Научные проекты

В научном центре композитных материалов проводятся следующие инициативные проекты:

Получение органического «черного» мыла древним казахским методом и исследование его химических свойств.
Технология получения фиксирующего раствора для жидкостной цитологии.
Получение моющего средства «Композит» для бесконтактной мойки легковых и грузовых транспортных средств.

В 2023 году Научный центр композитных материалов выиграл 1 проект грантового финансирования и 1 проект конкурс молодых ученых при поддержки Министерства науки и высшего образования

Проект ГФ: ИРН АР 19677542 «Получение "умной" съедобной нанокомпозитной упаковки из отходов агропромышленного комплекса РК для хранения и транспортировки сельскохозяйственной продукции»

Научный руководитель: Ибраева Жанар Ершатовна, кандидат химических наук, ассоциированный профессор

Качественный состав членов исследовательской группы проекта:

Количество членов исследовательской группы – 10, из них:

1 кандидат химических наук;
1 кандидат технических наук;
5 докторов PhD;
2 магистров наук;
1 бакалавр химии

Период реализации: 2023-2025 гг.

Уровень технической готовности (УТГ): 4

Цель проекта – разработка"умных" съедобных нанокомпозитных упаковочных пленок на основе наноцеллюлозы, КМЦ, кукурузного крахмала, пектина, полученных из отходов агропромышленного комплекса (АПК) РК, с добавлением экстракта цветков гибискуса тройчатого Hibiscus trionum L., произрастающего на юго-востоке Казахстана, для придания полученным нанопленкам антимикробных и рН-чувствительных свойств..

Задачи проекта:

1) Получение микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) из биомассы отходов АПК.С применением усовершенствованного "мягкого" органосольвентного метода окисления биомассы за счет снижения концентрации ледяной уксусной кислоты и перекиси водорода, используемых в получении пероксиуксусной кислоты (делигнифицирующего агента) будут получены образцы МКЦ из отходов АПК (подсолнечная лузга, рисовая солома и шелуха).

2) Перевод МКЦ в нанокристаллическую целлюлозу (НКЦ). Из МКЦ будут синтезированы образцы НКЦ методом сернокислотного гидролиза МКЦ и установлено оптимальное соотношение МКЦ:серная кислота. Размер нановолокон, заряд, структурно-фазовые характеристики, морфология полученной НКЦ будут проанализированы с использованием различных физико-химических методов: Рамановская и ИК спектроскопия, просвечивающая и растровая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия (АСМ), рентгеновская дифракция и т.д.

3) Выделение пектина из отходов АПК. С применением гидролиза будут получены опытные образцы пектиновых веществ из яблочных выжимок. Гидролиз пектиновых веществ будет осуществляться дистилированной водой, в присутствии 0,05-0,15% органических пищевых кислот (лимонной кислоты) при температуре 85-90°C и соотношении твердой и жидкой фаз 1:5-12 с дальнейшей фильтрацией пектинового экстракта и вакуумным концентрированием. Пектин широко используется в пищевой промышленности благодаря своей биоразлагаемости, биосовместимости, съедобности, универсальным химическим и физическим свойствам, таким как селективная газопроницаемость и гелеобразование.

4) Получение противомикробного и pH-чувствительного раствора из экстракта цветков гибискуса тройчатого. Для придания съедобным упаковочным материалам антимикробных свойств будет получен экстракт из цветков гибискуса тройчатого (Hibiscus trionum), семейства Мальвовые (Malvacae), более известного как каркаде, содержащего слизистые полисахариды и обладающим выраженным антимикробным действием, будет исследована его рН-чувствительность.

5) Получение съедобных нанокомпозитных упаковочных пленок. С использованием "мокрого" способа будут получены нанокомпозитные съедобные упаковочные пленки на основе наноцеллюлозы, КМЦ, пектина, кукурузного крахмала с добавлением экстракта цветков гибискуса тройчатого для придания антимикробных свойств будущим пищевым пленкам. Формирование пленок будет состоять из следующих этапов: 1) солюбилизация биополимеров в подходящем растворителе с образованием пленкообразующего раствора (ПОР), 2) заливка ПОР в формы или пластины с тефлоновым покрытием, 3) сушка ПОР, 4) извлечение пленки и хранение при подходящей относительной влажности и температуре. Во время приготовления ПОР все компоненты будут смешаны для гомогенизации раствора с помощью обработки ультразвуком. Для избежания нарушения структурной целостности пленки из-за попадания в нее пузырьков воздуха будет проведена вакуумная дегазация ПОР.

6) Изучение характеристик съедобных нанокомпозитных упаковочных пленок. Будут исследованы органолептические свойства с использованием ГОСТированных методов, микроструктура, водопоглотительная способность, механические характеристики, антимикробная способность, рН-чувствительность полученных нанопленок, устойчивость к воздействию высоких и низких температур. Для гарантии пищевой безопасности будут проведены исследования биосовместимости, такие каканализ цитотоксичности, метаболической активности и исследование совместимости с человеческой кровью.

Ожидаемые результаты - путем разработки «мягкой» технологии на основе органосольвентного окисления, планируется получение МКЦ из ценных отходов АПК, утилизация которых в больших объемах затратно и сложно. К тому же, разработанный метод способствует снижению себестоимости целлюлозного материала из отходов АПК в два раза. Получение нановолокон целлюлозы из МКЦ способствует развитию технологии переработки отходов сельского хозяйства в ценный нанопродукт. Будут даны теоретические и практические рекомендации по оптимизации процесса кислотного гидролиза МКЦ. Оптимизация условий получения противомикробного и pH-чувствительного раствора из экстракта цветков гибискуса тройчатого (Hibiscus trionum) позволит расширить круг фармацевтических препаратов с выраженной биологической активностью со 100%-ным казахстанским содержанием. Будут получены фундаментальные теоретические и практические рекомендации по созданию съедобных нанокомпозитных пленок на основе наноцеллюлозы, карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), пектина, кукурузного крахмала, экстракта цветков гибискуса тройчатого и исследованию их органолептических, механических, антимикробных и рН-чувствительных свойств.

Полученные результаты:

Получены образцы МКЦ из подсолнечной лузги, рисовой соломы и шелухи методом органосольвентного окисления биомассы. Разработан оптимальный «мягкий» способ органосольвентного окисления отходов агропромышленного комплекса, в т.ч. подсонечной лузги, рисовой соломы и шелухи. Установлены выход МКЦ, содержание остаточного лигнина, β-и a-целлюлозы, гемицеллюлозы и оксида кремния.

Разработан способ получения пектиновых веществ из отходов яблок. Установлен выход, структура и характеристика пектиновых веществ.

Получены опытные образцы пектиновых веществ из яблочных выжимок (AP) без предварительной подготовки сырья. Пектиновые вещества были получены путем использования растворов лимонной (CA) и янтарной кислот (SA). Установлены оптимальная концентрация кислот, рН-среда и выход пектина.

Исследована химическая, кристаллическая структура и структурно-фазовая характеристика, оптическое поглощение полученных образцов МКЦ.

Получены образцы нанокристаллической целлюлозы (НКЦ) из микрокристаллической целлюлозы, полученных из лузги подсолнечника (SFH), рисовой шелухи (RH) и рисовой соломы. Установлено эффективное соотношение МКЦ:H₂SO₄ для экстракции НКЦ, выход НКЦ, полученного из МКЦ_SFH, средний размер волокон и значение дзета-потенциала.

С помощью различных физико-химических методов, изучены размер, заряд, структурно-фазовые и морфологические характеристики, а также исследована термическая устойчивость НКЦ. Установлено, что остаточный лигнин и гемицеллюлоза эффективно извлекаются при синтезе НКЦ методом сернокислотного гидролиза, при этом химическая структура целлюлозы не разрушается.

Проведена экстракция раствора из цветков гибискуса тройчатого семейства Мальвовых (сем. Malvacae). Исследована антимикробное свойства и pH-чувствительность раствора цветков гибискуса тройчатого семейства Мальвовых. Антибактериальная активность экстракта цветков Hyb. изучалась на пищевых патогенных бактериях, как in vitro так и на пищевой модели на стерильной среде. Установлена антимикробная активность экстрактов гибискуса (5 г и 10 г сухой массы гибискуса) на микроорганизмы. Установлено заметное снижение количества бактериальных, дрожжевых и грибковых клеток в зоне подавления роста микроорганизмов, что обусловлено наличием в экстракте специфичных компонентов с подтверждением антибактериальных, фунгицидным действием.

Публикации:

Перечень опубликованных работ по теме за 2023-2024гг.:

Scopus и Web of Science

1. Kabdrakhmanova Sana, Augustine Robin, Sathian Aiswarya, Thomas Annu Joseph, Tomy Muringayil, Kalarikkal Nandakumar, Ibraeva Zhanar, Madiyar Beisebekov, Thomas Sabu Edible Nanocoating of Dextran/Lipid and Curcumin for Enhanced Shelf Life of Fresh Produce // Journal of Polymer Science, https://doi.org/10.1002/pol.20240498

Журналы рекомендованные КОКСНВО РК

1. Imasheva A.A., Kabdrakhmanova S.K., Akatan K., Ibraeva Zh.E., Temirkhanova G., Beisebekov M.M., Kantay N., Mausumbaeva A.M. Obtaining cellulose with crystallographic orientation of macromolecules from the husk of a hybrid sunflower. NNC RK Bulletin. 2024;(3):29-34. https://doi.org/10.52676/1729-7885-2024-3-29-34

2. Battalova, A., Ibraeva, Z., Kabdrakhmanova, S., Akatan, K., Shaimardan, E., Demeukhan, A., Tursyngazykyzy, A., Beisebekov, M., & Maussumbayeva, A. (2024). Comparative characteristics of microcrystalline cellulose obtained from the rice waste production of Kazakhstan. Chemical Bulletin of Kazakh National University, 113(4), 14-23. https://doi.org/https://doi.org/10.15328/cb1386

Патент или заявка на патент:

Ибраева Ж.Е., Кабдрахманова С.К., Шаймардан Е., Бейсебеков М.М., Қаржаубаева А. К., Кабдрахманова А.К., Давыдова В.В., Кухарева А.Д. Способ получения пектина из кожуры яблок, Заявка на патент РК. Рег. номер заявки 2025/0081.1, от 01.02.2025

Область применения - основные результаты могут успешно внедрены в производство переработки отходов АПК в наноцеллюлозу, пектин. Полученные нанопродукты востребованы при производстве упаковочных материалов с биоразлагаемыми свойствами, медицинских материалов и развитию бумажной промышленности в Казахстане. Наноцеллюлоза может широко применяться в получении полимерных нанокомпозитов для многих отраслей промышленности, заменив синтетические аналоги. В целом проект является легко коммерциализуемым, так как не привязан к импортируемому сырью, не требует дорогого оборудования, реактивов и технологических цепочек, легко реализуется в мини образцах. Съедобными пленками, полученными из отходов АПК, можно легко покрыть овощи и фрукты методов погружения, что будет способствовать увеличению их срока хранения за счет антимикробного действия компонента пленки - экстракта цветков гибискуса тройчатоготройчатого. А рН-чувствительность последнего позволит по изменению цвета пленки контролировать свежесть покрываемого продукта.

ЖҒК жобасы:

ЖОБА БОЙЫНША ҚЫСҚАША АҚПАРАТ

Жоба тақырыбы мен жеке тіркеу нөмірі (ЖТН): AP19579302 «Жеміс-жидек дақылдарын егу кезінде жабын ретінде қолдануға арналған антибактериалды және биоыдырайтын ылғал сақтаушы пленка әзірлеу»

Ғылыми жетекшісі: Ақатан Қыдырмолла, PhD

Жобаның зерттеу тобының сандық құрамы:

Жоба орындаушыларының саны - 7. Оның ішінде:

4 PhD;
2 магистр;
1 бакалавр

Іске асыру уақыты: 2023-2025жж.

Техникалық дайындық деңгейі (ТДД): 4

Мақсаты: Жеміс-жидек дақылдарын егу кезінде жабын ретінде қолдануға арналған табиғи полимерлерден тұратын, ылғалды сорбциялап, сақтауға қабілетті, антибактериалдық қасиеті бар, биоыдырағыш, органикалық жер өңдеуде қолдануға жарамды бионанокомпозиттік пленка әзірлеу

Міндеттері:

Алматы облысы ауыл шаруашылығы алқаптарының агрохимиялық, биологиялық сипаттамаларын анықтап, шөлейттену деңгейін зерттеу;
Антибактериалдық және ылғалды ұстайтын қасиеті бар, арамшөптің өсуін болдырмайтын және биоыдырайтын табиғи полимерлерден тұратын бионанокомпозит негізіндегі ауылшаруашылық жабынын әзірлеу;
Бионанокомпозиттік пленкаға антибактериалдық қасиет беретін Cu, Ag, ZnO нанобөлшектерін синтездеу және оны пленка түзгіш қоспамен араластыру арқылы бионанокомпозиттік пленка үлгілерін алу;
Бионанокомпозиттік пленкалардың физико-химиялық және механикалық қасиеттерін зерттеу;
Бионанокомпозиттік пленканы зертханалық және егіс алқабы жағдайында сынақтан өткізу.

Күтілетін нәтижелер:

Жобада алғаш рет біржылдық өсімдік биомассаларынан экологиялық «жұмсақ» әдіспен микрокристаллды целлюлоза (МКЦ) және беріктендіргіш ретінде қолданылатын нанокристаллды целлюлоза (НКЦ) алынып, МКЦ-дан карбоксилметилцеллюлоза (КМЦ), этилцеллюлоза (ЭЦ) синтезделіп, пластификатор ретінде глицерол қолдана отырып, отандық жүгері крахмалын тотықтыру арқылы алынған эластикалық қасиеті жоғары, тұтқырлығы төмен жоғары дисперсті коллоидты ерітіндісімен модификациялау арқылы антибактериалдық қасиетке ие, ылғалды жаңбыр мен суармалы суды сорбциялайтын, сақтайтын және қажет кезінде сыртқа шығара алатын, арамшөптердің өсуін төмендететін және биоыдырайтын нанокомпозиттік пленкалық мульчирлеуші материалды синтездеу іске асырылады;

Биоыдырайтын мульчирлеуші пленка алуға Қазақстандық шикізат қолданылғандықтан, оның өз құны коммерциялық өнімдерден төмен болады деп күтілуде.

Сонымен қатар, Web of Science базасының Science Citation Index Expanded индекстелетін және (немесе) Scopus базасында CiteScore бойынша 50 (елу) кем емес процентиль бар жобаның ғылыми бағыты бойынша рецензияланатын ғылыми басылымдарда кемінде 2 (екі) мақала және КОКСОН ұсынған отандық басылымда 1 мақала жарияланады.

Қол жеткізілген нәтижелер:

Тотықтырылған жүгері крахмалы мен ауылшаруашылығы қалдықтарынан алынған МКЦ және КМЦ негізінде механикалық берік және биоыдырауға бейім мульчирлеуші фильм алудың тиімді құрамы, концентрациялары және фильм синтездеудің параметрлеі анықталып, технологиясы әзірленді;

- Тиімді құраммен және параметрде алынған мульчирлеуші фильмнің механикалық және физико-химиялық қасиеттері зерттелді;

- Мульчирлеуші фильмге антибактериалдық қасиет беретін Cu, Ag, ZnO нанобөлшектерін «жасыл әдіспен» синтездеудің технологиясы әзірленді;

- Мульчирлеуші фильмге антибактериалдық қасиет беретін метал нанобөлшегінің түрі мен тиімді концентрациясы анықталды;

- Топырақтың ылғалдылығын сақтауға қабілетті және антибактериалдық қасиетке ие мульчирлеуші фильмнің биоыдырау периоды мен топырақтың агрохимиялық көрсеткіштеріне әсері анықталды.

Жоба аясында жарияланған мақалалар:

Алынған нәтижелер негізінде КОКСОН ұсынған отандық басылымда 1 мақала::

K Akatan, A Battalova, N Sagiyeva, S Kabdrakhmanova, N Kaiyrbekov, A Tursyngazykyzy, E Shaymardan, M Beisebekov, G Kampitova. Oxidized starch/CMC based biofilm: Synthesis and characterization. 2024Physical Sciences and Technology. 11(1-2), 2024, 58-63. DOI:10.26577/phst2024v11i1a7

Web of Science және Scopus базасында CiteScore бойынша 50 (елу) кем емес процентиль бар 2 мақала:

Ainur Battalova, Kydyrmolla Akatan, Sana Kabdrakhmanova, Zhanar Ibraeva, Beisebekov Madiar, Shaimardan Esbol, Kantay Nurgamit, Asylkan Dzhumanazarova, K. S. Joshy, Sabu Thomas. Isolation of Cellulose Nanofibers From Sunflower Seed Husks via Formic Acid Hydrolysis. Journal of Polymer Science, 2024, https://doi.org/10.1002/pol.20240485 (процентиль - 73%, CiteScore – 6.3, Q2); (Қосымша 1)

Ainur Battalova, Sana Kabdrakhmanova, Kydyrmolla Akatan, Esbol Shaimardan, Madiar Beisebekov, Aktoty Karzhaubayeva, Nurgamit Kantay, Zhanar Ibraeva, Sabu Thomas. Synthesis and Application of Biodegradable Cellulose Hydrogels From Sunflower Husks as a Water‐Retaining Material in Agriculture. Journal of Polymer Science, 2024, ttps://doi.org/10.1002/pol.20240486 (процентиль - 73%, CiteScore – 6.3, Q2)

Қолданылу саласы: Өсімдіктерді арам шөп, зиянкес микроағзалардан қорғайтын және топырақ ылғалдылығы мен температурасын тұрақтандырып, эрозиядан сақтайтын қасиеті болуына байланысты еліміздің агроөнеркәсіп кешені, ауылшаруашылық ғылыми-зерттеу институттары, жеміс-жидек шаруашылығымен айналысатын жеке тұлғалар мен шаруа қожалықтарында қолдануға жарамды болып табылады.