Хіміки з Великобританії створили плівку на основі соєвого білка. Екологічний матеріал за міцністю не поступається пластикам, які на сьогоднішній день широко використовуються в якості упаковки. Ще одна перевага соєвої плівки полягає в регулярному розташуванні поліпептидних ланцюгів у ній, тому немає необхідності в хімічному зшиванні, яке часто використовується для поліпшення характеристик біополімерних плівок. До того ж, часто зшиваючі речовини мають токсичність. Роботу опубліковано в журналі.
В даний час основним матеріалом для упаковок їжі служить пластик. Як і будь-які інші пластикові вироби, такі упаковки виробляються з невідновлюваної сировини і є одними з найбільш небезпечних забруднювачів навколишнього середовища. Вони не розкладаються протягом століть і потрапляють в моря і океани, стаючи причиною загибелі близько мільйона птахів і ста тисяч морських тварин щорічно. Крім того, деякі пластики можуть випускати потенційно токсичні речовини.
Полімери природного походження, наприклад, білки і целюлоза, активно досліджуються як альтернатива синтетичним полімерам, таким як ПЕТ і ПВХ. Білки мають здатність до самозбірки - важливого процесу в біологічних системах, який відбувається за рахунок багатоточкових нековалентних сполук «будівельних блоків» за допомогою водневих зв'язків, електростатичних і гідрофобних взаємодій.
На сьогоднішній день у створенні білкових плівок за допомогою контрольованої самозбірки в основному використовують білки тваринного походження, такі як білки шовку або ^-лактоглобулін. Однак їх застосування пов'язане з негативним впливом на навколишнє середовище, а трудомісткі стадії очищення ускладнюють масштабування виробництва, при цьому виробничі витрати можуть перевищувати 100 доларів США на кілограм матеріалу.
Рослинні білки - хороша альтернатива тваринним білкам, до того ж ізоляти соєвого і горохового білка виробляють у всьому світі у великих масштабах, і вони можуть бути отримані за нижчою ціною (3,5-4,6 долара за кілограм). Однак більшість білків рослинного походження погано розчиняються у воді, що створює проблеми в їх самозбірці в упорядковані структури.
Тепер хіміки з Кембриджського університету під керівництвом Аяки Камади (Ayaka Kamada) змогли створити плівку на основі соєвого білка, використовуючи як розчинник оцту кислоту. Вчені вибрали соєвий білок, оскільки він найбільш доступне джерело рослинного білка на сьогоднішній день, а також є побічним продуктом при виробництві соєвої олії.
Хіміки приготували водний розчин ізоляту соєвого білка з масовою часткою 10 відсотків, що містить 30 відсотків оцтової кислоти. Вчені використовували оцту кислоту через її здатність посилювати сольватацію гідрофобних амінокислотних залишків. Щоб підвищити розчинність соєвого білка, вчені нагріли розчин до 90 градусів за Цельсієм і обробили його ультразвуком протягом 30 хвилин. Обробка ультразвуком була потрібна, щоб розбити великі білкові агрегати на дрібні частинки і дестабілізувати міжмолекулярні взаємодії. У підсумку білок був повністю розчинений і денатурований, що дозволило йому утворити нові міжмолекулярні взаємодії. Потім отриманий білковий розчин вилили на гарячу чашку Петрі і охолодили, в результаті чого утворився напівпрозорий гідрогель.
Виявилося, що білки, оброблені водним розчином оцту мали значно менший розмір частинок (29 9,1 нанометрів) порівняно з контрольним білком, який був розчинений у деіонізованій воді (148 68 нанометрів). Скануюча електронна мікроскопія продемонструвала, що білки самоорганізувалися в щільно упаковану гідрогелеву мережу, що складається з тонколанцюжкових агрегатів. А білки, розчинені без додавання оцту, не змогли утворити подібні структури.
Інфрачервона спектроскопія показала, що спочатку ізолять соєвого білка містив 49 відсотків лід-листів і погано розчинявся у воді. При додаванні оцту, обробці ультразвуком і нагріванні білки розверталися і частково гідролізувалися, що робило їх більш доступними для утворення нових міжмолекулярних взаємодій. Охолодження розчину сприяло самозбиранню білка в міжмолекулярні фібрилярні агрегати, багаті на лас-шари (65 відсотків), демонструючи високий ступінь кристалічності.
Для отримання плівок в якості пластифікатора додавали гліцерин і при нагріванні рівномірно розподіляли отриману суміш на скляній підкладці. Гідрогель охолоджували до кімнатної температури і давали йому висохнути протягом трьох днів, щоб він затвердів і перетворився на плівку. Просвічувальна електронна мікроскопія показала, що в плівці утворилися значні кількості нанокристалічних структур розмірами близько 5-10 нанометрів, порівнянні з наноструктурами, виявленими в шовку.
Як демонстрацію масштабованості процесу хіміки виготовили плівку розміром 30 на 40 сантиметрів. Також два шматки плівки запечатали термічним зварюванням і зробили мішок. За словами вчених, новий матеріал також можна використовувати для створення водостійких покриттів.
Механічні випробування плівки показали, що вона має модуль Юнга 209-39,1 мегапаскалів, тоді як у неструктурованої плівки модуль Юнга становить 131-22,6 мегапаскалів. Міцність нового матеріалу виявилася порівнянна з міцністю популярного поліетилену і політетрафторетилену. Хіміки відзначають, що в раніше описаних роботах плівки на основі ізоляту соєвого білка модифікувалися целюлозою і хітином, а їхня самоорганізована плівка не потребує підсилювачів міцності через високий ступінь міжмолекулярних взаємодій, що утворюються в процесі самозбірки.
Розробка нетоксичних та екологічних альтернатив пластику на сьогоднішній день гостро необхідна. Однак минулого року німецькі хіміки дійшли висновку, що існуючі зараз на ринку біопластики повністю нешкідливими і екологічними назвати не можна. Вчені визначили точний склад упаковок на основі біорозкладаних пластиків і рослинних матеріалів. Матеріали, спочатку заявлені як екологічна і більш безпечна альтернатива пластикам, виявилися рівною мірою токсичні. Частково пояснення цьому - разюче велика кількість хімікатів, знайдених у біопластиках.