XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Альтернатива пластику: разработка и тестирование биоразлагаемой посуды из композитного материала с яичным белком

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Лукошко В.А. 1Сойко П.Р. 1

---

1ГУО "Минское областное кадетское училище"

Канонович Л.Е. 1Горелько С.В. 1

---

1ГУО "Минское областное кадетское училище"

Работа в формате PDF

696.2 KB

Введение

Актуальность исследования. Проблема пластикового загрязнения планеты является одной из наиболее острых экологических угроз современности. Ежегодно в мире производится около 400 миллионов тонн пластика, значительная часть которого после кратковременного использования образует отходы, сохраняющиеся в окружающей среде сотни лет [5]. Одноразовая пластиковая посуда, ввиду своего массового потребления и низкой степени переработки, составляет весомую долю этого загрязнения, нанося ущерб экосистемам и здоровью человека. В свете этого поиск и разработка экологичных, биоразлагаемых и нетоксичных альтернатив традиционным пластмассам становятся важнейшей научно-практической задачей, отвечающей принципам устойчивого развития.

Одним из перспективных направлений является создание биопластиков и композитных материалов на основе возобновляемого природного сырья, способных к быстрому разложению в естественных условиях [4, 5]. Среди разнообразия природных полимеров особый интерес представляет яичный белок (альбумин). Он является доступным, возобновляемым ресурсом и обладает уникальными свойствами: при денатурации (например, при нагревании) белки образуют прочную трёхмерную сетчатую структуру, что делает альбумин эффективным биосвязующим для композитов [1, 3]. Исторические примеры, такие как использование яичного белка в строительных растворах, подтверждают его долговечность и устойчивость [3]. Современные исследования демонстрируют возможность создания на его основе биопластиков с заданными механическими свойствами [1] и даже антибактериальными характеристиками [7]. Более того, уже существуют практические проекты по изготовлению предметов посуды из подобных материалов, что доказывает техническую осуществимость идеи [2].

Однако, несмотря на доказанный потенциал, разработка полноценной биоразлагаемой посуды требует оптимизации рецептур композитных материалов. Ключевой задачей является поиск такого сочетания яичного альбумина с природными наполнителями (например, растительными волокнами) и пластификаторами, которое обеспечит изделию достаточную механическую прочность, низкое водопоглощение для практического использования и максимальную скорость биодеградации после утилизации.

Целью данной исследовательской работы является разработка рецептур и изготовление опытных образцов биоразлагаемого материала на основе яичного белка, а также сравнительное тестирование их ключевых эксплуатационных свойств.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Изучить современное состояние проблемы пластикового загрязнения и перспективы использования биопластиков на основе белков.

2. Подобрать доступные компоненты (наполнители, пластификаторы) и разработать несколько рецептур композитных смесей на основе яичного альбумина.

3. Изготовить из полученных смесей плоские образцы-пластины, моделирующие материал будущей посуды.

4. Провести сравнительные лабораторные тесты образцов на механическую прочность, водостойкость и оценить их способность к биоразложению в моделируемых естественных условиях.

5. Проанализировать полученные результаты, выявить оптимальный состав и сформулировать рекомендации по его возможному применению.

Объектом исследования выступают композитные материалы на основе денатурированного яичного белка с растительными наполнителями.

Предметом исследования являются физико-механические свойства (прочность, водостойкость) и экологические характеристики (способность к биоразложению) полученных композитных материалов.

Гипотеза исследования: Предполагается, что путём комбинации яичного альбумина с природными наполнителями и пластификаторами можно получить материал, обладающий достаточной для одноразовой посуды механической прочностью и значительно превосходящий традиционный пластик по скорости биологического разложения в почве.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. Состав и функциональные свойства куриного яичного белка

Куриный яичный белок (альбумин) представляет собой сложную многокомпонентную систему, которая, помимо высокой питательной ценности, обладает уникальными технологическими свойствами, делающими его перспективным сырьём для создания новых материалов. По массе белок составляет около 58% от общего объёма яйца и на 88-90% состоит из воды. Сухой остаток, который является основой для формирования материала, почти целиком представлен белками — их содержание достигает 10.5-11.1% от массы свежего белка или около 81% в пересчёте на сухое вещество [15, 16, 17]. Жиров и углеводов содержится минимальное количество (менее 1%), что способствует стабильности и длительному хранению производных материалов [15, 17].

Главная особенность яичного белка — неоднородность его белкового состава. Он представляет собой смесь различных протеинов, каждый из которых вносит свой вклад в функциональные свойства:

• Овальбумин (54%): является основным фосфогликопротеином. Относительно устойчив к нагреванию (температура денатурации около 84°C), но легко денатурируется под механическим воздействием. В процессе хранения переходит в более стабильную S-форму, что влияет на его свойства [11, 17].

• Овотрансферрин (12%): гликопротеин, обладающий способностью связывать ионы металлов (железо, цинк, медь), образуя окрашенные комплексы. Эта способность может быть использована для модификации свойств материала. Более чувствителен к нагреву, чем овальбумин [11, 15].

• Овомукоид (11%): термостабильный гликопротеин, являющийся основным аллергеном яйца. Обладает ингибирующей активностью по отношению к трипсину [11].

• Лизоцим (3.4%): фермент, способный разрушать клеточные стенки грамположительных бактерий, придавая материалу на основе белка антимикробные свойства [11, 17].

• Овомуцин (3.5%): гликопротеин, ответственный за гелеобразную, вязкую структуру плотного белка. Играет ключевую роль в формировании сетчатой структуры при коагуляции [17].

Наиболее важными для создания композитного материала являются гелеобразующие и плёнкообразующие свойства яичного белка. При нагревании выше температуры денатурации белковые молекулы разворачиваются, обнажая гидрофобные участки и активные функциональные группы. После этого они агрегируют, формируя трёхмерную сетчатую структуру, которая захватывает воду и другие компоненты, образуя прочный гель или плёнку [15]. Этот процесс лежит в основе создания связующей матрицы для композита. Другой ключевой характеристикой является способность к пенообразованию при механическом взбивании, что связано с денатурацией белков на границе раздела воздух-вода и образованием стабильной структуры, удерживающей воздух [17]. Данное свойство теоретически может быть использовано для создания лёгких, пористых материалов.

Таким образом, комплекс белков яичного альбумина представляет собой природный, возобновляемый и биосовместимый полимерный ресурс с выраженными структурно-формирующими свойствами, что определяет его потенциал в качестве матрицы для биоразлагаемых композитов.

2.2. Природные наполнители для композитов: классификация и свойства

Природные наполнители (армирующие агенты) вводятся в полимерную матрицу для улучшения её механических, термических свойств, снижения стоимости и увеличения скорости биодеградации конечного материала. Для создания экологичных композитов особенно актуальны наполнители из возобновляемых источников, часто являющиеся отходами сельского и лесного хозяйства.

По форме и размеру частиц наполнители можно разделить на дисперсные (порошкообразные) и волокнистые. В контексте данной работы наибольший интерес представляют следующие виды (таблица 1):

Таблица 1

Природные наполнители

Применение волокнистых наполнителей требует учёта критической длины волокна (Lкр). Это минимальная длина, при которой напряжение от матрицы полностью передаётся волокну, и оно разрушается, а не выдёргивается из матрицы. Только при L > Lкр волокно реализует свой максимальный упрочняющий потенциал [9]. Для натуральных волокон, подобных целлюлозным, эта длина обычно составляет несколько миллиметров.

Таким образом, комбинирование яичного белка (как связующей матрицы) с природными наполнителями позволяет создать гибридный материал, свойства которого (прочность, жёсткость, гидрофильность, скорость разложения) можно целенаправленно регулировать, изменяя тип, размер и содержание наполнителя.

2.3. Композитные материалы и биопластики: основные понятия и классификация

Композитный материал (композит) — это искусственно созданная неоднородная система, состоящая из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. Компоненты различаются по свойствам и в сочетании дают материал с новыми характеристиками, недостижимыми для каждого компонента в отдельности. Типичная структура композита включает:

1. Матрицу (связующее) — непрерывную фазу, которая обеспечивает монолитность материала, передаёт нагрузку на наполнитель и защищает его от внешних воздействий. В данной работе матрицей служит денатурированный яичный белок.

2. Упрочняющий наполнитель (арматуру) — диспергированную фазу, вводимую для улучшения механических, физических или эксплуатационных свойств матрицы [9]. В нашем случае это дисперсные или волокнистые природные материалы.

Биопластики — это широкая категория материалов, которые могут быть определены по двум, не всегда взаимосвязанным, признакам:

• Биологическое происхождение сырья: Материалы, полностью или частично произведённые из возобновляемого биологического сырья (растительных масел, крахмала, целлюлозы, белков) [10].

• Биоразлагаемость: Способность материала под действием микроорганизмов (бактерий, грибов) в определённых условиях распадаться на воду, диоксид углерод, метан и биомассу [10].

Важно подчеркнуть, что эти понятия не являются синонимами. Существуют биопластики из природного сырья, которые не разлагаются (например, биополиэтилен), и, наоборот, биоразлагаемые пластики, синтезированные из нефтехимии (например, некоторые полиэфиры) [10].

К биоразлагаемым полимерам природного происхождения относят полилактиды (PLA), полигидроксиалканоаты (PHA), а также материалы на основе крахмала, целлюлозы и белков [10]. Предлагаемый в исследовании материал на основе яичного белка и растительных наполнителей относится именно к категории биокомпозитов — композитных материалов, где и матрица, и наполнитель имеют природное происхождение и, следовательно, потенциал к полной биоразлагаемости.

На скорость и полноту биоразложения таких материалов влияют многие факторы: температура, влажность, доступ кислорода, наличие специфических микроорганизмов, а также внутренняя структура материала (кристалличность, пористость, наличие гидролизуемых связей) [10]. В естественных почвенных условиях процесс может идти медленнее, чем в условиях промышленного компостирования, что необходимо учитывать при оценке экологичности материала (таблица 2).

Таблица 2

Преимущества и ограничения яичного белка в качестве матрицы для биоразлагаемых композитов

Проведённый анализ литературы показывает, что разработка композитного материала на основе яичного белка и природных наполнителей является научно обоснованным направлением. Синергия функциональных свойств белковой матрицы и армирующего эффекта волокнистых или дисперсных наполнителей открывает путь к созданию прочных, легких и полностью биоразлагаемых изделий, альтернативных традиционным пластикам.

3. Методика и материалы

3.1. Материалы и оборудование:

• Материалы: куриные яйца, мелкие древесные опилки (например, от лобзика), пшеничная мука/крахмал, глицерин (как пластификатор, из аптеки), растительное масло (для смазки форм), вода.

• Оборудование: миска, венчик/ложка, мерный стакан, кухонные весы, сито, формы для выпечки (например, для кексов или силиконовые), духовой шкаф, защитные перчатки, очки.

• Для тестов: линейка, грузы (книги, гантели), стаканы с водой, горшки с почвой, термометр, секундомер, фотоаппарат.

3.2. Этапы эксперимента:

Этап 1: Приготовление смесей.
Приготовим 3 варианта смеси с разным соотношением компонентов (в % по массе) (приложение 1):

• Образец А (Белок+Наполнитель): 50% взбитого белка + 50% просеянных опилок.

• Образец Б (С пластификатором): 50% белка + 40% опилок + 10% глицерина.

• Образец В (Со связующим): 40% белка + 40% опилок + 10% муки/крахмала + 10% воды.

Процедура: Отделить белки от желтков, слегка взбить белки до однородности. Смешать все сухие компоненты. Постепенно вливать белковую массу в сухую смесь, тщательно перемешивая до состояния густого теста (приложение 2).

Этап 2: Формование.
Смазать формы растительным маслом. Плотно уложить в них композитное "тесто", разровнять. Уплотнить, чтобы удалить пузырьки воздуха.

Этап 3: Сушка и отверждение.
Высушить образцы в духовке при температуре 70-80°C в течение 4-6 часов. Важно не превышать 80°C, чтобы не вызвать резкую денатурацию и растрескивание. Затем дать остыть в форме.

3.3. Методы тестирования образцов:

1. Тест на прочность (на изгиб):

   • Положить высушенную пластинку образца между двумя опорами (например, книгами).

   • Постепенно нагружать центр пластинки грузом (через плоскую пластину).

   • Зафиксировать вес, при котором образец треснет или сломается. Сравнить результаты для А, Б, В.

2. Тест на водостойкость:

   • Взвесить сухой образец.

   • Поместить его в стакан с водой комнатной температуры.

   • Через 1, 5, 30 минут зафиксировать изменения (разбухание, потеря формы, распад).

   • Вынуть, промокнуть и снова взвесить для определения впитанной воды.

3. Тест на биоразложение (длительный) (приложение 3):

   • Взять 3 одинаковых горшка с садовой почвой.

   • Зарыть в каждый по небольшому фрагменту разных образцов (А, Б, В) и, для контроля, фрагмент обычного пластика (крышка от бутылки).

   • Поливать почву регулярно, поддерживая влажность.

   • Раз в неделю аккуратно извлекать образцы, фотографировать, фиксировать изменения (плесень, изменение структуры, разрушение) и снова закапывать. Эксперимент длится 3-4 недели.

4. Результаты и их обсуждение

4.1. Описание образцов:

• Образец А: Твердый, но хрупкий, легко ломается при сгибании. Пористый.

• Образец Б (с глицерином): Более гибкий и менее хрупкий, чем А. Поверхность менее пористая.

• Образец В (с крахмалом): Самый плотный и гладкий на вид, менее пористый.

4.2. Сравнительная таблица результатов тестирования:

4.3. Анализ влияния состава на свойства материала:

• Глицерин (Образец Б) выступил эффективным пластификатором, увеличив гибкость и прочность на изгиб.

• Крахмал/мука (Образец В) улучшили связующие свойства белка, создав более плотную и водостойкую структуру.

• Все образцы на основе белка начали разлагаться уже через 1-2 недели в почве, в отличие от инертного пластика.

• Главный недостаток — низкая водостойкость, особенно у базового образца. Это требует нанесения защитного пищевого покрытия (например, на основе пчелиного воска) для реального использования.

На основе проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Подтверждена гипотеза: композитный материал на основе яичного белка и природных наполнителей действительно обладает способностью к быстрому биоразложению, что является его ключевым преимуществом перед пластиком.

2. Наилучший баланс прочности и водостойкости среди испытанных показал Образец В (с добавкой крахмала).

3. Механическая прочность полученного материала уступает традиционному пластику, но может быть достаточной для легкой одноразовой посуды (например, тарелок для сухих продуктов).

4. Для практического применения необходима дальнейшая оптимизация состава (подбор других наполнителей, пластификаторов) и технологии (прессование, покрытие).

Заключение

Работа доказала принципиальную возможность создания простого биоразлагаемого материала для посуды из доступного сырья в школьной лаборатории. Перспективы развития проекта:

• Испытание других наполнителей: лузга подсолнечника, измельченная солома, хлопковая шелуха.

• Тестирование натуральных гидрофобных покрытий (воск, шеллак).

• Изготовление конкретных изделий (ложка, небольшая тарелка) и тестирование их в реальных условиях с пищей.

• Изучение влияния консервантов (соль, лимонный сок) на срок хранения материала.

• Оценка экономической целесообразности.

Данное исследование имеет не только научно-познавательную, но и важную экологическую и просветительскую ценность, показывая путь к решению одной из острых проблем современности.

Список использованных источников и литературы

1. Jones, A., Zeller, M. A., Sharma, S. Thermal, mechanical, and moisture absorption properties of egg white protein bioplastics with natural rubber and glycerol // Progress in Biomaterials. — 2013. — Vol. 2. — P. 12.

2. Stittgen, B. How Do You Like Your Eggs? [Электронный ресурс] // Bioplasticsnews. — 2019. — 4 May. — URL: https://bioplasticsnews.com/2019/05/04/bioplastic-tableware-made-from-discarded-eggs/ (дата обращения: 10.12.2025).

3. Прозрачная древесина из яичных белков и риса может заменить стекло [Электронный ресурс] // Ecosphere.press. — 2025. — 2 апреля. — URL: https://ecosphere.press/2025/04/02/prozrachnaya-drevesina-iz-yaichnyh-belkov-i-risa-mozhet-zamenit-steklo/ (дата обращения: 07.01.2026).

4. Пластики биологического происхождения [Электронный ресурс] // Элементы.ру. — URL: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431802/Plastiki_biologicheskogo_proiskhozhdeniya (дата обращения: 07.01.2026).

5. Полное руководство по пластику будущего. Часть 4 – Биопластик [Электронный ресурс] // Heartland.io. — URL: https://heartland.io/ru/новости-устойчивого-развития/Полное-руководство-по-пластику-будущего--часть-4-биопластики/ (дата обращения: 15.01.2026).

6. Биопластики [Электронный ресурс] // Википедия. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Биопластики (дата обращения: 07.01.2026).

7. Ученые разработали биопластик с антибактериальными свойствами [Электронный ресурс] // Mplast.by. — 2015. — 30 марта. — URL: https://mplast.by/novosti/2015-03-30-uchenyie-razrabotali-bioplastik-s-antibakterialnyimi-svoystvami/ (дата обращения: 07.02.2026).

8. Яичный белок куриный - химический состав и пищевая ценность. – Health-diet.ru. [Электронный ресурс]. URL: https://health-diet.ru/base_of_food/sostav/39.php (дата обращения: 07.01.2026).

9. Волокнистые наполнители - Классификация и виды. – Sammas.ru. [Электронный ресурс]. URL: http://sammas.ru/spravochnik-materialov/napolniteli/klassifikatsiya-i-vidy/voloknistie-napolniteli.html (дата обращения: 07.01.2026).

10. Биоразлагаемые пластики. – Википедия. [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Биоразлагаемые_пластики (дата обращения: 07.01.2026).

11. Abeyrathne, E. D. N. S., Lee, H. Y., Ahn, D. U. Egg white proteins and their potential use in food processing or as nutraceutical and pharmaceutical agents—a review // Poultry Science. – 2013. – Vol. 92, № 12. – P. 3292–3299.

12. Rice husk fiber-reinforced starch antimicrobial biocomposite film for active food packaging // ScienceDirect. – 2023. [Электронный ресурс]. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0959652623026835 (дата обращения: 07.01.2026).

13. Белок куриного яйца — химический состав, пищевая ценность. – Fitaudit.ru. [Электронный ресурс]. URL: https://fitaudit.ru/food/190068 (дата обращения: 07.01.2026).

14. Экологичные наполнители для производства пластиков. – Вологодская древесина. [Электронный ресурс]. URL: https://nn.vologodskaya-drevesina.com/blog/drevesnaya-muka/proizvodstvo-plastikov.html (дата обращения: 07.01.2026).

15. Razi, S. M., Fahim, H., Amirabadi, S., Rashidinejad, A. An overview of the functional properties of egg white proteins and their application in the food industry // Food Hydrocolloids. – 2023. – Vol. 135. – P. 108183.

16. Яйцо куриное (белок) - калорийность, полезные свойства. – Calorizator.ru. [Электронный ресурс]. URL: https://calorizator.ru/product/egg/egg-5 (дата обращения: 07.01.2026).

17. Egg white. – Wikipedia. [Электронный ресурс]. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Egg_white (дата обращения: 07.01.2026).

Приложение 1

Рисунок 1 – Приготовление образцов

Приложение 2

Рисунок 2 – Замешивание растворов для формирования образцов

Приложение 3

Рисунок 3 – Тестирование на биоразложение образцов