Волосова Е.В., Воробьева О.В., Аванесян С.С., Филь А.А., Каданова А.А., Андрусенко С.Ф.
Ставропольский
государственный университет, Россия
Биодеградируемые материалы на основе полисахаридов и белковых компонентов
 
На конец двадцатого столетия производство синтетических
пластмасс в мире достигло 130 млн. т/год. Одним из быстроразвивающихся направлений
использования пластмасс является упаковочная промышленность. Уже с 1975 года
полимеры вышли на третье место после стекла, бумаги и картона по применению для
упаковки [1].
Из всех выпускаемых пластиков 41% используется в упаковке, из этого количества 47% расходуется на упаковку пищевых продуктов [2]. Удобство и безопасность, низкая цена и высокая эстетика являются определяющими условиями ускоренного роста использования пластических масс при изготовлении упаковки.
От решения вопроса пластмассовых отходов в
значительной степени будет зависеть экологическая ситуация в мире. В настоящее
время для очистки окружающей среды от пластмассовых отходов активно разрабатываются
два основных подхода:
-захоронение (хранение отходов на свалках); 
-утилизация.
Радикальным
решением проблемы “полимерного мусора” является создание и освоение широкой
гаммы полимеров, способных при соответствующих условиях биодеградировать на
безвредные для живой и неживой природы компоненты.
Цель настоящей работы состояла в
разработке биотехнологии получения биодеградируемых материалов на основе
природных полимеров и изучении их свойств.
Биодеградируемые полимеры привлекают
внимание  производителей и экологов тем,
что разлагаются в сжатые сроки с образованием безопасных для окружающей природы
веществ, таких как вода, биомасса, углекислый газ или метан. 
Объекты и методы исследования. Для получения биоразлагаемых пленок использовали метилцеллюлозу (МЦ), желатин, казеин и глицерин в качестве
пластификатора.
Для определения вязкости растворов
полимеров использовали метод вискозиметрии [4].
Удельную вязкость рассчитывали по формуле:
 ,
,
где  ti – время истечения растворов полимеров, с;
  t0 – время истечения растворителя, с.
Для определения предела вынужденной
эластичности и разрывного напряжения использовали образцы биодеградируемых
пленок длиной l0 = 10 мм, шириной h0 = 4,25
мм, толщиной d0 = 0,06 мм. Предел вынужденной эластичности (σв)
и разрывное напряжение (σр) вычисляли действием силы тяжести на
образцы пленок в стационарных условиях [3].
σв = Fв/Sв, σр
= Fр/Sр, 
где  
S - площадь поперечного сечения;
F - сила тяжести.
Sв = S0 * l0/lв (мм2), Sр = S0 * l0/lр (мм2), lв = l0 + Δlв, lр = l0
+ Δlр;
где Δlв – истинное удлинение при определении предела вынужденной
эластичности;
Δlр - истинное удлинение при определении
разрывного напряжения.
Степень набухания биодеградируемой пленки из жидкой
фазы определяли в соответствии с методикой, предложенной в работе авторами [3]. Степень набухания
рассчитывали по формуле:
 ,
,
где m2 – масса набухшего полимера;
m1 – масса исходного полимера.
О скорости разложения пленок судили по величине
потери массы после воздействия микрофлоры почвы через заданные промежутки
времени (10, 20, 30 дней) в соответствии с ГОСТ 9.060-75 [5].
Результаты и
обсуждение. Пленки формовали из 5%-ного водного раствора
метилцеллюлозы (МЦ) методом полива на чашки Петри с испарением растворителя в
течение 24 часов при температуре 18-24ºС. Включение пластификатора,
природных белковых комплексов желатины и казеина в структуру пленок
осуществляли путем эмульгирования их в растворе МЦ. Полученные эмульсии
выдерживали в течение 30 минут для удаления пузырьков воздуха.
Механические свойства биоразлагаемых пленок оценивали
анализируя значения   разрывного напряжения σр и предела вынужденной эластичности σв под действием силы тяжести.
Полученные данные представлены в таблицах 1, 2.
Таблица 1 – Разрывное напряжение и предел вынужденной
эластичности биодеградируемых полимеров состава МЦ +
глицерин + казеин
 
| № п/п | Содержание казеина, мас. % | σв, г/мм2 | σр, г/мм2 | 
| 1 | 12% | 221,80 | 1110,60 | 
| 2 | 24% | 305,60 | 1130,72 | 
| 3 | 30% | 389,40 | 1140,78 | 
| 4 | 60% | 462,80 | 1712,36 | 
 
Таблица 2 – Разрывное напряжение и предел
вынужденной эластичности биодеградируемых полимеров состава  МЦ + глицерин + желатин
 
| № п/п | Содержание желатина, мас. % | σв, г/мм2 | σр, г/мм2 | 
| 1 | 6% | 250,00 | 925,00 | 
| 2 | 12% | 263,20 | 973,84 | 
| 3 | 15% | 195,40 | 722,98 | 
| 4 | 30% | 178,30 | 659,71 | 
 
Об эластичности материала можно судить по величине предела вынужденной
эластичности. Уменьшение величины σв свидетельствует об увеличении
эластичности пленок, чему свидетельствует замена казеина в составе на желатин.
Реологические свойства
биополимеров исследовались с целью изучения влияния состава пленок на величину
удельной вязкости растворов биополимеров (рисунок 1).
 

Рисунок 1 – Концентрационная зависимость
вязкости растворов биополимеров
 
Из концентрационных зависимостей
вязкостей растворов видно, что их значения тем выше, чем выше концентрация
белкового компонента, т.е. казеина и желатина. Белки являются
высокомолекулярными полимерами, МЦ относится к жесткоцепным высокомолекулярным
полисахаридам, поэтому формирование фазового состава при введении гибкоцепных белковых
молекул приводит к росту вязкости.
 В качестве косвенного
метода оценки биоразлагаемости пленок нами проведен анализ сродства пленок к
жидкой фазе. Для этого исследовали влияния времени на изменение степени
набухания (рисунки 2, 3).

Рисунок 2 – Кинетика набухания биополимеров состава
МЦ + глицерин +желатин

Рисунок 3 – Кинетика набухания биополимеров состава
МЦ + глицерин + казеин
 
Увеличение содержания желатина в биодеградируемых пленках ведет к росту
степени набухания, поскольку желатин повышает гидрофильность системы. Кроме
того, из рисунков
видно, что степень набухания пленок с содержанием желатина выше, чем пленок с содержанием
казеина. Это обусловлено меньшим
количеством полярных групп, входящих в состав казеина, которые обеспечивают
сродство к воде.
В качестве прямого метода биоразложения пленок использовали метод потери
массы пленок в водно–почвенной среде. Кинетика разложения биополимеров с
различным содержанием белковых компонентов представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Кинетика разложения биополимеров
МЦ + глицерин + желатин;
МЦ + глицерин + казеин
 
Синтезированные пленки теряли массу постепенно. Пленки, содержащие более гидрофильный компонент (желатин), теряли массу более интенсивно, что свидетельствует о большей скорости биоразложения.
Таким образом, комплекс проведенных
исследований по разработке технологии получения  и исследованию свойств биоразлагаемых полимеров на основе
полисахарида МЦ, белковых комплексов казеина и желатина, а также пластификатора
глицерина  свидетельствует о
перспективности использования их в качестве основы для создания биоразлагаемых
в природных условиях экологически безопасных изделий. 
 
 
 
Литература:
1.    
Волова Т.Г., Беляева
О.Г., Плотников В.Ф. Исследование биодеградации микробных полиоксиалканоатов.
// Прикладная биохим. и микробиол. 1998. Т.34, №5.-165с.
2.    
Волова Т.Г.
Экологическая биотехнология. Новосибирск: Наука, 1997.-265с.
3.    
Каргин В.А., Соголова
Т.И. Высокомолекулярные соединения. М., 1959. – 519с.
4.    
Суворова А.И., Тюкова И.С., Смирнова Е.А.,
Тымчишина Н.М. Реологические свойства смесей тройного сополимамида 6/66/610 с
хитозаном.// Журнал прикладной химии. 2005.Т.78, Вып.6. С.989-992.
5.    
Суворова А.И., Тюкова И.С., Смирнова Е.А.
Реологические свойства биоразлагаемых полимерных полимерных композиций.//
Тезисы докладов Седьмой Всероссийской научно-практической конференции
"Экологические проблемы промышленных регионов". Екатеринбург, 2006. С.238.