Peneliti Mengembangkan Kemasan Dapat Terurai Secara Hayati Berbasis Tumbuhan dari Serat Alami Penelitian Baru

(MENAFN- The Conversation) Jie Wu, mahasiswa pascasarjana teknik, sedang mempelajari jenis kumbang putih mencolok yang ditemukan di Asia Tenggara dan berusaha meniru warna cemerlangnya ketika penemuan tak terduga membatalkan eksperimen tersebut.

Jie dan saya berharap dapat mengidentifikasi pigmen pemutih alami yang dapat digunakan dalam kertas dan cat. Eksoskeleton putih kumbang ini terbuat dari senyawa yang disebut kitin, yang merupakan jenis karbohidrat – juga umum ditemukan di cangkang kepiting dan lobster.

Pertama, Jie mengekstrak serat nanokitin dari cangkang kepiting yang diperoleh dari limbah makanan yang secara kimia sama dengan yang ditemukan pada kumbang putih. Tetapi alih-alih membuat bahan putih seperti yang diinginkan, Jie menghasilkan film transparan yang padat. Serat nanokitin lebih mudah menyusun diri dalam film yang rapat daripada dalam struktur berpori yang diinginkan Jie.

Secara kebetulan, Jie mengukur laju oksigen yang melewati film tersebut. Hasilnya menakjubkan: Penghalang ini memungkinkan lebih sedikit oksigen lewat dibandingkan banyak plastik kemasan yang ada.

Penemuan keberuntungan ini pada 2014 mengalihkan fokus tim mahasiswa teknik saya dari warna ke kemasan. Kami bertanya apakah bahan alami dapat bersaing dengan kinerja plastik umum. Sejak saat itu, tim kami menggunakan penemuan ini untuk menciptakan film biodegradable yang menawarkan alternatif yang lebih berkelanjutan dan efektif untuk kemasan plastik.

Tantangan kemasan plastik

Kemasan plastik umum digunakan untuk melindungi makanan, farmasi, dan produk perawatan pribadi. Plastik ini mencegah kelembapan dan oksigen dari udara masuk, sehingga produk tetap segar dan aman.

Kebanyakan kemasan memiliki beberapa lapisan yang bekerja sama untuk menjaga udara tetap keluar, tetapi lapisan-lapisan ini menghambat upaya penggunaan kembali dan daur ulang. Akibatnya, sebagian besar kemasan penghalang plastik ini dibuang ke tempat pembuangan akhir sebagai bahan sekali pakai.

Banyak peneliti mencari alternatif yang dapat diperbarui, biodegradable, atau dapat didaur ulang, namun tetap efektif. Di Georgia Tech, tim mahasiswa dan post-doc saya telah menghabiskan lebih dari satu dekade menangani masalah ini. Perjalanan ini dimulai dari kumbang tersebut.

Membangun penghalang yang lebih baik

Kitin tersedia secara luas dalam limbah makanan dan jamur, dan digunakan dalam produk seperti filter air dan perban luka. Namun, upaya awal kami untuk meningkatkan teknologi film berdasarkan eksperimen yang terinspirasi dari kumbang ini gagal.

Pada 2018, tim membuat lompatan penting dengan menggunakan teknik semprot untuk menciptakan lapisan nanomaterial kitin dan selulosa. Selulosa, seperti kitin, adalah polimer karbohidrat – rantai unit karbohidrat yang berulang – dan diperoleh dari tumbuhan. Bahan alami yang melimpah ini memiliki muatan listrik yang berlawanan, yang menghasilkan kinerja penghalang yang lebih baik saat dikombinasikan daripada salah satu bahan saja.

Dalam pendekatan ini, tim menyemprotkan lapisan kitin, diikuti oleh lapisan selulosa. Muatan berlawanan antara kitin dan selulosa menciptakan daya tarik jangka panjang yang mengikat lapisan-lapisan tersebut membentuk antarmuka yang padat.

Kemudian, bekerja sama dengan Meisha Shofner, ilmuwan material, dan Tequila Harris, insinyur mekanik, mahasiswa lain menunjukkan bahwa lapisan ini dapat diterapkan dengan teknik roll-to-roll yang dapat diskalakan. Metode pelapisan roll-to-roll lebih disukai di industri karena pelapisannya dilakukan secara kontinu pada gulungan besar bahan dasar, seperti kertas atau plastik biodegradable lainnya.

Namun, kelembapan menjadi tantangan utama, membatasi aplikasi dunia nyata. Kelembapan membuat film mengembang, memungkinkan lebih banyak oksigen menyusup.

Kemudian, terobosan lain terjadi. Pada 2024, kolaborator lain, Natalie Stingelin, dan saya menemukan bahwa dua komponen makanan umum menolak uap air saat digabungkan: karboksimetilselulosa – yang ditemukan dalam es krim, misalnya – dan asam sitrat.

Hasilnya adalah film yang menghambat transmisi kelembapan. Asam sitrat bereaksi dengan selulosa membentuk cross-link, yaitu sambungan kimia yang mengikat molekul selulosa. Setelah terikat, mereka mengurangi penyerapan kelembapan oleh film.

Kami mengintegrasikan penemuan baru ini dengan pekerjaan sebelumnya dengan menggabungkan asam sitrat dan selulosa, lalu mencampurkan campuran ini sebagai film berdiri sendiri dengan melapiskannya ke substrat, seperti kitin.

Namun, formulasi ini tidak memiliki sifat penghalang oksigen yang kuat karena tidak mengandung nanomaterial selulosa kristalin tinggi dari film pertama kami. Prestasi terbaru tim kami, dari Oktober 2025, menggabungkan inovasi-inovasi tersebut. Akibatnya, kami menciptakan film berbasis bio yang merupakan penghalang yang sangat baik terhadap oksigen dan kelembapan.

Meningkatkan skala produksi

Ketika dicetak menjadi film tipis, komponen-komponen ini secara otomatis mengatur diri menjadi struktur padat yang menahan pembengkakan akibat uap air. Pengujian menunjukkan bahwa bahkan pada kelembapan 80%, film ini setara atau lebih baik dari plastik kemasan umum.

Bahan-bahan ini dapat diperbarui, biodegradable, dan kompos. Tim kami telah mengajukan beberapa permohonan paten, dan kami bekerja sama dengan mitra industri untuk mengembangkan penggunaan kemasan tertentu.

Salah satu tantangan adalah pasokan komponen berbasis bio ini yang terbatas dibandingkan volume besar plastik konvensional. Seperti bahan baru lainnya, dibutuhkan waktu bagi produsen untuk mengembangkan rantai pasokan saat film ini mulai digunakan.

Misalnya, permintaan pasar untuk kitin murni saat ini kecil karena digunakan dalam aplikasi niche seperti perban luka dan filtrasi air. Karena berbagai penggunaannya, kemasan dapat meningkatkan permintaan pasar tersebut.

Tantangan berikutnya adalah meningkatkan skala dari film eksperimen ke produksi industri, yang kemungkinan akan memakan waktu beberapa tahun. Tim sedang menjajaki teknik pelapisan roll-to-roll dan bekerja sama dengan mitra industri untuk mengintegrasikan bahan ini ke dalam lini kemasan yang sudah ada.

Kebijakan dan permintaan konsumen juga akan berperan. Ketika pemerintah mendorong larangan plastik sekali pakai dan perusahaan menetapkan target keberlanjutan, film berbasis bio ini bisa menjadi bagian dari solusi.

Kisah terobosan ini mengingatkan saya bahwa ilmu pengetahuan sering berkembang melalui hasil yang tak terduga. Dari upaya gagal meniru warna kumbang hingga menjadi alternatif menjanjikan untuk plastik, penelitian ini menunjukkan bagaimana rasa ingin tahu dapat memimpin pada solusi untuk beberapa tantangan terbesar kita.