БИОРАЗЛАГАЕМАЯ ПЛЕНКА НА ОСНОВЕ ПЕКТИНА И ХИТОЗАНА
PECTIN- AND CHITOSAN-BASED BIODEGRADABLE FILM

Изобретение относится к композициям биоразлагаемых пленок, содержащих пектин, для использования в фармацевтике, медицине, ветеринарии, пищевой или косметической промышленности, а также для изготовления оберточной пищевой пленки капсул.
Известна взятая за прототип высокоэластичная слоистая пленка, изготавливаемая из хитозана и пектина. В качестве пластификатора может быть добавлен глицерин или молочная кислота, а к пектиновому или хитозановому раствору, используемому для изготовления пленки, может быть добавлен крахмал. Получаемая слоистая пленка является биодеградируемой и производится из возобновляемого сельскохозяйственного сырья (патент США №5919574).
Недостатком прототипа является значительная трудоемкость изготовления слоистой пленки, так как необходимо по отдельности изготовить слой пектиновой и слой хитозановой пленки, 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.
Задачей изобретения является упрощение и ускорение процесса изготовления пленки из пектина и хитозана, получение биоразлагаемой пленки с характеристиками, близкими к упаковочным полиэтиленовым пленкам.
Техническим результатом изобретения является получение однородной биоразлагаемой пленки на основе пектина и хитозана без недостатков структуры, близкой по гомогенности, пластичности, прочности к упаковочным полиэтиленовым пленкам бытового назначения.
Технический результат достигается тем, что в биоразлагаемой пленке, полученной из пектина, воды, хитозана, однонормальной соляной кислоты и пластификатора, согласно изобретению в качестве пластификатора используют глицерин, а также пленка содержит структурообразователь трехпроцентный раствор метилцеллюлозы при следующем соотношении компонентов, мас.%:
пектин
35-37
хитозан
35-37
вода
7-8
однонормальная соляная кислота
7-8
глицерин
5-6
трехпроцентный раствор метилцеллюлозы
остальное.
На фигуре 1 приведены фотографии биоразлагаемой пленки на основе пектина и хитозана согласно изобретению. На фигуре 2 приведены фотографии разложения предлагаемых пленок в течение 8 суток.
В биоразлагаемой пленке согласно изобретению оптимальное соотношение пектина и хитозана должно быть приблизительно 1:1. Данное соотношение позволяет пленкам согласно изобретению быть прочными (пектин придает пленкам студенистость), при недостатке пектина структура пленки становится слишком рыхлой и жидкой, пленки могут не застыть. А при избытке пектина пленка становится негибкой, при этом срок разложения пленки увеличивается, что связано с большей плотностью пленок.
Хитозан отвечает за совместимость с животной тканью. Подвергаясь воздействию природных грибков, пленки, содержащие в себе хитозан, имеют встроенный источник азота для увеличения биодеградации. Т.е. при недостатке хитозана существенно увеличивается срок разложения пленок, снижается их степень безвредности для организма. При избытке хитозана пленка будет непрозрачной, будет иметь мутный белый оттенок.
Глицерин отвечает за пластичность и гибкость пленок. При его недостатке пленки не растягиваются, при сгибании появляются трещины. При избытке глицерина пленки плохо отделяются от поверхности, становятся липкими, вязкими.
Трехпроцентный раствор метилцеллюлозы делает пленки более прочными. При избытке данного компонента пленки становятся хрупкими, ломкими. При недостатке - легко рвутся, непрочные.
Биоразлагаемую пленку согласно изобретению получают следующим образом. Пектин растворяют в дистиллированной воде. Затем для лучшего растворения компонентов раствор помещают в термостат на 1 минуту при температуре 37-38°С. Хитозан растворяют в 1 н. (однонормальной) соляной кислоте. Для лучшего растворения компонентов раствор также помещают в термостат на 1 минуту при температуре 37-38°С. Затем полученные растворы пектина и хитозана предпочтительно в равной пропорции сливают и перемешивают до полного растворения образующихся сгустков. Для того чтобы пленка была прочной и равномерно отделялась от подложки, после перемешивания сгустков в полученный раствор добавляют пластификатор и структурообразователь.
Получившуюся массу осторожно выливают в чашу Петри. Пленку формируют на стеклянной подложке (в чаше Петри) в течение 20-24 часов при температуре от 0 до 25°С.
В результате получают однородную, прозрачную (в зависимости от толщины пленка будет прозрачной или немного мутной) пленку. Пленка гибкая - при сгибе не образуется трещин, при разгибании пленка принимает исходное состояние. Пленка не имеет цвета, запаха. Ее можно окрашивать различными красителями, например пищевыми, т.к. они безвредны для человека. Пленка может принимать различные формы в зависимости от формы сосуда, в который заливают раствор: в чаши Петри - круглые пленки (фиг.1), в квадратную емкость - квадратные пленки. Изменения цвета и формы пленок никак не сказывались на их свойствах.
r
2
Прочность биополимерных пленок определяли в соответствии с ГОСТом 17035-86 с использованием универсальной испытательной машины с электромеханическим приводом (ГОСТ 7855-84). Прочность σ, МПа (H/мм) вычисляли по формуле:
,
r
2
где σ - прочность при разрыве (МПа, Н/мм),
r
F - сила растяжения (Н),
0
2
А - площадь поперечного сечения (мм).
Показатели прочности получаемой пленки приведены в таблице 1, где также приводятся значения показателей пленки согласно изобретению в сравнении с аналогичными показателями полиэтилена. Так как одной из главных задач изобретения было получить достойный аналог полиэтиленовым пакетам, то наиболее важные свойства полученных полимерных пленок приведены в таблице с аналогичными свойствами полиэтиленовых пленок бытового назначения (упаковка). На основании этих данных можно сделать вывод о том, что прочность полимерных пленок близка к прочности полиэтилена, но их безвредность и способность быстро подвергаться биодеструкции расширяет область их применения.
по ширине
по длине
В таблице 1 приведен состав полученной согласно изобретению пленки: ее толщина - h, длина окружности взятого фрагмента - 1, растяжимость материала в ширину в одну сторону - σ, растяжимость материала в длину в другую сторону - σ.
Таблица 1
h, мм
l<sub>0</sub>, мм
σ <sub>по ширине</sub>, МПа
σ <sub>по длине</sub>, МПа
Состав полученной пленки:
метилцеллюлоза
0,06
15
12,2
13,8
пектин
хитозан
глицерин
вода
1 н. HCl
Полиэтиленовая пленка
0,04
15
13,7
14,7
Толщину пленки измерили с помощью микрометра ELECTRO МС DIGITAL MICROMETER. Она составила 0,074 мм. У разных экземпляров изготовленных пленок толщина варьировалась от 0,075 до 1 мм.
Оценка биоразложения пленок была проведена в почвенной среде. Свежеприготовленные пленки на основе смеси хитозан - пектин были полностью биоразлагаемы за 8 суток (фиг.2). После трехмесячного хранения пленка разлагается за 15 суток, после полугода - за 23 суток.
Изобретение поясняется примером.
10 мг яблочного петина растворяют в 2 мл дистиллированной воды. Для лучшего растворения помещают раствор в термостат на 1 минуту при температуре 37-38°С.
10 мг полифракционного хитозана из панциря ракообразных (изготовитель - ЗАО «Биопрогресс») растворяют в 2 мл 1 н. (однонормальной) HCL. Для лучшего растворения помещают раствор в термостат на 1 минуту при температуре 37-38°С.
Далее сливают получившиеся растворы пектина и хитозана. Во время сливания раствора пектина с равным объемом раствора хитозана происходит образование сгустков на границе контакта двух жидкостей. Сгустки имеют гелеобразную структуру. При отстаивании происходит медленное осаждение сгустков на дно сосуда без образования однородной массы. Сгустки либо удаляют из раствора, либо размешивают до образования однородной массы. Для того чтобы пленка была прочной и равномерно отделялась от подложки, после перемешивания сгустков в полученный раствор добавляют пластификатор и структурообразователь. Для придания пластичности добавляют 1,5 мл пластификатора - глицерина. Для придания пленке прочности добавляют структурообразователь - 2 мл 3% раствора метилцеллюлозы (3 г метилцеллюлозы + 100 мл воды).
Пленку формируют на стеклянной подложке (в чаше Петри) в течение 20-24 часов при температуре 20-25°С. После высыхания пленки ее отделяют от подложки. Толщину пленки измерили с помощью микрометра ELECTRO МС DIGITAL MICROMETER, она составила 0,074 мм.