СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛКОВО-ПОЛИСАХАРИДНОЙ БИОРАЗЛАГАЕМОЙ ПЛЕНКИ
METHOD FOR PRODUCTION OF PROTEIN-POLYSACCHARIDE BIODEGRADABLE FILM

Изобретение относится к области биотехнологии, в частности к композициям гомогенных биоразлагаемых пленок, которые можно использовать для производства различных изделий промышленного, бытового и медицинского назначения.
Известна биоразлагаемая гранулированная полиолефиновая композиция, в которой используется альгинат, представляющая собой непылящие гранулы с размером 2-8 мм, перерабатываемые в пленочные изделия. Концентрат технологических и целевых добавок включает, по меньшей мере, одну биоразлагающую добавку (целлюлоза и ее производные; альгинаты, хитозан, пектин), термостабилизаторы, антиоксиданты, смазки, антистатики, пигменты, наполнители и т.д. (RU 2352597, МПК C08L 23/02, опубл. 20.04.2009 г.).
Недостатком известной композиции является значительная трудоемкость ее изготовления, так как необходимо по отдельности изготовить четыре маточные смеси, которые подают в общий смеситель, затем проводят перемешивание и гомогенизацию композиции при 150-250°С и после подводного гранулирования и сушки получают гранулированный продукт. Кроме того, биодеструкция полученных полимеров приводит лишь к снижению молекулярной массы полимера, при этом возникают низкомолекулярные фрагменты, которые полностью в окружающей природной среде не разлагаются.
Известен состав неадгезивных упругих матриц, представляющих собой лиофилизированную смесь белка, полимера, сшивающего агента и возможно пластификатора. Изобретение относится к способам изготовления эластичной желатиновой матрицы для изготовления раневых повязок, сосудистых покрытий, для включения различных фармацевтических препаратов, химических веществ и других агентов (Заявка на изобретение RU 8628800, МПК C08L 13/750, опубл. 30.05.2013 г.).
Недостатком известного состава является низкая прочность и трудоемкость изготовления.
Известна водорастворимая биодеградируемая съедобная упаковочная пленка, содержащая вкусовую основу - мясной, куриный бульон, сахарный сироп, фруктовый сок, воду, которая выбирается в зависимости от назначения пленки; структурообразователь - альгинат натрия; пластификатор - глицерин; консервант - витамин С; вкусовые добавки - эфирные масла укропа и/или чеснока, специи сухие измельченные, экстракты вина, ягод, соль (RU 2525926, МПК C08J 5/18, опубл. 20.08.2014 г.).
Недостатками известной пленки являются трудоемкость изготовления, относительно низкая прочность и деградируемость в горячей воде, не позволяющие изготавливать твердые упаковочные материалы.
Известна гомогенная термообратимая гелевая пленка, содержащая пленкообразующее количество каппа-2-каррагинана и по меньшей мере пластификатор, пленкообразователь, наполнитель и средство, регулирующее рН (RU 2341250, МПК A61K 9/48, опубл. 20.12.2008 г.).
Недостатками известного решения является то, что пленки, полученные из каппа-каррагинана, имеют проблемы, вызывающие синерезис, в производстве мягких и твердых капсул. Кроме того, изготовление известной пленки достаточно трудоемко.
Известны способ изготовления биоразлагающейся, гидрофобной и прозрачной пленки и пленка, изготовленная этим способам. Композиция пленки включает гидроколлоид - альгинат, водный растворитель (смесь воды и алифатического моноспирта С1-С6) и пластификатор, который выбирают из группы, состоящей из многоатомных спиртов, таких как глицерин, полиэтиленгликоль и сорбит, смешивают с гидроколлоидом и растворителем, формуют и сушат путем пропускания пленки через серию вращающихся нагревающих валов, обрабатывают, по крайней мере, одну сторону сухой пленки раствором дубильного вещества, а затем раствором состава, способного обеспечить желатинирование гидроколлоида, после чего ее обрабатывают микроволнами (Заявка на изобретение RU 96101157, МПК C08J 5/18, C08L 5/04).
Известный способ позволяет получить пленку с устойчивыми физическими и механическими характеристиками. Однако существенными недостатками способа являются высокие затраты энергии на его проведение и длительность по времени, значительное количество дополнительных технологических операций, обеспечивающих физико-механические свойства готовой пленки, такие как обезвоживание, дополнительное гидрирование, обработка микроволнами, а также обработка, по крайней мере, одной стороны сухой пленки раствором дубильного вещества, а затем раствором состава, способного обеспечить желатинирование гидроколлоида, что приводит к увеличению стоимости пленки. Применение в качестве пластификатора полиэтиленгликоля нежелательно, так как он потенциально токсичен для иммунной системы, может содержать остатки свинца и мышьяка.
Известен состав основы для лекарственных пленок, содержащий желатин, глицерин и воду (RU 2147874, МПК A61K 9/70, A61L 15/00, опубл. 27.04.2000).
Использование предлагаемой основы позволяет получать пленки с хорошими биофармацевтическими и физическими свойствами. Недостаком является низкая механическая прочность и растяжимость.
Наиболее близкими по технической сущности являются неадгезивные эластичные желатиновые матрицы, изготовленные из желатина, альгината, полиэтиленгликоля и 1-этил-3-[3-диметиламинопропилкарбодиимида](ЕБС)/N-гидроксисукцинимида (NHS), используемого в качестве сшивающего агента (СА Заявка №200900997 от 15.06.2005, МПК A61L 15/32).
Недостатком известного решения является неэластичность, относительно низкая прочность, а также применение сшивающего агента химического происхождения.
Технический результат заключается в увеличении прочности и растяжения белково-полисахаридной биоразлагаемой пленки, а также ускорении сроков биоразлагаемости при сохранении характеристик, не уступающих упаковочным полиэтиленовым пленкам.
Сущность изобретения заключается в том, что способ получения белково-полисахаридной биоразлагаемой пленки осуществляют путем перемешиванием желатина, альгината натрия, пластификатора и сшивающего агента с последующим формированием пленки при комнатной температуре. 10%-ный водный раствор желатина смешивают с 1-2%-ным раствором альгината натрия и пластификатором - глицерином, затем в смесь добавляют сшивающий агент - 20%-ный водный раствор фермента трансглутаминазы с последующим перемешиванием на магнитной мешалке не более 2 минут, при этом температура смеси должна быть 45-55°С.
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. Оптимальные пропорции растворения желатина в воде находятся в пределах 1:10-1:50. 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.
Альгинат натрия представляет собой полисахарид, состоящий из остатков D-маннуроновых и L-гулуроновой кислот, соединенных между собой. В карбоксильных группах водород замещен на натрий. Соотношение полимерных цепей и определяет свойства альгината. При добавлении в воду альгинаты обладают уникальными гелеобразующими свойствами. На способности образовывать гели, т.е. работать как загустители, желирующие вещества основано их применение [Подкорытова А.В. О составе и физико-химических свойствах альгиновой кислоты и альгинатов из бурых водорослей // Труды ТИНРО. Исследования по технологии рыбных продуктов. - Владивосток, 1973. - Вып. 4. - С. 86-89]. Альгинатный гель термически необратим, выдерживает охлаждение, замораживание и сохраняет свои свойства при оттаивании. При образовании геля сначала полисахаридные цепочки соединяются между собой при помощи водородных мостиков, а потом эти цепочки, связываясь с ионами металлов формируют ячеистую структуру. В середине каждой ячейки - ион металла. [Кирьянов А.Т., Иванников А.Т. Альгинат-содержащие добавки с сорбционными свойствами // Второй международный симпозиум "Питание и здоровье: биологически активные добавки к пище": Сб. тезисов. - Москва, 25-27 апреля 1996]. Такая структура способствует образованию прочных связей при получении пленочных композиционных смесей.
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. Оптимальное разведение фермента трансглютаминазы с водой - 20% раствор. При большем количестве трансглютаминазы 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.
Пример. Желатин растворяют в воде в пропорциях 1:10 при температуре 60°С. Затем 10%-ный водный раствор желатина смешивают с 1-2%-ным водным раствором альгината натрия и глицерином. Затем добавляют 20%-ный водный раствор сшивающего агента - фермента трансглутаминазы.
Белково-полисахаридную биоразлагаемую пленку получают при следующем соотношении компонентов, мас.%:
1-2%-ный водный раствор альгината натрия
19,3-38,5
10%-ный водный раствор желатина
38,5-57,7
20%-ный водный раствор
фермента трансглутаминазы
16,1-19,2
Глицерин
остальное
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 фермента 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.
2
Прочность и растяжение белково-полисахаридных биоразлагаемых пленок в МПа (Н/мм) определяли в соответствии с ГОСТ 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. Оценку биоразложения пленок проводили в почвенной среде.
В табл. 1 приведен состав полученных пленок; в табл. 2 - результаты испытаний полученных пленок.
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет повысить прочность белково-полисахаридной биоразлагаемой пленки в 2 раза, растяжение в 1,4 раза, а также ускорить сроки ее биоразлагаемости.