Получение плёнок упаковочного назначения на основе желатина и крахмала

Проведены исследования по получению смесевых бикомпонентных пленочных систем на основе желатина и крахмала упаковочного назначения. Подобраны соотношения полимерных компонентов и пластификатора — глицерина для получения плёнок с приемлемой эластичностью и физико-механическими и органолептическими свойствами. Получены зависимости показателей физико-механических характеристик плёнок от состава и количества пластификатора, исследованы барьерные свойства плёнок, а именно; гигроскопичность и влагоотдача, а также кинетические зависимости процесса растворения смесевых плёнок в нормальных условиях и при температуре 88оС.

В условиях глобального экологического кризиса, вызванного повсеместным использованием синтетических пластиков, поиск альтернативных экологически безопасных упаковочных материалов приобретает критическую значимость. В связи с этим, переход к биоразлагаемым материалам, способным уменьшить нагрузку на окружающую среду, является весьма актуальным направлением. [1]

Упаковочные плёнки и покрытия на основе биополимеров, таких как белки и полисахариды могут стать заменой синтетической упаковки так как сочетают функциональность традиционных пластиков с минимальным экологическим следом. Однако, обладая уникальной биосовместимостью, гидрофильностью, биоразложением, биополимеры имеют низкие механические и эксплуатационные характеристики, проигрывают в барьерных свойствах.

Решить этот вопрос возможно созданием биокомпозитов на основе смеси двух и более полимеров, например, белков (коллагена, желатина, казеина, глютена) и/или полисахаридов (крахмалы, эфиры целлюлозы, хитозан, декстрины, альгинаты, каррагинаны) и/или липидов (воски, жиры, масла).

[2] Такие плёнки имеют гидрофильную природу, что обеспечивает высокие барьерные характеристики по кислороду, низкие для влаги, однако это позволяет вводить в состав композиции красители, стабилизаторы, ароматизаторы в виде водорастворимых добавок. Среди перспективных решений по получению смесевых плёнок особое место занимают природные доступные возобновляемые биополимеры и композиты на их основе — желатин и картофельный крахмал. Желатин, получаемый из коллагена животных тканей, является экономически выгодным сырьём, применение которого в упаковочных плёнках решит проблему утилизации отходов в мясоперерабатывающей отрасли. [3-4]

Однако, природный желатин обладает рядом ограничений, таких как гигроскопичность, малая механическая прочность и жёсткость покрытий, низкие барьерные свойства, что требует научно обоснованной модификации его структуры.

Целью работы являлась разработка и получение композиционных желатиновых плёнок упаковочного целевого назначения на основе смеси желатина и крахмала и исследование их физико-механических, физических, барьерных и биоразлагаемых свойств.

В качестве объектов исследования выступали полимерные плёнки, полученные из растворов желатина с концентрацией полимера 14%, 16% и 18% и крахмала с соотношением его к желатину 0, 25, 40, 55 и 60% по массе и содержанием в качестве пластификатора глицерина в количестве 4, 6, 8 и 12 % по объёму. Состав композиций приведён в таблице 1-2.

Индивидуальные и би-компонентные плёнки получали из индивидуальных водных растворов желатина необходимой концентрации с набуханием полимера, последующим растворением и смешением со вторым полимером и пластификатором, гомогенизацией и формованием готового раствора на подложку или в форму и сушкой при комнатной температуре.

Полученные образцы плёнок были подвергнуты органолептическому анализу. Плёнки, полученные из индивидуальных растворов желатина, обладали повышенной хрупкостью, при добавлении пластификатора они приобретали эластичность, поскольку глицерин способствует увеличению подвижности молекул полимеров, распределяясь между цепями полимера без образования новых связей, увеличивает расстояние между молекулами желатина, снижает взаимодействия между ними, что приводит к пластифицирующему эффекту, повышению гибкости и эластичности плёнок. В дальнейших исследованиях использовали для пластификации глицерин в количестве 8 объёмных % для всех концентраций растворов желатина, что обеспечивает достаточную эластичность, отсутствие липкости, что важно для плёнок упаковочного назначения.

Прозрачность плёнок на основе смеси желатин-крахмал снижалась с увеличением содержания крахмала, что связано с более высокой степенью кристалличности крахмала по сравнению с желатином. С увеличением содержания крахмала плёнки приобретали большую плотность и твёрдость, так как увеличение доли крахмала в композиции приводит к образованию более упорядоченной структуры, но теряли эластичность.

В работе проведены исследования физико-механических свойств желатиновых и бикомпонентных плёнок, пластифицированных глицерином (рис.1а, 1б).

Показано, что для всех концентраций желатина с увеличением массовой доли пластификатора значительно увеличивается показатель относительного удлинения плёнок при разрыве, а механическая прочность и модуль упругости снижаются в два раза. С увеличением содержания крахмала прочность плёнок увеличивается, что объясняется образованием более упорядоченной структуры, при этом эластичность плёнок уменьшается.

В рамках работы проведены исследования кинетики набухания пластифицированных плёнок желатина и бикомпонентных плёнок и получены кинетические зависимости степени набухания образцов при нормальных условиях и при повышенной температуре (88оС). На рис.2а, 2б приведены результаты для образцов, полученных из 14% раствора желатина.

Определены показатели сорбционных свойств такие как гигроскопичность и влагоотдача. Показано, что при изменении доли пластификатора с 4 до 8% значительно увеличивается показатель гигроскопичности, но при содержании глицерина 12% наблюдается значительное снижение этого показателя, плёнки приобретают повышенную липкость. Добавление крахмала снижает показатель гигроскопичности плёнок. Подобное поведение является следствием наличия развитого фазового разделения и гетерогенности, меньшей степени кристалличности плёнок, содержащих крахмал. Это обусловлено высокой гидрофильностью крахмальных макромолекул, содержащих большое количество свободных гидроксильных групп (-OH), способных к образованию дополнительных водородных связей с молекулами воды. Следует отметить, что показатель влагоотдачи по сравнению с показателем гигроскопичности в несколько раз ниже, что говорит о возможности накопления влаги в плёнках.

Таким образом, в работе получены съедобные плёнки различного целевого назначения на основе биополимерной матрицы картофельный крахмал -желатин с различным соотношением компонентов и добавкой в качестве пластификатора глицерина, и установлено влияние рецептурных факторов на эксплуатационные свойства плёнок.

Литература:

1. Федеральный закон «Об отходах производства и потребления» от 24.06.1998 № 89-ФЗ (последняя редакция) [электронный ресурс] http:// www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_19109/.
2. Александрова А.В., Успенская М.В., Ишевский А.А. Обзор: биодеградируемые упаковочные пленочные материалы//Вестник ВГУИТ. — 2023. Т. 85, №2. С. 216 — 225. DOI:10.20914/2310-1202-2023¬2-216-225
3. Савицкая, Т. А. Съедобные полимерные пленки и покрытия: история вопроса и современное состояние (обзор)/Т. А. Савицкая//Полимерные материалы и технологии. — 2016. — Т. 2, №2. С. 6-36.
4. Сергазиева О. Д. Применение пленок на основе желатина для сохранения качества пищевых продуктов//О. Д. Сергазиева, Н. В. Долганова//Техника и технология пищевых производств. — 2018. — Т.48, №1. С. 156-163. DOI:10.21603/2074-9414-2018-1 -156-163.

Автор: М.М. Турашова. Российский государственный университет им. А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), г. Москва

Научный руководитель — канд. техн. наук, доц. Н.В. Черноусова

Источник: Экономика замкнутого цикла. Молодежный взгляд. Вторая студенческая научно-практическая конференция (Москва, 30 ноября 2025 г.) / Сборник тезисов — М.: Мир науки, 2026 г. — Режим доступа: https://izd-mn.com/PDF/13MNNPK26.pdf — Загл. с экрана.