Биополимеры вошли в госзадание

Ученые ВНИИ крахмала и переработки крахмалосодержащего сырья не первый год работают над созданием биоразлагаемой пленки, на 70% состоящей из термопластичного крахмала. В рамках очередных научных экспериментов им предстоит выяснить, придадут ли пленке антибактериальные свойства экстракт зеленого чая и лимонная кислота. Эта российская разработка при успешном исходе может увеличить срок хранения продуктов в пластиковой упаковке и снизить объем пластиковых отходов.

Биополимеры — это полимеры, полученные из возобновляемых ресурсов растительного происхождения, например, из свеклы, маниока, сахарного тростника, кукурузного или картофельного крахмала. В своем простейшем составе они имеют повторяющиеся идентичные пары молекул. Самыми известными в научном мире считаются два вида биополимеров: полигидроксиалканоат (PHA), получаемый за счет бактерий из сахаров или липидов, и полимолочная кислота, или, как ее еще называют, полилактид (PLA).

Несмотря на очевидную необходимость перехода на биоразлагаемую продукцию, биополимеры в массовом производстве пока не применяются: продукты из них будут стоить дороже полимерных аналогов, плюс многие инновации пока еще не коммерциализированы или находятся на лабораторном уровне. В России опыты по производству биополимерной продукции с разным научным успехом проводят не первое десятилетие сразу несколько институтов, один из которых – ВНИИ крахмала и переработки крахмалсодержащего сырья – находится в подмосковном Красково.

Здесь проводят опыты по получению биополимерной упаковки пищевых продуктов, изготовленной на основе кукурузного крахмала, который должен способствовать растворению этой самой упаковки в естественных условиях благодаря термопластичному крахмалу. Получают его, применяя пластификатор, который формирует водородные связи, прочность, способность к биоразложению и способность к растягиванию материала при попытке его разорвать. Лабораторные опыты идут с переменным успехом.

«Наша технология не привела пока к стопроцентному разложению пластиковой упаковки, но мы работаем, чтобы этого результата достичь,— говорит директор ВНИИ крахмала кандидат сельскохозяйственных наук Василий Бызов.— Мы уже испытывали свойства наших пленок совместно с НИИ кондитерской промышленности. Упаковывали в нее мармелад и наблюдали химическую реакцию между продуктом и обычной полипропиленовой пленкой, которая продается в магазинах. Наши образцы дали хорошие результаты. Продукция хранится в упаковке и пленке, произведенной на основе нашей научной разработки, столько же, сколько в обыкновенной пленке».

Ученые разрабатывают биополимеры для уменьшения объемов пластикового мусора в будущем. Полностью полимерная пленка разлагается сотни, если не тысячи лет. Процесс биоразложения пленки из кукурузного крахмала идет значительно быстрее. «По нашему опыту, посуда, изготовленная по нашей технологии с термопластичным крахмалом, разлагается в земле за пять лет»,— говорит заведующий сектором функциональных продуктов питания Дмитрий Соломин.

Технически лабораторно-цеховой процесс выглядит так. Кукурузный крахмал смешивают с пластификаторами и подвергают экструзии, затем его гранулируют, смешивая с гранулами пластика, и заново пропускают через экструдер при высоких температуре и давлении. «Биоразлагаемая пленка, над которой и трудится научный коллектив нашего института, только на 70% состоит из кукурузного термопластичного крахмала, на 30% из синтетического полимера»,— говорит Дмитрий Соломин.

В руках у Дмитрия Соломина — упаковочная пленка, изготовленная с добавлением крахмала. При ближайшем рассмотрении видно, что она не такая прозрачная, как пленка традиционная, к тому же в ней местами встречаются белые гранулы не растворившегося в лабораторном процессе органического вещества. Все эти признаки указывают на то, что в процессе изготовления использовали разные добавки. Дмитрий Соломин говорит, что этот образец опытный, однако по своим качествам пленка из крахмала уже не хуже традиционной. На ощупь пленка шершавая, местами даже неровная, однако порвалась только при заметном усилии, а растягивалась она как и обычный полиэтилен, так что за исключением несовершенного внешнего вида ее характеристики вполне удовлетворительны.

Пока ученые гораздо большее значение придают не внешнему виду пленки, а ее инновационным качествам. Она должна убивать образующиеся в продуктах бактерий благодаря своим новым антибактериальным свойствам. «В будущем году по программе исследований планируется добавление антимикробных добавок как природного, так и химического происхождения,— говорит Дмитрий Соломин.— Одновременно с крахмалом мы собираемся инсталлировать антимикробные добавки и затем в лабораторных условиях будем наблюдать, как пленка бережет продукты, какая химическая реакция возникнет при соприкасании продукта с пленочной упаковкой».

По его словам, на первом этапе ученые ограничатся натуральными бактерицидами — экстрактом зеленого чая или, например, лимонной кислоты. В ходе экспериментов с ними предполагается выяснить, останутся ли у крахмала его термопластичные свойства, которые были до добавки этих бактерицидов, или нет. «Мы ожидаем, что в процессе эксперимента создастся антибактериологический фон, и бактерии будут менее интенсивно размножаться в кислотно-щелочной среде, которая в итоге должна их убить, за счет чего увеличится срок хранения продукта в нашей пленке»,— поясняет Дмитрий Соломин.

Новый этап научно-исследовательской работы по совершенствованию процесса получения биополимеров запланирован институтом на 2024 год и входит в госзадание, то есть должен быть профинансирован из федерального бюджета. Эти деньги будут потрачены на ряд научных процедур.

В рамках нового этапа научного исследования гранулы термопластичного крахмала поместят в биогумус (в землю) и в течение нескольких месяцев будут наблюдать, с какой интенсивностью они будут в ней растворяться. Затем в уже имеющуюся утвержденную технологию добавят экстракт зеленого чая или лимонной кислоты и с этими ингредиентами приготовят новую биоразлагаемую пленку, в которую потом завернут мясо или десерты, после чего ученые будут наблюдать, как новые вещества убивают бактерии разложения продуктов.

«Создание биоразлагаемой пленки полностью из кукурузного крахмала и других органических веществ невозможно и даже неоправданно,— говорит директор ВНИИ крахмала и переработки крахмалсодержащего сырья Василий Бызов.— Уже давно доказано, что полимеры намного прочнее своих биологических аналогов, так что ждать научного чуда не стоит, полимерный пластик всегда будет в составе всех биоразлагаемых продуктов, так как он крепче, чем биополимерный аналог».

Таким образом, еще одна цель научного эксперимента — проанализировать, насколько нанопластиковые частицы от полимерной пленки будут лояльны к термопластичному крахмалу и другим органическим веществам. «И это на самом деле очень серьезный вопрос, ведь смешение органических веществ с неорганическими в процессе создания биоразлагаемой пленки неизбежно, и как оно отразится на прочности и пластичности будущей биоразлагаемой пленки, еще только предстоит выяснить»,— подытоживает Василий Бызов.