Một nghiên cứu mới từ Đại học Bang Nam Dakota tiết lộ cách chuyển đổi thân cây nho thành vật liệu mới bền hơn nhựa thông thường và có thẻ tự phân hủy trong thời gian tương đối ngắn.
Giữa những lo ngại ngày càng tăng về rác thải nhựa và vi nhựa, các nhà nghiên cứu tận dụng phế phẩm nông nghiệp để sản xuất bao bì phân hủy sinh học. Bằng cách chiết xuất cellulose từ những nguồn bất ngờ, bao gồm cả thân cây nho, các nhà khoa học đã tạo ra các màng phim bền chắc, trong suốt, có khả năng phân hủy chỉ trong 17 ngày mà không để lại cặn bẩn độc hại.
Nhu cầu về vật liệu đóng gói phân hủy sinh học chưa bao giờ cao đến thế
Hiện nay, hầu hết bao bì đều thuộc loại "dùng một lần" và được sản xuất từ vật liệu nhựa, có nguồn gốc từ các nguồn không tái tạo như dầu thô, mất hàng trăm năm để phân hủy trong môi trường. Hơn nữa, chỉ có 9% nhựa được tái chế. Điều này đã dẫn đến sự hình thành những đống rác thải nhựa trôi nổi trên đại dương, được gọi là "Vùng rác Thái Bình Dương vĩ đại".
Tuy nhiên, điều đáng lo ngại hơn là sự phát hiện vi nhựa và nano nhựa trong môi trường. Nghiên cứu cho thấy nhựa phân hủy thành các hạt nhỏ, mà cả con người và động vật đều có thể ăn vào hoặc hít phải, và chúng đã được phát hiện ở khắp nơi, bao gồm cả trong cơ thể con người. Tệ hơn nữa, chúng ta vẫn biết rất ít về ảnh hưởng lâu dài của vi nhựa đối với sức khỏe.
Srinivas Janaswamy, Phó Giáo sư tại Khoa Khoa học Sữa và Thực phẩm, Đại học Bang Nam Dakota, tập trung vào việc phát triển các sản phẩm giá trị gia tăng từ chất thải sinh học và các sản phẩm phụ nông nghiệp. Một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu của ông là giải quyết cuộc khủng hoảng rác thải nhựa.
Có lẽ nguyên nhân lớn nhất gây ra rác thải nhựa, ít nhất là ở Hoa Kỳ, là túi nhựa, loại thường thấy ở hầu hết các cửa hàng bán lẻ. Những chiếc túi này, mặc dù đôi khi được tái chế, thường chỉ được sử dụng một lần và dễ dàng rải rác khắp môi trường. Để giải quyết vấn đề này, Janaswamy đang nỗ lực phát triển một loại túi giống như nhựa nhưng có thể phân hủy trong môi trường - "Đó là ước mơ của tôi," PGS Janaswamy nói.
Thành phần chính trong nghiên cứu của PGS Janaswamy là polymer sinh học, cụ thể là cellulose, chất hữu cơ dồi dào nhất trên Trái Đất, chủ yếu được tìm thấy trong thành tế bào của thực vật. Nhờ vào các liên kết hydro mạnh và chuỗi phân tử glucose, cellulose mang lại cho thực vật sức mạnh và độ cứng về mặt cấu trúc, cùng với các polymer sinh học khác như mannan, xylose, hemicellulose và lignin. Con người đã sử dụng cellulose từ lâu để sản xuất nhiều sản phẩm. Bông, chất liệu chủ yếu được dùng trong sản xuất quần áo trên thế giới, chủ yếu được làm từ cellulose. Gỗ cũng là nguồn giàu cellulose.
Trong các nghiên cứu trước đây, PGS Janaswamy đã chiết xuất cellulose từ các sản phẩm nông nghiệp như vỏ quả bơ, vỏ đậu nành, cỏ linh lăng, cỏ switchgrass, bã cà phê, lõi ngô và vỏ chuối. Ông sử dụng cellulose chiết xuất được để tạo ra màng bọc - những vật liệu có hình dạng và cảm giác tương tự như màng bọc nhựa truyền thống.
Mỗi màng phim của PGS Janaswamy đều có những đặc điểm và tính chất khác nhau. Một số trong suốt hơn những màng khác. Một số bền hơn. Nhưng nhờ sự hợp tác độc đáo với một giảng viên đồng nghiệp tại SDSU, Janaswamy có lẽ đã tạo ra sản phẩm giá trị gia tăng tốt nhất từ trước đến nay.
Sản phẩm từ thân cây nho
PGS Janaswamy vừa hoàn thành bài thuyết trình "Sinh khối nông nghiệp - Chén Thánh để dọn dẹp mớ hỗn độn nhựa" tại Lễ kỷ niệm Giảng viên Xuất sắc của SDSU, thì được Anne Fennell, Giáo sư Xuất sắc của Khoa Nông học, Làm vườn và Khoa học Thực vật, cũng như giảng viên của Khoa Nông nghiệp, Thực phẩm và Khoa học Môi trường, tiếp cận.
Sau khi nghe bài thuyết trình của Janaswamy, Giáo sư Fennell bắt đầu quan tâm đến nghiên cứu này và nảy ra một ý tưởng. Bà biết rằng thân nho - vật liệu thực vật gỗ mà nho mọc trên đó rất giàu cellulose. Bà cũng biết rằng thân nho rất dồi dào và ít được sử dụng sau khi thu hoạch.
"Hàng năm, chúng tôi cắt tỉa phần lớn sinh khối hàng năm của cây nho. Những thân mía được cắt tỉa được cắt tỉa, ủ và bón lại vào đất, hoặc đốt ở một số khu vực. Nghiên cứu ở Úc cho thấy có thể loại bỏ phần thân mía cắt tỉa khỏi ruộng xen kẽ các năm mà không ảnh hưởng đến sức khỏe của đất. Tôi nghĩ tại sao không sử dụng phương pháp này để tạo ra màng phủ giá trị gia tăng. Một số vật liệu mà Janaswamy đã sử dụng trước đây có hàm lượng nước cao, ngược lại, việc cắt tỉa vào mùa đông tạo ra vật liệu có hàm lượng cellulose dày đặc nhưng hàm lượng nước thấp, khiến chúng trở thành vật liệu lý tưởng để sử dụng" - Bà Fennell nói.
Ý tưởng của Fennell đã dẫn đến sự hợp tác, và chẳng bao lâu sau, Janaswamy đã chiết xuất được cellulose - trông gần giống như bông từ thân cây nho. Những màng phủ thu được thật sự đáng kinh ngạc. Theo một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí khoa học Công nghệ Thực phẩm Bền vững, màng phủ thân nho của Janaswamy có tính trong suốt, chắc chắn và phân hủy sinh học trong vòng 17 ngày trong đất nhưng không để lại cặn bã độc hại.
"Độ truyền sáng cao của màng bao bì giúp tăng khả năng hiển thị sản phẩm, khiến chúng hấp dẫn hơn đối với người tiêu dùng và dễ dàng kiểm tra chất lượng mà không cần phải mở niêm phong. Những màng này cho thấy tiềm năng vượt trội cho các ứng dụng đóng gói thực phẩm" - PGS Janaswamy cho biết.
Thân nho được thu hoạch từ vườn nho nghiên cứu của SDSU. Nhóm nghiên cứu, bao gồm các nghiên cứu sinh tiến sĩ Sandeep Paudel và Sumi Regmi, và Sajal Bhattarai, một nghiên cứu sinh tốt nghiệp SDSU và là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Purdue, đã tuân theo một quy trình đã được công bố trong quá trình phát triển màng, bao gồm sấy khô và nghiền thân nho và chiết xuất bã cellulose. Sau đó, bã được hòa tan và đúc lên các tấm kính để tạo thành màng.
"Việc sử dụng cành nho chưa được tận dụng làm nguồn cellulose cho màng bao bì giúp tăng cường quản lý chất thải tại hiện trường và giải quyết vấn đề ô nhiễm nhựa toàn cầu. Việc phát triển màng bọc thân thiện với môi trường từ xenluloza cây nho là một cách tiếp cận thiết thực hướng đến tính bền vững, giúp bảo tồn môi trường và tài nguyên thiên nhiên, đồng thời đóng góp vào nền kinh tế sinh học tuần hoàn" - ông Janaswamy cho biết
Kết quả của nghiên cứu này đưa PGS Janaswamy tiến gần hơn đến ước mơ phát triển một loại túi làm từ vật liệu giống nhựa, có khả năng phân hủy nhanh chóng trong môi trường.
