利用绿色溶剂和天然颜料生产生物塑料
科学家们利用绿色溶剂和天然颜料生产生物塑料
巴西和葡萄牙的科学家开发了一种环境可持续的工艺，使用“绿色”溶剂从酵母中提取的颜料生产可生物降解的塑料。他们表明这种可生物降解的塑料将来可用于具有抗氧化和抗微生物特性的智能包装。与从石油、天然气和煤炭中提取的传统塑料的应用相似，这些塑料需要数百年才能分解，因此由甘蔗、玉米和马铃薯生产的可持续生物塑料开始商业化。
经过八年多的研究，科学家们证明，低共熔溶剂可以有效地从红法夫酵母的生物质中提取两种类胡萝卜素，虾青素和β-胡萝卜素。类胡萝卜素是由植物、藻类和光合细菌合成的750多种天然色素。它们解释了许多植物的黄色、橙色和红色。它们在食品、化妆品和制药行业等具有商业应用。
据研究人员称，共晶溶剂既可用于提取颜料，也可用于生产基于生物活性淀粉的可生物降解塑料薄膜，无需额外纯化。
“作为概念证明，我们证明了通过可持续工艺生产天然色素是可能的。我们使用了两条线。一个是生产基于酵母的颜料，并使用低共熔溶剂提取这些具有经济价值的天然化合物，低共熔溶剂是生物相容性和可生物降解成分的混合物。另一个是利用提取物生产生物材料，例如基于淀粉的生物塑料，”葡萄牙科英布拉大学科技学院化学工程系教授豪尔赫·费尔南多·布兰道·佩雷拉 (Jorge Fernando Brandão Pereira) 说，他是该领域的一员。该文章的通讯作者，以及Cassamo Ussemane Mussagy。
FAPESP 通过四个项目（20/08655-0、19/15493-9、18/06908-8 和 15/11759-3）支持这项研究。该研究是Mussagy在圣保罗大学 (USP) 与圣保罗州立大学 (UNESP) 合作的博士后工作的一部分，由Adalberto Pessoa Junior教授监督。
“我们着手寻找合成颜料的替代品和使用污染溶剂的提取工艺。我们采用可持续的方法来获取天然色素，并将其应用于使用绿色溶剂生产可生物降解的塑料，”Mussagy告诉Agência FAPESP。
几个世纪以来，颜料一直用于增强或恢复不同产品的外观并保证均匀性。随着消费者越来越多地寻求更健康或更有营养的产品，同时也尽量不损害自然环境，合成色素正在被天然化合物所取代，这些天然化合物对生态友好，在具有抗氧化和抗微生物特性的意义上也具有生物活性。
据研究人员称，旨在从微生物中生产或提取天然色素的科学研究将有助于扩大生物塑料的供应。据代表约 70 家成员公司利益的欧洲生物塑料协会称，这些产品也被称为生物聚合物，目前在全球每年生产的超过 3.67 亿公吨塑料中仅占不到 1%。
根据一些估计，随着减少塑料使用的压力增加，随着包装、电器和纺织行业对替代材料的需求增加，生物塑料的产量将从 2021年 2.42吨增加到2026年的759万吨由于污染和不可降解的废物，来源于石油。
新型生物聚合物的开发是由UNESP教授Rondinelli Herculano领导的研究小组的重点，他合作开发了淀粉基生物塑料。
2018年巴西丢弃了约1100万吨塑料，占当年垃圾总量的13.5%，使巴西成为世界第四大塑料垃圾生产国。该估计来自德国非政府组织Heinrich Böll基金会于2019年11月出版的巴西版《塑料地图集》。
根据联合国的数据，塑料污染对所有生态系统的威胁越来越大，尤其是海洋，占总垃圾的85%。
“即使产品是可生物降解的，工业生产过程总是具有侵略性，”佩雷拉说。 “例如，纸是可再生和可回收的，但在几乎所有情况下，它都是通过消耗大量能源、水和有毒化学物质的非可持续方法生产的。我们的研究证明了通过一个综合和可持续的平台获得生物塑料的可能性。”
研究过程：
科学家们通过在生物反应器中培养红法夫酵母来生产类胡萝卜素。然后他们用离子液体、胆碱基共晶溶剂和丁酸从酵母中提取色素。胆碱是一种类似维生素B的营养素，由人类机体产生，并在自然界中发现。
离子液体和共晶液体被认为是从天然基质中提取化合物的理想溶剂，这主要归功于它们的溶剂化能力，溶剂化是溶剂分子包围溶质离子或分子并与之相互作用的过程，或者离子化合物溶解在极性物质中而不形成新的极性物质。
为了最大限度地回收虾青素（酵母和微藻产生的最重要的天然抗氧化剂之一）和β-胡萝卜素，研究人员测试了五种生物质溶剂（固液）浓度，认为这是从微生物生物质中回收细胞内分子的细胞破裂程序中的一个关键参数。两种药物的浓度都增加到了0.2g mL−1.湿酵母细胞。
Valéria de Carvalho Santos Ebinuma说：“我们使用了生物溶剂，以便从酵母生物量中提取色素并加以应用。我们检测到效果最好的溶剂既能从微生物生物量中提取色素，又能作为包装的增塑剂。”，联合国环境规划署（UNESP）教授，绿色化学“热门文章”的合著者。
“如果我们想培养一流的研究，就需要持续的长期投资，所以FAPESP的支持很重要，”穆萨吉说。“多年来，我们一直在研究从微生物源中生产和提取色素的可持续工艺，我们的工作得到了一家科学杂志的认可，这是可持续发展领域最好的5%之一。”
对佩雷拉来说，研究中使用的多学科方法很重要。他说：“这是对穆萨吉不懈努力的回报，也表明了机构和研究人员之间协同作用的重要性。”。
穆萨吉说，下一步的重点将是结果的应用，以表明这种“绿色”塑料包装可以用于各种用途，尤其是食品行业。
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