Физико-механические свойства картона, обработанного биомодифицированным глютеном

УДК

DOI:

Аннотация

Для придания прочности в сухом и влажном состояниях на волокнистые материалы наносятся традиционные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиэтилентерефталат), а также в композицию вводятся формальдегидные смолы. Однако такие волокнистые материалы плохо подвергаются вторичной переработке и не подлежат экономически эффективной утилизации. В связи с этим поиск полимерных веществ для улучшения свойств волокнистых материалов весьма актуален. Цель наших исследований – разработка способа ферментативной обработки растительных белков, предназначенных для улучшения физико-механических и деформационных характеристик волокнистых материалов. В качестве растительного белка был использован глютен пшеничный, получаемый из возобновляемых источников растительного сырья. В соответствии с поставленной целью разработан биокаталитический способ обработки глютена, позволяющий получить биополимер с необходимыми реологическими свойствами и технологически пригодный для нанесения на волокнистые материалы. Показано влияние ферментных препаратов протеолитического и ксиланазного действия на физико-механические и деформационные характеристики волокнистых материалов. Применение биомодификации растительного биополимера – глютена, позволяет снижать энергозатраты на производство и получать биоразлагаемые волокнистые материалы. Практическая значимость представленной работы обусловлена заменой формальдегидных смол, используемых для производства нетканых материалов, бумаги, картона, древесноволокнистых плит, на биомодифицированные растительные полимеры. Пропитка волокнистого материала глютеном, обработанным ферментными препаратами, увеличивает прочностные и деформационные характеристики: растяжимость – до 29 %, жесткость – до 96 %, разрушающую нагрузку – до 54 %, влагопрочность – до 54 % по отношению к контрольному образцу картона. Полученные результаты показывают потенциальную возможность применения биокаталической обработки глютена для улучшения физико-механических свойств бумаги и картона. 

Сведения об авторах

И.В. Захаров¹, асп.

Н.Л. Захарова¹, асп.

А.В. Канарский¹, д-р техн. наук, проф.

Е.О. Окулова², асп.

Я.В. Казаков ² , д-р техн. наук, доц.

Д.А. Дулькин², д-р техн. наук, проф.

¹Казанский национальный исследовательский технологический университет,
ул. К. Маркса, д. 68, г. Казань, Россия, 420015; e-mail: zaharvv1991@mail.ru, nlzaharova@mail.ru, alb46@mail.ru

²Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: j.kazakov@narfu.ru

Ключевые слова

Для цитирования

Захаров  И.В., Захарова Н.Л., Канарский А.В., Окулова Е.О., Казаков Я.В., Дулькин Д.А. Физико-механические свойства картона, обработанного биомодифицированным глютеном // Лесн. журн. 2017. № 6. С. 135–144. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.6.135

Литература

1. Болотова К.С., Новожилов Е.В. Применение ферментных технологий для повышения экологической безопасности целлюлозно-бумажного производства // Химия растительного сырья. 2015. № 3. С. 5–23.

2. Захаров И.В., Канарский А.В, Сидоров Ю.Д. Влияние сшивателей на температуру размягчения биоразлагаемых пленочных материалов на основе крахмала // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2016. Т. 19, № 16. С. 108–111.

3. Захаров И.В., Михайлова О.С., Захарова Н.Л., Канарский А.В., Казаков Я.В. Применение биомодифицированных полисахаридов и растительных белков в производстве волокнистых материалов // Биотехнологии: состояние и перспективы развития: материалы IX Междунар. конгресса. Т 2. М., 2017. С. 234–236.

4. Иванов С.Н. Технология бумаги. 3-е изд. М., 2006. 696 с.

5. Комаров В.И., Казаков Я.В. Анализ механического поведения целлюлозно-бумажных материалов при приложении растягивающей нагрузки // Вестн. МГУЛ–Лесн. вестн. 2000. № 3(12). С. 52–62.

6. Медведева С.А., Тимофеева С.А. Биотехнологии для повышения экологической безопасности целлюлозно-бумажной промышленности (Современное состояние) // Безопасность в техносфере. 2013. Т. 2, № 3. С. 28–34.

7. Михайлова О.С., Крякунова Е.В., Канарский А.В., Казаков Я.В., Манахова Т.Н., Дулькин Д.А. Влияние биомодифицированного картофельного крахмала на деформационные и прочностные свойства картона // Лесн. журн. 2016. № 4. С. 157–164. (Изв. высш. учеб. заведений).

8. Новожилов Е.В. Применение ферментных технологий в целлюлозно-бумажной промышленности: моногр. Архангельск: САФУ, 2013. 364 с.

9. Новожилов Е.В., Пошина Д.Н. Биотехнологии в производстве целлюлозы для химической переработки (Обзор) // Химия растительного сырья. 2011. № 3. С. 15–32.

10. Фляте Д.М. Технология бумаги. М.: Лесн. пром-сть, 1988. 440 с.

11. Bajpai P. Biotechnology for Pulp and Paper Processing. Boston, USA: Springer, 2012. 414 p.

12. Enzymes in Industry: Production and Applications / by ed Aehle W. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag, 2004. 484 p.

13. Gällstedt M., Brottman A., Hedenqvist M.S. Packaging-Related Properties of Protein- and Chitosan-Coated Paper // Packaging Technology and Science. 2005. Vol. 18, iss. 4. Pp. 161‒170.

14. Khwaldia K., Arab-Tehrany E., Desobry S. Biopolymer Coatings on Paper Packaging Materials // Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2010. Vol. 9, iss. 1. Pp. 82‒91.

15. Protein and Starch Surface Sizings for Oil and Grease Resistant Paper: pat. US 6790270 B1, 2003 / Billmers R.L., Mackewicz V.L., Trksak R.M.

Поступила 16.09.17

Ссылка на английскую версию:

UDC 676.73

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.6.135

Physical and Mechanical Properties of Cardboard Processed by Biomodified Gluten

I.V. Zakharov¹, Postgraduate Student

N.L. Zakharova¹, Postgraduate Student

A.V. Kanarskiy¹, Doctor of Engineering Sciences, Professor

E.O. Okulovа², Postgraduate Student

Ya.V. Kazakov², Doctor of Engineering Sciences, Associate Professor

D.A. Dul’kin², Doctor of Engineering Sciences, Professor

¹Kazan National Research Technological University, ul. K. Marksa, 68, Kazan, 420015, Russian Federation; e-mail: zaharvv1991@mail.ru, nlzaharova@mail.ru, alb46@mail.ru

²Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: j.kazakov@narfu.ru

Traditional plastics (polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyethylene terephthalate) are usually applied to reinforce fibrous materials in dry and wet conditions, and formaldehyde resins are also introduced into the composition. However, such fibrous materials are not easily recycled and are not subject to cost-effective disposal. In this regard, the search for polymeric substances to improve the properties of fibrous materials is very relevant. The goal of research is to develop a method for enzymatic treatment of plant proteins to improve the physical and mechanical and deformation characteristics of fibrous materials. We use wheat gluten, obtained from renewable sources of plant raw materials, as plant protein. In accordance with the goal, a biocatalytic method for treating gluten is developed. This mechanism allows obtaining a biopolymer with the necessary rheological properties, which is technologically suitable for application to fibrous materials. The effect of enzymatic preparations of proteolytic and xylanase action on the physical and mechanical and deformation characteristics of fibrous materials is demonstrated. Biomodification of plant biopolymer ‒ gluten, allows reducing energy consumption and producing biodegradable fibrous materials. The practical importance of the article is due to the replacement of formaldehyde resins used for the production of nonwovens, paper, cardboard, fiberboard with biomodified plant polymers. Gluten impregnation of fibrous material, treated with enzyme preparations, increases the strength and deformation characteristics: extensibility ‒ up to 29 %, stiffness ‒ up to
96 %, crippling load ‒ up to 54 %, wet-strength ‒ up to 54 % in comparison with check samples. The obtained results show the potential application of gluten biocatalytic treatment to improve the physical and mechanical properties of paper and cardboard.

Keywords: gluten, enzymatic treatment of gluten, cardboard, physical and mechanical
properties of cardboard. 

REFERENCES 

1. Bolotova K.S., Novozhilov E.V. Primenenie fermentnykh tekhnologiy dlya povysheniya ekologicheskoy bezopasnosti tsellyulozno-bumazhnogo proizvodstva [Enzymes Application for Improving Ecological Safety of Pulp and Paper Industry]. Khimiya rastitel'nogo syr'ya [Chemistry of Plant Raw Material], 2015, no. 3, pp. 5–23.

2. Zakharov I.V., Kanarskiy A.V., Sidorov Yu.D. Vliyanie sshivateley na temperaturu razmyagcheniya biorazlagaemykh plenochnykh materialov na osnove krakhmala [Effect of Crosslinkers on the Softening Temperature of Biodegradable Film Materials Based on Starch]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Herald of Kazan Technological University], 2016, vol. 19, no. 16, pp. 108–111.

3. Zakharov I.V., Mikhaylova O.S., Zakharova N.L., Kanarskiy A.V., Kazakov Ya.V. Primenenie biomodifitsirovannykh polisakharidov i rastitel'nykh belkov v proizvodstve voloknistykh materialov [Application of Biomodified Polysaccharides and Plant Proteins in the Production of Fibrous Materials]. Biotekhnologii: sostoyanie i perspektivy razvitiya: materialy IX Mezhdunar. kongressa [Biotechnologies: State and Prospects of
Development: Proc. 9th Intern. Congress]. Moscow, 2017, vol. 2, pp. 234–236. (In Russ.)

4. Ivanov S.N. Tekhnologiya bumagi [Paper Technology]. Moscow, 2006. 696 p.
(In Russ.)

5. Komarov V.I., Kazakov Ya.V. Analiz mekhanicheskogo povedeniya tsellyulozno-bumazhnykh materialov pri prilozhenii rastyagivayushchey nagruzki [Analysis of Mechanics of Pulp and Paper Materials when Applying a Tensile Load]. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa – Lesnoy vestnik [Forestry Bulletin], 2000, no. 3,
pp. 52–62.

6. Medvedeva S.A., Timofeeva S.A. Biotekhnologii dlya povysheniya ekologicheskoy bezopasnosti tsellyulozno-bumazhnoy promyshlennosti (Sovremennoe sostoyanie) [Biotechnologies for Improvement of Environmental Safety Related to Pulp and Paper Industry (Actual Status)]. Bezopasnost' v tekhnosfere [Safety in Technosphere], 2013, vol. 2, no. 3, pp. 28–34.

7. Mikhaylova O.S., Kryakunova E.V., Kanarskiy A.V., Kazakov Ya.V., Manakho-va T.N., Dul'kin D.A. Vliyanie biomodifitsirovannogo kartofel'nogo krakhmala na deformatsionnye i prochnostnye svoystva kartona [The Influence of Modified Potato Starch on the Cardboard Deformation and Strength Properties]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2016, no. 4, pp. 157–164.

8. Novozhilov E.V. Primenenie fermentnykh tekhnologiy v tsellyulozno-bumazhnoy promyshlennosti [Application of Enzymatic Technologies in the Pulp and Paper Industry]. Arkhangelsk, NArFU Publ., 2013. 364 p. (In Russ.)

9. Novozhilov E.V., Poshina D.N. Biotekhnologii v proizvodstve tsellyulozy dlya khimicheskoy pererabotki (obzor) [Biotechnologies in the Cellulose Production for Chemical Processing (a Review)]. Khimiya rastitel'nogo syr'ya [Chemistry of Plant Raw Material], 2011, no. 3, pp. 15–32.

10. Flyate D.M. Tekhnologiya bumagi [Paper Technology]. Moscow, Lesnaya promyshlennost' Publ., 1988. 440 p. (In Russ.)

11. Bajpai P. Biotechnology for Pulp and Paper Processing. Boston, USA, Springer, 2012. 414 p.

12. Aehle W., ed. Enzymes in Industry: Production and Applications. Weinheim, Germany, Wiley-VCH Verlag, 2004. 484 p.

13. Gällstedt M., Brottman A., Hedenqvist M.S. Packaging-Related Properties of Protein- and Chitosan-Coated Paper. Packaging Technology and Science, 2005, vol. 18,
iss. 4, pp. 161‒170.

14. Khwaldia K., Arab-Tehrany E., Desobry S. Biopolymer Coatings on Paper Packaging Materials. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2010, vol. 9,
 iss. 1, pp. 82‒91.

15. Billmers R.L., Mackewicz V.L., Trksak R.M. Protein and Starch Surface Sizings for Oil and Grease Resistant Paper. Patent US 6790270 B1, 2003. 

Received on September 16, 2017

For citation: Zakharov I.V., Zakharova N.L., Kanarskiy A.V., Okulovа E.O., Kazakov Ya.V., Dul’kin D.A. Physical and Mechanical Properties of Cardboard Processed by Biomodified Gluten. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2017, no. 6, pp. 135–144. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.6.135