Seta vegetale come alternativa alla plastica


Seta vegetale come alternativa alla plastica

I ricercatori hanno creato un materiale a base vegetale, sostenibile e scalabile che potrebbe sostituire la plastica monouso in molti prodotti di consumo.

L'abbondanza di proteine di origine vegetale, nonché la loro biodegradabilità e il basso impatto ambientale le rendono interessanti materie prime polimeriche per materiali funzionali di prossima generazione per sostituire gli attuali sistemi a base di petrolio. Tuttavia, gli sforzi per generare materiali funzionali da proteine vegetali in modo scalabile sono stati ostacolati dalla mancanza di metodi efficienti per indurre e controllare la loro struttura su micro e nanoscala, requisiti chiave per ottenere proprietà vantaggiose dei materiali e adattare la loro funzionalità.

I ricercatori dell'Università di Cambridge hanno creato un film polimerico imitando le proprietà della seta di ragno, uno dei materiali più resistenti in natura. Il nuovo materiale è resistente quanto molte plastiche comuni in uso oggi e potrebbe sostituire la plastica in molti comuni prodotti per la casa.

Il materiale è stato creato utilizzando un nuovo approccio per l'assemblaggio di proteine vegetali in materiali che imitano la seta a livello molecolare. Il metodo ad alta efficienza energetica, che utilizza ingredienti sostenibili, si traduce in un film autoportante simile alla plastica, che può essere realizzato su scala industriale. Il colore “strutturale” che non sbiadisce può essere aggiunto al polimero e può anche essere utilizzato per realizzare rivestimenti resistenti all'acqua.

Il materiale è compostabile in casa, mentre altri tipi di bioplastiche richiedono impianti di compostaggio industriale per degradarsi. Inoltre, il materiale sviluppato da Cambridge non richiede modifiche chimiche ai suoi elementi costitutivi naturali, in modo che possa degradarsi in sicurezza nella maggior parte degli ambienti naturali.

Il nuovo prodotto sarà commercializzato da Xampla, una società spin-out dell'Università di Cambridge che sviluppa prodotti sostitutivi per plastica monouso e microplastiche. L'azienda introdurrà una gamma di bustine e capsule monouso entro la fine dell'anno, che possono sostituire la plastica utilizzata nei prodotti di uso quotidiano come le pastiglie per lavastoviglie e le capsule di detersivo per bucato. I risultati sono riportati sulla rivista Nature Communications. (1)

Per molti anni, il professor Tuomas Knowles (2) del dipartimento di chimica Yusuf Hamied di Cambridge ha svolto ricerche sul comportamento delle proteine. Gran parte della sua ricerca si è concentrata su cosa succede quando le proteine si ripiegano male o si “comportano male”, e come questo si collega alla salute e alle malattie umane, principalmente il morbo di Alzheimer. Il professore, che ha guidato l'attuale ricerca, dice: «Normalmente studiamo come le interazioni funzionali delle proteine ci consentono di rimanere in buona salute e come le interazioni irregolari sono implicate nell'Alzheimer». Ci siamo sorpresi nel scoprire che la nostra ricerca potrebbe anche affrontare un grosso problema di sostenibilità: quello dell'inquinamento da plastica».

Come parte della loro ricerca sulle proteine, il dottor Knowles e il suo gruppo si sono interessati al motivo per cui materiali come la seta di ragno sono così forti quando hanno legami molecolari così deboli. «Abbiamo scoperto che una delle caratteristiche chiave che conferisce alla seta di ragno la sua forza è che i legami idrogeno sono disposti regolarmente nello spazio e ad una densità molto elevata», ha detto Knowles.

Il coautore, il dottor Marc Rodriguez Garcia, (3) ricercatore post-dottorato nel gruppo di Knowles e ora capo della ricerca e sviluppo presso Xampla, ha iniziato a studiare come replicare questo regolare autoassemblaggio in altre proteine. Le proteine hanno una propensione all'auto-organizzazione molecolare e all'autoassemblaggio, e le proteine vegetali in particolare sono abbondanti e possono essere reperite in modo sostenibile come sottoprodotti dell'industria alimentare.

«Si sa molto poco sull'autoassemblaggio delle proteine vegetali, ed è emozionante sapere che colmando questa lacuna di conoscenze possiamo trovare alternative alla plastica monouso», ha affermato la dottoressa Ayaka Kamada, (4) la prima autrice dell'articolo.

I ricercatori hanno replicato con successo le strutture trovate sulla seta di ragno utilizzando l'isolato di proteine della soia, una proteina con una composizione completamente diversa.

«Poiché tutte le proteine sono costituite da catene polipeptidiche, nelle giuste condizioni possiamo far sì che le proteine vegetali si autoassemblano proprio come la seta di ragno», ha affermato Tuomas Knowles. «In un ragno, la proteina della seta viene sciolta in una soluzione acquosa, che poi si assembla in una fibra immensamente forte attraverso un processo di filatura che richiede pochissima energia».

«Altri ricercatori hanno lavorato direttamente con materiali di seta come sostituto della plastica, ma sono ancora un prodotto animale», ha affermato Rodriguez Garcia. «In un certo senso siamo arrivati alla 'seta di ragno vegana': abbiamo creato lo stesso materiale senza il ragno».

Qualsiasi sostituzione della plastica richiede un altro polimero: i due in natura che esistono in abbondanza sono polisaccaridi e polipeptidi. La cellulosa e la nanocellulosa sono polisaccaridi e sono stati utilizzati per una vasta gamma di applicazioni, ma spesso richiedono una qualche forma di reticolazione per formare materiali resistenti. Le proteine si autoassemblano e possono formare materiali resistenti come la seta senza alcuna modifica chimica, ma sono molto più difficili da lavorare.

I ricercatori hanno utilizzato l'isolato proteico di soia (SPI) come proteina vegetale di prova, poiché è facilmente disponibile come sottoprodotto della produzione di olio di soia. Le proteine vegetali come SPI sono scarsamente solubili in acqua, rendendo difficile il controllo del loro autoassemblaggio in strutture ordinate.

La nuova tecnica utilizza una miscela ecologica di acido acetico e acqua, combinata con ultrasuoni e alte temperature, per migliorare la solubilità dell'SPI. Questo metodo produce strutture proteiche con interazioni intermolecolari potenziate guidate dalla formazione del legame idrogeno. In una seconda fase viene rimosso il solvente, che si traduce in una pellicola insolubile in acqua.

Il materiale ha prestazioni equivalenti a tecnopolimeri ad alte prestazioni come il polietilene a bassa densità. La sua forza risiede nella disposizione regolare delle catene polipeptidiche, il che significa che non è necessaria la reticolazione chimica, che viene spesso utilizzata per migliorare le prestazioni e la resistenza dei film di biopolimero. Gli agenti reticolanti più comunemente usati sono non sostenibili e possono anche essere tossici, mentre non sono richiesti elementi tossici per la tecnica sviluppata da Cambridge.

«Questo è il culmine di qualcosa su cui stiamo lavorando da oltre dieci anni, ovvero capire come la natura genera materiali dalle proteine», ha affermato Tuomas Knowles. «Non abbiamo deciso di risolvere una sfida di sostenibilità: eravamo motivati dalla curiosità su come creare materiali forti da interazioni deboli».

«La svolta chiave qui è essere in grado di controllare l'autoassemblaggio, quindi ora possiamo creare materiali ad alte prestazioni», ha affermato Marc Rodriguez Garcia. «È emozionante far parte di questo viaggio. C'è un enorme, enorme problema di inquinamento da plastica nel mondo e siamo nella posizione fortunata di poter fare qualcosa al riguardo».

Riferimenti:

(1) Controlled self-assembly of plant proteins into high-performance multifunctional nanostructured films

(2) Tuomas Knowles

(3) Marc Rodriguez Garcia

(4) Ayaka Kamada

Descrizione foto: Un esempio di sostituzione della plastica monouso nei prodotti di consumo, prodotta imitando le proprietà della seta di ragno, uno dei materiali più resistenti in natura. - Credit: Xampla.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: ‘Vegan spider silk’ provides sustainable alternative to single-use plastics