Malik asit ile çapraz bağlı karboksimetil selüloz ve κ- karagenan filmlerinin hazırlanması ve bazı fiziksel testleri
Preparation and some physical tests of malic acid cross-linked, carboxymethyl cellulose and κ- carrageenan based films
Yazar: EZGİ FİDAN
Danışman: PROF. DR. FATMA BEDİA BERKER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Gıda ambalajları bir ürünün tüketiciye ulaşmasında önemlidir. Ürünün tanıtımını yapan, içeriği hakkında bilgi veren, gıdayı olumsuz koşullara karşı koruyan ambalajlar üretici firmalar için büyük maliyetlere neden olur. Özellikle bu maliyeti azaltmak için tercih edilen plastik malzemeler yaygın olarak gıda paketleme malzemesi olarak kullanılmaktadır. Sentetik polimerik malzemeler çevre ve insan sağlığı açısından pek çok dezavantaja sahiptir. Doğada uzun yıllar boyunca yok olmadan kalabilen, gün geçtikçe artan tüketim ve çevre kirliliği ile ortaya çıkan plastik atıklar, tüm canlılar için tehlike arz etmektedir. Son yıllarda çevre ve insan sağlığı bilincinin oluşması ve duyarlılığın artması ile tehdit unsuru haline gelen plastik malzemeler yerine geri dönüşümü kolay, doğal kaynaklı, ekonomik alternatif malzeme arayışları başlamıştır.
Biyopolimerler, doğada bol bulunması ve sürdürülebilir oluşu ile bilim insanlarının son dönemlerde üzerine çalıştığı malzemelerdir. Biyolojik kaynaklardan elde edilen, doğada ayrışıp yok olabilen, insan ve çevre için toksik etkisi olmayan biyopolimerler, petrol bazlı polimerlere karşı alternatif bir kaplama malzemesi olarak sunulmaktadır. Ayrıca düşük maliyetli oluşu ve yeşil kimya uygulaması olarak gıda dışında, medikal alanlarda ve çeşitli endüstriyel alanlarda film, hidrojel, membran, sünger gibi formlarda biyopolimerler tercih edilmektedir. Üç boyutlu ağsı yapısı olan ve doğal kaynaklardan elde edilen polisakkaritler en çok tercih edilen biyopolimerlerdir. Gıda kaplama çalışmalarında en çok tercih edilen doğal biyopolimerler selüloz, kitosan, karagenan, aljinat gibi malzemelerdir. Yeşil bitkilerden elde edilen selüloz türevi olan karboksimetil selüloz, kırmızı deniz yosunundan elde edilen karagenan bu çalışma kapsamında kullanılan biyopolimerlerdir.
Beyaz renkte, katı bir forma sahip olan karboksimetil selüloz, organik bir çözücüye ihtiyaç duymadan suda rahatça çözünebilir. Su gibi toksik olmayan bir çözücüde çözünebilme özelliği karboksimetil selülozun gıda ve ilaç alanlarında güvenli bir şekilde kullanılmasını sağlamaktadır. Ayrıca suda çözündüğünde kıvamlı hidrojeller oluşturması bu polimere film, jel, krem, tablet gibi farklı şekillerde uygulanabilirlik sağlamaktadır. Karagenan ise kırmızı deniz yosunu ve türevlerin farklı yöntemlerle edilebilen ve doğada bolca bulunan bir polimer çeşitidir. Yapısal olarak kappa, iota ve lambda olmak üzere üçe ayrılan karagenanlar kıvam artırıcı ve katkı maddesi olarak gıdalarda kullanılabilmektedir. Suda rahat çözünebilen karagenanların jel-çözelti geçiş özelliği, hidrojellere esneklik kazandırır ve uygulanabilirliğini kolaylaştırır. Toksik olmayan, ekonomik ve çevre dostu olan karagenan ve karboksimetil selüloz polimerleri suya karşı hassas oldukları için tek başlarına zayıf dayanıklılık gösterip, ortamda başka polimerler ve moleküller arası etkileşim ile dayanıklılığı artıracak çapraz bağlayıcı ajanlara ihtiyaç duyarlar. Biyopolimerlerin fiziksel dayanıklılığını artırarak, su bariyeri olmalarını sağlamak için polikarboksilik asitler çapraz bağlayıcı ajan olarak kullanılabilirler. Doğal organik asitlerden sitrik asit, malik asit, askorbik asit ve asetik asit toksik olmamaları, yapılarındaki karboksil grupları ile polimerler arası hidrojen bağı kurarak yapıyı güçlendirmeleri nedeniyle çapraz bağlayıcı olarak tercih edilen polikarboksilik asit çeşitleridir.
Bu çalışmada, karagenan ve karboksimetil selüloz polisakkaritleri kullanılarak biyolojik olarak bozunabilir, sürdürülebilir, toksik olmayan komposit film yapımı hedeflenmiştir. Filmin kırılgan dokusunu azaltmak, esneklik kazandırmak amacıyla film içeriğine gliserol eklenmiştir. İdeal gliserol miktarı optimizasyon çalışmalarıyla belirlenmiş olup filmlerin dokusuna ve oda koşullarındaki durumuna göre karar verilmiştir. Değişen polimer miktarının filmler üzerindeki etkisini gözlemlemek için iki farklı polimer oranında film çözeltileri hazırlanmıştır. Polimerler arası etkileşimi artırarak filmi daha dayanıklı forma dönüştürmek amacıyla film çözeltisi içine çapraz bağlayıcı ajan olarak malik asit ilave edilmiştir. Meyve ve sebzelerde bulunan doğal bir organik asit olan malik asitin gıda kaplama malzemesi olarak hedeflenen filmlerin yapısına katılmasının olumlu etkisi olacağı düşünülmüştür. Filmler uygulama kolaylığı açısından dökme yöntemi temel alınarak hazırlanmıştır.
Bu tez kapsamında, içeriğine karar verilen filmler hazırlanarak, fiziksel özellikleri test edilmiştir. Filmlerin kalınlık, opaklık, yüzde nem içerikleri, su ve fosfat tampon çözeltisi içindeki şişme davranışları, suda çözünürlük ve su buharı geçirgenliği özellikleri incelenmiştir. Ayrıca yapılan test sonucunda malik asit varlığının film içeriğindeki etkisi de değerlendirilmiştir. Filmlerin yüzdece suda çözünürlük değerleri kıyaslanarak su ve fosfat-tuz tampon çözeltisi ortamındaki şişme durumlarına bakılıp, malik asit içermeyen filmlerin ortamlarda fazlasıyla şişip dağılma özelliği gösterdiği, malik asitli filmlerin testler sonunda yapısını koruduğu gözlenmiştir. Filmlerin kalınlıklarına bakıldığında ise malik asit ilavesiyle film kalınlıklarının bir miktar arttığı söylenebilir. Su buharı geçirgenliği testi sonuçlarına bakıldığında ise malik asitli filmlerin su buharı geçirgenliğinin malik asit içermeyen filmlerden bir miktar yüksek olduğu görülmüştür. Malik asitin filmlerin nem içeriğini, opaklığı ve suda çözünürlüğünü azalttığı gözlenmiştir. Polimer oranlarının değişmesinin ise filmlerde önemli bir fark yaratmadığı gözlenmiştir. Karagenan ve karboksimetil selüloz filmlerinde malik asitin iyileştirici etkisi göz önüne alındığında hazırlanan film formülasyonları alternatif bir gıda kaplama malzemesi olarak önerilebilir.

Abstract:
Food packaging is very important for a product to reach the consumer. Packaging that promotes the product, gives information about its content, and protects the food against adverse conditions causes great costs for the manufacturers. Especially preferred plastic materials to reduce this cost are widely used as food packaging material. Even though its cost is low, it has many disadvantages in terms of environment and human health. Due to their petroleum-based nature, chemical residues can pass into food under poor storage conditions and pose a risk to consumer health. Also, plastic wastes, which can remain in nature for many years, and are generated by increasing consumption and environmental pollution, pose a danger to all living things. In recent years, with the formation of environmental and human health awareness and increased sensitivity, the search for alternative materials that are easy to recycle, naturally sourced, economical has started, instead of plastic materials that become a threat.
In recently, scientists have been working on biyopolimers because of their abundance and sustainability in nature. According to their formations and their rates in nature, biopolymers divided into three as polynucleotide, poly amino acids and polysaccharides, and are obtained from renewable resources. Biopolymers obtained from biological resources, that can decompose and disappear in nature, are not toxic for humans and the environment, are presented as an alternative food coating material against petroleum-based polymers. In addition of food coating implementation, biopolymers in forms such as films, hydrogels, membranes, and sponges are preferred in various industrial areas, in terms of their low cost and green chemistry application. Polysaccharides are most preferred biopolymers compared to polynucleotide and polyamino acids because they are found more in nature. Polysaccarides consist of repeating glycosidic linkages monomers and they have three-dimensional networked structure.When biopolymer studies are reviewed, it can be distinguished that polysaccarides are the most preferred materials for food packaging applications such as starch, cellulose, chitosan, carrageenan and alginate. Carboxymethyl cellulose, which is a cellulose derivative obtained from green plants, and carrageenan obtained from red seaweed are the biopolymers used in this study.
Cellulose obtained from plants consists of repeating glucose units and has a high molecular weight. It should be modified in order to be physically and chemically efficient and to be easily soluble in water such as methyl ethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, methyl cellulose. Moreover, carboxymethyl cellulose, which has a solid form of white color is a modified from cellulose can easily dissolve in water without the need for an organic solvent. Its ability to dissolve in a non-toxic solvent such as water enables the safe use of cellulose in food and medicine. In addition, the formation of viscous hydrogels when dissolved in water provides applicability to this polymer in different areas such as adhesive, paint, cosmetic products, textile industry, ceramic. Carboxymethyl cellulose shows highly sweeling behaviour because of its hydrophilic monomer units. However, due to its hydrophilic feature, it needs other polymers or auxiliary agents in order to be used efficiently.
Moreover, carrageenan is a type of polymer that can be produced with different methods from red seaweed and its derivatives and is abundant in nature. Carrageenan, which is structurally divided into three as kappa, iota and lambda, can be used in foods as thickeners and additives. When kappa and iota carrageenan can be dissolved in water with high temperature, gel form can be observed. On the other hand, lambda carragenan can not be both transform to gel form and dissolved in hot water. Gel form of kappa and iota carregeenan is increased when temperature decreases. When carregeenan solutions are gel form, they can be easily thermoreversible. Thus, these gel-solution transition feature of carrageenan, which is easily soluble in water, makes hydrogels flexible and easier to apply. Carboxymethyl cellulose and carrageenan polymers, which are non-toxic, economical and environmentally friendly, are sensitive to water, so they need cross-linking agents that will increase the resistance with other polymers and intermolecular interaction in the environment. In absence of crosslinker, biopolymers can easily soluble in water and show high swelling rate. These are undesirable coating material properties. Polycarboxylic acids are often used as crosslinking agents to increase the physical strength of biopolymers and make them water barriers. Among natural organic acids, citric acid, malic acid, ascorbic acid and acetic acid are polycarboxylic acid types preferred as crosslinkers because they are non-toxic and strengthen the structure by forming hydrogen bonds between carboxyl groups and polymers.
In this study, it is aimed to make biodegradable, sustainable, non-toxic renewable film using carboxymethyl cellolulose and carrageenan polysaccharides. The films have been prepared based on the casting method for ease of application. Glycerol has been added to the film content in order to reduce the fragile texture of the film and to provide flexibility. The ideal glycerol amount was determined by optimization studies and decided according to the texture of the films and their condition under room conditions. In order to observe the effect of varying polymer amount on films, film solutions were prepared at two different polymer ratios. One of these has 1% (w/v) carrageenan and 1% (w/v) carboxymethly celullose, and the other has 0.5% (w/v) karagenan and 1% (w/v) carboxymethly celullose, in total film solutions. All films include 150 μL glycerol. On the purpose of compare malic acid effect, half of the films do not contain malic acid solution (B1, B2). 0.5% (w/h) of malic acid was added to the film solution as a crosslinking agent in order to convert the film to a more durable form by increasing the interaction between polymers (A1, A2). It was thought that the addition of malic acid, a natural organic acid found in fruits and vegetables, to the structure of the targeted films as food coating material would have a positive effect.
In the scope of this thesis, the physical properties of the films were reported. Thickness, opacity, percentage moisture content, swelling behavior in water and phosphate buffer saline solution, water solubility and water vapor permeability of the films were investigated within the scope of characterization studies. In addition, the effect of the presence of malic acid on the film content was also evaluated as a result of the test. When the percentages of water solubility of the films were compared, films without malic acid 100% dissolved in water. However, A1 and A2 films which include malic acid can not be dissolved completely. According to water solubility test, it can be show that malic acid enhanced film solubility by nearly 60%. When the swelling
conditions in water and phosphate buffer saline solution were examined, it was observed that the films without malic acid showed the ability to gel and disperse in these medias, while the films with malic acid preserved their structure and did not convert to gel form at the end of the tests. In the first measurements of the sweeling test, mass of B1, B2 films increased nearly 8-10 times and then dispersed on the filter paper because of lack of malic acid. According to the thickness measurements of the films, it can be said that the film thickness increases a little with the addition of malic acid. Considering the water vapor permeability results where the thickness value is important in these calculation, it was seen that the water vapor permeability of the films with malic acid is slightly higher than the films without malic acid. It has been observed that malic acid reduces the moisture content of the films. Moisture content of A1, A2 films were nearly 12-13%, B1, B2 films were 17.24% and 15.92%, respectively. Further, when biopolymer films include malic acid their opacity as a measurement of transparency decreases. When all results are reviewed, it has been observed that changing the ratio of polymer does not make a significant difference in films. According to previous study, when cross-linker agent is added in the film solutions, water solubility, opacity, percentage of the swelling and moisture content should be decreased to ease of application, extend the shelf life of food. This thesis study contain these properties, only water vapor permeability properties of film can be improved. There is no previous study with carboxymethly cellulose, κ-carrageenan and malic acid together. Considering the healing effect of malic acid in carrageenan and carboxymethyl cellulose films, it may be proposed as an alternative food coating material in the future.