Состав для получения биоразлагаемой полимерной пленки на основе природных материалов
Владельцы патента RU 2693776:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кемеровский государственный университет" (КемГУ) (RU)
Изобретение относится к созданию биоразлагаемой полимерной пленки для использования в пищевой промышленности, в частности в молочной промышленности, для упаковывания таких продуктов, как творог, мягкие сыры и сливочное масло. Состав содержит желатин, каррагинан, агар-агар и/или гидроксипропилметилцеллюлозу и воду. Изобретение обеспечивает получение биоразлагаемой полимерной пленки с высокой прочностью и высокой степенью разложения (не более 1-2 месяцев) для упаковки пищевых продуктов и продления их сроков хранения. 3 з.п. ф-лы, 8 табл., 3 пр.
Изобретение относится к многокомпонентному составу биоразлагаемой упаковки, предпочтительно пищевых продуктов, полученной методом экструзии с раздувом рукава, для использования в пищевой промышленности, в частности, в молочной промышленности для упаковки таких продуктов как творог, мягкие сыры и сливочное масло.
В последнее время производство упаковочных материалов растет во всем мире, включая Россию. Основная доля упаковочных материалов приходится на пластики, которым для естественного разложения требуется более 100 лет, причем в результате биологического разложения пластиков упаковки выделяются токсичные вещества, нарушается газообмен в почве и воде.
Производство биоразлагаемой упаковки на основе возобновляемого сырья животного и растительного происхождения позволит уменьшить вред, наносимый окружающей среде за счет быстрого разложения (не более 6 месяцев) естественным образом путем разрушения их микроорганизмами.
Применение биоразлагаемой упаковки является ключевым решением проблемы утилизации отходов и защиты окружающей среды. Ведущие институты мира и крупнейшие производители уже взяли разработку и применение биополимеров на вооружение. В России разработки в данной области находятся на начальном этапе, но с каждым годом интерес возрастает, так как проблема утилизации синтетических полимеров требует серьезного вмешательства.
Известен (патент RU 2604223, опубл. 04.06.2015) способ получения белково-полисахаридной биоразлагаемой пленки. При реализации способа при постоянном перемешивании 10%-ный водный раствор желатина смешивают с 1-2%-ным раствором альгината натрия и пластификатором -глицерином. Далее в полученную смесь добавляют сшивающий агент - 20%-водный раствор фермента трансглутаминазы и смесь перемешивают на магнитной мешалке 1-2 минуты при температуре смеси 45-55°С с последующим формированием пленки при комнатной температуре.
Недостатком данного способа является использование достаточно дефицитного вещества - фермента трансглутаминазы.
Известна (патент RU 2305408, опубл. 10.09.2007) бесшовная рукавная оболочка для пищевых продуктов со слоем, который содержит смесь, включающую термопластичный крахмал и/или термопластичное производное крахмала и, по меньшей мере, один дополнительный полимер, выбранный из группы, состоящей из гомо- или сополимера со звеньями гидроксикарбоновой кислоты, полиуретана со сложными эфирными блоками, полиуретана с простыми эфирными блоками, полиуретана со сложными и простыми эфирными блоками или полиалкиленкарбоната формулы -[CHR1-CHR2O-CO-O-]n, причем R1 и R2 независимо друг от друга означают водород или (С1-С4)-алкил, а n означает целое число от 10 до 5000, причем оболочка изготовлена коэкструзией и имеет несколько слоев, причем слой, содержащий указанную смесь, является внутренним, а, по меньшей мере, один другой слой является барьерным слоем, при этом оболочка внутри содержит, по меньшей мере, одно переносимое красящее, ароматизирующее и/или вкусовое вещество, а в состав ее также входят желатин и полисахариды.
Недостатком известного состава следует признать его сложность, сложная технология получения конечного продукта, кроме того, конечный продукт не является биоразлагаемым.
Также известна (патент RU 2375877, опубл. 10.12.2009) рукавообразная оболочка для пищевых продуктов с плоскостным материалом-носителем, отличающаяся тем, что материал-носитель представляет собой волокнистый материал или пористую пленку и, по меньшей мере, с одной стороны снабжен покрытием на основе белков, по меньшей мере, один из которых является пленкообразующим, при этом оболочка является свободной от регенерированной целлюлозы и в ее состав входят, по меньшей мере, желатина и полисахариды.
Недостатком известного состава следует признать его сложность, сложность технологии получения конечного продукта. Кроме того, конечный продукт не является биоразлагаемым.
Известны (патент ЕР 3109272, опубл. 28.12.2016) биографические полимерные смеси и листы, подходящие для использования как ламинатные покрытия, обертки и другие упаковочные материалы. Изобретение представляет собой биоразлагаемую полимерную смесь, содержащую по меньшей мере один «жесткий» синтетический биоразлагаемый полимер, имеющий температуру стеклования более 10°С, и по меньшей мере один «мягкий» биоразлагаемый полимер, имеющий температуру стеклования менее 0°С. Полимерная смесь подходит для образования экструдированных листов и пленок раздувом.
Наиболее предпочтительный жесткий биополимер, входящий в объем изобретения, включает ряд модифицированных полиэтилентерефталатных полимеров. Другие жесткие полимеры, которые могут быть использованы при изготовлении полимерных смесей в соответствии с настоящим изобретением: включающие полимолочную кислоту; полилактидный алифатический сополимер (CPLA, Dianippon Ink.); полиэстерамид (ВАК, Bayer); тройной сополимер, который включает звенья, полученные из полилактида, полигликолида и поликапролактона (Mitsui Chemicals, Inc.); полиэтиленкарбонат (РАС Polymers Inc.).
Предпочтительные «мягкие» биополимеры в объеме настоящего изобретения включают, но не ограничиваются ими, алифатические ароматические сополиэфиры; алифатические сложные полиэфиры, алифатические полимеры на основе сукцината, крахмал.
Авторы изобретения отмечают ряд необязательных компонентов, которые могут быть включены в биологически разлагаемые полимерные смеси.
К ним относятся пластификаторы, наполнители, натуральные полимеры и небиодеградируемые полимеры.
Наполнители могут быть добавлены для увеличения модуля Юнга, снижения стоимости, снижения склонности полимерной смеси к самоприклеиванию во время обработки. Органические наполнители могут включать в себя семена, желатины, материалы на основе агара, производные целлюлозы (например, целлюлозные эфиры), полисахаридные полимеры (агар, гуммиарабик, гуаровая камедь, каррагинановая камедь) и тому подобное. Из-за различного характера органических наполнителей для них не указаны концентрации.
Недостатком изобретения является то, что в основе рецептуры лежат синтетические полимеры и редкие материалы, в то время как широкораспространенные «природные» полимеры могут вводиться только как необязательные добавки.
Известна (патент RU 2458077, опубл. 10.08.2012) биоразлагаемая пленка на основе природных материалов: пектина и хитозана, она содержит пектин, хитозан, воду, однонормальную соляную кислоту, пластификатор -глицерин и структурообразователь - трехпроцентный раствор метил целлюлозы.
Недостатком изобретения является необходимость дополнительного введения в рецептуру пластификатора и структурообразователя, а также использование довольно редкого материала - хитозана.
Известное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в разработке оптимального состава биоразлагаемой полимерной пленки на основе природных материалов, пригодной для упаковки пищевых продуктов и сохраняющей свои свойства и характеристики непосредственно в период использования и в дальнейшем под воздействием условий окружающей среды, претерпевающей биологические, химические и физико-химические превращения, при этом включаясь в обменные процессы в природной биосистеме.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в получении биоразлагаемой полимерной пленки на основе природных материалов методом экструзии с раздувом рукава, позволяющей увеличить срок хранения пищевых продуктов, улучшить их органолептические, физико-химические и микробиологические показатели в процессе хранения.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать биоразлагаемую полимерную пленку, в состав которой входят желатин, каррагинан и загустители или стабилизаторы, в частности агар-агар и/или гидроксипропилметилцеллюлоза.
Разработанный состав может содержать:
-желатин, каррагинан и гидроксипропилметилцеллюлозу при следующем соотношении ингредиентов, масс, %:
Желатин - 51,0
Вода - 39,0
Каррагинан - 5,0
Гидроксипропилметилцеллюлоза - 5,0
-желатин, каррагинан и агар-агар при следующем соотношении ингредиентов, масс, %:
Желатин - 51,0
Вода - 34,0
Агар-агар - 10,0
Каррагинан - 5,0
-желатин, каррагинан, агар-агар и гидроксипропилметилцеллюлозу при следующем соотношении ингредиентов, масс, %:
Желатин - 51,0
Вода - 31,5
Агар-агар - 10,0
Каррагинан - 5,0
Гидроксипропилметилцеллюлоза - 2,5
Изобретение реализуется следующим образом.
Из подготовленного исходного сырья готовят композиции согласно рецептурам, при нагревании до температуры 70-80°С и при перемешивании до полного растворения. Далее проводится экструзия полученной смеси при 70°С, в результате смесь плавится, перемешивается в канале шнека экструдера и выдавливается через кольцевую формующую головку, в форме происходит раздув заготовки и изделие формуется. По окончании процесса изделие охлаждают, форму раскрывают, готовое изделие извлекают и направляют на окончательную обработку.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами (сравнение полученной биоразлагаемой полимерной пленки для обоснования достижения указанного технического результата будет проведено с целлюлозной пленкой, полученной согласно патенту RU 2458077).
Пример 1
Исходное сырье принимают, оценивают его качество согласно нормативным документам и готовят смесь композиции по рецептуре при температуре 70-80°С и постоянном перемешивании до полного растворения при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Желатин - 51,0
Вода - 39,0
Каррагинан - 5,0
Гидроксипропилметилцеллюлоза - 5,0
Далее смесь компонентов нагревают, плавят, перемешивают в канале шнека экструдера (температура - 70°С, скорость линии - 210 м/мин) и выдавливают через кольцевую формующую головку. Когда заготовка достигает нужной длины, полуформы сжимаются, фиксируя верхний и нижний края заготовки своими бортами. Нижний конец заготовки сваривается, при этом образуя отверстия на ее верхнем конце (или наоборот). После сжатия формы в нее через дорн или ниппель подается сжатый воздух, способствуя размягчению материала рукава, который принимает при этом очертания внутренней полости формы.
Когда заготовка вступает в контакт с поверхностью охлаждаемой формы, начинается ее охлаждение до тех пор, пока не охладятся самые толстые участки изделия, соединенные с дном или горловиной. Температура охлаждения - 20°С.
После охлаждения изделия форма раскрывается, готовое изделие извлекается и направляется на окончательную обработку (удаление приливов, снятие заусенцев и т.п.).
Результаты определения структурно-механических свойств, степени биоразложения, толщины и плотности, водопоглощения и газопроницаемости биоразлагаемой пленки по сравнению с ближайшим аналогом (патент RU 2458077) представлены в таблицах 1-5.
Пример 2
Исходное сырье принимают, оценивают его качество согласно нормативным документам и готовят смесь композиции по рецептуре при температуре 70-80°С и постоянном перемешивании до полного растворения при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Желатин - 51,0
Вода - 34,0
Агар-агар - 10,0
Каррагинан - 5,0
Далее смесь компонентов нагревается, плавится, перемешивается в канале шнека экструдера (температура - 70°С, скорость линии - 210 м/мин) и выдавливается через кольцевую формующую головку. Когда заготовка достигает нужной длины, полуформы сжимаются, фиксируя верхний и нижний края заготовки своими бортами. Нижний конец заготовки сваривается, при этом образуя отверстия на ее верхнем конце (или наоборот). После сжатия формы в нее через дорн или ниппель подается сжатый воздух, способствуя размягчению материала рукава, который принимает при этом очертания внутренней полости формы.
Когда заготовка вступает в контакт с поверхностью охлаждаемой формы, начинается ее охлаждение до тех пор, пока не охладятся самые толстые участки изделия, соединенные с дном или горловиной. Температура охлаждения - 20°С.
После охлаждения изделия форма раскрывается, готовое изделие извлекается и направляется на окончательную обработку (удаление приливов, снятие заусенцев и т.п.).
Результаты определения структурно-механических свойств, степени биоразложения, толщины и плотности, водопоглощения и газопроницаемости биоразлагаемой пленки по сравнению с ближайшим аналогом (RU, патент 2458077) представлены в таблицах 1-5.
Пример 3
Исходное сырье принимают, оценивают его качество согласно нормативным документам и готовят смесь композиции по рецептуре при температуре 70-80°С и постоянном перемешивании до полного растворения при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Желатин - 51,0
Вода - 31,5
Агар-агар - 10,0
Каррагинан - 5,0
Гидроксипропилметилцеллюлоза - 2,5
Далее смесь компонентов нагревается, плавится, перемешивается в канале шнека экструдера (температура - 70°С, скорость линии - 210 м/мин) и выдавливается через кольцевую формующую головку. Когда заготовка достигает нужной длины, полуформы сжимаются, фиксируя верхний и нижний края заготовки своими бортами. Нижний конец заготовки сваривается, при этом образуя отверстия на ее верхнем конце (или наоборот). После сжатия формы в нее через дорн или ниппель подается сжатый воздух, способствуя размягчению материала рукава, который принимает при этом очертания внутренней полости формы.
Когда заготовка вступает в контакт с поверхностью охлаждаемой формы, начинается ее охлаждение до тех пор, пока не охладятся самые толстые участки изделия, соединенные с дном или горловиной. Температура охлаждения - 20°С.
После охлаждения изделия форма раскрывается, готовое изделие извлекается и направляется на окончательную обработку (удаление приливов, снятие заусенцев и т.п.).
Результаты определения структурно-механических свойств, степени биоразложения, толщины и плотности, водопоглощения и газопроницаемости биоразлагаемой пленки по сравнению с ближайшим аналогом (RU, патент 2458077) представлены в таблицах 1-5.
Таким образом установлено, что изготовленные по предложенному способу и рецептурам биоразлагаемые полимерные пленки на основе природных материалов обладают высокой прочностью, имеют высокую степень разложения, водопоглощения и газопроницаемости, что особенно важно в связи с перспективами их применения в пищевой, в т.ч. молочной промышленности. В рецептуру биоразлагаемых полимерных пленок входят только природные компоненты без использования синтетических полимеров и редких материалов. Использование таких пленок позволит повысить срок хранения пищевых продуктов, в т.ч. молочных продуктов, таких как творог, мягкие сыры и сливочное масло (таблицы 6-8).
* 1 - тест, 2 - контроль
1. Состав для получения биоразлагаемой полимерной пленки для упаковки пищевых продуктов на основе природных материалов, содержащий воду, загустители или стабилизаторы, в качестве которых используются желатин, каррагинан, агар-агар и/или гидроксипропилметилцеллюлоза.
2. Состав по п. 1, отличающийся тем, что он содержит желатин, каррагинан и гидроксипропилметилцеллюлозу при следующем соотношении ингредиентов, масс. %:
| Желатин | 51,0 |
| Вода | 39,0 |
| Каррагинан | 5,0 |
| Гидроксипропилметилцеллюлоза | 5,0 |
3. Состав по п. 1, отличающийся тем, что он содержит желатин, каррагинан и агар-агар при следующем соотношении ингредиентов, масс., %:
| Желатин | ,0 |
| Вода | 34,0 |
| Агар-агар | 10,0 |
| Каррагинан | 5,0 |
4. Состав по п. 1, отличающийся тем, что он содержит желатин, каррагинан, агар-агар и гидроксипропилметилцеллюлозу при следующем соотношении ингредиентов, масс., %:
| Желатин | 51,0 |
| Вода | 31,5 |
| Агар-агар | 10,0 |
| Каррагинан | 5,0 |
| Гидроксипропилметилцеллюлоза | 2,5 |
