XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Наше будущее: биологически разлагаемая (компостируемая) плёнка

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Катяков В.К. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №47» г. Чебоксары

Федорова Л.Ф. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №47» г. Чебоксары

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. ВВЕДЕНИЕ

В последнее время в мире активно обсуждаются вопросы запрета использования синтетических плёнок, которые широко используются во всем мире для упаковки пищевых продуктов, из-за их отрицательного влияния на окружающую среду. В мире накопилось огромное количество отходов из синтетических материалов, которые практически не разлагаются (пакеты из полиэтиленовой пленки производят из нефти, и время их разложения составляет около 1000 лет, или 40 поколений). От него гибнут животные и на суше и в воде. Я решил выяснить, можно ли найти альтернативу полиэтиленовым плёнкам. Так появилась тема моего исследования: «Наше будущее: биологически разлагаемая (компостируемая) плёнка».

Актуальность исследования: одним из путей решения «мусорной катастрофы» является отказ или частичная замена полиэтилена плёнками из натуральных загустителей, безвредными для природы.

Целью исследования является самостоятельное создание биологически разлагаемой (компостируемой) плёнки на основе натуральных загустителей, которая не будет наносить вред окружающей природе, и оценка некоторых свойств полученного продукта.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. получить образцы биологически разлагаемых (компостируемых) плёнок на основе натуральных загустителей;

2. изучить свойства полученных плёнок и сравнить их со свойствами синтетических полимерных плёнок;

3. изучить влияние биоплёнки на сохранность продуктов;

4. подсчитать стоимость производства биоплёнки.

Объектом исследования: биоплёнки на основе натуральных загустителей.

Предмет исследования: принципы получения биоплёнок на основе натуральных веществ.

Гипотеза исследования: на основе натуральных загустителей могут быть получены биологически разлагаемые (компостируемые) плёнки.

Методы исследования: изучение литературы и материалов сайтов Интернета, сбор информации, самостоятельное приготовление образцов биоплёнок, химические анализы, описание и анализ свойств полученных пленочных материалов, обобщение данных.

2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Под термином «биоразлагаемый» понимают способность материала разрушаться под воздействием окружающей среды. Биоразлагаемая упаковка может быть изготовлена из ископаемых ресурсов (из нефти со специальными добавками, которые ускоряют разложение) и из натурального и возобновляемого сырья (крахмал, целлюлоза, коллаген, хитин, желатин, агар-агар и др.) [2]. Плёнку, приготовленную на основе натурального сырья, также называют компостируемой плёнкой. В условиях компостирования они разлагаются на диоксид углерода, воду, неорганические соединения и биомассу и не приводят к образованию токсичных отходов. Плёнки из ископаемых ресурсов (оксоразлагаемые пакеты) распадаются на пластиковые фрагменты, которые со временем превращаются в микропластик, попадают в землю, воду и организм людей [3].

В этой работе мы решили рассмотреть возможность создания плёнок из натуральных ингредиентов: крахмала, желатина и агар-агара.

Крахмал – это растительный продукт, получаемый из крахмалосодержащего зернового сырья (кукурузы, пшеницы, риса) и корнеклубневого сырья (картофель, маниока) и других растений. Товарный чистый крахмал по внешнему виду представляет собой белоснежный сыпучий порошок, состоящий из мельчайших зерен.

Выбор крахмала в качестве основы для создания композиционных полимерных материалов обусловлен рядом причин:

– доступностью и практически неисчерпаемой сырьевой базой;

– наличием полезных свойств, которые отсутствуют у синтетических полимеров;

– возможностью обработки на станках переработки пластмасс.

Для получения разрушаемой бактериями водорастворимой пленки из смеси крахмала состав вводят пластификаторы: глицерин или полиоксиэтиленгликоль [4].

Применяется в пищевой, целлюлозно-бумажной, фармацевтической промышленности.

Желатин – это пищевой белок (коллаген) животного происхождения. Представляет собой твердый измельченный продукт светло-желтого цвета, без запаха и вкуса, обладающий прекрасными влагоудерживающими и желирующими способностями. Применяется в пищевой промышленности, фармацевтической промышленности, полиграфии [5].

Агар-агар - это органическое вещество растительного происхождения, которое получают из морских водорослей Белого моря и Тихого океана. Агар-агар выпускается в виде гранул, порошка или пластинок. Цвет может варьироваться от почти белого до светло-желтого. Не имеет вкуса и запаха. Агар-агар безвреден для человека, абсолютно не токсичен. Применяется в пищевой промышленности, в медицине, в микробиологии [6].

2.1 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В практической части исследования мы получили несколько видов плёнок, оценили их качества и сравнили их свойства.

Для работы применялись следующие реактивы и оборудование:

- реактивы: дистиллированная вода, глицерин пищевой, крахмал картофельный, желатин пищевой, агар-агар пищевой;

- оборудование: весы портативные с высоким классом точности, цилиндр мерный стеклянный, пробирки стеклянные, чаши Петри, пипетки, стеклянная палочка для перемешивания, пинцет, стаканчики.

2.1.1 Получение плёнки на основе картофельного крахмала

Для первого образца мы смешали 85мл дистиллированной воды, 5мл глицерина, нагрели эту смесь до кипения. Затем добавили 10г картофельного крахмала, быстро перемешали, пока смесь не стала однородной. Часть полученного горячего раствора вылили на чашу Петри, остальную часть вылили на стеклянную форму и оставили для высыхания.

В следующих образцах поменяли соотношение компонентов.

Через 72 часа оценивали свойства, структуру, форму, поверхность, цвет, запах плёнок. Результаты занесли в таблицу №3.

2.1.2 Получение плёнки на основе агар-агара

В пронумерованных стаканчиках смешали 100мл дистиллированной воды, 2,5мл глицерина, 1 ч.л. агар-агара. Смесь оставили для набухания на 30мин, затем перемешали и нагрели на среднем огне. После полного растворения агар-агара, часть однородной массы вылили на чашу Петри [6].

В параллельных образцах поменяли соотношение компонентов.

Через 72 часа оценили свойства и результаты записали в таблицу №3.

2.1.3 Получение плёнки на основе желатина

В первом образце 10г желатина растворили в 85 мл дистиллированной воды. Смесь нагревали на водяной бане до полного растворения в течении 15 минут, не доводя до кипения (до вспенивания). Добавили 5 мл глицерина и перемешали. Часть однородной массы перенесли на чашу Петри, остальную часть вылили на стеклянную форму и оставили для высыхания [5].

В следующих образцах поменяли соотношение компонентов.

Через 72 часа оценили свойства и результаты записали в таблицу №3.

2.1.4 Оценка взаимодействия с водой

Образцы плёнок нарезали мелкими кусочками размером 10х10мм и поместили в пронумерованные пробирки с теплой водой, закрыли крышками. Каждый день рассматривали образцы.

Образцы на основе желатина (№7,8,9) растворились в воде в течении 3 дней.

Образцы на основе крахмала (№1,2,3) на 5 день распались на фрагменты.

Образцы на основе агар-агара (№4,5,6) в течении всего периода проведения наблюдения (более 30 дней) не растворились.

2.1.5 Оценка температурного взаимодействия

Образцы плёнок нарезали кусочками размером 20х20мм и поместили в морозильную камеру на 24 часа. Все образцы не изменили своих свойств, указанных в таблице №3. Свойство хрупкости не подтвердилось.

Для изучения свойств плёнок при высоких температурах образцы плёнок размерами 20х20мм поместили на 15 минут в духовой шкаф, нагретый до температуры 100⁰С.

Образцы на основе крахмала (№1,2,3) сохранили форму и размеры, стали прочнее.

Образцы на основе агара (№4,5,6) форму изменили, расплавились на 10%.

Образцы на основе желатина (№7,8,9) растаяли, потеряли форму, №№7 и 8 закипели.

2.1.6 Оценка биологической разлагаемости (компостирования) полученных плёнок

Для оценки способности к разложению образцы полученных плёнок нарезали мелкими кусочками размером 10х15мм, поместили в ёмкости с почвой объёмом 750мл. В ёмкость №1 были помещены образцы на основе картофельного крахмала (№1,2,3), в ёмкость №2 – образцы на основе агар-агара (№4,5,6), в ёмкость №3 – образцы на основе желатина (№7,8,9). Каждые 2-3 дня осуществляли полив. Осмотр плёнок проводили каждые 7 дней.

Образцы на основе картофельного крахмала и желатина растворились в течении 7 дней.

Образцы №4,6 на основе агар-агара в течении 14 дней, образец №5 в течении 45 дней.

2.1.7 Химическое разложение (горение) плёнок

Образцы полученных плёнок, и для сравнения синтетические (полиэтиленовый мешок) и натуральные материалы (офисная бумага) подожгли. Наблюдали, образец горит или плавится, происходит ли образование дыма и копоти, какого цвета дым, если он есть, что собой представляет остаток после сжигания, результаты занесли в таблицу 1.

Таблица 1

Проба на горение натуральных и синтетических материалов

2.1.8 Получение плёнок с антигрибковым эффектом

Мы решили проверить как будут храниться продукты питания в полученных нами образцах натуральных плёнок, а также сравнить полученный результат с образцами, упакованными в полиэтиленовую плёнку и образцами без плёнки.

Для проведения эксперимента выбрали рецепты на основе пищевого желатина. Для придания плёнкам противомикробного эффекта использовали фурацилин (№2), хлоргексидин (№3), йод (№4), перманганат калия (№5), цветки ромашки (№6).

Проверяемые продукты питания: яблоко, перец сладкий, картофель, сыр твёрдых пород. Продукты нарезали мелкими кусочками.

За основу был выбран рецепт №8 из первой стадии эксперимента (№1). В приготовленные смеси окунали кусочки продуктов и размещали в пронумерованные чаши Петри. Чашки расположили на подоконнике, все образцы находились в одинаковых условиях. Результаты занесены в таблицу 2.

Таблица 2

Результаты наблюдения за состоянием продуктов

Первые признаки порчи продуктов появились в образце №7. Первая плесень на образцах появилась на 6 сутки на образце №8 (укрытый полиэтиленовой плёнкой), на образцах №1-6 плесень в течении всего наблюдения (10 суток) не появилась. Биоплёнки на основе желатина обеспечили хорошую сохранность продуктов. Наилучшие защитные свойства показал образец №4.

2.2 Экономический расчёт

Мы решили посчитать себестоимость плёнок и сравнить со стоимостью полиэтиленовых упаковок. Средняя рыночная стоимость 1 прочного полиэтиленового пакета размером 20х30см -9,86 руб. Стоимость биологически разлагаемого пакета – 13,35 руб.

Для приготовления пакета из крахмала размерами 20х30мм нам потребуется 26,48 руб.:

- крахмал 20 г –10,90 руб. (200 г -109 руб.).;

- глицерин 15мл – 3,59 руб. (1000мл -239 руб.);

- дистиллированная вода 270мл – 11,99 руб. (5л -222 руб.).

Для приготовления пакета из желатина размерами 20х30мм нам потребуется 216,30 руб.:

- желатин 45 г – 202,05 руб. (10г -44,90 руб.);

- глицерин 15мл – 3,59 руб. (1000мл -239 руб.);

- дистиллированная вода 240мл – 10,66 руб. (5л -222 руб.).

Для приготовления пакета из агар-агара размерами 20х30мм нам потребуется 120,56 руб.:

- агар-агар 15 г – 104,98руб. (10г -69,99 руб.);

- глицерин 15мл – 3,59 руб. (1000мл -239 руб.);

- дистиллированная вода 270мл – 11,99 руб. (5л -222 руб.).

Да, стоимость изготовления биологически разлагаемых (компостируемых) плёнок в разы выше, но сохранение природы необходимо не только для нашего благополучия сегодня, но и для будущих поколений.

1. 3. Практическая значимость

Из предлагаемых нами пленок можно сделать обложки для тетрадей и книг, использовать вместо скоросшивателей, пакетов для хранения продуктов и товаров.

Эти пленки способны решить глобальную проблему пластикового загрязнения. Такие пленки разлагаются естественным путем, не выделяя при этом опасный микропластик в окружающую среду.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, мы добились той цели, которую ставили перед собой в начале исследования – самостоятельно создали биологически разлагаемые (компостируемые) плёнки на основе натуральных загустителей, которые не наносят вред окружающей природе, и оценили их свойства.

Таким образом, мы полностью подтвердили выдвинутую нами в начале исследования гипотезу о том, что на основе натуральных загустителей могут быть получены биологически разлагаемые (компостируемые) плёнки.

На основании практической части мы сделали вывод, что:

- на основе натуральных ингредиентов можно получать экологически безопасные плёнки для упаковки продуктов питания, использования в бытовых целях, создания обложек для тетрадей и книг;

- меняя соотношение загустителя (крахмала, агар-агара, желатина) можно получать плёнки с разными свойствами и характеристиками;

- добавляя антисептические вещества можно придать плёнкам противомикробные свойства;

- добавляя пищевые красители можно придать плёнкам различные оттенки;

- плёнки из натуральных ингредиентов подвергаются биологическому и химическому разложению, поэтому не будут загрязнять природу, как пластиковый мусор.

Список использованных источников информации

1. www.proza.ru –интернет-портал. Страшная полиэтиленовая зараза.

2. www.hij.ru – Химия и жизнь, научно-популярный журнал. Пластики биологического происхождения.

3. www.gastronom.ru –интернет-портал. Вся правда о биоразлагаемых пакетах.

4. Лонг Ю. Биоразлагаемые полимерные смеси и композиты из возобновляемых источников./ Под ред. Лонг Ю. Пер. с англ. –Спб: Научные основы и технологии, 2014 -464с.

5. Сергазиева О.Д., Долганова Н.В. Применение пленок на основе желатина для сохранения качества пищевых продуктов: Техника и технология пищевых производств, том 48 №1, 2018 -172с.

6. Зинина О.В., Меренкова С.П., Вишнякова Е.А. Технологии получения пищевых пленочных покрытий на основе различных структурообразователей: Аграрная наука. 2023 -368 с

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Реактивы и оборудование для проведения исследования

Приложение 2. Получение плёнки на основе картофельного крахмала

Приложение 3. Получение плёнки на основе агар-агара

Приложение 4. Получение плёнки на основе желатина

Приложение 5. Оценка взаимодействия с водой

Приложение 6. Оценка взаимодействия с горячей температурой

Приложение 7. Оценка взаимодействия с холодом

Приложение 8. Оценка биологической разлагаемости (компостирования)полученных плёнок

Приложение 9. Химическое разложение (горение) плёнок

Приложение 10. Получение плёнок с антигрибковым эффектом

Приложение 11 Таблица 3

Свойства и характеристики образцов биоплёнок

Приложение 12. Разнообразие полученных биоплёнок