Биоразлагаемые полимерные композиции для упаковки мясной продукции

В статье приводятся результаты комплексного исследования биоразлагаемых полимерных композиций на основе полипропилена с включением отходов агропромышленного комплекса. Доказано, что эти материалы обладают высокими физико-механическими и барьерными свойствами, а также не представляют опасности при контактах с пищевыми продуктами.
В настоящее время все большее значение приобретает задача по сохранению экологии страны. С каждым годом увеличивается разнообразие полимерных материалов для упаковки пищевых продуктов, которые сложно утилизировать. Поэтому чаще всего такая упаковка попадает на полигоны или свалки, что наносит непоправимый вред окружающей природе. Актуальным решением на сегодняшний день является создание и исследование полимерных материалов (ПМ), приспособленных к биоразложению различными способами.
Перечислим несколько технологий, направленных на придание традиционным ПМ способности к биоразложению.

1. Введение в синтетический полимер добавок в виде отходов, производимых агропромышленным производственным комплексом (АПК), например: свекольный жом, овсяная лузга, шелуха гречихи, кукурузная мезга и др.
2. Получение композиционных материалов на основе синтетических и природных биоразлагаемых полимеров, например: крахмал, целлюлоза, полимолочная кислота и т.д.
3. Введение в синтетические полимеры оксобиоразлагаемых добавок, содержащих соли переходных металлов. Они создают свободные радикалы, ведущие к появлению гидро- и пероксидов в различных формах, а такие продукты, в свою очередь, способны в дальнейшем подвергаться биоразложению вместе с полимером.

В настоящее время активно развивается направление по разработке синтетических полимерных композиций с добавлением в них отходов АПК для создания новых материалов, способных к биоразложению. Примером такого материала может служить ПМ на основе полипропилена, рисовой лузги и/или кукурузного крахмала.

Целью данной работы стало исследование по определению основных характеристик и свойств биоразлагаемых материалов на основе синтетических полимеров и отходов АПК

В работе были поставлены следующие задачи:

• исследование полимерных композиционных материалов (ПКМ) на деформационно-прочностные характеристики;
• проведение исследований барьерных свойств биоразлагаемых полимерных композиций;
• проведение исследований ПКМ на способность к биоразложению;
• исследование образцов на соответствие санитарно-гигиеническим нормам;
• рекомендации по применению биоразлагаемых ПМ.

В качестве объектов исследования были выбраны такие материалы, как полипропилен (ПП) Каплен СИБУР PP H 021 BF/2 SIBEX, кукурузный крахмал и рисовая лузга. На их основе получены следующие полимерные композиционные материалы:

Композиция № 1 (ПП + кукурузный карахмал): ПП 35–40 мас. %, кукурузный крахмал 50–55 мас. %, этиленвинилацетат 4–5 мас. %, моностеарат глицерина 3–4 мас. %, воск полиэтиленовый 1 мас. %, двуокись титана 2 мас. %.

Композиция № 2 (ПП + рисовая лузга): ПП 40–48 мас. %, рисовую лузгу 40–43 мас. %, кукурузный крахмал 5–10 мас. %, краситель – двуокись титана 2 мас. %, рисовое масло 0,5 мас. %, капролактам 1,5 мас. %, моностеарат глицерина 2 мас. %, полиэтиленовый воск 1 мас. %.

Исследования проводились на кафедре «Промышленный дизайн, технология упаковки и экспертиза», ЦКП «Перспективные упаковочные решения и технологии рециклинга» ФГБОУ ВО «Росбиотех».

В работе использовались следующие методы испытания:

• водопоглощение полимерных композиций (ГОСТ 4650-2014 «Пластмассы. Методы определения водопоглощения»). Данным методом определялась способность материалов поглощать воду в течение 6 мес.;
• определение деформационно-прочностных характеристик исследуемых образцов (ГОСТ 14236-81 «Пленки полимерные. Метод испытания на растяжение»). Эксперимент проводился на разрывной машине РМ-50, оснащенной компьютерным интерфейсом при скорости одноосного растяжения 100 мм/мин;
• метод искусственного старения под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения (ГОСТ 9.708-83 «Единая система защиты от коррозии и старения. Пластмассы. Методы испытаний на старение при воздействии естественных и искусственных климатических факторов»);
• определение паропроницаемости исследуемых образцов (китайский стандарт GB1037 «Gravimetric Method Water Vapor Permeability Testing Standard») на приборе Labthink модели W3/030;
• определение санитарно-химических показателей ПКМ (ГОСТ 22648-77 «Пластмассы. Методы определения гигиенических показателей»);
• определение жиростойкости ПКМ (ГОСТ 16532-2-2016 «Бумага и картон. Определение жиростойкости. Часть 2. Определение отталкивающей способности поверхности»);
• определение стойкости к действию химических сред (ГОСТ 12020-2018 «Пластмассы. Методы определения стойкости к действию химических сред»);
• компостирование на определение биодеградации полимерной композиции (британский стандарт BS EN 13432:2000 «Упаковка. Требования к использованию упаковки посредством компостирования и биологического разложения»).

Результаты и их обсуждение

На первом этапе исследования определяли деформационно-прочностные характеристики ПКМ. На следующем этапе - барьерные свойства ПКМ.

Таблица 1. Результаты физико-механических свойств ПКМ.

Примечание: ПР – растяжение в продольном направлении образцов; ПП – растяжение в поперечном направлении образцов.

Таблица 2. Показатели паропроницаемости ПКМ.

Одним из показателей барьерных свойств является стойкость материалов к воздействию масел и жиров. В результате проведенного исследования можно сделать вывод, что данные ПКМ – жиростойкие материалы.

Таким образом, на основании совокупного анализа имеющихся данных можно утверждать, что полученные композиционные материалы обладают хорошими барьерными свойствами.

На третьем этапе исследовали образцы на биоразлагаемость.

Водопоглощение ПКМ на основе ПП.

Изменение степени набухания в течение времени эксперимента ПКМ на основе полипропилена в жидком биогумусе.

По результатам исследования можно отметить, что на 22-й неделе ПК вышли на постоянную массу. Исследуемые образцы подвержены набуханию в жидком биогумусе. У композиционных материалов на основе ПП можно было заметить изменение насыщенности цвета. Все композиционные образцы после некоторого времени начали терять массу, что свидетельствовало о начале протекания биодеструкционных процессов.

Зависимость разрушающего напряжения от времени воздействия УФ-излучения.

Зависимость относительного удлинения при разрыве от времени воздействия УФ-излучения.

Из полученных данных, можно сделать вывод, что у ПКМ после воздействия на них УФ-излучения ухудшаются деформационно-прочностные характеристики по сравнению с первоначальными показателями без воздействия УФ. Результаты свидетельствуют о том, что композиционные материалы на основе ПП с отходами АПК подвержены старению под действием УФ-излучения.

При компостировании ПКМ на основе ПП в течение 12 месяцев происходили изменения внешнего вида, массы и физико-механических свойств образцов. После компостирования можно заметить внешние изменения образцов: потускнение цвета, появление темных пятен и трещин, образование неровных краев и шероховатой поверхности.

Зависимость разрушающего напряжения ПКМ от времени после компостирования.

Зависимость относительного удлинения при разрыве ПКМ от времени после компостирования.

У образцов ПП + кукурузный крахмал и ПП + рисовая лузга каждый месяц наблюдалось снижение физико-механических показателей, что говорит об ухудшении прочности образцов.

Совокупный анализ полученных результатов свидетельствует о том, что ПКМ на основе ПП с отходами АПК способны к биодеструкции: наличие этого процесса доказывают потери массы, изменение внешнего вида и ухудшение прочностных характеристик экспериментальных образцов.

На следующем этапе исследовались санитарно-гигиенические свойства материалов с помощью органолептического метода.

Таблица 3. Изменение запаха водных вытяжек ПК

Примечания: * – легкий запах испорченной воды; ** – запах воды после варки риса.

Вывод: изученные полимерные материалы могут быть допущены для контакта с пищевыми продуктами, поскольку все значимые показатели находятся в допустимых пределах.

фото 7. Подпись: Лотки под запайку для пищевых продуктов из ПКМ с отходами АПК.

Таким образом, данные композиции можно рекомендовать для производства упаковки и тары методом термоформования и применять для упаковки мяса и мясной продукции, а также других видов пищевой продукции.

Источники:

1. Крутько Э.Т., Прокопчук Н.Р., Глоба А.И. Технология биоразлагаемых полимерных материалов: учеб. метод. пособие для студентов специальности «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий» специализации «Технология пластических масс». – Минск: БГТУ, 2014. – 105 с.

2. Литвяк В.В. Перспективы производства современных упаковочных материалов с применением биоразлагаемых полимерных композиций // Журнал Белорусского государственного университета «Экология». – 2019. – № 2. – С. 84–94.

3. Сироткин А.С. и др. Биополимеры и перспективные материалы на их основе : учеб. пособие / А.С. Сироткин, Ю.В. Лисюкова, Т.В. Вдовина, Ю.В. Щербакова. – Казань : КНИТУ, 2017. – 116 с.

4. Штильман М.И. Технология полимеров медико-биологического назначения. Полимеры природного происхождения : учеб. пособие / под ред. М.И. Штильмана. – 3-е изд. – Москва: Лаборатория знаний, 2020. – 331 с.

5. Биоразлагаемые полимерные материалы и модифицирующие добавки: современное состояние. Часть II / А.К. Мазитова, Г.К. Аминова, И.И. Зарипов, И.Н. Вихарева // Нанотехнологии в строительстве. – 2021. – № 13. – С. 32–38.

6. Исследования влияния ультразвуковой обработки на расплавы полимерных композиций на основе полиэтилена и модифицированного крахмала / И.А. Кирш, В.А. Романова, И.С. Тверитникова, О.В. Безнаева // Химическая промышленность сегодня. – 2020. – № 1. – С. 62–67.

7. Biodegradable polymer compositions based on the waste of the agro-industrial complex / I.A. Kirsh, O.V. Beznaeva, O.A. Bannikova, V.A. Romanova, I.V. Barulya // Bioscience. Biotechnology Research. Communications. – 2019. – Т. 12. – № 5. – Р. 196–202.

8. Development of biodegradable polymer compositions based on the waste of the agro-industrial complex / I.A. Kirsh, O.V. Beznaeva, O.A. Bannikova, V.A. Romanova, I.V. Barulya // International Journal of Advanced Biotechnology and Research. – 2019. – Т. 10. – № 2. – Р. 15–23.

Журнал «Мясные технологии» № 8 – 2023 г.

Главное фото: Andrew Martin