Gıda Ambalaj Uygulamaları için Antibakteriyel Özellikte Pullulan-Temelli Yenilebilir Film Üretimi

Abstract

Plastik ambalaj kullanımının çevreye olan zararları gün geçtikçe artmaktadır. Bu zararı en aza indirgemek için doğal kaynaklı ve biyolojik olarak parçalanabilen biyopolimerlerin kullanımı son zamanlarda artış göstermektedir. Tüketici isteklerinin de doğayı korumaya karşı tutumları göz önüne alındığında biyobozunur ambalaj malzemelerinin artmasıyla gıdanın rafta bulunma süresinin uzaması, gıdadaki renk, koku, lezzet değişimlerinin en aza indirgenmesi ve gıdanın kalitesinin arttırılması amaçlanmaktadır. Gıda güvenliği ve çevre kirliliği konusunda artan farkındalık nedeniyle, doğal kaynaklı protein, polisakkarit ve lipit bazlı biyopolimerlerın kullanımı ile üretilen yenilebilir filmler gıda ambalajlamaları için potansiyel faydaları açısından dikkate değer ilgi görmektedir. Bu alanda antibakteriyel film ve kaplamaların kullanımı, aktif ambalajlama yöntemleri altında tüm gıda ürünlerinde uygulama alanı bulan bir koruma tekniğidir. Biyopolimer esaslı yenilebilir filmler yapılarına eklenen antimikrobiyal ajanlar sayesinde gıdalarda oluşabilecek tüm antimikrobiyal bozunmayı önleme yeteneğine sahip olmaktadırlar. Bu çalışmada, ilk kez tüm bileşenleriyle çevre dostu olan ve yeşil yaklaşım ilkeleriyle aktif ambalajlamada kullanılmak üzere antibakteriyel özellikli pullulan temelli yenilebilir film üretimi gerçekleştirilmiştir. Yenilebilir filmler, polisakkarit esaslı pullulan ve kitosan biyopolimerleri kullanılarak üretilmiştir. Yeterli elastikiyet özelliklerinin sağlanabilmesi için plastikleştirici grubundan gliserol, film formülasyonuna dahil edilmiştir. Filmlere antibakteriyel özellik kazandırmak için katkılanan metalik nanoparçacıklar (Gümüş nanoparçacık, AgNP; Bizmut nanoparçacık, BiNP; Stronsiyum nanoparçacık, SrNP) yeşil sentez yöntemiyle bitki ekstraktı (Koyun otu-Agrimonia Eupatoria) kullanılarak elde edilmiştir. Sentezlenen nanoparçacıkların karakterizasyon çalışmaları yapılmış, bir ön değerlendirme ile antibakteriyel aktiviteye sahip nanoparçacık tespit edilmiştir. BiNP ve SrNP'den beklenen antibakteriyel aktivite sağlanamadığı için yenilebilir film formülasyonları değişen konsantrasyonlarda AgNP'lerin pullulan/kitosan matrisinde kullanımı ile oluşturulmuştur. Elde edilen yenilebilir filmlerin yapısal ve fiziksel özelliklerini değerlendirmek için uygun analiz yöntemleri kullanılmıştır. Filmlerin yapısı FTIR, XRD, TGA, TEM analizleri ile incelenmiş, kalınlık, nem içeriği, su buharı iletim hızı, çözünürlük, şişme indeksi, opaklık, ıslanabilirlik, biyobozunurluk, mekanik dayanım, antibakteriyel aktivite ve gıda koruma yetenekleri uygun testler yardımı ile değerlendirilmiştir. AgNP içerikli filmler için uygulanan disk difüzyon testi sonucunda, Escherichia coli ve Staphylococcus aureus bakterilerine karşı kayda değer bir aktivite gösterdikleri görülmüştür. Gıda koruma uygulamasından elde edilen sonuçlara göre, pullulan/kitosan filmleri ve AgNP içerikli pullulan/kitosan filmlerinin polietilen filme kıyasla daha aktif bir koruma yeteneğine sahip olduğu tespit edilmiştir. Genel olarak, bu çalışma polisakkarit bazlı filmlerin aktif gıda ambalajında uygulanması için teorik bir temel sağlayacaktır. Tez çalışmasının genel konsepti, bu sektör için çevreye uyumlu, düşük maliyetli aktif ambalajlama fikrine katkı sağlayan güvenli bir yaklaşım olması yönüyle çalışmayı özgün kılmaktadır.The environmental damage caused by the use of plastic packaging is increasing day by day. In order to minimise this impact, considerable attention has been given to the use of biodegradable biopolymers derived from natural sources in recent years. In view of consumer demands and attitudes towards environmental protection, the aim is to prolong food shelf life, minimise colour, odour and flavour changes, and improve food quality by increasing the use of biodegradable packaging materials. The growing awareness of food safety and environmental pollution has led to considerable attention being given to edible films produced using naturally derived protein, polysaccharide and lipid-based biopolymers, due to their potential benefits for food packaging. In this field, antibacterial films and coatings are used to protect all food products under active packaging methods. Thanks to the antimicrobial agents added to their structure, biopolymer-based edible films can prevent antimicrobial degradation in food. This study marks the first time that an environmentally friendly, antibacterial pullulan-based edible film has been produced for use in active packaging in line with green approach principles. Edible films were produced using the biopolymers pullulan and chitosan, which are polysaccharide-based. Glycerol from the plasticiser group was included in the film formulation to ensure sufficient elasticity properties. Antibacterial properties were imparted to the films by doping them with metallic nanoparticles (silver nanoparticles, AgNPs; bismuth nanoparticles, BiNPs; strontium nanoparticles, SrNPs), which were obtained using a green synthesis method involving a plant extract (Agrimonia eupatoria). Characterization studies of the synthesized nanoparticles were carried out, resulting in the identification of an antibacterial nanoparticle following a preliminary evaluation. As the expected antibacterial activity of BiNP and SrNP could not be achieved, edible film formulations containing varying concentrations of AgNPs in a pullulan/chitosan matrix were created. The structural and physical properties of the obtained edible films were evaluated using appropriate analysis methods. The structure of the films was examined using FTIR, XRD and TGA analysis. The thickness, moisture content, water vapour transmission rate, solubility, swelling index, opacity, wettability, biodegradability, mechanical strength, antibacterial activity and food preservation ability were evaluated using appropriate tests. The disk diffusion test showed that the AgNP-containing films were significantly active against Escherichia coli and Staphylococcus aureus bacteria. The results obtained from the food preservation application showed that pullulan/chitosan films and AgNP-containing pullulan/chitosan films had a greater preservative effect than polyethylene film. Overall, this study will provide a theoretical basis for the application of polysaccharide-based films in active food packaging, which is an area that has seen significant recent growth. The general concept of the thesis is an approach that is both safe and environmentally friendly, and that can be used to create low-cost active packaging for this sector.