4 [45]
2015
Komitet Naukowy/Scientific Committee:
Prof. dr hab. inż. Jerzy Żuchowski, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu – przewodniczący Komitetu Naukowego
Prof. dr Tom Bramorski, University of Wisconsin, Whitewater, USA
Prof. dr Horst Brezinski, Technische Universität-Bergakademie, Freiberg, Niemcy/Uniwersytet Ekono- miczny w Poznaniu
Prof. dr Pasquale Giungato, University of Bari “Aldo Moro”, Bari, Włochy Prof. dr Marcel Mayor, University of Basel, Szwajcaria
Prof. dr Mitsuharu Mitsui, Okayama University, Okayama, Japonia Prof. dr hab. Marian W. Sułek, Instytut Chemii Przemysłowej, Warszawa Prof. dr hab. inż. Ryszard Zieliński, Uniwersytet Ekonomiczny w Poznaniu Redaktorzy Naczelni/Editors in Chief:
Dr hab. inż. Tomasz Wasilewski, prof. UTH, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu Prof. dr hab. inż. Ryszard Zieliński, Uniwersytet Ekonomiczny w Poznaniu
Redaktorzy Tematyczni/Subject Editors:
Towaroznawstwo kosmetyków i produktów chemii gospodarczej – dr hab. inż. Tomasz Wasilewski, prof. UTH
Towaroznawstwo opakowań – prof. dr hab. Małgorzata Lisińska-Kuśnierz Towaroznawstwo przemysłowe – prof. dr hab. inż. Ryszard Zieliński Towaroznawstwo żywności – prof. dr hab. Maria Śmiechowska Zarządzanie jakością – prof. dr hab. inż. Jerzy Żuchowski
Towaroznawstwo wyrobów tekstylnych i odzieżowych, bezpieczeństwo produktów nieżywnościowych – dr hab. inż. Renata Salerno-Kochan, prof. nadzw. UE
Redaktor Statystyczny/Statistical Editor:
Dr hab. Andrzej Sokołowski, prof. UEK Komitet Redakcyjny/Editorial Board:
Dr hab. inż. Regina Borek-Wojciechowska, prof. UTH, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu
Dr hab. inż. Bożena Borycka, prof. UTH, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu Dr hab. inż. Tomasz Wasilewski, prof. UTH, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu Dr Anita Bocho-Janiszewska, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu
Dr Halina Garbacz, Politechnika Warszawska
Dr inż. Dorota Koprowska, Instytut Technologii Eksploatacji – PIB w Radomiu Dr inż. Małgorzata Zięba, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu Adres Komitetu Redakcyjnego
Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny, ul. Chrobrego 27, 26-600 Radom, tel. (48) 361-75-38; e-mail: tpj@uthrad.pl, www.tpj.uniwersytetradom.pl
Redakcja czasopisma „Towaroznawcze Problemy Jakości” informuje, że formą referencyjną czasopisma jest wersja drukowana.
Publikacje można nadsyłać na adres Komitetu Redakcyjnego ISSN 1733-747X
Wydawcy:
Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. K. Pułaskiego, ul. Malczewskiego 29, 26-600 Radom
Instytut Technologii Eksploatacji – PIB, ul. K. Pułaskiego 6/10, 26-600 Radom Opracowanie wydawnicze: Joanna Iwanowska, Iwona Nitek
Wydawnictwo
ul. Malczewskiego 20A, 26-600 Radom, tel. centr. (48) 361-70-33, fax (48) 361-70-34 e-mail: przypis@poczta.onet.pl http://www.uniwersytetradom.pl
Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji – PIB
ul. K. Pułaskiego 6/10, 26-600 Radom, tel. centr. (48) 364-42-41, fax (48) 364-47-65
e-mail: instytut@itee.radom.pl http://www.itee.radom.pl
Spis treści
Przedmowa ...
7 Profesor Jacek Kozioł (1931–2015) ... 15 Aleksandra Heimowska, Magda Morawska, Anita Bocho-Janiszewska:
Biodegradacja polilaktydu w naturalnym środowisku wody słodkiej ... 19
Anna Gacek, Andrzej Gajewski: Zagrożenie środowiska wodnego i zdrowia
człowieka substancjami ropopochodnymi ... 30
Waldemar Dzwolak: Food defense jako element zarządzania bezpieczeństwem
żywności ... 42
Joanna Michalak, Marta Czarnowska, Elżbieta Gujska, Fabian Nowak,
Piotr Kmieć: Ocena zawartości akrylamidu w żywności w Polsce w świetle
zaleceń Unii Europejskiej ... 51
Anna Bryła, Wojciech Juzwa, Grażyna Lewandowicz: Metoda Banghama vs
technologia membranowa w formowaniu nanokapsułek liposomowych ... 60
Giulio Mario Cappelletti, Carlo Russo Cesetea, Giuseppe Lopriore,
Giuseppe Martino Nicoletti, Davide Scelsa: Tradycyjne i ekologiczne metody
uprawyczereśni (Prunus avium l.): Analiza środowiskowego cykl życia ... 70
Ryszard Żywica, Joanna K. Banach, Monika Modzelewska-Kapituła:
Możliwości wykorzystania modelu elektrycznego koncentratu soku jabłkowego
do oceny jego jakości ... 80
Tomasz Król, Maria Małecka: Ocena właściwości antyoksydacyjnych
wybranych cydrów na polskim rynku ... 87
Justyna Kiewlicz, Henryk Szymusiak: Porównanie właściwości
przeciwutleniających wybranych długołańcuchowych estrów kwasów
fenolowych jako potencjalnych przeciwutleniaczy kosmetycznych ... 95
Aneta Ocieczek, Renata Korzeniowska-Ginter: Wpływ dodatku trehalozy
na wybrane parametry jakości miękiszu chleba pszennego ... 103
Marta Czarnowska, Aleksandra Nowotka, Dominika Jakubowska, Elżbieta Gujska, Joanna Michalak: Wiedza studentek nauki o żywności
na temat suplementacji diety kwasem foliowym... 116
Paulina Malinowska: Dermokosmetyki do pielęgnacji skóry atopowej dostępne
w aptekach na polskim rynku ... 125
Małgorzata Kowalska, Magdalena Paździor, Anna Żbikowska:
Wyznaczanieparametrów stabilnej emulsji za pomocą komputerowego programu
optymalizacyjnego ...
134 Zofia Nizioł-Łukaszewska, Tomasz Bujak, Edyta Szmuc, Tomasz Wasilewski:
Właściwości kosmetyczne glikolowego ekstraktu z czystka ... 143
Anna Cieszyńska: Ocena i porównanie właściwości przeciwutleniających
preparatów otrzymanych z chmielu (Humulus lupulus l.) ... 152 Informacje ...
159
Contents
Preface ...
11 Professor Jacek Kozioł (1931–2015) ... 15 Aleksandra Heimowska, Magda Morawska, Anita Bocho-Janiszewska:
Biode-gradation of polylactide in natural fresh water ...
19 Anna Gacek, Andrzej Gajewski: Threats to the aquatic environment
and human health with oil derivatives (part one) ... 30
Waldemar Dzwolak: Food defense as an element of food safety management ... 42 Joanna Michalak, Marta Czarnowska, Elżbieta Gujska, Fabian Nowak,
Piotr Kmieć: Assesment of acrylamide levels in Polish food according to
European Union recommendations ... 51
Anna Bryła, Wojciech Juzwa, Grażyna Lewandowicz: Bangham method
vs membrane technology in the formation of liposomal nanocapsules ... 60
Giulio Mario Cappelletti, Carlo Russo Cesetea, Giuseppe Lopriore,
Giuseppe Martino Nicoletti, Davide Scelsa: Conventional and organic farming
methods of sweet cherry (Prunus avium l.): An environmental life cycleanalysis approach ... 70
Ryszard Żywica, Joanna K. Banach, Monika Modzelewska-Kapituła:
Possibilities for the quality assessment of apple juice concentrate using its
equivalent electrical model ... 80
Tomasz Król, Maria Małecka: Assessment of antioxidant properties of selected
ciders on the Polish market ... 87
Justyna Kiewlicz, Henryk Szymusiak: Comparison of antioxidant properties
of selected long-chain alkyl esters of phenolic acids as potential cosmetic
components ... 95
Aneta Ocieczek, Renata Korzeniowska-Ginter: Effect of trehalose addition
on selected quality parameters of wheat bread crumb ... 103
Marta Czarnowska, Aleksandra Nowotka, Dominika Jakubowska, Elżbieta Gujska, Joanna Michalak: The knowledge of food science female students
of diet supplementation with folic acid ... 116
Paulina Malinowska: Dermocosmetics for atopic skin care available
in pharmacies on Polish market ... 125
Małgorzata Kowalska, Magdalena Paździor, Anna Żbikowska:
Determinationof a stable emulsion parameters using computer optimization program ... 134
Zofia Nizioł-Łukaszewska, Tomasz Bujak, Edyta Szmuc, Tomasz Wasilewski:
Cosmetics properties of Cistus incanus herba glycolic extract ... 143
Anna Cieszyńska: Estimation and comparison of antioxidant properties
of Humulus lupulus l. preparations ... 152
Information ...
159
P r z e d m o w a
Zgodnie z przyjętym przez Kolegium Redakcyjne długoterminowym planem wy- dawniczym w pierwszych dniach października 2015 roku oddajemy do rąk Państwa – na- szych czytelników – czterdziesty piąty numer kwartalnika Towaroznawcze Problemy Jako- ści (Polish Journal of Commodity Science). Kontynuując próby rozszerzenia grona naszych czytelników, także w bieżącym numerze zamieszczamy kilka artykułów w angielskiej wer- sji językowej. Tak jak poprzednio, niezależnie od języka oryginalnej publikacji, każdy arty- kuł zawiera obszerne streszczenie zarówno w języku polskim, jak i angielskim. Streszczenia wszystkich prac prezentowanych na łamach kwartalnika w obydwu wersjach językowych dostępne są również na stronie internetowej naszego czasopisma pod następującym adre- sem: http://www.tpj.uniwersytetradom.pl.
W połowie maja 2015 roku grono polskich towaroznawców opuścił na zawsze prof. dr hab. Jacek Kozioł – współtwórca Wydziału Towaroznawstwa Uniwersytetu Ekonomicznego w Poznaniu. Obecne wydanie naszego czasopisma otwiera wspomnienie przybliżające postać Pana Profesora.
Serię 15 artykułów obecnego wydania naszego czasopisma otwierają dwie prace z zakresu jakości środowiska. W pierwszej Hejmowska i współaotorzy przedstawiają wyniki badań dotyczących procesu biodegradacji polilaktydu w wodach słodkich. Autorki stwierdziły, że w trakcie 12-miesięcznej inkubacji próbki polilaktydu nie wykazały dużej podatności na dzia- łalność mikrobiologiczną. Wyniki przeprowadzonych badań wskazują także, że polilaktyd jest polimerem odpornym na hydrolizę chemiczną.
Przedmiotem pracy Gacek i Gajewskiego są zagrożenia zdrowia człowieka oraz środowi- ska wodnego substancjami ropopochodnymi. Zanieczyszczenia te zagrażają zarówno faunie, jak i florze skażonych wód. W pracy przedstawiono informacje o rodzaju i pochodzeniu głównych związków chemicznych zawartych w substancjach ropopochodnych. Omówiono toksyczny wpływ niektórych związków zawartych w substancjach ropopochodnych na orga- nizm ludzki.
W kolejnej pracy Dzwolak omawia pojęcie „food defense” i jego zastosowanie w za- rządzaniu bezpieczeństwem żywności. Wskazano przykłady celowych zanieczyszczeń żywno- ści oraz opisano zagadnienia związane z obroną żywności takie jak zabezpieczenie żywności i ochronę żywności. W pracy omówiono także źródła wytycznych do działań związanych z obroną żywności.
W trakcie procesów termicznej obróbki żywności zachodzą reakcje Maillarda, których jednym z produktów jest akrylamid podejrzewany o negatywne oddziaływanie na zdrowie.
Przedmiotem badań Michalak i współautorów jest ocena zawartości akrylamidu w żywności w Polsce. Na przebadanych 48 rodzajów produktów w kilku przypadkach stwierdzono nie- wielkie przekroczenie dopuszczalnego poziomu akrylamidu określonego przez zalecenia Unii Europejskiej.
Antyoksydanty występujące w owocach jagodowych są nietrwałe i często gorzkie. Z tego powodu składniki takie poddaje się procesowi kapsułkowania. Bryła i współautorzy badali przydatność dwóch metod formowania liposomów do kapsułkowania bioaktywnych substancji zawartych w owocach czarnego bzu. W badaniach stosowano klasyczną metodę Banghama oraz metodę z zastosowaniem kontaktora membranowego. Wykazano, że zastosowanie tej ostatniej metody powoduje większą wydajność kapsułkowania.
W kolejnej pracy Cappelletti i współautorzy omawiają tradycyjne i ekologiczne metody uprawy czereśni. Autorzy dokonali oceny wpływu na środowisko produkcji wiśni od kołyski do bramy gospodarstwa sadów wiśniowych zlokalizowanych we włoskiej Apulii. Porównano tradycyjne i organiczne systemy uprawy oraz określono wpływ sposobu uprawy na środowi- sko naturalne.
Nowe podejście do oceny jakości koncentratu soku jabłkowego stanowi przedmiot badań Żywicy i współautorów. W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczących możliwości wy- korzystania modelu elektrycznego i pomiarów elektrycznych w kontroli jakości soków. Auto- rzy stwierdzają przydatność praktyczną proponowanej metody pomiarów impedancji i rezy- stancji próbek.
Cydr stanowi nowy segment wyrobów alkoholowych, który w polskim handlu detalicznym pojawił się dopiero w 2013 r. Prozdrowotne właściwości cydrów stanowią przedmiot zaintere- sowań badawczych Króla i Małeckiej. Autorzy przebadali zawartość związków fenolowych oraz właściwości antyoksydacyjnych 7 marek cydrów obecnych na polskim rynku. Stwierdzo- no zróżnicowanie tych badanych wyróżników jakości cydrów w zależności od marki, a jedno- cześnie stwierdzono wysoką korelację między badanymi wyróżnikami jakości badanych cy- drów.
Przedmiotem pracy Kiewlicz jest porównanie właściwości przeciwutleniających kilku no- wych długołańcuchowych estrów kwasów fenolowych. Autorka otrzymała ferulan tetradecylu i galusan tetradecylu i określiła ich właściwości przeciwrodnikowe w teście z DPPH w po- równaniu z BHT. Na podstawie wyników przeprowadzonych badań Autorka wykazała możli- wość zastosowania tych estrów jako potencjalnych przeciwutleniaczy kosmetycznych.
Możliwości opóźnienia procesu czerstwienia pieczywa stanowią przedmiot badań prowa- dzonych przez Ocieczek i Korzeniowską-Ginter. Autorki zbadały wpływ dodatku trehalozy na jakość pieczywa pszennego. Na podstawie wyników badań doświadczalnych Autorki scharak- teryzowały właściwości sorpcyjne pieczywa zawierającego zmienną zawartość dodatku treha- lozy.
W kolejnej pracy Czarnowska i współautorzy przedstawiają wyniki badań dotyczących nauki o żywności na temat suplementacji diety kwasem foliowym. Na podstawie przeprowa- dzonych badań ankietowych Autorzy stwierdzają, że w badanej grupie studentek wiedza na temat suplementacji diety kwasem foliowym jest niewystarczająca. Biorąc pod uwagę znacze- nie kwasu foliowego dla przyszłych matek, wynik ten powinien stanowić ważny sygnał dla służby zdrowia o konieczności edukacji w tym zakresie.
Kolejne cztery prace dotyczą jakości produktów lub surowców kosmetycznych. W pierw- szej z nich Malinowska omawia dermokosmetyki do pielęgnacji skóry atopowej dostępne w aptekach na terenie Wielkopolski. Obecne w ofercie handlowej dermokosmetyki występują zarówno w formie produktów myjących, jak i pielęgnujących. Na podstawie analizy składu tych produktów Autorka stwierdza, że do składników najczęściej obecnych w dermokosmety- kach należą emolienty, masło karite, olej makadamia, olej wiesiołkowy, pantenol oraz wita- miny C i E.
Jednym z ważnych czynników określających jakość emulsyjnych wyrobów kosmetycz- nych, spożywczych czy technicznych jak stabilność emulsji. W kolejnej pracy Kowalska i współautorzy przedstawiają wyniki badań dotyczących możliwości wyznaczania parametrów stabilnej emulsji za pomocą komputerowego programu optymalizacyjnego. Stwierdzono, że prezentowana metoda jest wiarygodna, szybka i pozwala na prognozowanie trwałości i stabilności różnych układów dyspersyjnych, co stwarza możliwość wykorzystania jej także do prognozowania trwałości emulsji kosmetycznych.
Czystek jest stosunkowo nowym surowcem zielarskim obecnym na polskim rynku. W ko- lejnej pracy Nizioł-Łukaszewska i współautorzy omawiają właściwości kosmetyczne glikolo- wego ekstraktu z czystka. Wykazano przydatność ekstraktu w formulacjach kosmetycznych.
Stwierdzono, że glikowowy ekstrakt z czystka ma bardzo silne właściwości antyoksydacyjne oraz zdolność do pochłaniania promieniowania UV. Odnotowano wzrost nawilżenia skóry po aplikacji ekstraktu oraz nie stwierdzono działania alergizującego.
Chmiel, który jest stosowany głównie w browarnictwie, jest składnikiem wielu środków farmakologicznych o działaniu kojącym i wzmacniającym organizm. Przedmiotem ostatniej
pracy jest ocena i porównanie właściwości przeciwutleniających preparatów otrzymanych z chmielu. W pracy Cieszyńska przedstawiła wyniki badań zawartości związków fenolowych oraz aktywności przeciwutleniających naparów, ekstraktów oraz olejku eterycznego przygo- towanych z szyszek chmielowych. Stwierdzono, że rodzaj preparatu znacząco wpływa na całkowitą zawartość związków fenolowych i właściwości przeciwutleniające.
Czterdziesty piąty numer naszego kwartalnika zamyka stała rubryka „Informacje TPJ”.
Zamieszczono w niej informacje o II Dniach Wydziału Towaroznawstwa Uniwersytetu Eko- nomicznego w Poznaniu, które odbyły się 14–16 maja 2015 roku.
Życzę Państwu przyjemnej lektury.
Redaktor TPJ Prof. dr hab. inż. Ryszard Zieliński
TOWAROZNAWCZE PROBLEMY JAKOŚCI 4(45)/2015
P r e f a c e
According to the long-term plan accepted by the Editorial Board, in the beginning of October 2015 we present to our readers the 45th issue of the Polish Journal of Commodity Science. Continuing efforts to widen the group of our readers we present some papers in English version. Continuing efforts to widen the group of our readers we present some papers in English version. As before, regardless the language of the original publication, each paper contains a wide summary in both Polish and English.
The summaries of all the works published one can find on our webpage http://www.tpj.uniwersytetradom.pl.
In mid-May 2015 years a bunch of Polish commodity scientists was abandoned forever by prof. Jacek Kozioł – a co-founder of Commodity Department at Poznań University of Economics. The current issue of our journal is opened by the memory of Professor.
The series of 15 articles of the current issue of our journal begins with two works in the field of environmental quality. In the first of these works Hejmowska et al.
present the results of research on polylactide biodegradation in fresh water. The authors stated that during a 12-month incubation, polylactide samples did not reveal high susceptibility to microbial activity. Results of this study also suggest that polylactide polymer is resistant to chemical hydrolysis.
The research by Gacek and Gajewski is devoted to the risks to human health and the aquatic environment caused by petroleum substances. These pollutants threaten both the fauna and flora of contaminated water. The paper presents information on the type and origin of the main chemical substances contained in oil. Also the toxicity of certain compounds found in petroleum substances on the human body is discussed.
In the next paper Dzwolak introduces the concept of "food defense" and its application in the management of food safety. Examples of intentional food contamination and issues related to the defense of food, such as food security and food protection are described. The paper also discusses the sources of guidelines for activities related to the defense of food.
In the processes of thermal food processing Maillard reactions occur. They result in formation of acrylamide suspected of having a negative impact on health. The subject of research by Michalak et al. is the assessment of acrylamide content in food in Poland. At 48 types of products examined, in several cases the content of acrylamide slightly excessed the permissible level determined by the recommendations of the European Union.
The antioxidants present in berries are unstable and often bitter. For this reason, such components are subjected to a process of encapsulation. Bryła et al. investigated the usefulness of the two methods of forming liposomes to encapsulate bioactive substances contained in the fruits of elderberry. The study used the classic Bangham method and by using membrane contractor. It was shown that the application of the latter method attains a higher encapsulation efficiency.
In the consecutive paper Cappelletti et al. discuss conventional and organic
methods of cherries cultivation. The authors evaluated the environmental impact of
the production of cherries from cradle to the farm gate of orchards located in Italy's
Apulia. Conventional and organic farming systems were compared and the influence of cultivation on the environment was determined.
A new approach to assessing the quality of apple juice concentrate is the subject of research by Żywica et al. The paper presents the results of studies on the possibility of using electric model and electrical measurements in the quality control of juices.
Authors confirm the practical utility of the proposed methods of measuring sample i mpedance and resistance.
Cider is a new segment of alcoholic products, which in Polish retail trade appeared only in 2013. Health-promoting properties of the cider are the subject of research interests of Król and Małecka. They examined the content of phenolic compounds and anti-oxidative properties of 7 cider brands present on the Polish market. The variability of the respondents depending on the brand was observed and, at the same time, a high correlation between the determinants studied.
The subject of Kiewlicz work was to compare the antioxidant properties of several new long-chain esters of phenolic acids. The author received ferulate tetradecyl and gallate tetradecyl and identified their antioxidant properties in the DPPH test. The results were compared to BHT. On the basis of the results the author demonstrated the possibilty of application of these esters as potential antioxidant beauty.
The possibility of delaying the bread staling process is the subject of research performed by Ocieczek and Korzeniowska-Ginter. The authors examined the effect of the addition of trehalose on the quality of wheat bread. On the basis of test results authors characterized the sorption properties of baked goods containing various amounts of trehalose.
In the next work Czarnowska et al. present the results of research on students of food science knowledge on dietary supplementation with folic acid. Basing on the survey authors conclude that the students knowledge about folic acid dietary supplementation is not sufficient. Given the importance of folic acid for expectant mothers, this result should give an essential signal about the need for health education in this field.
The consecutive four works relate to the quality of cosmetic products and ingredients. In the first one Malinowska discusses dermocosmetics for atopic skin available in pharmacies in the Wielkopolska region. Dermocosmetics offered commercially occur in the form of both cleaning and nourishing products. On the basis of analysis of the composition of these products author states that the most common ingredients present in dermocosmetics include emollients, shea butter, macadamia oil, evening primrose oil, panthenol and vitamin C and E.
An important factor determining the quality of cosmetic, food and technical emulsions is their stability. In the next paper Kowalska et al. present the results of studies on the possibility of determining the parameters of a stable emulsion using a computer optimization program. It was found that the presented method was reliable, fast, and allowed to predict the durability and stability of different disperse systems, which opened possibility of its application in predicting the durability of cosmetic emulsions.
Cistus incanus herba is a relatively new herbal ingredient present on the Polish market. In the consecutive work Nizioł-Łukaszewska et al. discuss the cosmetic properties of glycolic extract of cistus incanus herba. The applicability of the extract
in cosmetic formulations was proved. It was also found that glycolic extract from Cistus had very strong antioxidant properties and the ability to absorb UV radiation.
An increase in skin hydration after application of the extract with no evidence of allergy was observed.
Hops, mostly used in brewing, is a component of many body soothing and strengthening pharmaceuticals. The subject of the last work was to evaluate and compare the antioxidant properties of formulations derived from hops. Cieszyńska presented the findings on the content of phenolic compounds and antioxidant activity infusions, extracts and essential oils prepared from hops. It was found that the type of the formulation significantly influenced the total content of phenolic compounds and antioxidant properties.
45th issue of the quarterly is closed by the regular column TPJ Announcements.
One can find there information on the 2
ndDays of the Faculty of Commodity Science, Poznań University of Economics, which took place on 14-16 May 2015.
I wish you a nice reading
Prof. dr hab. inż. Ryszard Zieliński TPJ Editor
TOWAROZNAWCZE PROBLEMY JAKOŚCI 4(45)/2015
Profesor Jacek Kozioł (1931–2015)
11 maja 2015 roku zmarł w Poznaniu prof. dr hab. Jacek Kozioł, długoletni zasłużony na- uczyciel akademicki, były dziekan i współtwórca Wydziału Towaroznawstwa Uniwersytetu Ekonomicznego w Poznaniu.
Pan Profesor dr hab. Jacek Kozioł urodził się 6 grudnia 1931 roku w Siemianowicach Ślą- skich. Przed II wojną światową zamieszkał wraz z rodziną w Mikoszowicach Śląskich, a od 1940 roku w Tarnowie, gdzie dość nieregularnie uczęszczał do szkoły podstawowej i gimnazjum. W 1945 roku rodzina przyszłego Profesora przeniosła się do Poznania. W 1949 roku Profesor ukończył Gimnazjum i Liceum ad Sanctam Mariam Magdalena w Poznaniu w klasie o profilu matematyczno-przyrodniczym, otrzymując świadectwo maturalne. W tym samym roku Pan Profesor rozpoczął swoją wieloletnią przygodę z towaroznawstwem, podej- mując studia pierwszego stopnia na Wydziale Handlu ówczesnej Wyższej Szkoły Ekono- micznej w Poznaniu. W roku 1950 w Uczelni powstał nowy kierunek studiów o charakterze przyrodniczo-techniczno-ekonomicznym o nazwie towaroznawstwo, a Profesor znalazł się wśród studentów drugiego rocznika tych studiów. Po ukończeniu pierwszego stopnia studiów towaroznawczych Profesor podjął studia drugiego stopnia, rozpoczynając jednocześnie już w 1952 roku pracę w uczelni na stanowisku zastępcy asystenta. Na podstawie wyników badań zrealizowanych w mleczarni we Wrześni przygotował wspólnie z Zofią Fiszeder i Jerzym Kwiatkowskim pracę dyplomową na temat jakości mleka, którą obronił w 1953 roku. W tym samym roku jako 22-latek wziął aktywny udział w ogólnopolskiej konferencji towaroznaw- czej. Na tej konferencji postanowiono wysłać kilku młodych absolwentów towaroznawstwa na studia aspiranckie do Związku Radzieckiego ze względu na brak możliwości doktoryzowania w Polsce z zakresu towaroznawstwa. Latem 1954 roku Profesor obronił pracę magisterską na temat fluorymetrycznego oznaczania zawartości witaminy B2w mleku, uzyskując tytuł zawo- dowy magistra towaroznawstwa.
W 1955 roku Profesor podjął wspomniane wcześniej studia aspiranckie na Wydziale Technologicznym Moskiewskiego Instytutu Gospodarki Narodowej, gdzie pod opieką wybit- nego biochemika prof. Łobanowa powadził badania dotyczące możliwości wykorzystania otrąb jako źródła witamin grupy B. W 1959 roku za pracę pt. „Ekstrakty iz otrubiej kak istocznik witaminow gruppy B” uzyskał stopień naukowy kandydata nauk technicznych.
Po powrocie do kraju Profesor rozpoczął prowadzenie wykładu kursowego dla towaro- znawców „Analiza instrumentalna z podstawami elektroniki”. Wyniki swoich wieloletnich badań doświadczalnych dotyczących zastosowania chemii analitycznej w analizie żywności, a zwłaszcza wykorzystania w tym zakresie metod fluorymetrycznych zawarł w licznych artyku- łach naukowych. Po kilku latach Profesor Jacek Kozioł przedłożył cykl publikacji z tej tema- tyki, które stanowiły podstawę przewodu habilitacyjnego. Na ich podstawie oraz odbytego kolokwium habilitacyjnego w 1968 roku uzyskał stopień doktora habilitowanego nauk che- micznych z zakresu chemii analitycznej nadany przez Radę Wydziału Matematyki Fizyki i Chemii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu.
Kolejny rok to pobyt Profesora Kozioła w USA na stypendium na Wydziale Biochemii i Biofizyki Uniwersytetu Stanowego Ames w stanie Iowa. Bezpośredni kontakt z nowoczesną aparaturą pomiarową oraz współpraca ze światową czołówką specjalistów zajmujących się badaniami ryboflawiny zaowocowała udziałem Profesora w późniejszych latach w licznych konferencjach w wielu krajach. Kontakty wypracowane w tym okresie przez Profesora pozwo-
liły mu w kolejnych latach wprowadzić w obszary nauki na światowym poziomie kolejnych swoich wychowanków. W 1979 roku Profesor Jacek Kozioł uzyskał tytuł naukowy profesora.
Dorobek naukowy Pana Profesora Jacka Kozioła odzwierciedla zarówno Jego zaintereso- wania naukowe jak i licznego grona swoich wychowanków i współpracowników. Dorobek ten obejmuje 138 artykułów naukowych, 6 podręczników i skryptów dla studentów towaroznaw- stwa oraz 96 opublikowanych wystąpień konferencyjnych. Ponadto Profesor był promotorem trzech doktorów honoris causa naszej Uczelni (prof. Maciej Wiewiórowski, prof. Claudio Calzolari, prof. Cees Veeger), promotorem 4 rozpraw doktorskich, 105 prac magisterskich oraz 10 prac licencjackich.
Należy podkreślić, że kariera naukowa Profesora Jacka Kozioła jak na ówczesne czasy by- ła bardzo nietypowa. Obejmowała ona liczne staże zagraniczne, ożywioną współpracę z lide- rami światowych badań głównie w zakresie flawin, konstrukcję unikatowej aparatury pomia- rowej i wykorzystanie jej w rozwijaniu instrumentalnych metod badania jakości surowców i towarów. Kariera ta była bardzo nietypowa, ale jak się okazało skuteczna. Na szczególne podkreślenie zasługuje ponadprzeciętna aktywność organizacyjna Profesora Kozioła. W 1975 roku był On inicjatorem utworzenia Zakładu a później Katedry Analizy Instrumentalnej, którą kierował nieprzerwanie do chwili przejścia na emeryturę. W kolejnych latach Profesor pełnił funkcję dyrektora Instytutu Towaroznawstwa. W 1992 roku wspólnie ze współpracownikami doprowadził do utworzenia Wydziału Towaroznawstwa, a społeczność nowo utworzonego wydziału dwukrotnie powierzyła mu funkcję dziekana. W kolejnej kadencji pełnił funkcję prodziekana ds. naukowych. Niewątpliwą zasługą Profesora było zainicjowanie stałej współ- pracy międzynarodowej Wydziału Towaroznawstwa z wieloma ośrodkami naukowymi zajmu- jącymi się badaniami z zakresu towaroznawstwa, a zwłaszcza Uniwersytetu Rolniczego w Waageningen w Holandii. Zaowocowało to licznymi stażami naszych pracowników w re- nomowanych zagranicznych ośrodkach naukowych oraz wsparciem aparaturowym, jakie Wydział otrzymywał. Z inicjatywy Profesora dwóch zagranicznych profesorów – Cees Veeger oraz Claudio Calzolari – którzy przez lata najbardziej wspierali działalność naukową Wydzia- łu Towaroznawstwa, zostało uhonorowanych tytułami doktora honoris causa naszej uczelni.
O uznaniu dla działań Profesora może świadczyć fakt, że międzynarodowa społeczność towa- roznawców powierzyła Mu najpierw funkcję wiceprezesa a później prezesa IGWT.
Niewątpliwą zasługą Pana Profesora było otwarcie na początku lat 90. dość zamkniętej grupy pracowników Instytutu Towaroznawstwa prowadzących dotychczas głównie badania o charakterze przyrodniczo-technicznym na zagadnienia ekonomiczne związane głównie z zagadnieniami zarządzania jakością i menedżera produktu. To uekonomicznienie Instytutu a później Wydziału Towaroznawstwa wiązało się nie tylko z wzmocnieniem składu osobowe- go wydziału o kolejną grupę samodzielnych pracowników naukowo-dydaktycznych, ale stwo- rzyło kolejnym rocznikom studentów kierunku towaroznawstwo niepowtarzalną szansę wzbo- gacenia swojego wykształcenia o zagadnienia typowo ekonomiczne, przy zachowaniu dotych- czasowego przyrodniczo-technicznego charakteru tych studiów. W takiej właśnie atmosferze powstał rozpropagowany przez prof. R.I. Zalewskiego termin „simpleks towaroznawczy”, czyli towaroznawstwo jako dziedzina wiedzy, która jest oparta na trzech równoprawnych filarach: wiedzy przyrodniczej, wiedzy ekonomicznej oraz wiedzy technicznej.
Jednak za największy sukces organizacyjny Profesora Kozioła jako dziekana należy uznać doprowadzenie do uzyskania przez Wydział Towaroznawstwa pełni praw akademickich.
W ten sposób kierowany przez Niego wydział stał się już w 1993 roku jedyną jednostką w Polsce realizującą studia z zakresu towaroznawstwa, w której można było uzyskiwać stop- nie doktora habilitowanego nauk ekonomicznych z zakresu towaroznawstwa oraz wnioskować o nadanie tytułu naukowego profesora. Z tej możliwości skorzystało wielu obecnych profeso- rów lub doktorów habilitowanych z różnych ośrodków akademickich w kraju zajmujących się zagadnieniami jakości towarów i usług.
Profesor Jacek Kozioł był człowiekiem renesansu. Interesował się nie tylko nauką, ale również polityką, muzyką, teatrem i sztuką. Przy każdej okazji licznych podróży zagranicz- nych odwiedzał nie tylko muzea, ale również chętnie poznawał kulturę różnych narodów.
Aktywnie uprawiał sport, a zwłaszcza sporty zimowe. Profesor uwielbiał czytać prace profe- sora Tadeusza Kotarbińskiego i często cytował różne jego myśli, a szczególnie myśli zawarte w „Traktacie o dobrej robocie”. Zawsze z pełnym przekonaniem twierdził, że my Polacy jako społeczeństwo jesteśmy zbyt biedni, aby w codziennej pracy zawodowej pozwolić sobie na bylejakość, a zwłaszcza na złą jakość wytwarzanych wyrobów. Nie możemy sobie pozwolić na bylejakość czy złą jakość szczególnie w realizowanych badaniach naukowych. Ciągle z całą mocą podkreślał, że trzeba dokładać wszelkich starań, aby pomimo stosunkowo skrom- nych środków jakość realizowanych zarówno badań podstawowych, jak również badań spe- cjalistycznych zawsze odpowiadała standardom światowym.
Cała Jego działalność naukowa i dydaktyczna była moim zdaniem przykładem praktycz- nego wdrożenia idei filozofów z Dalekiego Wschodu. Otóż wiele, wiele lat temu, wielki chiń- ski filozof i myśliciel Konfucjusz mówił tak: „Powiedz mi, a zapomnę. Pokaż mi, a zapamię- tam. Pozwól mi działać, a zrozumiem”. Profesor Jacek Kozioł w myśl tej maksymy pozwalał działać także swoim magistrantom, doktorantom oraz współpracownikom. Ciągle wspomagał nasze działania związane z badaniami empirycznymi swoją bogatą wiedzą popartą ogromnym doświadczeniem nabytym przez wiele lat pracy badawczej w murach naszej uczelni, a także zdobyte podczas licznych staży zagranicznych. Profesor dzielił się nie tylko swoją wiedzą i doświadczeniem zawodowym, ale również przekazywał swoim współpracownikom liczne nowości naukowe i techniczne przywiezione z różnych zakątków świata. I robił to zawsze z wielką pasją.
Niestety, niewielu jest już dzisiaj ludzi z tak wielką pasją poznania nieznanego i z takim zacięciem badawczym, z chęcią tworzenia zespołu naukowego, tworzenia serdecznej – niemal rodzinnej atmosfery w zespole, który budował przez wiele lat. Mówiąc o tym dzisiaj, muszę niestety użyć już czasu przeszłego. Profesor był osobą bardzo wymagającą. Wymagał bardzo wiele od swoich współpracowników, ale jeszcze więcej wymagał od siebie samego. Mimo że niezbyt chętnie chwalił swych współpracowników, to był z nich bardzo dumny i nieustannie wspierał ich we wszystkich problemach nie tylko życia zawodowego ale również rodzinnego.
Budował nie tylko znakomitą atmosferę do rozwoju badań naukowych, ale co jest znacznie ważniejsze, zaszczepił w swoich współpracownikach rzecz bardzo cenną – rzetelność w bada- niach empirycznych, zaszczepił nie tylko konieczność stwierdzania faktów doświadczalnych, ale również obowiązek podejmowania racjonalnych prób fizycznej interpretacji zaobserwo- wanych zjawisk oraz systematycznej nauki języków obcych. Sam biegle posługiwał się trzema językami. Namawiał swoich współpracowników do ciągłego czytania nie tylko prac przeglą- dowych czy opracowań książkowych, ale także do bieżącego śledzenia najnowszych publika- cji naukowych ukazujących się w renomowanych czasopismach o zasięgu ogólnoświatowym.
Zachęcał również do pisania prac naukowych tylko po angielsku i wysyłania ich do czasopism o najszerszym zakresie oddziaływania w świecie naukowym oraz uczestniczenia w międzyna- rodowych konferencjach tematycznych. Twierdził, że jeżeli będziecie publikować po polsku, to kto poza Polakami was zrozumie, a tym bardziej, jak chcecie osiągnąć zainteresowanie świata naukowego wynikami własnych badań. Dzisiaj jako pracownicy Wydziału Towaro- znawstwa, a zwłaszcza pracownicy Katedry Technologii i Analizy Instrumentalnej, w której Pan Profesor Jacek Kozioł zostawił bardzo dużą część swojego zawodowego życia, możemy z dumą powiedzieć, że Jego wieloletnie starania nie poszły na marne. To, że dzisiaj według najnowszych danych bazy Web of Science wśród najczęściej cytowanych autorów prac nau- kowych opublikowanych nie tylko przez pracowników tej uczelni, ale również przez polskich towaroznawców na pierwszych pięciu miejscach znajduje pięciu pracowników właśnie Kate-
dry Technologii i Analizy Instrumentalnej, to w dużej mierze także zasługa polityki publika- cyjnej zainicjowanej przed wielu laty przez Pana Profesora Jacka Kozioła.
Dziękujemy Tobie Profesorze za wskazanie wielu z nas drogi szybkiego rozwoju nauko- wego, którą na całym Wydziale od wielu lat ciągle podążamy. Mogę z pełnym przekonaniem stwierdzić, że dzisiejsze sukcesy pracowników całego Wydziału Towaroznawstwa w różnych obszarach, a zwłaszcza sukcesy naukowe, są w znacznej mierze także zasługą rad i wskazó- wek, jakich wielokrotnie udzielał nam Pan Profesor Jacek Kozioł.
Cześć Jego Pamięci!
Prof. dr hab. inż. Ryszard Zieliński, prof. zw. UEP Dziekan Wydziału Towaroznawstwa Uniwersytetu Ekonomicznego w Poznaniu
Aleksandra HEIMOWSKA, Magda MORAWSKA Gdynia Maritime University, Gdynia, Poland
Faculty of Entrepreneurship and Quality Science
Department of Chemistry and Commodity Industrial Science
Anita BOCHO-JANISZEWSKA
University of Technology and Humanities in Radom, Radom, Poland Faculty of Materials Science and Design
Department of Chemistry
Biodegradation of polylactide in natural
fresh water
Key words: biodegradation, polylactide, fresh water, pond.
Słowa kluczowe: biodegradacja, polilaktyd, woda słodka, staw.
1. Introduction
Polylactide (PLA) is an aliphatic polyester produced from lactic acid or the cyclic diester, lactide [12]. In recent years there has been an increase in the interest in poly (lactic acid) as packaging material due to its func- tional properties, but also due to its greater susceptibility to biodegradation [21].
Polylactide is a biodegradable polymer, which is naturally hydrophilic due to its polar oxygen linkages [26]. The natural hydrophilic characteristic of polylactide is responsible for its moderate decomposition in accordance with the surrounding moi- sture and temperature. The first stage of polylactide degradation is usually the reduction of its molecular weight by hydrolysis before it becomes biodegradable.
The hydrolysis of polylactide occurs by random cleavage of the –C–O– ester bond by water molecules.
The hydrolysis products, which may contain fragments of lactic acid, oligomers and other water soluble
products, can then be consumed by microorganisms to produce carbon dioxide (CO2), water (H2O) and solid biomass [9]. This reaction can be increased under acidic or basic conditions or in the presence of high moisture and high temperature [10, 11, 15].
The aerobic degradation is known to be highly temperature dependant [6], with essentially complete biodegradation in 3–4 months at 55–60oC, and little degradation at mesophilic temperatures [12]. Microorganisms and their enzymes are mainly responsible for polylactide degradation in natural conditions.
Literature includes numerous reports on degradation of this polyester, depending on both physical-chemical [25] and microbiological factors [5, 21–
–24].
Many studies have shown that polylactide degrades completely in different environments over a period from 6 months to 5 years [3, 4, 13, 20]. The aim of this study is the estimation of natural fresh water (pond) influence on degradation process of polylactide samples.
2. Experimental 2.1. Material
Polylactide samples [PLA] – trade name “BIO 521” – were received from POLYFILMS SAS (France). This polylactide material consists of three layers as follows: sealable PLA, core PLA and sealable PLA [27].
Polymer films were cut into 15 x 2 cm rectangles. After incubation in water environments, the samples were left at room temperature and then were taken to investigations.
2.2. Environment
Incubation of polylactide samples took place in the following environments:
− fresh water (pond) – under natural conditions
− fresh water with sodium azide (NaN3) – under laboratory conditions.
The incubation of polymer samples in fresh water took place in Rumia’s ponds in a special basket at 2 meters depth under the water surface. For comparison the degradation of polymer samples also took place in fresh water with NaN3(0,195g/l) in laboratory. The sodium azide was added to sea water for the purpose of excluding the activity of microorganisms and to evaluate the resistance of the polymers to hydrolysis [1].
2.3. Methods
After incubation polylactide samples were taken out from both environments and washed with distilled water. Then they were dried at room temperature to a constant weight. During experiment the polymer samples were tested by:
• Weight changes [%] – were determined using a Gibertini E 42s electronic balance. The weight of clean and dried polymer samples after biodegradation was compared with that before biodegradation. Weight loss was calculated and expressed in a percentage [%]. The average from 3-5 polymer samples was the final result of the investigation.
• Hardness changes [Shore A] of polylactide samples were estimated using Digital Hardness Tester HT-6510/D (Tester Shore A/D). The average value of maximum hardness of six determinations was the result.
• Crystallinity changes [%] of PLA samples were analysed by the differential scanning calorimetry using Setaram Labsys TG-DTA/DSC Analyzer. The heating scans at the rate of 10oC/min in the temperature range 20–200oC in nitrogen atmosphere, in nitrogen flow 20 cm3/min were recorded. Based on determined melting enthalpy of PLA samples the percent of crystallinity was calculated [7, 20]. According to the following equation:
•
where:
x – crystallinity [%],
ΔH – melting enthalpy of PLA samples [J/g],
ΔH100% PLA–93,7[J/g], melting enthalpy of 100% crystalline PLA.
• Macroscopic observations of polymer surface – were analysed organoleptic with a FujiFilm S2500 HD camera. The macrographs were analyzed before and after biodegradation.
• Microscopic observation of polymer surface and structure – were analysed with the methalographic microscope ALPHAPHOT-2YS2-H linked to a Casio QV-2900UX camera.
Microscopic changes were observed in transmitted light equipped with a polarizer. The micrographs were analyzed before and after biodegradation.
• Scanning electron microscope SEM analysis – micrographs were performed using a FEI Quanta 250 FEG at low vacuum mode (the pressure in chamber was 130 Pa). This mode provides the ability to analyze non-conductive samples without coating the surface layer of the drain electric charge. Imaging was performed with an accelerating voltage of 10 kV.
3. Results and discussion 3.1. Environmental parameters
The characteristic parameters of natural fresh water (pond) and fresh water under laboratory conditions are presented in Table 1.
Abiotic parameters have an influence on development of biotic parameters. Algae, heterotrophic and epilitic bacteria are present in fresh water (pond) [18, 19].Biotic and abiotic parameters should have an influence on the biodegradation process. Looking at the temperature of fresh water (pond) in summer months (July, August) we can state that the average temperature 18–19oC was slightly lower than that preferred for enzymatic degradation, which is in the range 20–60oC [14]. The temperature of fresh water with NaN3 was more favorable to degradation (19–23oC). The average value of pH in fresh water was alkaline 8,0–9,0 and was higher than that preferred for enzymatic degradation 5–8 [14]. The pH of fresh water with NaN3was more advantageous to degradation (6,8–8,2).
Table 1. Characteristic parameters of fresh water (pond) and laboratory fresh water environments Tabela 1. Charakterystyczne parametry wody słodkiej (stawu) i wody słodkiej w laboratorium
Incubation time [months] Fresh water (pond) Fresh water with NaN3
Temp. [oC] pH Temp. [oC] pH
July 19,3 8,3 23,4 6,8
August 18,5 8,4 21,9 7,7
September 12,3 8,5 19,5 8,2
October 9,7 8,0 13,5 7,6
November 7,0 9,0 20,3 8,0
December 3,8 8,3 19,9 7,1
Source: own research.
Źródło: opracowanie własne.
3.2. Macroscopic observations of polylactide surface after biodegradation process The macroscopic changes on the surface of polylactide samples after incubation in natural fresh water (pond) indicate on their slowly enzymatic degradation (Figure 1).
After 15 and 37 weeks incubation in fresh water (pond) the dark brown places on the polylactide surface could be observed. It was a consequence of small microorganisms activity (the algae, heterotrophic and epilitic bacteria were developed in the pond). After degradation polylactide samples have became more elastic and thin. There were not any holes and fragmentation of polylactide samples during all incubation time in natural fresh water.
No visible changes on the surface of polylactide samples after incubation in fresh water with sodium azide in laboratory could be observed. Because of the absence of microorganisms in laboratory after 37 weeks incubation the samples were in good condition. Only chemical hydrolysis could be expected. The macroscopic observations were in good agreement with changes of weight of polymer samples.
3.3. Weight changes of polylactide during biodegradation process
Looking at the results presented in Table 2 and Figure 1 we can compare the weight changes of polylactide in fresh water (pond) and fresh water with NaN3. During all incubation time the weight changes of polylactide samples were not very significant in both environments: in fresh water (pond) and in fresh water with so-dium azide. During 42 weeks of incubation in natural fresh water the weight changes of polylactide samples were from +0,6% to -0,4%. That small values of weight changes are probably due to low temperature during degradation for polylactide samples [17].
Blank
Fresh water (pond) 15 weeks Fresh water + NaN3 15 weeks
Fresh water (pond) 37 weeks Fresh water + NaN3 37 weeks
Fig. 1. Macroscopic observations of the surface of polylactide samples after degradation in different water environments
Source: own research.
Rys. 1. Obserwacje makroskopowe powierzchni próbek polilaktydu po degradacji w środowiskach wodnych Źródło: opracowanie własne.
Table 2. Weight changes [%] of polylactide samples after degradation in different water environments Tabela 2. Zmiany masy [%] próbek polilaktydu po degradacji w środowiskach wodnych
Incubation time [weeks] Environment
Fresh water (pond) Fresh water with NaN3
1 +0,6 -0,1
2 -0,1 -0,2
3 +0,3 -0,3
4 +0,2 -0,2
5 -0,4 +0,1
6 -0,1 -0,2
7 -0,1 -0,1
8 -0,3 0
9 -0,4 -0,1
10 -0,4 +0,2
11 -0,3 -0,1
12 -0,1 0
15 0 -0,1
18 -0,1 -0,1
23 -0,1 -0,2
26 0 -0,2
32 0 -0,3
37 -0,2 -0,2
42 +0,1 -0,3
Source: own research. Źródło: opracowanie własne.
In laboratory conditions the weight changes of polylactide samples were from +0,2% to - 0,3%. Degradation process in fresh water with sodium azide might be explained by non enzymatic hydrolysis. The hydrolysis was slower than enzymatic degradation of polymer samples in microbially active environments like fresh water [8, 19].
-0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 15 18 23 26 32 37 42
Weight changes [%] of starch
Incubation time [weeks]
Fresh water (pond) Fresh water with NaN3
Fig. 2. Weight changes [%] of polylactide samples after degradation in different water environments Source: own research.
Rys. 2. Zmiany masy [%] próbek polilaktydu po degradacji w środowiskach wodnych Źródło: opracowanie własne.
3.4. Hardness changes of polylactide samples during biodegradation process
The results presented in Table 3 have shown an increase of hardness polylactide samples after incubation in different water environments. The highest changes of hardness were observed for polylactide incubated in natural fresh water (pond). The results may be associated with an increase in crystallinity due to the degradation of polylactide. It confirms next results of DSC analysis and microscopic observations.
Table 3. Changes of hardness [ShoreA] of polylactide samples after incubation in different water environments
Tabela 3. Zmiany twardości [ShoreA] polilaktydu po inkubacji w środowiskach wodnych
Incubation time [weeks] Environment
Fresh water (pond) Fresh water with NaN3
0 75 75
15 68 78
37 44 59
Source: own research.
Źródło: opracowanie własne.
3.5. Crystallinity changes of polylactide during biodegradation process
The DSC results of PLA before and after incubation in different water environments, presented in Table 4, revealed the differences in its crystallinity. The obtained results indicate on significant increase of polylactide crystallinity after incubation in both water environments.
These results confirm that the hydrolytic degradation of PLA (the hydrolytic chain cleavage proceeds in amorphous regions) lead therefore to an increase of the polymer crystallinity. The degree of crystallinity from DSC results increases faster during degradation of polylactide in fresh water (pond).
Table 4. Changes of crystallinity [%] of polylactide samples after incubation in different water environments Tabela 4. Zmiany krystaliczności [%] polilaktydu po inkubacji w środowiskach wodnych
Incubation time [weeks] Environment
Fresh water (pond) Fresh water with NaN3
0 12,52 12.52
15 35,38 33,99
37 40,68 32,89
Source: own research.
Źródło: opracowanie własne.
3.6. Microscopic observations of polylactide surface and structure after biodegradation process
After incubation in natural environments the samples were not homogeusly destroyed and there were different images depending on where the picture was taken. The microscopic changes on the surface and structure of polylactide samples after incubation in natural fresh water (pond) and fresh water with sodium azide in laboratory are presented in Figure 3.
Blank
Fresh water (pond) 15 weeks Fresh water + NaN3 15 weeks
Fresh water (pond) 37 weeks Fresh water + NaN3 37 weeks
Fig. 3. Microscopic observations of polylactide samples under metallographic microscope after degradation in different water environments
Source: own research.
Rys. 3. Obserwacje mikroskopowe próbek polilaktyd pod mikroskopem metalograficznym po degradacji w środowiskach wodnych
Źródło: opracowanie własne.
The morphology of blank polylactide samples (when observed under metallographic microscope) were bright, without orientation. The samples were amorphous and only slightly crystalline (rarely occurring crystalline space was observed under microscope with the use of a polarizer). After 15 weeks incubation in fresh water we observed changes on the polylactide surface and structure, which indicated on the hydrolytic degradation and some dark places, which might be an evidence of presence of the microorganism agglomerations (heterotrophic and epilitic bacteria).
Microscopic observations under methalographic microscope with the use of a polarizer have shown the slowly increase of bright elements on the surface. It might be an evidence of increase in crystallinity as a result of degradation amorphous phase.
The hydrolytic degradation of PLA proceeds in two stages. The first stage occurs in amorphous region mainly because water penetration is facilitated through a disordered network of polymer chains, giving rise to more space and mobility for non-degraded chains, enhancing reorganization, and thus increasing crystallinity. The second stage starts after degradation of the major part of the amorphous area. The hydrolytic attack proceeds from the edge towards the centre of crystalline domains [25, 26].
Degradation process of polylactide samples in fresh water with sodium azide in laboratory was more slowly. There were no evident changes on morphology polylactide samples after 15 weeks incubation in fresh water with sodium azide in laboratory and after 37 weeks some changes indicate only on chemical hydrolysis.
3.7. Scanning electron microscope SEM analysis of polylactide after biodegradation process
The microscopic changes on the morphology of polylactide samples under SEM after incubation in natural fresh water (pond) and fresh water with sodium azide in laboratory are presented in Figure 4.
The morphology of blank polylactide samples were without orientation. After 15 and 37 weeks incubation in fresh water (pond) we observed changes on the polylactide morphology, which indicated on the enzymatic hydrolysis, which might be an evidence of presence of the microorganism activity.
Blank
Fresh water (pond) 15 weeks Fresh water + NaN3 15 weeks
Fresh water (pond) 37 weeks Fresh water + NaN337 weeks
Fig. 4. Microscopic observations of polylactide samples under SEM after degradation in different water environments
Source: own research.
Rys. 4. Obserwacje mikroskopowe próbek polilaktydu pod mikroskopem elektronowym po degradacji w środowiskach wodnych
Źródło: opracowanie własne.
Micrographs have shown the increase of bright elements on the surface of polylactide during all incubation time. It might be an evidence of increase in crystallinity as a result of degradation amorphous phase.
Degradation process of polylactide samples in fresh water with sodium azide in laboratory was not very significant. There were no evident changes on morphology polylactide samples after 15 weeks incubation in fresh water with sodium azide in laboratory and after 37 weeks some changes indicate only on chemical hydrolysis. It confirms results of DSC analysis and microscopic observations under metallographic microscope.
4. Conclusions
Abiotic parameters (temperature, pH) and biotic parameters (algae, bacteria) had an influence on the biodegradation process.
Natural fresh water (pond) was more favorable environment for biological degradation of polylactide. During degradation process, changes observed for polylactide samples in natural water environment (pond) were as a result of an enzymatic hydrolysis, but in fresh water in laboratory there were only chemical hydrolysis. The obtained results indicate that polylactide was not sensitive to enzymatic attack of microorganisms in natural environment and rather resistant to chemical hydrolysis.
Microscopic observations of the morphology of polylactide incubated in water environments lead to conclusion that the degradation this polymer occurred in two stages. The first stage consisted of the degradation of amorphous phase, resulting in the increase in crystallinity of the polymer. The second stage started, when most of the amorphous regions were degraded – next, the crystalline phase was degraded. The polylactide samples requires a longer incubation time for degradation in both water environments.
5. References
[1] Albertson A.C., Berenstedt C., Karlsson S. (1994) Journal of Applied Polymer Science, 51, 1097.
[2] Arias V., Olsen P., Odelius K., Höglund A., Albertsson A.C. (2015) Selective degra- dation in aliphatic bock copolyesters by controlling the heterogeneity of amorphous phase. Polymer Chemistry (on-line)
[3] Auras R.A., Harte B., Selke S., Hernandes R.J. (2003) Mechanical, physical, and barrier properties of poly(lactide) films. Journal of Plastic Film Sheet, 19, 123–135.
[4] Auras R.A., Harte B. (2004) An overview of polylactides as packaging materials.
Macromolecular Bioscience, 4, 835–864.
[5] Ikura Y., Kudo T. (1999) Isolation of a microorganism capable of degrading poly (L-lactide). Journal of General and Applied Microbiology, 45, 247.
[6] Itavaara M., Karjomaa S., Selin J.F. (2002) Biodegradation of polylactide in aerobic and anaerobic thermophilic conditions. Chemosphere, 46, 879–885.
[7] Haynes D., Abayasinghe N., Harrison G., Burg K., Smith J. (2007) In situ copolyesters containing poly(L-lactide) and poly(hydroxyalkanoate) units. Biomacromolecules, 8, 1131–1137.
[8] Heimowska A., Rutkowska M. (2014) Biodegradation of starch and poly(ε-caprolacto- ne) modified by starch in natural fresh water (pond) and sea water. Commodity Science in Research and Practice – Towards Sustainable Development, Kraków, pp. 89–103.
[9] Kale G., Auras R., Singh S.P. (2007) Comparison of the degradability of poly(lactide) packages in composting and ambient exposure conditions. Packaging Technology and Science, 20, 49–70.
[10] Kale G., Auras R., Singh S.P. (2006) Degradation of commercial biodegradable packa- ges under real composting and ambient exposure conditions. Journal of Polymer and Environments, 14, 317–334.
[11] Kale G., Auras R., Singh S.P., Narayan R. (2007) Biodegradability of polylactide bottles in real and simulated composting conditions. Polymer Testing, 26, 1049–1061.
[12] Kolstad J.J., Vink E.T.H., Wilde B., Debeer L. (2012) Assessment of anaerobic degra- dation of IngeoTMpolylactides under accelerated landfill conditions. Polymer Degra- dation and Stability, 97, 1131–1141.
[13] Li S., Girard A., Garreau H., Vert M. (2001) Enzymatic degradation of polylactide ste- reocopolymers with predominant D-lactyl contents. Polymer Degradation and Stability, 71, 61–67.
[14] Lenz W.R. (1993) Advances in Polymer Science, 107, Berlin, pp. 1–40.
[15] Ndazi B.S., Karlsson S. (2011) Characterization of hydrolytic degradation of polylactic acid/rice hulls composites in water at different temperatur es, eXPRESS Polymer Letters, 5 (2), 119-131. Available online at www.expresspolymlett.com
[16] Proikakis C.S., Mamuzelos N.J., Tarantili P.A., Andreopoulos A.G. (2006) Swelling and hydrolytic degradation of poly(D,L-lactic acid) in aqueous solutions. Polymer Degradation and Stabillity, 91 (3), 614–619.
[17] Rudeekit Y., Numnoi J., Tajan M., Chaiwutthinan P., Leejarkpai T. (2008) Determi- ning biodegradability of polylactic acid under different environments. Journal of Metals, Materials and Minerals, 18 (2), 83–87.
[18] Rutkowska M., Heimowska A. (2008) Degradacja materiałów polimerowych pocho- dzenia naturalnego w środowisku wody morskiej. Polimery, 53 (11–12), 854–864.
[19] Rutkowska M., Krasowska K., Heimowska A., Steinka I., Janik H., Haponiuk J., Karlsson S. (2002) Biodegradation of modified poly(ε-caprolactone) in different environments.
Polish Journal of Environmental Studies, 11 (4), 413–420.
[20] Rydz J., Wolna-Stypka K., Musioł M., Szeluga U., Janeczek H., Kowalczuk M. (2013) Further evidence of polylactide degradation in paraffin and in selected protic media.
A thermal analysis of eroded polylactide films. Polymer Degradation and Stability, 98, 1450–1457.
[21] Szumigaj J., Żakowska Z., Klimek L., Rosicka-Kaczmarek J., Bartkowiak A. (2008) Assessment of polylactide foil degradation as a result of filamentous fungi activity.
Polish Journal of Environmental Studies, 17 (3), 335–341.
[22] Tokiwa Y., Calabia B.P. (2006) Biodegradability and biodegradation of poly(lactide).
Applied Microbiology and Biotechnology, 72, 244.
[23] Torres A., Li S.M., Roussos S., Vert M. (1996) Degradation of L- and D,L-lactic acid oligomers in the presence of Fusarium moniliforme and Pseudomonas putida. Journal of Environmental Polymer Degradation, 4, 213.
[24] Torres A., Li S.M., Roussos S., Vert M. (1996) Screening of microorganisms for biodegradation of poly (lactic acid) and lactic acid-containing polymers. Applied Environmental Microbiology, 62, 2393.
[25] Tsuji H., Echizen Y., Nishimura Y. (2006) Photodegradation of biodegradable poly- esters: A comprehensive study on poly (L-lactide) and poly (ε-caprolactone). Polymer Degradation and Stability, 91, 1128.
[26] Vroman I., Tighzert L. (2009) Biodegradable polymers. Materials, 2, 307–344.
[27] www.biopak.com.au.
Summary
Polylactide or poly(lactic acid) (PLA) was formerly known as a hydrolyzable and unstable polyester used as packaging material due to its functional properties and its susceptibility to biodegradation. Degradation of this polyester, depending on both physical-chemical and mi- crobiological factors. The degree of biological polylactide degradation depends on the poly- mer chemical structure, crystalline phase portion, proper surface and hydrophilicity as well as external factors, i.e. pH or temperature. Microorganisms (thermophilic bacteria) and their enzymes (protease, lipase or hydrolase) are mainly responsible for PLA degradation in natural conditions.
The aim of this study is the estimation of degradation process of polylactide in natural fresh water. Biodegradation process of polylactide took place in natural environment in fresh water (pond). The characteristic parameters of environments (temperature, pH) were measured during experiment and their influence on the biodegradation of the samples was discussed.
The loss of weight, thermal changes and changes of structural and surface morphology of polymer samples were tested during the period of incubation.
The polylactide film were not very susceptible to microbiological attack during 12 months incubation in fresh water. Results were compared with polylactide incubated in fresh water with sodium azide in the same time (sodium azide was added into the water to eliminate the influence of microorganisms). The samples of poly(lactic acid) were resistant to chemical hydrolysis.
It is known that abiotic (temperature, pH) and also biotic parameters have an influence on the biodegradation process. Algae, heterotrophic and ephilitic bacteria are presented in fresh water like river or lake. The results have confirmed that polylactide is not very susceptible to an enzymatic attack of microorganisms (psychrophilic and mesophilic bacteria) present in natural environment at low temperature.
