Целюлоза технічної коноплі і джуту для пакувального матеріалу
Виробництво пакувальних матеріалів, зокрема для продовольчих товарів, на сьогоднішній день набуло величезних обертів, адже окрім своєї основної функції - захисту продукції від різного роду псування, упаковка також виконує маркетингові, інформативні, декоративні та інші функції. Досі упаковки виготовляли з матеріалів, що вимагають спеціальних заходів щодо утилізації. Як свідчить світовий досвід, індустрія переробки цих відходів вимагає значних ресурсів, що негативно впливає на навколишнє середовище, не встигає за сучасними темпами виробництва упаковок. Саме тому велику увагу приділяють досліджень по розробці упаковки з натуральної відновлюваної сировини, здатного до біорозкладу [1].
У цьому контексті технічна конопля і джут - досить перспективний сировину. Завдяки хімічному складу і унікальному поєднанню таких властивостей, як гігієнічність, висока міцність, природна бактерицидність, джут і технічну коноплю з давніх пір використовують для текстильної, легкої, паперової, будівельної, паливної, косметологічної та інших галузей промисловості, які виробляють джутові мішки [2]. Волокна джуту і конопель використовують під час виробництва мотузок, канатів, тросів і шпагату. Вироби з джуту і конопель міцні і зносостійкі. Крім того, для вирощування джуту конопель не потрібно ніяких хімічних добрив, завдяки чому таке сировину на 100% екологічно чистий [3]. На основі целюлози з м'якоті конопель можна виготовляти біополімер, який розкладається в навколишньому середовищі, піддається повній вторинній переробці та утилізації, має високу міцність і гнучкість. Такий полімер знаходить багатогранне застосування: від упаковки для харчових продуктів та промислової продукції до внутрішнього оснащення автомобілів [4].
Джут і коноплі - цінні технічні культури, обробляється для одержання волокна і насіння. Це лубоволокнистих рослина сімейства Cannabinaceae (Конопляні). Стебло з усіх складових джутового та конопляного рослини представляє найбільший інтерес як джерело одержання волокна. Його питома вага зазвичай становить 60-65% загальної сухої маси джутового та конопляного рослини та може змінюватися в залежності від умов вирощування. Пучки луб'яних волокон овальної (слабовитягнутои) форми. Головна складова волокон - целюлоза. Крім того, в них містяться геміцелюлоза, пектинові речовини, лігнін і мінеральні речовини [5].
Целюлоза є цінною складовою, оскільки надає волокнам і тканин, що з них виробляються, міцності на розрив, гнучкості і еластичності, носкості, гігроскопічності, м'якості та блиску. Особливо яскраво це проявляється при виробництві джутових мішків. Вміст целюлози в волокні конопель становить 70-77%, пектинових речовин - до 3,3%, лігніну - 3,7-8%, води - до 10%. Лігнін додає волокну жорсткості та інших негативних властивостей, тому в технологічному відношенні це небажаний компонент [6].
Оскільки целюлоза з технічної коноплі і джуту є перспективним джерелом отримання пакувальних матеріалів (джутових мішків), то дослідження її якості є актуальною задачею для вчених. Метою роботи є вивчення органолептичних та фізико-хімічних показників якості целюлози з технічного джуту і конопель в якості сировини для виготовлення джутових мішків та іншої упаковки харчових продуктів і порівняння результатів досліджень з відповідними показниками якості традиційних видів целюлози. Об'єктами досліджень стали зразки целюлози з технічної коноплі біленої та невибіленої, отримані зі сланцевих і моченцевих волокон, вирощених у Дослідної станції луб'яних культур Інституту сільського господарства Північного Сходу НААН.
Товарознавча оцінка якості целюлози з технічної джутової тканини полягала у визначенні органолептичних і фізико-хімічних показників, таких як: вміст вологи, ступінь набухання, а зміст-целюлози і лігніну, зольність. Відбір проб для проведення фізико-хімічних досліджень проводився згідно ГОСТ 7004-93 [7]. Метод визначення вологості целюлози базується на вимірюванні маси целюлози при висушування її наважки до постійної маси в сушильній шафі при температурі (103 ± 2) ° С [8].
Встановлення ступеня набухання целюлози здійснювали ваговим методом Швальбе. Суть якого полягає у визначенні приросту маси целюлози під час її намочування в розчинах гідроксиду натрію. Ступінь набухання (Сн) визначали у відсотках за формулою:
Сн = (m1 / m) * 100,
де m1 - маса досліджуваної проби до набрякання, г;
m - маса досліджуваної проби після набрякання, г [9].
Визначення вмісту а-целюлози здійснювали за методом Бубеке, заснований на нерозчинність незмінною целюлози (а) до 17,5% розчині NaOH і розчинності у ньому геміцелюлози (в і в). Отримані целюлози відфільтровували, промивали і сушили до постійної маси в сушильній шафі при температурі (103 ± 2) ° С Кількість а - і в-целюлози виражали у відсотках щодо загальної маси, а кількість в-целюлози (в) визначали за формулою:
Y = 100 - (a + b),
де а і b - кількість a - і b-целюлози відповідно, % [10].
Визначення вмісту лігніну здійснювали методом Вильшгеттера і цехмейстера з внесеними змінами Хейзер і Венцеля. Цей метод є прямим ваговим і базується на переведенні целюлози і геміцелюлози в розчинний стан шляхом осахарения їх мінеральною кислотою (42% НСІ). В цих умовах лігнін залишається в осаді; його фільтрували, промивали водою до повного видалення іонів хлору), сушили і зважували [11].
Проведено органолептичної оцінки якості досліджуваних зразків. Результати досліджень представлені в табл. 1.
Проаналізувавши проведену органолептичну оцінку досліджуваних зразків, встановлено, що за зовнішнім виглядом всі зразки конопляної целюлози - пухка дрібноволокнистою маса. Колір біленої целюлози по сланцевому волокну - білий, а невибіленої - світло-жовтий. Колір целюлози з моченцевого волокна - білий з сіруватим відтінком. Згідно вимогам стандарту, колір повинен бути білим. Колір зразків невибіленої целюлози сланцевого і моченцевого волокна обумовлений тим, що целюлоза не проходила відбуваються - обілення, і тому має дещо іншу забарвлення.
Дослідивши наявність сторонніх домішок, встановлено, що целюлоза з сланцевого волокна не містить сторонніх домішок у вигляді тріски, піску, шматків гуми, металевих включень і інших домішок нецеллюлозные характеру. Целюлоза з моченцового волокна містить домішки рідкісних волокон від темно-жовтого до коричневого кольору, але вони целюлозного характеру. Отже, всі зразки відповідають вимогам стандарту.
Целюлоза гігроскопічний і повітряно-сухому стані містить певну кількість гігроскопічної води в рівновазі з вологістю повітря. Поглинена волокнами волога утримується у вигляді вільної води (заповнює пори, міжклітинний простір), пов'язаної, або сорбированного води (заповнює мижфибрилярний простір або просочує клітинні оболонки) і гидратационная або хімічно зв'язаної води. Гігроскопічна вода (вільна і сорбированная) легко видаляється при сушіння целюлози, гидратационная вода видаляється дуже важко. У той же час волога надає пружно-еластичних властивостей волокон, необхідних при формуванні упаковки і утворення міцних міжволоконній зв'язків в готовому упаковці, підвищує його функціональні можливості. Підвищений вміст вологи призводить до активних біохімічних процесів і розвитку мікроорганізмів в целюлозі. Суха повітряна целюлоза містить зазвичай 5-8% гігроскопічної води.
Здатність до набухання целюлози має важливе технічне значення, особливо у виробництві волокон і плівок. Ступінь набухання целюлози має важливе значення для визначення доступності макромолекул целюлози. В результаті набухання целюлози в процесі мерсеризації (обробки матеріалу NaOH) полегшується видалення з неї розчинних в лугу низькомолекулярних фракцій, а також дифузія сірковуглецю у волокно при подальшому ксантогування (реакція з участю ксантогенових ефірів і солей ксантогенових кислот) [11]. На цей показник слід звертати особливу увагу при виготовленні плівок і виробництві джутових мішків. Природна целюлоза не розчиняється в розчинах лугів, а тільки набухає. Більшість технічних целюлози, порівняно з природними, має підвищену здатність до набухання і часткову розчинність у розчинах лугу.
Надзвичайно важливим показником при оцінці якості целюлози є вміст у ній а-, в - і в-целюлози, адже він характеризує ступінь деструкції технічної целюлози і дає можливість зробити висновок про придатність целюлози для тих або інших промислових цілей. При обробці целюлози 17,5% розчином NaOH велика частина целюлози залишається в рідкому вигляді, а це-целюлоза, є цінною складовою целюлози. в-целюлоза - це низькомолекулярна зруйнована целюлоза з домішками нецеллюлозные полісахаридів. У деревині вона не міститься, а утворюється при варінні і відбілювання. В склад-целюлози входять полісахариди зі ступенем полімеризації 50-150. в-целюлоза являє собою низькомолекулярну фракцію (ступінь полімеризації полісахаридів менше 50). Для технічної целюлози з деревини листяних порід, призначеної для виробництва паперу і картону, а зміст-целюлози повинна бути не нижче 82% [12]. Масова частка а-целюлози в сульфітної целюлози для отримання віскозної текстильної нитки, віскозних волокон і целюлозної плівки повинна бути в межах 90-92,5% [13]. Вміст в-целюлози в бавовняної целюлози згідно ГОСТ 595-79 повинно бути 90-92,5% [14].
Залишковий лігнін, знаходиться в целюлозі, сприяє жорсткості. Це речовина в целюлозі, особливо в вибілений, є сильно видозміненою продуктом і наявність його не бажана. Тепло і світло викликають у залишковим лігніну реакції, що ведуть до втрати міцності білизни. Лігнін, залишається в целюлозі у великій кількості, як правило, знижує її реакційну здатність, погіршує її набухання і розчинність отриманих ефірів. Із збільшенням вмісту залишкового лігніну сповільнюється окислювальний розпад макромолекул целюлози в процесі передозривання лужної целюлози [15]. Вміст лігніну в бавовняної целюлози повинен бути 0,1-0,5% [14], целюлози льону-довгунця становить 0,5%. Зміст зольних сполук значно впливає на якість целюлози. Так, іони металів змінної валентності сильно впливають на окисну деструкцію целюлози в процесі отримання віскозного волокна. Сполуки кальцію і кремнію погіршують процес фільтрації віскози. Крім того, солі кальцію сприяють утворенню гіпсу при формуванні волокна, що призводить до обриву нитки. Реакційна здатність целюлози при ацетилировании також в значній мірі залежить від вмісту в ній різних солей. Навіть невелика кількість сульфатів, особливо сульфату магнію, наявних в целюлозі, знижують швидкість ацетилювання, тоді як силікати та інші солі марганцю прискорюють реакцію.
Результати досліджень фізико-хімічних властивостей целюлози з технічного джуту і конопель в порівнянні з традиційними видами целюлози наведено в табл. 2. Аналізуючи наведені показники, слід зазначити, що за показником вологості досліджувані зразки целюлози з конопель містять вологи дещо менше, ніж целюлоза з бавовни і з хвойної деревини. Так, целюлоза з конопель містить 5,6-7,5% вологи, бавовняна - 8-10%, а з хвойних дерев - 10-12%. Конопляна целюлоза містить вологи на рівні з віскозної (6-10%) і лляної (7,5%).
За показником ступеня набухання конопляне целюлоза має дещо нижчі значення в порівнянні з іншими видами. Зразок невибіленої целюлози по сланцевому волокна - 250%, а інші досліджувані зразки мають ступінь набухання 400%. Відмінність цих показників обумовлена різною структурою волокна целюлози з технічної коноплі.
За показником вмісту а-целюлози слід зазначити, що найбільша кількість її міститься в бавовняної целюлози - 96-99%, дещо менше в віскозної - 90-92,5% і целюлозі з льону - 87-88%. У малій кількості? -целюлоза Знаходиться в целюлозі з хвойної деревини 82-88%. Досліджувана конопляне целюлоза містить 90% (вибілена) у 83,33% (небілена) а-целюлози. Якщо порівнювати її з іншими видами, то слід зазначити, що вибілена конопляне целюлоза містить a-целюлози приблизно стільки ж, як і віскозна, а небілена - кілька за змістом схожа на лляну і целюлозу з хвойної деревини.
Аналізуючи зміст лігніну було відзначено, що досліджувані зразки целюлози з технічної коноплі містять більше лігніну (5-15%) порівняно з іншими (0,1-0,5%). Високий вміст лігніну не бажаний целюлози для виробництва упаковки, тому для отримання кращої якості конопляної целюлози її слід піддати додатковій обробці, спрямованої на видалення лігніну.
З аналізу змісту зольних сполук встановлено, що найбільша їх кількість припадає на целюлозу з льону - 1,0-1,1%, менше її у целюлозі з хвойної деревини - 0,3-0,5% і бавовняної - 0,1 0,3%. Найменший вміст зольних сполук у віскозної целюлози 0,08-0,12%, що може бути пов'язано з її синтетичностью. У досліджуваних зразках конопляної целюлози вміст золи коливався в межах 0,54-1,07%.
Виходячи з результатів досліджень можна стверджувати, що заміна синтетичного і традиційної целюлози целюлозою з технічного джуту чи конопель не призведе до зниження якості виробів (джутових мішків) з неї, адже фізико-хімічні показники її якості, в тому числі вміст вологи, зольність, вміст а-целюлози, знаходяться на рівні з іншими видами целюлози. Головну увагу слід звернути на зміст лігніну, який джутової целюлозі дещо завищений, що пояснюється біологічної і морфологічним будовою. У той же час вміст лігніну може бути відкоректований додатковою обробкою конопляної целюлози. Заміна лляної і деревної целюлози на конопляне може підвищити якість упаковки, що підтверджується високим вмістом а-целюлози як цінною складовою для виробництва мішків джутових та інших пакувальних матеріалів.
На основі виконаного аналізу і досліджень можна зробити висновок, що джутова і конопляна целюлоза може бути з успіхом використана для виробництва пакувальних матеріалів для харчових продуктів. Найпоширенішим пакувальним матеріалом з джутової целюлози явдяются джутові мішки.
Купити джутові мішки за низькими цінами можна на сайті компанії ЕКОПРОМТРАНС!
Література
1. Сдобникова О. А. Биоразлагаемая упаковка — шлях до поліпшення екології / О. А. Сдобникова, Н.А. Савченко, Д. А. Грибкова, Ю. В. Фролова, А. В. Федотова // Переробка молока. — 2010. — №1. — С. 14-15.
2. Голобородько П. А. Коноплі підкорюють світ / П. А Голобородько, В. Р. Вировець. — К.: Пропозиція, 1999. — 275 с.
3. Кондратенко А. В. Золотий вік конопель / Олексій Іванович Кондратенко. — Орел: Орловський вісник, 1998. — 200 с.
4. Михайлова Р. М. Відродження в Україні виробництва луб'янка дерев'яних волокон / Р. М. Михайлова, Р. Н. Гілязетдінов // Товарознавство та інновації: зб. наук. ін — 2010. — №2. — С. 2-3.
5. Мигаль М. Д. Біологія луб'янка дерев'яних волокон конопель / Микола Дмитрович Мигаль. — Суми: Папірус, 2011. — 390 с.
6. Богданова О. Ф. Перспективи одержання волокнистих напівфабрикатів з рослинної сировини / О. Ф. Богданова, В. М. Козаченко, Н.П. Ляліна // Легка промисловість. — 2001. — №1. — С. 18–20.
7. Целюлоза. Відбір проб для випробувань. — ГОСТ 7004-93. — Міждержавна рада з метрології,
стандартизації, сертифікації. — 1993. 8. Целюлоза. Визначення вмісту сухої речовини. — ГОСТ 16932-93. — Міждержавна рада з метрології, стандартизації, сертифікації. — 1993.
9. Карливан В. П. Методи дослідження целюлози / В. П. Карливан. — Рига: Зинатне, 1981. — 258 с.
10. Целюлоза. Метод визначення вмісту альфа-целюлози. — ГОСТ 6840-78. — Державний комітет СРСР по стандартах. — 1978.
11. Нікітін М.І. Хімія деревини та целюлози / Н.І. Нікітін. — М: Изд-во АН СРСР, 1962. — 711 с.
12. Целюлоза сульфатна вибілена з листяної деревини (осикова). Технічні умови. — ГОСТ 14940-75. — Міждержавна рада з метрології, стандартизації, сертифікації. — 1975.
13. Сульфітна целюлоза віскозна. Технічні умови. — ГОСТ 5982-84. — ІПК Видавництво стандартів. — 1984.
14. Бавовняна целюлоза. Технічні умови. — ГОСТ 595-79. — ІПК Видавництво стандартів. — 1979.
15. Байклза В. Целюлоза та її похідні / В. Байклза, Л. Сегала; [Пер. з англ.]. — М: Світ, 1974. — Т. 1. -500 с.
