III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
БИОУПАКОВКА
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Пластик в наши дни стал одним из самых используемых материалов в мире. Только полиэтиленовых пакетов используется ежегодно более десятка миллиардов. Полимерные изделия повсеместно используются в быту. Однако, несмотря на все свои, казалось бы, привлекательные свойства, пластик имеет ряд недостатков. Два основных из них заключаются в следующем: во-первых, пластиковые изделия производятся из невосстанавливаемых природных ресурсов – нефти, угля, газа и, во-вторых, долговечность пластика, к которой так стремились его изобретатели, и которая считалась одним из его достоинств, в долгосрочной перспективе обернулась одним из его главных недостатков и теперь угрожает экологии всей планеты. С каждым годом потребление пластмассы растет, а вместе с ней растут и горы неразлагающихся отходов, загрязняющих окружающую среду. Пластик - это настоящее бедствие для природы! По данным ООН пластиковые отбросы становятся причиной гибели 1 млн. морских птиц в год.Таким образом, проблемы, связанные с использованием пластика, стимулировали ученых из многих стран задуматься к концу XX века о создании материала, близкого пластмассе по свойствам, но, в отличие от нее, разлагаемого бактериями и производимого из восстанавливаемых компонентов — скажем, из растений. И нам не безразлична экология нашей планеты и жизнь братьев наших меньших, именно поэтому мы постараемся помочь в решении проблемы загрязнения планеты синтетическим мусором.
Актуальность работы: мы попытались обратить внимание людей на проблему загрязнения окружающей среды бытовыми отходами и возможность заменить пластическую упаковку на упаковку, сделанную из биоразлагающегося материала.
Целью нашей работы является получение биоупаковки на основе крахмала, которая не будет наносить вреда окружающей природе.
Задачи:
1. Подобрать опытным путем оптимальный состав для создания биопластика
2. Проверить свойства полученного биопластика в качестве упаковочного материала
1. Теоретическая часть
1.1 Что такое биоупаковка
Биоупаковка - альтернатива синтетическому пластику. В середине 90-х гг. прошлого столетия стали появляться сообщения о создании так называемых биопластиков, - материалов, получаемых из природных соединений, например, крахмала. Такой пластик разлагается в природной среде микроорганизмами. Широкомасштабное внедрение биопластиков пока не началось; главным фактором, сдерживающим наращивание масштабов производства и применения биопластиков, остается их большая, чем синтетических материалов, стоимость. Однако в начале XXI в. удалось снизить затраты на производство биопластика, и термин biodegradable polymer становится неотъемлемой частью процесса производства упаковки. Работы по биополимерам в настоящее время становятся все более актуальными. Биополимеры подразделяются на две категории: это полимеры, продуцируемые биологическими системами (например, микроорганизмами) и полимеры, синтезируемые химически, но на основе исходного сырья биологического происхождения (аминокислот, сахаров, жиров). В первую очередь предлагается их использовать в упаковочной индустрии, где срок службы большинства изделий исчисляется всего лишь несколькими месяцами или даже днями[2]. Конструирование биополимеров за последние десять-пятнадцать лет превратилось в одно из основных междисциплинарных исследований. Главной целью данного направления работ является: 1) поиск и изучение новых биополимеров; 2) получение фундаментальной основы для конструирования биологических систем, синтезирующих полимеры с заданными свойствами. Среди применяемых и активно разрабатываемых в настоящее время новых биоразрушающихся полимеров - алифатические полиэфиры, полиамиды, сегментированные полиэфируретаны, полимеры молочной и гликолевой кислот (полилактиды и полигликолактиды, силикон, полиэтилентерефталат и с недавних пор ПГА). Биодеградирующие полимеры привлекают производителей и экологов тем, что разлагаются в сжатые сроки - от нескольких месяцев до нескольких лет, с образованием безопасных для окружающей природы веществ, таких как вода, биомасса, углекислый газ или метан (в зависимости оттого, какой процесс разложения имел место - анаэробный или аэробный)[4]
Одним из новейших достижений в области инновационной, многофункциональной упаковки является создание так называемой «съедобной» упаковки, представленной для пищевой продукции. Они имеет вид различных покрытий и оболочек. Необходимо, чтобы используемые для этого материалы обязательно отвечали всем нормам и правилам для продуктов. Важно, чтобы они были хорошо растворимы в воде, легко разлагались при воздействии на них желудочного сока. Материалы, используемые для «съедобной» упаковки получают из различных природных полисахаридов, имеющих разветвленную структуру – это крахмалы и разные производные целлюлозы.
Свойства этих полимеров поистине уникальны: обладая прекрасной пленкообразующей способностью (съедобные пленки), они широко используются как компоненты пищевых продуктов, например, в качестве структурообразующих агентов (загустителей) в пастообразной молочной, кондитерской и плодоовощной продукции. Пленки на основе производных целлюлозы (например, карбоксиметилцеллюлоза и ее натриевая соль) и модифицированных крахмалов (например, карбоксиметилкрахмал, КМК) защищают пищевой продукт от потерь массы (за счет снижения скорости испарения влаги) и создают определенный барьер проникновению кислорода и других веществ извне, замедляя тем самым процессы, обуславливающие порчу пищевого продукта (окисление жира, денатурализация белка и т. д.) Съедобные пленки на основе природных полимеров обладают высокой сорбционной способностью, что предопределяет их положительное физиологическое воздействие. Так, при попадании в организм эти вещества адсорбируют и выводят ионы металлов, радионуклиды (продукты радиоактивного распада) и другие вредные соединения, выступая таким образом в роли детоксиканта[3].
1.2 История создания биоупаковки
Известно, что съедобные упаковочные пленки и покрытия в течение многих веков уже используется для сохранения качества пищевых продуктов. Например, еще в 18 веке в Японии была запатентована одноразовая посуда, изготовленная из прессованной рисовой муки, после использования которой по назначению ее можно было съесть.
Большие успехи в этом направлении достигнуты в Германии, где созданы самые разнообразные деструктурируемые полимерные вещества из различных съедобных материалов: крахмала, желатина, природных целлюлоз. Из этих пищевых ингредиентов производят лотки, банки, тарелки, чашки[1].
Для борьбы с проблемой загрязнения пластиком, команда из Бельгии создала в 2013 году биоразлагаемую упаковку под названием Do Eat, которая сделана из картофельного крахмала и может быть съедена вместе с содержимым. Широко известна выпускающая свои водорастворимые материалы, служащие и для производства так называемой «съедобной» упаковки, немецкая компания «Аквалон». В качестве примера можно привести вещество «Бланозе» Cellulose Gum – это высокоочищенная натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы, имеющая степени замещения 0,7, 0,9 и 1,2. При растворении в воде «Бланозе» образуют вязкий прозрачный псевдопластичный раствор. Он отлично подходит для отлива пленки. Подобные покрытия используют для создания упаковки для молочных продуктов, для хлебобулочных изделий, применяют их и для замороженной продукции, а также для соусов, салатов и т. д[2].
Бразильская сеть фаст-фудов «Bob’s» сосредоточилась на решении одной из глобальных экологических проблем, связанных с ресторанами быстрого питания – утилизация оберток для «перекуса». Выбранный способ оказался одновременно простым и гениальным, Bob’s сделали упаковку съедобной. Производители не раскрывают точный состав упаковки, но как стало известно за основу взяты рисовая бумага и сахар. Bob's утверждают, что конечный продукт содержит лишь натуральные и безвредные ингредиенты.По заявлениям представителя Bob’s, одним выстрелом можно убить сразу двух зайцев: с одной стороны людям стало намного удобнее есть гамбургеры и роллы, нет необходимости ничего разворачивать, пачкаясь и теряя кусочки пищи по ходу дела, а с другой стороны в разы становится меньше отходов, да и экологам грех теперь жаловаться на варварскую вырубку лесов ради изготовления одноразовой упаковки для фаст-фуда. Американские биотехнологии изобрели жидкий оберточный материал для овощей и фруктов, главные компоненты которого - хитозан (природный полимер, получаемый из панциря крабов) и фермент лизоцим, содержащийся в яичном белке. Внешне такая упаковка напоминает полиэтиленовую обертку, с той разницей, что ее можно есть вместе с продуктом, обогащая организм биологически активными добавками[3].
У нас в России тоже задумались над вопросом создания съедобной упаковки. Изобретатель из Харькова Сергей Тымчук, сотрудник лаборатории генетики, биотехнологий и качества биосырья института растениеводства им. Юрьева, для того, чтобы создать биоразлагаемую пленку потратил около пятнадцати лет. Первую пленку Сергей Тымчук создал на основе кукурузного крахмала, однако она была не очень прочной и быстро рвалась. Было установлено, что для пленки необходимо создать другой крахмал, чем и занялся изобретатель. Наконец его труды увенчались успехом. С помощью съедобной пленки, можно, к примеру, значительно увеличить срок годности хлеба, - его можно будет хранить около месяца, а не несколько дней, как сейчас. Более того, хлеб можно есть, не снимая пленку. Из новоизобретенного крахмала можно также сделать и поддон, аналогичный тем, в которых продаются суповые наборы в супермаркетах. В таком случае суповой набор не придется разворачивать, а прямо с поддоном кинуть в воду, - через несколько минут он полностью растворится. Сергей Тымчук уверяет, что биоразлагаемые упаковочные материалы не меняют вкус пищи, так как у них вообще нет вкусовых качеств. Если же пленку выбросить, то через четыре недели она полностью разложится в естественной среде. К сожалению, пока рано говорить о массовом производстве съедобной пленки, поскольку предпринимателям дешевле изготовлять обычный полиэтилен[5].
Нельзя не отметить, что развитие производства биоразлагаемых полимеров требует значительных инвестиций в исследования, сельскохозяйственные работы, строительство заводов. Несмотря на это, многие европейские и американские компании готовы идти на эти траты. По данным СМИ, затраты на переработку пластика также требуют крупных вложений. Производственная линия полного цикла переработки синтетического пластика с производительностью около 1 т/ч по состоянию на 2016 год обойдется производителю в 130-135 тыс. долларов[5].
1.3 Ингредиенты для создания биопластика
Для лучшего понимания сходств и отличий рецептур и для облегчения поиска правильных подходов к приготовлению биопластика на основе крахмала , важно понимать механику протекающих в процессе его получения реакций и их предназначения. Главным компонентом является природный биополимер- крахмал.
Крахмал состоит в основном из двух видов полисахаридов: линейной амилозы и ветвистого амилопектина.
Для получения пластика намного лучше подходят линейные молекулы, именно поэтому в рецептах присутствуют кислоты и соли. Ионы в растворе способствуют гидролизу связей, соединяющих ветви амилопектина, разрывая его на множество более коротких цепочек амилозы. Эти длинные молекулы перепутываются и образуют прочные связи.
Гидролиз: (C6H10O5)n + nH2O t,H2SO4→ nC6H12O6
глюкоза
Гидролиз протекает ступенчато:
(C6H10O5)n→(C6H10O5)m → xC12H22O11 → n C6H12O6 (Примечание, m