به سوی یک اقتصاد زیستی دورانی: توسعه کامپوزیت تهیه شده از نشاسته ساقه آناناس به‌عنوان جایگزین ورق پلاستیکی یکبار مصرف
زباله‌های پلاستیکی یک چالش مهم برای محیط زیست، به‌ویژه محصولات پلاستیکی کوچکتر هستند که اغلب بازیافت یا جمع آوری آنها دشوار است. در این مطالعه، ما مواد کامپوزیتی کاملاً زیست تخریب پذیر تهیه شده از ضایعات مزرعه آناناس را توسعه دادیم که برای محصولات پلاستیکی کوچکی مناسب است که بازیافت آنها دشوار است، مانند گیره‌های نان. ما از نشاسته ساقه های آناناس استفاده کردیم که حاوی محتوای آمیلوز بالا به‌عنوان ماتریکس، و گلیسرول و کربنات کلسیم اضافه شده به عنوان نرم کننده و پرکننده است و به ترتیب برای بهبود قالب‌پذیری و سختی مواد مناسب هستند. ما مقدار گلیسرول (20-50 درصد وزنی) و کربنات کلسیم (0-30 درصد وزنی) آن را برای تولید نمونه‌های کامپوزیتی با طیف وسیعی از خواص مکانیکی نغییر دادیم. مدول‌های کششی در محدوده 45-1100 مگاپاسکال با استحکام کششی 2-17 مگاپاسکال و ازدیاد طول در شکست 10-50 درصدی بودند. مواد حاصل شده از مقاومت خوبی در برابر آب و جذب آب کمتر (حدود 30-60 درصد) نسبت به سایر انواع مواد نشاسته‌ای برخوردار هستند. آزمایشات دفن خاک نشان داد که مواد در طی 14 روز به‌طور کامل به ذرات کوچکتر با اندازه بیش از 1 میلی متر تجزیه می‌شوند. ما همچنین یک نمونه اولیه گیره نان برای بررسی توان نگهداری مواد در یک کیسه پر شده و محکم آماده کردیم. نتایج به‌دست‌آمده پتانسیل استفاده از نشاسته ساقه آناناس را به‌عنوان یک جایگزین پایدار برای مواد مصنوعی تهیه شده از نفت و زیستی در محصولات پلاستکی کوچک را نشان داد در حالی که یک اقتصاد زیستی دورانی را نیز ترویج می‌کنند.
در سال‌های اخیر، نگرانی‌ها از اثرات زیست محیطی پلاستیک‌های باقی مانده در محیط زیست که به موجودات زنده آسیب می‌رسانند، افزایش یافته است. برای رفع این مشکل از راه حل‌های مختلفی همچون استفاده از پلیمرهای زیست تخریب پذیر در ساخت ظروف یکبار مصرف و ممنوعیت مطلق استفاده از پلاستیک در برخی کشورها کمک گرفته شده است. پلیمرهای زیست تخریب پذیر در اشکال مختلفی موجود هستند از جمله پلی لاکتیک اسید کاملا زیستی (PLA)، پلی بوتیلن ساکسینات با پایه زیستی جزئی (PBS)، پلی بوتیلن آدیپات ترفتالات کاملا مصنوعی (PBAT) و پلیمرهای طبیعی مانند نشاسته، پلی هیدروکسی آلکانوات‌ها (PHA) و پلی هیدروکسی بوتیرات (PHB). با این حال، روش ساخت همه پلیمرهای زیست تخریب پذیر یکسان نیست و درک ویژگی‌ها و محدودیت‌های خاص هر نوع مهم است. به عنوان مثال، پلی لاکتیک اسید (PLA)، پلی بوتیلن آدیپات ترفتالات (PBAT) و پلی بوتیلن ساکسینات (PBS) کاربرد گسترده‌ای دارند اما به راحتی در محیط‌های طبیعی تجزیه نمی‌شوند. به شرایط خاصی مانند رطوبت و دما کنترل شده نیاز دارند که بطور کلی فقط در تاسیسات کمپوست صنعتی یافت می‌شوند. بنابراین، باید اطمینان حاصل کرد که این مواد زیست تخریب پذیر برای اطمینان از تخریب کامل آنها به‌درستی دفع و جمع آوری شده‌اند. ازسوی دیگر، مواد نشاسته‌ای، پلی هیدروکسی آلکانوات‌ها (PHA) و پلی هیدروکسی بوتیرات‌ها (PHB) در محیط‌های طبیعی کاملا زیست تخریب پذیر هستند و ممکن است انتخاب مناسب‌تری برای کاربردهای خاص باشند که جمع آوری و بازیافت آنها آسان یا مقرون به صرفه نیست، مانند اجسام کوچک و سبک وزن. این مواد می‌توانند به‌طور کامل بدون نیاز به امکانات صنعتی کمپوست سازی به‌سرعت تجزیه شوند و بنابراین ممکن است یک روش کاربردی‌تر و سازگار با محیط زیست برای انواع خاصی از زباله‌ها ارائه دهند.
با در نظر گرفتن سهولت در دسترسی، هزینه تولید و سایر اثرات زیست محیطی نشاسته ممکن است ماده مناسبی برای ساخت بیوپلاستیک‌ها باشد و در واقع، بررسی‌های زیادی از آن نیز در دسترس است. با این حال، نشاسته اصلاح نشده دارای خواص ضعیف، استحکام مکانیکی کم و مقاومت ضعیفی در برابر آب است. بنابراین، باید برای عملکرد بهتر اصلاح شده و یا با دیگر پلیمرها ترکیب شود. متاسفانه اکثر نشاسته‌ها توسط انسان مصرف می‌شوند. استفاده از این مواد مطمئنا زنجیره تامین غذایی را قطع کرده و دسترسی به مواد غذایی برای گروه‌های آسیب‌پذیر را محدود می‌کند. محققان انواع نشاسته‌های غیرمتعارف یا غیرغذایی را در مواد مختلف بررسی کرده‌اند. با این حال، دسترسی به این منابع نشاسته‌ای جایگزین نسبتا محدود است. درنتیجه، بسیاری از پژوهش‌های مواد نشاسته‌ای بر اصلاح نشاسته غذایی سنتی به‌منظور بهبود خواص آن تمرکز کردند. یکی از چالش‌های اصلی استفاده از نشاسته به‌عنوان ماده غذایی، مقاومت ضعیف آن در برابر آب و کم بودن مقاومت مکانیکی آن است. برای رفع این محدودیت‌ها، محققان برخی روش‌های اصلاح را توسعه داده‌اند. ابتدا، ازطریق یک روش واحد اصلاح انجام شد اما محصولات به دست آمده همچنان محدودیت‌هایی داشتند.
با گذشت زمان، محققان به پیشرفت‌های زیادی در تکنیک‌های اصلاح پیشرفته مانند اصلاحات دوگانه یا ترکیب نشاسته با پرکننده‌های مختلف دست یافتند. این نه تنها به پیچیدگی فرایند می‌افزاید، بلکه باعث تولید محصولاتی با مواد و انرژی بالا می‌شود که درنهایت، منجر به ردپای کربن بالاتر می‌شود. بنابراین، دست یافتن به نشاسته‌ای که نیاز به اصلاح ندارد یا کمتر، آن را پایدارتر می‌کند. اخیرا، ما شروع به بررسی نشاسته ساقه آناناس (PSS) به‌عنوان مواد امیدوارکننده در کاربردهای مختلف کردیم چون که PSS محتوای نسبتاً بالایی از آمیلوز دارد و به‌راحتی از ضایعات مزرعه آناناس که به وفور در تایلند دسترس است، تهیه می‌شود. همچنین بیان کردیم که فیلم PSS از ویژگی‌های خوبی ازجمله مقاومت بالا در برابر آب، جذب آب کم و استحکام مکانیکی خوب برخوردار است در حالی‌که زیست تخریب پذیر نیز است. درنتیجه، فیلم PSS برای استفاده در تولید محصولات یک بار مصرف پیشنهاد شده است. هدف از این مطالعه گسترش کاربردهای بالقوه PSS با توسعه یک کامپوزیت زیست تخریب پذیر در تولید محصولات یکبار مصرف است. انتظار می‌رود محتوای بالای آمیلوز در PSS مقاوم در برابر آب کامپوزیت را ارتقا دهد. مواد ماتریس مورد استفاده برای کامپوزیت PSS اصلاح نشده و خام بود. خواص مکانیکی مواد با افزودن گلیسرول و کربنات کلسیم به‌عنوان اصلاح کننده افزایش یافت. با بررسی طیف وسیعی از خواص مکانیکی قابل دستیابی ازطریق این تغییرات، ما می‌توانیم برنامه‌های کاربردی مناسب برای مواد کامپوزیتی را شناسایی کنیم. همچنین بتوانیم جایگزین‌های پایداری برای پلاستیک‌های معمولی و کاهش اثرات زیست محیطی محصولات یکبار مصرف توسعه دهیم. در اینجا گلیسرول را به دلیل استفاده گسترده از آن به‌عنوان نرم کننده اولیه، اثرات تایید شده آن در تحقیقات قبلی و در دسترس بودن آن به‌عنوان یک محصول جانبی از صنعت بیودیزل انتخاب کردیم.
کلام آخر
توسعه ورق‌های پلاستیکی زیست تخریب پذیر با طیف وسیعی از خواص مکانیکی از PSS با موفقیت انجام شد. محتوای بالای آمیلوز اجازه می‌دهد بلورینگی کافی را برای ایجاد یک نقطه شروع خوب فراهم می‌کند. استفاده از مواد شیمیایی ساده مانند گلیسرول به‌عنوان نرم کننده و کربنات کلسیم به‌عنوان تقویت کننده، فرصتی را برای تغییر خواص مکانیکی متناسب با کاربردهای مختلف فراهم می‌کند. این مواد در کاربردهایی که در آنها استحکام چندان مهم نیست و جمع آوری مجدد برای بازیافت دشوار است، قابلیت استفاده دارد. از آنجایی که این ماده بر پایه نشاسته است، به آسانی در مدت زمان کوتاهی تجزیه می‌شود. با این حال، نمی‌تواند از میکروپلاستیک‌ها و سایر آلاینده‌ها پیشی بگیرد. علاوه براین، زمان تجزیه کامپوزیت را می‌توان از طریق پرکننده یا سایر محتویات افزودنی کنترل کرد.
