Valorization of Plant Residues Through the Extraction of Starch and Cellulose and their Application in Bioplastic Production

Abstract

This study aims to valorize certain plant residues by extracting functional compounds with suitable properties for the formation of sustainable bio-based films that can serve as alternatives to conventional plastic films. Cellulose was extracted from three types of plant residues: American agave residues, eucalyptus tree residues (including bark and branches), and the by-products of black seed (Nigella sativa) oil extraction. The extraction yields were 21.11%, 33.92% and 7.88% respectively. Additionally, starch was extracted from potato peels with a yield of 3.4%. As an additional step to enhance the functional characteristics of cellulose, a portion of the extracted cellulose from eucalyptus was chemically converted into cellulose acetate. Three types of plant extracts were prepared for use as natural additives to enhance the properties of the biofilms: ethanol extract of eucalyptus leaves, ethanol extract of Lantana camara leaves, and petroleum ether extract of eucalyptus leaves. Coldpressed Nigella sativa oil was also employed to improve the functional characteristics of the films and was characterized using gas chromatography–mass spectrometry (GC-MS). A total of 11 different biofilm formulations were prepared, including: starch-based films, starch–cellulose films, starch–cellulose–plant extract films, and starch–plant extract films. The biodegradability of the prepared films was evaluated under two different conditions: natural compost and soil. Additional assessments included water absorption test, solubility in alcohol, and chemical resistance test in acetone, sodium hydroxide solution, and sulfuric acid solution. The materials were characterized using Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM/EDX) to analyze their chemical composition, surface morphology, and elemental distribution. The results demonstrate the potential of these bio-based materials to serve as viable and sustainable alternatives to conventional plastics, highlighting the effectiveness of plant residues valorization in eco-friendly applications

تهدف هذه الدراسة إلى تثمين بعض المخلفات النباتية من خلال استخلاص مركبات فعالة ذات خصائص ملائمة لتشكيل أفلام حيوية مستدامة تستخدم كبديل للأفلام البلاستيكية التقليدية حيث تم استخلاص السليلوز من ثلاث أنواع من المخلفات النباتية: مخلفات نبات الصبار الأمريكي، ومخلفات شجرة الكاليتوس (بما في ذلك اللحاء والأغصان) والمخلفات الناتجة عن عملية عصر زيت حبة البركة، بلغ مردود الاستخلاص: %21.11، %33.92، %7.88 على التوالي. كما تم استخلاص النشاء من قشور البطاطا وبلغ مردود الاستخلاص % 3.4. وكخطوة إضافية لتعزيز الخصائص الوظيفية للسيليلوز، تم تحويل جزء من السيليلوز المستخلص من الكاليتوس كيميائيًا إلى أسيتات السيليلوز. بالإضافة إلى ذلك، تم تحضير ثلاث مستخلصات نباتية لاستخدامها لاحقا كمضافات طبيعية لتحسين خصائص الأفلام الحيوية وشملت: المستخلص الإيثانولي لأوراق الكاليتوس، والمستخلص الإيثانولي لأوراق نبتة اللانتانا كمارا (Lantana camara)، ومستخلص أوراق الكاليتوس باستخدام الإيثر البترولي. كما استُخدم زيت حبة البركة المستخلص على البارد لتحسين الخصائص الوظيفية للأفلام، وتم توصيفه باستخدام تقنية كروماتوغرافيا الغاز المقترنة بمطياف الكتلة (GC-MS). تم تحضير 11 تركيبة مختلفة من الأفلام الحيوية، تضمنت تراكيب تحتوي على النشاء فقط، النشاء والسليلوز، النشاء والسليلوز والمستخلصات النباتية، بالإضافة إلى تراكيب تحتوي على النشاء والمستخلصات فقط. وقد أُجري اختبار التحلل الحيوي لهذه الأفلام في بيئتين مختلفتين: السماد الطبيعي والتربة. كما تم تقييم خصائصها من خلال اختبار امتصاص الماء، اختبار الذوبانية في الكحول واختبار المقاومة الكيميائية تجاه الأسيتون، محلول هيدروكسيد الصوديوم، ومحلول حمض الكبريتيك. شُخصت المواد المحضرة باستخدام تقنيات مختلفة منها مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، المجهر الإلكتروني الماسح المقترن بتحليل الطاقة المشتتة للأشعة السينية (SEM/EDX)، وذلك بهدف دراسة التركيب الكيميائي، والبنية السطحية، وتوزيع العناصر. أظهرت النتائج أن هذه المواد الحيوية تُعد بدائل واعدة ومستدامة للبلاستيك التقليدي، مما يبرز أهمية تثمين المخلفات النباتية في تطوير مواد صديقة للبيئة