利用綠色溶劑和天然顏料生產生物塑料

作者：精顏化工日期： 2022-03-15 點擊量：文字大小：大中小

科學家們利用綠色溶劑和天然顏料生產生物塑料

巴西和葡萄牙的科學家開發(fā)了一種環(huán)境可持續(xù)的工藝，使用“綠色”溶劑從酵母中提取的顏料生產可生物降解的塑料。他們表明這種可生物降解的塑料將來可用于具有抗氧化和抗微生物特性的智能包裝。與從石油、天然氣和煤炭中提取的傳統(tǒng)塑料的應用相似，這些塑料需要數百年才能分解，因此由甘蔗、玉米和馬鈴薯生產的可持續(xù)生物塑料開始商業(yè)化。

經過八年多的研究，科學家們證明，低共熔溶劑可以有效地從紅法夫酵母的生物質中提取兩種類胡蘿卜素，蝦青素和β-胡蘿卜素。類胡蘿卜素是由植物、藻類和光合細菌合成的750多種天然色素。它們解釋了許多植物的黃色、橙色和紅色。它們在食品、化妝品和制藥行業(yè)等具有商業(yè)應用。

據研究人員稱，共晶溶劑既可用于提取顏料，也可用于生產基于生物活性淀粉的可生物降解塑料薄膜，無需額外純化。

“作為概念證明，我們證明了通過可持續(xù)工藝生產天然色素是可能的。我們使用了兩條線。一個是生產基于酵母的顏料，并使用低共熔溶劑提取這些具有經濟價值的天然化合物，低共熔溶劑是生物相容性和可生物降解成分的混合物。另一個是利用提取物生產生物材料，例如基于淀粉的生物塑料，”葡萄牙科英布拉大學科技學院化學工程系教授豪爾赫·費爾南多·布蘭道·佩雷拉 (Jorge Fernando Brandão Pereira) 說，他是該領域的一員。該文章的通訊作者，以及Cassamo Ussemane Mussagy。

FAPESP 通過四個項目（20/08655-0、19/15493-9、18/06908-8 和 15/11759-3）支持這項研究。該研究是Mussagy在圣保羅大學 (USP) 與圣保羅州立大學 (UNESP) 合作的博士后工作的一部分，由Adalberto Pessoa Junior教授監(jiān)督。

“我們著手尋找合成顏料的替代品和使用污染溶劑的提取工藝。我們采用可持續(xù)的方法來獲取天然色素，并將其應用于使用綠色溶劑生產可生物降解的塑料，”Mussagy告訴Agência FAPESP。

幾個世紀以來，顏料一直用于增強或恢復不同產品的外觀并保證均勻性。隨著消費者越來越多地尋求更健康或更有營養(yǎng)的產品，同時也盡量不損害自然環(huán)境，合成色素正在被天然化合物所取代，這些天然化合物對生態(tài)友好，在具有抗氧化和抗微生物特性的意義上也具有生物活性。

據研究人員稱，旨在從微生物中生產或提取天然色素的科學研究將有助于擴大生物塑料的供應。據代表約 70 家成員公司利益的歐洲生物塑料協會稱，這些產品也被稱為生物聚合物，目前在全球每年生產的超過 3.67 億公噸塑料中僅占不到 1%。

根據一些估計，隨著減少塑料使用的壓力增加，隨著包裝、電器和紡織行業(yè)對替代材料的需求增加，生物塑料的產量將從 2021年 2.42噸增加到2026年的759萬噸由于污染和不可降解的廢物，來源于石油。

新型生物聚合物的開發(fā)是由UNESP教授Rondinelli Herculano領導的研究小組的重點，他合作開發(fā)了淀粉基生物塑料。

2018年巴西丟棄了約1100萬噸塑料，占當年垃圾總量的13.5%，使巴西成為世界第四大塑料垃圾生產國。該估計來自德國非政府組織Heinrich Böll基金會于2019年11月出版的巴西版《塑料地圖集》。

根據聯合國的數據，塑料污染對所有生態(tài)系統(tǒng)的威脅越來越大，尤其是海洋，占總垃圾的85%。

“即使產品是可生物降解的，工業(yè)生產過程總是具有侵略性，”佩雷拉說。 “例如，紙是可再生和可回收的，但在幾乎所有情況下，它都是通過消耗大量能源、水和有毒化學物質的非可持續(xù)方法生產的。我們的研究證明了通過一個綜合和可持續(xù)的平臺獲得生物塑料的可能性。”

研究過程：

科學家們通過在生物反應器中培養(yǎng)紅法夫酵母來生產類胡蘿卜素。然后他們用離子液體、膽堿基共晶溶劑和丁酸從酵母中提取色素。膽堿是一種類似維生素B的營養(yǎng)素，由人類機體產生，并在自然界中發(fā)現。

離子液體和共晶液體被認為是從天然基質中提取化合物的理想溶劑，這主要歸功于它們的溶劑化能力，溶劑化是溶劑分子包圍溶質離子或分子并與之相互作用的過程，或者離子化合物溶解在極性物質中而不形成新的極性物質。

為了最大限度地回收蝦青素（酵母和微藻產生的最重要的天然抗氧化劑之一）和β-胡蘿卜素，研究人員測試了五種生物質溶劑（固液）濃度，認為這是從微生物生物質中回收細胞內分子的細胞破裂程序中的一個關鍵參數。兩種藥物的濃度都增加到了0.2g mL−1.濕酵母細胞。

Valéria de Carvalho Santos Ebinuma說：“我們使用了生物溶劑，以便從酵母生物量中提取色素并加以應用。我們檢測到效果最好的溶劑既能從微生物生物量中提取色素，又能作為包裝的增塑劑。”，聯合國環(huán)境規(guī)劃署（UNESP）教授，綠色化學“熱門文章”的合著者。

“如果我們想培養(yǎng)一流的研究，就需要持續(xù)的長期投資，所以FAPESP的支持很重要，”穆薩吉說。“多年來，我們一直在研究從微生物源中生產和提取色素的可持續(xù)工藝，我們的工作得到了一家科學雜志的認可，這是可持續(xù)發(fā)展領域最好的5%之一。”

對佩雷拉來說，研究中使用的多學科方法很重要。他說：“這是對穆薩吉不懈努力的回報，也表明了機構和研究人員之間協同作用的重要性。”。

穆薩吉說，下一步的重點將是結果的應用，以表明這種“綠色”塑料包裝可以用于各種用途，尤其是食品行業(yè)。

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