Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка композиционного пленкообразующего раствора для создания биоразлагаемого съедобного покрытия

Сведения об участнике
ФИО
Захарова Мария Вячеславовна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Химия и химические технологии
Раздел области наук
Химическая технология. Химическая промышленность
Тема
Разработка композиционного пленкообразующего раствора для создания биоразлагаемого съедобного покрытия
Резюме
Данная работа содержит литературный анализ и результаты исследований по направлению разработки биополимерного композиционного съедобного покрытия для пищевой промышленности на основе смеси биополимеров желатин/крахмал при введении пластифицирующего агента. Задача исследований состоит в нахождении закономерностей между варьированием компонентного состава биокомпозита и изменением физических и эксплуатационных характеристик покрытия. Результаты исследований влияния состава биокомпозитов на их эксплуатационные характеристики могут быть использовании на предприятии при производстве данных биокомпозитов с заданными характеристиками.

Ключевые слова
съедобное покрытие, биокомпозит, желатин, крахмал
Цели и задачи
Целью настоящей работы является разработка состава биокомпозиционного съедобного покрытия на основе смеси крахмала и желатина, с добавлением глицерина в качестве пластификатора и изучение влияния состава биокомпозита на его физические и эксплуатационные характеристики. Для достижения цели работы были выдвинуты следующие задачи:
1) Лабораторное приготовление биокомпозита из раствора; 2) микроскопия структуры покрытий; 3) физико-механические испытания покрытий на прочность; 4) оценка оптических свойств и прозрачности; 5) проницаемость паров воды (WVP); 6) термический анализ (ДСК).
Введение

 Съедобное покрытие или пленка на поверхности продукта позволит создать защитный барьер между продуктом питания и окружающей средой, тем самым продлевая его срок годности и снижая затраты на переработку упаковки. Одним из актуальных материалов для создания таких покрытий является биокомпозит желатина и крахмала с добавкой совместимого пластификатора. Распространенность этого материала объясняется его низкой стоимостью и крупнотоннажным производством исходных компонентов, простотой получения композита, высокой термодинамической совместимостью полимеров, высокими газ-барьерными характеристиками (О2 и СО2), а также высокими эксплуатационными характеристиками получаемой пленки.

 

Методы и материалы

Для приготовления пленкообразующего раствора биокомпозита желатин/крахмал в качестве основных компонентов матрицы использовали местный картофельный крахмал (ЧДА) производства «Вектон» (Россия) с содержанием амилозы ~ 30% и пищевой желатин марки «ЛенРеактив» (Россия). В качестве пластификатора применялся глицерин (ЧДА) производства «Вектон» (Россия). В качестве растворителя использовали дистиллированную воду. Для выполнения задач работы были применены следующие методы исследований: физико-механические испытания покрытий на прочность с помощью анализатора текстуры TA.XTplus (Stable Micro Systems, Великобритания), оценка оптических свойств и прозрачности, проницаемость паров воды (WVP) и термический анализ (ДСК).

Описание и обсуждение результатов

Введение небольшого количества крахмала ((10, 20) масс.%) в желатиновую матрицу, изменяет текстуру поверхности биопластика, которая становится шероховатой и матовой, а цвет пленки меняется с оптически прозрачного до полупрозрачного белого. Микрофотографии показывают, что пленка на основе чистого желатина является полностью прозрачной без присутствия каких-либо агломераций, однако, микрофотографии биокомпозитов желатин/крахмал, показывают четкую гетерогенную структуру в виде матрицы желатина и распределенных в ней микрогранул крахмала сферической или эллипсоидной формы. При введении крахмала образуются его небольшие микрогранулы (Æ ≈ 10 мкм), но при дальнейшем повышении концентрации крахмала в смеси размер гранул заметно увеличивается до Æ ≈ 30 мкм. Из литературных данных известно, что введение различных полисахаридов, таких как амилопектин, мальтодекстрин, декстран и крахмал при концентрациях более 10 масс.% может приводить к фазовому разделению компонентов в смеси желатин/полисахарид, с образованием микроагрегатов полисахарида в структуре желатина [1]. Учитывая анизотропию физических свойств желатина и крахмала можно предположить, что физические свойства биокомпозита могут значительно измениться от соотношения компонентов в смеси. Так, при введении крахмала снижается прозрачность пленки, снижается прочность, что обусловлено гетерогенной природой биокомпозита и наличием микрогранул крахмала в микроструктуре биокомпозита. Известно, что при фазовом разделении в смеси несовместимых полимеров свойства композита напрямую зависят от взаимодействия компонентов в межфазной области, в связи с чем, в данном случае увеличение доли крахмала в композите приводит к увеличению гранул и, как следствие, к снижению межмолекулярного взаимодействия между матрицей желатина и микрогранулами крахмала. Более того, микрогранулы, увеличиваясь в размерах при повышении концентрации крахмала в смеси, формируют центры концентрации механических напряжений, что в итоге приводит к снижению механической прочности. При оценке удлинения при прокалывании было выявлено, что  когда крахмал становится минорным компонентом, эластичность композита равномерно возрастает с повышением концентрации желатина. Интересным кажется то, что введение в матрицу желатина небольшой добавки крахмала ((10-20) вес%) некоторым образом повышает эластичность пленки биокомпозита (~20 %) и стабилизует свойства биокомпозита. Согласно литературным данным, наблюдаемый эффект обусловлен повышенным межмолекулярным взаимодействием между молекулами пластификатора глицерина и небольшими, и хорошо  диспергированными микрогранулами крахмала в матрице биокомпозита [2, 3]. 

Используемые источники
[1] Stylianou, A. Combined information from AFM imaging and SHG signal analysis of collagen thin films / A. Stylianou, K. Politopoulos, M. Kyriazi, D. Yova //
[2] Arvanitoyannis, I. Edible films made from sodium caseinate, starches, sugars or glycerol. Part 1 / I. Arvanitoyannis, E. Psomiadoub, A. Nakayama // Carbohydrate Polymers. – 31. – 1996. – p. 179-192.
[3] Arvanitoyannis, I. Edible films made from gelatin, soluble starch and polyols, Part 3 Arvanitoyannis I., Psomiadou E., Nakayama A., Aiba S., Yamamoto N. Food Chemistry 60(4), 1997, p. 593–604.
Information about the project
Surname Name
Zakharova Maria
Project title
Development of the film-forming solution for biodegradable edible coating
Summary of the project
The work presents the results mechanical properties by puncturing (texture analyzer TA.XTplus), optical, termal, water vapor permability and microstructure morphology of the edible gelatin/potato starch films. Film composition varies from 100/0 to 50/50 wt.% gelatin/potato starch with increment 10 wt.% and 30 wt.% of glycerol were used a plasticifer. The composite with little addition of starch in gelatin matrix shows better operational of the gelatin/potato starch biocomposite films. The components were shown to be incompatible and biocomposite films have a heterogeneous structure with the gelatin matrix as a continuous phase and aggregates of starch in form of granules as a minor phase.
Keywords
biocomposite, edible films, starch, gelatin, microstructure