Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Разработка технологии биомодифицированного крахмала для производства пленочных материалов

ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии биомодифицированного крахмала для производства пленочных материалов"

На правах рукописи

Закнрова Айгуль Шамилевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БИОМОДИФИЦИРОВАННОГО КРАХМАЛА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 03.01.06 — Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

17 ОКТ 2013

Казань-2013

005535225

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Канарский Альберт Владимирович

Корчагин Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой инженерной экологии и техногенной безопасности, ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»

Ведущая организация:

Скворцов Евгений Владимирович

кандидат биологических наук, директор, ООО «Биотех»

ФГАОУ ВПО «Казанский (приволжский) федеральный университет» (КФУ)

Защита состоится «23» октября 2013 года в 14 ч 00 мин. на заседании Диссертационного совета Д212.035.06 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, пр-т Революции, д.19, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий».

Автореферат разослан «21» сентября 2013 г.

Ученый секретарь ^

диссертационного совета / Шуваева Галина Павловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время взоры ученых, инженеров и промышленников во всем мире обращены на создание и применение в качестве упаковки, в том числе и для пищевых продуктов, биоразлагаемых пленочных материалов. Наблюдается два основных направления в создании биоразлагаемых пленочных материалов. По одной из технологий предусматривается применение в качестве компонентов синтетических полимеров и биополимеров, по другой технологии предусматривается изготовление упаковочных материалов на основе только биополимеров. Последнее направление является наиболее предпочтительным при получении пленочных материалов для упаковки пищевых продуктов.

Биополимеры изготовляются го растительного сырья, которое является возобновляемым. Их производство менее энергоемко по сравнению с синтетическими полимерами. Биополимеры биологически безопасны для человека. Упаковочные материалы на основе биополимеров уменьшают антропогенную нагрузку на окружающую среду, являются биодеградируемыми в естественных условиях и, что очень важно, возможна их вторичная переработка с незначительными энергетическими затратами. Особенно следует отметить перспективность применения для получения пленочных материалов крахмала, как доступного по стоимости и возобновляемого биополимера.

В технологии получения биоразлагаемых полимерных материалов используют горячее формование, экструзию, литьевое и выдувное формование. Однако биополимеры получают из сырья растительного происхождения в водной среде и для их применения в данных технологиях необходимо высушивать, что приводит к необратимому изменению их физических и химических свойств, что отрицательно сказывается на потребительских свойствах пленочных материалов. Кроме того, предварительное высушивание биополимеров вызывает удорожание пленочных материалов. При этом альтернативные технологии по производству пленочных материалов на основе крахмала и в частности их формование из водной среды, в настоящее время отсутствуют. В ранее проведенных работах рассмотрены свойства пленочных материалов на основе синтетических гидрофильных полимеров (Felix H. Otey, Arthur M. Mark, Charles L. Mehltretter, Charles R. Russell, 1974 г.).

В этой связи, изучение влияния вида биополимеров и способов их обработки на свойства пленочных материалов, сформованных из водной среды, является актуальным и своевременным.

Цель работы — разработка технологии биомодифицированного крахмала для производства пленочных материалов.

Для достижения данной цели поставлены следующие задачи:

- исследование влияния ферментативного способа обработки амилопектина на физико-механические свойства пленочных материалов;

- обоснование применения ферментативного способа обработки крахмала картофельного, кукурузного и горохового в технологии производства пленочных материалов;

- определение влияния теплового способа обработки крахмала на физико-механические свойства пленочных материалов;

изучение взаимосвязи физико-механических свойств пленочных материалов со свойствами биополимеров растительного происхождения;

- апробация технологии производства биомодифицированного крахмала;

- оценка органолептических и микробиологических свойств свежих ягод, покрытых биополимерной пленкой.

Научная новизна. Впервые показано, что биомодифицированный пуллуланазой крахмал картофельный, кукурузный, гороховый и амилопекгин кукурузный приводит к увеличению прочностных характеристик пленочных материалов.

Показана возможность формования из водной среды пленочных материалов на основе растительных биополимеров: биомодифицированного крахмала, амилопектина, белка, альгината натрия, целлюлозы.

Установлено, возможность повышения механической прочности пленочных материалов обработкой электродиализом крахмала картофельного при температуре 60 - 70 °С.

Практическая значимость. Биомодификацию кукурузного, картофельного и горохового крахмала, амилопектина пуллуланазой, целесообразно использовать в технологии производства пленочных материалов, формуемых из водной среды. Ферментативная обработка позволяет использовать крахмал в составе пленочных материалов взамен дорогостоящих биополимеров, в частности крахмала, полученного химическим методом модификации.

Для получения пленочных материалов с высокими механическими и заданными деформационными свойствами рекомендуется применение биомодифицированного крахмала и волокон целлюлозы.

В условиях предприятия ОАО «Полиграфкартон» (г. Балахна) апробирована технология биомодификации крахмала картофельного при изготовлении пленочных материалов, армированных целлюлозой.

Получены пленочные материалы с высокими прочностными и деформационными свойствами.

Биопленки из кукурузного, картофельного крахмала и амилопектина рекомендуется использовать для покрытия свежих ягод.

Основные положения диссертационного исследования используются в учебном процессе подготовки бакалавров по специальности 240700 «Биотехнология».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационное исследование соответствует п. 2, 7 паспорта специальности 03.01.03 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2010), XIX международной конференции по крахмалу, Москва-Краков (Москва), Научная сессия КНИТУ (Аннотация сообщений) (Казань, 2012), VII Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 10 статей в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, экспериментальных результатов и их обсуждения, выводов и библиографического списка, содержащего 154 источников. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста и включает в себя 28 таблиц, 59 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и определены основные направления исследования.

Глава 1. Обзор литературы. Проведен обзор и анализ публикаций, касающихся классификации и физико-механических свойств биополимеров, используемых в производстве пленочных материалов, в том числе для упаковочных целей. Отмечена целесообразность получения пленочных материалов на основе природных полимеров со 100 % пригодностью к биоразложению. Показана целесообразность изучения влияния крахмала и способа его обработки на физико-механические свойства пленочных материалов. Рассмотрены свойства биополимерных покрытий и их применение для защиты свежих ягод от внешних факторов.

В результате анализа научно-технической литературы и патентов, отражающих отечественный и мировой опыт в создании пленочных материалов на основе различного вида биополимеров и их композитов, разработана концепция исследований изучения влияния биомодификации ферментами и тепловой обработки крахмала на физико-механические и барьерные свойства пленочных материалов.

Глава 2. Материалы и методы исследований. В качестве объектов исследования использовались биополимеры: картофельный крахмал, ГОСТ 7699-78; кукурузный крахмал, ГОСТ 51985-2002; не модифицированный восковой кукурузный крахмал, содержащий преимущественно амилопектин, фирмы Sigma; декстрин, полученный из кукурузного крахмала, фирмы Sigma; крахмал пшеничный (марок А и В), полученный экструзией; альгинат натрия, фирмы Sigma; альгинат натрия по ТУ 15-544-83.

Биоволокна — целлюлоза, предварительно сформованная в виде листового материала массой квадратного метра 30 г.

В качестве пластификатора использовали глицерин, концентрации - 85 % по ГОСТ 6259-75.

При разделении крахмала химическим методом использовали сульфаты магния, натрия и аммония и этиловый спирт.

Крахмал на амилозу и амилопектин разделяли методом электродиализа на экспериментальной установке.

Тепловую обработку крахмала проводили автоклавированием при 90 и 120 °С в течение 60 минут. Биомодификацию крахмала проводили ферментными препаратами пуллуланаза ОРТТМАХ L-1000 и а-амилаза SPEZYME FRED-L компании Genencor International, USA.

Пленочные материалы формовались из водной суспензии биополимеров с последующей конвективной сушкой при комнатной температуре и естественной влажности, что исключало усадку пленочных материалов.

Стандартными методами определяли основные физико-механические свойства пленочных материалов: прочность при растяжении, удельная плотность, удельная масса, толщина, жесткость при изгибе, модуль упругости, относительное удлинение при растяжении.

Отбор проб и кондиционирование образцов проводили в соответствии с ГОСТ 8047 и ГОСТ 13523. Испытание прочности на растяжение пленочных материалов проводили по ГОСТ 13525.1-79 на лабораторном испытательном комплексе, включающем разрывную машину ТС 101-0,5 (г. Иваново) и ПЭВМ, с применением методик определения деформационных свойств материалов, с получением индикаторной диаграммы «нагрузка — удлинение» и кривой зависимости «напряжение-деформация». Принятые данные — параметры

образца, условия испытаний, а также массив до 1000 точек, снятых с интервалом 100 мс (сила, H - перемещение, мм), сохраняются в файле, и выводятся на экран в виде графика.

Для анизотропных материалов, образцы вырезались в двух взаимно перпендикулярных направлениях, шириной (20,0 ± 0,2) мм и длиной 90 мм (при активной длине образцов 1 мм).

Толщину пленок измеряли на электронном микрометре с точностью до 0,001 мм (Fowler, Cole-Parmer Instruments Со.) согласно международному стандарту ASTM D638 .

Определение удельной плотности проводили по международному стандарту ISO 1183.

Испытания на жесткость при изгибе проводили на приборе Messmer Buchel 116 - BD, который предназначен для изгибания эластичных материалов, таких как бумага, картон, пластиковые пленки, металлические листовые материалы. Максимальная нагрузка составила не более 5000 мН.

В экспериментах по определению влияния биополимерных покрытий на срок хранения ягод использовали клубнику и малину. Ягоды покрывались биополимерным покрытием из крахмала, альгината, декстрина, амилопектина, антиоксиданта N-ацетилцистеин, хлорида кальция, глицерина. Отбор пробы для микробиологического анализа проводили согласно ГОСТ 26668-85. Микробиологический анализ свежих ягод проводили согласно ГОСТ 10444.15-94.

Для качественной оценки каждого из отдельных образцов ягод использовался описательный органолептический метод оценки качества образцов. Исследовали запах, цвет, консистенцию, вялость свежих ягод клубники и малины по пятибалльной шкале по сравнению с контрольным образцом ягод (без покрытия).

Экспериментальные данные обрабатывали стандартными статистическими методами с использованием программы Microsoft Excel 2003. Достоверность результатов обеспечивалась пятикратной повторностью опытов с одновременным контролем ошибок измерения. В диссертации представлены средние результаты серии экспериментов, обеспечивающие 95 % точности по статистическим критериям.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Влияние ферментативной обработки амилопектина на физико-механнческне свойства пленочных материалов.

Анализ полученных результатов исследований показывает, что на физико-механические свойства пленочных материалов влияет способ обработки амилопектина кукурузного крахмала (таблица 1). Обработка

амилопектина пуллуланазой проводилась при рН среды 4.0 - 4.5, температура 60 °С в течение 2 часов.

Таблица 1 — Физико-механические свойства пленок на основе амилопектина кукурузного крахмала в зависимости от способа обработки ____

Биополимеры Тепловая обработка Ферментативная обработка

90 °С | 120 °С пуллуланаза

Содержание биополимеров, %

Амилопектин 80 80 80

Альгинат натрия 20 20 20

Свойства пленочных материалов

Толщина, мкм 102 118 102

Масса, г/м" 146 160 148

Разрушающее усилие, Н 3,5 3,0 9,1

Прочность при растяжении, МПа 2,3 1,7 6,0

Удлинение при разрушении, мм 11 9 25

Модуль упругости, МПа 79 61 75

Работа разрушения, мДж 33 18 150

Жесткость при изгибе мН-см 0,10 0,11 0,08

Нулевая разрывная длина, м 1063 739 1149

Повышение температуры обработки амилопектина кукурузного крахмала с 90 °С до 120 °С приводит к снижению прочностных характеристик пленочных материалов. Такие показатели, как разрушающее усилие и прочность при растяжении, модуль упругости снижаются. Также снижаются показатели удлинение при разрушении и работа, прилагаемая для разрушения пленочных материалов, о чем можно судить по диаграммам напряжение-деформация на рисунке 1.

В тоже время эти пленочные материалы имеют более высокое значение жесткости при изгибе, а также пониженное значение показателя нулевая разрывная длина. По значениям последних показателей и характеру разрушения пленочных материалов, представленных на рисунке 6, можно сделать вывод о том, что повышение температуры обработки амилопектина кукурузного крахмала отрицательно сказывается на деформационных свойствах пленочных материалов.

Напряжение, МПа

—*

\ 1 3

10 И » 40 Н> ю Деформация, %

Рисунок 1 - Диаграмма напряжение-деформация пленочных материалов на основе амилопектина кукурузного крахмала, обработанного: 1 - при температуре 90 °С; 2 - при температуре 120 °С; 3 - пуллуланазой

Обработка амилопектина кукурузного крахмала ферментным препаратом пуллуланазой способствует увеличению механической прочности пленочных материалов. Такие показатели, как разрушающее усилие и прочность при разрыве возрастают. Пленочные материалы имеют более низкое значение показателя жесткость при изгибе и достаточно высокое значение показателя нулевая разрывная длина. Полученные результаты можно объяснить тем, что при обработке амилопектина пуллуланазой гидролизуются а-1,6-глюкозидные связи, что приводит к получению линейных полимеров, из которых формуются более прочные пленки.

Влияние ферментативной обработки картофельного, кукурузного и горохового крахмала на физпко-мехапические свойства пленочных материалов.

Анализ результатов, представленных в таблице 2 и на рисунке 2, показывает, что обработка горохового крахмала пуллуланазой приводит к получению пленочных материалов с более высокой механической прочностью, чем обработка картофельного и кукурузного крахмала. Гороховый крахмал содержит 35 % амилозы, а-1,6-глюкозидные связи которой видимо, также гидролизуются пуллуланазой, как и амилопектина, что обуславливает повышение механической прочности пленочных материалов из этого крахмала.

Следует отметить, что обработка картофельного крахмала пуллуланазой приводит к получению пленочных материалов по физико-механическим свойствам более прочным, чем пленки из кукурузного крахмала.

Таблица 2 - Состав и характеристика пленочных материалов на основе картофельного, кукурузного и горохового крахмала, обработанного пуллупаназой_

Биополимеры Варианты

Картофельный крахмал Кукурузный крахмал Гороховый крахмал

Содержание биополимеров, %

Крахмал 80 80 80

Альгинат натрия 20 20 20

Свойства биопленок

Толщина, мкм 93 97 115

Масса, г/м^ 131 141 156

Разрушающее усилие, Н 9,9 8,5 13,3

Прочность при растяжении, МПа 7,1 5,8 7,7

Удлинение при разрушении, мм 25 21 21

Модуль упругости, МПа 129 85 221

Работа разрушения, мДж 173 111 234

Жесткость при изгибе мН-см 0,15 0,13 0,39

Нулевая разрывная длина, м 1455 1224 1370

—

/

Г

3

Деформация, %

Рисунок 2 - Диаграмма напряжение-деформация биопленок на основе: 1 — картофельного; 2 - кукурузного; 3 - горохового крахмала, обработанного пуллуланазой

Влияние тепловой обработка картофельного, кукурузного и горохового крахмала на физико-механические свойства пленочных материалов.

Пленочные материалы в состав которых входили гороховый, кукурузный и картофельный крахмал, обработанные при 90 °С имели более высокую механическую прочность, чем пленочные материалы, в состав которых входили гороховый, кукурузный и картофельный крахмал, обработанные при 120 °С. При этом показатель относительного удлинения при разрыве выше у пленочных материалов из кукурузного и картофельного крахмала, обработанного при 120 °С (таблица 3 и рисунок 3).

При обработке кукурузного, картофельного и горохового крахмала при 120 °С из гранул крахмала выделяется большее количество амилозы, которая обуславливает увеличение показателя относительного удлинения при разрыве. Также высокий показатель относительного удлинения при разрыве у пленочных материалов га горохового крахмала можно объяснить высоким содержанием амилозы (35 %) и белка (6 %).

Таблица 3 - Состав и характеристика пленочных материалов на основе картофельного, кукурузного и горохового крахмала, обработанного при 90 "С (числитель) и при 120 "С (знаменатель)_

Варианты

Биополимеры Картофельный Кукурузный Гороховый

крахмал крахмал крахмал

Содержание биополимеров, %

Крахмал 80 80 80

Альгинат натрия 20 20 20

Свойства пленочных материалов

Толщина, мкм 107 103 192

Масса, г/м2 142 145 161

Разрушающее усилие, Н 8,4/5,4 10,9/5,8 9,7/3,8

Прочность при растяжении, МПа 5,3/3,6 7,0/3,6 3,4/2,1

Удлинение при разрушении, мм 14/14 11/12 25/17

Модуль упругости, МПа 239/132 492/149 52/53

Работа разрушения, мДж 105/58 137/66 169/53

Жесткость при изгибе мН-см 0,11/0,07 0,23/0,07 0,08/0,05

Нулевая разрывная длина, м 1950/1308 2491/1235 1227/686

Процесс тепловой обработки был интенсифицирован методом элекгродиализа. Установлено, что в результате тепловой обработки и электродиализа происходит частичное разделение крахмальной суспензии на амилозу и амилопекгин, что было использовано в экспериментах при получении пленочных материалов из крахмала.

Рисунок 3 - Диаграмма напряжение-деформация пленочных материалов на основе: 1 — картофельного; 2 — кукурузного; 3 - горохового крахмала, обработанного при 90 °С и на основе: 4 - картофельного; 5 -кукурузного; 6 - горохового крахмала, обработанного при 120 °С

Из результатов экспериментов представленных в таблице 4 видно, что показатели прочности и относительного удлинения при разрыве у пленочных материалов из картофельного крахмала, обработанного методом электродиализа выше, чем показатели прочности и относительного удлинения при разрыве у пленок из картофельного крахмала, обработанного при 90 и 120 °С (таблица 3).

Показатель модуля упругости пленочных материалов из картофельного крахмала, обработанного методом электродиализа можно сопоставить со значением модуля упругости пленочных материалов из картофельного крахмала, обработанного при 90 и 120 °С.

Установлено, что пленочные материалы из картофельного крахмала, обработанного методом электродиализа, с альгинатом натрия отечественного производства имеют высокие прочностные характеристики (прочность при разрыве и модуль упругости), чем пленочные материалы из картофельного крахмала, обработанного методом электродиализа, с альгинатом натрия фирмы Sigma. При этом показатель относительного удлинения при разрыве выше у пленочных материалов из картофельного крахмала и альгината натрия фирмы Sigma.

Таблица 4 — Состав и характеристика пленочных материалов на основе картофельного крахмала, обработанного методом электродиалюа с альгинатом натрия_

Биополимеры Содержание биополимеров, % варианты

Альгинат натрия отечественного производства Альгинат натрия фирмы Sigma

Картофельный крахмал 40 40

Альгинат натрия 60 60

Свойства пленочных материалов

Толщина, мвсм 95 100

Масса, г/м~ 125 136

Разрушающее усилие, Н 19 15

Прочность при растяжении, МПа 14 12

Удлинение при разрушении, мм 15 22

Модуль упругости, МПа 240 115

Работа разрушения, мДж 154 224

Жесткость при изгибе мН-см 0,21 0,09

Нулевая разрывная длина, м 2739 2018

Из рисунка 4 видно, что пленочные материалы из картофельного крахмала с альгинатом натрия отечественного производства имеет большее значение нагрузки при растяжении. Однако нужно отметить, что пленочные материалы из картофельного крахмала и альпшата натрия импортного производства имеет большее значение удлинения при растяжении._

_Деформация, %_j

Рисунок 4 - Диаграмма напряжение-деформация пленочных материалов на основе картофельного крахмала (40%), обработанного методом электродиализа с альгинатом натрия (60%): 1 - альгинат натрия отечественного производства; 2 - альгинат натрия (фирмы Sigma)

Влияние биополимеров растительного происхождения на физико-механические свойства пленочных материалов.

В таблице 5 и на рисунках 5, 6 представлены результаты испытаний пленочных материалов, армированных целлюлозой (47 % от общей массы).______ _____

варианты бпоппенок

Рисунок 5 - Прочность при разрыве пленочных материалов, армированных целлюлозой: 1- картофельный крахмал; 2 - кукурузный крахмал; 3 - амилопектин; 4 - декстрин; 5 - альгинат натрия фирмы Sigma; 6 — альгинат натрия отечественного производства; 7 - гороховый

(в поперечном направлении биопокрытия), армированных биоволокнами: 1- картофельный крахмал; 2 - кукурузный крахмал; 3 -амилопектин; 4 - декстрин; 5 - альгинат фирмы Sigma; 6 - альгинат натрия отечественного производства; 7 - гороховый крахмал

В общем случае, армирование пленочных материалов целлюлозой увеличивает прочность при разрыве, модуль упругости и уменьшает показатель относительного удлинения при разрыве пленочных материалов. Наибольшую прочность при разрыве, модуль

упругости и относительное удлинение при разрыве имеют армированные пленочные материалы на основе кукурузного крахмала и амилопектина, выделенного из кукурузного крахмала.

Таблица 5 — Физико-механические свойства пленочных материалов, армированных целлюлозой_

Показатели Варианты пленочных материалов*

1 2 3 4 5 6 7

Толщина, мкм 82 80 72 68 78 86 83

Масса, г/м2 77 65 60 47 69 72 67

Разрушающее усилие, Н 32 54 59 55 53 64 55

Прочность при растяжении, МПа 26 45 54 55 45 50 44

Удлинение при разрушении, мм 2 1 1 0,5 2 3 1

Модуль упругости, МПа 3221 6833 9606 13150 5388 7252 4829

Работа разрушения, мДж 24 36 42 17 49 45 29

Жесткость при изгибе, мН-см 0,97 0,74 0,89 1,19 0,54 1Д1 0,91

Нулевая разрывная длина, м 5828 8030 11499 12218 6918 8391 8978

^варианты указаны на рисунке 5.

Влияние биополимерного покрытия на микрофлору и органолептнческие свойства клубники и малины. Установлено, что биополимерные покрытия благоприятно влияют на органолепгические свойства ягод. Результаты органолептического анализа представлены в таблице 6.

Как видно из данных, представленных в таблице 6, кукурузный и картофельный крахмал, присутствующие в покрытиях, способствуют

сохранению цвета и запаха, свойственных свежим ягодам. Однако биополимерные покрытия, в состав которых входит картофельный крахмал, плохо предохраняет свежие ягоды от размягчения и вялости. Покрытия, содержащие амилоиектин и декстрин, способствуют среднему сохранению цвета, запаха и консистенции свежих ягод клубники и малины.

Следует отметить, что ягоды малины, покрытые биополимерами, содержащими оба вида крахмала, амилопектин и декстрин, на шестые сутки сохранили приятный внешний вид — вялость ягод отсутствовала.

Визуальный осмотр ягод клубники на шестые сутки хранения показал, что в контрольном образце 90 % ягод были поражены плесневыми грибами. В образцах клубники, покрытых кукурузным крахмалом, поражению плесневыми грибами подверглись около 10 % ягод. Клубника, покрытая картофельным крахмалом и декстрином, поражению плесневыми грибами подверглась на 35 %, покрытая амилопектином на 85 %. Следует отметить, что поражение плесневыми грибами ягод малины, покрытых биополимерами, содержащими оба вида крахмала, амилопектин, декстрин, при визуальном осмотре не наблюдалась.

Таблица 6 — Органолептическая оценка ягод клубники (к) и малины (м), покрытых биополимерами на б-ые сутки хранения при температуре + 4

°С

состав биопокрьгр»-"*"""' —ягода запах цвет консистенция вялость

к м к м к м к м

контроль (б/покрытия) 5 5 5 5 5 5 5 -

кукурузный крахмал + альгинат натрия (1:1) 1 2 1 1 1 2 1 -

картофельный крахмал + альгинат натрия (1:1) 2 1 2 2 4 4 4 -

амилопектин + альгинат натрия (1:1) 4 3 4 4 2 1 2 -

декстрин + альгинат натрия (1:1) 3 4 3 3 3 3 3 -

О влиянии биополимерного покрытия на естественную микрофлору ягод клубники и малины можно судить по численности микроорганизмов, представленных в таблице 7.

Как видно из представленных результатов, покрытие ягод биополимерами в основном, угнетает рост естественной микрофлоры

16

клубники и малины. Численность микроорганизмов на поверхности ягод при хранении до четырех суток соответствует нормам ГОСТ 29187-91.

На поверхности ягод, покрытых биополимерами, присутствуют микроскопические грибы р. Мисог. Следует отметить, что на поверхности ягод, не покрытых биополимерной пленкой кроме микроскопических грибов р. Мисог присутствуют микроскопические грибы р. ЛЫгориэ со спорангиями.

Кроме мицелиальных грибов естественная микрофлора ягод представлена стрептококками, коринебактериями и дрожжами. Развитие микрофлоры под биополимерным покрытием зависит от вида используемого биополимера. В общем случае микрофлора под биополимерной пленкой представлена дрожжами.

Таблица 7 - Число КОЕ на 4-ые и 8-ые сутки хранения на ягодах клубники и малины, покрытых биополимерными пленками_

Биополимерная пленка Клубника Малина

на 4-ые сутки на 8-ые сутки на 4-ые сутки на 8-ые сутки

Контроль 2,00x10' 72x10' 1,12x10" 19x10'

Кукурузный крахмал + альгинат натрия (1:1) О.ЗбхЮ3 20x107 0,49x103 6х107

Картофельный крахмал + альгинат натрия (1:1) 0,68x103 25х107 0,24x103 5x10 7

Амилопектин + альгинат натрия (1:1) 0,32x10' 11хЮ7 0,80x103 26x107

Декстрин + альгинат натрия (1:1) 1,80x10' 20x107 0,80x103 12х107

Установлено, что биополимерные покрытия способствуют сохранению органолегггических свойств свежих ягод клубники и малины. Показано, что покрытие ягод биополимерами в основном угнетает рост микроорганизмов. Отсутствие мицелиальных грибов р. Мисог под биополимерными покрытиями позволяет предположить наличие фунгицидной активности и барьерных свойств биополимерных покрытий по отношению к мицелиальным грибам.

Применение биомодифицированпого крахмала в производстве пленочных армированных материалов. Разработана технология биомодификации крахмала картофельного, которая использована в экспериментальных условиях предприятия ОАО

«Псшиграфкартон» (г. Балахна), при изготовлении пленочных материалов, армированных целлюлозой. Технологический процесс получения биомодифицированного крахмала картофельного и армированного целлюлозного материала представлен на рисунке 7.

Технология включает предварительную тепловую обработку картофельного крахмала (5 % СВ) при 90 °С, биомодификацшо крахмала картофельного при оптимальных условиях для пуплуланазы: t = 60 °С, pH среды 4,0 - 4,5. Расход ферментного препарата с активностью 1000 ASPU (кислотно-устойчивых пуллуланазных единиц) вводился в исследуемый раствор в расчете на 5.9 мг/г крахмала. Продолжительность обработки ферментным препаратом при постоянном перемешивании 2 часа до вязкости 2-3 мПа с.

Целлюлоза сульфатная предварительно размалывалась на мельнице до степени помола 50 ° ШР. Затем формовали волокнистую основу из суспензии целлюлозы концентрацией 0,5 %. Сформованный волокнистый материал обезвоживали под вакуумом и прессованием до влажности 70 %. Далее волокнистую основу пропитывали биомодифицированным крахмалом картофельным до соотношения крахмала к целлюлозе 1:1. Армированные пленочные материалы высушивались контактным способом при температуре 110 °С до влажности 8 %.

Для сравнения физико-механических свойств армированных пленочных материалов волокнистую основу пропитывали картофельным крахмалом, обработанным тепловым способом при температуре 90 °С.

Прочностные характеристики армированных материалов на основе биомодифицированного крахмала превосходили на 30 % прочностные характеристики армированных материалов на основе крахмала, обработанного при 90 °С. Прежде всего, следует отметить, высокие деформационные свойства полученных армированы материалов на основе биомодифицированного крахмала.

Рисунок 7 - Технологическая схема экспериментального производства биомодифицированного крахмала и армированного целлюлозой пленочного материала: 1 - реактор для тепловой обработки крахмала; 2 - центробежный насос; 3 - теплообменный аппарат для охлаждения суспензии крахмала; 4 - биореактор для модификации крахмала ферментом пуллуланазой; 5 - емкость для нейтрализации и хранения биомодифицированного крахмала; 6 - емкость для приготовления волокнистой суспензии из целлюлозы; 7 - мельница для размола целлюлозы; 8 - емкость для промежуточного хранения целлюлозной суспензии; 9 - вакуум-формующий аппарат; 10 - вакуум-насос; 11 -пресс валковый; 12 — ванна для пропитывания армирующей целлюлозной основы биомодифицированным крахмалом; 13 — контактное сушильное устройство.

Биомодифицированный крахмал является новым продуктом. Ожидаемый экономический эффект от применения биомодифицированного крахмала в производстве армированных целлюлозой пленочных материалов 5 тыс. руб. на 1 тонну готового продукта.

выводы

1. Установлено влияние ферментативной обработки крахмала картофельного, кукурузного, горохового и амилопектина кукурузного пуялуланазой на физико-механические свойства пленочных материалов. Показано, что ферментативная обработка пуллуяаназой приводит к увеличению прочностных характеристик пленочных материалов.

2. Показана возможность формования из водной среды пленочных материалов на основе растительных биополимеров: крахмала, амилопектина, белка, альгината натрия, целлюлозы.

3. Установлено, что электродиалю позволяет интенсифицировать разделение крахмала на амилозу и амилопектин при температуре 60 — 70 °С и получать пленочные материалы с высокими механическими свойствами. Обработка крахмала электродиализом является более эффективным по сравнению с тепловой обработкой крахмала при температуре 90 и120°С.

4. Показано, что ферментативные и тепловые способы обработки крахмала и амилопектина и применение волокон целлюлозы позволяют создавать пленочные материалы с высокими прочностными и деформационными свойствами.

5. Установлено, что биополимерные покрытия способствуют сохранению органолептических свойств свежих ягод клубники и малины. Покрытие ягод биополимерами угнетает рост микроорганизмов, что свидетельствует о барьерных свойствах биополимерных покрытий по отношению к микроорганизмам.

6. В условиях предприятия ОАО «Полиграфкартон» (г. Балахна) апробирована технология биомодификации крахмала картофельного при изготовлении пленочных материалов, армированных целлюлозой. Получены пленочные материалы с высокими прочностными и деформационными свойствами.

Основное содержание диссертации опубликовано в

следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Закирова А.Ш. Сравнительная оценка эффективности разделения картофельного крахмала на амилозу и амилопектин химическими методами / А.Ш. Закирова, Д.Ш. Ягофаров, A.B. Канарский, Ю.Д. Сидоров // Вестник Казанского технологического университета № 9. -Казань, 2010.-0,312 ал. (лично автором 0,078 пл.).

2. Закирова А.Ш. Применение метода элекгродиализа для разделения амилозы и амилопекпша картофельного крахмала // Д.Ш. Ягофаров, А.Ш. Закирова, A.B. Канарский, Ю.Д. Сидоров // Вестник Казанского технологического университета № 11. — Казань, 2010. — 0,312 п.л. (лично автором 0,078 п.л.).

3. Закирова А.Ш. Энзиморезистентность крахмала генетически модифицированного картофеля / Д.Ш. Ягофаров, А.Ш. Закирова, A.B. Канарский, Ю.Д. Сидоров // Вестник Казанского технологического университета №8. - Казань, 2011. - 0,375 п.л. (лично автором 0,093 П.Л.).

4. Закирова А.Ш. Применение фотоколориметрического метода для количественного определения амилозы в крахмале / А.Ш. Закирова, ДТП. Ягофаров, A.B. Канарский, Ю.Д. Сидоров // Вестник Казанского технологического университета № 10. - Казань, 2011. — 0,312 пл. (лично автором 0,078 пл.).

5. Закирова А.Ш. Влияние биополимеров на физико-механические свойства пленок / А.Ш. Закирова, A.B. Канарский, Ю.Д. Сидоров // Пищевая промышленность №10.- Москва, 2012. - 0,125 пл. (лично автором 0,041 пл.).

6. Закирова А.Ш. Фракционирование картофельного крахмала методом электродиализа / А.Ш. Закирова, Д.Ш. Ягофаров, AB. Канарский, Ю.Д. Сидоров // Хранение и переработка сельхозсырья №9. - Москва, 2012-0,25 пл. (лично автором 0,062 пл.).

7. Закирова А.Ш. Влияние биополимерного покрытия на микрофлору и органолептические свойства клубники и малины / А.Ш Закирова, З.А. Канарская, С.К Зарипова, A.B. Канарский // Вестник Казанского технологического университета №1. - Казань, 2013. - 0,437 пл. (лично автором 0,109 пл.).

8. Закирова А.Ш. Влияние ферментативной обработки крахмала картофельного на физико-механические свойства биопленок / А.Ш. Закирова, Т.Н. Манахова, A.B. Канарский, З.А. Канарская // Вестник Казанского технологического университета №6. - Казань, 2013. - 0,312 пл. (лично автором 0,078 пл.).

9. Закирова А.Ш Ферментативная модификация амилопекгаа / А.Ш. Закирова, A.B. Канарский, З.А. Канарская // Вестник Казанского

технологического университета №7. - Казань, 2013. - 0,312 пл. (лично автором 0,078 ал.).

10. Закирова А.Ш. Влияние ферментативной обработки горохового крахмала на физико-механические свойства биопленок / А.Ш. Закирова, Т.Н. Малахова, A.B. Канарский, З.А. Канарская // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий №2, - Воронеж, 2013. - 0,312 п.л. (лично автором 0,078 пл.).

Статьи и материалы конференций

1. Закирова А.Ш. Влияние крахмала на свойства биопленок / А.Ш. Закирова, З.А. Канарская, Е.В. Крякунова, A.B. Канарский // VII Московский международный конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Материалы конгресса).- Москва, 2013 - с. 76.

2. Закирова А.Ш. Создание биополимерных упаковочных материалов на основе крахмала / А.Ш. Закирова, A.B. Канарский /7 Научная сессия (Аннотация сообщений). — Казань, 2012 — с. 272.

3. Закирова А.Ш. Применение крахмала генетически модифицированного картофеля в производстве биопродуктов / Д.Ш. Ягофаров, А.Ш. Закирова, A.B. Канарский, A.M. Камионская, Л.А. Вассерман // XIX Международная конференция по крахмалу Москва-Краков (Сборник тезисов). - Москва, 2012 - с. 36.

4. Закирова А.Ш. Применение органических комплексообразователей для разделения амилозы и амилопектина картофельного крахмала / Д.Ш. Ягофаров, А.Ш. Закирова, A.B. Канарский, Ю.Д. Сидоров // XI международная конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнолопш» (Сборник тезисов и докладов). — Казань, 2010-с, 129.

Подписано в печать 20.09.2013 г. Форм. бум. 60x84 1/16. Печ. л. 1,5 . Тираж 120. Заказ №322.

Изготовлено в полиграфическом центре «Отечество» 420126, г.Казань, ул.Чистопольская, д.27а

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Закирова, Айгуль Шамилевна, Казань

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

04201364744 На пРавах рукописи

Закирова Айгуль Шамилевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БИОМОДИФИЦИРОВАННОГО КРАХМАЛА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Канарский Альберт Владимирович

Казань - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...........................................................................................4

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ............................................................7

1.1 Синтетические полимерные материалы.................................................7

1.2. Биоразлагаемые полимерные материалы..............................................9

1.2.1 Биополимерные материалы на основе синтетических полимеров и биополимеров....................................................................................12

1.2.2 Биополимерные материалы на основе микробиологически синтезированных полимеров................................................................20

1.2.3 Биополимерные материалы на основе природных полимеров..................23

1.2.4 Биополимерные материалы на основе искусственных полимеров, получаемых химической модификацией природных полимеров...................35

1.3 Потребительские свойства пленочных материалов................................39

1.4 Применение биополимеров для защиты свежих ягод от внешних факторов и

увеличения срока хранения...................................................................41

ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...........................48

2.1 Характеристика используемых материалов..........................................48

I

2.2 Метод получения пленочных материалов...........................................50

2.2.1 Методика определения эффективности разделения крахмала на амилозу и амилопектин тепловым способом..........................................................50

2.2.2 Методика ферментативного получения высокомолекулярных декстринов......................................................................................53

2.2.3 Методы формования пленочных материалов......................................55

2.3 Методы испытания пленочных материалов..........................................57

2.3.1 Испытания на прочность при разрыве...............................................57

2.3.2 Испытания на изгиб.....................................................................59

2.4 Метод покрытия ягод пленками........................................................60

2.5 Методы микробиологического анализа...............................................61

2.6 Статистические методы обработки результатов.....................................61

ГЛАВА 3 ВЛИЯНИЕ БИОПОЛИМЕРОВ НА СВОЙСТВА ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ...............................................................................62

3.1 Определение влияния вида биополимеров на физико-механические свойства пленочных материалов.......................................................................62

3.2 Определение влияния тепловой обработки на эффективность разделения

крахмала на амилозу и амилопектин.......................................................67

3.2.1 Определение влияния тепловой обработки на эффективность разделения

крахмала на амилозу и амилопектин химическим методом...........................67

3.2.20пределение влияния тепловой обработки на эффективность разделения

крахмала на амилозу и амилопектин электрохимическим методом..................69

3.2.3 Определение влияния биомодификации на вязкость крахмала и образование линейных полимеров..........................................................71

ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ ВИДА КРАХМАЛА И СПОСОБА ЕГО ОБРАБОТКИ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ....80

4.1 Влияние ферментативной обработки амилопектина на физико-механические свойства пленочных материалов.............................................................80

4.2 Влияние ферментативной обработки картофельного, кукурузного и горохового крахмала на физико-механические свойства биопленок................86

4.3 Влияние тепловой обработки картофельного, кукурузного и горохового

крахмала на физико-механические свойства биопленок................................94

4.3.1 Влияние обработки крахмала методом электродиализа на физико-

механические свойства пленочных материалов.........................................109

4.4Физико-механические свойства биопленок, армированных

биоволокнами целлюлозы....................................................................117

4.5 Применение биомодифицированного крахмала в производстве пленочных

армированных материалов..................................................................121

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ БИОПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ НА МИКРОФЛОРУ

И ОРГАНОЛЕПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЯГОД.....................................125

Выводы..........................................................................................129

Список используемой литературы.........................................................130

Приложение 1.................................................................................146

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время взоры ученых, инженеров и промышленников во всем мире обращены на создание и применение в качестве упаковки, в том числе и для пищевых продуктов, биоразлагаемых пленочных материалов. Наблюдается два основных направления в создании биоразлагаемых пленочных материалов. По одной из технологий предусматривается применение в качестве компонентов синтетических полимеров и биополимеров, по другой технологии предусматривается изготовление упаковочных материалов на основе только биополимеров. Последнее направление является наиболее предпочтительным при получении пленочных материалов для упаковки пищевых продуктов [1 - 5].

Биополимеры изготовляются из растительного сырья, которое является возобновляемым. Их производство менее энергоемко по сравнению с синтетическими полимерами. Биополимеры биологически безопасны для человека. Упаковочные материалы на основе биополимеров уменьшают антропогенную нагрузку на окружающую среду, являются биодеградируемыми в естественных условиях и, что очень важно, возможна их вторичная переработка с незначительными энергетическими затратами. Особенно следует отметить перспективность применения для получения пленочных материалов крахмала, как доступного по стоимости и возобновляемого биополимера [6, 7, 2].

В технологии получения биоразлагаемых полимерных материалов используют горячее формование, экструзию, литьевое и выдувное формование. Однако биополимеры получают из сырья растительного происхождения в водной среде и для их применения в данных технологиях необходимо высушивать, что приводит к необратимому изменению их физических и химических свойств, что отрицательно сказывается на потребительских свойствах пленочных материалов. Кроме того, предварительное высушивание биополимеров вызывает удорожание

пленочных материалов. При этом альтернативные технологии по производству пленочных материалов на основе крахмала и в частности их формование из водной среды, в настоящее время отсутствуют. В ранее проведенных работах рассмотрены свойства пленочных материалов на основе синтетических гидрофильных полимеров [42].

Следует отметить, что в настоящее время по ряду причин, в том числе рассмотренных выше, в общем объеме упаковочных материалов биополимерные материалы не превышают 1 %, что обусловлено несовершенной технологией [8, 9].

В этой связи, изучение влияния вида биополимеров и способов их обработки на свойства пленочных материалов, сформованных из водной среды, является актуальным и своевременным.

Цель работы — разработка технологии биомодифицированного крахмала для производства пленочных материалов.

Для достижения данной цели поставлены следующие задачи:

исследование влияния ферментативного способа обработки амилопектина на физико-механические свойства пленочных материалов;

- обоснование применения ферментативного способа обработки крахмала картофельного, кукурузного и горохового в технологии производства пленочных материалов;

- определение влияния теплового способа обработки крахмала на физико-механические свойства пленочных материалов;

- изучение взаимосвязи физико-механических свойств пленочных материалов со свойствами биополимеров растительного происхождения;

апробация технологии производства биомодифицированного крахмала;

- оценка органолептических и микробиологических свойств свежих ягод, покрытых биополимерной пленкой.

Научная новизна. Впервые показано, что биомодифицированный пуллуланазой крахмал картофельный, кукурузный, гороховый и амилопектин

кукурузный приводит к увеличению прочностных характеристик пленочных материалов.

Показана возможность формования из водной среды пленочных материалов на основе растительных биополимеров: биомодифицированного крахмала, амилопектина, белка, альгината натрия, целлюлозы.

Установлено, возможность повышения механической прочности пленочных материалов обработкой электродиализом крахмала картофельного при температуре 60 - 70 °С.

Практическая значимость. Биомодификацию кукурузного, картофельного и горохового крахмала, амилопектина пуллуланазой, целесообразно использовать в технологии производства пленочных материалов, формуемых из водной среды. Ферментативная обработка позволяет использовать крахмал в составе пленочных материалов взамен дорогостоящих биополимеров, в частности крахмала, полученного химическим методом модификации.

Для получения пленочных материалов с высокими механическими и заданными деформационными свойствами рекомендуется применение биомодифицированного крахмала и волокон целлюлозы.

В условиях предприятия ОАО «Полиграфкартон» (г. Балахна) апробирована технология биомодификации крахмала картофельного при изготовлении пленочных материалов, армированных целлюлозой. Получены пленочные материалы с высокими прочностными и деформационными свойствами.

Биопленки из кукурузного, картофельного крахмала и амилопектина рекомендуется использовать для покрытия свежих ягод.

Основные положения диссертационного исследования используются в учебном процессе подготовки бакалавров по специальности 240700 «Биотехнология».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертационное исследование соответствует п. 2, 7 паспорта специальности 03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2010), XIX международной конференции по крахмалу, Москва-Краков (Москва), Научная сессия КНИТУ (Аннотация сообщений) (Казань, 2012), VII Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 10 статей в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, экспериментальных результатов и их обсуждения, выводов и библиографического списка, содержащего 154 источников. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста и включает в себя 28 таблиц, 59 рисунков.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 Синтетические полимерные материалы

Синтетические полимерные материалы используются в различных областях деятельности человека. Основным источником сырья для производства синтетических полимеров являются углеводороды: нефть и газ. Синтетические полимеры создают с заданными физическими и химическими свойствами. Это, пожалуй, главное преимущество синтетических полимеров, из которых изготовлены более ста тысяч различных видов продукции, используемых в жизни современного человека [1].

Производство синтетических полимерных материалов на современном этапе развития промышленности возрастает в среднем на 5 - 6 % ежегодно. Потребление пластмасс на душу населения в индустриально развитых странах за последние 20 лет удвоилось, достигнув 85 - 90 кг, к концу текущего десятилетия как полагают, эта цифра повысится на 45 - 50 % [2].

Промышленность изготовляет около 150 видов синтетических полимерных материалов в виде пластиков, 30 % из них являются гетерогенными по составу. Для достижения определенных свойств, лучшей переработки в полимеры вводят более 20 химических добавок, которых относятся к токсичным веществам. Производство добавок непрерывно возрастает и в настоящее время составляет более 7500 т [3, 4].

Одним из быстроразвивающихся направлений использования пластмасс является упаковка [7, 8, 9]. Из всех выпускаемых пластиков 41 % используется в упаковке, из этого количества 47 % расходуется на упаковку пищевых продуктов. Для этих целей используют вакуумные пленки, экструзионные полимерные пленки, поливинилхлоридные пленки, неориентированные полипропиленовые пленки, двухосноориентированные (изотропные) полистирольные пленки. Низкая цена и эстетическая привлекательность являются определяющими условиями ускоренного роста использования пластических масс при изготовлении упаковки [10, 11].

Однако синтетические упаковочные материалы имеют существенные недостатки. В частности, для их производства используется углеводородное сырье, запасы которого являются ограниченными в природе и не возобновляются. Производство мономеров и получение самих синтетических полимеров относятся к энергоемким технологиям. Более того синтетические полимеры при контакте с пищевыми продуктами склонны загрязнять их остаточными мономерами, которые не вступили в реакцию при синтезе полимеров [1]. С увеличением производства синтетических полимерных материалов растет проблема их утилизации. После эксплуатации пластики

неизбежно попадают в окружающую среду и ведет к экологическому кризису [2, 6, 7].

После объективной оценки ситуации, сложившейся с производством и применением синтетических полимерных материалов, учеными и инженерами сделан вывод о необходимости придания биодеградируемости синтетическим материалам [12].

1.2. Биоразлагаемые полимерные материалы

Биополимеры — это природные или биосинтетические высокомолекулярные соединения, являющиеся основой всех живых организмов — растений и животных. К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и их производные. Известны также композиции из биополимеров, например липопротеиды (комплексы, содержащие белки и липиды), гликопротеиды (соединения, в молекулах которых олиго- или полисахаридные цепи ковалентно связанные с пептидными цепями белков), липополисахариды (соединения, молекулы которых построены из липидов, олиго- и полисахаридов) [13].

В отличие от большинства пластмасс, биоразлагаемые полимеры могут расщепляться в условиях окружающей среды микроорганизмами: бактериями и грибами. Полимер, как правило, считается биоразлагаемым, если вся его масса разлагается в почве или воде за шесть месяцев. Во многих случаях продуктами распада являются углекислый газ и вода. Любые другие продукты разложения или остатки должны исследоваться на наличие токсичных веществ и безопасность [14].

Важным фактором, который определяет стойкость полимера к биоразложению, является его молекулярная масса. В то время как мономеры или олигомеры могут быть поражены микроорганизмами и служат для них источником углерода, полимеры с большой молекулярной массой устойчивы к действию микроорганизмов. Биодеструкцию большинства технических

полимеров, как правило, инициируют процессами небиологического характера (термическое и фотоокисление, термолиз, механическая деградация). Упомянутые деградационные процессы приводят к снижению молекулярной массы полимера. При этом возникают низкомолекулярные биоассимилируемые фрагменты, имеющие на концах цепи гидроксильные, карбонильные или карбоксильные группы [11, 15].

Не менее значимым фактором, оказывающим влияние на биодеградацию, является надмолекулярная структура синтетических полимеров. Компактное расположение структурных фрагментов полукристаллических и кристаллических полимеров ограничивает их набухание в воде и препятствует проникновению ферментов в полимерную матрицу. Это затрудняет воздействие ферментов не только на главную углеродную цепь полимера, но и на биоразрушаемые части полимера. Аморфная часть полимера всегда менее устойчива к биодеструкции, чем кристаллическая [15, 16].

В настоящее время считают, что единственный способ решить проблему полимерного мусора в окружающей человека среде - это создать полимерные материалы, пригодные при соответствующих условиях подвергаться биодеградации, то есть биоразложению с образованием безвредных для живой и неживой природы веществ. Подобные исследования ведутся и направлены на использование в качестве исходных составляющих в полимерных материалах биополимеров [17].

Существует несколько классификаций подходов в решении проблемы утилизации полимеров. В частности, авторы [18] выделяют четыре основных подхода:

1. Селекция специальных штаммов микроорганизмов, способных осуществлять деструкцию полимеров. Данное направление увенчалось успехом только в от