Получение и исследование структурно-механических свойств биоразлагаемых пленок на основе желатина

В последние годы использование природных биополимеров в производстве пищевых пленок привлекло значительное внимание как безопасная альтернатива нефтяным упаковочным материалам в связи с негативным воздействием последних на окружающую среду и проблемами их утилизации [1]. Эти полимеры могут быть разделены на три категории в зависимости от их происхождения и методов производства. Первая категория включает биополимеры, которые непосредственно извлекаются из биомассы, таких как углеводы и белки, и широко используются в упаковочных материалах для пищевых продуктов благодаря их высокой барьерной способности [2, 3]. Полимеры второй категории синтезируются из биоосновных мономеров с использованием классической полимеризации, например, полимолочной кислоты [4], а полимеры третьей категории формируются в результате воздействия микроорганизмов [5]

Для производства биоразлагаемых упаковочных пленок наиболее часто используют желатин, крахмал, карбоксиметилцеллюлозу, поливиниловый спирт и др. [6] . В зависимости от природы применяемого полимера, структурно-механические свойства формируемых пленок могут быть принципиально разными

[7-15]. Полисахариды представляют собой природные полимеры, включая крахмалы, производные целлюлозы, пектины, пуллулан, альгинаты, каррагинаны, хитозан и камеди, которые широко используются для формирования биоразлагаемых пленок и покрытий. Эти пленки обладают эффективными барьерными свойствами в отношении кислорода, запахов и липидов, и демонстрируют удовлетворительную механическую прочность, однако из-за их гидрофильной природы наблюдается ограниченная барьерная способность по отношению к водяному пару [16] . Также пленки, сформированные из белков, включая коллаген, желатин, соевый белок, пшеничный глютен, казеин, сывороточные белки и кукурузный зеин, обладают высокой барьерной способностью и умеренными механическими характеристиками.

Пленки на основе желатина привлекают значительное внимание производителей пищевых продуктов и лекарственных веществ по всему миру [17] . Ряд исследований подчеркивает, что для улучшения барьерных свойств пленок некоторых полимеров можно использовать метод биополимерных комбинаций, включающий смешивание их с другими полисахаридами, обладающими способностью формирования пленок [18].

Путем сочетания в составе пленок различных биополимеров можно регулировать их структурно-механические свойства, так как получаемые материалы обогащаются различными функциональными группами, способными взаимодействовать друг с другом. В этой связи целью настоящего исследования являет- ся определение влияния добавок карбоксиме-тилцеллюлозы (КМЦ) на структурно-механические свойства пленок желатина.

Материалы и методы исследований

Объекты исследования

В качестве структурообразующих биополимеров использованы желатин (ГОСТ 11293-2017, Россия) и карбоксиметилцеллюло-за натрия (ТУ 6-55-63-90, Россия).

Для получения пленок готовили их растворы концентрации 0,2 – 4,0 % и смешивали в различных соотношениях. Смесь выливали на противень и сушили в термостате при температуре 298 К. Массовое соотношение между КМЦ и желатином выражено как величина m (m = КМЦ / желатин).

Методы исследования

Метод определения предела прочности и относительного удлинения пленок

Определение предела прочности и относительного удлинения пленок проведено на разрывной машине МТ-150 (Россия). Машины МТ предназначены для выполнения испытаний на растяжение и позволяют измерять деформацию и приложенные усилия при исследовании основных механических характеристик материалов, включая растяжение, сжатие и упругость. Для проведения испытаний использованы образцы пленок, имеющие длину 15 см и ширину 4 см. Значения удлинения образца и максимальной разрывной нагрузки выражены в миллиметрах и килограммах соответственно. С использованием этих данных определены значения прочности (σ), деформации (ɛ) и модуля упругости (E) плёнок:

σ

ғ s,

где σ - прочность, кПa; F – разрывная нагрузка пленки, Н; S – площадь образца, м ² ;

Д1

ɛ =I, где ɛ - деформaция; Al - удлинение плёнки, мм; l - исходная длина плёнки, мм;

E = ,

Е

здесь E - модуль упругости, кПa; σ - прочность, кПa; ɛ - деформaция.

Метод измерения шероховатости

Оценку шероховатости поверхности пленок проводили на профилометре TR110. Принцип работы прибора заключается в детектировании однородности исследуемой поверх- ности алмазной иглой зонда и преобразовании механических колебаний зонда в изменение напряжения, пропорциональное этим колебаниям. Результаты измерений параметров шероховатости отображены как значения Ra и

R z, где R a – среднее арифметическое отклонение профиля (мкм), R z – максимальная высота неровности (мкм).

Инфракрасная спектроскопия

ИК-cпeктpы обpaзцов пленок cнимали нa Фуpьe ИК-cпeктpoмeтpe «Avator 370-CsI» в тaблeткax c KBr. Для исследований использовали пленки из желатина, карбоксиметилцел-люлозы натрия и смеси желатин-карбокси-метилцеллюлоза натрия состава 1:1.

Метод определения воздухопроницаемости Измерение воздухопроницаемости проводили с использованием прибора TEXTEST FX 3300 III (производство - Швейцария). Перед осуществлением измерений образец материала подвергался выдержке в течение суток при температуре 298 ± 2К и относительной влажности 65 ± 2%. Каждый образец подвергался трём измерениям.

Метод определения водоупорности

Определение водоупорности проводили с использованием устройства «Пенетрометр» МТ-158, предназначенного для оценки водоупорности в соответствии с ГОСТ 381681. Максимальное значение давления – 1200 мм.вод.ст. (мм водного столба). Площадь поверхности испытания – 100±5 см2. Структура устройства включает испытательную ячейку, в которой встроена водоизмерительная трубка с делениями по 1 миллиметру (1 мм.вод.ст.), а также напорный сосуд для подачи воды в ходе испытания.

Результаты и их обсуждение

Морфология пленок. Желатин являет-ся белковым веществом, которое растворяется в воде и получается путем разрушения третичной, вторичной и в некоторой степени первич- ной структуры исходного коллагена путем его частичного гидролиза коллагена [19]. В отличие от большинства гидроколлоидов, которые являются полисахаридами, желатин является усваиваемым белком, содержащим все необходимые аминокислоты, кроме триптофана [20]. Этот биополимер привлекает широкое внимание исследователей в связи с его хорошей способностью образовывать пленки и служить в качестве внешнего упаковочного слоя, защищающего пищевые продукты от воздействия света, температуры и кислорода. Кроме того, он широко используется в пищевой промышленности для получения желейных продуктов [21, 22].

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) является водорастворимым полисахаридом, получаемым путем обработки целлюлозы гидроксидом натрия и монохлоруксусной кислотой [23, 24] . Благодаря линейной структуре она нашла широкое применение в различных отраслях промышленности, таких как нефтяная, бумажная, косметическая, текстильная и пищевая [25 -27] . КМЦ обладает высокой молекулярной массой, что позволяет использовать ее для формирования биокомпозитных пленок, обладающих термо-гелеобразующими свойствами [28] . КМЦ обладает хорошей совместимостью с биологическими системами и способностью формировать пленки [29, 30] .

Получены плёнки из желатина и карбок-симетилцеллюлозы натрия при их различных соотношениях. На рисунке 1 приведены СЭМ фотографии пленок, полученных из желатина (а, б); КМЦ (в, г) и их смеси с массовым соотношением КМЦ/желатин 1:1 (д, е).

а)

б)

в)

г)

д)                                                  е)

Рисунок 1 - Электронно-микроскопические снимки плёнок желатина (а, б); КМЦ (в, г) и смеси КМЦ/желатин (д, е) состава 1:1

Как видно из рисунка 1, наиболее однородными являются пленки, полученные из желатина, а плёнки из карбоксиметилцеллюлозы натрия имеют неоднородности, обусловленные её текстурированностью. Введение раствора КМЦ в раствор желатина приводит к появлению шероховатости на пленках желатина, однако они не столь значительны, как в случае пленок КМЦ. Для получения более детальной информации о влиянии КМЦ на морфологию пленок желатина рассмотрим данные по их шероховатости. Как видно из рисунка 2, максимальная шероховатость пленок наблюдается при соотношении КМЦ/желатин, равном 0,7, при массовом соотношении двух полимеров 1,0 шероховатость минимальна, однако при дальнейшем повышении содержания КМЦ в составе пленки шероховатость постепенно увеличивается. Очевидно, структурирование двух полимеров обусловлено взаимодействием функциональных групп их макромолекул, приводящих к образованию композита.

Прочностные характеристики плёнок

При использовании биоразлагаемых пленок для упаковки пищевых продуктов наиболее важными их характеристиками являются прочность, упругость и деформация, поэтому наибольшее количество исследований в данной области посвящено определению этих показателей [29 -31] . На рисунках 3-5 представлены кривые зависимости прочностных характеристик пленок от массового соотношения КМЦ/желатин, измеренные через 1 и 7 суток их выдерживания при температуре 298 К.

Рисунок 2 - Зависимость показателя

1.8

16 II

1.4 ■

m

Рисунок 3 - Зависимость показателя прочности от массового соотношения КМЦ/желатин ( -•- - через 1 сутки, -■- - через 7 суток)

( шероховатости пленок от массового соотношения КМЦ/желатин

- R z ,      - R a )

Рисунок 4 - Зависимость степени деформации от массового соотношения КМЦ/желатин (      - через 1 сутки,     - через 7 суток)

Рисунок 5 - Зависимость модуля упругости пленок от массового соотношения КМЦ/желатин

( - через 1 сутки, - через 7 суток)

Как видно из рисунка 3, введение в состав пленок желатина небольшого количества КМЦ, соответствующего соотношению КМЦ/ желатин 0,1, приводит к резкому снижению их прочности. Дальнейшее повышение содержания КМЦ в составе пленок желатина вплоть до значений m 1,0 приводит лишь к незначительному понижению прочности, а в интервале значений m 1,0 - 3,0 значения σ остаются почти неизменными.

Что касается деформации пленок (рис. 1), она максимальна при значении m 0,7, причем значения ɛ при времени хранения пленок 1 сутки выше, нежели после 7 суток выдерживания. Это можно объяснить испарением воды, в то же время некоторая ее часть, так называемая связанная вода, остается в составе пленок, обеспечивая их деформацию и эластичность. Следует отметить, что для придания эластичности пленкам в их состав вводят глицерин, концентрация которого в составе исследуемых пленок составляет 2,0 %. Изменение упругости пленок КМЦ-желатин со временем оказалось незначительным (рис. 5), однако введение КМЦ в состав пленок желатина резко уменьшает модуль упругости биокомпозитов в широком интервале их массового соотношения m (от 0,1 до 3,0).

ИК-спектроскопическое исследование пленок КМЦ-желатин

Для получения информации о биоразлагаемости плёнок на основе желатина и карбок-симетилцеллюлозы натрия проведено их ИК-спектроскопическое исследование при времени хранения 1 сутки и 1 месяц (рис. 6). Как видно из рисунка 6 (а, б), пленки желатина при времени хранения 1 сутки сильно гидратированы, о чем свидетельствует значительная частота пиков в интервале 4000 – 1500 см-1. Особенно сильно это выражено в области частот колебаний 4000 – 3500 см-1, соответствующих О - Н связям молекул воды и карбоксильных групп, а также в интервале 1750 – 1500 см-1 с заметным пиком, соответствующим аминогруппам бел- ков желатина. Пики при значениях ν 2932 см-1, 1671 см-1 могут также соответствовать валентным колебаниям С-Н групп; при значении ν 1412 см-1 проявляется пик, соответствующий деформационным колебаниям С-Н связи. После 1 месяца хранения пленок пики на ИК-спектрах становятся более выраженными, что связано с потерей воды.

В случае пленок, полученных из карбок-симетилцеллюлозы натрия, подобные изменения заметны в области частот колебаний 4000 – 3500 см-1, что также связано с испарением воды (рис. 6 (в, г).

Рисунок 6 - Инфракрасные спектры биоразлагаемых плёнок на основе желатина (а, б); КМЦ (в, г) и смеси

КМЦ-желатин (д, е) при времени хранения 1 сутки (а, в, д) и 1 месяц (б, г, е)

Наиболее интересными являются ИК-спектры пленок, полученных из смеси КМЦ-желатин состава 1:1. Хотя на первый взгляд они подобны ИК-спектрам пленок КМЦ, они имеют 2 резко выраженных пика в интервале частот колебаний 1750 – 1500 см-1, что обусловлено присутствием в составе пленок функциональных групп белков. Особенно это заметно при сравнении рисунков 6 (б) и 6 (е). С другой стороны, эти пленки не столь гидратированы, как пленки желатина. Очевидно, это связано с тем, что в системе желатин-КМЦ часть функциональных групп желатина, например, карбоксильных, исключается из процесса гидратации, так как участвует в образовании Н-связей с молекулами КМЦ, стабилизированных гидрофобными взаимодействиями между их неполярными участками. Так как КМЦ является анионным полимером, возможно электростатическое взаимодействие -СН2-СОО- групп КМЦ с -NH+2 группами белков желатина, которые также могут быть ста- билизированы гидрофобными взаимодействиями углеводородных цепей макромолекул полисахарида и аминокислот белков желатина. Кроме того, отсутствие значительных изменений в ИК-спектре пленок КМЦ-желатин после хранения в течение 1 месяца свидетельствует об устойчивости пленок, полученных из смеси двух полимеров. Таким образом, введение КМЦ в состав пленок желатина повышает их устойчивость при хранении.

По-видимому, для получения информации о биологическом разложении пленок на основе данных ИК-спектрокопии необходимы более длительные по времени исследования. Для этой цели довольно часто используют метод закапывания пленок в почву и контроля их массы [32 -34] . Однако этот метод не может быть объективным во многих случаях в силу того, что влага из почвы будет переходить в материал пленок, а также частицы глины будут прилипать к ним, увеличивая массу пленок.

Предложенный метод получения биоразлагаемых пленок заключается в приготовлении их растворов концентрации 0,2 – 4,0 % и последующем их смешении в различных соотношениях. Полученная смесь выливается на противень и сушится в термостате при температуре 298 К в течение 24 ч. Для регулирования деформационных свойств пленок в смесь биополимеров добавляют глицерин.

Защитные свойства пленок

Для эффективного использования биоразлагаемых пленок для упаковки пищевых продуктов, лекарственных препаратов или в качестве носителей ферментов необходима информация об их защитных или барьерных свойствах.

На рисунке 7 представлены данные по воздухопроницаемости и водоупорности пленок. Воздухопроницаемость – это объем воздуха в дм³, который проходит через материал площадью 1 м² за 1 с. Водоупорность материалов связана с их способностью противостоять воздействию влаги и измеряется в миллиметрах водного столба. Эти свойства зависят от природы, химического состава, пористости, толщины и количества слоев в материале [35] .

а)                                                         б)

Рисунок 7 - Воздухопроницаемость (а) и водоупорность (б) пленок, полученных из желатина, КМЦ и их смеси при времени хранения 1 сутки

Наибольшую воздухопроницаемость – 40,8 дм3/(м2∙с) - имеют пленки на основе КМЦ. Вероятно, образование текстурированных участков в пленках КМЦ, обусловленные неравномерным распределением полимера на твердой поверхности при их формировании, приводит к появлению в них фрагментов, отличающихся низкой степенью структурированности, и, соответственно, легко пропускающих воздух. По этой же причине значение водоупорности минимально в случае пленок КМЦ (рис. 7 (б). Следует отметить, что пленки, полученные на основе желатина и смеси КМЦ-желатин, имеют близкие значения водоупорности – 1480 и 1420 миллиметров водного столба соответственно.

Таким образом, путем структурирования желатина в присутствии добавок КМЦ получены биоразлагаемые пленки, структурно-механические и барьерные свойства которых зависят от массового соотношения КМЦ / желатин.

Заключение,выводы

Получены биоразлагаемые плёнки на основе желатина и карбоксиметилцеллюлозы натрия. Показано, что введение КМЦ в состав пленок желатина приводит к резкому уменьшению прочности и модуля упругости пленок, однако деформация и шероховатость пленок имеют максимальные значения при массовом соотношении КМЦ / желатин, равном 0,7. Это обусловлено образованием биокомпозитов за счет Н-связей и электростатических взаимодействий между функциональными группами белков желатина и макромолекул полисахарида, стабилизированных гидрофобными взаимодействиями между их неполярными участками.

Изучены барьерные свойства пленок на основе КМЦ и желатина. Показано, что наибольшую воздухопроницаемость и наименьшую водоупорность имеют пленки на основе КМЦ, что связано с текстурированностью материала пленок.

*Работа выполнена в рамках гранта AP19677207 «Дизайн наноструктурированных бионанокомпозитов на основе природного сырья», финансируемого Комитетом науки МНВО РК.