Etude physico-chimique et biologique du bioplastique fabriqué à partir la patate douce (Ipomoea batatas Lam. 1793)

Abstract

Résumé : La prolifération des déchets plastiques d'origine pétrochimique, caractérisés par leur persistance environnementale et leur contribution à la pollution des écosystèmes, constitue un enjeu planétaire majeur. Dans ce contexte, cette recherche doctorale s'inscrit dans une démarche d'éco-innovation visant à développer un matériau alternatif et durable : un bioplastique biodégradable élaboré à partir d'amidon extrait de tubercules de patate douce (Ipomoea batatas Lam. 1793) issus de l'agriculture biologique dans la région d'El Oued, en Algérie. L'objectif principal était de maîtriser l'ensemble de la chaîne de valeur, de l'extraction de la matière première à la caractérisation approfondie du matériau fini, en passant par l'optimisation de sa formulation. La première phase expérimentale a consisté en l'extraction de l'amidon en évaluant l'influence du pH du milieu. Les résultats ont démontré que le milieu aqueux neutre permettait d'obtenir un rendement d'extraction significativement élevé, avec une moyenne de 7,67 g d'amidon pour 50 g de tubercule, contre 6,57 g en milieu basique et 5,83 g en milieu acide. L'amidon issu du milieu neutre, sélectionné pour la suite de l'étude, a ensuite servi de base à l'élaboration des films par gélatinisation en présence de glycérol comme plastifiant et d'acide chlorhydrique. Afin d'optimiser les propriétés du bioplastique, une Méthodologie de Surface de Réponse (RSM) selon un plan expérimental de type Box-Behnken a été employée. Cinq facteurs indépendants ont été systématiquement variés : la quantité d'amidon, le volume de plastifiant, le volume d'acide, le temps de chauffage et le temps de séchage. L'analyse statistique (ANOVA) des modèles mathématiques obtenus a révélé une adéquation significative, avec des coefficients de détermination (R²) élevés, dépassant souvent 0,90, confirmant la robustesse des modèles pour prédire les réponses telles que l'absorption d'eau, la solubilité et l'humidité. L'optimisation multi-objective par la fonction de désirabilité a permis d'identifier des conditions opératoires optimales spécifiques. La caractérisation des films optimisés a fait l'objet d'une investigation multidisciplinaire. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) a confirmé la structure chimique du bioplastique, mettant en évidence les pics caractéristiques des liaisons O-H (à 3272 cm⁻¹), C-H (2929 cm⁻¹) et C-O (1013 cm⁻¹) de la matrice d'amidon plastifiée. La caractérisation optique par spectrophotométrie UV-Vis a révélé une forte absorption des rayons UV en dessous de 300 nm, conférant au matériau un potentiel pour la protection contre les UV, tandis que sa transparence dans le visible a été démontrée. Le diagramme de Tauc a permis d'estimer une bande interdite optique (Eg) d'environ 1,91 eV, classant le bioplastique parmi les semi-conducteurs à gap étroit. L'évaluation de la biodégradation, réalisée par enfouissement dans trois types de sol (standard, stérilisé et enrichi en compost), a fourni des résultats particulièrement probants. Alors qu'aucune dégradation notable n'a été observée en sol stérilisé, confirmant le rôle essentiel des micro-organismes, la biodégradation en sol enrichi a été remarquablement rapide et efficace, atteignant un taux de 89% après seulement 8 jours. Cette cinétique accélérée a été corrélée à une baisse significative du pH du milieu (de 8,4 à 7,8), indicateur d'une activité métabolique microbienne intense générant des acides organiques comme sous-produits de la dépolymérisation de l'amidon. يُشكل انتشار نفايات البلاستيك البتروكيماوية، التي تتسم بثباتها البيئي ومساهمتها في تلوث النظام البيئي، تحديًا عالميًا كبيرًا. في هذا السياق، يُعدّ بحث الدكتوراه هذا جزءًا من نهج الابتكار البيئي الهادف إلى تطوير مادة بديلة ومستدامة: بلاستيك حيوي قابل للتحلل الحيوي مصنوع من النشا المستخرج من درنات البطاطا الحلوة (Ipomoea batatas (Lam. 1793 المزروعة عضويًا في منطقة الوادي بالجزائر. كان الهدف الرئيسي هو التحكم في سلسلة القيمة بأكملها، بدءًا من استخراج المواد الخام وحتى تحسين التركيبة والتوصيف المتعمق للمادة النهائية. تألفت المرحلة التجريبية الأولى من استخراج النشاء مع تقييم تأثير درجة الحموضة (pH) للبيئة. أظهرت النتائج أن الوسط المائي المحايد حقق إنتاجية استخراج عالية بشكل ملحوظ، بمتوسط ​​7.67 غرام من النشاء لكل 50 غرام من الدرنة، مقارنةً بـ 6.57 غرام في الوسط القاعدي و5.83 غرام في الوسط الحمضي. استُخدم النشا من الوسط المحايد، المُختار لما تبقى من الدراسة، كأساس لتطوير الأغشية عن طريق الجلتنة بوجود الجلسرين كمادة ملينة وحمض الهيدروكلوريك. لتحسين خصائص البلاستيك الحيوي، استُخدمت منهجية استجابة السطح (RSM) القائمة على تصميم تجريبي لـ Box-Behnken. تم تغيير خمسة عوامل مستقلة بشكل منهجي: كمية النشا، وحجم الملدن، وحجم الحمض، وزمن التسخين، وزمن التجفيف. كشف التحليل الإحصائي (ANOVA) للنماذج الرياضية الناتجة عن توافق كبير، مع معاملات تحديد عالية (R²)، غالبًا ما تتجاوز 0.90، مما يؤكد متانة النماذج في التنبؤ باستجابات مثل امتصاص الماء، والذوبان، والرطوبة. حدد التحسين متعدد الأهداف باستخدام دالة الرغبة ظروف تشغيل مثالية محددة. كان توصيف الأغشية المُحسّنة موضوع بحث متعدد التخصصات. أكد التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء بتقنية تحويل فورييه (FTIR) التركيب الكيميائي للبلاستيك الحيوي، مسلطًا الضوء على القمم المميزة لروابط O-H (عند 3272 سم¹)، وC-H (2929 سم¹)، وC-O (1013 سم¹) في مصفوفة النشا المُلدّن. كشف التوصيف البصري باستخدام مطيافية الأشعة فوق البنفسجية-المرئية عن امتصاص قوي للأشعة فوق البنفسجية تحت 300 نانومتر، مما يمنح المادة قدرة على الحماية من الأشعة فوق البنفسجية، مع إثبات شفافيتها في النطاق المرئي. أتاح مخطط تاك تقدير فجوة النطاق الضوئي (Eg) بحوالي 1.91 إلكترون فولت، مما يُصنف البلاستيك الحيوي ضمن أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الضيق. وقد قدّم تقييم التحلل البيولوجي، الذي أُجري بالدفن في ثلاثة أنواع من التربة (القياسية، والمعقمة، والمُخصبة بالسماد)، نتائج مُقنعة للغاية. في حين لم يُلاحظ أي تحلل ملحوظ في التربة المعقمة، مما يؤكد الدور الأساسي للكائنات الدقيقة، كان التحلل الحيوي في التربة المُخصبة سريعًا وفعالًا بشكل ملحوظ، حيث وصل معدله إلى 89% بعد 8 أيام فقط. وارتبطت هذه الحركية المتسارعة بانخفاض كبير في درجة حموضة الوسط (من 8.4 إلى 7.8)، وهو مؤشر على نشاط أيضي ميكروبي مكثف يُنتج أحماضًا عضوية كمنتجات ثانوية لتحلل النشا.