Hiện nay, vật liệu bao bì sinh học chủ yếu từ polymer sinh học chẳng hạn như : tinh bột, cellulose, protein, pullulan, gelatin… và các monomer tù chất hữu cơ lên men.
Vật liệu từ tinh bột : Đây là nguồn nguyên liệu phong phú, có sẵn và rẻ tiền. Tinh bột có 2 thành phần là amilose và amilopectin.
Trong tự nhiên tinh bột có nhiều ở ngũ cốc, một số loại củ và một số loại đậu.
Hạt tinh bột có thể được kết hợp với plastic truyền thống, đặc biệt kết hợp với polyolefins. Khi đó plastic sẽ được phân hủy bởi vi sinh vật, vi sinh vật sẽ sử dụng tinh bột, làm tăng độ xốp tạo khoảng trống làm mất tính nguyên vẹn của mạng plastic.
Có 3 loại polymer phối trộn: poly(hydroxylalkanoates) (PHA), polylactic acid (PLA), thermoplastic tinh bột (TPS). Ba loại này đang được quan tâm trong những năm gần đây. PLA được sản xuất từ sự lên men tinh bột (chủ yếu là tinh bột bắp). Loại polymer này tiêu tốn ít năng lượng hơn plastic. Mặc dù những polymer này rất thân thiện với môi trường, nhưng vẫn chưa sử dụng rộng rãi do chi phí sản xuất cịn cao. Polyme TPS là polymer 100% từ tinh bột đã có chỗ đứng trên thị trường. Nó có ưu điểm là: chi phí năng lượng, giá cả thấp hơn so với plastic truyền thống.
Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng vẫn cịn nhiều rào cản khiến chúng chưa được sử dụng rộng rãi: sự hoài nghi của người tiêu dùng, chi phí nguyên liệu, chi phí kỹ thuật.
Để vượt qua những rào cản đó chúng ta phải có những chính sách như sau:
1. Đưa ra những nghiên cứu mở rộng về việc đóng gói bao bì có bổ sung khí quyển. 2. Tiếp tục nhắm vào các mặt hàng ở các cửa hàng tạp hóa, các sản phẩm trái cây, rau,
sản phẩm snack cho trẻ em và thực phẩm cho vật ni trong nhà.
3. Tìm kiếm sự đồng tình ủng hộ của các tổ chức có quan tâm đến vấn đề mơi trường như: các trường đại học, cao đẳng, đồng thời tìm kiếm các tổ chức nào cũng quan tâm đến vấn đề này để có thể giúp đỡ lẫn nhau.
4. Nhấn mạnh vào sự tiện ích bởi vì cịn rất nhiều người khơng quan tâm đến mơi trường và sự tiện ích của nó.
1. Vật liệu Polylactic acid -PLA
Những vật liệu đóng gói bằng plastic vững chắc, sạch được sử dụng phải thỏa mãn các điều kiện: khơng đắt tiền, nhẹ, sạch, khơng thấm khí, khơng thấm nước và dầu. 5.
Người ta sản xuất PLA dựa vào nguồn nguyên liệu từ tinh bột bắp. Bắp được xay và cán. Sau đó sẽ được đường hóa thành các dextrin. Các dextrin này sẽ được chuyển thành acid lactic qua q trình lên men. Và rồi sẽ được cơ đặc, lúc này 2 phân tử lactic sẽ kết hợp lại thành cấu trúc vòng gọi là lactid. Hợp chất lactid này sẽ được làm sạch qua q trình chưng cất. Sau dó chúng sẽ được trùng hợp tạo chuỗi polymer mạch dài. Để có nhiều loại thì ta có thể thay đổi phân tử lượng và độ trong. Bằng cách thêm vào nhiều chất bổ sung ta sẽ có vật liệu PLA.
Sau đó, vật liệu này được bán cho các cơng ty và nó sẽ được gia cơng thêm để cho ra sản phẩm cuối cùng. Sau một thời gian sử dụng thì PLA sẽ bị hủy đi hoặc được tái chế lại.
Mặc dù có nhiều ích lợi đối với mơi trường những vẫn có nhiều khía cạnh kỹ thuật cần giải quyết. Ví dụ: tinh bột rất dễ tương tác với nước nên nhiều thuộc tính của PLA thì phụ thuộc rất nhiều vào độ ẩm. Điều này có nghĩa là PLA sẽ khơng được sử dụng trong thị trường chai, lọ. Mặc khác PLA chịu được nhiệt độ tối đa là khoảng 1140 F. Nếu vượt qua nhiệt độ này thì PLA sẽ tan chảy ra.
2. Vật liệu PHA
Poly(hydroxylalkanoates) hay PHA là một vật liệu polymer khác có nhiều hứa hẹn. Polymer này đang được nghiên cứu để thay thế cho bao bì plastic. Các nhà sinh học đã biết đến sự tồn tại của PHA từ năm 1925 trong tế bào vi khuẩn. Nhiều loại PHA đã được tổng hợp từ các nguồn cacbon, vi sinh vật hữu cơ khác nhau và có qua q trình gia cơng.
- Phương pháp lên men gồm : trồng các cây trồng như bắp, rồi thu họach, tách chiết glucose từ cây trồng sau đó lên men đường trong những tế bào chứa PHA, rửa và xoáy đảo tế bào để giải phóng PHA sau cùng là cơ đặc và phơi khơ trong khn. - Q trình tổng hợp dựa vào sự phát triển PHA trong tế bào cây trồng là một kỹ thuật mà đang được theo đuổi. Quá trình này thì giống với q trình đã mơ tả ở trên nhưng bỏ qua giai đoạn lên men. Người ta sử dụng một lượng lớn dung môi để trích ly nhựa từ cây trồng. Sau đó phải tìm cách loại dung mơi đi. Do đó rất tốn kém năng lượng.
Một ưu điểm của PHA so với PLA là khả năng tự phân hủy của nó rất là cao và dễ tổng hợp. Khi được đặt vào môi trường sinh vật tự nhiên thì nó sẽ tự phân hủy thành CO2 và nước. Điều này giúp nó có nhiều ứng dụng trong cuộc sống.
3. Vật liệu TPS
Vật liệu bằng tinh bột có chứa chất dẻo chịu nhiệt (Thermoplastic Starches)
Thermoplastic Starches đã có nhiều bước phát triển trong ngành công nghiệp polymer sinh học. Những polymer này được tạo ra từ tinh bột bắp, lúa mì, khoai tây. Thermoplastic Starches (TPS) khác PLA và PHA là chúng không qua giai đọan lên men. Để có những thuộc tính giống như plastic, TPS được trộn với các vật liệu tổng hợp khác.
Tinh bột liên kết với các polyme tổng hợp khác, với hàm lượng tinh bột có thể lớn hơn 50% sẽ tạo nên các lọai plastic mà đáp ứng dụng nhu cầu thị trường.
EAA (copolyme là ethylen-acrylic acid): được nghiên cứu từ năm 1977. Nhược điểm của loại plastic này là nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường, dể bị rách trượt và không được phân hủy 1 cách hoàn toàn bởi vi sinh vật.
Starch/vinyl alcohol copolymers : tùy vào điều kiện gia công, loại tinh bột và thành phần của copolmers sẽ tạo nên nhiều loại plastic với hình dạng và hoạt tính khác nhau. Plastic chứa tinh bột có tỷ lệ AM/AP lớn hơn 20/80, sẽ khơng hịa tan ngay cả trong nước sơi. Cịn plastic chứa tinh bột có tỷ lệ AM/AP nhỏ hơn 20/80 thì sẽ được hòa tan từng phần. Tỷ lệ tinh bột được phân rã bởi vi sinh vật trong những vật liệu này tỷ lệ nghịch với hàm lượng của AM/phức vinyl alcohol. Điểm hạn chế của những vật liệu này là giòn và nhạy cảm với độ ẩm.
Cơ chế của sự phân hủy :
Thành phần tự nhiên : dù được che chắn bởi cấu trúc mạng nhưng vẫn bị phân hủy bởi enzyme ngoại bào của vi sinh vật.
Thành phần tổng hợp được phân hủy do sự hấp phụ bề mặt của vi sinh vật, tạo bề mặt trống cho sự thủy phân các thành phần tự nhiên.
Aliphatic polyesters : tinh bột cũng có thể được cấu trúc lại với sự hiện diện của các polymer kỵ nước như các polyester béo. Polyester béo có điểm tan chảy thấp khó tạo thành vật liệu nhiệt dẻo và thổi tạo hình. Khi trộn tinh bột với polyester béo sẽ cải thiện được nhược điểm này. Một số polyester béo thích hợp là poly-- caprolactone và các copolymer của nó, hoặc các polymer tao thành từ phản ứng của các glycol như 1,4 – butandiol với một số acid: succinic, sebacic, adipic, azelaic, decanoic, brassillic. Sự kết hợp này sẽ tăng thuộc tính cơ, giảm sự nhạy cảm với nước và tăng khả năng phân hủy.
4. Vật liệu từ Cellulose
Cellulose là nguồn ngun liệu phong phú, khơng hịa tan trong nước và hầu hết dung mơi hữu cơ.
Cellophane (giấy bóng kính) là một trong những dạng phổ biến của bao bì từ Cellulose, được sử dụng cho nhiều loại thực phẩm bởi tính chống thấm dầu, khả năng ngăn cản sự tấn cơng của vi khuẩn và tính trong suốt của nó. Cellophane thường được phủ một lớp ngồi với nitro cellulose hay là acrylate để tăng khả năng chống thấm, mặc dù lớp phủ này thì khơng được phân hủy bởi lớp vi sinh vật. Chúng ta có thể bao gói bánh mì bằng cellophan-một loại vậ t liệu phân hủy sinh học dùng bao gói thực phẩm, loại vật liệu này có giá cả cạnh tranh với plastic thông thường, một ưu điểm khác nữa có thể phân hủy nhanh sau khi sử dụng, thậm chí có thể ăn được
Ngồi ra Cellulose acetate được kết hợp với tinh bột để tạo nên plastic dễ phân hủy bởi vi sinh vật . Cellulose cũng kết hợp với Chitosan tạo màng có khả năng thấm khí và thấm nước cao.
Vật liệu bao bì từ cellulose: sử dụng để bảo quản một số loại rau quả dễ bị hư hỏng như: dâu tây, đào, chuối, nấm,…
5. Vật liệu từ Chitin và Chitosan
Chitin được tổng hợp chủ yếu bởi côn trùng, tôm cua và nấm sợi, là một loại composit bền vững tạo bộ khung ngoài bảo vệ cho chúng. Chitin khi khử nhóm acetyl sẽ tạo thành Chitosan. Chitin và Chitosan là hai loại polymer có đặc tính cơ phù hợp để tạo dạng màng và dạng sợi.
Chitin
Tên hóa học: Poly-N-Acetyl-D-Glucosamine or :[(1-4)]-2-Acetamido-2-deoxy-ß-D- glucan
CT phân tử: (C8H13NO5)· n
Sản phẩm này là một polysaccharide cao phân tử chiết tách từ tôm và cua biển.
Chitosan
Tên hóa học: Poly-(1-4)-2-Amino-2-deoxy-ß-D-Glucan CT phân tử: (C6H11O4N)· n
6. Mater – Bi
Mater –Bi là một chất dẻo sinh học được tạo thành từ tinh bột và một chất dẻo tử dầu mỏ (polycarrolactan). Mater – Bi thường được dùng làm ly muỗng dùng một lần.
Một số tính chất của Mater-Bi;
- Có khả năng tự phân hủy và có thể sử dụng làm phân bón. - Có khả năng sử dụng tiện lợi như các loại bao bì plastic khác. - Có thể tạo màu bằng các chất màu tự nhiên.
- Có khả năng tạo bao bì ghép lớp cùng với các loại vật liệu khác như giấy, giấy bìa, giấy gợn sóng…
- Có thể tiệt trùng được bằng tia gamma. - Có thể được dán bằng nhiều loại kết dính.