МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПИЩЕВЫХ БИОРАЗЛАГАЕМЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ПШЕНИЧНОГО КРАХМАЛА И PCL

Рост экологической осознанности и ужесточение регуляторных требований (например, директив ООН по устойчивому развитию) стимулируют переход от традиционных пластиков к биоразлагаемым аналогам. В пищевой промышленности такие материалы особенно востребованы для производства упаковочных пленок, которые должны сочетать функциональность, безопасность и способность к деградации в природных условиях Cовременные тенденции в области разработки биоразлагаемой упаковки ориентированы на создание экологически безопасных материалов с высокой функциональностью и экономической эффективностью. Особый интерес представляют смеси поликапролактона (PCL) и крахмала, которые способны сочетать биоразлагаемость с необходимыми механическими и барьерными свойствами. В данной работе исследуется влияние состава крахмал-PCL-композитов на их механические характеристики, а также предложена математическая модель для прогнозирования прочности пленок на основе различных параметров состава. Экспериментальные исследования включали приготовление гранул и пленок с использованием экструзии и последующее определение прочностных характеристик. Применение математического моделирования позволило выявить оптимальные составы пленок, обеспечивающие требуемый баланс прочности, гибкости и биоразлагаемости. Полученные результаты подтверждают перспективность использования смесей PCL и крахмала в качестве альтернативы традиционным пластиковым упаковочным материалам, а разработанная модель может быть полезна для дальнейшего совершенствования технологий производства биоразлагаемых пленок. 

1. Bangar S.P. Nano-cellulose reinforced starch bio composite films-A review on green composites / S.P. Bangar, W.S. Whiteside // International journal of biological macromolecules. – 2021. – Т. 185. – Р. 849-860.

2. Agar-Agar and Chitosan as Precursors in the Synthesis of Functional Film for Foods: A Review / C.R. Contessa et al // Macromol. – 2023. – Т. 3, № 2. – Р. 275-289.

3. Extending the Postharvest Shelf Life of Strawberries Through a κ-Carrageenan/Starch-Based Coating Enriched with Zinc Oxide Nanoparticles / A.R. da Silva Bruni et al // ACS Food Science & Technology. – 2024. – Т. 4, № 12. – Р. 2967-2979.

4. Agricultural waste-derived cellulose nanocrystals for sustainable active food packaging applications / T. Ghosh et al // Food Hydrocolloids. – 2024. – Р. 110141.

5. Recent advances in starch–clay nanocomposites / G. Madhumitha et al // International Journal of Polymer Analysis and Characterization. – 2018. – Т. 23, № 4. – Р. 331-345.

6. Utilization of lignin fractions in UV resistant lignin-PLA biocomposites via lignin-lactide grafting / S.Y. Park et al // International journal of biological macromolecules. – 2019. – Т. 138. – Р. 10291034.

7. Di Lorenzo M.L. Poly (l-lactic acid)/poly (butylene succinate) biobased biodegradable blends / M.L. Di Lorenzo // Polymer Reviews. – 2021. – Т. 61, № 3. – Р. 457-492.

8. Gupta V.M. A Comprehensive Review of Biodegradable Polymer-Based Films and Coatings and Their Food Packaging Applications / V.M. Gupta, D. Biswas, S. Roy // Materials. – 2022. – Т. 15.

9. Rocha M. Biodegradable Films / M. Rocha, M.M. de Souza, C. Prentice // An Alternative Food Packaging. – 2018. – Р. 307-342.

10. Calva-Estrada S.J. Protein-Based Films: Advances in the Development of Biomaterials Applicable to Food Packaging / S.J. Calva-Estrada, M. Jiménez‐Fernández, E. Lugo-Cervantes // Food Engineering Reviews. – 2019. – Т. 11. – Р. 78-92.

11. Polysaccharide-based films and coatings for food packaging: A review / Р. Cazón et al // Food Hydrocolloids. – 2017. – Т. 68. – H. 136-148.

12. Ramos M. Property Improvement of Polybutylene Succinate (PBS), Polyhydroxybutyrate (PHB), and Polylactic Acid (PLA) Films with PCL (Polycaprolactone) for Flexible Packaging Application / M. Ramos, S. Govindan, A. Al-Jumaily // Materials Science Forum. – 2023. – Т. 1087. – Р. 41-50.

13. Sydow Z. The overview on the use of natural fibers reinforced composites for food packaging / Z. Sydow, K. Bieńczak // Journal of Natural Fibers. – 2019. – Т. 16. – Р. 1189-1200.

14. Environment-Friendly Biopolymers for Food Packaging / S.P.S. Aung et al // Protein, and Polylactic Acid (PLA). – 2018.

15. Development of Bio-Composites with Enhanced Antioxidant Activity Based on Poly(lactic acid) with Thymol, Carvacrol, Limonene, or Cinnamaldehyde for Active Food Packaging / М. Siddiqui et al // Polymers. – 2021. – Т. 13.

16. (Bio)degradable polymers as a potential material for food packaging: studies on the (bio)degradation process of PLA/(R,S)-PHB rigid foils under industrial composting conditions / М. Musioł et al // European Food Research and Technology. – 2016. – Т. 242. – Р. 815-823.

17. Woodruff M.A. The return of a forgotten polymer—Polycaprolactone in the 21st century / M.A. Woodruff, D.W. Hutmacher // Progress in polymer science. – 2010. – Т. 35, № 10. – Р. 1217-1256.

18. Silvestre C. Food packaging based on polymer nanomaterials / C. Silvestre, D. Duraccio, S. Cimmino // Progress in polymer science. – 2011. – Т. 36, № 12. – Р. 1766-1782.

19. Gutiérrez T.J. In-depth study from gluten/PCL-based food packaging films obtained under reactive extrusion conditions using chrome octanoate as a potential food grade catalyst / T.J. Gutiérrez, J.R. Mendieta, R. Ortega-Toro // Food Hydrocolloids. – 2021. – Т. 111. – Р. 106255.

20. Enzymatic chain scission kinetics of poly (ε-caprolactone) monolayers / А. Kulkarni et al // Langmuir. – 2007. – Т. 23, № 24. – Р. 12202-12207.

21. Processing and characterization of LDPE/starch/PCL blends / Р. Matzinos Et al // European Polymer Journal. – 2002. – Т. 38, № 9. – Р. 1713-1720.

22. Processing and characterization of starch/polycaprolactone products / Р. Matzinos et al // Polymer Degradation and Stability. – 2002. – Т. 77, № 1. – Р. 17-24.

23. Preparation and properties of thermoplastic poly (caprolactone) composites containing high amount of esterified starch without plasticizer / Y. Sun et al // Carbohydrate polymers. – 2016. – Т. 139. – Р. 28-34.

24. Synthesis and Characterization of Functionalized Crosslinkable Poly (ε‐caprolactone) / Р. Laurienzo et al // Macromolecular Chemistry and Physics. – 2006. – Т. 207, № 20. – Р. 1861-1869.

25. Reactive compatibilization of plant polysaccharides and biobased polymers: Review on current strategies, expectations and reality / В. Imre et al // Carbohydrate Polymers. – 2019. – Т. 209. – Р. 20-37.

26. Properties of starch after extrusion: A review / J. Ye et al // Starch‐Stärke. – 2018. – Т. 70, № 11-12. – Р. 1700110.

27. Toughening PLA composites with natural fibers and enR / А. Shakoor et al // SPE Automotive Composites Conference & Exhibition at Troy, Michigan, USA from 11th to 13th September. – 2012.

28. The effect of temperature and pressure on polycaprolactone morphology / C. Baptista et al // Polymer. – 2020. – Т. 191. – C. 122227.