Исследователи развивают биоразлагаемую упаковку на растительной основе из натуральных волокон — новое исследование

(MENAFN - The Conversation) Джи Ву, студент инженерного факультета, изучал тип ярко-белого жука, встречающегося в Юго-Восточной Азии, пытаясь понять, как имитировать его блестящий цвет, когда неожиданное открытие перевернуло его эксперимент.

Джи и я надеялись найти природные отбеливающие пигменты, которые можно было бы использовать в бумаге и красках. Белый экзоскелет жука состоит из соединения, называемого хитином, — вида углевода, который также широко встречается в раковинах крабов и омаров.

Сначала Джи извлек нановолокна хитина из раковин крабов, полученных из пищевых отходов, химически они были такими же, как у белых жуков. Но вместо создания белого материала, как планировалось, Джи получил плотные прозрачные пленки. Нановолокна лучше собирались в плотно упакованные пленки, чем в пористые структуры, которых он хотел добиться.

По прихоти Джи измерил скорость прохождения кислорода через пленку. Результат был поразительным: барьер пропускал меньше кислорода, чем многие существующие упаковочные пластики.

Это случайное открытие в 2014 году изменило направление работы моей команды студентов-инженеров с цветового на упаковочное. Мы задали себе вопрос, могут ли природные материалы конкурировать по эффективности с обычными пластиками. С тех пор наша команда использовала это открытие для создания биоразлагаемых пленок, предлагающих более устойчивую и эффективную альтернативу пластиковой упаковке.

Проблемы пластиковой упаковки

Пластиковая упаковка широко используется для защиты продуктов питания, фармацевтических и средств личной гигиены. Эти пластики защищают от влаги и кислорода, сохраняя продукты свежими и безопасными.

Большинство упаковок состоит из нескольких слоёв, которые вместе препятствуют проникновению воздуха, но эти слои мешают повторному использованию и переработке. В результате большинство таких пластиковых барьерных упаковок выбрасывается на свалки как одноразовые материалы.

Многие исследователи ищут альтернативы, которые были бы возобновляемыми, биоразлагаемыми или перерабатываемыми, при этом не уступая по эффективности. В Грузийском технологическом институте моя команда студентов и постдоков уже более десяти лет занимается этой проблемой. Всё началось с того жука.

Создание лучшего барьера

Хитин широко доступен в пищевых отходах и грибах, его используют в фильтрах для воды и повязках для ран. Однако наши ранние попытки масштабировать технологию пленок на основе эксперимента с жуком не увенчались успехом.

В 2018 году команда сделала важный шаг вперёд, применив распыление для создания слоёв хитина и целлюлозных нановеществ. Целлюлоза, как и хитин, — углеводный полимер — цепочка повторяющихся углеводных единиц, и она добывается из растений. Эти природные материалы обладают противоположными электрическими зарядами, что обеспечило лучшее барьерное свойство при их объединении, чем при использовании каждого по отдельности.

В этом подходе команда распыляла слой хитина, затем слой целлюлозы. Противоположные заряды между ними создавали долгосрочное притяжение, связывающее слои и образующее плотный интерфейс.

Позже, в сотрудничестве с Мейшей Шофнер, специалистом по материалам, и Текилой Харрис, инженером-механиком, другие студенты показали, что эти покрытия можно наносить с помощью масштабируемых технологий ролл-ту-ролл. Методы нанесения ролл-ту-ролл предпочитают в промышленности, потому что покрытия наносятся непрерывно на большие рулоны материала, например, бумаги или других биоразлагаемых пластиков.

Однако влажность оставалась серьёзной проблемой, ограничивая реальные применения. Влага вызывала набухание пленки, что позволяло большему количеству кислорода проникать внутрь.

Затем последовал ещё один прорыв. В 2024 году, вместе с другим коллегой, Натали Стингелин, я обнаружил, что два распространённых компонента пищи сопротивляются водяному пару при их сочетании: карбоксиметилцеллюлоза — например, в мороженом — и лимонная кислота.

Результатом стала пленка, препятствующая передаче влаги. Лимонная кислота реагировала с целлюлозой, образуя кросс-связи — химические соединения, связывающие молекулы целлюлозы. После связывания они уменьшали поглощение влаги пленкой.

Мы интегрировали это новое открытие с предыдущими работами, сочетая лимонную кислоту и целлюлозу, а затем формировали из этой смеси самостоятельную пленку, нанося её на субстрат, например, хитин.

Однако эта формула не обладала хорошими барьерными свойствами против кислорода, так как не содержала высококристаллических целлюлозных нановеществ из нашей первой пленки. Самое последнее достижение нашей команды, сделанное в октябре 2025 года, объединяет все вышеописанные инновации. В результате мы создали биооснованную пленку, которая отлично защищает как от кислорода, так и от влаги.

Масштабирование производства

При формировании тонких пленок эти компоненты самоорганизуются в плотную структуру, устойчивую к набуханию под воздействием водяного пара. Испытания показали, что даже при 80% влажности эта пленка сравнима или превосходит по эффективности обычные упаковочные пластики.

Эти материалы возобновляемы, биоразлагаемы и компостируемы. Наша команда подала несколько патентных заявок, и мы сотрудничаем с промышленными партнёрами для разработки конкретных вариантов упаковки.

Одной из проблем является ограниченное количество биооснованных компонентов по сравнению с большим объёмом традиционных пластиков. Как и любой новый материал, потребуется время, чтобы производители наладили цепочки поставок, и началось массовое использование этих пленок.

Например, спрос на очищенный хитин сейчас невелик, так как он используется в нишевых приложениях, таких как повязки для ран и фильтрация воды. Благодаря разнообразию применений, упаковка может увеличить спрос на этот материал.

Следующая задача — масштабировать производство от экспериментальных образцов до промышленного уровня, что, вероятно, займет несколько лет. Команда исследует технологии ролл-ту-ролл и сотрудничает с промышленными партнёрами для интеграции этих материалов в существующие линии упаковки.

Политика и потребительский спрос также сыграют важную роль. По мере того как правительства вводят запреты на одноразовый пластик, а компании ставят цели по устойчивому развитию, биооснованные пленки могут стать частью решения.

Эта история показывает, что наука часто развивается благодаря неожиданным результатам. От неудачной попытки имитировать цвет жука до перспективной альтернативы пластика — это исследование демонстрирует, как любопытство может привести к решениям одних из самых больших наших проблем.