利用綠色溶劑和天然顏料生產(chǎn)生物塑料
科學(xué)家們利用綠色溶劑和天然顏料生產(chǎn)生物塑料
巴西和葡萄牙的科學(xué)家開發(fā)了一種環(huán)境可持續(xù)的工藝，使用“綠色”溶劑從酵母中提取的顏料生產(chǎn)可生物降解的塑料。他們表明這種可生物降解的塑料將來(lái)可用于具有抗氧化和抗微生物特性的智能包裝。與從石油、天然氣和煤炭中提取的傳統(tǒng)塑料的應(yīng)用相似，這些塑料需要數(shù)百年才能分解，因此由甘蔗、玉米和馬鈴薯生產(chǎn)的可持續(xù)生物塑料開始商業(yè)化。
經(jīng)過(guò)八年多的研究，科學(xué)家們證明，低共熔溶劑可以有效地從紅法夫酵母的生物質(zhì)中提取兩種類胡蘿卜素，蝦青素和β-胡蘿卜素。類胡蘿卜素是由植物、藻類和光合細(xì)菌合成的750多種天然色素。它們解釋了許多植物的黃色、橙色和紅色。它們?cè)谑称?、化妝品和制藥行業(yè)等具有商業(yè)應(yīng)用。
據(jù)研究人員稱，共晶溶劑既可用于提取顏料，也可用于生產(chǎn)基于生物活性淀粉的可生物降解塑料薄膜，無(wú)需額外純化。
“作為概念證明，我們證明了通過(guò)可持續(xù)工藝生產(chǎn)天然色素是可能的。我們使用了兩條線。一個(gè)是生產(chǎn)基于酵母的顏料，并使用低共熔溶劑提取這些具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的天然化合物，低共熔溶劑是生物相容性和可生物降解成分的混合物。另一個(gè)是利用提取物生產(chǎn)生物材料，例如基于淀粉的生物塑料，”葡萄牙科英布拉大學(xué)科技學(xué)院化學(xué)工程系教授豪爾赫·費(fèi)爾南多·布蘭道·佩雷拉 (Jorge Fernando Brandão Pereira) 說(shuō)，他是該領(lǐng)域的一員。該文章的通訊作者，以及Cassamo Ussemane Mussagy。
FAPESP 通過(guò)四個(gè)項(xiàng)目（20/08655-0、19/15493-9、18/06908-8 和 15/11759-3）支持這項(xiàng)研究。該研究是Mussagy在圣保羅大學(xué) (USP) 與圣保羅州立大學(xué) (UNESP) 合作的博士后工作的一部分，由Adalberto Pessoa Junior教授監(jiān)督。
“我們著手尋找合成顏料的替代品和使用污染溶劑的提取工藝。我們采用可持續(xù)的方法來(lái)獲取天然色素，并將其應(yīng)用于使用綠色溶劑生產(chǎn)可生物降解的塑料，”Mussagy告訴Agência FAPESP。
幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，顏料一直用于增強(qiáng)或恢復(fù)不同產(chǎn)品的外觀并保證均勻性。隨著消費(fèi)者越來(lái)越多地尋求更健康或更有營(yíng)養(yǎng)的產(chǎn)品，同時(shí)也盡量不損害自然環(huán)境，合成色素正在被天然化合物所取代，這些天然化合物對(duì)生態(tài)友好，在具有抗氧化和抗微生物特性的意義上也具有生物活性。
據(jù)研究人員稱，旨在從微生物中生產(chǎn)或提取天然色素的科學(xué)研究將有助于擴(kuò)大生物塑料的供應(yīng)。據(jù)代表約 70 家成員公司利益的歐洲生物塑料協(xié)會(huì)稱，這些產(chǎn)品也被稱為生物聚合物，目前在全球每年生產(chǎn)的超過(guò) 3.67 億公噸塑料中僅占不到 1%。
根據(jù)一些估計(jì)，隨著減少塑料使用的壓力增加，隨著包裝、電器和紡織行業(yè)對(duì)替代材料的需求增加，生物塑料的產(chǎn)量將從 2021年 2.42噸增加到2026年的759萬(wàn)噸由于污染和不可降解的廢物，來(lái)源于石油。
新型生物聚合物的開發(fā)是由UNESP教授Rondinelli Herculano領(lǐng)導(dǎo)的研究小組的重點(diǎn)，他合作開發(fā)了淀粉基生物塑料。
2018年巴西丟棄了約1100萬(wàn)噸塑料，占當(dāng)年垃圾總量的13.5%，使巴西成為世界第四大塑料垃圾生產(chǎn)國(guó)。該估計(jì)來(lái)自德國(guó)非政府組織Heinrich Böll基金會(huì)于2019年11月出版的巴西版《塑料地圖集》。
根據(jù)聯(lián)合國(guó)的數(shù)據(jù)，塑料污染對(duì)所有生態(tài)系統(tǒng)的威脅越來(lái)越大，尤其是海洋，占總垃圾的85%。
“即使產(chǎn)品是可生物降解的，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程總是具有侵略性，”佩雷拉說(shuō)。 “例如，紙是可再生和可回收的，但在幾乎所有情況下，它都是通過(guò)消耗大量能源、水和有毒化學(xué)物質(zhì)的非可持續(xù)方法生產(chǎn)的。我們的研究證明了通過(guò)一個(gè)綜合和可持續(xù)的平臺(tái)獲得生物塑料的可能性。”
研究過(guò)程：
科學(xué)家們通過(guò)在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)紅法夫酵母來(lái)生產(chǎn)類胡蘿卜素。然后他們用離子液體、膽堿基共晶溶劑和丁酸從酵母中提取色素。膽堿是一種類似維生素B的營(yíng)養(yǎng)素，由人類機(jī)體產(chǎn)生，并在自然界中發(fā)現(xiàn)。
離子液體和共晶液體被認(rèn)為是從天然基質(zhì)中提取化合物的理想溶劑，這主要?dú)w功于它們的溶劑化能力，溶劑化是溶劑分子包圍溶質(zhì)離子或分子并與之相互作用的過(guò)程，或者離子化合物溶解在極性物質(zhì)中而不形成新的極性物質(zhì)。
為了最大限度地回收蝦青素（酵母和微藻產(chǎn)生的最重要的天然抗氧化劑之一）和β-胡蘿卜素，研究人員測(cè)試了五種生物質(zhì)溶劑（固液）濃度，認(rèn)為這是從微生物生物質(zhì)中回收細(xì)胞內(nèi)分子的細(xì)胞破裂程序中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。兩種藥物的濃度都增加到了0.2g mL−1.濕酵母細(xì)胞。
Valéria de Carvalho Santos Ebinuma說(shuō)：“我們使用了生物溶劑，以便從酵母生物量中提取色素并加以應(yīng)用。我們檢測(cè)到效果最好的溶劑既能從微生物生物量中提取色素，又能作為包裝的增塑劑。”，聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署（UNESP）教授，綠色化學(xué)“熱門文章”的合著者。
“如果我們想培養(yǎng)一流的研究，就需要持續(xù)的長(zhǎng)期投資，所以FAPESP的支持很重要，”穆薩吉說(shuō)。“多年來(lái)，我們一直在研究從微生物源中生產(chǎn)和提取色素的可持續(xù)工藝，我們的工作得到了一家科學(xué)雜志的認(rèn)可，這是可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域最好的5%之一。”
對(duì)佩雷拉來(lái)說(shuō)，研究中使用的多學(xué)科方法很重要。他說(shuō)：“這是對(duì)穆薩吉不懈努力的回報(bào)，也表明了機(jī)構(gòu)和研究人員之間協(xié)同作用的重要性。”。
穆薩吉說(shuō)，下一步的重點(diǎn)將是結(jié)果的應(yīng)用，以表明這種“綠色”塑料包裝可以用于各種用途，尤其是食品行業(yè)。
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