CC BY
44
Фестни^ФТ'УЖШ', №2, 2013
УДК 547.458.61 Аспирант А.Ш. Закирова,
(Казанский национальный исследовательский технол. ун-т) кафедра пищевой биотехнологии, тел. 89600471008 аспирант Т.Н. Манахова,
(Северный (Арктический) федеральный ун-т) кафедра технологии целлюлознобумажного производства
профессор А.В. Канарский, доцент З.А. Канарская
(Казанский национальный исследовательский технол. ун-т), кафедра пищевой биотехнологии
Влияние ферментативной обработки горохового крахмала на физико-механические свойства биопленок
Получены закономерности изменения физико-механических свойств биопленок на основе горохового крахмала, обработанного ферментным препаратом пуллуланазой. Установлена возможность образования из амилопектина горохового крахмала линейных полимеров, которые способствуют улучшению механических и реологических свойств биопленок.
The regularities of change in physical and mechanical properties of biofilms based on pea starch treated with pullulanase enzyme preparation were obtained. The possibility of formation of linear pea starch amylopectin polymers, which contribute to improvement of the mechanical and rheological properties of biofilms was identified.
Ключевые слова: гороховый крахмал, ферментативная обработка, механических и реологических свойств биопленок.
В настоящее время наблюдается два ос -новных направления в создании биоразлагае-мых материалов. По одному из них предусматривается применение в качестве компонентов синтетических полимеров и биополимеров, по другому - предусматривается изготовление материалов на основе только биополимеров. Последнее направление является наиболее предпочтительным при получении материалов для упаковкипищевыхпродуктов [1].
Биополимеры изготовляются из растительного сырья, которое является возобновляемым. Их производство менее энергоемко по сравнению с синтетическими полимерами. Биополимеры биологически безопасны для продуктов питания и, соответственно, для человека [2]. Биополимерные материалы на основе растительного сырья уменьшают антропогенную нагрузку на окружающую среду, являются биодеградируемыми в естественных условиях и, что очень важно, возможна их вторичная переработка с незначительными энергетическими затратами [3]. Однако в настоящее время производство биополимер-ных материалов в общем объеме упаковочных материалов не превышает 1 %, что обусловлено несовершенством технологии [4].
© Закирова А.Ш., Манахова Т.Н., Канарский А.В., Канарская З.А., 2013
Среди биополимеров возобновляемым ресурсом является крахмал, в состав которого входит амилопектин и амилоза [5]. Показано, что на физико-механические свойства пленочных материалов влияет линейность биополимера и, в частности, для улучшения этих свойств биопленок рекомендуется вводить альгинат натрия [6]. Известно, что амилоза является преимущественно линейным полимером и используется для получения пленочных материалов методом термопрессования. Амилопектин - разветвленный биополимер и биопленочные материалы на его основе уступают по физико-механическим свойствам материалам из амилозы.
В этой связи перспективны технологии, предусматривающие модификацию амилопектина с превращением его в линейные полимеры. В частности, для модификации амилопектина возможно применение пуллу-ланазы, которая гидролизует а-1,6- гли-козидные связи в амилопектине с образованием линейных биополимеров.
Цель настоящей работы - изучение влияния ферментативной и тепловой обработки горохового крахмала на физико-механические свойства биопленок.
В исследованиях использовался крахмал гороховый, полученный в лабораторных условиях и альгинат натрия, полученный из бурых
водорослей. В качестве пластификатора применяли глицерин, c концентрацией 85 %, молекулярной массой 92,09 г/моль.
Ферментный препарат пуллуланаза OP-TIMAX L-1000 (Genencor International, США) продуцент щелочной протеазы - Bacillus licheniformis; активность 1000 ASPU/g; внешний вид - жидкость; цвет - светлокоричневый; pH - 4,0-4,5 [7].
Биопленки изготовляли из крахмала, обработанного двумя способами: ферментативным и тепловым.
Тепловая обработка крахмала заключалась в следующем. Суспензию крахмала с концентрацией сухих веществ 5 % клейсте-ризовали и выдерживали в термостате в течение 30 мин при температуре 90 °С и 120 °С. Затем вносили альгинат натрия и глицерин в количестве 0,6 г на 1 г сухих веществ. Гомогенизацию суспензии проводили на механической мешалке в течение 30 мин. После гомогенизации проводили деаэрацию смеси компонентов в течение 1 часа.
Для ферментативной обработки крахмала суспензию крахмала с концентрацией сухих веществ 5 % клейстеризовали и выдерживали в термостате в течение 30 мин. при температуре 90 °С.
Затем раствор крахмала охлаждали до температуры 60 °С и корректировали pH до 4,0 - 4,5. Количество вносимого фермента -5,9 мкл на 1 г крахмала. После добавления фермента, выдерживали в термостате при 60 °С в течение 2 часов при перемешивании. Затем добавляли альгинат натрия и глицерин в количестве 0,3 г на 1 г сухих веществ и гомогенизировали суспензию перемешиванием в течение получаса. После гомогенизации проводили деаэрацию смеси компонентов в течение 1 часа.
Из смеси компонентов формовали биопленки методом полива на пластинах из органического стекла размером 14*14 см. Биопленки сушили конвективно при температуре окружающей среды 22 -25 °С.
Прочностные характеристики биополи-мерных пленок определяли по ГОСТ 13525.179 на лабораторном испытательном комплексе, включающем разрывную машину ТС 101-0,5 (г. Иваново) и ПЭВМ. Определение деформационных свойств материалов проводили по методикам, разработанным на кафедре технологии ЦБП САФУ с получением графика зависимости «напряжение-деформация». Математическую обработку результатов проводили по методике [8].
Анализ полученных результатов показывает, что на физико-механические свойства биопленок влияет способ обработки горохового крахмала и их состав. В общем случае введение в состав биопленок линейного полимера альги-ната натрия способствует снижению толщины пленок, повышению их плотности, и увеличению механической прочности биопленок.
Однако повышение температуры обработки горохового крахмала с 90 до 120 °С приводит к снижению прочностных характеристик биопленок (таблица 1 и 2).
Таблица 1
Физико-механические свойства биопленок на основе горохового крахмала, обработанного при 90 °С
Биополимеры Содержание биополимеров, %
Г ороховый крахмал 80 60 50 40 100
Альгинат натрия 20 40 50 60 -
Свойства биопленок
Толщина, мкм 192 232 156 228 194
Масса, г/м2 160,9 137,9 136,1 139,1 152,1
Разрушающее усилие, Н 9,7 20,7 21,0 20,5 8,5
Прочность при растяжении, МПа 3,37 5,95 8,97 5,99 2,92
Удлинение при разрушении, мм 25,4 15,8 15,8 8,8 14,5
Модуль упругости, МПа 52,6 184,2 278,8 187,5 58,1
Работа разрушения, мДж 169,0 233,3 238,0 155,4 83,4
Жесткость при изгибе мН-см 0,08 0,09 0,20 0,13 0,19
Нулевая разрывная длина, м 1230 2060 2520 2780 1020
Такие показатели, как «разрушающее усилие» и «прочность при растяжении» снижаются. Работа, прилагаемая для разрушения биопленок, соответственно, снижается, о чем можно судить по диаграммам напряжение-деформация на рисунках 1 и 2.
В тоже время эти биопленки имеют выше значение показателя «удлинение при разрушении», ниже значения показателей «модуль упругости» и «жесткость при изгибе», а также пониженные значения показателя «нулевая разрывная длина».
Т аблица2 Физико-механические свойства биопленок на основе горохового крахмала, обработанного при 120 °С
Биополимеры Содержание биополимеров, %
Г ороховый крахмал 80 60 50 40 100
Альгинат натрия 20 40 50 60 -
Свойства биопленок
Толщина, мкм 122 115 116 120 140
Масса, г/м2 149 152 159 158 150
Разрушающее усилие, Н 3,8 11,1 14,4 15,9 8,2
Прочность прк растяжении, МПа 2,08 6,43 8,28 8,83 3,90
Удлинение прл разрушении, мм 17,6 18,8 17,5 20,9 12,5
Модуль упругости, МПа 29,8 131,0 203,9 126,5 119,4
Работа разрушения, мДж 53,2 153,8 180,5 215,9 67,3
Жесткость при изгибе мН-см 0,05 0,17 0,15 0,12 0,18
Нулевая разрывная длина, м 690 810 1360 1580 910
По значениям последних показателей и характеру разрушения биопленок можно сделать вывод о том, что повышение темпера -туры обработки горохового крахмала приводит к получению биопленок вязких по реологическим свойствам.
12 --------------------------------------------------
10 --------------------------------------------------
у 4
О *-------------------------------------------
О 10 20 30 40 50 60
Деформация, %
Рисунок 1 - Диаграмма напряжение-деформация биопленок на основе горохового крахмала, обработанного при 90 °С
10
Деформация, %
Рисунок 2 - Диаграмма напряжение-деформация биопленок на основе горохового крахмала, обработанного при 120 °С
Физико-механические свойства биопленок, в состав которых входит гороховый крахмал, обработанный ферментом пуллуланазой, представлены в таблице 3 и на рисунке 3. По сравнению с тепловой обработкой крахмала обработка горохового крахмала ферментным препаратом пуллуланазой способствует уменьшению толщины пленок и увеличению механической прочности биопленок, что сопровождается ростом работы разрушения.
Таблица 3
Физико-механические свойства биопленок на основе горохового крахмала, обработанного пуллуланазой
Биополимеры Содержани биополиме е ров, %
Г ороховый крахмал 80 60 50 40 100
Альгинат натрия 20 40 50 60 -
Свойства биопленок
Толщина, мкм 115 106 105 109 187
Масса, г/м2 156 147 148 154 256
Разрушающее усилие, Н 13 16 18 19 11
Прочность при растяжении, МПа 7,5 4 10, 06 11, 43 11, 62 3,9 2
Удлинение при разрушении, мм 21 18 18 17 14
Модуль упругости, МПа 221 184 200 221 105
Работа разрушения, мДж 234 228 228 221 152
Жесткость при изгибе мН-см 0,3 9 0,2 4 0,2 0,2 6 0,2 6
Нулевая разрывная длина, м 7 СП 10 6 10 8 10 5 С* 10 510
Несколько пониженное значение показателя «нулевая разрывная длина» у биопленок на основе горохового крахмала, обработанного ферментным препаратом пуллуланазой, сочетается высокими значениями показателей: «удлинение при разрушении», «модуль упругости» и «жесткость при изгибе». По значениям этих показателей и характеру разрушения биопленок, представленному на рисунке 3 «напряжение-деформация», можно сказать, что обработка горохового крахмала ферментным препаратом пуллуланаза позволяет получать биопленки с лучшими реологическими свойствами по сравнению с биопленками, в состав которых входит гороховый крахмал прошедший тепловую обработку.
Г *
О м м и «о м
Деформация, %
Рисунок 3 - Диаграмма напряжение-деформация биопленок на основе горохового крахмала, обработанного пуллуланазой
Полученные закономерности в изменении физико-механических свойств биопленок на основе горохового крахмала, обработанного ферментным препаратом пуллуланазой, можно объяснить образованием из амилопектина горохового крахмала линейных полимеров, которые, так же как и альгинат натрия, способствуют улучшению механических и реологических свойств биопленок.
ЛИТЕРАТУРА
1 Максанова, Л. А. Полимерные соединения и их применение [Текст]: учеб. пособие / Л. А. Максанова, О. Ж. Аюрова. - Улан-Удэ: издательство ВСГТУ, 2004. - 356 с.
2 Легонькова, О. А. Тысяча и один полимер от биостойких до биоразлагаемых [Текст] / О. А. Легонькова, Л. А. Сухарева. -М.: РадиоСофт, 2004. - 272 с.
3 Тесекеев, М. С. Производство биополимеров как один из путей решения проблем экологии и АПК: аналитический обзор. [Текст] / М. СЛесекеев, Л. М. Еремеева. - Алматы: НЦ НТИ, 2009. - 200 с.
4 Обзор рынка биопластиков: мировой опыт и перспективы российского рынка: отчет по маркетинговому исследованию, подготовлен компанией «Пульсар Венчур» [Текст]. -Казань, 2011. - 90 с.
5 Karlsson, M. Starch in processed potatoes. Influence of the tuber structure, thermal treatments an amylose [Text] / M. Karlsson. -Lund: Lund University, 2005.
6 Закирова, А. Ш. Влияние биополимеров на физико-механические свойства пленок [Текст] / А. Ш. Закирова, А. В. Канарский, Ю. Д. Сидоров // Пищевая промышленность. -2012. - №10.- C. 18-19.
7 Официальный сайт производителя и продажи энзимов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: www.genencor.com. - Загл. с экрана.
8 Комаров, В. И. Анализ механического поведения целлюлозно-бумажных материалов при приложении растягивающей нагрузки [Текст] / В. И. Комаров, Я. В. Казаков // Лесной вестник МГУЛ. - 2000. -№ 3 (12). - С.52-62.
REFERENCES
1 Maksanova, L. A. Polymer compounds and their use [Text]: textbook / L. A. Maksanova, O. J. Ayurova. - Ulan-Ude: ESSTU publishing, 2004. - 356 p.
2 Legonkova, O. A. Thousand and one polymer from biostable to biodegradable [Text] / O. A. Legonkova, L. A. Sukhareva. - M.: Radio-Soft, 2004. - 272 p.
3 Tesekeev, M. S. Production of biopolymers as one of the solutions to the problems of ecology and agriculture: an analytical review. [Text] / M. S.Tesekeev, L. M. Eremeeva. - Almaty: NCSTI, 2009. - 200 p.
4 Overview of the bioplastics market: international experience and prospects of the Russian market: report on the market research, prepared by "Pulsar Venture" [Text]. - Kazan, 2011. - 90 p.
5 Karlsson, M. Starch in processed potatoes. Influence of the tuber structure, thermal treatments an amylose [Text] / M. Karlsson. -Lund: Lund University, 2005.
6 Zakirova, A. S. Effect of biopolymers on the physico-mechanical properties of the films [Text] / A. S. Zakirova, A. V. Canariskyi, Y. D. Sidorov // Pishevaya promyshlennost. -2012. - № 10. - C. 18-19.
7 The official website of manufacturer's and sales of enzymes [Electronic resource]. - Access mode: http:www.genencor.com. - Title screen.
8 Komarov, V. I. Analysis of the mechanical behavior of the pulp and paper materials under tensile load [Text] / V. I. Komarov, Y. V. Kazakov // Journal of Forest MSFU. - 2000. - № 3 (12). - P.52-62.
І90
