Loại protein giúp sữa chua sánh mịn và phô mai dai ngon giờ đây đã có một nhiệm vụ mới: thay thế màng bọc thực phẩm.
Các nhà nghiên cứu từ Colombia và Úc đã công bố một nghiên cứu trên tạp chí Polymers, mô tả chi tiết một loại màng phân hủy sinh học được làm chủ yếu từ canxi caseinat – cùng loại protein chiếm khoảng 80% sữa bò – trộn với tinh bột, một ít đất sét và chất kết dính tổng hợp để giữ các thành phần lại với nhau. Kết quả là một loại màng bao bì phân hủy hoàn toàn trong đất trong khoảng 13 tuần, so với các loại nhựa thông thường có thể mất hàng thế kỷ.
Casein—một loại protein trong sữa—tự nhiên tạo thành mạng lưới phân tử dày đặc khi hòa tan và làm khô, mang lại cho màng phim một cấu trúc cơ bản khá tốt. Nhưng bản thân casein nguyên chất sẽ co lại và trở nên giòn sau khi khô, giống như một miếng keo khô. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng glycerol, một chất làm dẻo thông dụng trong thực phẩm, hoạt động như một chất bôi trơn bên trong polyme, giúp nó giữ được độ dẻo.
Sau đó, họ trộn thêm tinh bột biến tính để tăng khối lượng và PVA - một loại polymer phân hủy sinh học - để cải thiện đáng kể độ bền và khả năng tương thích giữa các thành phần khác, và thế là xong .
Nhưng điểm mấu chốt của hỗn hợp này là bentonite: một loại khoáng chất đất sét núi lửa được nghiền nhỏ thành các hạt nano và lơ lửng trong hỗn hợp. Khi màng phim khô, những tấm đất sét nhỏ xíu đó sẽ tự sắp xếp thành các lớp phẳng, chồng lên nhau bên trong vật liệu—giống như một bức tường gồm những tấm thẻ xếp chồng lên nhau chạy xuyên qua màng phim.
Hơi nước khi cố gắng xuyên qua bao bì không thể đi thẳng nữa — nó phải đi vòng qua một mê cung gồm các rào cản đất sét này, theo một con đường dài hơn và quanh co hơn. Hiệu ứng "khuếch tán quanh co" đó là lý do tại sao khả năng thấm hơi nước của màng giảm gần ba bậc độ lớn so với các loại màng casein-tinh bột thông thường được báo cáo trong tài liệu. Đó là mức giảm gấp nghìn lần.
Màng phim cuối cùng có thể kéo giãn gấp đôi chiều dài ban đầu trước khi bị rách. Các loại màng phim casein-tinh bột tương tự không chứa PVA hoặc bentonite thì cứng hơn nhiều. Sự cải thiện về độ bền này đến từ các lớp silicat của bentonite hoạt động như chất gia cường bên trong, phân bố ứng suất đồng đều hơn trên toàn bộ vật liệu khi bị kéo hoặc uốn cong. Hãy hình dung nó giống như một vật liệu composite gia cường bằng sợi hơn là một túi nhựa thông thường—chỉ khác là được làm từ các thành phần thực phẩm thay vì sợi carbon.
Về mặt vi sinh vật học, số lượng khuẩn lạc trên màng phim vẫn dưới Threshold quy định của tiêu chuẩn ISO dành cho các ứng dụng bao bì không vô trùng. Điều này có nghĩa là các màng phim này không có đặc tính kháng khuẩn rõ rệt, nhưng chúng cũng không tạo ra môi trường giống như đĩa petri. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra đây là hướng nghiên cứu trong tương lai, lưu ý rằng việc kết hợp các hạt nano bạc hoặc các tác nhân hoạt tính khác có thể giúp màng phim đạt được khả năng kháng khuẩn thực sự.
Quá trình phân hủy sinh học được theo dõi bằng cách chôn các mẫu màng hình chữ nhật trong đất trong chín ngày và cân chúng hàng ngày. Sự phân hủy mạnh mẽ nhất xảy ra trong 72 giờ đầu tiên—casein và tinh bột bắt đầu hấp thụ độ ẩm nhanh chóng, trương nở và vỡ vụn. Sau đó, quá trình phân hủy tiếp tục với tốc độ ổn định hơn.
Dựa trên phép ngoại suy đường cong, quá trình phân hủy hoàn toàn diễn ra trong khoảng 13 tuần, lâu hơn so với các loại màng chỉ chứa casein đơn giản nhưng ngắn hơn đáng kể so với bất kỳ loại màng nào có nguồn gốc từ dầu mỏ. Thời gian này ngắn hơn nhiều so với hàng nghìn năm mà một chiếc túi nhựa có thể trải qua quá trình tương tự.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp đúc dung dịch để sản xuất màng, về cơ bản là đổ hỗn hợp lỏng vào khuôn và để khô trong lò ở nhiệt độ 38°C (khoảng 100°F). Phương pháp này đủ đơn giản để có thể sản xuất hàng loạt mà không cần thiết bị phức tạp, điều này rất quan trọng đối với việc áp dụng ở các nước đang phát triển, nơi cơ sở hạ tầng quản lý chất thải nhựa thường bị hạn chế.
Vẫn còn nhiều việc phải làm. Việc kiểm tra độ ổn định nhiệt chưa được thực hiện, hiệu quả kháng khuẩn cần được xác nhận kỹ lưỡng hơn, và độ trong suốt quang học giảm nhẹ khi thêm bentonite — mặc dù các nhà nghiên cứu cho biết sự thay đổi này không thể nhận thấy bằng mắt thường.
Đây không phải là những vấn đề nghiêm trọng. Chúng chỉ là những vấn đề kỹ thuật sẽ được giải quyết khi công thức chuyển từ phòng thí nghiệm sang sản xuất thử nghiệm. Bằng chứng cốt lõi về tính khả thi—rằng bạn có thể tạo ra một màng bao bì thực phẩm có chức năng, thực sự phân hủy sinh học từ protein sữa và đất sét núi lửa—đã nằm ngay trong dữ liệu.
