Development and characterization of Nile tilapia (Oreochromis niloticus) protein isolate-based biopolymer films incorporated with essential oils and nanoclay

Abstract

Fish residues are a natural resource of valuable components, e.g. proteins. The aim of this work was to develop biopolymer films from Nile tilapia (Oreochromis niloticus) protein isolate (NTPI), incorporated with glycerol, montmorillonite nanoclay, and essential oils. The extracted protein was characterized for its isoelectric potential, proximate composition, solubility, water retention capacity (WRC), oil retention capacity (ORC), and color. The casting technique was utilized to obtain the films. Experiments were conducted using a 2((5-1)) factorial design with central point. The films were characterized for thickness, solubility in water (Sw), solubility in acid (Sa), water vapor permeability (WVA), and mechanical, structural, and thermal properties. The protein isolate concentered 85 % of the total protein from the raw material. Glycerol, nanoclay, and clove and oregano essential oils were successfully incorporated to the films. The films with the best characteristics were obtained with T6 (1.5 g NTPI, 0.2 g glycerol, 0.4 g oregano essential oil, 0.3 of nanoclay), and T12 (1.5 g NTPI, 0.4 g glycerol, 0.4 g clove essential oil, 0.1 g nanoclay) because they were more stabilized within the cross-linking protein structure. The increase of the protein isolate decreased the Sw of the films but increased the Sa and tensile strength. The Sw ranged from 30.62 to 85.45 %, the Sa between 13.19 and 45.92 %, the WVP between 2.38 and 4.02 g mm/kPa day m(2). Tensile strength ranged from 0.65 to 2.76 MPa and elongation from 0.29 to 2.07 %. The essential oils did not show antimicrobial activity when incorporated to the polymer matrix of the films.

TSC Opinion

Les polyhydroxyalkanoates (PHA) sont produits par des bactéries. Ils sont donc considérés comme des polymères biosourcés. De plus, leur niveau de biodégradabillité dans l’environnement est élevé, y compris en milieu marin, ce qui est assez rare. Ce sont quasiment les seuls à présenter cette caractéristique dans la famille des biosourcés. Les polycaprolactones (PCL) sont d’origine pétrochimique. Dans cette catégorie, ce sont les plus biodégradables, c’est pourquoi ils sont souvent ajoutés en additifs dans des polymères non dégradables comme les PE, les PET… afin d’améliorer leur niveau de dégradation. Cette étude compare les voies métaboliques dans lesquelles la dégradation des PHA et PCL s’intègre. Etant constitués essentiellement de carbone, ils entrent dans la synthèse de biomasse et, en particulier, dans la constitution des lipides. Les enzymes nécessaires sont présentes dans les cellules des micro-organismes responsables de la biodegradation. Les auteurs ont montré que ces enzymes sont aussi présentes dans les bactéries marines. Ceci explique la bonne dégradation en milieu marin des PHA et PCL. Toutefois, une attention particulière doit être portée sur le fait que les mers et les océans sont beaucoup moins riches en populations bactériennes que les milieux terrestres. Il en résulte des cinétiques de dégradation plus lentes. Ceci fait que le niveau d’exigence sur la facilité de dégradation doit être supérieur lorsque les objets en plastique risquent de se retrouver en mer.