Разработка состава пленочных материалов на основе полисахаридов для пищевой упаковки

Проведены исследования степени набухания, паро- и кислородопроницаемости пленочных образцов на основе крахмалов различного ботанического происхождения (картофельного, кукурузного, пшеничного, рисового) и натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), пластифицированных глицерином, сорбитом, или их смесями, и сшитых органической кислотой (лимонной, янтарной или глутаровой). Установлено, что лучший комплекс свойств демонстрируют пленки на основе кукурузного или пшеничного крахмала в случае, когда содержание КМЦ в полимерной композиции составляет не менее 20 %, а пластификатором является глицерин. При включении в полимерную композицию поливинилового спирта (ПВС) значительно улучшаются механические свойства пленочных образцов. С помощью методологии поверхности отклика проведена оптимизация состава пленок на основе кукурузного крахмала и КМЦ (80:20 мас./мас.) при варьировании содержания в композиции ПВС и глицерина (независимые переменные). На основании данных регрессионного анализа определены закономерности влияния концентрации независимых переменных, а также природы сшивающего агента на эксплуатационные характеристики пленочных материалов. Установлено, что в большей степени улучшить барьерные и механические свойства образцов позволяет использование в качестве сшивающего агента лимонной кислоты. Пленки на основе кукурузного крахмала/КМЦ/ПВС/лимонной кислоты, имеющие минимальные степень набухания и паропроницаемость, максимальную прочность на разрыв и высокое удлинение были определены как перспективные материалы для упаковки пищевых продуктов.

1. Geyer, R. Production, use, and fate of synthetic polymers / R. Geyer // In: Plastic Waste and Recycling. — London: Academic Press, 2020. — Р. 13–32. DOI: 10.1016/b978-0-12-817880-5.00002-5.

2. Renewable polymers and plastics: Performance beyond the green / A. Pellis [еt al.] // New Biotechnol. — 2021. — Vol. 60. — Р. 146–158. DOI: 10.1016/j.nbt.2020.10.003.

3. Starch-based biodegradable materials: сhallenges and opportunities / T. Jiang [еt al.] // Adv. Ind. Eng. Polym. Res. — 2020. — Vol. 3. — No. 1. — Р. 8–18. DOI: 10.1016/j.aiepr.2019.11.003.

4. Recent developments of carboxymethyl cellulose / M. S. Rahman [еt al.] // Polymers. — 2021. — Vol. 13. — No. 8. — Р. 1345–1393. DOI: 10.3390/polym13081345.

5. Limpongsa, E. Modification of release and penetration behavior of water-soluble active ingredient from ballmilled glutinous starch matrix via carboxymethylcellulose blending / E. Limpongsa, M. T. Soe, N. Jaipakdee // Int. J. Biol. Macromol. Part B. — 2021. — Vol. 193. — No. 1. — P. 2271–2280. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2021.11.059.

6. Preparation and characterization of cassava starch/sodium carboxymethyl cellulose edible film incorporating apple polyphenols / L. Lin [еt al.] // Int. J. Biol. Macromol. — 2022. — Vol. 212. — No. 1. — Р. 155–164. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2022.05.121.

7. Effect of k-carrageenan on mechanical, thermal and biodegradable properties of starch–carboxymethyl cellulose (CMC) bioplastic / A. H. D. Abdullah [еt al.] // Cellul. Chem. Technol. — 2021. — Vol. 55. — No. 9–10. — Р. 1109–1117. DOI: 10.35812/CelluloseChemTechnol.2021.55.95.

8. Corn starch reactive blending with latex from natural rubber using Na+ ions augmented carboxymethyl cellulose as a crosslinking agent / N. Leksawasdi [еt al.] // Sci. Rep. — 2021. — Vol. 11. — No. 1. — Р. 19250. DOI: 10.1038/s41598-021-98807-x.

9. Almasi, H. Physicochemical properties of starch–CMC–nanoclay biodegradable films / H. Almasi, B. Ghanbarzadeh, A. A. Entezami // Int. J. Biol. Macromol. — 2010. — Vol. 46. — No. 1. — Р. 1–5. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2009.10.001.

10. Mechanical properties improvement of thermoplastic corn starch and polyethylene-grafted-maleic anhydride blending by Na+ ions neutralization of carboxymethyl cellulose / К. Jantanasakulwong [еt al.] // Int. J. Biol. Macromol. Part А. — 2018. — Vol. 120. — Р. 297–301. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2018.08.076.

11. A review of polyvinyl alcohol/carboxymethyl cellulose (PVA/CMC) composites for various applications / H. N. Khoramabadi [еt al.] // J. Compos. Compods. — 2020. — Vol. 2. — Р. 69–76. DOI: 10.29252/jcc.2.2.2.

12. Synthesis, structural, and physical properties of polyvinyl alcohol/carboxymethyl cellulose blend films induced by gamma-irradiation / M. F. Zaki [еt al.] // Opt. Quant. Electron. — 2023. — Vol. 55. — Р. 1000. DOI: 10.1007/s11082-023-05284-9.

13. Design of magnesium oxide nanoparticle incorporated carboxy methyl cellulose/poly vinyl alcohol composite film with novel composition for skin tissue engineering / N. Verma [еt al.] // Materials Technology. — 2021. — Vol. 37. — No. 21. — Р. 1–11. DOI: 10.1080/10667857.2021.1873634.

14. Poly(vinyl alcohol)/modified cassava starch blends plasticized with glycerol and sorbitol / P. Boonsuk [еt al.] // J. Appl. Polym. Sci. — 2022. — Vol. 139. — No. 24. — Р. 52362. DOI: 10.1002/app.52362.

15. Physicochemical properties for food packaging and toxicity behaviors against healthy cells of environmentally friendly biocompatible starch/citric acid/polyvinyl alcohol biocomposite films / N. Gürler [еt al.] // Starch– Stärke. — 2021. — Vol. 75. — No. 3–4. — Р. 2100074. DOI: 10.1002/star.202100074.

16. Physico-chemical, mechanical and morphological properties of biodegradable films based on arrowroot starch and poly(vinyl alcohol) / J. A. A. Nascimento [еt al.] // J. Macromol. Sci. Part B. — 2021. — Vol. 60. — No. 12. — Р. 1–24. DOI: 10.1080/00222348.2021.1949836.

17. Bella, G. R. Polyvinyl alcohol/starch/carboxymethyl cellulose ternary polymer blends: synthesis, characterization and thermal properties / G. R. Bella, R. S. J. Jeevitha, S. A. T. Booshan // Int. J. Res. Pharm. Sci. — 2016. — Vol. 3. — No. 6. — Р. 43–50.

18. Kapil, G. Synthesis and characterization of PVA/starch/CMC composite films reinforced with walnut shell flour / G. Kapil, L. Sohan, A.·Sanjiv // SN Appl. Sci. — 2019. — Vol. 1. — P. 1416. DOI: 10.1007/s42452-019-1462-8.

19. Boonthod, C. Development of polyvinyl alcohol/carboxymethyl cellulose/starch biodegradable film for active packaging / C. Boonthod. — Bangkok : Silpakorn University, 2022. — 70 р.

20. Изучение зависимости параметров сшивки гидрогелей на основе синтетических и природных полимеров от их состава / Т. Г. Тюрина [и др.] // Вест. ДонНУ. Сер. А: Естеств. науки. — 2022. — № 1. — С. 115–122.

21. ГОСТ 21472-81. Материалы листовые. Гравиметрический метод определения паропроницаемости. — Москва : Стандартинформ, 2008. — 8 с.

22. Wittaya-areekul, S. Development and in vitro evaluation of chitosan–polysaccharides composite wound dressings / S. Wittaya-areekul, C. Prahsarn // Int. J. Pharm. — 2006. — Vol. 313. — No. 1–2. — Р. 123–128. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2006.01.027.

23. Influence of starch composition and molecular weight on physicochemical properties of biodegradable films / D. Domene-López [et al.] // Polymers. — 2019. — Vol. 11. — No. 7. — Р. 1084. DOI: 10.3390/polym11071084.

24. ГОСТ Р 57432-2017. Упаковка. Пленки из биоразлагаемого материала. Общие технические условия. — Москва : Стандартинформ, 2019. — 8 с.

25. Effect of glyoxal concentration on the properties of corn starch/poly(vinyl alcohol)/carvacrol nanoemulsion active films / M. Cheng [еt al.] // Ind. Crops. Prod. — 2021. — Vol. 171. — Р. 113864. DOI: 10.1016/j.indcrop.2021.113864.

26. Polysaccharide-based blend films as a promising material for food packaging applications: physicochemical properties / V. D. Hiremani, [еt al.] // Iran. Polym. J. — 2022. — Vol. 31. — Р. 503–518. DOI: 10.1007/s13726-021-01014-8.

27. Development and characterization of PVA-starch incorporated with coconut shell extract and sepiolite clay as an antioxidant film for active food packaging applications / R. Tanwar [еt al.] // Int. J. Biol. Macromol. — 2021. — Vol. 185. — Р. 451–461. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2021.06.179.