Эффективные биостабилизаторы при рециклинге макромолекулярных упаковочных материалов

Эффективные биостабилизаторы при рециклинге макромолекулярных упаковочных материалов

Синтетические полимеры (полиэтилен и т. п.), а также макромолекулярная целлюлоза в виде пленок целлофана, изделий из бумаги и картона в больших масштабах используются в пищевой индустрии [1]. Высокие темпы роста производства и потребления упаковочных полимерных материалов, характерные для развитых стран, способствовали возникновению проблемы — утилизации макромолекулярных отходов.

Конструирование многофункциональных материалов является одним из приоритетных направлений технологий, реализуемых при дизайне инновационных пищевых упаковок. В настоящее время для применения в качестве упаковки разрабатываются соэкструзионные комбинированные материалы: сочетание полимерных пленок, картона и алюминиевой фольги. Например, изготовлена упаковочная пленка на основе сшитого биополимера и исследованы ее барьерные характеристики [2].

Цель данной статьи — обобщение инновационных подходов создания экологически безопасных полимерных упаковок для пищевых отраслей экономики.

Производство макромолекулярных упаковок направлено на уменьшение диффузионных процессов низкомолекулярных соединений (стабилизаторов, пластификаторов, продуктов деструкции и др.) в контактирующие пищевые продукты. Стабилизованные полимеры в процессе эксплуатационного использования должны быть устойчивыми влиянию факторов среды (кислорода, света и др.). В полиолефиновых пленках упаковок термоокислительная деструкция представляет собой гетерогенный процесс: микроструктура материала в значительной степени влияет на процесс диффузии кислорода, который происходит преимущественно в аморфной фазе. Термоокислительный распад макромолекул упаковочных материалов при технологическом производстве может быть замедлена путём введения эффективных стабилизаторов.

Из стабилизаторов гигиеническим требованиям удовлетворяют производные фенола, фосфорорганические соединения, эпоксидированные растительные масла и др. По механизму усиления устойчивости макромолекулярных упаковок можно выделить цепную и нецепную стабилизацию [3]. Первая связана с дезактивацией активных центров цепного процесса (цепное ингибирование), вторая — с инактивацией веществ, участвующих в любых реакциях в полимере, приводящих к его старению (нецепное ингибирование).

Стабилизирующая роль молекул существенно зависит от их химического строения, в частности от наличия заместителей в ароматическом ядре. В качестве примеров высокоактивных ингибиторов необходимо отметить пространственно-затрудненные фенолы типа 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенола (ионол) и ароматические амины типаN-фенил-2-нафтиламина (неозон-Д). Фенольные антиоксиданты обладают рядом преимуществ — высокоэффективны, не летучи, разрешены к применению в прямом контакте с пищевыми и косметическими продуктами.

Эффективность первичных антиоксидантов значительно повышается в присутствии фосфитов и тиоэфиров (вторичные антиоксиданты). Вторичные антиоксиданты взаимодействуют с гидроперероксидами и разрушают их без образования активных радикалов, а образующиеся интермедиаты обладают очень низкой реакционной способностью и высокой термической стабильностью. Цепное окисление фосфитов можно предотвратить при совместном применении с многоядерными фенолами (ирганокс-1010и т.п.), дезактивирующие кинетические цепи окисления [4].

При изготовлении упаковочных материалов из полимеров очень часто используются различные наполнители и красители, такие как тальк, мел, сажа, диоксид титана, и широкий спектр органических и неорганических пигментов. Следует отметить, что помимо улучшения свойств, некоторые наполнители отрицательно влияют на термои светостойкость полимеров. Примеси ионов переходных металлов, содержащиеся в наполнителе, снижают устойчивость макромолекул упаковки.

Инновационным подходом является замена синтетических стабилизаторов природными аналогами. Биофлавоноиды представляют интерес как структуры, проявляющие антиоксидантное действие и способные инактивировать различные виды активных форм кислорода [5]. Основу химической структуры флавоноидов составляет конденсированная система бензола и гетероциклического г-пирона с боковым фенильным заместителем. Одним из известных представителей биофлавоноидов является кверцитин (3,5,7,3ґ, 4ґ-пентагидроксифлавон).

Наличие в структуре биофлавоноидов полифенольных фрагментов обусловливает их способность участвовать в окислительно-восстановительных реакциях радикального типа (рис. 1). Образующийся флавоксильный радикал характеризуется относительной устойчивостью за счет рассредоточения электронной плотности по сопряженной системе молекулы и способностью стабилизироваться в виде хиноидных структур.

Рис. 1. Антиоксидантное действие биофлавоноида кверцетина

Геобиохимический распад флавоноидов могут реализовываться через процессы конъюгирования, окисления, гидролиза и расщепления углеродного кольца. В результате контролируемого окисления макромолекулярные отходы упаковочных материалов будут легко распадаться под действием света или влаги на олигомеры. Эти блоки олигомеров дальше разрушаются уже микроорганизмами почвы в естественных геоэкосистемах до конечных метаболитов: воды и диоксида углерода, которые могут включиться в биологический цикл фотосинтеза.

В основе общества будущего должен лежать разумное использование энергии и рециркуляции вещества, вторичное использование невозобновляемых ресурсов, а также (что особенно важно) в производстве не должно происходить превышение порога экологической устойчивости окружающей среды. В конечном итоге такой путь реализуется одним из инновационных методов рециркуляции пластмасс и вовлечения полимерных отходов, способных к биодеградиции, в геоэкологический круговорот (рис. 2):

Рис. 2. Схема рециклинга полимерных упаковок

Наиболее оптимальным решением предотвращения накопления твердых остатков из одноразовых упаковок является создание биодеградабельных макромолекул. Перспективным упаковочным материалом для пищевых технологий является полилактид, изготавливаемый как синтетическим методом, так и биотехнологическим способом [6]. Отходы производства, быта, транспорта и т. д. могут реально и потенциально использоваться как исходные вещества в других отраслях промышленности в ходе регенерации. При полном переходе на биополимеры из возобновляемого сырья отслужившие свой срок упаковочные и другие материалы будут перерабатываться почвой и растениями, замыкая естественный цикл [7].

Осознание глобального экологического кризиса должно быть нацелено на поиск и утверждение ценностей, обеспечивающих безопасное сосуществование с природой. В последние годы большое распространение получает способ упаковывания различных пищевых продуктов в пленочные пакеты под вакуумом или с заполнением макромолекулярных упаковок инертным газом. Обеспечение безопасности пищевых продуктов в современных условиях является важнейшим приоритетом в области здорового питания. Проблема охраны окружающей среды многопланова: включает не только научные и образовательные аспекты, но и экономические, политические, правовые компоненты. Неотъемлемое место технологического решения этой проблемы занимает качество и безопасность упаковочных материалов и изделий. Поэтому вместо одноразовых упаковок типа «ТетраПак» и т. п. рациональнее использовать многооборотную тару, например, высокопрочные бутылки из полиэтилентерефталата.

Таким образом, рациональное использование природных экостабилизаторов уменьшает антропогенную нагрузку на окружающий ландшафт. Подобные инновационные технологии позволяют сохранять экологическое равновесие при повторном использовании материалов и обеспечивают устойчивое развитие цивилизации.

полимерный упаковка стабилизатор биоантиоксидант.

• 1. Упаковка пищевых продуктов. / Под ред. Р. Коулза, Д. МкДауэлла, М.Дж. Кирвана. — СПБ.: Профессия, 2008. — 416 с.
• 2. Нугуманов А. Х., Титова Л. М., Никулина М. А. Экологически безопасные упаковочные материалы для хранения пищевых продуктов и полуфабрикатов // Известия ВУЗов. Пищевая технология. — 2014. — № 1. — С.73−76.
• 3. Эмануэль Н. М., Бучаченко А. Л. Химическая физика молекулярного разрушения и стабилизации полимеров. — М.: Наука, 1988. — 368 с.
• 4. Мукменева Н. А., Бухаров С. В., Черезова Е. Н., Нугуманова Г. Н. Фосфорорганические антиоксиданты и цветостабилизаторы полимеров. — Казань: КГТУ, 2010. — 287 с.
• 5. Dangles O., Dufour C., Fargeix G. Inhibition of lipid peroxidation by quercetin derivatives: antioxidant and prooxidant effects // J. Chem. Soc. — 2000. — V.2. — P. 1215−1222.
• 6. Тарасюк В. Т. Актуальность и перспективы применения биополимеров в пищевой промышленности // Консервная промышленность сегодня: технологии, маркетинг, финансы. 2011. — № 3. — С.55−62.
• 7. Шарипов Р. А., Халиков Р. М. Основы химической экологии. — Уфа: Изд-во БГПУ, 2006. — 76 с.