Vegansk edderkoppesilke giver et bæredygtigt alternativ til engangsplastik

Forskere har skabt en plantebaseret, bæredygtig, skalerbart materiale, der kunne erstatte engangsplast i mange forbrugerprodukter.

Forskerne, fra University of Cambridge, skabt en polymerfilm ved at efterligne egenskaberne af edderkoppesilke, et af de stærkeste materialer i naturen. Det nye materiale er lige så stærkt som mange almindelige plasttyper i brug i dag og kan erstatte plastik i mange almindelige husholdningsprodukter.

Materialet blev skabt ved hjælp af en ny tilgang til at samle planteproteiner til materialer, der efterligner silke på molekylært niveau. Den energieffektive metode, som bruger bæredygtige ingredienser, resulterer i en plastiklignende fritstående film, som kan laves i industriel skala. Ikke-falmende 'strukturel' farve kan tilføjes til polymeren, og det kan også bruges til at lave vandafvisende belægninger.

Materialet er hjemmekomposterbart, hvorimod andre typer bioplast kræver industrielle komposteringsanlæg for at nedbrydes. Ud over, det Cambridge-udviklede materiale kræver ingen kemiske modifikationer af dets naturlige byggesten, så det sikkert kan nedbrydes i de fleste naturlige miljøer.

Det nye produkt vil blive kommercialiseret af Xampla, et spin-out-firma fra University of Cambridge, der udvikler erstatninger for engangsplastik og mikroplast. Virksomheden vil introducere en række engangsposer og kapsler senere på året, som kan erstatte den plastik, der bruges i hverdagsprodukter som opvasketabletter og vaskemiddelkapsler. Resultaterne er rapporteret i journalen Naturkommunikation .

I mange år, Professor Tuomas Knowles i Cambridges Yusuf Hamied-afdeling for kemi har forsket i proteiners adfærd. Meget af hans forskning har været fokuseret på, hvad der sker, når proteiner folder sig forkert eller 'opfører sig forkert', og hvordan dette relaterer til sundhed og menneskelig sygdom, primært Alzheimers sygdom.

"Vi undersøger normalt, hvordan funktionelle proteininteraktioner tillader os at forblive sunde, og hvordan uregelmæssige interaktioner er impliceret i Alzheimers sygdom, " sagde Knowles, der ledede den aktuelle forskning. "Det var en overraskelse at finde ud af, at vores forskning også kunne løse et stort problem inden for bæredygtighed:plastikforurening."

Som en del af deres proteinforskning, Knowles og hans gruppe blev interesseret i, hvorfor materialer som edderkoppesilke er så stærke, når de har så svage molekylære bindinger. "Vi fandt ud af, at en af ​​de vigtigste egenskaber, der giver edderkoppesilke sin styrke, er, at hydrogenbindingerne er arrangeret regelmæssigt i rummet og med en meget høj tæthed, " sagde Knowles.

Medforfatter Dr. Marc Rodriguez Garcia, en postdoc-forsker i Knowles' gruppe, som nu er leder af R&D hos Xampla, begyndte at se på, hvordan man replikerer denne regelmæssige selvsamling i andre proteiner. Proteiner har en tilbøjelighed til molekylær selvorganisering og selvsamling, og især planteproteiner er rigelige og kan fremskaffes bæredygtigt som biprodukter fra fødevareindustrien.

"Meget lidt er kendt om selvsamling af planteproteiner, og det er spændende at vide, at vi ved at udfylde dette videnshul kan finde alternativer til engangsplastik, " sagde ph.d.-kandidat Ayaka Kamada, avisens første forfatter.

Forskerne har med succes replikeret strukturerne fundet på edderkoppesilke ved at bruge sojaproteinisolat, et protein med en helt anden sammensætning. "Fordi alle proteiner er lavet af polypeptidkæder, under de rigtige forhold kan vi få planteproteiner til at samle sig selv ligesom edderkoppesilke, sagde Knowles. I en edderkop, silkeproteinet opløses i en vandig opløsning, som derefter samles til en uhyre stærk fiber gennem en spindeproces, som kræver meget lidt energi."

"Andre forskere har arbejdet direkte med silkematerialer som plasterstatning, men de er stadig et animalsk produkt, " sagde Rodriguez Garcia. "På en måde er vi kommet frem til 'vegansk edderkoppesilke' - vi har skabt det samme materiale uden edderkoppen."

Enhver erstatning for plast kræver en anden polymer - de to i naturen, der findes i overflod, er polysaccharider og polypeptider. Cellulose og nanocellulose er polysaccharider og er blevet brugt til en række anvendelser, bl. men kræver ofte en eller anden form for tværbinding for at danne stærke materialer. Proteiner samler sig selv og kan danne stærke materialer som silke uden nogen kemiske modifikationer, men de er meget sværere at arbejde med.

Forskerne brugte sojaproteinisolat (SPI) som deres testplanteprotein, da det er let tilgængeligt som et biprodukt af sojaolieproduktion. Planteproteiner som SPI er dårligt opløselige i vand, gør det svært at kontrollere deres selvsamling til ordnede strukturer.

Den nye teknik bruger en miljøvenlig blanding af eddikesyre og vand, kombineret med ultralydbehandling og høje temperaturer, at forbedre opløseligheden af ​​SPI. Denne metode producerer proteinstrukturer med forbedrede intermolekylære interaktioner styret af hydrogenbindingsdannelsen. I et andet trin fjernes opløsningsmidlet, hvilket resulterer i en vanduopløselig film.

Materialet har en ydeevne, der svarer til højtydende ingeniørplast, såsom polyethylen med lav densitet. Dens styrke ligger i det regelmæssige arrangement af polypeptidkæderne, hvilket betyder, at der ikke er behov for kemisk tværbinding, som ofte bruges til at forbedre ydeevnen og modstanden af ​​biopolymerfilm. De mest almindeligt anvendte tværbindingsmidler er ikke-bæredygtige og kan endda være giftige, hvorimod der ikke kræves giftige elementer til den Cambridge-udviklede teknik.

"Dette er kulminationen på noget, vi har arbejdet på i over ti år, som er at forstå, hvordan naturen genererer materialer fra proteiner, " sagde Knowles. "Vi satte os ikke for at løse en bæredygtighedsudfordring – vi blev motiveret af nysgerrighed om, hvordan man skaber stærke materialer ud fra svage interaktioner."

"Det vigtigste gennembrud her er at kunne kontrollere selvmontering, så vi nu kan skabe højtydende materialer, " sagde Rodriguez Garcia. "Det er spændende at være en del af denne rejse. Der er en kæmpe, stort problem med plastikforurening i verden, og vi er i den heldige position at kunne gøre noget ved det."