RU2784190C1 - Способ получения полисахаридного композиционного материала на основе ультразвукового воздействия - Google Patents
Способ получения полисахаридного композиционного материала на основе ультразвукового воздействия Download PDFInfo
- Publication number
- RU2784190C1 RU2784190C1 RU2021139822A RU2021139822A RU2784190C1 RU 2784190 C1 RU2784190 C1 RU 2784190C1 RU 2021139822 A RU2021139822 A RU 2021139822A RU 2021139822 A RU2021139822 A RU 2021139822A RU 2784190 C1 RU2784190 C1 RU 2784190C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- starch
- sodium alginate
- glycerin
- composite material
- film
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 150000004676 glycans Polymers 0.000 title claims abstract description 16
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 title claims abstract description 16
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 150000004804 polysaccharides Polymers 0.000 title claims abstract description 16
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 55
- 229940005550 Sodium alginate Drugs 0.000 claims abstract description 37
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- MSXHSNHNTORCAW-UHFFFAOYSA-M sodium 3,4,5,6-tetrahydroxyoxane-2-carboxylate Chemical compound [Na+].OC1OC(C([O-])=O)C(O)C(O)C1O MSXHSNHNTORCAW-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 37
- 239000000661 sodium alginate Substances 0.000 claims abstract description 37
- 235000010413 sodium alginate Nutrition 0.000 claims abstract description 37
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 claims abstract description 29
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229920001592 potato starch Polymers 0.000 claims abstract description 19
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 9
- 238000009740 moulding (composite fabrication) Methods 0.000 claims description 8
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 abstract description 33
- 238000006065 biodegradation reaction Methods 0.000 abstract description 20
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 48
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 48
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 48
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 26
- 239000000463 material Substances 0.000 description 20
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 description 13
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 11
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 11
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 11
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 10
- 239000000047 product Substances 0.000 description 9
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 8
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 7
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 5
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 5
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 5
- 235000013311 vegetables Nutrition 0.000 description 5
- 240000001016 Solanum tuberosum Species 0.000 description 4
- 235000002595 Solanum tuberosum Nutrition 0.000 description 4
- 229920001567 Vinyl ester Polymers 0.000 description 4
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 4
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 4
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 3
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 3
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 3
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 3
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000005022 packaging material Substances 0.000 description 3
- WMGFVAGNIYUEEP-WUYNJSITSA-N Amylopectin Chemical group O[C@@H]1[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@H]1O[C@@H]1[C@@H](CO)O[C@H](OC[C@@H]2[C@H]([C@H](O)[C@@H](O)[C@@H](O[C@@H]3[C@H](O[C@H](O)[C@H](O)[C@H]3O)CO)O2)O[C@@H]2[C@@H]([C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)[C@H](O)[C@H]1O WMGFVAGNIYUEEP-WUYNJSITSA-N 0.000 description 2
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 239000004621 biodegradable polymer Substances 0.000 description 2
- 229920002988 biodegradable polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 238000001879 gelation Methods 0.000 description 2
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 2
- 229920001519 homopolymer Polymers 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000011068 load Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 235000012054 meals Nutrition 0.000 description 2
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 2
- 235000012015 potatoes Nutrition 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 239000004628 starch-based polymer Substances 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- AEMOLEFTQBMNLQ-SYJWYVCOSA-N (2S,3S,4S,5S,6R)-3,4,5,6-tetrahydroxyoxane-2-carboxylic acid Chemical compound O[C@@H]1O[C@H](C(O)=O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H]1O AEMOLEFTQBMNLQ-SYJWYVCOSA-N 0.000 description 1
- XJKJWTWGDGIQRH-BFIDDRIFSA-N Alginic acid Chemical compound O1[C@@H](C(O)=O)[C@@H](OC)[C@H](O)[C@H](O)[C@@H]1O[C@@H]1[C@@H](C(O)=O)O[C@@H](C)[C@@H](O)[C@H]1O XJKJWTWGDGIQRH-BFIDDRIFSA-N 0.000 description 1
- 229920000945 Amylopectin Polymers 0.000 description 1
- 229920000856 Amylose Polymers 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 210000003763 Chloroplasts Anatomy 0.000 description 1
- 229920002521 Macromolecule Polymers 0.000 description 1
- NJTGANWAUPEOAX-UHFFFAOYSA-N MolPort-023-220-454 Chemical compound OCC(O)CO.OCC(O)CO NJTGANWAUPEOAX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- 241000199919 Phaeophyceae Species 0.000 description 1
- 210000002706 Plastids Anatomy 0.000 description 1
- 229920002873 Polyethylenimine Polymers 0.000 description 1
- 240000008529 Triticum aestivum Species 0.000 description 1
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 1
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 description 1
- -1 acetoacetoxy groups Chemical group 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive Effects 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 235000010443 alginic acid Nutrition 0.000 description 1
- 229960001126 alginic acid Drugs 0.000 description 1
- 239000000783 alginic acid Substances 0.000 description 1
- 229920000615 alginic acid Polymers 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 description 1
- 230000000845 anti-microbial Effects 0.000 description 1
- 239000008346 aqueous phase Substances 0.000 description 1
- 229920001222 biopolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 1
- 230000000295 complement Effects 0.000 description 1
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 description 1
- 235000005824 corn Nutrition 0.000 description 1
- 239000002537 cosmetic Substances 0.000 description 1
- 150000002009 diols Chemical class 0.000 description 1
- 239000004815 dispersion polymerization Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing Effects 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 235000013312 flour Nutrition 0.000 description 1
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 1
- 239000010903 husk Substances 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229920001600 hydrophobic polymer Polymers 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000006194 liquid suspension Substances 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic Effects 0.000 description 1
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000002522 swelling Effects 0.000 description 1
- 229920001059 synthetic polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 1
- 238000002525 ultrasonication Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 description 1
- 235000021307 wheat Nutrition 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение может быть использовано при изготовлении формованных биоразлагаемых изделий. Способ получения полисахаридного композиционного материала, обладающего скрепляющей способностью, включает перемешивание, нагрев и ультразвуковую обработку компонентов смеси. Смесь включает картофельный крахмал, альгинат натрия, глицерин и дистиллированную воду. Ультразвуковую обработку ведут в течение 5 минут при нагреве до 60-65°С, затем смесь охлаждают до температуры 40°С и формуют пленку. После сушки пленку измельчают до размера частиц 150-400 мкм. Технический результат заключается в улучшении сыпучести и скрепляющей способности порошка полисахаридного композиционного материала. 1 ил., 1 табл., 3 пр.
Description
Предлагаемое изобретение относится к порошкам композитных (композиционных) материалов, получаемых путем механического измельчения биоразлагаемого пленочного композиционного материала, содержащих в своем составе растительные полисахариды (крахмал, альгинат натрия), пластификатор (глицерин) и растворитель (вода дистиллированная) для использования в составе формованных биоразлагаемых изделий из растительного сырья для формирования у изделий новых характеристик. Порошки композитных материалов в составе биоразлагаемого изделия могут использоваться в пищевой промышленности, косметической промышленности, а также для получения упаковочных материалов.
Композитный материал - это материал, состоящий из двух и более компонентов, которые усиливают и дополняют свойства друг друга. Вследствие этого материал обладает новыми свойствами, достижение которых невозможно каждым компонентом по отдельности. Композитные порошки могут выступать в качестве добавки для регулирования прочностных характеристик изделия, или в качестве наполнителя в смеси с термопластами. Композитные материалы могут использоваться в составе изделий из растительного сырья (зернового шрота, отрубей, семенной шелухи и др.), подвергнутые формованию под давлением. Отходы зернового производства - это побочный продукт мукомольного и крупяного производства, которые могут формировать добавочную стоимость за счет развития технологий их переработки.
Известны способы получения композитных материалов на основе крахмала, которые в дальнейшем используются на промышленных предприятиях. Получают их различными способами обработки: физическими, химическими, биологическими. Такие способы позволяют получить композитные материалы, обладающие сцепляющей способностью (клеящие свойства) и модифицировать их необходимые свойства в технологических целях (например, в составе композиции из отходов зернового производства, подвергнутого формованию под давлением).
Известен способ получения биоразлагаемой композиции на основе наночастиц крахмала (патент на изобретение №2479607, «Биоразлагаемые композиции на основе наночастиц крахмала», МПК C08L 67/02, C08L 3/02, C08J 5/18, B82B 1/00, опубл.20.04.2013). Данный способ получения многофазной биоразлагаемой композиции, содержащей, по меньшей мере, две фазы: (а) непрерывную фазу, состоящую из матрицы, по меньшей мере, из одного упругого гидрофобного полимера, несовместимого с крахмалом, где полимер выбран из класса полиэфиров, содержащих группировки карбоновой дикислоты и диола; (б) гомогенно диспергированную крахмальную фазу в форме наночастиц; где пленка толщиной 20 мкм, полученная из указанной композиции и испытанная в соответствии с ASTM D882, характеризуется коэффициентом К выше 28 и средним арифметическим размером частиц дисперсной крахмальной фазы (б) менее чем 0,25 мкм, где коэффициент К определяют в соответствии со следующей формулой: К=(разрывная нагрузка) × (модуль Юнга) × (энергия разрыва)/1000000, где разрывная нагрузка и модуль Юнга выражены в МПа, а энергия разрыва выражена в кДж/м2.
Недостатком данного способа является значительная трудоемкость изготовления биоразлагаемой композиции на основе наночастиц крахмала.
Также известен способ получения клеевой композиции (патент на изобретение №2400513, «Клеевая композиция и способ ее получения», МПК C09J 103/00, C09J 139/02, C09J 5/00, опубл. 27.09.2010). Данный способ получения клеевой композиции из частично клейстеризованного крахмала и одного или несколько полимеров, содержащих аминную группу, полимеры выбирают из группы, состоящей из поливиниламина, поли(винилового спирта-со-виниламина) и полиэтиленимина. Количество крахмала в клеевой композиции составляет от примерно 15 до примерно 40 мас.%. Количество одного или нескольких полимеров в клеевой композиции составляет от примерно 2 до примерно 25 мас.%. Суммарное количество крахмала и одного или нескольких полимеров в клеевой композиции составляет от примерно 35 до примерно 55 мас.%. Композиция дополнительно включает полимер или сополимер одного или нескольких этиленненасыщенных мономеров, а также полимер, содержащий ацетоацетоксигруппы. Полимер или сополимер одного или нескольких этиленненасыщенных мономеров представляет собой виниловый сложноэфирный гомополимер или виниловый сложноэфирный сополимер. Клеевая композиция может представлять собой комбинированный состав и дополнительно включать клеевую композицию на основе дисперсии полимера одного или нескольких этиленненасыщенных мономеров. Полимер представляет собой виниловый сложноэфирный гомополимер или виниловый сложноэфирный сополимер. Способ изготовления клеевой композиции включает смешение крахмала и одного или нескольких полимеров в водной фазе при повышенной температуре от 50 до 99°С. Повышенная температура поддерживается в течение, по меньшей мере, 1 минуты.
Недостатком данного способа является применение синтетического полимера в клеевой композиции, за счет внесения которого увеличивается период биодеградации клеевого композиционного материала.
Ближайшим аналогом можно выделить способ получения биоразлагаемого композиционного материала на основе растительных биополимеров (вариант 1) патент на изобретение №2731695, опубл.08.09.2020. Данный способ заключается в получении биоразлагаемой пленки из смеси компонентов на основе картофельного крахмала, включающий тщательное перемешивание компонентов смеси, ультразвуковую обработку, нагрев на водяной бане, охлаждение, формование пленки на стеклянной поверхности и ее высушивание, при котором применяют следующее соотношение компонентов, мас.%: картофельный крахмал 4,2-5,0, альгинат натрия 0,1-0,8, глицерин 5,0-20,0, дистиллированная вода - остальное.
Недостаток прототипа заключается в том, что при этом соотношении компонентов получаются пленки с высокой эластичностью, из которых не возможно получение порошкообразных композитных материалов заданного гранулометрического состава.
Технической задачей предполагаемого изобретения является разработка способа получения порошков композитных материалов из растительных полисахаридов, обладающих скрепляющей способностью.
Техническая задача решается за счет того, что в способе получения полисахаридного композиционного материала, обладающего скрепляющей способностью, на основе ультразвукового воздействия из смеси компонентов картофельного крахмала, альгината натрия, глицерина и дистиллированной воды, включающем тщательное перемешивание механической мешалкой компонентов смеси, ультразвуковую обработку, нагрев, охлаждение, формование пленки на стеклянной поверхности и ее высушивание, согласно изобретения, применяют следующее соотношение компонентов, мас.%: картофельный крахмал 4,0-5,0, альгинат натрия 0,1-0,5, глицерин 1,9-2,0, дистиллированная вода - остальное, при этом перемешивание компонентов производят при скорости мешалки 1200 об/мин, ультразвуковую обработку ведут в течение 5 минут при нагреве до 60-65°С, охлаждают до температуры 40±2°С, после сушки пленку измельчают в течение 4-5 минут электрическим измельчителем до размера частиц 150-400 мкм.
Сущность изобретения заключается в следующем. Для получения полисахаридного композиционного материала на основе ультразвукового воздействия смешивают компоненты при следующем их соотношении, масс.%: картофельный крахмал 4,0-5,0; альгинат натрия 0,1-0,5; глицерин 1,9-2,0; дистиллированная вода остальное, причем сначала смешивают картофельный крахмал с альгинатом натрия и растворяют в дистиллированной воде, раствор перемешивают механической мешалкой при скорости 1200 об/мин в течение 5 минут, затем добавляют глицерин, полученную суспензию обрабатывают ультразвуковым воздействием с частотой 22±1,65кГц, мощностью 630вт в течение 5 минут при нагреве 60-65°С, затем раствор охлаждают до температуры 40±2°С, из полученного раствора формуют пленки методом полива и распределения на стеклянной поверхности, толщина пленок должна быть не более 0,25 - 0,35 мм, сушат пленки при температуре 20-25°С и измельчают электрическим измельчителем в течение 4-5 минут до размера частиц 150-400 мкм.
Затем полученные порошки отправляют на фасовку, упаковку и хранение. Условия хранения: при температуре не выше (40±2) оC и относительной влажности воздуха не более 75%.
Порошки композитных материалов из растительных полисахаридов получают при следующем соотношении компонентов, мас.%:
картофельный крахмал 4,0 - 5,0
альгинат натрия 0,1 - 0,5
глицерин 1,9 - 2
дистиллированная вода - остальное
При внесении крахмала более 5 мас.% наблюдается образование крупных агломератов полисахарида, что приводит к разнородной структуре композиционного материала, пленочный материал получается не однородный по всей поверхности, наблюдаются дефекты структуры поверхности, внесение крахмала менее 4 мас.% получается излишне жидкий раствор суспензии, что затрудняет формирование пленок. Наблюдаются не значительные дефекты структуры поверхности. Установленное оптимальное соотношение крахмала с сопутствующими компонентами позволяет получить пленочный материал близкий по эксплуатационным свойствам к упаковочным материалов.
Альгинат натрия необходимо вносить в диапазоне 0,1 - 0,5 мас.%, при этом он обладает высокой пленкообразующей способностью из-за его коллоидных свойств, которые включают образование суспензии, загущение, стабилизацию эмульсий и способность образовывать гели. При внесении более 0,5 мас.% наблюдается сильное гелеобразование, в растворе образуются нерастворившиеся равномерно агломераты альгината натрия, что в дальнейшем затрудняет технологические этапы, перемешивания и формования и влияет на готовое изделие в дальнейшем. Содержание альгината натрия влияет на скрепляющую способность. При внесении альгината натрия менее 0,1 мас.% скрепляющая способность будет недостаточна.
Глицерин необходимо вносить в диапазоне 1,9 - 2 мас.% для придания пленочному материалу таких свойств как пластичность и гибкость, эластичность, повышенная прочность. При внесении менее 1,9 мас.% у пленочного материала наблюдается снижение эксплуатационных свойств, а именно материал получается хрупкими, ломким с наличием видимых дефектов. При внесении более 2 мас.% пленочный материал трудно отделяется от поверхности, на которой проводилась формовка изделия, становится липким и вязким.
Дистиллированная вода выступает в качестве растворителя и позволяет смешать ингредиенты разного агрегатного состояния в одно агрегатное состояние (жидкое), так как крахмал, альгинат натрия находится в сухом состоянии, в то время как глицерин в жидком. Из-за большого содержания влаги пленочный материал дольше высыхает.Из-за не достаточного содержания влаги могут возникнуть технологические трудности смешивания ингредиентов.
Крахмал - это полисахарид, образованный - глюкозными остатками, связанными α-1→4 и α-1→6-гликозидными связями. Крахмал синтезируется разными частями растений в хлоропластах и колеблется в разном соотношении. К источникам крахмала относится картофель - 24%, пшеница - 64%, рис - 75%, кукуруза - 70% крахмала. Крахмал является уникальным углеводородом. Короткие ответвления цепей амилопектина образовывают геликоидальные структуры, которые могут кристаллизоваться. Гидрофильные свойства проявляют гранулы крахмала, тем самым формируют прочные ассоциаты благодаря проявлению водородных связей между гидроксильными группами на поверхности гранул.
Крахмал картофельный - это крахмал, полученный из клубней картофеля. Зерна крахмала содержатся в клетках картофеля (лейкопласты). Размеры крахмального зерна составляют в приделах от 20 мкм до 100 мкм в зависимости от сорта. Содержание амилопектина в картофеле составляет около 80%, амилозы содержание составляет 20%. Температура клейстеризации крахмала составляет 55 - 60°С. Степень набухания крахмала составляет 1005%.
Глицерин (1,2,3-пропантриол) отвечает за гибкость и пластичность биоразлагаемого пленочного композиционного материала. При его недостатке пленки не растягиваются, при сгибании легко ломаются. При избытке глицерина пленки плохо отделяются от поверхности, становятся вязкими, липкими.
Биоразлагаемый пленочный композитный материал, содержащий в своем составе картофельный крахмал и глицерин могут образовывать различные морфологические структуры и проявлять свойства, зависящие от условий и способов производства (литьевым, экструзионным, раздувным оборудованием), вида крахмала и состава сополимера. Однако, получаемые пленки обладают невысокой прочностью и способность крахмала к ретроградации (старению), т.е. изменению механических и структурных характеристик с течением времени, ограничивают его использование для производства упаковочных материалов. Для повышения качества пленок на основе картофельного крахмала дополнительно вносят пленкообразующие вещества (альгинат натрия). Использование альгината натрия в матриксе биоразлагаемого материала формирует такие свойства как антимикробная активность.
Альгинат натрия, представляет собой водорастворимую соль альгиновой кислоты, в природе встречается во всех видах бурых водорослей. Альгинат натрия содержит смесь двух уроновых кислот, (1-4) - связанной β-D-маннуроновой кислоты и (1-4) - связанной α-L-гулуроновой кислоты. Альгинат натрия обладает хорошим свойством сшивания в присутствии многовалентных катионов, таких как кальций, алюминия, марганца в водной среде. Альгинат натрия обладает высокой пленкообразующей способностью из-за его коллоидных свойств, которые включают образование суспензии, загущение, стабилизацию эмульсий и способность образовывать гели.
На фиг. представлен внешний вид образцов порошков композитных материалов 1,2,3,4. Образец 1 отличается наименьшим гранулометрическим составом, наиболее выровнен по данному показателю, крупные частицы, приближенные к размеру 150 мкм, встречаются в единичных случаях. Образцы 2 и 3 имеют более разнородный гранулометрический состав, присутствуют как среднего размера (150-200 мкм), так и более крупные агломераты до 300 мкм. Образец 4 отличается наибольшей разнородностью гранулометрического состава (200-400 мкм), что позволяет ему обеспечить максимально равномерное распределение в составе смеси растительного сырья, которую в дальнейшем применяют для получения биоразлагаемых пластин, служащих для изготовления формованных изделий.
Для образцов 1-4 (фиг.) использовались следующие соотношения компонентов для получения порошков композитных материалов:
1 - контрольный образец, представляющий 5% раствор крахмала.
2 - образец, представляющий смесь - крахмал: альгинат натрия; глицерин (5,0:0,2:2,0).
3 - образец, представляющий смесь - крахмал: альгинат натрия; глицерин (5,0:0,3:2,0).
4 - образец, представляющий смесь - крахмал: альгинат натрия; глицерин (5,0:0,4:2,0).
Контрольный образец 1 на основе крахмала был получен с целью сравнения свойств образцов с внесенными ингредиентами (крахмалом, альгинатом натрия, глицерином) для выявления лучших характеристик будущего материала и необходимой дозировки сырья. Образцы материала 2,3,4 были получены методом полива на стеклянную поверхность с последующим высушиванием и измельчением.
Образцы 2,3,4 характеризуют получение порошкового композиционного материала, обладающего скрепляющей способностью и прочностью. Образцы 2, 3 и 4 представляют по составу гелеобразный пластифицированный крахмал, сшитый с альгинатом натрия, при этом вследствие его высыхания образуется пленочная структура. Полученные образцы (2, 3 и 4) по сравнению с контрольным образцом 1 обладают скрепляющей способностью и повышенной прочностью за счет установленного компонентного состава и свойств каждого ингредиента по отдельности и порядком технологических этапов необходимых для приготовления композитных материалов (сшивки). Образцы композитного материала по сравнению с контрольным образцом имеют однородную пленочную структуру, без наличия дефектов поверхности материала.
Существенными отличительными признаками от прототипа заявляемого изобретения является то, что биоразлагаемый полисахаридный композиционный материал получают при использовании следующих технологических операций.
Первоначально производят перемешивание смеси, которая включает следующие компоненты, масс.%: картофельный крахмал 4,0-5,0; альгинат натрия 0,1-0,5; глицерин 1,9-2,0; дистиллированная вода- остальное; с помощью механической мешалки при скорости 1200 об/мин в течение 5 минут при температуре поверхности нагревателя (60 - 65)°С до стадии клейстеризации, что позволяет получить максимально однородную структуру полученной суспензии. Скорость мешалки менее 1200 об/мин и длительность воздействия менее 5 минут приводит к неполному разрушению нативной структуры крахмального зерна (прохождения процесса гелеобразования). Большая интенсивность и длительность воздействия нецелесообразна с экономической точки зрения вследствие увеличения энергоемкости процесса.
Затем раствор охлаждают до температуры (40±2)°С, данная температура позволяет при формировании пленок добиться однородной толщины.
Готовые (высушенные) пленки измельчают на электрическом измельчителе в течение (4 - 5) минут до получения однородного мелкодисперсного порошка. Размеры частиц находятся в пределах 150 - 400 мкм. Данный гранулометрический состав позволяет полисахаридным порошкам равномерно распределиться в составе смеси из растительного сырья и обеспечивать высокие прочностные характеристики получаемых образцов биоразлагаемых пластин (формованных изделий) при их изготовлении с использованием указанных порошков.
Использование ультразвукового воздействия (УЗВ) мощностью 630 Вт, при частоте (22±1,65) кГц в течение 5 мин позволяет модифицировать композитный раствор, равномерно распределить наполнитель и пластификатор по всей массе раствора. Эффект ультразвука ускоряет процессы сшивания компонентов. Известно, что кавитационная дезинтеграция пищевых сред обусловлена величиной давления, достигаемого на поверхности пузырьков, когда они сжимаются до минимального по отношению к состоянию покоя объема (коллапс). Используемая мощность воздействия обусловлена максимальными техническими характеристиками прибора, а длительность воздействия (в течение 5 мин) позволяет получить наименьшую вязкость растворов (142,4±25) мПа*с и получить однородные порошкообразные материалы.
При проведении исследования структуры растворов полисахаридного композиционного материала, было выявлено, что в образцах композиционных материалов, полученных на основе картофельного крахмала c определенным количеством альгината натрия без УЗВ в охлаждающей системе наблюдается частичное связывание крахмальных зерен. Пластификатором, которым является глицерин, обволакивает практически не каждую частицу крахмала, обеспечивая сыпучесть материала, что позволяет в дальнейшем ему хорошо встраиваться в систему смеси при изготовлении биоразлагаемой посуды из зернового шрота и других растительных материалов. При УЗВ обработке наблюдается полное обволакивание частиц крахмала пластификатором (глицерин), происходит интенсивная модификация крахмальных зерен.
Для образцов 1-4 (фиг.) использовались следующие соотношения компонентов для получения порошков композитных материалов:
1 - контрольный образец, представляющий 5% раствор крахмала.
2 - образец, представляющий смесь - крахмал: альгинат натрия: глицерин (5,0:0,2:1,9).
3 - образец, представляющий смесь - крахмал: альгинат натрия: глицерин (5,0:0,3:1,9).
4 - образец, представляющий смесь - крахмал: альгинат натрия: глицерин (5,0:0,4:1,9).
Контрольный образец 1 на основе крахмала был получен с целью сравнения свойств образцов с внесенными ингредиентами (крахмалом, альгинатом натрия, глицерином) для выявления лучших характеристик будущего материала и необходимой дозировки сырья. Образцы материала 2,3,4 были получены методом полива на стеклянную поверхность с последующим высушиванием и измельчением до частиц размером 150-400 мкм.
Таблица 1 - Характеристики образцов порошков композитных материалов из растительных полисахаридов
| Показатели | Номер исследуемого образца | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| Массовая доля влаги, % | 4,39 | 4,46 | 5,09 | 4,83 |
| Размер частиц, мкм | 50 - 150 | 150 - 200 | 200 - 300 | 200 - 400 |
| Растворимость, мл/1 г | Практически нерастворим | Практически нерастворим | Практически нерастворим | Практически нерастворим |
На основании результатов, представленных в таблице 1 можно сделать вывод, массовая доля влаги у образца 1 (контроль) составляет 4,39%, в то время как у образцов 2, 3, 4 массовая доля влаги незначительно выше. Наибольшая массовая доля влаги наблюдается у образца 3 и составляет 5,09%. Размер частиц полученных порошков композитных материалов находится в пределах от 150 до 400 мкм. Полученные порошки композитных материалов практически не растворимы, частицы материала набухают в водной среде, образовывая взвеси, водная среда теряет свои первоначальные свойства после внесения порошков (прозрачность).
Вывод: исходя из данных, представленных в таб.1, наилучшими показателями обладают образцы 2, 3, 4. Для получения порошков полисахаридного композиционного материала, обладающего повышенной скрепляющей способностью необходимо, чтобы показатели: массовая доля влаги находилась в пределах 4,46 - 5,0%, размер частиц находился в пределах от 150 до 400 мкм и порошок был практически не растворим, тем самым сцеплял частицы используемого сырья в одно целое.
Пример 1.
Берут картофельный крахмал в количестве 50 г, добавляют альгинат натрия в количестве 4 г и растворяют в дистиллированной воде, затем перемешивают раствор с помощью механической мешалки при скорости 1200 об/мин в течение 5 минут, после этого в раствор добавляют 2 мл глицерина. Полученную суспензию обрабатывают УЗВ на приборе «Волна» модель УЗТА-0,63/22-ОМ, в режиме: частота 22±1,65кГц и мощностью воздействия 630 Вт в течение 5 минут, причем поддерживают температуру суспензии (60 - 65)°С при повышении температуры более 65°С резко снижается вязкость и получаемые порошки имеют большую разнородность структуры, при меньшей температуре системы ниже 60°С выделяются отдельные зерна крахмала, в результате чего порошки имеют большое количество крупных агломератов частиц.
Затем полученный УЗВ раствор охлаждают до температуры 40°С (если применять температуру больше 40°С, то возможна не равномерность толщины пленок, ввиду ее высокой текучести раствора, а если использовать меньше 40°С - то образуются утолщения ввиду малой текучести раствора), что приводит к большой разнородности гранулометрического состава порошков. Для получения порошка предварительно формуют пленки методом полива на стеклянную поверхность с последующем распределением раствора по поверхности и высушивают при (20 - 25)°С.
Готовые пленки измельчают на электрическом измельчителе в течение (4 - 5) минут до получения однородного мелкодисперсного порошка. Размеры частиц находятся в пределах 150-400 мкм. Данный гранулометрический состав позволяет порошкам распределиться в составе смеси из растительного сырья и обеспечивать высокие прочностные характеристики получаемых образцов биоразлагаемых пластин.
В результате данным способом получили порошок композитного материала, соответствующий технической задаче.
Пример 2.
Берут картофельный крахмал в количестве 500 г, добавляют альгинат натрия в количестве 50 г и растворяют в дистиллированной воде, затем перемешивают раствор с помощью механической мешалки при скорости 1200 об/мин в течение 5 минут, после этого в раствор добавляют 200 мл глицерина. Полученную суспензию обрабатывают УЗВ на приборе «Волна» модель УЗТА-0,63/22-ОМ, в режиме: частота 22±1,65кГц и мощностью воздействия 630 Вт в течение 5 минут, причем поддерживают температуру суспензии (60 - 65)°С.
Затем полученный УЗВ раствор охлаждают до температуры 40 °С.Для получения порошка предварительно формуют пленки методом полива на стеклянную поверхность с последующем распределением раствора по поверхности и высушивают при (20 - 25)°С. Готовые пленки измельчают на электрическом измельчителе в течение (4 - 5) минут до получения однородного мелкодисперсного порошка. Размеры частиц находятся в пределах 150-400 мкм.
В результате данным способом получили порошок композитного материала, соответствующий технической задаче.
Пример 3.
Берут картофельный крахмал в количестве 400 г, добавляют альгинат натрия в количестве 10 г и растворяют в дистиллированной воде, затем перемешивают раствор с помощью механической мешалки при скорости 1200 об/мин в течение 5 минут, после этого в раствор добавляют 190 мл глицерина. Полученную суспензию обрабатывают УЗВ на приборе «Волна» модель УЗТА-0,63/22-ОМ, в режиме: частота 22±1,65кГц и мощностью воздействия 630 Вт в течение 5 минут, причем поддерживают температуру суспензии (60 - 65)°С.
Затем полученный УЗВ раствор охлаждают до температуры 40°С. Для получения порошка предварительно формуют пленки методом полива на стеклянную поверхность с последующем распределением раствора по поверхности и высушивают при (20 - 25)°С.
Готовые пленки измельчают на электрическом измельчителе в течение (4 - 5) минут до получения однородного мелкодисперсного порошка. Размеры частиц находятся в пределах 150-400 мкм.
В результате данным способом получили порошок композитного материала, соответствующий технической задаче.
Список использованной литературы
1. Беззубов, А.Д. Ультразвук и его применение в пищевой промышленности/ А.Д. Беззубов, Е. И. Гарлинская, В. М. Фридман. - Москва: Издательство: Пищевая промышленность, 1964. - 196 с.
2. Кирш, И.А., Чалых Т.И., Ананьев В.В., Заиков Г.Е. Модификация свойств биодеградируемых полимерных композиций при воздействии ультразвука на их расплавы// Вестник технологического университета. - 2015. - Т.18, - №9 - C. 74 - 77.
3. Усачев, И.С., Колпакова, В.В., Сарджвеладзе, А.С., Соломин, Д.А., Лукин, Н.Д., Васильев, И.Ю., Ананьев, В.В. Применение ультразвукового воздействия для модификации физико-механических свойств биоразлагаемых полимерных композиций с термопластичным крахмалом// Пищевая промышленность. - 2019. - №8. - С.48 - 52.
4. Borcharda, W. Phase diagram of the system sodium alginate/water: A model for biofilms / W. Borcharda, A. Kenninga, A. Kappa, C. Mayerb// International Journal of Biological Macromolecules - 2005. - V. 35. - №5. - P. 247 - 256.
5. Usachev Ivan. Usage of thermoplastic starch and ultrasound in development of biodegradable polymer film/ Ivan Usachev, Alexander Papahin, Valentina Kolpakova, Nikolay Lukin, Vladimir Ananiev// Proceedings of the International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. - 2018. - V. 18. - P. 1019 - 1025.
Claims (1)
- Способ получения полисахаридного композиционного материала, обладающего скрепляющей способностью, на основе ультразвукового воздействия из смеси компонентов картофельного крахмала, альгината натрия, глицерина и дистиллированной воды, включающий перемешивание механической мешалкой компонентов смеси, ультразвуковую обработку, нагрев, охлаждение, формование пленки на стеклянной поверхности и ее высушивание, отличающийся тем, что применяют следующее соотношение компонентов, мас. %: картофельный крахмал 4,0-5,0, альгинат натрия 0,1-0,5, глицерин 1,9-2,0, дистиллированная вода - остальное, при этом смешивают картофельный крахмал с альгинатом натрия и растворяют в дистиллированной воде, раствор перемешивают механической мешалкой при скорости 1200 об/мин в течение 5 мин, а затем добавляют глицерин и проводят ультразвуковую обработку в течение 5 мин при нагреве до 60-65°С, раствор охлаждают до температуры 40°С, после формования и сушки пленку измельчают в течение 4-5 минут электрическим измельчителем до размера частиц 150-400 мкм.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2784190C1 true RU2784190C1 (ru) | 2022-11-23 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103224650A (zh) * | 2013-03-14 | 2013-07-31 | 浙江大学 | 一种可食用性方便面粉包包装膜及其制备方法 |
| RU2568919C1 (ru) * | 2014-07-03 | 2015-11-20 | Павел Васильевич Попрядухин | Способ получения биосовместимого биодеградируемого пористого композиционного материала |
| CN105542203A (zh) * | 2015-12-21 | 2016-05-04 | 四川农业大学 | 一种基于西瓜皮的可食性包装膜及其制备方法 |
| RU2731695C1 (ru) * | 2019-12-03 | 2020-09-08 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" | Способ получения биоразлагаемого композиционного материала на основе растительных биополимеров (варианты) |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103224650A (zh) * | 2013-03-14 | 2013-07-31 | 浙江大学 | 一种可食用性方便面粉包包装膜及其制备方法 |
| RU2568919C1 (ru) * | 2014-07-03 | 2015-11-20 | Павел Васильевич Попрядухин | Способ получения биосовместимого биодеградируемого пористого композиционного материала |
| CN105542203A (zh) * | 2015-12-21 | 2016-05-04 | 四川农业大学 | 一种基于西瓜皮的可食性包装膜及其制备方法 |
| RU2731695C1 (ru) * | 2019-12-03 | 2020-09-08 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" | Способ получения биоразлагаемого композиционного материала на основе растительных биополимеров (варианты) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shah et al. | Art and science behind modified starch edible films and coatings: a review | |
| CN1293100C (zh) | 生物高分子纳米微粒 | |
| Wittaya | Rice starch-based biodegradable films: properties enhancement | |
| Giteru et al. | Solvent strength and biopolymer blending effects on physicochemical properties of zein-chitosan-polyvinyl alcohol composite films | |
| Gao et al. | Innovative plasticized alginate obtained by thermo-mechanical mixing: Effect of different biobased polyols systems | |
| Zárate-Ramírez et al. | Thermo-mechanical and hydrophilic properties of polysaccharide/gluten-based bioplastics | |
| Le Corre et al. | Starch nanoparticles: a review | |
| US5064582A (en) | Process and apparatus for recycling aqueous fluid absorbents fines | |
| Boonsuk et al. | Modified cassava starch/poly (vinyl alcohol) blend films plasticized by glycerol: Structure and properties | |
| Borges et al. | Influence of different starch sources and plasticizers on properties of biodegradable films. | |
| DE19524724A1 (de) | Hydrophile, hochquellfähige Hydrogele | |
| Wang et al. | Morphology and properties of thermal/cooling-gel bi-phasic systems based on hydroxypropyl methylcellulose and hydroxypropyl starch | |
| RU2604223C1 (ru) | Способ получения белково-полисахаридной биоразлагаемой пленки | |
| Burmistrov et al. | Rheological, dynamic mechanical and transport properties of compatibilized starch/synthetic copolymer blends | |
| RU2784190C1 (ru) | Способ получения полисахаридного композиционного материала на основе ультразвукового воздействия | |
| Rouilly et al. | Thermo-mechanical processing of sugar beet pulp. III. Study of extruded films improvement with various plasticizers and cross-linkers | |
| Murtaja et al. | Intelligent high-tech coating of natural biopolymer layers | |
| US11286313B2 (en) | Parenchymal cellulose composition | |
| Ismail et al. | Preparation of gellan gum (GG) film: the effect of GG, calcium chloride (CaCl2), glycerol concentration and heat treatment | |
| Mannai et al. | Precipitation solvents effect on the extraction of mucilaginous polysaccharides from Opuntia ficus-indica (Cactaceae): Structural, functional and rheological properties | |
| Dewi et al. | The effect of additional chitosan and cellulose on the performance of bioplastic from manihot glaziovii starch | |
| PL240444B1 (pl) | Sposób wytwarzania sztucznej skóry | |
| Sarifuddin et al. | Preparation and characterization of jackfruit seed starch/poly (vinyl alcohol)(PVA) blend film | |
| US20230331932A1 (en) | Protein dispersions | |
| RU2731695C1 (ru) | Способ получения биоразлагаемого композиционного материала на основе растительных биополимеров (варианты) |