Биоразлагаемая пленка
Владельцы патента RU 2564824:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва" (RU)
Изобретение относится к композициям биоразлагаемых пленок и может быть использовано в фармацевтике, медицине, ветеринарии, пищевой или косметической промышленности, а также для изготовления оберточной пищевой пленки, капсул, упаковочных материалов. Технический результат заключается в повышении прочности и растяжения, а также в ускорении сроков биоразлагаемости при сохранении характеристик, не уступающих полиэтиленовым пленкам. Технический результат достигается тем, что биоразлагаемая пленка содержит глицерин, структурообразователь - 10% водный раствор желатина и дополнительно в качестве сшивающего агента - фермент трансглутаминазы, смешанный с молочной сывороткой в пропорции 1:4, при заданном соотношении компонентов. 2 табл.
Изобретение относится к композициям биоразлагаемых пленок и может быть использовано в фармацевтике, медицине, ветеринарии, пищевой и косметической промышленности, а также для изготовления оберточной пищевой пленки, капсул, упаковочных материалов.
Известен состав биоразлагаемой ламинированной пленки, содержащей хитозан и пектин. В качестве пластификатора может быть добавлен глицерин. К пектиновому или хитозановому раствору, используемому для изготовления пленки, может быть добавлен крахмал (US, №5919574, МПК C08L 5/06, опубл. 06.07.1999 г.).
Недостатком известного решения является значительная трудоемкость изготовления слоистой пленки, так как необходимо по отдельности изготовить слой пектиновой и слой хитозановой пленок. Кроме того, наслоение этих пленок друг на друга может быть сопряжено с появлением пузырьков воздуха между слоями, которые почти невозможно удалить, так как слои пленки достаточно крепко слипаются между собой.
Известна неадгезивная эластичная желатиновая матрица, представляющая собой лиофилизированную смесь белка, полимера, сшивающего агента и возможно пластификатора. В качестве белка выбрана группа, состоящая из коллагена, денатурированного коллагена и их смесей, в качестве полимера выбрана группа, состоящая из полиэтиленгликоля, поли-L-лизина, альгината, хитозана, гиалуроновой кислоты, хондроитина сульфата и их смесей, в качестве сшивающего агента выбрана группа, состоящая из 1-[3-(диметиламино)пропил]-3-этилкарбодиимида (EDC), N-гидроксисукцинимида (NHS), формальдегида, глутаральдегида, полиазиридинов, диглицидиловых эфиров и их смесей (ЕР, №016776, МПК A61L 15/32, опубл. 2012.07.30).
Недостатком является неэластичность, относительно низкая прочность, а также применение сшивающего агента химического происхождения.
Известна биоразлагаемая пленка на основе хитозана и пектина. Пектин растворяют в дистиллированной воде при температуре 37-38°С. Хитозан растворяют в 1 H (однонормальной) соляной кислоте при температуре 37°-38°С. Затем полученные растворы пектина и хитозана в равной прпорции сливают и перемешивают до полного растворения образующихся сгустков. Затем добавляют пластификатор - глицерин и структурообразователь - 3% раствор метилцеллюлозы. Пленку формируют на стеклянной подложке в течение 20-24 часов при температуре от 0 до 25°С (RU, №2458077, МПК C08L 5/18, C08L 5/06, C08L 5/08, C08L 101/16, опубл. 10.08.2012 г.).
Недостатками является трудоемкость изготовления пленки, относительно низкая прочность и ломкость при высыхании, не позволяющие изготавливать упаковочные материалы, а также относительно высокая стоимость пектина.
Технический результат заключается в повышении прочности и растяжения, а также в ускорении сроков биоразлагаемости при сохранении характеристик, не уступающих полиэтиленовым пленкам.
Технический результат достигается тем, что биоразлагаемая пленка включает глицерин, структурообразователь - 10% водный раствор желатина. Дополнительно в качестве сшивающего агента содержит фермент трансглутаминазы, смешанный с молочной сывороткой в пропорции 1:4, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| глицерин | 11,7-14,6 |
| 10% водный раствор желатина | 26,9-31,5 |
| фермент трансглютаминазы, | |
| смешанный с молочной | |
| сывороткой в соотношении 1:4 | 53,9 61,4 |
Молочная сыворотка является вторичным сырьем (побочным продуктом) при производстве сыров, творога и казеина. Она отделяется после свертывания молока в результате снижения pH до 4,6 ед. под воздействием молочной кислоты. Основными белками молочной плазмы являются альфа-лактальбумин (65%), бета-лактоглобулин (25%) и альбумин сыворотки крови (8%). Белки составляют 0,7-1,1% от общей массы сыворотки. Жидкая сыворотка содержит лактозу, витамины и минеральные вещества, а также следы жиров [Переработка и использование молочной сыворотки/А.Г. Храмцов и др., - М.: Агропромиздат, 1989. - 271 с.]. Белки молочной сыворотки имеют высокое сродство к трансглютаминазе [Sharma, R.; Lorenzen, P.C.; Qvist, К.В. / International Dairy Journal, Volume 11, Number 10, 2001, pp. 785-793(9)] и поэтому ее присутствие в композиции улучшает физико-механические показатели получаемых пленок.
Желатин, являясь продуктом переработки коллагена, распространенного в природе белкового вещества, образует главную составную часть соединительной ткани позвоночных, особенно в коже, оссеине костей и в сухожилиях. По аминокислотному и элементарному составу желатин близок к коллагену. Главнейшие кислоты: глицин (около 27%), пролин (около 16%), оксипролин (около 14%), глутаминовая кислота (около 12%), аргинин (около 9%), лизин (около 5%). Желатин набухает в воде и при нагревании от 30 до 60°С растворяется; при охлаждении раствор желатина образует студень (гель), который при нагревании опять переходит в раствор. Оптимальная пропорция растворения желатина в воде в заявляемом решении равна 1:10. Температура застудневания и прочность студня зависят от концентрации раствора и качества желатина. Основными критериями качества желатина являются вязкость раствора, прочность студня, температура его плавления и застудневания, измеренные при определенных условиях [Артеменко А.И. Справочное руководство по химии / А.И. Артеменко, В.А. Малеванный, И.В. Тикунова - М:. Высшая школа. 1990. 124 с.]. Благодаря функции гелеобразователя возможно его использование в получении биоразлагаемых полимеров. При недостатке желатина прочность пленок уменьшается.
Фермент трансглютаминаза обладает уникальными свойствами - связывает простые и сложные белки, образует ковалентные связи между свободными аминогруппами (свободных, либо из боковых цепей лизина) и гамма-карбоксамидными группами глутамина, способствуя внутри- и межмолекулярному перекрестному сшиванию белковых молекул. Ковалентные связи трансглютаминазы устойчивы к протеолизу.
Оптимальная концентрация смеси фермента трансглютаминазы с молочной сывороткой должна быть 1:4. При большей концентрации (например, 1:3) увеличивается прочность пленок, но они становятся ломкими даже при увеличении количества пластификатора (глицерина).
Глицерин отвечает за пластичность и гибкость пленок. При его недостатке пленки не растягиваются, при сгибании легко ломаются. При избытке глицерина пленки плохо отделяются от поверхности, становятся липкими, вязкими.
Биоразлагаемую пленку получают следующим образом. Желатин растворяют в воде в пропорциях 1:10 при температуре 60°С. Затем смешивают его с глицерином и в последнюю очередь добавляют фермент трансглутаминазу, смешанную с молочной сывороткой в пропорции 1:4 (табл. 1). Фермент сшивает компоненты пленки очень быстро, поэтому после его внесения суспензию перемешивают на магнитной мешалке не более 2 минут. Температура смеси должна быть 45-55°С, так как это оптимум действия трансглутаминазы. Получившуюся массу осторожно выливают в посуду с горизонтальным дном. Количество массы зависит от требуемой толщины. Пленку формируют в течение 20-24 часов при комнатной температуре. В результате получают однородную, слегка мутную пленку. Пленка гибкая - при сгибе не образуется трещин, при разгибании пленка принимает исходное состояние. Пленка не имеет запаха, может принимать различные формы в зависимости от формы сосуда, в который заливают раствор.
Прочность и растяжение биополимерных пленок в МПа (Н/мм2) определяли в соответствии с ГОСТ-ом 17035-86 и ASTM с использованием универсальной испытательной машины с электромеханическим приводом XLW (PC) Auto (ГОСТ 7855-84; ASTM). Толщину пленок определяли на автоматическом толщиномере высокого разрешения CHY-C2 (табл. 2).
В таблице 1 приведен состав полученной пленки; в таблице 2 приведены сравнительные характеристики при испытаниях полученных пленок.
Оценка биоразложения пленок была проведена в почвенной среде. Свежеприготовленные пленки были полностью биоразлагаемы за 6 суток (прототип свежеприготовленной пленки разлагается за 8 суток). После трехмесячного хранения пленка разлагается за 12 суток (прототип после трехмесячного хранения разлагается за 15 суток), после полугода - за 23 суток.
По сравнению с известными решениями предлагаемый состав биоразлагаемой пленки позволяет повысить ее прочность на 10-15%, растяжение на 20-30%. Пленка приобретает свойство биоразлагаемости и ее можно использовать для изготовления биоразлагаемых упаковочных и перевязочных материалов. Кроме того, снижается ее себестоимость в 1,5 раза за счет использования более дешевой молочной сыворотки.
Биоразлагаемая пленка, включающая глицерин и структурообразователь, отличающаяся тем, что она в качестве структурообразователя содержит 10% водный раствор желатина, а также дополнительно в качестве сшивающего агента - фермент трансглутаминазы, смешанный с молочной сывороткой в пропорции 1:4, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| глицерин | 11,7-14,6 |
| 10% водный раствор желатина | 26,9-31,5 |
| фермент трансглютаминазы, | |
| смешанный с молочной | |
| сывороткой в соотношении 1:4 | 53,9-61,4 |
