Polihedral oligomerik silseskuiokzan ve metal oksit katkılı nanokompozit aktif ambalaj film üretimi ve model gıdalarda raf ömrü üzerine etkisi
Nanocomposite active packaging film production containing polyhedral oligomeric silsesquioxane and metal oxide and effect on shelf life in model foods
Yazar: HATİCE KAVUNCUOĞLU
Danışman: PROF. DR. HASAN YALÇIN ; DOÇ. DR. MEHMET DOĞAN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü
Derece: Doktora, 2019
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Bu çalışmada, polihedral oligomerik silseskuiokzan (POSS) ve metal oksit nanopartikülleri, etilen etil akrilat uyumlaştırıcısı ile birlikte düşük yoğunluklu polietilen (LDPE) bünyesine katılarak çift vidali ekstrüderde aktif nanokompozit film (ANF) üretilmiştir. Okta amonyum (OA-POSS), N-Fenilaminopropil (AP-POSS) ve metakril (MA-POSS) POSS nanopartikülleri ağırlıkça %1, %3 ve %5 ZnO ve TiO2 nanopartiküllleri ise ağırlıkça %0,5, %1 ve %3 konsantrasyonlarında ilave edilmiştir. Filmler renk, kalınlık, mekanik, morfolojik özellikler, TGA (termogravimetrik analiz), DSC (diferansiyel taramalı kalorimetre) ve FTIR (fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi) analizleri ile karakterize edilmiştir. Kontrol filminin kopma mukavemeti (KM) değeri 10,9 olarak ölçülürken, POSS nanopartikülleri katkılı ANF'lerin KM değerleri 7,2-14,7 arasında, metal oksit nanopartikülleri katkılı ANF'lerin KM değerleri ise 7,5-18,1 arasında değişim göstermiştir.  POSS ve metal oksit nanopartiküllleri ihtiva eden bütün ANF'lerin kopma anındaki uzama (KU) değerleri kontrol filminden düşük bulunmuştur. Filmlerin L* a* ve b* değerleri nanopartikül ilavesiyle değişirken LDPE bünyesine ilave edilen nanopartiküller genel olarak ambalaj filmini kalınlaştırmıştır. Filmlerin SEM (taramalı elektron mikroskopisi) fotoğrafları incelendiğinde, ANF'lerin polimer matriksinde büyük ölçüde homojen bir dağılım gösterdikleri, ancak bazı bölgelerde aglomeratların oluştuğu görülmüştür. TGA sonucunda POSS ilaveli ANF'ler için en yüksek ve en düşük T5 değerleri sırasıyla 432°C ve 448°C ile %5 MA-POSS ve %1 OA-POSS içeren filmlerde, metal oksit ilaveli ANF'ler için ise sırasıyla 434°C ve 443°C ile %3 TiO2 ve %1 TiO2 içeren filmlerde tespit edilmiştir. DSC analizi sonucunda, nanopartikül ilavesinin LDPE polimerinin toplam entalpi, erime sıcaklığı ve kristalizasyon derecesi değerlerini önemsenecek düzeyde etkilemediği saptanmıştır. Üretilen filmlerin ambalajlanmasında kullanıldıkları gıdaların raf ömrü üzerine etkisini incelemek maksadıyla kıyma ve ceviz içi numuneleri seçilmiştir. Kıyma örnekleri vakum paketleme yöntemi ile paketlenmiş ve 5±1ºC'de 7 gün depolanmıştır. Depolama süresince doğal mikrobiyal yük ve kontamine edilen E. coli O157: H7'nin inhibisyonunda OA-POSS ve AP-POSS'un antimikrobiyal etki gösterdiği, MA-POSS'un kontrol filmine kıyasla daha fazla bakteri gelişimine sebep olduğu gözlemlenmiştir. ZnO ve TiO2 içeren filmlerin kıyma numuneleri üzerine etkisi incelendiğinde her iki filmin de antimikrobiyal etkisinin olduğu fakat ZnO içeren filmin daha etkin olduğu saptanmıştır. %3 ZnO içeren film başlangıçta 5,22 log kob/g olarak belirlenen E. coli O157: H7 yükünü 7 günlük depolama süresi sonunda 2.81 log kob/g seviyesine indirmiştir. Ceviz numuneleri ise filmlerin lipid oksidasyonu üzerine etkisinin belirlenebilmesi amacıyla hızlandırılmış oksidasyon şartlarına tabi tutulmuştur. Bu amaçla, 24 saat ışık, 38ºC sıcaklık ve %33 relatif nem koşullarına ayarlanan test kabininde 14 gün depolanmış ve 0. 7. ve 14. günlerde oksidatif stabilite testleri uygulanmıştır. POSS içeren filmlerden oksidasyon düzeyini en etkili yavaşlatan film AP-POSS olmuştur. Ayrıca, ZnO nanopartikülü ilavesinin de olumlu etkisi olduğu saptanmıştır. 

Anahtar Kelimeler: Aktif ambalaj, polihedral oligomerik silseskuiokzan, nanoteknoloji, raf ömrü, kıyma, ceviz, antimikrobiyal etki, lipid oksidasyonu.

Abstract:
In this study, polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) and metal oxide nanoparticles were added to the low density polyethylene (LDPE) together with the ethylene ethyl acrylate as compatibilizer and active nanocomposite film (ANF) was produced using the double screw extruder. N-Phenylaminopropyl (AP-POSS), octa ammonium (OA-POSS) and methacryl (MA-POSS) POSS nanoparticles were added at 1%, 3% and 5wt% and ZnO and TiO2 nanoparticles were added at 0,5%, 1% and 3wt% concentrations by weight. The films were characterized by color, thickness, mechanical, morphological properties, TGA (thermogravimetric analysis), DSC (differential scanning calorimeter) and FTIR (fourier transformed infrared spectroscopy) analysis. While the tensile strength (KM) of the control film was measured as 10,9, the KM values of the ANFs with POSS added varied between 7,2-14,7 and the KM values of the ANFs with the addition of ZnO and TiO2 varied between 7,5 and 18,1. The elongation at break (KU) values of all ANFs containing POSS, ZnO and TiO2 nanoparticles were lower than the control film. While the L* a* and b* values of the films were changed with the addition of nanoparticles, the nanoparticles added to the LDPE were generally increased the thickness. SEM (scanning electron microscopy) photographs of the films showed that ANPs had a substantially homogenous distribution in the polymer matrix, but agglomerates were formed in some regions. As a result of TGA, the highest and lowest T5 values for ANFs with POSS additions are 432°C and 448°C for 5% MA-POSS and 1% OA-POSS containing films and for ANFs with metal oxide addition 434°C and 443°C with 3% TiO2 and 1% TiO2 containing films, respectively. As a result of the DSC analysis, it was found that the addition of nanoparticle did not affect the total enthalpy, melting temperature and degree of crystallization of LDPE polymer. In order to examine the effect of the films on the shelf life of the foods, minced meat and walnut samples were selected. Minced meat samples were by vacuum packing method and stored at 5±1ºC for 7 days. During the storage period, it was observed that OA-POSS and AP-POSS exhibited antibacterial effect on E. coli O157: H7 and native microflora breeding, MA-POSS cause more bacterial growth compared to control film. When the effect of ZnO and TiO2 containing films on minced meat samples examined, both films had antimicrobial effect but ZnO containing film was found to be more effective. The film containing 3% ZnO reduced the initially surviving number of E. coli decreased from 5,08 to 4,02 log cfu/g on the 7th day. Walnut samples were stored at 24 hours light, 38ºC temperature and 33% relative humidity conditions for 14 days and oxidative stability tests were carried out on days 0, 7 and 14 in order to determine the effect of films on the lipid oxidation. The most effective film reduction of the level of oxidation was AP-POSS containing LDPE film. Morever, the addition of ZnO nanoparticle has a positive effect.

Keywords: Active packaging, polyhedral oligomeric silsesquioxane, nanotechnology, shelf life, minced meat, walnut, antimicrobial effect, lipid oxidation.