Разработка биоразлагаемых пищевых пленок на основе коллагенсодержащей ихтиосубстанции из отходов трески: влияние хитозана и пластификаторов на механические и барьерные свойства

DOI:

Колотова Д. С. и др. Разработка биоразлагаемых пищевых пленок на основе коллагенсодержащей ихтиосубстанции из отходов трески: влияние хитозана и пластификаторов на механические и барьерные свойства. Вестник МГТУ. 2026. Т. 29, № 3. С. 317–334. DOI: 10.21443/1560-9278-2026-29-3-317-334.

Производство и широкое применение синтетической пластиковой упаковки для хранения пищевой продукции, несмотря на ее низкую стоимость, высокую прочность и отличные барьерные характеристики, связаны со значительными экологическими рисками. На долю упаковки из пластика сегодня приходится около 40 % всех пластиковых отходов в мире ( Kumar et al., 2025 ). При этом уровень переработки пластиковых отходов остается низким: по разным оценкам лишь 6–26 % пластиковых отходов перерабатываются для повторного использования, в том время как большая их часть накапливается на свалках или в естественной среде. При этом более 70 % этого объема приходится на одноразовый пластик, который в основном используется для упаковки пищи ( Ncube et al., 2021 ). Наиболее серьезные опасения вызывает накопление значительных объемов неразлагаемых пластиковых отходов в окружающей среде, которые наносят непоправимый вред природе и животному миру ( Robles-Vargas et al., 2025; Sheriff et al., 2025 ). Все это способствует стремительному развитию рынка биополимерных упаковочных материалов ( Kumar et al., 2025 ).

Биоразлагаемые упаковочные материалы, получаемые из возобновляемых источников, могут стать перспективным решением проблемы загрязнения окружающей среды, благодаря чему они активно изучаются в течение последних десятилетий ( He et al., 2025; Kumar et al., 2025 ). Биополимеры, такие как крахмал ( Onyeaka et al., 2022 ), целлюлоза ( Liu et al., 2023 ), животные и растительные белки ( Zubair et al., 2020 ), а также полимолочная кислота ( Rajendran et al., 2024 ), являются биоразлагаемыми, что делает их перспективными материалами для разработки безопасной альтернативы синтетическим полимерам. Многие из этих биополимеров получают из агропромышленных отходов, что повышает экологичность и экономическую целесообразность использования биоупаковки ( Kumar et al., 2025 ). Эти биополимеры особенно востребованы в пищевой промышленности благодаря тому, что могут содержать биологически активные вещества, такие как натуральные противомикробные средства или антиоксиданты, которые помогают продлить срок хранения продуктов и предотвратить их порчу ( Shaikh et al., 2021 ). Некоторые натуральные биополимеры обладают отличными пленкообразующими свойствами. Полисахариды, такие как целлюлоза, пектин, крахмал и альгинат натрия, обладают достаточными барьерными свойствами, а белки (например, казеин, желатин, проламины) способствуют повышению механической прочности, прозрачности и эластичности пленок ( Kumar et al., 2025 ). Дополнительные добавки, такие как каррагинан, пуллулан, кефиран и хитозан, обладают функциональными преимуществами, в том числе антимикробной активностью и сниженной паропроницаемостью ( Liyanapathiranage et al., 2023; Rostamabadi et al., 2024 ).

Пленки на основе желатина – продукта гидролиза коллагена, обладают высокой растяжимостью и высокой прозрачностью, но меньшей прочностью на разрыв и большей растворимостью в воде ( Ramos et al., 2016 ). В сочетании с полисахаридами или биоактивными веществами, такими как хитозан, желатиновые покрытия эффективно подавляют развитие патогенных микроорганизмов, продлевая тем самым сроки хранения продукции, и демонстрируют увеличение барьерных свойств ( Сергазиева и др., 2025; Li et al., 2025 ). В целом пленки на основе животных белков превосходят полисахаридные матрицы по механическим свойствам и паропроницаемости, но более чувствительны к влаге. Благодаря съедобности, прозрачности и совместимости с функциональными добавками они идеально подходят для нанесения покрытий и создания активной упаковки, представляя собой биоразлагаемую и безопасную альтернативу синтетическим полимерам.

В контексте поиска решений для повышения ресурсоэффективности важное значение приобретает разработка упаковочных материалов с применением биополимеров, полученных из биологических отходов. Особый интерес представляет рыбный желатин, выделяемый из рыбных отходов промысловых рыб ( Еремеева и др., 2023 ). При разделке рыб образуется значительное количество побочных продуктов, в том числе кожа и чешуя, представляющих собой ценный источник желатина. При этом доля кожи и чешуи достигает 10 % от массы рыбы ( Олдырев и др., 2023; Казакова и др., 2024 ). Кроме того, рыбный желатин более безопасен по сравнению с желатином из крупного рогатого скота, использование которого несет потенциальные риски возникновения аллергических реакций и передачи патогенов, вызывающих прионные заболевания, такие как губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота ( Gómez-Guillén et al., 2009 ).

Таким образом, внедрение технологии биоразлагаемых пищевых покрытий на основе желатина, выделенного из кожи и чешуи рыб, в сочетании с полисахаридами природного происхождения обеспечивает одновременное решение двух приоритетных задач: разработку экологически чистых защитных покрытий для применения в пищевой промышленности и рациональное использование продуктов переработки отходов рыбного производства в качестве основного сырья для данных покрытий. Комплексный подход способствует снижению антропогенной нагрузки и рациональному использованию биоресурсов.

Целью работы является разработка биоразлагаемых пищевых пленок на основе коллагенсодержащей ихтиосубстанции, выделенной из отходов трески (кожи и чешуи), а также изучение влияния хитозана и пластификаторов (глицерина и сорбитола) на механические и барьерные свойства пленок.

Материалы и методы

В качестве сырья для получения коллагенсодержащей ихтиосубстанции использовали кожу и чешую трески атлантической. Свежее сырье промывали в проточной воде, замораживали и хранили в морозильной камере при температуре ‒20 °С. Жидкую ихтиосубстанцию получали по методике, описанной в работе (Олдырев и др., 2023), с незначительными модификациями. Замороженное сырье измельчали в мясорубке, после чего смешивали измельченные кожу и чешую с 3%-м раствором уксусной кислоты в соотношении 1 : 1,15. рН полученной смеси составил 4,15. Проводили кислотный гидролиз в течение 40 мин при температуре 60,0 ± 0,5 °С и постоянном перемешивании со скоростью 400 об/мин. Нерастворивщуюся часть отделяли путем фильтрации через капроновую ткань, после чего полученный фильтрат дважды центрифугировали со скоростью 5000 об/мин в течение 15 мин с использованием лабораторной центрифуги UC-1536E (ULAB, Китай). После получения жидкую ихтиосубстанцию направляли на анализ и использовали для приготовления пленок.

Содержание белка в жидкой ихтиосубстанции определяли спектрофотометрическим методом Варбурга – Кристиана ( Layne, 1957 ), основанном на поглощении ультрафиолетового света белками при значениях длины волны 260 и 280 нм, с использованием ультрафиолетового спектрометра UNICO-2800 (UNICO, США) при толщине слоя 10 мм и температуре 25 °С.

Содержание золы в ихтиосубстанции устанавливали путем сжигания образцов в муфельной печи при температуре 550 ± 2 °С.

Содержание влаги определяли путем высушивания образцов пленок в сушильном шкафу при 105 ±2 °С до постоянной массы.

Молекулярно-массовый состав ихтиосубстанции определяли методом вертикального электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия (ПААГ-электрофорез) с использованием установки Mini-PROTEAN t etra (bio-RAD, США), оснащенной источником питания Эльф-8 ( ООО "ДНК-Технология", Россия). Для разделения белков использовали градиентные полиакриламидные пластины и протеиновые гели TGX с концентрацией геля 8–16 % (BIO-RAD, США). Разделение белковых фракций проводили при силе тока 20 мА и напряжении 100 В. Для определения молекулярных масс белковых фракций использовали электрофоретический анализ подвижности стандартных маркеров (Servicebio Technology, Китай) – белков с известной молекулярной массой от 200 кДа до 10 кДа.

Готовили раствор хитозана из панциря креветки (Sigma, США) c концентрацией 4 мас.% в растворе уксусной кислоты с концентрацией 3 %. Степень деацетилирования хитозана составляет 76,2 %, среднемассовая молекулярная масса – 250 кДа ( Derkach et al., 2025 ).

Готовили смеси ихтиосубстанции, хитозана и пластификатора в соотношениях, указанных в табл. 1. После гомогенизации смесей проводили дегазацию под вакуумом при комнатной температуре в течение 30 мин для удаления растворенного воздуха. Готовые смеси массой 60,0 ± 0,2 г заливали в силиконовые формы размером 13,5 x 13,5 см и равномерно распределяли по дну формы. Силиконовые формы помещали в сушильный шкаф с принудительной конвекцией и высушивали при температуре 45 ± 2 °С в течение 16 ч. После сушки готовые пленки аккуратно извлекали из форм и хранили в герметично закрывающихся zip-пакетах во избежание поглощения влаги и загрязнения пленок. В качестве образца сравнения использовали стандартную пищевую пленку из полиэтилена.

Таблица 1. Состав смесей, используемых для изготовления пленок Table 1. Composition of mixtures used for film fabrication

Образец	Пластификатор	Содержание ихтиосубстанции, мас.%	Содержание 4%-го р-ра хитозана, мас.%	Содержание пластификатора, мас.%
1	Глицерин	70	26	4
2		60	37	3
3	Сорбитол	70	26	4
4		60	37	3

Изменение цвета пленок исследовали с использованием спектроцветопределителя ColorReader CR9 (3nh, Китай). Полученные образцы анализировали c использованием модели CIE Lab. Общее цветовое отличие Δ E , выражающее отклонение воспроизводимого цвета от эталонного белого образца, определяли по формуле

A E = ( A L ² + A a ² + A b ²)^0.5, (1) где L – яркость (от 0 до 100, где 0 – черный, 100 – белый); a – параметр, выражающий изменение оттенка от зеленого до красного; b – параметр, выражающий изменение оттенка от синего до желтого.

Толщину готовых пленок измеряли в 10 различных точках при помощи цифрового микрометра Rexbeti (Китай) с погрешностью измерений 0,001 мм.

Растворимость пленок в воде определяли гравиметрическим методом. Пленки предварительно высушивали в сушильном шкафу при 105 ± 2 °С, охлаждали до комнатной температуры, после чего добавляли 10 мл дистиллированной воды и выдерживали в закрытых емкостях в течение суток при комнатной температуре, осуществляя периодическое перемешивание. Нерастворившуюся часть пленки отделяли от растворителя декантацией, после чего пленки высушивали до постоянной массы при 105 °С. Растворимость пленок определяли по формуле

R ₌ m 0   ^m 1 _хЮ₀ ,

m ₀

где m o – масса пленки до растворения, г; m 1 – масса пленки после выдерживания в воде и сушки, г.

Значение коэффициента пропускания пленок ( T ₆₀₀) определяли с использованием ультрафиолетового спектрометра UNICO-2800 (UNICO, США) при длине волны 600 нм относительно воздуха.

Исследование механических свойств пленок проводили с использованием разрывной машины ZP-500 (Китай), оснащенной динамометром с предельной нагрузкой 500 Н и электронным датчиком хода. Для испытаний вырезали образцы пленок размером 7 x 1 см. Исследование механических свойств пленок проводили в соответствии с ГОСТ Р 35226-2008¹.

Влагопоглощение пленок измеряли путем выдерживания высушенных образцов в эксикаторе с влажностью ≥ 98 % в течение 24 ч при температуре 25 ± 2 °С с последующим взвешиванием. Влагопоглощение ( X , %) рассчитывали по формуле

т

X = mw x 100, m ₀

где m w – масса влаги, поглощенной образцом через время t , г; m 0 – масса высушенной пленки, г.

Проницаемость пленок выявляли гравиметрическим методом, основанном на определении количества водяного пара, проходящего через материал, в соответствии с ГОСТ 21472-81² с модификациями. Для этого образцы пленок закрепляли на горлышках пробирок объемом 4 мл и диаметром 1,5 см, в которые предварительно помещали по 1 мл дистиллированной воды. Взвешивали пробирки с водой и пленками, после чего помещали в эксикатор и выдерживали при температуре 25 ± 2 °С в течение суток. Взвешивание пробирок проводили через 24 ч. Проницаемость пленок по отношению к водяному пару ( WVP , г/м²) рассчитывали по формуле

WVP =

10 xA m

S

где Δ m – изменение массы пробирки за время t , г; S – испытуемая площадь образца, м².

Поверхность пленок исследовали методом оптической микроскопии с использованием стереомикроскопа МС-1 вар. 2С Digital (Микромед, Россия) при 4-кратном увеличении.

Инфракрасные спектры пропускания пленок регистрировали с использованием инфракрасного спектрометра с Фурье-преобразованием ФСМ 2202 (Инфраспек, Россия), оснащенном приставкой НПВО-Алмаз (Инфраспек, Россия) в диапазоне частот 4 000–600 см–1 (количество сканирований – 50) с разрешением 4 см–1. В качестве спектра сравнения использовали спектр чистой алмазной призмы. Проводили сравнение полученных спектров пленок со спектрами, полученными для образцов индивидуальных веществ, входящих в состав пленок.

Термические свойства пленок исследовали с использованием дифференциального сканирующего калориметра DZ-DSC300C (NanJing Testing Instruments, Китай). Регистрировали зависимость теплового потока ( dQ / dT ) от температуры. Перед измерениями прибор калибровали по стандартным материалам (In, Sn). Образцы пленок массой 10–12 мг вырезали по форме тигля, плотно укладывали в алюминиевый тигель с проколотой крышкой. В качестве образца сравнения использовали аналогичный пустой тигель с проколотой крышкой. Образцы исследовали в токе азота (скорость подачи – 25 мл/мин) в режиме нагрева со скоростью 10 °С/мин в диапазоне температур от 0 до 200 °С. Перед каждым измерением исследуемый образец выдерживали при температуре начала эксперимента (0 °С) в течение 5 мин.

Биоразлагаемость пленок исследовали путем экспозиции на поверхности и в толще увлажненного универсального питательного грунта. Биоразлагаемость пленок в почве определяли визуально, а также с использованием оптического микроскопа CX43 (Olympus, Япония). Эксперимент проводили в условиях естественного освещения в течение 20 суток при температуре 25 ± 2 °С и относительной влажности воздуха не более 65 %.

Статистическую обработку данных проводили в программной среде Microsoft Office с использованием t -критерия Стьюдента при доверительной вероятности P = 95 %. Полученные значения выражали как среднее значение трех измерений со стандартным отклонением.

Результаты и обсуждение

Получена коллагенсодержащая ихтиосубстанция из отходов переработки атлантической трески – кожи и чешуи, выход жидкой ихтиосубстанции составил 72 ± 1,0 %. Ихтиосубстанция представляет собой полупрозрачную жидкость светло-желтого цвета с характерным слабым уксусным запахом. Содержание влаги в образце составляет 91,2 ± 0,2 %, белка – 7,0 ± 1,0 %, золы – 0,65 ± 0,01 %. Полученная коллагенсодержащая ихтиосубстанция характеризуется значением pH = 3,98 (табл. 2). Использование ихтиосубстанции в составе биоразлагаемых пленок способно оказывать ингибирующее действие на рост микроорганизмов за счет кислой среды, что потенциально повышает защитные свойства конечных материалов.

Таблица 2. Выход и характеристики ихтиосубстанции, выделенной из кожи и чешуи атлантической трески Table 2. Yield and characteristics of ichthyosubstance extracted from the skin and scales of Atlantic cod

Выход, %	Содержание влаги, %	Содержание белка, %	Содержание золы, %	рН
72,0 ± 1,0	91,2 ± 0,2	7,0 ± 1,0	0,65 ± 0,01	3,98 ± 0,02

Определены молекулярно-массовые характеристики ихтиосубстанции методом ПААГ-электрофореза (рис. 1).

Рис. 1. Электрофореграммы ихтиосубстанции ( а ) и стандарта белков с молекулярными массами 10–200 кДа ( б )

Fig. 1. Electropherograms of ichthyosubstance ( a ) and a protein standard with molecular weights of 10–200 kDa ( б )

Анализ электрофореграмм демонстрирует наличие четырех основных белковых фракций в исследуемом образце. Наличие широких интенсивных полос, отвечающих фракциям с молекулярными массами 200 кДа и 117 кДа, указывает на высокое содержание частично гидролизованных β-цепей в ихтиосубстанции. Также на электрофореграмме присутствуют полосы белковых фракций с молекулярными массами порядка 100 кДа и 89 кДа, наличие которых свидетельствует о присутствии α-цепей и частично гидролизованных α-цепей соответственно. Низкая интенсивность полос на уровнях 100 и 89 кДа указывает на невысокое содержание данных компонентов в ихтиосубстанции. Наличие α- и β-фракций является характерным для желатина, выделенного из кожи трески ( Derkach et al., 2019 ). Таким образом, основным компонентом полученной ихтиосубстанции является желатин.

Коллагенсодержащая ихтиосубстанция была использована в качестве основы для получения биоразлагаемых пищевых пленок. В качестве структурообразователя использовали хитозан, в качестве пластификатора – глицерин и сорбитол. Различия в молекулярном строении и молекулярной массе глицерина и сорбитола определяют их различное действие на механические и барьерные свойства формируемых биополимерных пленок. Глицерин, представляющий собой трехатомный спирт с низкой молекулярной массой ( M = 92,09 г/моль), легче проникает между полимерными цепями из-за малого размера, ослабляя межмолекулярные связи и повышая гибкость. Сорбитол, благодаря большему размеру молекулы ( M = 182,17 г/моль) и сходству с глюкозными единицами, активнее взаимодействует с полимерными цепями, создавая прочные межмолекулярные связи и обеспечивая более высокую прочность материала ( Cao et al., 2018 ).

Внешний вид готовых пленок представлен на рис. 2. Пленки представляют собой однородные прозрачные глянцевые покрытия с желтоватым оттенком и характерным слабым уксусным запахом.

Рис. 2. Внешний вид и микрофотографии полученных пленок, где а – образец 1; б – образец 2; в – образец 3; г – образец 4. Увеличение – 4Х

Fig. 2. Appearance and microphotographs of the obtained films where а – sample 1;

б – sample 2; в – sample 3; г – sample 4. Magnification – 4Х

Цветовые характеристики пленок приведены в табл. 3. При увеличении содержания хитозана в системе смещение оттенка образцов в желтую область увеличивается, о чем свидетельствует рост значений b *, при этом тип пластификатора на желтизну образцов практически не влияет. Значения параметра a * для всех образцов имеет отрицательное значение, что свидетельствует о смещении оттенка в зеленую область. Значения параметра L *, отражающего изменение яркости цвета, лежат в диапазоне от 86 до 87 и близки к 100. Наибольшими значениями общего цветового отличия от эталона Δ E * характеризуются образцы 2 и 4.

Таблица 3. Цветовые характеристики пленок Table 3. Color characteristics of films

Образец	L *	a *	b *	Δ E *
1	87,28	–2,42	25,86	27,48
2	87,05	–2,33	31,97	33,18
3	87,42	–1,28	24,47	26,09
4	85,99	–1,20	30,11	31,81

Анализ микроструктуры пленок демонстрирует значительные отличия при использовании различных пластификаторов. Поверхность образцов 1 и 2, пластифицированных глицерином (рис. 2, а , б ), характеризуется аморфно-волокнистой структурой, также на поверхности визуализируются хаотично расположенные микропоры и углубления, что может приводить к более высокой проницаемости для газов и влаги. Поверхность пленок, пластифицированных сорбитолом, имеет более однородную структуру, представленную волокнами и фибриллами (рис. 2, в , г ). На поверхности образца 3 (рис. 2, в ) наблюдаются локальные уплотнения и/или скопления частиц (более светлые области), что может свидетельствовать о неравномерном распределении компонентов или кристаллизации сорбитола при сушке. Подобная морфология типична для белковых композитов, в которых макромолекулы коллагена и хитозана склонны к самосборке в надмолекулярные структуры ( Jridi et al., 2014 ). Поверхность образца 4 имеет умеренную шероховатость с выраженной фибриллярной морфологией: прослеживается сеть переплетающихся тонких волокон (рис. 2, г ). Это свидетельствует о формировании надмолекулярной структуры, характерной для белковых и полисахаридных компонентов. Между волокнами визуализируются равномерно распределенные мелкие углубления и поры. Также на поверхности образца 4 отсутствуют выраженные кристаллические включения, что может свидетельствовать о равномерном распределении компонентов в матрице и отсутствии локальной кристаллизации сорбитола на поверхности. В отличие от идеально гладких синтетических пленок, на поверхности пленки наблюдается развитый микрорельеф, но при этом структура является более упорядоченной и однородной по сравнению с образцами 1–3.

Исследованы физико-химические свойства пленок, результаты приведены в табл. 4. Установлено, что полученные пленки характеризуются толщиной порядка 0,3 мм, что в 10 раз превышает толщину пищевой пленки из полиэтилена. Содержание влаги в пленках, пластифицированных глицерином, варьируется от 32 до 35 %, в то время как содержание влаги в пленках, пластифицированных сорбитолом, значительно ниже и составляет порядка 10 %. Глицерин обладает более высокой гидрофильностью по сравнению с сорбитолом, вследствие чего сильнее удерживает влагу в полимерной матрице пленки ( Al-Hassan et al., 2012 ).

Таблица 4. Физико-химические свойства пленок Table 4. Physicochemical properties of films

Образец	Состав образца	Содержание влаги, %	Толщина пленки, мм	Растворимость, %	Пропускание T 600 , %
1	70 % ИХСа + 26 % ХТЗб + 4 % Гв	35,6 ± 2,3	0,30 ± 0,10	30,7 ± 6,1	48,5 ± 4,5
2	60 % ИХСа + 37 % ХТЗб + 3 % Гв	32,0 ± 4,4	0,32 ± 0,13	29,2 ± 5,2	63,2 ± 4,2
3	70 % ИХСа + 26 % ХТЗб + 4 % Сг	10,2 ± 0,5	0,27 ± 0,13	23,5 ± 5,4	49,0 ± 4,8
4	60 % ИХСа + 37 % ХТЗб + 3 % Сг	10,7 ± 3,3	0,28 ± 0,12	24,6 ± 5,5	64,5 ± 4,0
5	Полиэтилен		0,03 ± 0,01		90,6 ± 0,2

Примечание. а – ихтиосубстанция, б – хитозан, в – глицерин, г – сорбитол.

Установлено, что введение сорбитола в качестве пластификатора приводит к незначительному уменьшению растворимости пленок на 5–7 % по сравнению с аналогичными образцами, пластифицированными глицерином (табл. 4). Такое поведение может быть обусловлено различиями во взаимодействии пластификаторов с полимерной матрицей, а также гидрофильной природой глицерина, которая увеличивает сродство пленок к воде и ухудшает их гигроскопические характеристики ( Al-Hassan et al., 2012; Cao et al., 2018 ).

Коэффициент пропускания пленок варьируется в диапазоне от 48 до 64 % (табл. 4), т. е. материалы являются полупрозрачными, что может свидетельствовать о высоком поглощении пленками проходящего света либо его частичном отражении от поверхности пленок. Материалы со средними значениями коэффициента светопропускания, т. е. частично блокирующие ультрафиолетовое излучение, способны обеспечить достаточную защиту продукта от фотохимического разрушения в процессе хранения, при этом уровень пропускания видимого света остается достаточным для визуального контроля содержимого без вскрытия упаковки ( Cao et al., 2018 ).

Получены ИК-спектры образцов пленок, а также индивидуальных веществ, входящих в их состав (рис. 3). Спектр коллагенсодержащей ихтиосубстанции содержит характерные для желатина полосы поглощения: 3 338 (Амид A, растяжение связи N–H), 1 638 (Амид I, растяжение связи C=O), 1 591–1 460 (Aмид II, деформационные колебания NH–групп и колебания растяжения СN–групп), 1266 (Амид III, растяжение связей C–N и N–H) (Pranoto et al., 2007; Staroszczyk et al., 2012). На спектре хитозана наблюдается широкая полоса поглощения в области 3418, соответствующая валентными колебаниями O-H и N-H связей, а также полосы 1 648, 1 560 и 1 407 см–¹, соответствующие связям Амид I, Амид II и деформационным колебаниям O–H групп. Наличие перечисленных полос поглощения согласуется с данными, приведенными для хитозана (Abugoch et al., 2011).

При введении хитозана в состав пленок (образцы 1–4, рис. 3) на основе коллагенсодержащей ихтиосубстанции наблюдается сдвиг полосы поглощения Амид A в сторону более низких волновых чисел: с 3 338 до 3 284–3 281 см^–¹, что указывает на образование межмолекулярных водородных связей между желатином и хитозаном ( Staroszczyk et al., 2014; Voron’ko et al., 2016 ). Сдвиг полосы Амид II хитозана с 1 560 до 1 533–1 541 см^–¹ подтверждает наличие электростатических взаимодействий между карбоксильными группами белка и аминогруппами хитозана и образование полиэлектролитных комплексов ( Staroszczyk et al., 2014 ). Формирование полиэлектролитных комплексов на основе желатина и хитозана ранее подтверждалось в работах ( Pereda et al., 2011; Rivero et al., 2009; Sionkowska et al., 2004 ). Кроме того, на спектрах наблюдается смещение полосы Амид II ихтиосубстанции с 1 591 в область 1 533–1 541 см^–¹, что может также указывать на образование водородных связей, в которых участвуют группы –NH ихтиосубстанции ( Staroszczyk et al., 2014 ). Изменения интенсивности полосы Амид III и сдвиг с 1 266 см^–1 в область 1242–1 246 см^–1 при различных соотношениях ихтиосубстанции и хитозана указывают на то, что аминогруппы хитозана взаимодействуют преимущественно с карбоксильными группами желатина посредством электростатических взаимодействий ( Jridi et al., 2014; Pereda et al., 2011; Rivero et al., 2009 ).

V, CM

Рис. 3. Инфракрасные спектры образцов пленок (1–4), ихтиосубстанции (ИХС), хитозана (ХТЗ), глицерина (Г) и сорбитола (С)

Fig. 3. Infrared spectra of film samples (1–4), ichthyosubstance (ИХС), chitosan (ХТЗ), glycerol (Г) and sorbitol (С)

Необходимо отметить, что спектральные изменения в области валентных колебаний O–H и N–H групп (3 500–3 000 см^–¹) биополимеров могут быть также связаны с различным пластифицирующим действием сорбитола и глицерина, содержащих гидроксильные группы, которые способны образовывать водородные связи с гидроксильными и аминогруппами хитозана и желатина. На спектрах наблюдается сдвиг полос, отвечающих деформационным колебаниям гидроксильных групп глицерина и сорбитола, из области 1 416–1 417 см^–¹ в область 1 404–1 406 см^–¹ для пленок, что может указывать на образование дополнительных водородных связей между гидроксильными группами пластификаторов и функциональными группами хитозана и желатина. Кроме того, полоса Амид А на спектрах пленок 3–4, пластифицированных сорбитолом, оказывается более узкой по сравнению со спектрами пленок, пластифицированных глицерином (образцы 1–2). Сорбитол имеет склонность к формированию кристаллических областей при высыхании пленки, эти области создают локальные жесткие участки, где водородные связи упорядочены. Это приводит к меньшей пластификации пленок и повышению жесткости материала ( Ma et al., 2018 ). Глицерин образует множественные водородные связи с ОН– и NH–группами биополимеров. Это нарушает упорядоченность водородных связей внутри матрицы, заставляя молекулы колебаться в более широком диапазоне частот

( Rosmawati et al., 2025; Al-Hassan et al., 2012 ). Таким образом, глицерин увеличивает подвижность молекул, что приводит к повышению эластичности пленок.

Для оценки влияния структурных изменений пленок, происходящих при варьировании типа пластификатора и содержания хитозана, на механические свойства пленок определены показатели прочности на разрыв и относительного удлинения при разрыве, являющиеся фундаментальными характеристиками упаковочных материалов пищевого назначения. Данные показатели оказывают влияние на способность материалов сопротивляться внешнему воздействию и сохранять их целостность ( Jridi et al., 2014 ).

С использованием разрывной машины исследованы механические свойства пленок. Полученные результаты для разработанных пленок (образцы 1–4) сравнивали с результатами механических испытаний пищевой пленки из полиэтилена (образец 5). Установлено, что полученные образцы характеризуются более высокой прочностью на разрыв по сравнению с полиэтиленовой пленкой, для которой σ = 3,3 МПа (рис. 4, а ). При этом наиболее высокие показатели прочности на разрыв продемонстрировали образцы 3 и 4, пластифицированные сорбитолом: 6,5 и 12,1 МПа соответственно.

а                                                б

Рис. 4. Прочность на разрыв ( а ) и относительное удлинение при разрыве ( б ) образцов пленок (1–4) и пленки из полиэтилена (5)

Fig. 4. Tensile strength ( a ) and elongation at break ( б ) of film samples (1–4) and a polyethylene film (5)

Для всех образцов наблюдается увеличение прочности на разрыв при повышении доли хитозана в полимерной матрице (рис. 4, а ): с 3,7 до 4,9 МПа для пленок, пластифицированных глицерином, и с 6,5 до 12,1 МПа для пленок с сорбитолом. Эти изменения связаны с особенностями взаимодействия компонентов и их влиянием на механические свойства материала. Полимерная цепь хитозана обладает более высокой жесткостью по сравнению с желатином, составляющим основу ихтиосубстанции ( Hosseini et al., 2013 ). При увеличении его доли в составе пленки общая жесткость материала возрастает, что способствует повышению прочности. Это связано с тем, что макромолекулы хитозана содержат большое количество аминогрупп, которые могут участвовать в образовании водородных связей и электростатических взаимодействий с другими компонентами матрицы. Это приводит к образованию более плотной пространственной структуры, которая усиливает механические свойства пленки. Аналогичные результаты были получены в работах ( Jridi et al., 2014; Hosseini et al., 2013; Xu, 2025 ).

При анализе пластических свойств выявлено обратное соотношение между прочностью и удлинением при разрыве: с ростом содержания хитозана и увеличением прочности пленок наблюдается снижение относительного удлинения при разрыве (рис. 4, б ). Наибольшее снижение пластичности отмечено для образцов 3 и 4, пластифицированных сорбитолом (94 и 52 % соответственно), что коррелирует с их максимальной прочностью. Более жесткая структура, формируемая сорбитолом и хитозаном, ограничивает способность материала к деформации. Образцы 1 и 2, пластифицированные глицерином, демонстрируют более высокие значения удлинения при разрыве при сопоставимом содержании хитозана: 120 и 87 % соответственно. Пластифицирующие свойства глицерина частично компенсируют жесткость хитозановой матрицы, сохраняя эластичность пленки.

Количественный анализ механических свойств биополимерных пленок позволяет установить корреляцию с данными ИК-спектроскопии, отражающими структурные изменения на молекулярном уровне. Сдвиги характеристических частот и изменения относительной интенсивности полос Амид А и Амид I-III (рис. 3) свидетельствуют о реорганизации сети водородных связей и перераспределении межмолекулярных взаимодействий. Эти процессы непосредственно определяют изменения механических параметров пленок (прочности и относительного удлинения).

Ключевую роль в обеспечении сохранности пищевой продукции играют также барьерные свойства упаковочных материалов, которые количественно оцениваются по показателям паропроницаемости и влагопоглощения, поскольку они лимитируют массоперенос влаги и кислорода, тем самым ингибируя окислительные реакции, потерю влаги и микробную контаминацию, что позволяет продлить сроки хранения и сохранить свойства продукта ( Reji et al., 2025 ).

Паропроницаемость пленок исследовали гравиметрическим методом, основанном на определении количества водяного пара, проходящего через материал (рис. 5, а ). Установлено, что значения паропроницаемости пленок, пластифицированных сорбитолом, превосходят значения для пленок с глицерином в 1,5 раза. Полученные данные коррелируют с результатами морфологического и структурного анализа: пленки с сорбитолом характеризуются более упорядоченной и однородной микроструктурой, что обусловливает меньшую степень аэрации материала. При этом варьирование содержания хитозана в составе пленок не оказывает статистически значимого влияния на величину паропроницаемости. Необходимо отметить, что для материалов, применяемых для производства упаковочных материалов, наиболее предпочтительны низкие показатели пропускаемости водяного пара, необходимые для обеспечения безопасного и длительного хранения пищевых продуктов ( Reji et al., 2025 ). Значения паропроницаемости полученных образцов существенно превосходят аналогичный показатель для пленки из полиэтилена, что является характерной особенностью биополимерных пленок ( Hosseini et al., 2013 ).

а                                              б

Рис. 5. Паропроницаемость ( а ) и влагопоглощение ( б ) образцов пленок (1–4) и пленки из полиэтилена (5) Fig. 5. Water vapor permeability ( a ) and water absorption ( б ) of film samples (1–4) and a polyethylene film (5)

Также исследовано влагопоглощение пленок (рис. 5, б ). Пленки, пластифицированные сорбитолом, демонстрируют более низкие показатели влагопоглощения по сравнению с образцами, пластифицированными глицерином. Наблюдаемые различия могут быть связаны с более высокой гидрофильностью глицерина: он легче взаимодействует с водой посредством водородных связей. Кроме того, глицерин из-за меньшего размера частиц обладает значительной способностью взаимодействовать с цепочками желатина, тем самым повышая молекулярную подвижность и увеличивая свободный объем внутри пленок. Таким образом, более гидрофильная природа глицерина и малый молекулярный вес усиливают сродство материалов, пластифицированных им, к воде ( Al-Hassan et al., 2012; Cao et al., 2018 ). Существенного влияния на показатель влагопоглощения содержание хитозана в пленках не оказывает.

При оценке упаковочных материалов существенное значение имеет также температура плавления: она определяет технологические параметры производства (температурные режимы экструзии, термоформования и пр.), эксплуатационную стабильность упаковки при воздействии повышенных температур, а также безопасность при контакте с пищевыми продуктами в условиях термической обработки, транспортировки и хранения (Shah et al., 2024). На рис. 6 приведены зависимости теплового потока от температуры в режиме динамического нагрева со скоростью 10 °С/мин.

Рис. 6. Термограммы биополимерных пленок (1–4) и пленки из полиэтилена (5)

Fig. 6. Thermograms of biopolymer films (1–4) and a polyethylene film (5)

Анализ полученных термограмм демонстрирует сложное поведение биополимерных пленок в процессе нагрева. Для образцов 1–4 на полученных зависимостях наблюдаются переходы стеклования в области 50–95 °С, указывающие на аморфную структуру материала, за которыми следуют широкие пики плавления. При этом переходы стеклования для образцов 3–4, пластифицированных сорбитолом, смещаются в область более высоких температур. Эндотермические пики, наблюдаемые на кривых нагрева, связаны с плавлением областей биополимеров испарением воды, удерживаемой в матрице пленок.

Установлено, что образцы пленок 1 и 2, пластифицированные глицерином, характеризуются низкими значениями температуры плавления, которые составляют 114 и 117 °С соответственно (табл. 5). Для образцов 3 и 4, модифицированных сорбитолом, характерны более высокие температуры плавления ‒ 128 и 130 °C, что превышает соответствующие показатели для пленок, содержащих глицерин, примерно на 10 °C. Вероятно, наблюдаемые различия могут быть связаны с различным содержанием влаги в пленках (35,6–32,0 % для пленок, пластифицированных глицерином, и 10,2–10,7 % для пленок, пластифицированных сорбитолом). Сорбитол менее гигроскопичен, чем глицерин, поэтому в пленках присутствует меньше свободной влаги, и процесс испарения протекает плавно, а пик плавления менее выражен. Благодаря этому сорбитол обеспечивает большую жесткость и термическую стабильность материала по сравнению с глицерином. Увеличение массовой доли хитозана в составе пленок во всех исследованных образцах приводит к незначительному росту температуры плавления (2–3 °С). Для сравнительной оценки полученных результатов определена температура плавления эталонного образца – пленки из полиэтилена, которая составила 123,7 °C. Таким образом, образцы пленок 3 и 4, пластифицированные сорбитолом, превосходят традиционную упаковочную пленку на основе полиэтилена по термической стойкости.

Таблица 5. Термические свойства пленок Table 5. Thermal properties of films

Образец	Состав образца	Т нач , °С	Т пл , °С	T кон , °С	ΔH пл , Дж/г
1	70 % ИХСа + 26 % ХТЗб + 4 % Гв	82,1	114,4	143,4	81,8
2	60 % ИХСа + 37 % ХТЗб + 3 % Гв	84,2	117,1	151,0	137,4
3	70 % ИХСа + 26 % ХТЗб + 4 % Сг	70,7	128,3	172,7	47,5
4	60 % ИХСа + 37 % ХТЗб + 3 % Сг	99,2	130,4	158,4	44,1
5	Полиэтилен	114,0	123,7	129,9	77,6

Примечание. а – ихтиосубстанция, б – хитозан, в – глицерин, г – сорбитол.

Необходимо отметить, что полиэтилен плавится в более узком температурном диапазоне – от 114,0 до129,9 °С, в то время как диапазоны плавления биополимерных пленок, пластифицированных сорбитолом и глицерином, существенно шире и лежат в области 82–117 и 71–130 °С соответственно (табл. 5).

Кристаллические области полиэтилена достаточно однородны, при нагреве происходит постепенное разрушение кристаллитов, но общая структура материала резко изменяется только в момент плавления. Кроме того, полиэтилен является монокомпонентной системой, в которой отсутствуют водородные связи, и тепловые эффекты преимущественно связаны с фазовым переходом "твердое тело – жидкость" ( Serra et al., 2000 ). Образцы биоразлагаемых пленок, напротив, представляют собой сложную многокомпонентную систему, при нагревании которой фазовый переход происходит в более широком температурном интервале. Биополимеры (желатин, хитозан) более чувствительны к температуре, чем полиэтилен. При нагреве они могут подвергаться денатурации и разрушению структуры. При этом желатин и хитозан образуют полиэлектролитные комплексы, что также усложняет термическое поведение системы ( Jridi et al., 2014 ).

Исследована биоразлагаемость полученных биополимерных пленок в почве. При изучении разложения пленок на поверхности почвы уже на 5 сутки наблюдалось изменение цвета и помутнение пленок (рис. 7). Кроме того, пленки уменьшились в размере и истончились. На 20 сутки наблюдения на поверхности пленок было отмечено разрастание мицелия (рис. 8). В толще грунта на 20 сутки фрагменты пленок не визуализировались. Таким образом, можно сделать вывод о том, что пленки являются биоразлагаемыми, поскольку наблюдаются визуальные признаки биодеструкции под действием микробиоты почвы, снижение физических свойств и наличие протекания микробиологических процессов (разрастание мицелия на поверхности пленок).

Рис. 7. Внешний вид пленок на 5 сутки хранения на поверхности грунта Fig. 7. Film appearance after 5 days stored on soil surface

Рис. 8. Микрофотографии пленок (образцы 1–4) до и на 20 сутки хранения на поверхности грунта.

Увеличение – 40Х

Fig. 8. Microphotographs of films (samples 1–4) before and after 20 days stored on soil surface.

Magnification – 40Х

Заключение

В работе получена коллагенсодержащая ихтиосубстанция из отходов переработки атлантической трески – кожи и чешуи, выход ихтиосубстанции составил 72 %. Методом ПААГ-электрофореза установлено содержание основных молекулярных фракций в ихтиосубстанции: 200, 117, 100 и 89 кДа. Разработана серия образцов биоразлагаемых пищевых пленок на основе коллагенсодержащей ихтиосубстанции из отходов трески с добавлением хитозана и различных пластификаторов (глицерина и сорбитола). Проведен комплексный анализ микроструктуры, физико-химических, механических, барьерных и термических свойств полученных материалов, а также оценена их способность к разложению в почве. Установлено, что использование сорбитола в качестве пластификатора способствует формированию более однородных, прочных и термически стойких пленок, а также обеспечивает более низкие показатели паропроницаемости и влагопоглощения. Аналогичные закономерности наблюдаются и при увеличении содержания хитозана в исследуемых системах.

Таким образом, варьирование типа пластификатора и концентрации хитозана позволяет целенаправленно регулировать барьерные и механические свойства биополимерных пленок.

Разработанные биоразлагаемые пленки обладают рядом улучшенных свойств по сравнению с традиционными синтетическими аналогами: повышенной прочностью, регулируемой эластичностью, удовлетворительными барьерными характеристиками и способностью к биоразложению. Оптимальные показатели достигнуты для образца 4 (состав: 60 % ИХС + 37 % ХТЗ + 3 % С), который сочетает высокую прочность 12,1 ± 1,1 МПа и термостойкость ( Т _пл = 130,4 °C), а также лучшие барьерные свойства среди исследованных образцов биополимерных пленок: паропроницаемость – 2 819 ± 148 г/м²/сут и влагопоглощение 49,0 ± 6,3 %/сут, что связано с формированием наиболее упорядоченной и равномерной микроструктуры.

Полученные результаты подтверждают перспективность использования коллагенсодержащей ихтиосубстанции из отходов трески в качестве основы для экологичной пищевой упаковки. Дальнейшие исследования могут быть направлены на оптимизацию композиции биополимерных пленок для снижения влагопоглощения и повышения барьерных свойств, а также на масштабирование технологии производства с учетом экономической эффективности и устойчивого использования рыбных отходов.

Работа выполнена в рамках темы НИР FENR-2024-0001 (рег. № 1023041300048-6-2.9.1) "Комплексная безотходная переработка биоресурсов арктического региона, развитие биотехнологий в Арктике, обеспечение продовольственной безопасности и повышение качества жизни (продолжение) ". Авторы выражают благодарность Нижник Варваре Алексеевне (МБОУ ЗАТО г. Североморск "Лицей № 1") за помощь в проведении экспериментальной части работы.