Растительные полисахариды в составе матрицы биоразлагаемого материала: современные технологии

Актуальность развития направлений исследований в области разработки новых материалов на основе природного сырья, обладающих способностью к биодеградации, несомненна, что прежде всего обусловлено длительной устойчивостью полимерных отходов при утилизации и как следствие увеличением нагрузки на окружающую среду. Необходимо понимать, что объемы полимерных масс в общем количестве бытовых отходов неуклонно увеличиваются, а имеющиеся сегодня решения данной проблемы не могут быть абсолютно альтернативными, так как уступают пластикам по целому ряду функциональнотехнологических характеристик (водо- и пароизоляционные свойства, прозрачность) и низкой стоимости.

Согласно последним данным Европейской института биопластиков (European Bioplastics), только 1 % из 368 миллионов тонн пластика, производимого ежегодно в мире, приходится на биопластики, в числе которых 18,7 % составляют материалы на основе крахмала, преимущественно для гибкой упаковки [8].

Кроме того, для формирования альтернативного биополимера требуется тщательный подбор основного сырья для матрицы, склонной к быстрой деградации в составе компоста. В большинстве случаев в качестве сырьевого компонента научные разработки предлагают природные биоматериалы растительного и животного происхождения, обладающие способностью изменять агрегатное состояние под воздействием различных факторов и выступать в качестве структурообразующего наполнителя для основного каркаса сырья. Немаловажным фактором, связанным со стабильностью производства, является получение материалов из возобновляемого сырья, как правило вторичных ресурсов перерабатывающих отраслей, с этой точки зрения растительное вторичное сырье является наиболее привлекательным.

В предлагаемых научных разработках наиболее часто в качестве сырьевых компонентов как основных, так и дополнительных, рассматриваются растительные и животные полисахариды (крахмал, альгинат натрия, каррагинан, хитозаны гиалуроновая кислота, гуаровая камедь и др). В соответствии с выше обозначенными тезисами, была определена цель данной работы, направленная на оценку современных трендов в области получения биоразлагаемых материалов.

В представленном обзоре рассматривались традиционные виды крахмалов в качестве основного сырья для получения биоразлагаемых материалов, в силу их достаточности и возобновляемости, хорошей биосовместимости, нетоксичности, биоразлагаемости, достаточно хорошей фотостабильности и способности увеличивать абсорбционную способность [3].

Прежде всего следует сказать, что крахмал является уникальным углеводородом, который синтезируется разными частями растений в хлоропластах и по содержанию колеблется в разном соотношении с основными нутриентами. Содержание амилопектина и амилозы в крахмале зависит от вида растения и стадии его развития, в среднем крахмал содержит до 86 % амилопектина и до 25 % амилозы. В результате селекции выделены сорта растений, крахмал которых может содержать одну из фракций полисахарида, что позволяет целенаправленно его использовать [1, 2, 4, 5]. Гидрофильные свойства проявляют гранулы крахмала, тем самым формируют прочные ассоциаты благодаря проявлению водородных связей между гидроксильными группами на поверхности гранул. Короткие ответвления цепей амилопектина образовывают геликоидальные структуры, которые способны кристаллизоваться.

Моделирование рецептуры будущего биоматериала должно быть ориентировано на такие свойства, как эластичность, поэтому относительное удлинение при разрыве определяет гибкость и растяжимость пленок. Только обладая такими свойствами пленки во время механических манипуляций в промышленном процессе смогут держать нагрузочные процессы, сохранять целостность.

Чем выше молекулярные взаимодействия и сильнее взаимодействие водородных связей, тем выше прочность на разрыв. Однако слишком высокий предел прочности на разрыв может привести к получению жестких пленок с плохой гибкостью, что доказано в исследованиях (Evangelho et al., 2019; Liu et al., 2021) [11].

С целью обеспечения прочности в матрицу вносятся пластификаторы. В качестве растворителя может выступать дистиллированная вода, необходимая для сшивания всех необходимых ингредиентов. При моделировании рецептуры полимера можно регулировать эксплуатационные свойства будущего изделия.

Крахмал в присутствии пластификатора меняет свою морфологическую структуру, тем самым позволяет получить прозрачные или матовые эластичные пленки. При избытке пластификатора пленки становятся липкими, маслянистыми, снижаются эксплуатационные свойства. При недостатке пластификатора пленки получаются сухими, ломкими, деформированными, непригодными для эксплуатации [6, 7]. Кристаллическая структура для придания термопластичности будущему материалу должна быть разрушена путем воздействия тепла, давления, механических факторов, введения пластификаторов.

Правильно организованная матрица при внесении нанокристаллов биополимеров может снизить гидрофильность пленок за счет более высокой молекулярной плотности. Нанокристаллы крахмала получают путем кислотного гидролиза крахмала, который происходит в основном в аморфной области. Малый размер частиц и низкое содержание амилозы являются желательными свойствами крахмала для эффективного получения нанокристаллов, поскольку амилоза препятствует действию кислоты на матрицу. Однако следует учитывать, что низкая растворимость замедляет процесс биоразложения и затрудняет управление отходами после утилизации.

Для пленок, полученных при использовании ультразвукового воздействия, наблюдается увеличение прочности на разрыв; такой эффект, возможно, обусловлен более однородной поверхностью, что подтверждают данные сканирующей электронной микроскопии. Обработка ультразвуком разбивает цепочки крахмала на более мелкие цепочки с повышенной подвижностью, создавая наливной раствор с низкой вязкостью, который может уменьшить наличие пор и дефектов.

В работах Sudheesh et al. (2020) изучалось применение воздушной плазмы тлеющего разряда для выработки нейтральных атомов азота и ее влияние на пленки крахмала. При увеличении мощности плазмы (и последующем увеличении скорости нейтральных атомов азота) молекулы крахмала на поверхности пленок реорганизовывались в сторону увеличения кристалличности и молекулярной плотности. Как следствие, наблюдалось увеличение прочности на разрыв [6, 7, 9, 10].

Для производства полимеров на основе крахмала предлагается применять разные методы, к числу которых относятся литье ленты, прессование, литье под давлением, экструзия и литье растворителем. Наиболее часто в лабораторных условиях используют литье из растворителя в основном для стадии сушки, требующей много времени, что позволяет оценивать пленкообразующие свойства с небольшими затратами при использовании простого лабораторного оборудования [14].

Метод литье растворителем в промышленных масштабах включает следующие процессы: раствор полимера (в летучем растворителе) наносится на стальную ленту; удаление растворителя сухим воздухом; охлаждение пленки. Вместе с тем моделирование технологического процесса должно проводиться в зависимости от свойств гранул крахмала, а вязкость и температура являются критическими параметрами, так как влияют на толщину пленочных материалов [12, 13, 15].

Подбор сырьевых компонентов, формирование рецептуры и разработка технологических последовательностей в совокупности станут определяющими в создании альтернативного полимерным материалам продукта. Полученные биоразлагаемые материалы могут быть использованы в таких сферах, как медицина, фармацевтика, пищевая промышленность, косметическая промышленность, для получения упаковки, пленок и капсул с заданными характеристиками. В свою очередь, вариация соотношения природных полисахаридов для производства природных биополимеров позволит управлять процессами их биодеградации. Представленные в обзоре материалы могут стать основой для развития научных решений и их практической реализации в области создания экоматериалов нового типа.

Проект реализуется победителем Конкурса на представление грантов преподавателям магистратуры благотворительной программы «Стипендиальная программа Владимира Потанина» Благотворительного фонда Владимира Потанина, договор № ГСГК-0063/21 от 21.07.2021.