CC BY
61
Р. З. Агзамов, Д. В. Руссков, А. С. Сироткин,
Р. Р. Спиридонова, А. М. Кочнев
ОЦЕНКА ДЕГРАДАЦИИ КРАХМАЛСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ В ПРОЦЕССЕ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА
Ключевые слова: полиэтилен, крахмал, деградация, ферментный препарат, гидролиз,
спектры поглощения инфракрасных лучей.
Экспериментально показано, что в процессе водной экстракции и гидролиза исследованных композиционных полимерных пленок в дистиллированной воде из их состава высвобождается крахмал. Обработка полимерных композиций полиэтилена и крахмала амилолитическим ферментным препаратом способствует высвобождению из состава пленок крахмала, который интенсивно гидролизуется с образованием глюкозы. Выявлено, что в процессе ферментативной гидролитической обработки полимерных композиций происходит ухудшение их физико-механических характеристик.
Keywords: polyethylene, starch, degradation, a fermentai preparation, hydrolysis, spectra of
sorption of infra-red beams.
It is experimentally shown that in the process of water extraction and hydrolysis of the investigated composite polymeric films in the distilled water from their structure starch is liberated. Treatment of polymeric compositions of polyethylene and starch of a amilolytic fermental preparation promotes an intensification of liberation from structure of films of starch which is intensively hydrolyzed with glucose formation.
It is revealed that in process enzymic hydrolytic treatment of polymeric compositions there is a deterioration of their physical and mechanical characteristics.
Полимерные материалы прочно вошли в нашу жизнь и получают все большее распространение в различных областях. Ежегодно их производство увеличивается в среднем на 5%, составляя тысячи и тысячи тонн. В результате огромное количество пластиковых бутылок, полиэтиленовых пакетов и другого пластмассового мусора оказывается на свалках, причем доля его неуклонно возрастает [1]. Проблемой является не только увеличение количества мусора на свалках, но и то, что полимерные материалы отличаются достаточно высокой стабильностью, поэтому многие исследователи считают, что загрязнение окружающей среды полимерными отходами может явиться предпосылкой глобального экологического кризиса [2].
Одним из способов интенсификации процесса разложения полимерных материалов в местах их захоронения является проведение предварительной обработки полимеров. Например, деструкция природных компонентов полимерных материалов может происходить в результате обработки таких композиций гидролитическими ферментными препаратами.
Объектами исследования в представленной работе служили следующие полимеры:
- Исходный полиэтилен высокого давления (ПЭВД);
- БИОК 15 - ПЭВД + 2 % крахмала;
- БИОК 16 - ПЭВД + 2 % крахмала + 0,2 % биогенных добавок;
- БИОК 17 - ПЭВД + 2 % крахмала + 0,6 % биогенных добавок.
Указанные полимерные материалы представляли собой образцы тонких пленок, толщиной 0,4 мм размером полоски 15x1,5 см, используемых для упаковки, в т.ч. продуктов питания.
Рецептура настоящих образцов композиционных материалов позволяла изготовлять изделия из пленки (пакеты, мешки и т.п.), прочностные свойства которых принципиально не отличались от свойств исходного полиэтилена. Таким образом, для исследования доступности к биоразложению использовались образцы полимерных пленок, соответствующие эксплуатационным характеристикам, предъявляемым к тароупаковочным материалам бытового назначения.
В ходе работы проводили оценку вымывания крахмала из состава композиционных пленок. Наряду с этим, по накоплению глюкозы в жидкой среде определяли деструкцию крахмала в результате его ферментативного гидролиза. По спектрам поглощения инфракрасных лучей определяли наличие окисленных групп в составе пленок.
Ферментный препарат (ФП) глюкоамилазы Диазим Х4 получают путем глубинного культивирования штамма плесневого гриба Aspergillus sр. Этот ферментный препарат способен гидролизовать а - 1,4 и а - 1,6-гликозидные связи крахмала, декстринов, олигосахаридов, отщепляя при этом остатки молекулы глюкозы от нередуцирующих концов цепей с образованием глюкозы. ФП Диазим Х4 применяют для осахаривания частично расщепленных полимерных молекул крахмала.
Для проведения экспериментов использовали контейнеры, наполненные 100 см дистиллированной водой и 12 см3 ацетатным буферным раствором pH 4,7, в которые помещали по 5 г пленок различных образцов. В опытные контейнеры также дополнительно вносили 8 см3 ферментативного препарата. Контейнеры помещали в термостат при температуре 40°С на 5 суток.
В ходе эксперимента определяли крахмал в жидкостях контрольных образцов, с целью определения вымывания крахмала из пленок в жидкость. Для этого в пробирки отбирали по 1 см3 жидкости. Пробирки нагревали в кипящей водяной бане 10 мин. После чего добавляли по 1 см3 рабочего раствора йода в пробирку. Проводили колориметрирование при длине волны 670 нм [3]. Результаты эксперимента представлены на рис. 1.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что наблюдается высвобождение крахмала из состава пленок в жидкую фазу. Количество высвобожденного крахмала составило около 1 % от количества крахмала в составе пленок. При этом отмечено, что наличие других компонентов в составе композиционных пленок способствовало большему высвобождению крахмала в жидкую фазу (рис. 1).
Количество глюкозы определяли в жидкости опытных контейнеров, приходящееся на 1 г пленки ускоренным йодометрическим методом. Сущность определения глюкозы основана на определении количества окисной меди до и после восстановления щелочного раствора меди сахаром. Учет окисной меди проводили, пользуясь йодометрическим методом [4].
Отбирали 10 см3 надосадочной жидкости и переносили в коническую колбу, куда
33
предварительно наливали 10 см раствора Фелинга I и 10 см раствора Фелинга II. Полученную смесь нагревали до кипения на электроплитке и кипятили 3 мин, при этом выпадал осадок закиси меди красно-бурого цвета. После охлаждения до комнатной температуры в колбу с осадком вносили 20 см3 раствора серной кислоты и 2 г йодистого калия.
сЗ
ч
сз
2
й
л
и
о
и
н
о
и
р
к
ч
о
«
к
и
К
<и
ч
с
и
ИП Б-15 Б-16 Б-17
В 2 сут 0,00 0,11 0,22 0,18
□ 4 сут 0,00 0,22 0,17 0,22
В 5 сут 0,00 0,22 0,22 0,34
Образцы полимерных пленок
Рис. 1 - Количество крахмала, высвобожденного из пленки
Выделившийся свободный йод быстро оттитровывали раствором гипосульфита натрия до кофейной окраски, после чего вносили 1 см3 раствора растворимого крахмала и снова титровали до молочно-белой окраски. Параллельно опыту ставили контрольный опыт, в котором вместо насадочной жидкости использовали 10 см дистиллированной воды; остальные операции проводили в той же последовательности, что и для опытной пробы. На основании эксперимента получили следующие данные, представленные на рис. 2.
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0 ИП Б-15 Б-16 Б-17
Я 2 сут 0 0,198 0,693 1,386
□ 4 сут 0 0 0 1,188
В) 5 сут 0 0,594 0,99 1,089
Образцы полимерных пленок
Рис. 2 - Количество глюкозы в процессе гидролиза крахмала
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод о том, что амило-литические ферментные препараты обеспечивают интенсивный гидролиз крахмала на поверхности полимерных пленок и в водной фазе с накоплением конечного продукта гидролиза - глюкозы. Исходя из экспериментально определенных значений концентрации глюкозы, расчетное количество крахмала составило от 3 до 7 % от исходного содержания крахмала в составе полимерных материалов [5].
Наряду с определением крахмала и глюкозы, выделяемых из состава пленок в процессе деструкции, проводили оценку изменения физико-механических характеристик полимерных материалов. Полученные результаты представлены на рис. 3.
Т
&
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Ь о.
І" 2 ф ..
£
I
I
ГО
ш
0 ГО
1 *
ц ш
Исходный
полиэтилен
II
т.
І" 2 ш ..
£
н
н
ГО
ш
0 ГО
1 я
ц ш
д
Биок 15
Е I»
т.
І" 2 ш ..
£
I
н
н
го
ш
0 го
1 *
ц ш
д
Биок 16
Образцы полимерных пленок
т.
І" 2 ш ..
£
д
Биок 17
Рис. 3 - Уменьшение прочности при растяжении пленки
Уменьшение прочности композиций полиэтилена с крахмалом характерно в большей степени для обработанных ферментным препаратом полиэтиленовых пленок. Среди композиционных пленок образец Биок 15 отличается наибольшим уменьшением прочности в результате его ферментативной обработки. Наличие солей металлов переходной валентности в составе полиэтиленовых композиций Биок 16 и Биок 17 снижает эффективность потери прочности, вследствие образования мостиков между металлами и макромолекулами полимерных цепей.
Уменьшение относительного удлинения полимерной пленки свидетельствует о появлении хрупкости материала.
Ферментативная обработка полиэтилена в жидкой среде приводит к увеличению хрупкости полиэтиленовых пленок, однако, наличие солей металлов переходной валентности в составе композиций с полиэтиленом препятствует повышению хрупкости вследствие образования мостиков между металлами и макромолекулами полимерных цепей.
Для необработанных и обработанных ферментным препаратом пленок исследовали спектры поглощения инфракрасных (ИК) лучей. Для образцов Биок 15, подвергшихся наибольшему изменению прочностных характеристик в результате ферментативной обработки спектры поглощения инфракрасных (ИК) лучей представлены на рисунках 5 и 6.
Спектры получали с помощью инфракрасного Фурье-спектрометра Spektrum BX II фирмы «Perkin Elmer Inc» США.
250
200
150
100
50
0
Исходный
полиэтилен
Биок 15
Биок 16
Биок 17
Образцы полимерных пленок
Рис. 4- Изменение относительного удлинения при разрыве пленки в процессе ее ферментативного гидролиза
Рис. 5 - Спектры поглощения ИК лучей образцами Биок 15 до обработки ферментным препаратом
Рис. 6 - Спектры поглощения ИК лучей образцами Биок 15 после обработки ферментным препаратом
Из рисунков 5 и 6 видно, что в результате обработки полимерных образцов Биок 15 ферментным препаратом наблюдается увеличение высоты пиков, соответствующие длинам волн поглощения окисленных форм соединений.
В пересчете на оптическую плотность, которая имеет прямую зависимость от концентрации, обнаруживали данные формы соединения групп атомов[6].
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0 до опыт Исходный полиэтилен до опыт Биок 15 до опыт Биок 16 до опыт Биок 17
и ОН 0,03 0,01 0,05 0,1 0,03 0,09 0,05 0,05
иС=0 0 0 0,02 0,05 0,02 0,03 0 0
aCQOH 0 0 0,02 0,04 0 0,03 0 0
Образцы полимерных пленок
Рис. 7 - Окисленные группы молекул, характерные для полимерных образцов
Приведенная диаграмма свидетельствует об увеличении окисленных соединений в составе композитной пленки Биок 15 после ее обработки амилолитическим ферментным препаратом.
Таким образом, показано, что обработка амилолитическим ферментным препаратом композиций полиэтилена и крахмала в жидких средах приводит к деструкции полимерных материалов, выделению их компонентов в среду, и дальнейшему окислению композиций. В наибольшей степени эти процессы отмечены для образцов Биок 15. Гидролитическая обработка ферментными препаратами композиций полиэтилена и крахмала может являться процессом, инициирующим их последующую эффективную деструкцию в окружающей среде.
Литература
1. Хусайнова, Г.Р. Изучение возможности использования измельченных твердых промышленных отходов в качестве наполнителей литьевых полиуретанов / Г.Р. Хусаинова [и др.] // Вестник Казанского технологического университета. - 2007. - №2. - С. 64-68.
2. Легонькова, О.А. Почвенные микроорганизмы как биодеструкторы полимерных композиционных материалов / О.А. Легонькова, О.В. Селицкая // Второго съезд микологов России: тез.конф. - М., 2008. - С. 373.
3. ГОСТ 29177-91. Зерно. Методы определения состояния (степени деструкции) крахмала. - М.: Изд-во стандартов, 1992, 8 с.
4. ГОСТ 5672-68. Хлеб и хлебобулочные изделия. Методы определения массовой доли сахара. - М.: Изд-во стандартов ,1968, 11 с.
5. Грачева, И.М. Лабораторный практикум по технологии ферментных препаратов: Учебн. Пособ. для вузов / И.М.Грачева, Ю.П. Грачев, М.С. Мосичев и др. - М.: Легкая и пищевая промышленность/ 1982. - 240с.
6. Беллами, Л. Инфракрасные спектры сложных молекул / Л. Беллами. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. - 591 с.
© Р. З. Агзамов - асп. каф. промышленной биотехнологии КГТУ, [email protected]; Д. В. Русское - магистр той же каф.; А. С. Сироткин - д-р техн. наук, проф, зав. каф. промышленной биотехнологии КГТУ; Р. Р. Спиридонова - канд. хим. наук, доц. КГТУ; А. М. Кочнев - д-р пед. наук, проф., зав. каф. технологии синтетического каучука КГТУ.
