Приходя в магазин или заходя на ряд тематических сайтов, Вам наверняка приходилось сталкиваться с понятиями сильноферментированный, полуферментированный и другими производными слова «ферментированный». Условное деление всех чаёв по «степени ферментации» является признанным и казалось бы не обсуждаемым. Что тут непонятного. Зелёный – неферментированный, красный сильно, пуэр постферментированный. Но вы же хотите копнуть поглубже? Спросите в следующий раз у консультанта, как он понимает «постферментированный» чай. И наблюдайте.
Вы уже понимаете подвох. Объяснить это слово нельзя. Постферментированный – искусственное словечко, единственной целью которого является совершить манёвр и поставить пуэр в условную систему деления чаёв «по степени ферментации».
Ферментативное окисление
Проблема подобной путаницы связана с тем, что происходит замещение понятия «процессы окисления » на «ферментация ». Нет, ферментация тоже имеет место быть, но вот когда – в этом предстоит разобраться. А пока об окислении.
Что мы знаем о кислороде?
Справа свежий срез яблока. Слева – после окисления на воздухе.
В контексте материала следует отметить высокую химическую активность элемента, а именно окислительную способность. Каждый представляет себе, как с течением времени срез яблока или банана чернеет. Что происходит? Вы разрезаете яблоко, нарушаете там самым целостность клеточных оболочек. Выделяется сок. Вещества в соке взаимодействуют с кислородом и провоцируют протекание окислительно-восстановительной реакции. Появляются продукты реакции, которых до этого не было. Например, для яблока это оксид железа Fe 2 O 3 , имеющий бурый цвет. и именно он отвечает за потемнение.
Что мы знаем о чае?
Для большинства чаёв в технологическом процессе присутствует этап сминания, цель которого разрушить клеточную оболочку (см. статью о). Если провести параллели с яблоком, вещества в соке взаимодействуют с кислородом из воздуха. Но важно отметить, что окислительно-восстановительная реакция не единственная. Чай – органический продукт. В любой живой системе имеются особые соединения энзимы, они же ферменты, ускоряющие химические реакции. Как Вы догадываетесь, они не «стоят в сторонке», а принимают активное участие. Получается целая цепочка химических превращений, когда продукты одной реакции претерпевают дальнейшие химические преобразования. И так несколько раз. Такой процесс называется ферментативным окислением.
Важность кислорода в таком процессе можно понять на примере производства красного чая (полностью окисленного, или, как его ещё называют, «полностью ферментированного чая»). Для поддержания постоянного уровня кислорода в помещении, где производится красный чай, нужно обеспечить смену воздуха до 20 раз в час , при этом делать это стерильно. Кислород – это основа в данном случае.
Пуэр и ферментация в чистом виде
Снова зададимся вопросом: «А что мы знаем о пуэре?» Как он производится? Взгляните на снимки ниже. Да, это будущий шу пуэр, и именно так он делается.
«Водуй» – процесс искусственного состаривания пуэра. Фабрика Джингу.
Что мы видим? Закрытое помещение, огромную кучу чая на несколько тонн, накрытую плотной мешковиной, термометр с отметкой в 38 градусов по Цельсию. Что не видим? Отметку влажности в этом помещении. Поверьте – она там зашкаливает. Как Вы думаете, проникает ли кислород под мешковину в недра скирдяной кучи? Можно ли говорить об окислении? Ответ напрашивается сам собой. Конечно нет! Тогда что происходит с чаем в таких условиях?
Пуэр как продукт жизнедеятельности микроорганизмов
Вы когда-нибудь бывали в подвалах многоквартирных домов старого фонда? Скорее всего нет, но представляете, что можно ожидать. Духота и сырость. По стенам распространяется грибок, а в воздухе летают колонии бактерий и микроорганизмов. Для них высокая температура и влажность – идеальная среда обитания и размножения. Вернемся к скирдяным кучам пуэрного сырья – всё те же идеальные условия. Наличие бактерий – обязательное условие при производстве как шу, так и шен пуэра. Ферменты микроорганизмов влияют на превращения в чае. Таким образом, химические реакции при приготовлении пуэра протекают под воздействием внешних, так и внутренних (от самого чая) ферментов. А вот реакции окисления практически исключены. Это и есть в чистом виде процесс ферментации.
Основные выводы:
- Ферментация в чистом виде протекает только в пуэре . В остальных чаях ферментативное окисление. В красных и улунских этот процесс желателен. В остальных нежелателен и максимально быстро останавливается путем термической обработки.
- Условное деление чаёв «по степени ферментации» не совсем верно.
- При производстве улунского и красного чая наибольшее значение имеет наличие кислорода в воздухе для поддержания реакции окисления, стерильность среды.
- При производстве пуэра наибольшее значение имеют содержание микроорганизмов в чайном сырье, влажность и температура для повышенной их жизнедеятельности.
- Пост-ферментированный чай – искусственное понятие, призванное вписать пуэр в систему деления чаёв по степени ферментации, но не имеющее адекватного физического смысла.
Процесс изготовления чая
- это последовательность взаимосвязанных шагов, в самом начале которых - свежесорванный лист, а в самом конце - то, что мы в торговле именуем «законченным» или «готовым» чаем. Шесть видов чая (зеленый, желтый, белый, улун, черный, и пуэр) имеют несколько сходных стадий обработки (такие как сбор, первичная сортировка, окончательная обработка, и т.п.), но имеют и нюансы, которые уникальны для одного или нескольких специфически приготовленных чаев. Окисление
- это один из наиболее поздно описанных химических процессов, который должен протекать при изготовления одних видов чаев, и должен быть предотвращен при изготовлении других. Можно сказать, что все виды чая разделены на два больших класса в зависимости от того, участвует ли окисление в получении готового продукта, или нет.
Окисление в чае
Сначала дадим определение окислению. Окисление - это биохимический, энзимный процесс, во время которого поглощается кислород и (как следствие) происходит изменения веществ, участвующих в процессе. В случае со свежесобранными чайными листьями чая - веществ, содержащихся в чайных листьях. Окисление может быть спонтанным или контролируемым и приводить как к позитивным, так и к негативным изменениям. Хорошо знакомый пример спонтанного негативного окисления - это то, что случается, когда разрезаешь яблоко или банан, или оставляешь на открытом воздухе отрезанный кусочек листка. Незащищенные клетки поглощают кислород, размягчаются, и становятся коричневыми. Это наиболее простая форма окисления, с которой знакомо большинство людей. Если в процесс окисления не вмешиваться, то фрукт может просто высохнуть или сгнить, в зависимости от атмосферных условий. При простом разрезании яблока на кусочки и сушке их в дегидраторе (влагопоглотителе) можно наблюдать пример контролируемого негативного окисления, происходящего в процессе сушки. Потемнение отрезанной поверхности не считается эстетично привлекательным на рынке, так что изменения цвета иногда корректируют сернистыми соединениями или лимонной кислотой, но даже в этой ситуации (без видимых цветовых изменений) окисление все равно протекает.
Во время производства чая присутствует как спонтанное, так и контролируемое окисление. Спонтанное окисление протекает в течении стадии сушки чайного листа при изготовлении белого, улунского и черного чаев. Стадия контролируемого окисления, требующего особого внимания, является одной из наиболее важных этапов производства как улунов, так и черных чаев. В зеленых и желтых чаях окисление предотвращается методами тщательного пропаривания, сушки и/или прожаривания, которое также часто называют «деферментацией» (de-enzyming).
Окисление - это химический процесс, который требует избытка влажного, богатого кислородом воздуха. В производстве черного чая в помещениях для окисления должно производиться от 15 до 20 обменов увлажненного воздуха в течение часа для гарантированного полного окисление. Полифенолы в листе (чайные катехины) поглощают значительное количество кислорода, особенно в течении ранних стадий окисления. Окисление при производстве чая формально начинается с момента сушки чайного листа как спонтанное, и затем постепенно ускоряется последующими шагами, необходимыми для превращения свежего листа в готовый черный чай. После нескольких подготовительных этапов предварительно подготовленный лист готов для процесса контролируемого окисления, о котором часто ошибочно говорят как о «ферментации». В традиционном окислении сортированный лист рассыпают тонкими слоями (максимум от 5 до 8 см) на полу фабрики, на столах, на пористых поддонах - и это сходно с подсушиванием, которое делается на стадии первичного завяливания. Насыщение кислородом полифенолов начинает серию химических реакций с их участием, в конечном итоге производящих новые ароматические компоненты и обеспечивающие более «плотные» отличительные признаки настоя, характерные для черного чая. Во время первого и наиболее важного периода ферментативного окисления, фермент полифенола оксидазы и пероксидазы (группы окислительно-восстановительных ферментов, использующих в качестве акцептора электронов перекись водорода) воздействует на другие полифенолы, в результате этого воздействия появляются теафлавины. Эти красно-оранжевые соединения в дальнейшем воздействуют на полифенолы, производя теарубигины, они же химически ответственны за изменение цвета листа от зеленого к золотому, медному, коричнево-шоколадному. Теарубигины, тем временем, взаимодействуют с несколькими аминокислотами и сахарами в листе, создавая высокополимерные субстанции, которые развиваются в разнообразные и характерные ароматические компоненты, которые мы и рассчитываем иметь в черном чае.
В основном теафлавины привносят свежесть и яркость во вкус черного чая, в то время как теарубигины обуславливают его крепость, насыщенность и цвет.
В процессе окисления из чайного листа выделяется диоксид углерода и происходит повышение температуры массы окисляющихся листьев. Если температуре листа позволить подняться слишком высоко, то окисление выйдет из-под контроля; если температура слишком низко упадет, то окисление прекратится.
Массив чайных листьев в процессе управляемого окисления называется «дхул» (dhool). Окисление требует от 2 до 4 часов и может контролироваться опытным путем, а не научным. Хотя могут быть технические маркеры для определения ожидаемого завершения процесса, но также существует и множество параметров, характеризующих процесс и наблюдаемых «в живую». Поэтому лучшим методом определения момента полного окисления листа может быть экспертное визуально обонятельное наблюдение.
Чайный мастер должен контролировать толщину и равномерность слоя листьев, следить, чтобы температура была примерно 29 С, относительная влажность - 98%; и обеспечивать постоянную вентиляцию (15 или 20 полных смен воздуха в помещении в час). Также микроклимат должен быть полностью гигиеничен; бактерии могут испортить дхул.
При в процессе окисления обрабатываемый лист (дхул) получает прогнозируемую серию вкусовых параметров, свежий, насыщенный цвет и итоговую крепость. Чайный мастер может управлять окислением дхула в своей особенной манере, корректируя длительность окисления, допуская окисление в комбинации с изменением температуры/влажности в помещении для окисления. Большинство произведенных чаев дают сбалансированный настой в чашке с ярким настоем, хорошим интенсивным ароматом, и густой, насыщенной консистенцией. Когда чайный мастер определяет, что дхул окислился до желаемого уровня («полностью окисленный» - это степень, но не абсолютная), то критическая фаза контролируемого окисления останавливается завершающим процессом производства черного чая: сушкой.
Ферментация в чае
Ферментация - это важный компонент в изготовлении пуэров и прочих выдержанных чаев, таких как Люань, Любао, некоторых улунов, и т.д. Рассказ о ферментации в чаепроизводстве удобнее всего вести на примере производства пуэров. Давайте изучим, что такое ферментация и почему тщательная и искусная ферментация неотделима от производства традиционных высококачественных пуэров. Несмотря на то, что производство пуэров - это одна из старейших и простейших форм чаепроизводства, мир пуэров сложен и обширен настолько, что стал предметом пристального внимания чайных экспертов и требует особой тщательности в изучении. В любом случае мы не будем здесь исследовать специфическую комплексность производства пуэров различных типов, так как в этой статье предлагается рассматривать только более основное описание ферментации и окисления.
Ферментация - это микробная активность (деятельность) с вовлечением тех или иных видов бактерий. По определению ферментация происходит наиболее легко в отсутствии кислорода, хотя для старения незрелого шэн-пуэра идеально некоторое воздействие и окружающей среды. Несмотря на то, что обилие кислорода требуется для большинства стадий при изготовлении чая, подверженность к воздействию кислородом в производстве пуэра часто снижается или устраняется после стадии сушения чайного листа. Лист, который трансформируется в пуэр, должен быть подвергнут воздействию бактерий (или располагает бактериями по природе своей) подходящих для прохождения ферментации.
Как и в случае производства «сброженного» яблочного сидра или сыра Рокфор, необходимые для активности микроорганизмов бактерии начинают естественное воспроизводство на открытом воздухе и\или внутри специального помещения для ферментации (сидровый «домик» или камера для созревания сыров). В случае с пуэром бактерии, требующиеся и для инициирования, и для поддержания брожения находятся в следующих местах.
- На поверхности самого листа со старых деревьев в первобытном лесу, где растут крупнолистовые деревья - наиболее известные из них в районе Сишуанбаньны на юго-западе провинции Юньнань в Китае.
- В помещении для производства чая с контролируемым климатом, в которых «сырой (шэн) мао-ча» временно складируется в ожидании прессования; в кучах из «мао-ча» при искусственной ферментации готового (шу) пуэра; или во влажном, насыщенным паром климате, в котором пуэр проходит запрессовку.
- В сухих прохладных помещениях, где блины шэн пуэра хранятся для пост-ферментации и старения под тщательным контролем.
Во время фазы ферментации в производстве пуэра должно сойтись несколько важных факторов. Во время сбора урожая на самом листе, который соответствует нормам, должны иметься «дикие» бактерии - их может быть очень много или очень мало, и от этого тоже будет зависеть качество чая. Лист предназначенный для того, чтобы стать пуэром («маоча», прошедший сушку-завяливание, обжаривание до «убийства зелени» (sa cheen, шацин), сминание (ro nien, жоунянь), и затем частично высушенный лист), складывают в мешки и располагают эти мешки друг на друге в ожидании прессования в насыщенном бактериями пару; или, в случае готового шу пуэра, сваливается в кучи в помещениях, подвергаясь внешнему воздействию. В отличие от невысоких, пористых куч листьев, собранных для окисления, кучи мао-ча, в которых стимулируется искусственная ферментация шу пуэра, заскирдованы плотно, компактно, и с минимальной площадью открытой поверхности. Куча маоча нечасто перемешивается - чтобы дать «отдых» листьям (и не дать ферментации зайти слишком далеко), снабдить бактерии необходимым им кислородом и обеспечить температуру, желательную для благоприятного роста микробов и заданного преобразования листа. В процессе ферментации пуэра кучи часто накрывают - для того, чтобы повысить температуру происходящих в листьях процессов.
Можно представить легкое замешательство в которое приводит чайных торговцев наблюдение за процессами сушки, окисления и ферментации. Наблюдая перемешивание кучи листьев на полу, кучи листьев в траншеях или на настилах, начинающие чаеторговцы могут быть ошарашены тем, что процессы, происходящие при производстве чая, рудиментарны и кустарны (эта кустарность усугубляется нежеланием китайцев объяснять свои «секреты»). И, хотя за последние 75 лет много чего было описано, четко разделить процессы сушки, ферментации и окисления (и, соответственно, четко ими управлять) пока затруднительно.
Крайне важно, чтобы и потребители и чаеторговцы знали характерные различия окисления от ферментации. Эти процессы должны быть понятны и не должны затеряться в выкрутасах чайной терминологии или маркетинга.
Хорошим признаком, отличающим хорошего торговца, является его понимание сути производства белого, улунского и черного чаев, которые очень зависимы от процессов сушки и окисления. Использование терминов «окисление» и «ферментация» недолжным образом способствует путанице у любителей чая. Вдобавок те, кто правильно может идентифицировать, какой тип пуэра предлагается для закупки, и какие условия необходимы для полного завершения незрелого шэн пуэра в его максимальном развитии (продолжительное вызревание, выдержка, и старение), обеспечивают себя надежной закупочной базой. Для чайных энтузиастов, знание - сила, чайный мир становится все более доступным, и знание гарантирует нам все более качественный чай, и много свяких других радостных моментов настоящего удовольствия от выпитого любимого напитка.
(Еще больше информации о производстве чая и разъяснения окислительных процессов в разных типах чаев можно найти в книге The Tea Story; A Cultural History and Drinking Guide by Mary Lou Heiss and Robert J. Heiss, Ten Speed Press October 2007)
| Зеленый чай | Нет окисления * |
| Желтый чай | Нет окисления * |
| Белый чай | Легкое спонтанное окисление (8-15%) |
| Улунский чай | Частичное окисление, контролируемое при производстве (уровень 15-80%) |
| Черный чай | Полное окисление, контролируемое при производстве |
| Пуэр | Полностью ферментированный, не полностью окисленный, существует два основных направления |
| Шэн пуэр | Сырой, исходный, или «зеленый» пуэр - неконтролируемое окисление, хотя минимальное спонтанное окисление может присутствовать |
| Шу пуэр | Готовый, зрелый, или «черный» пуэр - контролируемое окисление как существенное для процесса «ускорения старения» |
* Формулировку «Нет окисления» следует понимать как «Почти нет окисления». Это такое примечание переводчиков.
В последнее время мы все чаще слышим о таком процессе, как ферментация. Однако не все еще имеют понятие о том, что же она собой представляет на самом деле и как именно происходит. Преимущественно с этим термином сталкивались потребители чая и табака, однако это не единственная сфера применения процесса ферментации.
Как происходит ферментация?
Ферментация - это процесс, в результате которого происходит брожение за счет воздействия собственных ферментов продукта. Если говорить конкретно об этом процессе в растениях, то при разрушении листа происходит выделение некоторого количества сока, который вследствие окисления и способствует началу ферментации. Чтобы остановить это явление, необходимо прожарить сырье.
При помощи такой технологии получают не только высококачественный табак, но и превосходные чаи. Ведь некоторые растения при обычном сборе и последующей заварке не способны сохранить свой природный аромат и воссоздать неповторимый вкус, а процесс ферментации помогает им в этом и дает возможность раскрыть новые вкусовые качества.
Какие растения можно ферментировать?
Ферментация - это процесс, который выполняется вовсе не со всеми растениями. Некоторые в этом просто не нуждаются, а для полноценного употребления других без такой технологии никак не обойтись. Полный список трав, которые нужно ферментировать, выглядит довольно скучным и длинным. Достаточно остановить свое внимание лишь на самых популярных из них.
На первом месте уже довольно давно находится иван-чай. Он вполне может конкурировать с обычным китайским чаем по вкусовым качествам и полезным свойствам. Ферментация - это именно тот процесс, который дает этому напитку возможность приобрести привычные всем вкусовые качества чая.
При ферментировании листьев черной смородины и вишни получается великолепный запах, который по достоинству смогут оценить любители. А вот листья яблони после такой же обработки наделяются тонким ароматом, который не оставляет равнодушным никого. Очень своеобразный аромат и вкус можно получить, ферментировав листья грецкого ореха.
Многие успели заметить, что конкуренцию иван-чаю могут составить листья обычной малины. Ферментация - это процесс, который творит с ними настоящие чудеса, позволяя получить не только вкусный, но и полезный напиток.
Домашняя ферментация
Ознакомившись с самим понятием, многие сразу же представили, что весь этот процесс может происходить только в промышленных условиях, при наличии необходимого оборудования и технических условий. Однако это вовсе не так. Условия ферментации вполне допускают протекание этого процесса и дома. Главное, что необходимо сделать, - это разрушить структуру листа и пустить из него сок. Если объем небольшой, то можно просто перетереть листики руками, но при больших объемах это нереально.
В этом случае можно воспользоваться другой технологией:
- Листья растения помещаются в полиэтиленовый пакет и несколько подвяливаются. Воздух из пакета убирается, и в течение нескольких часов на солнце происходит вяление. Появляющийся при этом воздух периодически удаляют.
- После этого листья перетираются любым доступным способом, например, в мясорубке.
- Далее этот метод ферментации предусматривает досушивание материала в духовке. Если его вовремя и хорошо не высушить, то может появиться плесень.
Полученный таким образом чай будет радовать вас своим неповторимым вкусом.
Ферментация табака
Этот процесс несколько отличается от аналогичного, выполняемого над травами для чая. Дело в том, что для того чтобы произвести ферментацию табака в домашних условиях, необходимо прежде всего соблюдение температурного режима и влажности листьев, которая достигает 50%. Длится этот процесс от семи до четырнадцати дней.
Одним из способов ферментировать табак является его природное старение. Для этого растение просто сушат и убирают на хранение, однако вся процедура может длиться больше года. Зато полученный таким способом материал ценится за великолепное качество.
Самый простой способ ферментации табака
Многих интересует, как наиболее быстро и без особых хлопот получить качественный табак. В этом случае ферментация табака может происходить следующим образом:
- Листья намачиваются таким образом, чтобы они оставались сухими, но в то же время не ломались. Такую массу укладывают в банки и закрывают железными крышками.
- В летний период банки выносятся на солнце. При этом весьма предпочтительно поставить их на металлическую поверхность, поскольку она способна накаляться и давать необходимую высокую температуру.
- Спустя десять дней табак проверяют на готовность. Если вы чувствуете аромат, который вас устраивает, то можно достать массу из банок и хорошо просушить.
Полученный таким образом продукт вполне можно употреблять.
Ферментация при производстве удобрений
Ферментация - это процесс, который нашел применение не только при производстве чая и табака, но и при изготовлении органических удобрений. При этом появляется возможность получить эти самые удобрения гораздо быстрее, чем при обычном естественном разложении. Наверное, многие огородники не только слышали о компосте, но и имеют на своем участке компостную яму. Однако не все из них знают о том, что в основе процесса производства в ней удобрений лежит именно технология ферментации.
Тем не менее у этого чудесного метода есть и недостаток: органика в этом случае может разлагаться не полностью. Дело в том, что если масса имеет большую плотность или же слежалась, то распад ее прекращается из-за недостатка кислорода. Полученная масса, особенно если она находилась под дождем и в нее попало обильное количество воды, может издавать неприятный запах, обусловленный наличием сероводорода.
Зато с помощью ферментации можно с пользой использовать не только сорняки, которые некогда росли на вашем участке, но и утилизировать кухонные отходы (например, картофельные очистки). Теперь они будут не просто выброшенным мусором, а полноценным удобрением. Сам процесс ферментации не очень трудоемкий, а результат получается впечатляющий. Да и полученное таким образом удобрение куда безопаснее купленных в магазине химических.
Ферментация - химические реакции с участием белковых катализаторов - ферментов . Обычно происходят в живой клетке. Часто путают с брожением , но ферментация лишь более простая часть из многих сложных процессов брожения. Например, в результате брожения размножаются дрожжи, а под действием ферментов, вырабатываемых дрожжами, сахар превращается в спирт.
Использование
Исторически наиболее древняя методика использования ферментации - пивоварение. Зерна злаков содержат нерастворимый трудно усваиваемый крахмал. Это делает зерна защищёнными против многих бактерий в течение очень большого срока, но и в то же время крахмал недоступен и самому ростку. Но растущий росток вырабатывает ферменты, превращающие крахмал в легко растворимую и усваиваемую глюкозу. В пивоварении специально проращивают зерна и в оптимальный момент приготовления солода , когда концентрация фермента высокая, росток убивают нагревом. Фермент продолжает превращать крахмал в сахар, который используется для дальнейшего брожения. Таким ферментом является амилаза , превращающая крахмал в мальтозу . Амилаза содержится также в слюне, благодаря чему долго пережёвываемый рис или картофель получает сладковатый привкус.
Другой старинный способ ферментации - сыроделие. Для свёртывания молока используют различные
Биополимеры
Общие сведения
Существует два основных типа биополимеров: полимеры, происходящие из живых организмов, и полимеры, происходящие из возобновляемых ресурсов, но требующие полимеризации. Оба типа используются для производства биопластиков. Биополимеры, присутствующие в живых организмах, или создаваемые ими, содержат углеводороды и протеины (белки). Они могут применяться в производстве пластмасс для коммерческих целей. В качестве примеров можно привести:
Биополимеры, существующие/создаваемые в живых организмах
Биополимер | Естественный источник | Характеристика |
| Полиэфиры | Бактерии | Такие полиэфиры получаются путем естественных химических реакций, производимых определенными видами бактерий. |
| Крахмал | Зерно, картофель, пшеница и др. | Такой полимер - один из способов хранения углеводородов в растительных тканях. Он состоит из глюкозы. В тканях животных он отсутствует. |
| Целлюлоза | Древесина, хлопок, зерно, пшеница и др. | Этот полимер состоит из глюкозы. Он является основным компонентом оболочки клетки. |
| Соевый белок | Соевые бобы | Протеин, содержащийся в соевых растениях. |
Молекулы из возобновляемых природных ресурсов могут быть полимеризованы для использования при производстве биоразлагаемых пластиков.
Ест ественные источники, полимеризуемые в пластмассы
Биополимер | Естетсвенный источник | Характеристика |
| Молочная кислота | Свекла, зерно, картофель и др. | Производится путем ферментации исходных продуктов, содержащих сахар, например, свеклы, и переработки крахмала зерновых культур, картофеля или других источников крахмала. Полимеризуется для получения полимолочной кислоты, полимера, который применяется в производстве пластмасс. |
| Триглицериды | Растительные масла | Формируют большинство липидов, входящих в состав всех растительных и животных клеток. Растительные масла - один из возможных источников триглицеридов, которые могут быть полимеризованы в пластики. |
Для производства пластмассовых материалов из растений применяются два метода. Первый метод основан на ферментации, а второй использует для производства пластика само растение.
Ферментация
Процесс ферментации задействует микроорганизмы для разложения органических веществ в отсутствии кислорода. Современные общепринятые процессы используют микроорганизмы, созданные методами генетической инженерии, специально предназначенные для условий, при которых происходит ферментация, и вещество, разлагаемое микроорганизмом. В настоящее время для создания биополимеров и биопластиков существует два подхода:
- Бактериальная полиэфирная ферментация: В ферментации задействованы бактерии ralstonia eutropha, которые используют сахар собранных растений, например, зерна, для питания собственных клеточных процессов. Побочным продуктом таких процессов является полиэфирный биополимер, впоследствии извлекаемый из бактериальных клеток.
- Ферментация молочной кислоты: Молочная кислота получается методом ферментации из сахара, во многом схожим с процессом, применяемым для прямого производства полиэфирных полимеров с участием бактерий. Однако в данном процессе ферментации побочным продуктом является молочная кислота, которая затем обрабатывается традиционным способом полимеризации для изготовления полимолочной кислоты (PLA).
Пластики из растений
Растения обладают большим потенциалом, чтобы стать фабриками по производству пластмасс. Этот потенциал можно максимально реализовать при помощи геномики. Полученные гены можно вводить в зерно, применяя технологии, позволяющие разрабатывать новые пластиковые материалы с уникальными свойствами. Такая генная инженерия дала ученым возможность создать растение Arabidopsis thaliana. Оно содержит ферменты, которые бактерии используют для производства пластиков. Бактерия создает пластик путем превращения солнечного света в энергию. Ученые перенесли ген, кодирующий этот фермент, в растение, обеспечив возможность производства пластика в клеточных процессах этого растения. После сбора урожая пластик выделяется из растения при помощи растворителя. Получающаяся в результате этого процесса жидкость подвергается дистилляции для отделения растворителя от полученного пластика.
Рынок биополимеров
Сокращение разрыва между синтетическими полимерами и биополимерами
Около 99% всех пластмасс производится или получается из основных невозобновляемых источников энергии, включая природный газ, нафту, сырую нефть, уголь, которые используются в производстве пластиков и в качестве исходных материалов, и как источник энергии. В какой-то период сельскохозяйственные материалы считались альтернативным исходным сырьем для производства пластмасс, но уже более десяти лет они не оправдывают ожиданий разработчиков. Основным препятствием для использования пластиков, изготовленных на основе сельскохозяйственного сырья, стала их себестоимость и ограниченные функциональные возможности (чувствительность продуктов из крахмала к влаге, ломкость полиоксибутирата), а также недостаточная гибкость при производстве специализированных пластиковых материалов.
Прогнозируемые эмиссии CO2
Совокупность различных факторов, взлет цен на нефть, повышение интереса во всем мире к возобновляемым ресурсам, рост обеспокоенности в связи с выбросами парниковых газов, особое внимание к утилизации отходов возродили заинтересованность в биополимерах и эффективных способах их производства. Новые технологии выращивания и переработки растений позволяют сократить разницу в стоимости между биопластиками и синтетическими пластмассами, а также усовершенствовать свойства материалов (например, Biomer ведет разработку видов PHB (полигидрокибутират) с повышенной прочностью расплава для пленки, получаемой экструзией). Растущая озабоченность экологическими проблемами и стимулирование на законодательном уровне, в частности, на территории Евросоюза, возбудили интерес к биоразалагающимся пластикам. Реализация принципов Киотского протокола также заставляет обратить особое внимание на сравнительную эффективность биополимеров и синтетических материалов с точки зрения энергозатрат и выбросов CO2. (В соответствии с Киотским протоколом Европейское Сообщество обязуется за период 2008-2012 гг. снизить поступление парниковых газов в атмосферу по сравнению с уровнем 1990 г. на 8%, а Япония обязуется сократить такие выбросы на 6%).
По приблизительным подсчетам пластики на основе крахмала могут сэкономить от 0,8 до 3,2 тонн CO2 на тонну по сравнению с тонной пластмассы, полученной из органического топлива, при этом данный диапазон отражает долю сополимеров на основе нефти, используемых в пластиках. В отношении альтернативных пластиков на основе масляных зерен экономия выбросов парниковых газов в эквиваленте CO2 оценивается в размере 1,5 тонн на тонну полиола, изготовленного из рапсового масла.
Мировой рынок биололимеров
В течение следующих десяти лет ожидается продолжение быстрого роста глобального рынка пластиковых материалов, наблюдающегося в течение последних пятидесяти лет. По прогнозам, сегодняшнее потребление пластмасс на душу населения в мире увеличится с 24,5 кг до 37 кг в 2010 г. Такой рост определяется, прежде всего, США, странами Западной Европы и Японией, однако, ожидается активное участие стран Юго-Восточной и Восточной Азии и Индии, которые в течение указанного периода должны составить около 40% мирового рынка потребления пластмасс. Также ожидается увеличение мирового потребления пластмасс с 180 миллионов тонн сегодня до 258 миллионов тонн в 2010 году, при этом существенное развитие получат все категории полимеров, так как пластики продолжают вытеснять традиционные материалы, включая сталь, дерево и стекло. По некоторым экспертным оценкам за этот период биопластикам удастся прочно занять от 1,5% до 4,8% общего рынка пластмасс, что в количественном отношении составит от 4 до 12,5 миллионов тонн в зависимости от технологического уровня разработок и исследований в области новых биопластиковых полимеров. По мнению руководства компании Toyota, к 2020 году пятая часть мирового рынка пластмасс будет занята биопластиками, что эквивалентно 30 миллионам тонн.
Маркетинговые стратегии биополимеров
Разработка, уточнение и применение эффективной маркетинговой стратегии является самым важным этапом для любой компании, планирующей вложение значительных средств в биополимеры. Несмотря на гарантированное развитие и рост биополимерной промышленности, существуют определенные факторы, которые нельзя не учитывать. Следующие вопросы определяют маркетинговые стратегии биополимеров, их производства и научно-исследовательской деятельности в этой области:
- Выбор сегмента рынка (упаковка, сельское хозяйство, автомобильная промышленность, строительство, целевые рынки). Усовершенствованные технологии обработки биополимеров обеспечивают более эффективное управление макромолекулярными структурами, что позволяет новым поколениям «потребительских» полимеров конкурировать с более дорогими «специализированными» полимерами. Кроме того, при наличии новых катализаторов и усовершенствованной системы управления процессом полимеризации появляется новое поколение специализированных полимеров, созданных для функциональных и структурных целей и генерирующих новые рынки. Примерами могут стать биомедицинские виды применения имплантатов в стоматологии и хирургии, которые быстро наращивают темпы своего развития.
- Базовые технологии: технологии ферментации, растениеводство, молекулярная наука, производство сырья для исходных материалов, источников энергии или того и другого, использование генетически измененных или неизмененных организмов в процессе ферментации и производства биомассы.
- Уровень поддержки со стороны государственной политики и законодательной среды в целом: переработанные пластики в определенной степени составляют конкуренцию биоразлагаемым полимерам. Правительственные постановления и законодательные акты, относящиеся к окружающей среде и переработке отходов, могут оказать положительное влияние на увеличение продаж пластиков для различных полимеров. Выполнение обязательств Киотского протокола, вероятно, повысит спрос на определенные материалы на биологической основе.
- Развитие цепи поставок в фрагментированной индустрии биополимеров и коммерческий эффект от экономии за счет масштаба в сравнении с усовершенствованием свойств продукции, при котором она может быть реализована по повышенным ценам.
Биоразлагаемые полимеры и полимеры на основе, не содержащей нефти
Пластмассы с низким уровнем воздействия на окружающую среду
На рынке существует три группы биоразлагаемых полимеров. Это PHA (фитогемагглютинин) или PHB, полилактиды (PLA) и полимеры на основе крахмала. Другими материалами, имеющими коммерческое применение в области биоразлагаемых пластиков, являются лигнин, целлюлоза, поливиниловый алкоголь, поли-е-капролактон. Существует немало производителей, выпускающих смеси биоразлагаемых материалов, либо для улучшения свойств этих материалов, либо для сокращения производственных затрат.
Для совершенствования технологических параметров и повышения ударной вязкости PHB и его сополимеры смешиваются с целым рядом полимеров с различными характеристиками: биоразлагаемыми или неразлагаемыми, аморфными или кристаллическими с разной температурой расплава и стеклования. Смеси также используются для улучшения свойств PLA. Обычные PLA во многом ведут себя так же, как полистиролы, проявляя ломкость и низкое удлинение на разрыв. Но, например, добавка 10-15% Eastar Bio, биоразлагаемого нефтепродукта на основе полиэстера производства компании Novamont (в прошлом, Eastman Chemical), значительно повышает вязкость и, соответственно, модуль упругости при изгибе, а также ударную вязкость. Для улучшения биоразлагаемости при одновременном снижении себестоимости и сохранении ресурсов возможно смешивание полимерных материалов с природными продуктами, например, крахмалами. Крахмал представляет собой полукристаллический полимер, состоящий из амилазы и амилопектина с различными коэффициентами в зависимости от растительного сырья. Крахмал растворяется в воде, а использование агентов, улучшающих совместимость, может иметь принципиальное значение для успешного смешивания этого материала с гидрофобными полимерами, несовместимыми при других условиях.
Сравнение свойств биопластиков с традиционными пластиками
Сравнение PLA и пластиков на основе крахмала с традиционными пластиками на основе нефтепродуктов |
||||||
| Свойства (единицы) | LDPE | PP | PLA | PLA | Крахмальная основа | Крахмальная основа |
| Удельный вес (г/см 2) | <0.920 | 0.910 | 1.25 | 1.21 | 1.33 | 1.12 |
| Прочность при растяжении (МПа) | 10 | 30 | 53 | 48 | 26 | 30 |
| Предел текучести при растяжении (МПа) | - | 30 | 60 | - | 12 | |
| Модуль упругости при растяжении (ГПа) | 0.32 | 1.51 | 3.5 | - | 2.1-2.5 | 0.371 |
| Удлинение при растяжении (%) | 400 | 150 | 6.0 | 2.5 | 27 | 886 |
| Прочность по Изоду с надрезом (Дж/м) | No break | 4 | 0.33 | 0.16 | - | - |
| Модуль при изгибе (ГПа) | 0.2 | 1.5 | 3.8 | 1.7 | 0.18 | |
Свойства PHB по сравнению с традиционными пластиками
Свойства Biomer PHB в сравнении с PP , PS и PE |
|||
| Прочность при растяжении | Удлинение на разрыв Шор A | Модуль | |
| Biomer P226 | 18 | - | 730 |
| 15-20 | 600 | 150-450 | |
| Biomer L9000 | 70 | 2.5 | 3600 |
| PS | 30-50 | 2-4 | 3100-3500 |
С точки зрения сравнительной стоимости, существующие пластики на нефтяной основе являются менее дорогостоящими, чем биопластики. Например, цена на промышленные и медицинские сорта полиэтилена высокой плотности (ПЭВП - HDPE), также применяемого при производстве упаковки и потребительских товаров, варьируется от 0,65 до 0,75 долларов за фунт. Цена на полиэтилен низкой плотности (ПЭНП - LDPE) составляет 0,75-0,85 долларов за фунт. Полистиролы (PS) стоят от 0,65 до 0,85 долларов за фунт, полипропилены (PP), в среднем, - 0,75-0,95 долларов за фунт, а полиэтилентерефталаты (PET) - от 0,90 до 1,25 долларов за фунт. По сравнению с ними, полилактидные пластики (PLA) стоят в пределах 1,75-3,75 долларов за фунт, поликапролактоны (PCL), полученные из крахмала, - 2,75-3,50 долларов за фунт, полиоксибутираты (PHB) - 4,75-7,50 долларов за фунт. В настоящее время, учитывая сравнительные общие цены, биопластики дороже традиционных распространенных пластиков на основе нефти в 2,5 - 7,5 раза. Однако еще пять лет назад их стоимость в 35-100 раз превышала существующие невозобновляемые эквиваленты на основе органического топлива.
Полилактиды (PLA)
PLA представляет собой биоразлагаемый термопластик, полученный из молочной кислоты. Он обладает водостойскостью, но не может переносить высоких температур (>55°C). Поскольку он не растворяется в воде, микробы в морской среде могут так же разлагать его на CO2 и воду. Пластик имеет сходство с чистым полистиролом, обладает хорошими эстетическими качествами (глянец и прозрачность), но является слишком жестким и хрупким и нуждается в модификации для большинства практических применений (т.е. его эластичность увеличивается пластификаторами). Как и большинство термопластов, его можно перерабатывать в волокна, пленки, изготовленные горячим формованием или литьем под давлением.
Структура полилактида
В процессе производства зерно обычно сначала перемалывается для получения крахмала. Затем путем переработки крахмала получают неочищенную декстрозу, которая при ферментации превращается в молочную кислоту. Молочная кислота сгущается для производства лактида, циклического промежуточного димера, который применяется как мономер для биополимеров. Лактид проходит очистку путем вакуумной дистилляции. После этого в процессе расплава без растворителя открывается кольцевая структура для полимеризации - таким образом, получается полимер полимолочной кислоты.
Модуль упругости при растяжении
Прочность по Изоду с надрезом
Модуль при изгибе
Удлинение при растяжении
Компания NatureWorks, дочернее предприятие Cargill, крупнейшей частной компании в США, производит полилактидный полимер (PLA) из возобновляемых ресурсов с использованием собственной технологии. В результате 10 лет исследований и разработок на базе компании NatureWorks и 750 миллионной инвестиции, в 2002 году было создано совместное предприятие Cargill Dow (теперь дочернее предприятие NatureWorks LLC, полностью принадлежащее компании Cargill) с годовой производительностью 140000 тонн. Полилактиды, полученные из зерна и реализуемые под торговой маркой NatureWorks PLA и Ingeo, в основном находят свое применение в термоупаковке, экструдированных пленках и волокнах. Компания также разрабатывает технические возможности производства продукции литьевым прессованием.
Емкость для компоста из PLA
PLA, как и PET, требует просушки. Технология обработки аналогична LDPE. Рецикляты можно подвергать повторной полимеризации или размалывать и использовать повторно. Материал поддается полному биохимическому распаду. Изначально применявшийся в формовании листовых термопластов, производстве пленок и волокон, сегодня этот материал также используется для формования раздувом. Подобно PET, пластик на основе зерна позволяет производить целый ряд разнообразных и сложных форм бутылок всех размеров и используется компанией Biota для формования с раздувом и вытяжкой бутылок для розлива родниковой воды высшего качества. Однослойные бутылки из NatureWorks PLA формуются на том же оборудовании литья под давлением/ориентированного формования раздувом, которое используется для PET, без потери производительности. Хотя барьерная эффективность NatureWorks PLA ниже, чем у PET, он может конкурировать с полипропиленом. Более того, компания SIG Corpoplast в настоящее время осуществляет разработки по использованию своей технологии покрытий "Plasmax" для таких альтернативных материалов в целях повышения ее барьерной эффективности и, следовательно, расширения области ее применения. Материалам NatureWorks не хватает теплостойкости, свойственной стандартным пластмассам. Они начинают терять форму уже при температуре около 40°C, но поставщику удается добиваться значительных успехов в создании новых марок, которые обладают термостойкостью пластмасс на основе нефти, и, таким образом, получают новые возможности применения в упаковках для горячих продуктов и напитках, продаваемых на вынос, или продуктов, разогреваемых в микроволновой печи.
Пластики, снижающие нефтяную зависимость
Повышенная заинтересованность в снижении зависимости полимерного производства от нефтяных ресурсов также способствует разработке новых полимеров или составов. С учетом нарастающей необходимости снижения зависимости от нефтепродуктов особое внимание уделяется значимости максимизации использования возобновляемых ресурсов в качестве источника сырья. Показательным примером является использование соевых бобов для производства полиола на биооснове Soyol в качестве основного сырья для полиуретана.
Ежегодно пластмассовая промышленность использует несколько миллиардов фунтов наполнителей и усилителей. Усовершенствованная технология составов и новые связующие агенты, позволяющие повышать уровень загрузки волокон и наполнителей, способствуют расширению применения таких добавок. В ближайшем будущем уровень загрузки волокна, составляющий 75 частей на сто, может стать распространенной практикой. Это окажет колоссальное воздействие на сокращение использования пластиков на основе нефти. Новая технология высоконаполненных композитов демонстрирует некоторые весьма интересные свойства. Исследования композита 85% кенаф-термопластик показали, что его свойства, например, модуль упругости при изгибе и прочность, превосходят большинство типов древесных частиц, ДСП низкой и средней плотности, а также может в некоторых применениях конкурировать даже с ориентированно-стружечными плитами.