Исследование возможности использования биоразлагаемых целлюлозосодержащих материалов на основе мискантуса в качестве одноразовой посуды и упаковки пищевых продуктов

Введение. В настоящее время одним из приоритетных направлений развития науки и техники в области экологии и охраны окружающей среды является разработка биоразлагаемых материалов.

Цель. Целью работы является исследование целлюлозосодержащих материалов для определения возможности их использования в качестве упаковочных материалов пищевых продуктов и одноразовой посуды. 

Материалы и методы. В качестве объектов исследования были выбраны материал на основе мискантуса и материал на основе беленой целлюлозы. Исследования проводились в центре коллективного пользования на базе Российского биотехнологического университета. В работе проводили исследования на барьерные свойства, деформационно-прочностные характеристики, санитарно-гигиенические показатели и способность к биоразложению.

Результаты. Материал из мискантуса имеет более высокие показатели физико-механических свойств по сравнению с целлюлозным материалом из древесины. Проницаемость для паров воды, по кислороду, а также жиростойкость всех исследуемых образцов невысокая. Материал на основе древесной целлюлозы, а также материал из мискантуса, являются нежиростойкими и не рекомендуются для пищевых продуктов с высоким содержанием жира. При исследовании образцов в жидкой среде биогумус было отмечено, что образцы из древесной целлюлозы и из мискантуса разложились в модельной среде на 8 неделе. Определено, что за 6 недель компостирования образцы материала из мискантуса разлагаются полностью, в свою очередь образцы материала из древесной целлюлозы достигли полного биоразложения после 12 недели. Исследования лабораторных образцов по техническому регламенту таможенного союза 005/2011 «О безопасности упаковки» установили, что предельно допустимые концентрации выделившихся низкомолекулярных веществ не превышают установленную норму, и такую упаковку можно использовать для контакта с пищевыми продуктами.

Выводы. В результате исследования качества целлюлозных материалов определено, что качество изделий удовлетворительное: дефектов нет, повреждений нет, включений нет. Установлено, что исследуемые образцы имеют высокие показатели физико-механических свойств. Определено, что образцы целлюлозных материалов разлагаются полностью в течение 3 месяцев. При этом не остается даже фрагментов материалов. Установлено, что даже в условиях ограничения доступа кислорода воздуха (модель полигон) образцы разлагаются полностью за 4 месяца без образования фрагментов изделий или волокон. По результатам проведенных исследований определено соответствие образцов целлюлозных тарелок нормам ТР ТС 005/2011. Данные целлюлозосодержащие материалы можно использовать в качестве упаковочных материалов пищевых продуктов и одноразовой посуды.

1. Аунг, Х. Т. (2020). Получение композиционных материалов на основе продуктов переработки рисовой шелухи [Кандидатская диссертация, РХТУ]. Москва, Россия.

2. Балыхин, М. Г., Кирш, И. А., Губанова, М. И., Банникова, О. А., Безнаева, О. В., Чалых, А. Е., Щербина, А. А., Иорданский, А. Л., Ольхов, А. А., Щетинин, М. П., & Музыка, М. Ю. (2021). Рециклинг упаковки и биоразлагаемые полимерные материалы: монография, (с. 120-190). Проспект.

3. Будаева, В. В., Митрофанов, Р. Ю., Золотухин, В. Н., & Сакович, Г. В. (2011). Новые сырьевые источники целлюлозы для технической химии. Вестник казанского технологического университета, (7), 205-212.

4. Ершова, О. В., & Чупрова, Л. В. (2016). Способы химической модификации целлюлозы с целью создания новых композиционных материалов. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований, (10), 359-362.

5. Капустянчик, С. Ю., & Якименко, В. Н. (2020). Мискантус - перспективная сырьевая, энергетическая и фитомелиоративная культура (литературный обзор). Почвы и окружающая среда, 3(3), 10-24. https://doi.org/10.31251/pos.v3i3.126

6. Карпунин, И. И., Кузьмич, В. В., & Балабанова, Т. Ф. (2015). Классификация биологически разлагаемых полимеров. Наука и техника, (5), 53-59.

7. Кирш, И. А., Овсянников, С. А., Безнаева О. В., Банникова, О. А., Губанова, М. И., Новиков, М. Н., Тверитникова, И. С. (2022). Перспективы повторной переработки отходов одноразовой упаковки. Health, Food & Biotechnology, 4(2), 31-47. https://doi.org/10.36107/hfb.2022.i2.s149

8. Кирш, И. А., Романова, В. А., Тверитникова, И. С., Безнаева, О. В., Банникова, О. А., & Шмакова Н. С. (2020). Исследования влияния ультразвуковой обработки на расплавы полимерных композиций на основе полиэтилена и модифицированного крахмала. Химическая промышленность сегодня, (1), 62-67.

9. Косточко, А. В., Шипина, О. Т., Валишина, З. Т., Гараева, М. Р., & Александров, А. А. (2010). Получение и исследование свойств целлюлозы из травянистых растений. Вестник Казанского технологического университета, (9), 267-275.

10. Литвяк, В. В. (2019). Перспективы производства современных упаковочных материалов с применением биоразлагаемых полимерных композиций. Журнал Белорусского государственного университета. Экология, (2), 84–94.

11. Мазитова, А. К., Аминова, Г. К., Зарипов, И. И., & Вихарева, И. Н. (2021). Биоразлагаемые полимерные материалы и модифицирующие добавки: современное состояние. Часть II. Нанотехнологии в строительстве, 13, 32–38. https://doi.org/10.15828/2075-8545-2021-13-1-32-38

12. Ольхов, А. А., Попов, А. А., Ольхов, А. А., Григорьева, Е. А., Хватов, А. В., & Абзальдинов, Х. С. (2015). Технологические свойства биоразлагаемых композиционных материалов на основе полиэтилена и крахмала. Вестник Казанского технологического университета, 16, 105–109.

13. Шабарина, А. А., Кузьмин, А. М., Водяков, В. Н., & Шабарин, И. А. (2021). Получение биоразлагаемых композиционных материалов на основе полиолефинов и лузги из семян подсолнечника. Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология, (4), 73–76. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216404.6283

14. Alizadeh-Sani, M., Azizi-Lalabadi, M., Tavassoli, M., Mohammadian, E., & McClements, D.J. (2021). Recent Advances in the Development of Smart and Active Biodegradable Packaging Materials. Nanomaterials,11(5), 1331.https://doi.org/10.3390/nano11051331

15. Gismatulinaa, Yu. A., Budaevaa, V. V., Veprevb, S. G., Sakovicha, G. V., & Shumnyb, V. K. (2015). Cellulose from Various Parts of Soranovskii Miscanthus. Russian Journal of Genetics: Applied Research, 1(5), 60–68. https://doi.org/10.1134/S2079059715010049

16. Ilyas, R., Sapuan, S., Ishak, M., & Zainudin, E. (2018). Sugar palm nanocrystalline cellulose reinforced sugar palm starch composite: Degradation and water-barrier properties. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 368, 012006. https://doi.org/10.1088/1757-899X/368/1/012006

17. Kirsh, I. A., Beznaeva, O. V., Bannikova, O. A., Romanova, V. A., & Barulya, I. V. (2019). Biodegradable polymer compositions based on the waste of the agro-industrial complex. Bioscience Biotechnology Research Communications, S5(12), 196-202.

18. Kirsh, I. A., Beznaeva, O. V., Bannikova, O. A., Romanova, V. A., & Barulya, I. V. (2019). Development of biodegradable polymer compositions based on the waste of the agro-industrial complex. International Journal of Advanced Biotechnology and Research, 2(10), 15-23.

19. Kirsh, I., Bannikova, O., Beznaeva, O., Tveritnikova, I., Romanova, V., Zagrebina, D., Frolova, Y., & Myalenko, D. (2020). Research of the influence of the ultrasonic treatment on the melts of the polymeric compositions for the creation of packaging materials with antimicrobial properties and biodegrability. Polymers, 2(12), 275. https://doi.org/10.3390/polym12020275

20. Lim, J. S., Mana, Z. A, Alwi, S. R. W, & Hashim, H. (2012). A review on utilization of biomass from rice industry as a source of renewable energy. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16, 3084-3094. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.02.051

21. Shaghaleh, H., Xu, X., & Wang, S. (2018). Current progress in production of biopolymeric materials based on cellulose, cellulose nanofibers, and cellulose derivatives. The Royal Society of Chemistry, 8, 825-842. https://doi.org/10.1039/C7RA11157F

22. Tu, W.-C., Weigand, L., Hummel, M., Sixta, H., Brandt-Talbot, А., & Hallett, J. P. (2020). Characterisation of cellulose pulps isolated from Miscanthus using a low-cost acidic ionic liquid. Cellulose, 27, 4745–4761. https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-020-03073-1

23. Virendra, S. B., & Tarun, K. G. (1981). Biodegradation of cellulosic materials: Substrates, microorganisms, enzymes and products. Enzyme and Microbial Technology, 2(3), 94-104 https://doi.org/10.1016/0141-0229(81)90066-1

24. Wei, Z. (2016). Comprehensive Applications of Rice Husk Biomass Master's. Theses, 1033.