Elektroeğirme yöntemiyle uçucu yağların nanolif ile enkapsülasyonu ve karakterizasyonu
Production and characterization of essential oils loaded nanofibers via electrospinning method
Yazar: GÜLDEN GÖKŞEN
Danışman: PROF. DR. HACI İBRAHİM EKİZ
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Gıda ambalajı = Food packaging

Özet:
Bu çalışmada, elektroeğirme ile uçucu yağ yüklü zein ve polivinilalkol (PVA) nanolifleri elde edilmiş ve antimikrobiyal nanoliflerin aktif paketleme materyali olarak kullanılabilirliği araştırılmıştır. İlk olarak elektroeğirme teknolojisi ve dökme film yöntemiyle hazırlanan yenilebilir paketleme materyallerinin Listeria monocytogenes ve Staphlycocus aureus inokule edilmiş peynirlerin kaplaması üzerine antimikrobiyel etkileri incelenmiştir. Bunun için farklı konsantrasyonlarda uçucu yağ yüklü zein nanolifleri üretilmiştir. Uçucu yağların zein nanoliflerine enkapsüle edildiğini kanıtlamak için morfolojisi Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), moleküler özellikleri Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve termal özellikleri Termal gravimetrik analiz (TGA) ile tespit edilmiştir. Uçucu yağ konsantrasyonu arttıkça nanolif çapında azalmalar saptanmıştır.  Uçucu yağların nanoliflere enkapsüle edilmesi uçucu yağlara ait maksimum bozunma sıcaklıklarını daha yüksek sıcaklıklara çıkarmıştır. Zein matrisinin uçucu bileşiklerinin sıcaklık dayanıklılığını arttırma kabiliyeti kanıtlamıştır. Uçucu yağ yüklü zein nanolifleri ve filmler en çok L. monocytogenes üzerine antimikrobiyal etki göstermiştir. Uçucu yağ konsantrasyonu arttıkça nanoliflerin ve filmlerin mikroorganizmalar üzerine gösterdiği antimikrobiyal etkinliğin arttığı da bulunmuştur. Nanoliflerin, gıdanın yüzeyinde kademeli olarak antimikrobiyal bileşiklerin salınımına izin vererek, etki/korunma süresini uzattığı bulunmuştur.
Daha sonra uçucu yağlar hidrofilik özelliğe sahip PVA nanoliflerine enkapsüle edilmiştir. PVA nanoliflerinin suda çözünürlük özelliğini ortadan kaldırmak için çapraz bağlama işlemi uygulanmıştır. Çapraz bağlama işlemi fiziksel ve kimyasal olmak üzere iki farklı yöntem ile yapılmıştır. Kimyasal yöntemde aynı zamanda gıda katkı maddesi olarak kullanılan sitrik asit çapraz bağlama ajanı seçilmiştir. Fiziksel yöntem ise ısısal işlemdir. Suya dayanıklılık testi ile çapraz bağlama işlem parametrelerinin optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Nanoliflerin çapraz bağlama işleminden önce ve sonraki karakterizasyonları SEM, FTIR, TGA ve Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ile belirlenmiştir. Fiziksel yöntem ile çapraz bağlanan nanoliflerin suya daldırma işlem sonrasındaki SEM görüntülerine göre nanolif özelliğinin kaybolduğu tespit edilmiştir. Sitrik asit ile çapraz bağlanan nanoliflerin ise nanolif özelliklerini koruduğu ortaya konmuştur. Uçucu yağ yüklü nanoliflerin çaplarının çapraz bağlama işleminden sonra arttığı bulunmuştur. Çapraz bağlama, amorf özellik sergileyen PVA nanoliflerine kristallik kazandırmıştır. Sitrik asit katkısının uçucu yağ yüklü PVA nanoliflerinin termal kararlılık özelliğini arttırdığı tespit edilmiştir. Tavuk göğüs etleri kontrol, PVAc, PVAcLEO ve PVAcREO olmak üzere 4 grup şeklinde paketlenmiş ve depolamanın 0, 1, 4 ve 7. günlerindeki pH, L* (açıklık koyuluk), a* (kırmızılık) ve b* (sarılık) renk değerleri ve tiyobarbitürik asit (TBARS) sayıları belirlenmiştir. Ayrıca nanoliflerin tavuk göğüs etine kontamine edilen L. monocytogenes üzerindeki etkileri de incelenmiştir. PVAc, PVAcLEO ve PVAcREO nanolifleri ile paketlenmiş tavuk gögüs etlerinin pH değerlerinin azaldığı bulunmuş iken kontrol örneğinin pH değerinin arttığı tespit edilmiştir (p<0.05). PVAcLEO ve PVAcREO nanoliflerinin tavuk etinin L*, a* ve b* değerlerindeki değişimi istatistiksal olarak önemli bulunmuştur (p<0.05). PVAcLEO ve PVAcREO nanolifleri lipit oksidasyonu geciktirdiği belirlenmiştir. PVAcLEO ve PVAcREO nanolifleri ile paketlenmiş tavuk eti örneklerinin depolama sonunda L. monocytogenes yükünü başlangıçta yüklenen sayının altına düşürmeyi başarmıştır (p<0.05).

Abstract:
In this study, the essential oil-loaded zein and polyvinylalcohol (PVA) nanofibres were obtained by electrospinning and the usability of antimicrobial nanofibers as active packaging material was investigated. Firstly, the antimicrobial effects of edible packaging materials prepared by electrospinning technology and casting film method on the coating of Listeria monocytogenes and Staphlycocus aureus inoculated cheeses were investigated. For this, zein nanofibers loaded with different concentrations of essential oil were produced. To prove incorporation of essential oils into zein nanofibers, morhology, molecular and thermal properties of essential oils encapsulated nanofibers were determined by Scanning Electron Microscope (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and thermal gravimetric analysis (TGA). As the essential oil concentration increased, decreases in nanofiber diameters were detected. The encapsulation of essential oils into nanofibers raised the maximum decomposition temperatures of essential oils to higher temperatures. It found the ability of the volatile compounds of the zein matrix to increase temperature resistance. Essential oil loaded with zein nanofibers and films showed antimicrobial effects mostly on L. monocytogenes. It was also determined when as the essential oil concentration increased, the antimicrobial activity of nanofibers and films on microorganisms increased. Nanofibers were shown to allow the release of antimicrobial compounds gradually on the surface of the food, prolonging the action / protection time.
Essential oils were then encapsulated into hydrophilic PVA nanofibers. Crosslinking was applied to eliminate the water solubility feature of PVA nanofibers. Cross-linking process was carried out by two different methods, physical and chemical. The citric acid crosslinking agent, which is also used as a food additive in the chemical method, was chosen. The physical method is heat treatment. Optimization of cross-linking process parameters was performed with the water resistance test. Characterization of the nanofibers before and after crosslinking was determined by SEM, FTIR, TGA and Differential Scanning Calorimeter (DSC). It was determined that nanofibers, which were cross-linked by physical method, disappeared according to SEM images after immersion. Nanofibers crosslinked with citric acid were shown to retain their nanofiber properties. It was found that the diameters of essential oil loaded nanofibers increased after crosslinking. Crosslinking gave crystalline PVA nanofibers that showed amorphous properties. It was determined that citric acid additive increases the thermal stability of PVA nanofibers with essential oil. Chicken breast meat is packaged in 4 groups as control, PVAc, PVAcLEO and PVAcREO and pH, L * (lightness darkness), a * (redness) and b * (yellowness) color values and thiobarbituric acid (TBARS) were determined on 0, 1, 4 and 7 days of storage period. In addition, the effects of nanofibers on L. monocytogenes, which are contaminated with chicken breast meat, were performed. While pH values of chicken breast meats packed with PVAc, PVAcLEO and PVAcREO nanofibers were found to be decreased, the pH of the control sample was increased (p <0.05). PVAcLEO and PVAcREO nanofibers were observed change color in L *, a * and b * values of chicken meat significantly (p <0.05). PVAcLEO and PVAcREO nanofibers were shown to delay lipid oxidation. At the end of storage of chicken meat samples packed with PVAcLEO and PVAcREO nanofibers, L. monocytogenes was able to reduce the counts below the originally loaded counts (p <0.05).