CC BY
9
УДК 547.458.61
Шульц Л.В., Красноштанова А.А.
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КРАХМАЛ-АЛЬГИНАТНЫХ ПЛЁНОК
Шульц Леонид Викторович - магистрант 1-го года обучения кафедры биотехнологии; Красноштанова Алла Альбертовна - доктор химических наук, профессор кафедры биотехнологии; aak28@yandex.ru
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены механические характеристики плёнок, составленных из альгината натрия, глицерина и углеводной фракции кукурузной муки, являющейся остатком после экстракции белкаиз муки и состоящей на 99% из крахмала, в зависимости от их количественного состава. Рассмотрены характеристики: относительное удлинение, напряжение упругости, модуль упругости.
Ключевые слова: биоразлагаемые плёнки, съедобные плёнки, крахмал, альгинат, прочностные характеристики
STUDY OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF STARCH-ALGINATE FILMS
Schulz L.V. 1, Krasnoshtanova A.A.1
1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article discusses the mechanical characteristics offilms composed of sodium alginate, glycerol, and carbohydrate fraction of corn flour, which is a residue after protein extraction from flour and consists of starch on 99%, depending on their quantitative composition. Relative extension, elastic stress, and elastic modulus are discussed. Key words: biodegradable films,edible films, starch, alginate, strength characteristics
Введение
В настоящее время имеется интерес к биоразлагаемым полимерным материалам. Одно из направлений изучения данных материалов предполагает использование композитов
биологических полимеров в качестве съедобных плёнок. Такие материалы возможно использовать в качестве упаковочных для продуктов питания и лекарственных средств, так как их состав обеспечивает им безопасную перевариваемость.
Наиболее часто используемыми полисахаридами для съедобных плёнок являются крахмал, декстрин, пектин, хитозан, альгинат, каррагинан и производные целлюлозы. Также для получения съедобных плёнок могут использоваться белки: пшеничный глютен, коллаген, зеин, казеин и др. В качестве пластификаторов для полисахаридных плёнок используются низкомолекулярные соединения с высокой температурой кипения, такие как глицерин, сорбит, маннит, сахароза и др. Пластификаторы повышают гибкость плёнок и их механическую прочность, а также барьерные свойства [1].
Съедобные плёнки предназначены для использования в качестве вторичной упаковки. Они могут служить барьером для влаги, кислорода, запахов, что продлевает срок хранения продуктов [1, 2]. Также у полисахаридных плёнок имеется потенциал для модификации с целью повышения антимикробных свойств: в исследовании было показано, что крахмал-альгинатные плёнки, имеющие в своём составе крахмал, катионный крахмал, альгинат натрия и глицерин, обладают ингибирующим действием на рост Staphylococcus aureus и Escherichia coli даже при отсутствии в их
составе специальных антимикробных агентов, что объясняется их полиэлектролитной природой [3].
Крахмал является наиболее часто используемым полисахаридом для создания плёнок в связи с его широкой доступностью и дешевизной. Крахмал состоит из двух полисахаридов: амилозы и амилопектина. Амилоза является линейной и обеспечивает формирование связных и относительно прочных плёнок. Благодаря своей линейной структуре она обеспечивает прочные связи в макромолекулярной сети плёнки. Разветвлённый амилопектин, в свою очередь, способствует образованию хрупких и непрочных плёнок [4].
Альгинат является солью альгиновой кислоты и продуцируется бурыми водорослями. Он состоит из остатков Р-Б-маннуроновой кислоты и а-Ь-гулуроновой кислоты, соединённых 1-4 связями. Альгинат представляет интерес для получения съедобных плёнок, так как он нетоксичен, растворим в воде и рассматривается как пластификатор крахмальных плёнок [4, 5].
Целью данной работы является определение зависимости механических характеристик крахмал-альгинатных плёнок, полученных с использованием углеводной фракции кукурузной муки, от содержания в них крахмала, альгината и глицерина.
Экспериментальная часть
Ранее [6] было показано, что из кукурузной муки может быть достаточно полно (свыше 95%) выделен белок при помощи экстракции 0,1 М раствором КаОН при комнатной температуре в течение 30 мин. После данной экстракции остаётся осадок
углеводной фракции муки, который является объектом данного исследования.
На первом этапе получили углеводную фракцию из кукурузной муки производства ООО «Гарнец», как указано выше, и исследовали её химический состав. Для определения содержания крахмала приготовили клейстер, содержащий 1 г/л углеводной фракции, и определили содержание крахмала колориметрически после окрашивания десятикратно разведённого клейстера водным раствором йода при длине волны 560 нм. Было установлено, что содержание крахмала в исследуемой углеводной фракции составляет 99% на СВ.
Для определения соотношения амилозы и амилопектина в углеводной фракции построили калибровку по клейстерам, состоящим из амилозы и амилопектина в различных долях с общей концентрацией углеводов 0,1 г/л, окрашенным водным раствором йода, при длине волны 650 нм. Приготовили клейстер, содержащий 0,1 г/л углеводной фракции, окрасили водным раствором йода и измерили оптическую плотность при 650 нм, после чего по калибровке нашли долю амилозы, которая составила 88%.
Таким образом, углеводная фракция исследуемой кукурузной муки богата амилозой, что является благоприятным фактором для создания плёнок.
Согласно литературным данным [3, 5, 7], одним из наиболее доступных пластификаторов для крахмал-альгинатных плёнок является глицерин, поэтому он был выбран в качестве пластификатора для исследуемых плёнок.
Плёнки готовили следующим образом. В дистиллированной воде растворяли навеску альгината натрия при комнатной температуре. После полного растворения альгината к раствору добавляли заданный объём глицерина и навеску углеводной фракции. Общий объём смеси составлял 10 мл, общая масса углеводной фракции и альгината 0,5 г. Смеси обрабатывали на диспергаторе Ika Ultra-Turrax T 25 digital, затем выдерживали на кипящей
водяной бане в течение 20 мин, разливали тонким слоем на чашки Петри и высушивали на воздухе.
Механические свойства пленок измеряли с помощью разрывной машины Zwick/RoellZ 0.5 при комнатной температуре и 35% относительной влажности. Тестирование проводили при следующих настройках прибора: расстояние между захватами -20 мм; преднагрузка на образец - 1 Н; скорость преднагрузки - 10 мм/мин; скорость испытания - 40 мм/мин.
Исследовали влияние соотношения углеводной фракции и альгината в составе плёнки на её прочностные характеристики. Приготовили 6 проб, состав которых представлен в табл. 1.
Исследовали характеристики: относительное удлинение, напряжение упругости, модуль упругости. Полученные результаты механических испытаний приведены в табл. 2.
Как можно видеть из табл. 2, при увеличении содержания альгината в крахмал-альгинатной плёнке падает относительное удлинение разрыва плёнки, при этом возрастает её модуль упругости, то есть с увеличением доли альгината плёнка меньше растягивается и сильнее сопротивляется растяжению, что характеризует её как более прочную к растяжению. Дальнейшее увеличение содержания альгината в смеси нецелесообразно, так как при более высоком содержании альгината раствор становится слишком вязким, что затрудняет приготовление смеси. Таким образом, оптимальным с точки зрения механической прочности является соотношение углеводной фракции и альгината 4:1.
На следующем этапе определили влияние содержания глицерина в плёнках при данном соотношении углеводной фракции и альгината на механические характеристики плёнок. Плёнки готовили, как указано выше, при навесках углеводной фракции и альгината 0,4 г и 0,1 г соответственно. Объём добавляемого глицерина варьировали от 0 до 2,0 мл. Результаты приведены в табл. 3.
Таблица 1. Состав крахмал-альгинатных плёнок
Образец Навеска углеводной фракции, г Навеска альгината натрия, г Объём глицерина, мл
1 0,50 - 1,0
2 0,48 0,02 1,0
3 0,46 0,04 1,0
4 0,44 0,06 1,0
5 0,42 0,08 1,0
6 0,40 0,10 1,0
Таблица 2. Механические характеристики крахмал-альгинатных плёнок
Образец Толщина, мм Относительное удлинение, % Напряжение упругости, МПа Модуль упругости, МПа
1 0,18±0,01 65±3 0,51±0,03 0,78±0,04
2 0,18±0,01 54±3 0,72±0,04 0,96±0,05
3 0,19±0,01 47±2 0,94±0,05 1,32±0,07
4 0,22±0,01 32±2 1,03±0,05 1,67±0,08
5 0,25±0,02 27±1 1,37±0,07 2,10±0,10
6 0,28±0,02 25±1 1,94±0,10 2,17±0,11
Таблица 3. Влияние содержания глицерина на механические характеристики плёнок
Образец Объём Доля Толщина, Относительное Напряжение Модуль
глицерина, мл глицерина, % мм удлинение, % упругости, МПа упругости, МПа
1 - - 0,10±0,006 - - -
2 0,2 34 0,12±0,01 4±0,2 0,14±0,02 0,16±0,03
3 0,4 50 0,15±0,01 6±0,3 0,27±0,02 0,54±0,04
4 0,6 60 0,18±0,01 8±0,4 0,36±0,03 0,96±0,05
5 0,8 67 0,21±0,02 15±1 0,68±0,04 1,35±0,06
6 1,0 72 0,23±0,02 27±1 0,95±0,07 1,68±0,07
7 1,2 75 0,25±0,01 55±3 1,51±0,1 1,98±0,04
8 1,4 78 0,25±0,01 64±5 2,72±0,2 2,67±0,05
9 1,6 80 0,26±0,01 65±5 2,94±0,2 3,13±0,07
10 1,8 82 0,25±0,01 67±6 3,03±0,3 2,86±0,08
11 2,0 83 0,27±0,02 65±5 2,87±0,3 3,10±0,10
Как видно из данных табл. 3, с увеличением содержания глицерина повышается относительное удлинение и модуль упругости плёнки. Относительное удлинение испытывает резкий скачок при увеличении объёма глицерина в диапазоне от 0,8 мл до 1,4 мл (массовая доля 78%), после чего практически перестаёт расти. Модуль упругости возрастает до объёма глицерина 1,6 мл (массовая доля 80%), после чего остаётся приблизительно постоянным. При отсутствии глицерина плёнка практически не растягивается, то есть практически отсутствует относительное удлинение, поэтому в данном случае нельзя говорить о модуле упругости.
Плёнки с низким содержанием глицерина (образцы 1 и 2) отличались высокой хрупкостью, при повышении содержания глицерина отмечалось повышение клейкости плёнок.
Таким образом, повышение содержания глицерина свыше 80% нецелесообразно, так как при этом не происходит существенного повышения прочностных качеств плёнок.
Заключение
Были исследованы зависимости механических характеристик крахмал-альгинатных плёнок, полученных при использовании в качестве крахмального компонента углеводной фракции кукурузной муки. Было установлено, что наилучшие прочностные свойства достигаются при соотношении углеводной фракции и альгината натрия 4:1. Установлено также, что увеличение доли глицерина как пластификатора в плёнках при данном соотношении углеводов целесообразно до 80%, после чего прочностные характеристики практически перестают повышаться. При этом относительное удлинение плёнок достигает 65±5%, модуль упругости 3,13±0,07 МПа. Дальнейшие исследования будут направлены на получение
пленок на основе композитов кукурузного крахмала с пектином и каррагинаном, а также изучение свойств пленок, таких как биоразлагаемость, растворимость, стабильность, набухаемость, устойчивость в среде ЖКТ и т.д.
Список литературы
1. Ustunol Z. Edible films and coatings for meat and poultry // Edible films and coatings for food applications. - Springer, New York, NY, 2009. - P. 245268.
2. Senturk Parreidt T., Müller K., Schmid M. Alginate-based edible films and coatings for food packaging applications // Foods. - 2018. - Vol. 7. - №. 10.
3. §en F. et al. Antimicrobial agent-free hybrid cationic starch/sodium alginate polyelectrolyte films for food packaging materials // Carbohydrate polymers. -2017. - Vol. 170. - P. 264-270.
4. Fazilah A. et al. Physical and mechanical properties of sago starch- alginate films incorporated with calcium chloride // International Food Research Journal. - 2011. - Vol. 18. - №. 3.
5. Lopez O. V. et al. Thermoplastic starch plasticized with alginate-glycerol mixtures: Melt-processing evaluation and film properties // Carbohydrate polymers. - 2015. - Vol. 126. - P. 83-90.
6. Шульц Л.В., Красноштанова А.А. Исследование влияния ферментативного гидролиза трипсином на функциональные свойства белка кукурузной муки // Scientific achievements of the third millennium. - 2021. - С. 6-10.
7. Потороко И. Ю. и др. Влияние эффектов ультразвука на свойства биодеградируемого полимера, на основе картофельного крахмала // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. -2019. - Т. 7. - №. 4. - С. 94-103.
