Preparation and regulation of structural-mechanical properties of biodegradable films based on starch and agar

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.213226

Ключові слова:

biodegradable films, starch, agar, structure formation, mechanical properties, puncture resistance

Анотація

The problem of recycling polymer waste is one of the most actual problems. One way to solve this problem is to create biodegradable food packaging. By mixing solutions of starch and agar at different mass ratios of polymers in the presence of glycerol, biodegradable films are obtained. Their structural and mechanical characteristics are determined. It is shown that the values of strength, modulus of elasticity and puncture resistance of films are maximal at the mass ratio of agar/starch 7-9. A comparison of the roughness of the films obtained from starch, agar and their mixture showed that the greatest roughness is possessed by films based on starch. The introduction of agar into the films of starch leads to a significant reduction in their roughness.

To regulate the structural and mechanical properties of films, it is proposed to use Cа and Mg salts. The influence of Ca2+ and Mg2+ ions on the strength and deformation characteristics of biofilms was studied. It is shown that Ca2+ ions monotonically increase the strength characteristics of starch-agar films, while the curves of changes in these parameters in the presence of Mg2+ ions have maxima at a concentration of 0.5 %. The difference in the effect of Ca2+ and Mg2+ ions on the structural and mechanical properties of films is explained by the hydration degree of these ions.

The biodegradability of starch-agar films was controlled by changing their IR spectra. The most significant changes are observed in the intensity and localization of peaks corresponding to O-H, C-H and C-C bonds, which can be evidence of changes in the structure of films due to the destruction of the grid of hydrogen bonds and hydrophobic interactions, as well as the break of hydrocarbon chains and the destruction of the skeleton of carbohydrate molecules.

Спонсори дослідження

  • This work was supported by the Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan
  • Project No АР05132126.

Біографії авторів

Sagdat Tazhibayeva, Al-Farabi Kazakh National University Al-Farabi ave., 71, Almaty, Kazakhstan, 050040

Doctor of Chemical Sciences, Professor

Department of Analytical, Colloid Chemistry and Technology of Rare Elements

Bakyt Tyussyupova, Al-Farabi Kazakh National University Al-Farabi ave., 71, Almaty, Kazakhstan, 050040

PhD, Associate Professor

Department of Analytical, Colloid Chemistry and Technology of Rare Elements

Aigerim Yermagambetova, Al-Farabi Kazakh National University Al-Farabi ave., 71, Almaty, Kazakhstan, 050040

PhD Student

Department of Analytical, Colloid Chemistry and Technology of Rare Elements

Azymbek Kokanbayev, Al-Farabi Kazakh National University Al-Farabi ave., 71, Almaty, Kazakhstan, 050040

PhD, Professor

Department of Analytical, Colloid Chemistry and Technology of Rare Elements

Kuanyshbek Musabekov, Al-Farabi Kazakh National University Al-Farabi ave., 71, Almaty, Kazakhstan, 050040

Doctor of Chemical Sciences, Professor

Department of Analytical, Colloid Chemistry and Technology of Rare Elements

Посилання

  1. Nur Hanani, Z. A., Roos, Y. H., Kerry, J. P. (2014). Use and application of gelatin as potential biodegradable packaging materials for food products. International Journal of Biological Macromolecules, 71, 94–102. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2014.04.027
  2. González, A., Alvarez Igarzabal, C. I. (2013). Soy protein – Poly (lactic acid) bilayer films as biodegradable material for active food packaging. Food Hydrocolloids, 33 (2), 289–296. doi: https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2013.03.010
  3. Arnon, H., Granit, R., Porat, R., Poverenov, E. (2015). Development of polysaccharides-based edible coatings for citrus fruits: A layer-by-layer approach. Food Chemistry, 166, 465–472. doi: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2014.06.061
  4. Hosseini, S. F., Rezaei, M., Zandi, M., Farahmandghavi, F. (2016). Development of bioactive fish gelatin/chitosan nanoparticles composite films with antimicrobial properties. Food Chemistry, 194, 1266–1274. doi: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.09.004
  5. Wu, Y., Luo, X., Li, W., Song, R., Li, J., Li, Y. et. al. (2016). Green and biodegradable composite films with novel antimicrobial performance based on cellulose. Food Chemistry, 197, 250–256. doi: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.10.127
  6. Min, T., Zhu, Z., Sun, X., Yuan, Z., Zha, J., Wen, Y. (2020). Highly efficient antifogging and antibacterial food packaging film fabricated by novel quaternary ammonium chitosan composite. Food Chemistry, 308, 125682. doi: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.125682
  7. Kanmani, P., Rhim, J.-W. (2014). Physicochemical properties of gelatin/silver nanoparticle antimicrobial composite films. Food Chemistry, 148, 162–169. doi: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2013.10.047
  8. Ghasemlou, M., Khodaiyan, F., Oromiehie, A., Yarmand, M. S. (2011). Development and characterisation of a new biodegradable edible film made from kefiran, an exopolysaccharide obtained from kefir grains. Food Chemistry, 127 (4), 1496–1502. doi: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2011.02.003
  9. Razavi, S. M. A., Mohammad Amini, A., Zahedi, Y. (2015). Characterisation of a new biodegradable edible film based on sage seed gum: Influence of plasticiser type and concentration. Food Hydrocolloids, 43, 290–298. doi: https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2014.05.028
  10. Pellá, M. C. G., Silva, O. A., Pellá, M. G., Beneton, A. G., Caetano, J., Simões, M. R., Dragunski, D. C. (2020). Effect of gelatin and casein additions on starch edible biodegradable films for fruit surface coating. Food Chemistry, 309, 125764. doi: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.125764
  11. Fan, J., Cao, Y., Li, T., Li, J., Qian, X., Shen, J. (2015). Unmodified Starch Granules for Strengthening Mineral-Filled Cellulosic Fiber Networks Promoted by Starch Pretreatment with a Cationic Polymer Flocculant in Combination with the Use of an Anionic Microparticulate Material. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 3 (8), 1866–1872. doi: https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5b00469
  12. Gómez-Aldapa, C. A., Velazquez, G., Gutierrez, M. C., Rangel-Vargas, E., Castro-Rosas, J., Aguirre-Loredo, R. Y. (2020). Effect of polyvinyl alcohol on the physicochemical properties of biodegradable starch films. Materials Chemistry and Physics, 239, 122027. doi: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.122027
  13. Ezeoha, S. L. (2013). Production of Biodegradable Plastic Packaging Film from Cassava Starch. IOSR Journal of Engineering, 3 (10), 14–20. doi: https://doi.org/10.9790/3021-031051420
  14. Shahabi-Ghahfarrokhi, I., Goudarzi, V., Babaei-Ghazvini, A. (2019). Production of starch based biopolymer by green photochemical reaction at different UV region as a food packaging material: Physicochemical characterization. International Journal of Biological Macromolecules, 122, 201–209. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.10.154
  15. Avérous, L., Pollet, E. (2013). Macro-, Micro-, and Nanocomposites Based on Biodegradable Polymers. Handbook of Biopolymer-Based Materials, 173–210. doi: https://doi.org/10.1002/9783527652457.ch7
  16. Leach, S. J. (2012). Physical Principles and Techniques of Protein Chemistry Part C (Molecular biology; an international series of monographs and textbooks). Academic Press, 623.
  17. Imeson, A. (2009). Agar. Food Stabilisers, Thickeners and Gelling Agents, 31–49. doi: https://doi.org/10.1002/9781444314724.ch3
  18. Argüello-García, E., Solorza-Feria, J., Rendón-Villalobos, J. R., Rodríguez-González, F., Jiménez-Pérez, A., Flores-Huicochea, E. (2014). Properties of Edible Films Based on Oxidized Starch and Zein. International Journal of Polymer Science, 2014, 1–9. doi: https://doi.org/10.1155/2014/292404
  19. Elgabarty, H., Kampfrath, T., Bonthuis, D. J., Balos, V., Kaliannan, N. K., Loche, P. et. al. (2020). Energy transfer within the hydrogen bonding network of water following resonant terahertz excitation. Science Advances, 6 (17), eaay7074. doi: https://doi.org/10.1126/sciadv.aay7074
  20. Kralova, I., Sjöblom, J. (2009). Surfactants Used in Food Industry: A Review. Journal of Dispersion Science and Technology, 30 (9), 1363–1383. doi: https://doi.org/10.1080/01932690902735561
  21. Pasternak, K., Kocot, J., Horecka, A. (2010). Biochemistry of magnesium. Journal of Elementology, 15 (3), 601–616. doi: https://doi.org/10.5601/jelem.2010.15.3.601-616
  22. Moscovici, M. (2015). Present and future medical applications of microbial exopolysaccharides. Frontiers in Microbiology, 6. doi: https://doi.org/10.3389/fmicb.2015.01012

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-10-31

Як цитувати

Tazhibayeva, S., Tyussyupova, B., Yermagambetova, A., Kokanbayev, A., & Musabekov, K. (2020). Preparation and regulation of structural-mechanical properties of biodegradable films based on starch and agar. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(6 (107), 40–48. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.213226

Номер

Том 5 № 6 (107) (2020): Технології органічних та неорганічних речовин

Розділ

Технології органічних та неорганічних речовин

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Sagdat Tazhibayeva, Bakyt Tyussyupova, Aigerim Yermagambetova, Azymbek Kokanbayev, Kuanyshbek Musabekov

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.