Plastföroreningar är en global utmaning som måste lösas. I synnerhet förpackningar står för 30-50% av den totala plastförbrukningen. Pappersförpackningar är visserligen miljövänliga, men de saknar viktiga funktioner som fuktbeständighet och styrka. Traditionella beläggningsmaterial förvärrar plastföroreningarna, vilket gör att det finns ett behov av hållbara alternativ.
Polyeten (PE) och etylenvinylalkohol (EVOH) används vanligtvis som beläggningsmaterial för att förbättra pappersförpackningars lågbarriäregenskaper, men dessa ämnen bryts inte ned och förvärrar mikroplastföroreningar när de kasseras i den naturliga miljön.
Som svar på detta problem har förpackningsmaterial tillverkade av biobaserade ämnen och biologiskt nedbrytbara plaster utvecklats, men i de flesta fall minskar den biologiska nedbrytbarheten snabbt i takt med att förpackningens prestanda förbättras.
Ett gemensamt forskningsteam under ledning av professor Jaewook Myung vid institutionen för bygg- och miljöteknik, professor Hanseul Yang vid institutionen för biovetenskap och professor Jongcheol Seo vid institutionen för förpackning och logistik vid Yonsei University tog sig an utmaningen att balansera förpackningsprestanda och hållbarhet. De lyckades utveckla ett hållbart, marint biologiskt nedbrytbart och högpresterande bestrykningsmaterial för papper.
Arbetet publicerades i tidskrifterna Green Chemistry och Food Chemistry.
(a) Normalt papper och borsyra-tvärbundet poly(vinylalkohol)-bestruket papper, (b) Biologisk nedbrytning av det bestrukna papperet med hjälp av marina bakterier, (c) Resultat av cytotoxicitetstest med mänskliga embryonala njurceller och musembryonala fibroblastceller. (d) Vitala organ efter en månads exponering av möss för det bestrukna papperet. Kredit: Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Teamet använde borsyra-tvärbunden poly(vinylalkohol) (PVA), en biologiskt nedbrytbar plast, för att belägga papperet och därigenom förbättra dess biologiska nedbrytbarhet, barriäregenskaper och styrka. Det bestrukna papperet uppvisade överlägsna prestanda jämfört med konventionella plaster, med utmärkta barriäregenskaper och fysisk styrka, även under fuktiga förhållanden.
Teamet genomförde också en djupgående undersökning av biologisk nedbrytning och biokompatibilitet för att systematiskt utvärdera hållbarheten hos det nyutvecklade bestrukna papperet. Den biologiska nedbrytningen utvärderades genom att simulera den marina miljön, som är känd för sina utmanande förhållanden för biologisk nedbrytbarhet.
Teamet använde sig av en bioreaktor baserad på andningssystemet för att mäta graden av kolmineralisering till koldioxid. Efter 111 dagars biologisk nedbrytning visade det sig att de bestrukna pappren uppnådde en biologisk nedbrytning på 59-82% beroende på bestrykningskomponent.
Fenomenet där marina bakterier bryter ned beläggningsmaterialet fångades med hjälp av ett svepelektronmikroskop. Dessutom bekräftades in vitro-biokompatibilitet genom mänskliga embryonala njurceller och musembryonala fibroblastceller, liksom hög in vivo-biokompatibilitet hos det bestrukna papperet verifierades genom musförsök.
Genom denna studie föreslog det gemensamma forskningsteamet en beläggningsstrategi som kan förbättra förpackningsprestandan samtidigt som hållbarheten upprätthålls för att ta itu med nackdelarna med pappersförpackningar. Det borsyra-tvärbundna PVA-belagda papperet eliminerar behovet av artificiella komposteringsförhållanden eller avloppsreningsverk.
Det nya bestrukna papperet är biologiskt nedbrytbart i naturliga miljöer och har låg toxicitet, vilket gör att det inte förvärrar miljöförstöringen när det oavsiktligt kasseras. Det utgör därmed ett hållbart substitut för plastförpackningsmaterial.
Scenario för papper som bestrukits med BA-tvärbunden PVA i marin miljö. De bestrukna papperen kan potentiellt brytas ned av marina mikroorganismer och havets vågor och tidvatten. Depolymeriseringen av PVA-beläggningen och papperet förmedlas sedan av extracellulära depolymeraser som oxidaser och cellulaser, varefter de små subenheterna (oligomerer och monomerer) assimileras av mikrobiella celler. Kolkomponenterna i de bestrukna pappren mineraliseras slutligen till CO2, vilket inte utgör någon fara för havet. Credit: Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Professor Jaewook Myung vid KAIST, som ledde hållbarhetsstudien av bestruket papper, säger: ”Utvecklingen av en marin biologiskt nedbrytbar högpresterande pappersbeläggning är resultatet av en kombination av innovativa tekniker från tre ledande forskargrupper inom varje område. Vi kommer att fortsätta att utveckla hållbara material med utmärkt prestanda.”
Professor Jongchul Seo vid Yonsei University, som ledde forskningen kring utvecklingen av en högpresterande pappersbeläggning, säger: ”Genom denna forskning har vi utvecklat en hållbar pappersförpackningsteknik som kan ersätta icke-nedbrytbara plastförpackningar, och vi förväntar oss att forskningsresultaten kommer att tillämpas inom industrin.”
Ytterligare information: Shinhyeong Choe et al, Boric acid-crosslinked poly(vinyl alcohol): biodegradable, biocompatible, robust, and high-barrier paper coating, Green Chemistry (2024). DOI: 10.1039/D4GC00618F
Kitae Park et al, Effect of epichlorohydrin treatment on the coating process and performance of high-barrier paper packaging, Food Chemistry (2024). DOI: 10.1016/j.foodchem.2024.138772
