kaz44Вестник Университета Шакарима. Серия технические наукиBulletin of Shakarim University. Technical Sciences2788-79953006-0524«Шәкәрім университеті» КеАҚ10.53360/2788-7995-2025-1(17)-28kaz44-1736Research ArticleПИЩЕВАЯ ИНЖЕНЕРИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ (ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ)FOOD ENGINEERING AND BIOTECHNOLOGY (ORIGINAL ARTICLE)БИОРАЗЛОЖЕНИЕ И ЭКОТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПИЩЕВЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ПОЛИКАПРОЛАКТОНА И МОДИФИЦИРОВАННОГО КРАХМАЛАBIODEGRADATION AND ECOTOXICOLOGICAL ASSESSMENT OF FOOD FILMS BASED ON POLYCAPROLACTONE AND MODIFIED STARCHhttps://orcid.org/0000-0002-6043-4658ОспанкуловаГ. Х.OspankulovaG. Kh.

Гульназым Хамитовна Оспанкулова – кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры «Технологии пищевых и перерабатывающих производств»

010000, г. Астана, Женис, 62

Gulnazym Khamitovna Ospankulova – Candidate of Biological Sciences, Senior Lecturer at the Department of «Food and Processing Technologies»

010000, Astana, Zhenis Avenue, 62

 

bulashevag@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0009-5428-0822МұратханМ.MuratkhanM.

Марат Мұратхан – докторант кафедры «Пищевая технология»

071412, г. Семей, ул. Глинки, 20 А

Marat Muratkhan – Doctoral student at the Department of «Food Technology»

071412, Semey, Glinki Street, 20A

 

marat@nwafu.edu.cnhttps://orcid.org/0009-0001-5031-8717ЛиВ.LiW.

Венхао Ли – PhD, и.о ассоциированного профессора факультета пищевой технологии и инженерии

050040, г. Янлин, пр. Тайчен, 3 

Wenhao Li – PhD, Acting Associate Professor at the Faculty of Food Technology and Engineering

050040, Yangling, Taichen Road, 3

liwenhao@nwsuaf.edu.cnhttps://orcid.org/0000-0003-1953-3686ЕвлампиеваЕ. П.YevlampiyevaYe. P.

Елена Петровна Евлампиева – кандидат биологических наук, координатор Центра организации научных иccледований

071412, г. Семей, ул. Глинки, 20 А

Yelena Petrovna Yevlampiyeva – Candidate of Biological Sciences, Coordinator of the Research Organization Center

010000, Astana, Zhenis Avenue, 62

elena_semei@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1441-9796ЕрмековЕ. Е.YermekovYe. Ye.

Ерназ Ермекович Ермеков  – докторант кафедры «Технология пищевых и перерабатывающих производств»

010000, г. Астана, Женис, 62

Yernaz Yermekovich Yermekov  – Doctoral student at the Department of «Food and Processing Technologies»

010000, Astana, Zhenis Avenue, 62

yernazyermekov@outlook.comКазахский агротехнический исследовательский университет имени С.СейфуллинаКазахстанS. Seifullin Kazakh Agrotechnical Research UniversityKazakhstanУниверситет имени Шакарима города СемейКазахстанShakarim University of SemeyKazakhstanСеверо-западный университет сельского и лесного хозяйстваКитайNorthwest A&F UniversityChina20252903202501(17)217225Copyright © Оспанкулова Г.Х., Мұратхан М., Ли В., Евлампиева Е.П., Ермеков Е.Е., 20252025Оспанкулова Г.Х., Мұратхан М., Ли В., Евлампиева Е.П., Ермеков Е.Е.Ospankulova G.K., Muratkhan M., Li W., Yevlampiyeva Y.P., Yermekov Y.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tech.vestnik.shakarim.kz/jour/article/view/1736

Проблема загрязнения окружающей среды пластиком приобрела глобальный характер, что делает разработку биоразлагаемых материалов крайне актуальной задачей. Традиционные пластиковые упаковки разлагаются сотни лет, вызывая накопление отходов в почве, воде и атмосфере. В данной работе исследуется процесс биоразложения пищевых пленок на основе поликапролактона (PCL) и модифицированного крахмала, а также их экотоксикологическое влияние. Экспериментально определены скорость разложения пленок в естественных условиях и в компосте, а также их устойчивость к воздействию микроорганизмов. Результаты показали, что биоразложение пленок напрямую зависит от содержания крахмала: чем выше его концентрация, тем быстрее пленка разлагается. В компостных условиях этот процесс идет значительно интенсивнее, чем в природной среде, что делает возможным их промышленную утилизацию. В то же время, высокая концентрация PCL замедляет биоразложение, но при этом повышает стабильность пленки. Экотоксикологические испытания подтвердили, что продукты разложения пленок не оказывают вредного влияния на почвенные микроорганизмы. Это делает их перспективным решением для создания экологически безопасной пищевой упаковки. Полученные результаты демонстрируют возможность широкого применения PCL-крахмальных композитов, а также необходимость дальнейших исследований по оптимизации их состава. Внедрение таких материалов в промышленное производство позволит снизить нагрузку на окружающую среду.

The global issue of plastic pollution necessitates the development of sustainable biodegradable materials. Traditional plastic packaging takes hundreds of years to degrade, accumulating in soil, water bodies, and ecosystems. This study investigates the biodegradation process of food films based on polycaprolactone (PCL) and modified starch, as well as their environmental impact. The degradation rate of these films was analyzed under natural and composting conditions, along with their resistance to microbial exposure. The results demonstrated that biodegradation is directly influenced by starch content: higher concentrations led to faster degradation, making the films more adaptable to natural environmental cycles. In composting environments, decomposition occurred at a significantly accelerated rate compared to natural soil conditions, suggesting their potential for industrial composting. However, a higher PCL content slowed down biodegradation while increasing film stability. Ecotoxicological studies confirmed that the degradation products of these films did not negatively affect soil microbial activity, indicating their environmental safety. These findings highlight the potential of PCL-starch composites as eco-friendly packaging solutions. The study underscores the necessity for further optimization of biodegradable film formulations to enhance their performance in different environmental settings. Implementing these materials in commercial packaging could significantly reduce plastic waste and environmental pollution.

биоразлагаемые пленкикрахмалполикапролактон (PCL)механическая прочностьбиоразложениемикробиологическая устойчивостьbiodegradable filmsstarchpolycaprolactone (PCL)mechanical strengthbiodegradationmicrobiological resistanceДанное исследование было профинансировано Министерством науки и высшего образования Республики Казахстан BR22883587 «Совершенствование и разработка наукоемких технологий глубокой переработки сельскохозяйственного сырья для укрепления продовольственной безопасности РК».ReferencesRajendran R.C. Packaging applications of fungal mycelium-based biodegradable composites / R.C. Rajendran // Fungal Biopolymers and Biocomposites: Prospects and Avenues. – 2022. – Р. 189-208.Rajendran R.C. Packaging applications of fungal mycelium-based biodegradable composites / R.C. Rajendran // Fungal Biopolymers and Biocomposites: Prospects and Avenues. – 2022. – Р. 189-208.OECD Global Plastics Outlook: Economic Drivers, Environmental Impacts and Policy Options. – Paris: OECD Publishing, 2022.OECD Global Plastics Outlook: Economic Drivers, Environmental Impacts and Policy Options. – Paris: OECD Publishing, 2022.Plastic pollution, waste management issues, and circular economy opportunities in rural communities / F.-C. Mihai et al // Sustainability. – 2021. – Т. 14, № 1. – Р. 20.Plastic pollution, waste management issues, and circular economy opportunities in rural communities / F.-C. Mihai et al // Sustainability. – 2021. – Т. 14, № 1. – Р. 20.European current standardization for plastic packaging recoverable through composting and biodegradation / М. Avella et al // Polymer testing. – 2001. – Т. 20, № 5. – Р. 517-521.European current standardization for plastic packaging recoverable through composting and biodegradation / М. Avella et al // Polymer testing. – 2001. – Т. 20, № 5. – Р. 517-521.Biodegradation of poly (ε-caprolactone)/starch blends and composites in composting and culture environments: the effect of compatibilization on the inherent biodegradability of the host polymer / R. Singh et al // Carbohydrate Research. – 2003. – Т. 338, № 17. – Р. 1759-1769.Biodegradation of poly (ε-caprolactone)/starch blends and composites in composting and culture environments: the effect of compatibilization on the inherent biodegradability of the host polymer / R. Singh et al // Carbohydrate Research. – 2003. – Т. 338, № 17. – Р. 1759-1769.Biodegradation behaviors of thermoplastic starch (TPS) and thermoplastic dialdehyde starch (TPDAS) under controlled composting conditions / Y.-L. Du et al // Polymer Testing. – 2008. – Т. 27, № 8. – Р. 924-930.Biodegradation behaviors of thermoplastic starch (TPS) and thermoplastic dialdehyde starch (TPDAS) under controlled composting conditions / Y.-L. Du et al // Polymer Testing. – 2008. – Т. 27, № 8. – Р. 924-930.Structure and properties of biodegradable gluten/aliphatic polyester blends / S.W. Lim et al // European polymer journal. – 1999. – Т. 35, № 10. – Р. 1875-1881.Structure and properties of biodegradable gluten/aliphatic polyester blends / S.W. Lim et al // European polymer journal. – 1999. – Т. 35, № 10. – Р. 1875-1881.Physical state and biodegradation behavior of starch-polycaprolactone systems / С. Bastioli et al // Journal of environmental polymer degradation. – 1995. – Т. 3. – Р. 81-95.Physical state and biodegradation behavior of starch-polycaprolactone systems / С. Bastioli et al // Journal of environmental polymer degradation. – 1995. – Т. 3. – Р. 81-95.Particle size and concentration of poly (ɛ-caprolactone) and adipate modified starch blend on mineralization in soils with differing textures / М. César et al // Polymer Testing. – 2009. – Т. 28, № 7. – Р. 680-687.Particle size and concentration of poly (ɛ-caprolactone) and adipate modified starch blend on mineralization in soils with differing textures / М. César et al // Polymer Testing. – 2009. – Т. 28, № 7. – Р. 680-687.Effects of natural polymer acetylation on the anaerobic bioconversion to methane and carbon dioxide / С. Rivard et al // Applied biochemistry and biotechnology. – 1992. – Т. 34. – Р. 725-736.Effects of natural polymer acetylation on the anaerobic bioconversion to methane and carbon dioxide / С. Rivard et al // Applied biochemistry and biotechnology. – 1992. – Т. 34. – Р. 725-736.Ideonella sakaiensis, PETase, and MHETase: From identification of microbial PET degradation to enzyme characterization / S. Yoshida et al // Methods in enzymology. – 2021. – Т. 648. – Р. 187205.Ideonella sakaiensis, PETase, and MHETase: From identification of microbial PET degradation to enzyme characterization / S. Yoshida et al // Methods in enzymology. – 2021. – Т. 648. – Р. 187205.Fate of Biodegradable Polymers Under Industrial Conditions for Anaerobic Digestion and Aerobic Composting of Food Waste / F. Bandini et al // Journal of Polymers and the Environment. – 2020. – Т. 28. – Р. 2539-2550.Fate of Biodegradable Polymers Under Industrial Conditions for Anaerobic Digestion and Aerobic Composting of Food Waste / F. Bandini et al // Journal of Polymers and the Environment. – 2020. – Т. 28. – Р. 2539-2550.Fogašová M. PLA/PHB-Based Materials Fully Biodegradable under Both Industrial and Home-Composting Conditions / M. Fogašová, S. Figalla, L. Danišová // Polymers. – 2022. – Т. 14.Fogašová M. PLA/PHB-Based Materials Fully Biodegradable under Both Industrial and Home-Composting Conditions / M. Fogašová, S. Figalla, L. Danišová // Polymers. – 2022. – Т. 14.Enhancing the biodegradation rate of poly(lactic acid) films and PLA bio-nanocomposites in simulated composting through bioaugmentation / Е. Castro-Aguirre et al // Polymer Degradation and Stability. – 2018.Enhancing the biodegradation rate of poly(lactic acid) films and PLA bio-nanocomposites in simulated composting through bioaugmentation / Е. Castro-Aguirre et al // Polymer Degradation and Stability. – 2018.Challenges and Opportunities in Scaling up Architectural Applications of Mycelium-Based Materials with Digital Fabrication / S. Bitting et al // Biomimetics. – 2022. – Т. 7.Challenges and Opportunities in Scaling up Architectural Applications of Mycelium-Based Materials with Digital Fabrication / S. Bitting et al // Biomimetics. – 2022. – Т. 7.Biofabrication of Nanocellulose–Mycelium Hybrid Materials / N. Attias et al // Advanced Sustainable Systems. – 2020. – Т. 5.Biofabrication of Nanocellulose–Mycelium Hybrid Materials / N. Attias et al // Advanced Sustainable Systems. – 2020. – Т. 5.Algae-Based Biodegradable Eco-Friendly Food Packaging Design: A Case-Control Study with Thermoforming Process / L.R. Parada et al // DYNA. – 2023.Algae-Based Biodegradable Eco-Friendly Food Packaging Design: A Case-Control Study with Thermoforming Process / L.R. Parada et al // DYNA. – 2023.Algal cellulose, production and potential use in plastics: Challenges and opportunities / Е. Zanchetta et al // Algal Research. – 2021.Algal cellulose, production and potential use in plastics: Challenges and opportunities / Е. Zanchetta et al // Algal Research. – 2021.Preparation and characterization of polypropylene/polylactide blends and nanocomposites and their biodegradation study / D.K. Mandal et al // Journal of Thermoplastic Composite Materials. – 2021. – Т. 34, № 6. – Р. 725-744.Preparation and characterization of polypropylene/polylactide blends and nanocomposites and their biodegradation study / D.K. Mandal et al // Journal of Thermoplastic Composite Materials. – 2021. – Т. 34, № 6. – Р. 725-744.Preparation and study of novel biodegradable blends based on gelatinized starch and 1, 4-transpolyisoprene (gutta percha) for food packaging or biomedical applications / I. Arvanitoyannis et al // Carbohydrate Polymers. – 1997. – Т. 34, № 4. – Р. 291-302.Preparation and study of novel biodegradable blends based on gelatinized starch and 1, 4-transpolyisoprene (gutta percha) for food packaging or biomedical applications / I. Arvanitoyannis et al // Carbohydrate Polymers. – 1997. – Т. 34, № 4. – Р. 291-302.Wu C.-S. Physical properties and biodegradability of maleated-polycaprolactone/starch composite / C.-S. Wu // Polymer degradation and stability. – 2003. – Т. 80, № 1. – Р. 127-134.Wu C.-S. Physical properties and biodegradability of maleated-polycaprolactone/starch composite / C.-S. Wu // Polymer degradation and stability. – 2003. – Т. 80, № 1. – Р. 127-134.

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