schaal kan worden gemaakt. Niet-vervagende 'structurele' kleur kan aan het polymeer worden toegevoegd, en het kan ook worden gebruikt om waterbestendige coatings te maken.

Het materiaal is thuis composteerbaar, terwijl voor andere soorten bioplastics industriële composteringsfaciliteiten nodig zijn om te worden afgebroken. In aanvulling, het door Cambridge ontwikkelde materiaal vereist geen chemische aanpassingen aan de natuurlijke bouwstenen, zodat het in de meeste natuurlijke omgevingen veilig kan worden afgebroken.

Het nieuwe product zal worden gecommercialiseerd door Xampla, een spin-outbedrijf van de Universiteit van Cambridge dat vervangingen ontwikkelt voor plastic voor eenmalig gebruik en microplastics. Het bedrijf zal later dit jaar een reeks sachets en capsules voor eenmalig gebruik introduceren, die het plastic kan vervangen dat wordt gebruikt in alledaagse producten zoals vaatwastabletten en wasmiddelcapsules. De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Voor vele jaren, Professor Tuomas Knowles van het Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge heeft onderzoek gedaan naar het gedrag van eiwitten. Veel van zijn onderzoek was gericht op wat er gebeurt als eiwitten zich verkeerd vouwen of zich 'misdragen', en hoe dit zich verhoudt tot gezondheid en menselijke ziekten, voornamelijk de ziekte van Alzheimer.

"Normaal onderzoeken we hoe functionele eiwitinteracties ons in staat stellen gezond te blijven en hoe onregelmatige interacties betrokken zijn bij de ziekte van Alzheimer, " zei Knowles, die het huidige onderzoek leidde. "Het was een verrassing om te ontdekken dat ons onderzoek ook een groot probleem op het gebied van duurzaamheid kon aanpakken:dat van plasticvervuiling."

Als onderdeel van hun eiwitonderzoek, Knowles en zijn groep raakten geïnteresseerd in waarom materialen zoals spinnenzijde zo sterk zijn als ze zulke zwakke moleculaire bindingen hebben. "We ontdekten dat een van de belangrijkste kenmerken die spinnenzijde zijn kracht geeft, is dat de waterstofbruggen regelmatig in de ruimte en met een zeer hoge dichtheid zijn gerangschikt, ' zei Knowles.

Co-auteur Dr. Marc Rodriguez Garcia, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Knowles die nu hoofd R&D is bij Xampla, begon te kijken hoe deze reguliere zelfassemblage in andere eiwitten kon worden gerepliceerd. Eiwitten hebben een neiging tot moleculaire zelforganisatie en zelfassemblage, en met name plantaardige eiwitten zijn overvloedig aanwezig en kunnen duurzaam worden gewonnen als bijproducten van de voedingsindustrie.

"Er is heel weinig bekend over de zelfassemblage van plantaardige eiwitten, en het is opwindend om te weten dat we door deze kennislacune op te vullen, alternatieven kunnen vinden voor plastic voor eenmalig gebruik, " zei promovendus Ayaka Kamada, de eerste auteur van de krant.

De onderzoekers repliceerden met succes de structuren die op spinnenzijde werden gevonden door soja-eiwitisolaat te gebruiken, een eiwit met een heel andere samenstelling. "Omdat alle eiwitten zijn gemaakt van polypeptideketens, onder de juiste omstandigheden kunnen we ervoor zorgen dat plantaardige eiwitten zichzelf assembleren, net als spinrag, " zei Knowles. "In een spin, het zijde-eiwit wordt opgelost in een waterige oplossing, die vervolgens wordt samengevoegd tot een immens sterke vezel via een spinproces dat heel weinig energie vereist."

"Andere onderzoekers hebben rechtstreeks met zijdematerialen gewerkt als vervanging voor plastic, maar het blijft een dierlijk product, " zei Rodriguez Garcia. "In zekere zin hebben we 'veganistische spinzijde' bedacht - we hebben hetzelfde materiaal gemaakt zonder de spin."

Elke vervanging voor plastic vereist een ander polymeer - de twee die in de natuur in overvloed voorkomen, zijn polysachariden en polypeptiden. Cellulose en nanocellulose zijn polysachariden en worden voor een groot aantal toepassingen gebruikt, maar vereisen vaak een vorm van verknoping om sterke materialen te vormen. Eiwitten assembleren zichzelf en kunnen sterke materialen zoals zijde vormen zonder enige chemische modificaties, maar ze zijn veel moeilijker om mee te werken.

De onderzoekers gebruikten soja-eiwitisolaat (SPI) als hun test plantaardig eiwit, omdat het gemakkelijk verkrijgbaar is als bijproduct van de productie van sojaolie. Plantaardige eiwitten zoals SPI zijn slecht oplosbaar in water, waardoor het moeilijk is om hun zelfassemblage in geordende structuren te beheersen.

De nieuwe techniek maakt gebruik van een milieuvriendelijk mengsel van azijnzuur en water, gecombineerd met ultrasone trillingen en hoge temperaturen, om de oplosbaarheid van de SPI te verbeteren. Deze methode produceert eiwitstructuren met verbeterde intermoleculaire interacties geleid door de vorming van waterstofbruggen. In een tweede stap wordt het oplosmiddel verwijderd, wat resulteert in een in water onoplosbare film.

Het materiaal heeft een prestatie die gelijkwaardig is aan hoogwaardige technische kunststoffen zoals polyethyleen met lage dichtheid. De kracht ligt in de regelmatige rangschikking van de polypeptideketens, wat betekent dat er geen chemische vernetting nodig is, die vaak wordt gebruikt om de prestaties en weerstand van biopolymeerfilms te verbeteren. De meest gebruikte verknopingsmiddelen zijn niet duurzaam en kunnen zelfs giftig zijn, terwijl voor de door Cambridge ontwikkelde techniek geen toxische elementen nodig zijn.

"Dit is het hoogtepunt van iets waar we al meer dan tien jaar aan werken, dat is begrijpen hoe de natuur materialen genereert uit eiwitten, " zei Knowles. "We waren niet van plan om een ​​duurzaamheidsuitdaging op te lossen - we werden gemotiveerd door nieuwsgierigheid naar hoe we sterke materialen konden maken uit zwakke interacties."

"De belangrijkste doorbraak hier is de controle over zelfassemblage, zodat we nu hoogwaardige materialen kunnen maken, " zei Rodriguez Garcia. "Het is opwindend om deel uit te maken van deze reis. Er is een enorme, enorm probleem van plasticvervuiling in de wereld, en we zijn in de gelukkige positie dat we er iets aan kunnen doen."