CC BY
101
IP
Т
ИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ УПАКОВОЧНОЙ ОТРАСЛИ
ТЕМА НОМЕРА
УДК 633.1:664
Влияние биополимеров
на физико-механические свойства пленок
А.Ш. Закирова, аспирант, А.В. Канарский, д-р техн. наук, профессор, Ю.Д. Сидоров, канд. техн. наук
Казанский национальный исследовательский технологический университет
Вопрос о негативном влиянии полимерных материалов на окружающую среду актуален во всех развитых странах мира. На сегодняшний день создаются композиции синтетических полимеров с добавлением природных полимеров с целью сокращения периода разложения полимеров после эксплуатации [13]. При биодеградации пленок, получаемых из композиций на основе крахмала и полиэтилена, разрушению подвергается крахмал, а синтетический полимер частично остается и для его разрушения требуется длительное время [4, 5]. Перспективно создание композиций на основе биополимеров, позволяющих получить упаковочные материалы, полностью разлагающиеся в окружаю-
—
6
Варианты биопленок
Рис. 2. Прочность при разрыве крахмально-белковых биопленок (состав биопленок и соотношение компонентов представлены в таблице)
Ключевые слова: биополимер; крахмал; амилопектин; декстрин; альги-нат; соевый белок; свойства; прочность.
Key words: biopolymer; starch; amylopectin; dextrin; alginate; soy protein; properties; strength.
щей среде в достаточно короткие сроки. В настоящее время доля биополимерных пленок в общем объеме упаковочных материалов не превышает 1 %. Актуальность данной работы обусловлена необходимостью расширения исследований в области создания и изучения свойств био-разлагаемых биополимерных материалов с целью их последующего внедрения и использования для упаковки пищевых продуктов.
Цель настоящей работы - изучение влияния биополимеров (амило-пектина, декстрина, экструдирован-ного пшеничного крахмала, альгина-та и соевого белка) на физико-механические свойства пленок.
В качестве основных компонентов использовали не модифицированный восковой кукурузный крахмал, содержащий преимущественно ами-лопектин и следы амилозы; декст-
рин, полученный из кукурузного крахмала; экструдированный пшеничный крахмал (тип А и В), полученный в лабораторных условиях (крахмал типа А получали при нагрузке на валу экструдера 308 кДж/кг, крахмал типа В - 647 кДж/кг, затем крахмал высушивали при 85 °С в течение 24 ч и измельчали на мельнице Schlagkreuzmuhle); альгинат натрия, полученный из бурых водорослей; соевый белок.
В биополимерных пленках варьировали соотношение компонентов. В качестве пластификатора использовали глицерин: для биопленок с соевым белком - 17 % и для биопленок с альгинатом натрия - 25 %. Гомогенизацию суспензии проводили на гомогенизаторе Ultra Turrax T-25 при 13 500 мин-1, продолжительность - 3 мин. После гомогенизации проводили дезаэрацию биополимерных растворов в течение 1 ч. Пленки формовали на пластинах из органического стекла размером 14х14 см.
Получение однородных потолщи-не биополимерных пленок - важная техническая задача при формовании. Наилучшая однородность по толщине достигается при получении пленок формованием из раствора с содержанием сухих веществ 5 %. Ввиду того, что режимы сушки оказывают влияние на физико-механические свойства получаемых пленок, варианты биопленок высушивали в нормированных условиях при температуре 70±2 °С в течение 5 ч в сушильном шкафу.
Перед испытаниями образцы биопленок кондиционировали при температуре 23±2 °С и влажности 50±5 % в течение 24 ч. Толщину пленок измеряли на электронном микрометре с точностью до 0,001 мм (Fowler, Cole-Parmer Instruments Co.) согласно международному стандарту ASTM D638. Удельную плотность
Состав и толщина биополимерных пленок*
Содержание биополимеров, %
Биополимер Вариант
1 2 3 4 5 6 7
Пшеничный крахмал тип А 50 - - - 80 - -
Пшеничный крахмал тип В - 50 - - - 50 -
Декстрин из кукурузного крахмала - - 40 - - - -
Модифицированный кукурузный крахмал (амилопектин) - - - 40 - - 40
Альгинат бурых водорослей 50 50 60 60 - - -
Соевый белок - - - - 20 50 60
Толщина, мкм 90 110 120 110 110 110 100
*В качестве пластификатора вводили глицерин для пленок с соевым 17 % и для пленок с альгинатом натрия - 25 %. белком -
5
7
INNOVATIVE SOLUTIONS FOR THE PACKAGING INDUSTRY
определяли по международному стандарту ISO 1183. Испытание прочности на разрыв и относительное удлинение биополимерных пленок проводили на приборе Stable micro Systems TA-XT2 со скоростью 50±5 мм/мин (ASTM D638).
В таблице представлен состав биополимерных пленок, физико-механические свойства которых отражают характер их взаимосвязи с составом и видом биополимеров.
Введение в биополимерную пленку компонентов различного происхождения влияет на их толщину (см. таблицу). В частности, биопленки, в состав которых входит декстрин, имеют наибольшую толщину, биопленки из экструдированного пшеничного крахмала (тип А) с альгина-том натрия - наименьший показатель толщины. Вследствие увеличения удельной плотности полученного биополимера.
На рис. 1, 2 представлены результаты измерения прочности при разрыве крахмально-альгинатных, дек-стрино-альгинатных и крахмально-белковых пленок. Наиболее прочные биополимерные пленки, в состав которых входит амилопектин. При этом композиция амилопектина (40 %) с альгинатом натрия (60 %) позволяет получить более прочные пленки, по сравнению с пленками, в состав которых входит амилопектин (40 %) и соевый белок (60 %).
Получение декстрина из крахмала и экструдирование пшеничного крахмала приводят к снижению степени полимеризации его компонентов - амилозы и амилопектина [6]. В связи с этим механическая прочность биопленок, в состав которых входят декстрин и экструдирован-ный крахмал, ниже, чем прочность пленок с амилопектином. При смешении декстрина с соевым белком однородная суспензия в рассматриваемых условиях не образовывалась, соответственно, качественные биополимерные пленки из водной среды с этими компонентами не формовались.
Различные условия обработки пшеничного крахмала (тип А, тип В) влияют на прочность биопленок. В частности, биопленки из экструдиро-ванного пшеничного крахмала типа А (50 %) - альгинат натрия (50 %) на 1,3 МПа прочнее биопленок из пшеничного крахмала типа В (50 %) - альгинат натрия (50 %).
При введении соевого белка в состав биопленок из крахмала типа А и типа В наблюдается противоположная зависимость. Прочность биопленок из экструдированного пшеничного крахмала типа В выше прочнос-
ти биопленок из крахмала типа А на 2 МПа.
Следовательно, биополимерные пленки из амилопектина и альгината натрия имеют более высокие физико-механические свойства. Прочность этих биопленок при разрыве достигает 23 МПа, что сопоставимо с прочностью полиэтилена низкого давления (ГОСТ 16338-85).
На рис. 3, 4 показана взаимосвязь прочности при разрыве и удельной плотности амилопектиновых биопленок от содержания компонентов. Варианты биопленок получали на основе амилопектина с добавлением альгината натрия и соевого белка. Как видно из представленных данных, альгинат натрия и соевый белок способствуют увеличению прочности биопленок при разрыве. Увеличение содержания в биопленках альгината натрия и соевого белка с 20 до 60 % повышает прочность при растяжении и удельную плотность в два раза.
При введении альгината натрия в состав биополимерных пленок на основе амилопектина относительное удлинение при разрыве снижается (рис. 5). В то же время при введении в состав биопленок соевого белка относительное удлинение при разрыве увеличивается. Следовательно, соевый белок способствует увеличению пластичности материала.
Таким образом, биопленки с ами-лопектином имеют более высокую прочность при разрыве по сравнению с пленками из экструдированного пшеничного крахмала и декстрина. По сравнению с соевым белком введение в состав биопленок альгината натрия приводит к увеличению их прочности при разрыве. Применение в составе биопленок соевого белка способствует увеличению относительного удлинения при разрыве, при этом альгинат натрия снижает значение данного показателя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фомин, В.А. Биоразлагаемые полимеры/В.А. Фомин, В.В. Гузеев// Химия и жизнь. - 2005. - № 7. -С. 9-11.
2. Специальный выпуск «Все о пленках». - М.: Унипак.Ру, 2004. -Декабрь. - 56 с.
3. Пономарев, А.Н. Нужны ли России биоразлагаемые полимерные материалы?/А. Н. Пономарев, С.Х. Баразов, И.Н. Гоготов//Полимерные материалы. - 2009. - № 10. - С. 11.
4. Физико-химические свойства полимерных композиций с использованием крахмала/С.В. Краус [и др.]//Хранение и переработка сель-хозсырья. - 2011. - № 1. - С. 8-11.
25
20
10
20 30 40 50 60 Содержание компонента, %
Рис. 3. Зависимость прочности при разрыве амилопектиновых биопленок от содержания компонентов: 1 - биопленки с альгинатом натрия; 2 - биопленки с соевым белком
3 1400 * 1300 £ 1200 | 1100 § 1000 I 900
1 800
> 700
10 20 30 40 50 60 Содержание компонента, %
Рис. 4. Зависимость удельной плотности амилопектиновых биопленок от содержания компонентов: 1 - биопленки с альгинатом натрия;
2 - биопленки с соевым белком
100 90 80 70
[40
L 30 ■ 20 10 0
10 20 30 40 50 60 Содержание компонента, %
70
Рис. 5. Зависимость относительного удлинения при разрыве амилопектиновых биопленок от содержания компонентов: 1 - биопленки с альгинатом натрия; 2 -биопленки с соевым белком
5. Оценка деградации крахмалсо-держащих полиэтиленовых композиций в процессе ферментативного гидролиза/Д.В. Руссков [и др.]//Ве-стник Казанского технологического университета. - 2010. - № 8. - С. 70-76.
6. Соломина, Л.С. Получение пищевого декстрина экструзионным методом/Л.С. Соломина, В.И. Тара-новская, Д.А. Соломин//Хранение и переработка сельхозсырья. - 2011. -№ 3. - С. 28-31.
15
5
0
Ф -Û гП
р50
