atuВестник Алматинского технологического университетаThe Journal of Almaty Technological University2304-568X2710-0839АО "АТУ"10.48184/2304-568X-2024-1-133-143atu-1991Research ArticleТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВОЙ И ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИFOOD AND PROCESSING INDUSTRY TECHNOLOGYПолучение и исследование структурно-механических свойств биоразлагаемых пленок на основе желатинаPreparation and investigation of the structural and mechanical properties of biodegradable gelatin- based filmshttps://orcid.org/0000-0002-2926-4339АджиеваН. К.AjiyevaN. K.

050040, г. Алматы, пр. аль-Фараби, 71

050040, Almaty, al-Farabi Avenue, 71

nargiza_21.03@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5824-5535ЕрмагамбетоваА. Д.YermagambetovaA. D.

050040, г. Алматы, пр. аль-Фараби, 71

050040, Almaty, al-Farabi Avenue, 71

aika.9696@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3300-3235ТажибаеваС. М.TazhibayevaS. M.

050040, г. Алматы, пр. аль-Фараби, 71

050040, Almaty, al-Farabi Avenue, 71

tazhibayeva_s@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6149-2326ТюсюповаБ. Б.TyussyupovaB. B.

050040, г. Алматы, пр. аль-Фараби, 71

050040, Almaty, al-Farabi Avenue, 71

Baimuratovna78@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1114-1901МусабековК. Б.MusabekovK. B.

050000, г. Алматы, ул. Толе би, 59

050000, Almaty, Tole bi st., 59

Musabekov40@mail.ruКазахский национальный университет имени аль-ФарабиКазахстанAl-Farabi Kazakh National UniversityKazakhstanКазахстанско-Британский технический университетКазахстанKazakh-British Technical UniversityKazakhstan2024260320241431133143Copyright © Аджиева Н.К., Ермагамбетова А.Д., Тажибаева С.М., Тюсюпова Б.Б., Мусабеков К.Б., 20242024Аджиева Н.К., Ермагамбетова А.Д., Тажибаева С.М., Тюсюпова Б.Б., Мусабеков К.Б.Ajiyeva N.K., Yermagambetova A.D., Tazhibayeva S.M., Tyussyupova B.B., Musabekov K.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://atu.ejournal.kz/jour/article/view/1991

Получены биоразлагаемые плёнки на основе желатина в присутствии добавок карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), предназначенные для использования в качестве упаковок пищевых продуктов и носителей лекарственных веществ. Методами сканирующей электронной микроскопии и измерения шероховатости пленок установлено, что наибольшую шероховатость имеют пленки, полученные из смеси КМЦ-желатин. Показано, что введение КМЦ в состав пленок желатина приводит к резкому уменьшению прочности и модуля упругости пленок, однако деформация имеет максимальное значение при массовом соотношении КМЦ / желатин, равном 0,7. Это обусловлено образованием биокомпозитов за счет Н-связей и электростатических взаимодействий между функциональными группами белков желатина и макромолекул полисахарида, стабилизированных гидрофобными взаимодействиями между их неполярными участками. Изучены барьерные свойства пленок на основе КМЦ и желатина. Показано, что наибольшую воздухопроницаемость и наименьшую водоупорность имеют пленки на основе КМЦ, что связано с текстурированностью материала пленок. На основе данных ИК-спектроскопии установлено, что наиболее устойчивыми являются пленки, полученные из смеси КМЦ и желатина. Для регулирования деформации пленок использован глицерин.

Biodegradable gelatin-based films have been obtained in the presence of carboxymethylcellulose (CMC) additives intended for use as packaging of food products and drug carriers. By methods of scanning electron microscopy and measurement of film roughness, it was found that films obtained from a mixture of CMC and gelatin have the greatest roughness. It is shown that the introduction of CMC into the composition of gelatin films leads to a sharp decrease in the strength and modulus of elasticity of the films, however, the deformation has maximum values at a mass ratio of CMC / gelatin equal to 0.7. This is explained by the formation of associates due to H-bonds and electrostatic interactions between functional groups of gelatin proteins and polysaccharide macromolecules, stabilized by hydrophobic interactions between their nonpolar sites. The barrier properties of films based on CMC and gelatin have been studied. It is shown that CMC-based films have the highest air permeability and the lowest water resistance, which is due to the texture of the film material. Based on IR spectroscopy data, it was found that films obtained from a mixture of CMC and gelatin are the most stable. Glycerin was used to regulate the deformation of the films.

биоразлагаемые пленкижелатинкарбоксиметилцеллюлозаструктурообразованиепрочностьшероховатостьbiodegradable filmsgelatincarboxymethylcellulosestructure formationstrengthroughnessРабота выполнена в рамках гранта AP19677207 «Дизайн наноструктурированных бионанокомпозитов на основе природного сырья», финансируемого Комитетом науки МНВО РК.ReferencesBrito T.B., Carrajola J.F., Gonçalves E.C.B.A., Martelli-Tosi M., Ferreira M.S.L. Fruit and vegetable residues flours with different granulometry range as raw material for pectin-enriched biodegradable film preparation // Food Res Int. – 2019. - №121. – pp. 412–421. doi: https:/0/doi.org/10.1016/j.foodres.2019.03.058Brito T.B., Carrajola J.F., Gonçalves E.C.B.A., Martelli-Tosi M., Ferreira M.S.L. Fruit and vegetable residues flours with different granulometry range as raw material for pectin-enriched biodegradable film preparation // Food Res Int. – 2019. - №121. – pp. 412–421. doi: https:/0/doi.org/10.1016/j.foodres.2019.03.058Avérous L., Pollet E. Environmental silicate nano-biocomposites: Green energy technology // Springer London Ltd. - London: 2012. doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4471-4108-2Avérous L., Pollet E. Environmental silicate nano-biocomposites: Green energy technology // Springer London Ltd. - London: 2012. doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4471-4108-2Malathi A.N., Santhosh K.S., Udaykumar N. Recent trends of biodegradable polymer: Biodegradable films for food packaging and application of nanotechnology in biodegradable food packaging // AIMS Mol Sci. – 2016. - №3. – РР. 73-79. doi: https://doi.org/10.1021/acs.jafc.7b0452800Malathi A.N., Santhosh K.S., Udaykumar N. Recent trends of biodegradable polymer: Biodegradable films for food packaging and application of nanotechnology in biodegradable food packaging // AIMS Mol Sci. – 2016. - №3. – pp. 73-79. doi: https://doi.org/10.1021/acs.jafc.7b0452800Flieger M., Kantorová M., Prell A., Øezanka T., Votruba J. Biodegradable plastics from renewable sources // Folia Microbiol. – 2003. - №48. – РР. 27–44. doi: https://doi.org/10.1007/BF02931273Flieger M., Kantorová M., Prell A., Øezanka T., Votruba J. Biodegradable plastics from renewable sources // Folia Microbiol. – 2003. - №48. – pp. 27–44. doi: https://doi.org/10.1007/BF02931273Tripathi A., Srivastava S., Yadav A. Biopolymers: Potential biodegradable packaging material for food industry // Polym Packag Appl. – 2014. – РР. 153–172.Tripathi A., Srivastava S., Yadav A. Biopolymers: Potential biodegradable packaging material for food industry // Polym Packag Appl. – 2014. – pp. 153–172.Nur Hanani Z. A, Roos Y. H., Kerry J. P. Use and application of gelatin as potential biodegradable packaging materials for food products // International Journal of Biological Macromolecules. – 2014. - №71. – РР. 94–102. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2014.04.027Nur Hanani Z. A, Roos Y. H., Kerry J. P. Use and application of gelatin as potential biodegradable packaging materials for food products // International Journal of Biological Macromolecules. – 2014. - №71. – pp. 94–102. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2014.04.027Luzio G.A. Determination of galacturonic acid content of pectin using a microtiter plate assay // Proc. Fla. State Hort. Soc. – 2004. – V. 117. – РР. 416-421.Luzio G.A. Determination of galacturonic acid content of pectin using a microtiter plate assay // Proc. Fla. State Hort. Soc. – 2004. – V. 117. – pp. 416-421.Parker R., Ring S.G. Aspects of the Physical Chemistry of Starch // Journal of Cereal Science. – 2001. – V. 34. – РР. 1-17.Parker R., Ring S.G. Aspects of the Physical Chemistry of Starch // Journal of Cereal Science. – 2001. – V. 34. – pp. 1-17.Петропавловский Г.А. Гидрофильные частично замещенные эфиры целлюлозы и их модификация путем химического сшивания. – Л.: Наука, 1988. – 298 с.Petropavlovskii G.A. Gidrofilnye chastichno zameshchennye efiry tsellyulozy i ikh modifikatsiya putem khimicheskogo sshivaniya. – L.: Nauka, 1988. – 298 p. (In Russian).Юнусов Х.Э., Сарымсаков А.А., Рашидова С.Ш. Структура и свойства биоразлагаемых пленок карбоксиметилцеллюлозы, содержащих наночастицы серебра // Высокомолекулярные соединения. Серия А. – 2014. – Т. 56. - № 3. – С. 276–281.Yunusov Kh.E., Sarymsakov A.A., Rashidova S.Sh. Struktura i svoistva biorazlagaemykh plenok karboksimetiltsellyulozy, soderzhashchikh nanochastitsy serebra // Vysokomolekulyarnye soedineniya. Seriya A. – 2014. – T. 56. - № 3. – pp. 276–281. (In Russian).Савченко Л.Н., Маринина Т.Ф., Лукашук С.П. Современные подходы к лечению и профилактике заболеваний пародонта // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2012. – Т.14. - № 5 (3). – С. 758-760.Savchenko L.N., Marinina T.F., Lukashuk S.P. Sovremennye podkhody k lecheniyu i profilaktike zabolevanii parodonta // Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk. – 2012. – T.14. - № 5 (3). – pp. 758-760. (In Russian).Аль Насир Эйяд, Свиргун И.С., Лисянская А.П., Гладышева С.А. Изучение структурномеханических свойств пленочных масс с вазопрессином // Polish journal of science. – 2020. – V. 25. – РР.62-65.Al Nasir Eiyad, Svirgun I.S., Lisyanskaya A.P., Gladysheva S.A. Izuchenie strukturnomekhanicheskikh svoistv plenochnykh mass s vazopressinom // Polish journal of science. – 2020. – V. 25. – pp.62-65. (In Russian).Douglas de Britto, Jackeline S. de Rizzo, Odilio B. G. Effect of carboxymethyl cellulose and plasticizer concentration on wetting andmechanical properties of cashew tree gum–based films // Assis International Journal of Polymer Anal. Charact. – 2012. – V. 17. - Iss. 4. – РР. 302–311.Douglas de Britto, Jackeline S. de Rizzo, Odilio B. G. Effect of carboxymethyl cellulose and plasticizer concentration on wetting andmechanical properties of cashew tree gum–based films // Assis International Journal of Polymer Anal. Charact. – 2012. – V. 17. - Iss. 4. – pp. 302–311.Joydip Kundu, Riti Mohapatra, Kundu S. C. Silk Fibroin/Sodium Carboxymethylcellulose Blended Films for Biotechnological Applications // Journal of Biomaterials Science. - 2011. – V. 22. - Iss. 4(6). – РР. 519–539.Joydip Kundu, Riti Mohapatra, Kundu S. C. Silk Fibroin/Sodium Carboxymethylcellulose Blended Films for Biotechnological Applications // Journal of Biomaterials Science. - 2011. – V. 22. - Iss. 4(6). – pp. 519–539.Дышлюк Л.С., Просеков А.Ю. Исследование кинетики биоразложения, деформационнопрочностных и экотоксикологических свойств, газопроницаемости и водопоглощения антимикробных упаковочных биоразлагаемых пленок на основе природных полисахаридов//Вестник ВГУ, Серия: Химия. Биология. Фармация. – 2019. – Т. 2. – С. 40-47.Dyshlyuk L.S., Prosekov A.Yu. Issledovanie kinetiki biorazlozheniya, deformatsionno-prochnostnykh i ekotoksikologicheskikh svoistv, gazopronitsaemosti i vodopogloshcheniya antimikrobnykh upakovochnykh biorazlagaemykh plenok na osnove prirodnykh polisakharidov // Vestnik VGU, Seriya: Khimiya. Biologiya. Farmatsiya. – 2019. – T. 2. – pp. 40-47. (In Russian).Патент 2570905 Российская Федерация, МПК C08L23/06, C08L3/02, C08L101/16, C08K5/053. Способ получения биодеградируемой термопластичной композиции / Дышлюк Л.С., Белова Д.Д., Бабич О.О., Просеков А.Ю., Карчин К.В., Асякина Л.К.; патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Биотек». – № 2014126140/04; заявл. 26.06.2014; опубл. 20.12.2015.Patent 2570905 Rossiiskaya Federatsiya, MPK C08L23/06, C08L3/02, C08L101/16, C08K5/053. Sposob polucheniya biodegradiruemoi termoplastichnoi kompozitsii / Dyshlyuk L.S., Belova D.D., Babich O.O., Prosekov A.Yu., Karchin K.V., Asyakina L.K.; patentoobladatel Obshchestvo s ogranichennoi otvetstvennostyu Biotek– № 2014126140/04; zayavl 26.06.2014; opubl 20.12.2015. (In Russian).Abdelhedi O., Salem A., Nasri R., Nasri M., Jridi M. Food applications of bioactive marine gelatin films // Curr. Opin. Food Sci. – 2021. – №43. – pp. 206–215.Abdelhedi O., Salem A., Nasri R., Nasri M., Jridi M. Food applications of bioactive marine gelatin films // Curr. Opin. Food Sci. – 2021. – №43. – pp. 206–215.Roy S., Rhim J.W. Fabrication of carboxymethyl cellulose/agar-based functional films hybridized with alizarin and grapefruit seed extract // ACS Appl. Bio Mater. – 2021. - №4. – РР. 4470–4478.Roy S., Rhim J.W. Fabrication of carboxymethyl cellulose/agar-based functional films hybridized with alizarin and grapefruit seed extract // ACS Appl. Bio Mater. – 2021. - №4. – pp. 4470–4478.Morrison N.A., Clark R.C., Chen Y.L., Talashek T., Sworn G. Gelatin alternatives for the food industry // Progr Colloid Polym Sci. – 1999. - №114. – РР. 127–131.Morrison N.A., Clark R.C., Chen Y.L., Talashek T., Sworn G. Gelatin alternatives for the food industry // Progr Colloid Polym Sci. – 1999. - №114. – pp. 127–131.Mariod A.A., Adam H.F. Review: gelatin, source, extraction and industrial applications // Acta Sci Pol Technol Aliment. – 2013. - №12 (2). – РР. 135–147.Mariod A.A., Adam H.F. Review: gelatin, source, extraction and industrial applications // Acta Sci Pol Technol Aliment. – 2013. - №12 (2). – pp. 135–147.Ramos M., Valdés A., Beltrán A., Garrigós M. C. Gelatin-Based Films and Coatings for Food Packaging Applications // Coatings. – 2016. - №6(4). – Р. 41. doi: https://doi.org/10.3390/coatings6040041Ramos M., Valdés A., Beltrán A., Garrigós M. C. Gelatin-Based Films and Coatings for Food Packaging Applications // Coatings. – 2016. - №6(4). – p. 41. doi: https://doi.org/10.3390/coatings6040041Said N. S., Sarbon N. M. Response Surface Methodology (RSM) of Chicken Skin Gelatin Based Composite Films with Rice Starch and Curcumin Incorporation. // Polym. Test. – 2020. - №81. – РР. 106161. doi: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2019.106161Said N. S., Sarbon N. M. Response Surface Methodology (RSM) of Chicken Skin Gelatin Based Composite Films with Rice Starch and Curcumin Incorporation. // Polym. Test. – 2020. - №81. – pp. 106161. doi: ttps://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2019.106161Gulati I., Park J., Maken S., Lee M.G. Production of Carboxymethyl cellulose fibers from waste lignocellulosic sawdust using NaOH/NaClO2 pretreatment // Fibers Polym. – 2014. - №15. – РР. 680–686.Gulati I., Park J., Maken S., Lee M.G. Production of Carboxymethyl cellulose fibers from waste lignocellulosic sawdust using NaOH/NaClO2 pretreatment // Fibers Polym. – 2014. - №15. – pp. 680–686.Kumar H., Gaur A., Kumar S., Park J.W. Development of silver nanoparticles-loaded CMC hydrogel using bamboo as a raw material for special medical applications. Chem Pap, 2018.Kumar H., Gaur A., Kumar S., Park J.W. Development of silver nanoparticles-loaded CMC hydrogel using bamboo as a raw material for special medical applications. Chem Pap, 2018.Joshi G., Naithani S., Varshney V.K., Bisht S.S., Rana V., Gupta P.K. Synthesis and characterization of carboxymethyl cellulose from office waste paper: A greener approach towards waste management // Waste Manage. – 2014. - №38. – РР. 33–40.Joshi G., Naithani S., Varshney V.K., Bisht S.S., Rana V., Gupta P.K. Synthesis and characterization of carboxymethyl cellulose from office waste paper: A greener approach towards waste management // Waste Manage. – 2014. - №38. – pp. 33–40.Mohkami M., Talaeipour M. Investigation of the chemical structure of carboxylated and carboxymethylated fibers from waste paper via XRD and FTIR analysis // Bio Resources. – 2011. - №6. – РР.1988–2003.Mohkami M., Talaeipour M. Investigation of the chemical structure of carboxylated and carboxymethylated fibers from waste paper via XRD and FTIR analysis // Bio Resources. – 2011. - №6. – pp.1988–2003.Togrul H., Arslan N. Production of carboxymethyl cellulose from sugar beet pulp cellulose and rheological behavior of carboxymethyl cellulose // Carbohydr Polym. – 2003. - №54. – РР.73–82.Togrul H., Arslan N. Production of carboxymethyl cellulose from sugar beet pulp cellulose and rheological behavior of carboxymethyl cellulose // Carbohydr Polym. – 2003. - №54. – pp.73–82.Almasi H., Ghanbarzadeh B., Entezami A.A. Physicochemical properties of Starch CMC-nonclay biodegradable films // Int J Biol Macromol. – 2010. - №46. – РР. 1–5.Almasi H., Ghanbarzadeh B., Entezami A.A. Physicochemical properties of Starch CMC-nonclay biodegradable films // Int J Biol Macromol. – 2010. - №46. – pp. 1–5.Каширина Е.И. Разработка системы гипоаллергенной упаковки белков в полимерный матрикс: дис. канд. хим. наук: 03.01.06. Москва. 2017. 149 с.Kashirina E.I. Razrabotka sistemy gipoallergennoj upakovki belkov v polimernyj matriks: dis. kand. khim. nauk: 03.01.06. Moskva. 2017. 149 p. (In Russian).Lu D. R., Xiao C. M., Xu S. Starch-based completely biodegradable polymer materials // Polymer Letters. – 2009. – V. 3. - №6. – РР. 366–375.Lu D. R., Xiao C. M., Xu S. Starch-based completely biodegradable polymer materials // Polymer Letters. – 2009. – V. 3. - №6. – pp. 366–375.Mu C., Guo J., Li X., Lin W. and Li D. Preparation and Properties of dialdehyde carboxymethyl cellulose crosslinked gelatine edible films // Food Hydrocolloids. – 2012. – vol. 27. - №1. – РР. 22–29. doi: https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2011.09.005Mu C., Guo J., Li X., Lin W. and Li D. Preparation and Properties of dialdehyde carboxymethyl cellulose crosslinked gelatine edible films // Food Hydrocolloids. – 2012. – vol. 27. - №1. – pp. 22–29. doi: https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2011.09.005Briassoulis D., Innocenti F.D. Standards for soil biodegradable plastics. In: Malinconico M., editor. Soil Degradable Bioplastics for a Sustainable Modern Agriculture. Springer; Cham, Switzerland: 2017. РР. 139–168.Briassoulis D., Innocenti F.D. Standards for soil biodegradable plastics. In: Malinconico M., editor. Soil Degradable Bioplastics for a Sustainable Modern Agriculture. Springer; Cham, Switzerland: 2017. pp. 139–168.Emadian S.M., Onay T.T., Demirel B. Bio-degradation of bioplastics in natural environments // Waste Manag. – 2017. – №59. – РР. 526–536. doi: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2016.10.006Emadian S.M., Onay T.T., Demirel B. Bio-degradation of bioplastics in natural environments // Waste Manag. – 2017. – №59. – pp. 526–536. doi: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2016.10.006Agarwal S. Biodegradable polymers: Present opportunities and challenges in providing a micro-plastic-free environment // Macromol. Chem. Phys. – 2020. – №221. – Р. 2000017. doi: https://doi.org/10.1002/macp.202000017Agarwal S. Biodegradable polymers: Present opportunities and challenges in providing a micro-plastic-free environment // Macromol. Chem. Phys. – 2020. – №221. – p. 2000017. doi: https://doi.org/10.1002/macp.202000017Duan Z., Thomas N.L. Water Vapour Permeability of Poly(Lactic Acid): Crystallinity and the Tortuous Path Model. // J. Appl. Phys. – 2014. - №115. – Р. 64903.Duan Z., Thomas N.L. Water Vapour Permeability of Poly(Lactic Acid): Crystallinity and the Tortuous Path Model. // J. Appl. Phys. – 2014. - №115. – p. 64903.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.