Современное состояние и использование биоразлагаемых материалов (обзор предметного поля)

Введение. Одним из важных факторов необходимости разработки биоразлагаемой упаковки является наличие ее не разлагаемых вариаций в отходах до 50%. В связи с этим актуальной задачей является модификация биоразлагаемых полимеров для придания упаковке высоких эксплуатационных свойств с сохранением способности к биоразложению.
Цель. Рассмотреть современное состояние и использование биоразлагаемых материалов в России и зарубежом.
Материалы и методы. Отбор исследований проводился в два этапа: принималось решение о включении публикации в обзор на основе ее названия и аннотации, проводилось изучение полнотекстовых статей для детальной оценки на соответствие критериям включения. Проводилась оценка качества подготовки в исследованиях. При проведении синтеза данных выполнено сопоставление, комбинация и краткое изложение результатов отдельных исследований.В обзор были включены статьи, опубликованные с 1999 по 2024 год. Статьи отбирались исходя из количества их цитирований по следующим ключевым словам: биоразлагаемая упаковка, медицина, фармацевтика, окружающая среда, пищевые технологии, биомасса и химический синтез. 

Результаты. В результате интерактивного поиска было выделено 56 исследований. После анализа исследований было установлено, что разнообразие биоразлагаемых полимеров позволяет раскрыть их потенциал для применения в различных областях. Широкий выбор таких полимеров предоставляет возможность для создания новых материалов, которые могут эффективно разлагаться в природе и иметь необходимые нам эксплуатационные свойства. Также большинство исследований не обнаружили неблагоприятных последствий для различных организмов, как следствие, можно сделать лишь ограниченное заявление об экологической совместимости биоразлагаемых полимеров. Использование различных модификаций привело к расширению использования съедобных и биоразлагаемых пленок, что связано с улучшением общих характеристик биополимеров, повышением их механических, термических и барьерных свойств, как правило, даже при очень низком содержании. Таким образом, модификаторы играют важную роль в повышении эффективности использования биополимеров, которые сокращают количество отходов упаковки, связанных с обработанными пищевыми продуктами, и способствуют сохранению продуктов, продлевая срок их хранения.
Выводы. В данной статье проанализированы исследования о биоразлагаемых полимерах и композициях на их основе, современное состояние и использование биоразлагаемых материалов в различных областях. Приведены современные исследования по оценке возможного влияния биоразлагаемых полимеров на окружающую среду. Показаны перспективные тенденции использования биоразлагаемых полимеров в пищевой промышленности, а также в медицине и фармацевтике.

1. Аникеева, К. Г., Сафин, Р. Р., & Хайруллин, Р. З. (2024). Подбор оптимального состава термопластичного крахмала для получения биоразлагаемой твердой упаковки В Повышение энергоресурсоэффективности, экологической и технологической безопасности процессов и аппаратов химической и смежных отраслей промышленности, Т. 2, (с. 39-56).

2. Ершова, О. В., Муллина, Э. Р., Бессонова, Ю. А., & Багреева, К. В. (2022). Исследование свойств синтетических и биоразлагаемых полимеров, с целью возможности их использовани в пищевой отрасли. Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 84(1), 245-251. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2022-1-245-251

3. Подденежный, Е. Н., Дробышевская, Н. Е., Бойко, А. А., Шаповалов, В. М., & Кузьмин, А. М. (2024). Биоразлагаемые композиционные материалы на основе поликапролактона с наполнением соломой зерновых культур. Вестник Гомельского государственного технического университета им. П. О. Сухого, 97(2), 27-33. https://doi.org/10.62595/1819-5245-2024-2-27-33

4. Подзорова, М. В., Тертышная, Ю. В., Шибряева, Л. С., & Зиборов, Д. М. (2020). Влияние агрессивных факторов окружающей среды на деструкцию биоразлагаемых полимерных композитов. В Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии (pp. 434-435). https://doi.org/10.17223/9785946219242/271

5. Попова, О. С. (2022). Биоразлагаемые пленки на основе смеси крахмала-карбоксиметилцеллюлозы для пищевой промышленности. В Потребительский рынок: устойчивое развитие в условиях новых вызовов (с.173-178).. https://doi.org/ 10.48642/3583.2022.31.28.001

6. Пучков, А. А., Седуш, Н. Г., Чиркова, А. С., Бозин, Т. Н., & Чвалун, С. Н. (2023). Синтез биоразлагаемых полимеров на основе L-лактида в присутствии безметаллового органического катализатора. Высокомолекулярные соединения. Серия Б, 65(4), 265-274. https://doi.org/10.31857/S230811392370050X

7. Туреева, Г. М. (2024) Разработка оптимального состава стоматологических полимерных пленок метронидазола с облепиховым маслом. Farmatsiya, (3), 36-40.

8. Унгуряну, Т. Н., Жамалиева, Л. М., & Гржибовский, А. М. (2019). Краткие рекомендации по подготовке систематических обзоров к публикации. West Kazakhstan Medical Journal, 61(1), 26-36.

9. Якубова, Л. Ю., Селезнева, Л. Д., Дмитриенко, А. О., & Подзорова, М. В. (2023). Изменение структуры биоразлагаемых полимеров под влиянием агрессивных факторов окружающей среды. Известия Кабардино-балкарского государственного университета, (3), 119-124.

10. Abdullah, Z. W., Dong, Y., Davies, I. J., & Barbhuiya, S. (2017). PVA, PVA blends, and their nanocomposites for biodegradable packaging application. Polymer-Plastics Technology And Engineering, 56(12), 1307–1344. https://doi.org/10.1080/03602559.2016.1275684

11. Adhikari, D., Mukai, M., Kubota, K., Kai, T., Kaneko, N., Araki, K. S., & Kubo, M. (2016). Degradation of bioplastics in soil and their degradation effects on environmental microorganisms. Journal of Agricultural Chemistry and Environment, 5(01), 23–34. https://doi.org/10.4236/jacen.2016.51003

12. Aslam, M., Kalyar, M. A., & Raza, Z. A. (2018). Polyvinyl alcohol: A review of research status and use of polyvinyl alcohol based nanocomposites. Polymer Engineering & Science. https://doi.org/10.1002/pen.24855

13. Azeredo, H. M. C., Barud, H., Farinas, C. S., Vasconcellos, V. M., & Claro, A. M. (2019). Bacterial cellulose as a raw material for food and food packaging applications. Frontiers in Sustainable Food Systems, 3. https://doi.org/10.3389/fsufs.2019.00007

14. Ben Halima, N. (2016). Poly(vinyl alcohol): Review of its promising applications and insights into biodegradation. RSC Advances, 6(46), 39823–39832. https://doi.org/10.1039/c6ra05742j

15. Chandra, R. (1998). Biodegradable polymers. Progress in Polymer Science, 23(7), 1273–1335. https://doi.org/10.1016/s0079-6700(97)00039-7

16. Corradini, E., Curti, P., Meniqueti, A., Martins, A., Rubira, A., & Muniz, E. (2014). Recent advances in food-packing, pharmaceutical and biomedical applications of zein and zein-based materials. International Journal of Molecular Sciences, 15(12), 22438–22470. https://doi.org/10.3390/ijms151222438

17. Farah, S., Anderson, D. G., & Langer, R. (2016). Physical and mechanical properties of PLA, and their functions in widespread applications — A comprehensive review. Advanced Drug Delivery Reviews, 107, 367–392. https://doi.org/10.1016/j.addr.2016.06.012

18. Fredriksson, H., Silverio, J., Andersson, R., Eliasson, A.-C., & Åman, P. (1998). The influence of amylose and amylopectin characteristics on gelatinization and retrogradation properties of different starches. Carbohydrate Polymers, 35(3–4), 119–134. https://doi.org/10.1016/s0144-8617(97)00247-6

19. Gaaz, T., Sulong, A., Akhtar, M., Kadhum, A., Mohamad, A., & Al-Amiery, A. (2015). Properties and applications of polyvinyl alcohol, halloysite nanotubes and their nanocomposites. Molecules, 20(12), 22833–22847. https://doi.org/10.3390/molecules201219884

20. Gross, R. A., & Kalra, B. (2002) Biodegradable polymers for the environment. Green Chemistry, 297, 803–807.

21. Guan, J., Fujimoto, K. L., Sacks, M. S., & Wagner, W. R. (2005). Preparation and characterization of highly porous, biodegradable polyurethane scaffolds for soft tissue applications. Biomaterials, 26(18), 3961–3971. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.10.018

22. Haider, T. P., Völker, C., Kramm, J., Landfester, K., & Wurm, F. R. (2018). Plastics of the future? The impact of biodegradable polymers on the environment and on society. Angewandte Chemie International Edition, 58(1), 50–62. https://doi.org/10.1002/anie.201805766

23. Jacobsen, S., & Fritz, H. G. (1999). Plasticizing polylactide: The effect of different plasticizers on the mechanical properties. Polymer Engineering and Science. 39(7), 1303–1310.

24. Kampeerapappun, P., Aht-ong Duangdao, Pentrakoon, D., & Srikulkit, K. (2007). Preparation of cassava starch/montmorillonite composite film. Carbohydrate Polymers, 67(2), 155–163.https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2006.05.012

25. Ke, T. Y., & Sun, X. Z. (2000). Physical properties of poly(lactic acid) and starch composites with various blending ratios. Cereal Chemistry, 77(6), 761–768.

26. Kenawy, E.-R., Worley, S. D., & Broughton, R. (2007). The chemistry and applications of antimicrobial polymers: A state-of-the-art review. Biomacromolecules, 8(5), 1359–1384. https://doi.org/10.1021/bm061150q.

27. Langer, R., & Tirrell, D. A. (2004). Designing materials for biology and medicine. Nature, 428(6982), 487–492. https://doi.org/10.1038/nature02388

28. Lucas, N., Bienaime, C., Belloy, C., Queneudec, M., Silvestre, F., & Nava-Saucedo, J.-E. (2008). Polymer biodegradation: Mechanisms and estimation techniques – A review. Chemosphere, 73(4), 429–442. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2008.06.064

29. Lyu, S., & Untereker, D. (2009). Degradability of polymers for implantable biomedical devices. International Journal of Molecular Sciences, 10(9), 4033–4065. https://doi.org/10.3390/ijms10094033

30. Mohanty, A. K., Misra, M., & Hinrichsen, G. (2000). Biofibres, biodegradable polymers and biocomposites: An overview. Macromolecular Materials and Engineering, 276/277, 1–24.

31. Naushad Emmambux, M., & Stading, M. (2007). In situ tensile deformation of zein films with plasticizers and filler materials. Food Hydrocolloids, 21(8), 1245–1255. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2006.09.013

32. Otoni, C. G., Espitia, P. J. P., Avena-Bustillos, R. J., & McHugh, T. H. (2016). Trends in antimicrobial food packaging systems: Emitting sachets and absorbent pads. Food Research International, 83, 60–73. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2016.02.018

33. Peelman, N., Ragaert, P., De Meulenaer, B., Adons, D., Peeters, R., Cardon, L., Van Impe, F., & Devlieghere, F. (2013). Application of bioplastics for food packaging. Trends in Food Science & Technology, 32(2), 128–141. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2013.06.003

34. Peterson, K., Nielsen, P. V., Bertelsen, G., Lawther, M., Olsen, M. B., Nilsson, N. H., & Mortensen, G. (1999). Potential of biobased materials for food packaging. Trends in Food Science & Technology, 10, 52–68.

35. Pillai, C. K. S., & Sharma, C. P. (2010). Review paper: Absorbable polymeric surgical sutures: chemistry, production, properties, biodegradability, and performance. Journal of Biomaterials Applications, 25(4), 291–366. https://doi.org/10.1177/0885328210384890

36. Rajwade, J. M., Paknikar, K. M., & Kumbhar, J. V. (2015). Applications of bacterial cellulose and its composites in biomedicine. Applied Microbiology and Biotechnology, 99, 2491–2511.https://doi.org/10.1007/s00253-015-6426-3.

37. Ratnayake, W. S., Hoover, R., Shahidi, F., Perera, C., & Jane, J. (2001). Composition, molecular structure, and physicochemical properties of starches from four field pea (Pisum sativum L.) cultivars. Food Chemistry, 74(2), 189–202. https://doi.org/10.1016/s0308-8146(01)00124-8

38. Reiniati, I., Hrymak, A. N., & Margaritis, A. (2017). Recent developments in the production and applications of bacterial cellulose fibers and nanocrystals. Critical Reviews in Biotechnology, 37, 510–524. https://doi.org/10.1080/07388551.2016.1189871

39. Rhim, J.-W., Park, H.-M., & Ha, C.-S. (2013). Bio-nanocomposites for food packaging applications. Progress in Polymer Science, 38(10-11), 1629–1652. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2013.05.008

40. Rivelilson, M. de F. (2014). Technological development and evaluation on sialagogue activity of a spray-like liquid formulation of pilocarpine. African Journal of Pharmacy and Pharmacology, 8(35), 868–674. https://doi.org/10.5897/ajpp2014.4027

41. Ruka, D. R., Simon, G. P., & Dean, K. M. (2012). Altering the growth conditions of Gluconacetobacter xylinus to maximize the yield of bacterial cellulose. Carbohydrate Polymers, 89, 613–622. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2012.03.059

42. Saini, I., Sharma, A., Dhiman, R., Aggarwal, S., Ram, S., & Sharma, P. K. (2017). Grafted SiC nanocrystals: For enhanced optical, electrical and mechanical properties of polyvinyl alcohol. Journal of Alloys and Compounds, 714, 172–180. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.04.183

43. Shukla, R., & Cheryan, M. (2001). Zein: the industrial protein from corn. Industrial Crops and Products, 13(3), 171–192. https://doi.org/10.1016/s0926-6690(00)00064-9

44. Siva, P., Tareq, M. A., & Shameli, K. (2022). Biodegradable polymers for packaging: A bibliometric overview of the publication in web of science in year 2012-2021. Journal of Research in Nanoscience and Nanotechnology, 5(1), 29-42. https://doi.org/ 10.2376/0003-925X-68-26

45. Souza, P. M. S., Morales, A. R., Marin-Morales, M. A., & Mei, L. H. I. (2013). PLA and montmorilonite nanocomposites: Properties, biodegradation and potential toxicity. Journal of Polymers and the Environment, 21(3), 738–759. https://doi.org/10.1007/s10924-013-0577-z

46. Tang, X. Z., Kumar, P., Alavi, S., & Sandeep, K. P. (2012). Recent advances in biopolymers and biopolymer-based nanocomposites for food packaging materials. Critical reviews in food science and nutrition, 52(5), 426-442. https://doi.org/10.1080/10408398.2010.500508

47. Tokić, I., Fruk, G., & Jermić, T. (2011). Biorazgradiva ambalaža za čuvanje voća i drugih hortikulturnih proizvoda: materijali, svojstva i učinak na kakvoću. Journal of Central European Agriculture, 12(1), 226-238.

48. Tripathi, S., Mehrotra, G. K., & Dutta, P. K. (2009). Physicochemical and bioactivity of cross-linked chitosan–PVA film for food packaging applications. International Journal of Biological Macromolecules, 45(4), 372–376. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2009.07.00.

49. Urry, D. W. (1995). Elastic biomolecular machines. Scientific American, 272(1), 64-69.

50. Van Hest, J. C. M., & Tirrell, D. A. (2001). Protein-based materials, toward a new level of structural control. Chemical Communications, 19, 1897–1904. https://doi.org/10.1039/b105185g

51. Vieira, M. G. A., da Silva, M. A., dos Santos, L. O., & Beppu, M. M. (2011). Natural-based plasticizers and biopolymer films: A review. European Polymer Journal, 47(3), 254–263. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2010.12.011

52. Wang, J., Tavakoli, J., & Tang, Y. (2019). Bacterial cellulose production, properties and applications with different culture methods – a review. Carbohydrate Polymers, 219, 63–76.https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2019.05.008

53. Xu, Y., Liu, X., Jiang, Q., Yu, D., Xu, Y., Wang, B., & Xia, W. (2021). Development and properties of bacterial cellulose, curcumin, and chitosan composite biodegradable films for active packaging materials. Carbohydrate Polymers, 260, 117778. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.117778

54. Zaikova, A., Deviatkin, I., Havukainen, J., Horttanainen, M., Astrup, T. F., Saunila, M., & Happonen, A. (2022). Factors Influencing Household Waste Separation Behavior: Cases of Russia and Finland. Recycling, 7(4), 52. https://doi.org/10.3390/recycling7040052