Medicina Veterinaria 2(1) 2003, 65-73 BADANIA IN VITRO, W ŚRODOWISKU śwacza, BIODEGRADOWALNEGO TWORZYWA OPAKOWANIOWEGO ZAWIERAJĄCEGO SKROBIĘ Tomasz Zięba, Wojciech Zawadzki, Edyta Wincewicz, Wacław Leszczyński Streszczenie. Badania przeprowadzono na paskach folii o dł. 50 mm sporządzonych ze skrobi i tworzyw sztucznych bez dodatku i z dodatkiem autooksydanta, które umieszczano w tzw. sztucznym Ŝwaczu na przeciąg 5 dni. Po tym czasie oznaczano ubytek suchej masy tworzywa, wytrzymałość na rozciąganie i wydłuŝenie przy zerwaniu. Dodatek substancji utleniającej w tworzywie lub poddanie tworzywa przed przetrzymywaniem w Ŝwaczu zabiegowi moczenia i praŝenia powodowało zmniejszenie elastyczności tworzywa o 60 85%. Tworzywo wytworzone standardowo o zawartości 70% kompozytu skrobi równieŝ charakteryzowało się mniejszym o 60% wydłuŝeniem przy zerwaniu niŝ tworzywo przed przetrzymywaniem w Ŝwaczu. Natomiast tworzywa o mniejszych zawartościach kompozytu bez autoutleniacza i niepoddane Ŝadnym zabiegom stały się po przebywaniu w tym środowisku bardziej elastyczne. Tworzywa wytworzone z dodatkiem substancji utleniającej i poddane przed przetrzymywaniem w Ŝwaczu zabiegowi moczenia i praŝenia, bez względu na skład charakteryzowały się o 80 90% mniejszą wytrzymałością w porównaniu do tworzyw przed przetrzymywaniem w Ŝwaczu. Wpływ degradacji pozostałych tworzyw w środowisku Ŝwacza na omawianą cechę nie był znaczący. Słowa kluczowe: skrobia, sztuczny Ŝwacz, badania in vitro WSTĘP Postęp techniczny i rozwój gospodarczy XX wieku doprowadziły w krajach rozwiniętych do osiągnięcia tzw. wysokiej stopy Ŝyciowej. Wraz ze wzrostem produkcji dóbr materialnych wzrasta obciąŝenie środowiska odpadami po ich zuŝytkowaniu jak i materiałami słuŝącymi do ich opakowania. Z materiałów uŝywanych od lat do produkcji opakowań biodegradacji ulegają: drewno, tektura, papier, tkaniny z włókien naturalnych i celofan [Fritz i in. 2001, Nawrath i in. 1995]. Trudno jednak wyobrazić sobie dzisiejszy rynek opakowań bez plastikowych skrzynek, toreb, folii, butelek itp., których cechy funkcjonalne znacznie przewyŝszają cechy opakowań wytworzonych z materiałów tradycyjnych. Roczna światowa produkcja tworzyw syntetycznych wynosi około 100 milionów ton, a ich kumulacja w środowisku naturalnym stanowi powaŝny problem gospodarczy i ekonomiczny [Albertson, Karlsson 1995].
66 T. Zięba i in. Znane są tworzywa, które na drodze procesów fotochemicznych lub chemicznych ulegają degradacji. Fotodegradacja czystych polimerów syntetycznych (np. polietylen, polistyren) zachodzi bardzo powoli. W celu przyspieszenia procesów degradacyjnych wprowadza się dodatek substancji zawierających grupy karbonylowe [Orhan i Buyukgungor 2000]. Tworzą one pod wpływem tlenu nadtlenki, które rozpadają się na wolne rodniki i reagują z matrycą polimerową [Fabrycy 1997]. Reakcje utleniania mogą być katalizowane przez sole metali. Rozkład fotodegradacyjny zachodzi jednak tylko pod wpływem światła słonecznego (UV), co ogranicza moŝliwość szerszego zastosowania tego typu tworzyw do produkcji opakowań, gdyŝ opakowanie po zuŝyciu trafia na wysypisko i w większości przypadków nie jest wystawione na działanie promieni słonecznych. Rozkład chemiczny następuje pod wpływem dodanych w niewielkiej ilości substancji utleniających, np. dwutiokarbaminianów Ni, Co, Fe lub Cu, które w odpowiednich warunkach powodują rozpad łańcuchów polimerowych. Powstałe produkty rozkładu polimerów o długości łańcucha atomów węgla mniejszym od 33 ulegają biodegradacji w środowisku naturalnym [Scott 1994]. Tworzywa zawierające autoutleniacze są produkowane na skalę przemysłową, ale mają ograniczone zastosowanie ze względu na brak odporności na warunki środowiska (np. światło słoneczne) i związaną z tym moŝliwość przedwczesnej degradacji. Od wielu lat prowadzone są badania nad nowymi degradowalnymi w środowisku naturalnym materiałami opakowaniowymi [Bednarski i in. 1997, Leszczyński 1998, Leszczyński 1999, Spasówka i Rudnik 1999, Stepaniak 1999, Szostak-Kotowa 2000, śakowska 1997]. Do wyrobu takich tworzyw mogą być uŝyte substancje naturalne, głównie pochodzenia roślinnego lub będące produktami działalności mikroorganizmów (np. polihydroksykwasy alkanowe, pullan alginiany) [Leszczyński 1999] oraz tworzywa otrzymywane na drodze procesów chemicznych (np. polikwas mlekowy, polikaprolaktany). JednakŜe pomimo korzystnej cechy, jaką jest uleganie całkowitej biodegradacji w środowisku naturalnym i odpowiednich właściwości funkcjonalnych, nie znajdują one szerszego zastosowania w produkcji opakowań (z wyjątkiem celulozy) głównie ze względu na wysokie ich ceny, kilkakrotnie wyŝsze niŝ ceny polimerów syntetycznych. Kompromisowym rozwiązaniem wydaje się być połączenie tworzywa syntetycznego z degradowanym polimerem naturalnym. Najwłaściwszym surowcem do produkcji tego typu materiałów jest skrobia. Jest ona powszechnie występującym w przyrodzie związkiem odnawialnym, czyli co roku wytwarzanym przez rośliny w wyniku procesu fotosyntezy z CO 2 i H 2 O, łatwo dostępnym i tanim. Szybko ulega biodegradacji i dlatego w odróŝnieniu od innych tworzyw nie zalega długo na wysypiskach odpadów i moŝe być kompostowana. Skrobia jako składnik tworzyw opakowaniowych moŝe być uŝywana w formie naturalnej, lub w postaci zmodyfikowanej fizycznie albo chemicznie. W formie skleikowanej względnie ekstrudowanej moŝe być stosowana w tworzywach w ilościach do 40% [Leszczyński 1998]. CEL PRACY Celem pracy było określenie wpływu środowiska Ŝwacza na ubytek masy i właściwości wytrzymałościowe tworzywa sporządzonego ze skrobi i materiałów syntetycznych. Warunki panujące w Ŝwaczu miały symulować naturalną biodegradację badanego tworzywa opakowaniowego. Acta Sci. Pol.
Badania in vitro, w środowisku Ŝwacza... 67 MATERIAŁ I METODY Sporządzono tzw. kompozyt skrobi ze skleikowanej skrobi ziemniaczanej, kopolimeru etylenu z kwasem akrylowym i gliceryny [Fanta i in. 1992]. Składniki kompozytu mieszano w takich proporcjach, aby stosunek wagowy ilości skrobi do kopolimeru do gliceryny wynosił jak 8:2:2. Do części kompozytu jako substancję autoutleniającą dodano sól manganu. Autooksydant dodawano w takiej ilości, by jego stęŝenie w gotowej folii wynosiło 1%. Kompozyt skrobi łączono z polietylenem w stosunku 3:7. 5:5 i 7:3 [Golachowski i in. 2001]. W celu zwiększenia powierzchni kontaktu tworzywa ze środowiskiem Ŝwacza 1/3 część z kaŝdego rodzaju tworzywa: przetrzymano w wodzie przez 3 doby, a następnie praŝono przez 60 sekund w temperaturze 200 C, zmielono na cząstki mniejsze od 1 mm. Tak przygotowane próby umieszczono w sztucznym Ŝwaczu przez okres 5 dni. W urządzeniu tym, stworzone zostały warunki imitujące przedŝołądek zwierząt przeŝuwających, łącznie z aktywną mikroflorą wprowadzaną wraz ze świeŝą treścią Ŝwacza owiec. Po przetrzymywaniu w środowisku degradacji (po obmyciu i osuszeniu) oznaczano ubytek masy tworzywa (metodą grawimetryczną) na podstawie bilansu masy partii (10 pasków) folii. Przed i po przetrzymywaniu w środowisku degradacji określono wytrzymałość na rozciąganie i wydłuŝenie przy zerwaniu w maszynie wytrzymałościowej Hackert 10*1 1. Badania prowadzono przy szybkości rozciągania 5 mm/min na paskach folii o długości 50 mm [Golachowski, Leszczyński 1997]. WYNIKI Do badań nad degradacją biologiczną tworzyw sporządzonych ze skrobi i polimerów syntetycznych z dodatkiem autooksydantu uŝyto modelu nazywanego sztucznym Ŝwaczem. Po 5 dniach przetrzymywania w sztucznym Ŝwaczu, ubytki tworzywa wahały się od 1% do 30% (rys. 1), w zaleŝności od składu badanego materiału i od rodzaju zabiegu, jakiemu był on poddany przed umieszczeniem w sztucznym Ŝwaczu. Na wielkość ubytków masy istotny wpływ miała zawartość kompozytu skrobi w tworzywie. Ubytki masy wzmagane były teŝ dodatkiem autooksydantu, oraz przez przeprowadzony zabieg moczenia i praŝenia oraz rozdrobnienia tworzywa. Największy ubytek masy osiągnięto w przypadku umieszczenia w sztucznym Ŝwaczu rozdrobnionego tworzywa zawierającego autooksydant. Dodatek substancji utleniającej w tworzywie lub poddanie tworzywa przed przetrzymywaniem w Ŝwaczu zabiegowi moczenia i praŝenia powodowało zmniejszenie elastyczności tworzywa o 60 85% (rys. 2). Tworzywo wytworzone standardowo o zawartości 70% kompozytu skrobi równieŝ charakteryzowało się mniejszym o 60% wydłuŝeniem przy zerwaniu niŝ tworzywo przed przetrzymywaniem w Ŝwaczu. Natomiast tworzywa o mniejszych zawartościach kompozytu bez autoutleniacza i niepoddane Ŝadnym zabiegom stały się po przebywaniu w tym środowisku bardziej elastyczne. Medicina Veterinaria 2(1) 2003
68 T. Z ba i in. 30 20 10 participation of starch component in plastic 30% 50% 70% 0 Tworzywo wytworzone standardowo Plastic produced by standard procedure Tworzywo poddane obróbce wst pnej Plastic after preliminary treatment Zmielone tworzywo Ground plastic Rys. 1. Ubytki masy tworzywa przetrzymywanego w sztucznym waczu Fig. 1. Loss of plastic weight treated in artificial rumen Tworzywo z dodatkiem autooksydanta Plastic with autooxidant addition Tworzywo z dodatkiem autooksydanta poddane obróbce wst pnej wst pnej Plastic with Plastic autooxidant with addition autooxidant after addition preliminary after preliminary treatment treatment Zmielone tworzywo z dodatkiem autooksydanta Ground plastic with autooxidant addition autooksydantu autooksydantu autooksydantu ubytek masy [%] loss of weight Acta Sci. Pol.
Badania in vitro, w odowisku acza... 69 100 80 60 40 pnej pnej enie [%] 20 0 30% 50% 70% Medicina Veterinaria 2(1) 2003
70 T. Z ba i in. 12 10 8 6 4 [MPa] 2 0 30% 50% 70% Acta Sci. Pol.
Badania in vitro, w środowisku Ŝwacza... 71 Tworzywa wytworzone z dodatkiem substancji utleniającej i poddane przed przetrzymywaniem w Ŝwaczu zabiegowi moczenia i praŝenia, bez względu na skład charakteryzowały się o 80 90% mniejszą wytrzymałością w porównaniu do tworzyw przed przetrzymywaniem w Ŝwaczu (rys. 3). Wpływ degradacji pozostałych tworzyw w środowisku Ŝwacza na omawianą cechę nie był znaczący. Prowadzone badania miały charakter wstępny i dlatego nie dokonano szerszej analizy statystycznej otrzymanych wyników z uwzględnieniem oceny istotności róŝnic. DYSKUSJA I PODSUMOWANIE Przeprowadzone doświadczenie wykazało, Ŝe w warunkach imitujących naturalne moŝliwa jest znaczna degradacja badanego tworzywa, zwłaszcza zawierającego większe ilości skrobi i przy zastosowaniu odpowiednich technologii wytwarzania (dodatek autooksydantu) i zabiegów poprzedzających biodegradację (moczenie i praŝenie lub rozdrobnienie). Ubytki masy zachodzące podczas pięciodniowego przetrzymywania w sztucznym Ŝwaczu stanowią około 30% ubytków tworzywa podczas sześciomiesięcznego przetrzymywania w glebie [Zięba i Błyskal 2002]. Świadczy to o wysokiej intensywności przemian degradacyjnych zachodzących w warunkach imitujących przedŝołądek zwierząt przeŝuwających. Badanie strawności in vivo ekstrudowanej skrobi i tworzywa wytworzonego z jej udziałem w organizmach zwierząt przeprowadzali inni autorzy [Bohme 1999, Murray 2001]. Stwierdzili oni moŝliwość włączenia omawianych produktów skrobiowych do diet tych zwierząt nie wywołując niepoŝądanych zmian w funkcjonowaniu przewodu pokarmowego. Obecne w środowisku przedŝołądków przeŝuwaczy, a zwłaszcza Ŝwacza oraz w jelicie ślepym tych zwierząt bakterie, pierwotniaki i grzyby stanowią bogate systemy ekologiczne, w których zachodzi trawienie poszczególnych składników pokarmu. W dotychczasowych pracach przebadano wpływ wybranych niekonwencjonalnych dodatków do paszy [Zawadzki 1993] oraz nasion wiesiołka [Zawadzki i in. 2001 a, Zawadzki i in. 2001 b] na przebieg procesów fermentacyjnych w Ŝwaczu owiec. W innych badaniach uwzględniono równieŝ przebieg fermentacji w jelicie ślepym owiec w warunkach in vitro pod wpływem róŝnych ilości dodawanego dolomitu [Zawadzki i in. 2001c]. Badania własne prowadzone na inkubatach treści Ŝwacza i jelita ślepego owiec wykazały nowe aspekty stosowania dodatków paszowych, a mianowicie: ekologiczny i Ŝywieniowy. Analiza procesów fermentacji nasunęła autorom niniejszej pracy koncepcję przebadania wpływu mikroflory i mikrofauny Ŝwacza owiec na degradację tworzywa opakowaniowego zawierającego skrobię w warunkach in vitro. Ocena otrzymanych w niniejszej pracy wyników nie moŝe być jednoznaczna, gdyŝ po pierwsze są to badania wstępne, a po drugie nie uwzględniono, jak to miało miejsce we wcześniejszych pracach [Zawadzki 1993, Zawadzki i in. 2001 c] wszystkich parametrów fermentacji, szczególnie zaś sumy lotnych kwasów tłuszczowych (LKT), poszczególnych kwasów tłuszczowych, jej wydajności, współczynnika wykorzystania nieglikogennych do glikogennych LKT, ilości wyprodukowanych moli ATP, wydajności wzrostu mikroorganizmów, produkcji wodoru, metanu i dwutlenku węgla. Dopiero kompleksowa ocena wszystkich warunków i powstałych produktów fermentacji podczas rozkładu tworzywa opakowaniowego zawierającego skrobię pozwoli na wyciągnięcie ostatecznych wniosków. Medicina Veterinaria 2(1) 2003
72 T. Zięba i in. PIŚMIENNICTWO Albertson A.C., Karlsson S., 1995. Degradable polymers for the future. Acta Polymer. 46, 114 123. Bednarski W., Walkowski A., Lewandowicz G., Tomasik J., 1997. Opakowania biodegradowalne aspekty technologiczne i ekologiczne. Przemysł SpoŜywczy, 2, 33 35. Bohme H., Lang H.P., Flachowsky G., 1999. Ist das Vorhandensein von BIO-Werkstoffen in Rationen für Mastschweine zu rechtfertigen? Landbauforschung Volkenrode Sonderheft, 193, 273 278. Fabrycy E., 1997. Tworzywa degradowalne jako alternatywa recyklingu materiałów polimerowych. [w:] Recykling materiałów polimerowych. WN-T, Warszawa. Fanta G.F., Swanson C.L., Doane W.M., 1992. Complexing between starch and poly(ethylene-co- -acrylic acid) a comparison of starch varieties and complexing conditions. Carbohydrate Polymers, 17, 51 58. Fritz J., Link U., Braun R., 2001. Environmental impacts of biobased/biodegradable packaging. Starch/Stärke 53, 105 109. Golachowski A., Leszczyński W., 1997. Właściwości tworzywa sporządzonego z polietylenu i skrobi modyfikowanych chemicznie. śywność, Technologia, Jakość, 4, 13, 16 25. Golachowski A., Leszczyński W., Michalski A., Naumowicz H., 2001. The properties of materials made from the composite of potato starch and ethylene-co-acrylic acid with polyethylene. Polish Journal of Food and Nutrition Science, 10/51, 2, 49 54. Leszczyński W., 1998. Zastosowanie skrobi do biodegradowalnych tworzyw opakowaniowych. Zesz. Nauk. AR Wroc., Technol. śyw. XII, 328, 105 115. Leszczyński W., 1999. Biodegradowalne tworzywa opakowaniowe. Biotechnologia 2(45), 50 64. Murray S.M., Flickinger E.A., Patil A.R., Merchen N.R., Brent J.L.Jr, Fahey G.C. Jr., 2001. In vitro fermentation characteristics of native and processed cereal grains and potato starch using ideal chyme from dogs. Journal of Animal Science, 79, 435 444. Nawrath C., Poirier Y., Somerville C., 1995. Plant polymers for biodegradable plastics: cellulose, starch and polyhydroxyalkanoates. Molecular Breeding, 1, 105 122. Orhan Y., Buyukgungor H., 2000. Enhancement of biodegradability of disposable polyethylene in controlled biological soil. International Biodeterioration and Biodegradation, 45, 49 55. Scott G., 1994. Environmental biodegradation of hydrocarbon polymers: initiation and control., [In:] Biodegradable Plastics and Polymers (Y. Doi, K. Fukuda edit.) Elsevier Science B. V., 79 91. Spasówka E., Rudnik E., 1999. MoŜliwości wykorzystania węglowodanów w produkcji biodegradowalnych tworzyw sztucznych. Przemysł Chemiczny, 78, 7, 243 248. Stepaniak L., 1999. Opakowania biodegradowalne na bazie skrobi. Przemysł SpoŜywczy, 10, 18 19. Szostak-Kotowa J., 2000. Opakowania z tworzyw sztucznych rozkładane w środowisku. Opakowanie, 11, 18 20. Zawadzki W., Wincewicz E., Borodulin-Nadzieja L., 2001a. Wpływ nasion wiesiołka (Oenothera paradoxa) na produkcję metanu przez treśćŝwacza owiec. Med. Wet. 57, 9, 690 692. Zawadzki W., 1993. Wpływ wybranych niekonwencjonalnych dodatków do paszy na przebieg procesów fermentacyjnych w Ŝwaczu owiec. Roz. hab. Zesz. Nauk. AR Wroc., nr 112. Zawadzki W., Graczyk S., Wincewicz E., Malicki A., Kaczmarek A., 2001b. Wpływ nasion wiesiołka (Oenothera paradoxa) na metanogenezę i wartość energetyczną treści Ŝwacza jagniąt w warunkach in vitro. Folia Universitas Agriculture Stetinensis, 225, Zoot. 43, 93 98. Zawadzki W., Malicki A., Popiel J., Tworek B., Wincewicz E., 2001c. Przebieg fermentacji w jelicie ślepym owiec w warunkach in vitro pod wpływem róŝnych ilości dodawanego dolomitu. Zesz. Nauk. AR, Wroc., Wet. LXI, 109 117. Acta Sci. Pol.
Badania in vitro, w środowisku Ŝwacza... 73 Zięba T., Błyskal B., 2002. Biodegradacja tworzywa sporządzonego z polimerów syntetycznych i skrobi ziemniaczanej. śywność, Nauka, Technologia, Jakość, 3/32, 123 132. śakowska H., 1997. Materiały degradowalne alternatywa dla tradycyjnych opakowań z tworzyw sztucznych? Cz. 2. Przemysł Fermentacyjny i Owocowo-Warzywny, 12, 36 38. IN VITRO INVESTIGATIONS OF BIODEGRADED OF BLEND FILM CONTAIN STARCH IN ARTIFICIAL RUMEN ENVIRONMENT Abstract. The experiments were conducted on blend film (50 mm length) prepared from starch and synthetic polymer with and without antioxidants which were placed in so called artificial rumen for 5 days. After this time were determined decrease of dry matter of plastic, tensile strength and elongation. The addition of oxidizing substances in plastic or submission before treatment in artificial rumen processes: soaking and roasting caused decrease of plastic elasticity about 60 85%. Plastic composed on the ground of 70% of starch also characterized lower about 60% of elongation during rupture than plastic before treatment in rumen. Plastics which contained lower values of component without antioxidant and was not exposed any manipulations were more elastic in this environment. But plastics with oxidizing substance and treated (before location in rumen) processes: soaking and roasting (irrespective of composition) were characterized about 80 90% of lower resistance in comparison with plastics film placed in rumen environment. The influence of plastics degradation in rumen environment on feature mentioned above was not significant. Key words: starch, artificial rumen, in vitro Tomasz Zięba, Wacław Leszczyński, Katedra Technologii Rolnej i Przechowalnictwa, Akademia Rolnicza we Wrocławiu, ul. C.K. Norwida 25, 50-375 Wrocław Wojciech Zawadzki, Edyta Wincewicz, Katedra Fizjologii Zwierząt, Akademia Rolnicza we Wrocławiu, ul. C.K. Norwida 31, 50-375 Wrocław Medicina Veterinaria 2(1) 2003