Biyoaktif bileşikler yüklenmiş aktif ve akıllı nanokompozit filmlerin geliştirilmesi, karakterizasyonu ve gıda uygulamaları
Development, characterization and food applications of active and intelligent nanocomposite films loaded with bioactive compounds
Yazar: DİLARA KONUK TAKMA
Danışman: PROF. DR. HİLAL ŞAHİN NADEEM ; PROF. DR. FİGEN KOREL
Aydın Adnan Menderes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Ambalajlama = Packaging ; Biyoaktif bileşikler = Bioactive compounds ; Ekstrakt =   ; Karakterizasyon = Characterization ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Nanopartiküller = Nanoparticles

Özet:
Amaç: Bu tez çalışmasında kestane, sedir ve sığla kabuk atıklarının fonksiyonel özelliklerinin değerlendirildiği zein nanopartikülleri ile zenginleştirilmiş aktif ve akıllı biyonanokompozit filmlerin geliştirilmesi ve yenilikçi gıda ambalajlarının gıda uygulamalarında değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Materyal ve Yöntem: Bu çalışma, kabuk ekstraktlarının enkapsüle edildiği zein nanopartiküllerinin eldesi için en uygun yöntem ve koşulların belirlenmesi (I), nanokompozit filmlerin geliştirilmesinde kullanılacak en uygun karbonhidrat ve protein materyallerinin belirlenmesi (II), zein nanopartiküllerini içeren aktif nanokompozit filmlerin karakterizasyonu ve optimizasyonu (III), geliştirilen optimum aktif nanokompozit filmlere akıllı özellik kazandırılması (IV) ve en iyi özelliklere sahip film formülasyonları ile paketleme ve yüzey kaplama olmak üzere iki farklı yöntemle model gıda uygulamalarının incelenmesi (V) olmak üzere beş aşamada gerçekleştirilmiştir. Biyoaktif özellikleri baz alınarak optimum koşullarda elde edilmiş olan kestane, sedir ve sığla kabuk ekstraktlarının enkapsüle edildiği zein nanopartikülleri yüksek hızda
homojenizasyon, ultrasonik homojenizasyon ve nanoçöktürme yöntemleri kullanılarak farklı karışım ve proses koşullarında üretilmiştir. Zein nanopartiküllerinin partikül boyutu, geçirgenlik, polidispersite indeksi, zeta potansiyeli değerleri ve enkapsülasyon etkinliği analiz edilmiş ve optimum nanopartikül üretim koşulları belirlenmiştir. En uygun yöntem ve koşullarda elde edilen zein nanopartikülleri, karbonhidrat ve protein bazlı film materyallerine dahil edilerek, aktif nanokompozit filmler üretilmiştir. Kompozit film formülasyonunun belirlenmesi amacıyla karbonhidrat bazlı biyopolimerlerden sodyum aljinat, pektin, karboksimetil selüloz, protein bazlı ise jelatin, yumurta albumini ve sodyum kazeinat ile elde edilen filmlerin özelllikleri belirlenerek en uygun karbonhidrat ve protein tipi seçilmiştir. Aktif nanokompozit filmlerin mekanik özellikleri, su buharı geçirgenliği ve opaklık değerleri baz alınarak optimum karbonhidrat/protein oranı, zein nanopartikül oranı ve gliserol konsantrasyonuna sahip nanokompozit film formülasyonu belirlenmiştir. Ayrıca biyonanokompozit filmlerin termal özellikleri, renk değerleri, nem miktarı, suda çözünürlüğü, antioksidan kapasitesi, toplam fenolik madde miktarı, antimikrobiyal özellikleri ve optimum film örneklerinde uçucu bileşikler ve oksijen geçirgenliği analiz edilmiştir. Optimum aktif nanokompozit filmlere gıda ile teması uygun indikatörler (antosiyanin ve kurkumin) eklenerek akıllı özellikleri test edilmiştir. Geliştirilen aktif ve akıllı nanokompozit filmlerin et, süt ve meyve-sebze grubundan seçilen taze gıdalarda paketleme ve kaplama uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Depolama süresince gıdaların pH değerleri, renk değerleri, tekstür özellikleri, toplam fenolik madde içerikleri ve mikrobiyolojik kalite değişimleri ile indikatörün kalite özellikleriyle uyumluluğu
incelenmiştir. Bulgular: Nanoçöktürme, yüksek hızlı homojenizasyon ve ultrasonik homojenizasyon
yöntemleri kullanılarak elde edilen kestane, sedir ve sığla ekstraktları yüklenmiş zein nanopartiküllerinin enkapsülasyon etkinliği %34,03 ile %96,83 aralığında değişim göstermiştir. En düşük partikül boyutu, nanoçöktürme yöntemi ile elde edilen sığla kabuğu ekstraktı yüklü zein nanopartikülleri için 132,81 nm olarak tespit edilmiştir. Kestane ve sedir kabuğu ekstraktı yüklü nanopartiküllerin üretimi için nanoçöktürme yöntemi daha uygun olurken, sığla kabuğu ekstraktı yüklü nanopartiküllerin üretimi için yüksek hızlı homojenizasyon yöntemi uygun bulunmuştur. Aktif nanopartiküllerin seçilen kompozit filmlere ilave edilmesi sonucu elde edilen aktif nanokompozit filmlerde minimum su buharı geçirgenliği, hedef uzama yüzdesi ve maksimum opaklık baz alınarak optimum üretim koşullarında her üç ekstrakt için de karbonhidrat:protein oranı 25:75 olup gliserol ve zein nanopartikül oranı farklılık göstermiştir. Kestane, sedir ve sığla ekstraktı bazlı nanokompozit filmlerin toplam fenolik madde değerleri sırasıyla 7,56-37,55, 3,56-24,27 ve 2,82-24,08 mg gallik asit/100 g kuru ağırlık aralığında bulgulanmıştır. Her üç ekstrakt için de geliştirilen aktif nanokompozit filmler Escherichia coli, Listeria monocytogenes ve Staphylococcus aureus mikroorganizmalarına karşı antimikrobiyal aktivite göstermiştir. Zein nanopartikül oranının artması sonucu nanokompozit filmlerin camsı geçiş sıcaklığının (Tg) azaldığı tespit edilmiştir. Filmler arasından seçilen kestane ekstraktı yüklü zein nanopartiküllerini (%5,78) içeren aktif ve akıllı nanokompozit filmler düşük su buharı geçirgenliği, düşük nem içeriği, düşük suda çözünürlük değeri, yüksek toplam fenolik madde içeriği, yüksek antioksidan kapasite değeri, uygun opaklık ve renk değerleri ile en iyi film özelliklerine sahip olmuştur. Aktif ve akıllı nanokompozit paketleme ve kaplama uygulanan kaşar peynirlerinde kontrol ve kaplama uygulaması yapılan gruplar bozulmadan 21 gün muhafaza edilebilirken (Toplam aerobik mezofilik bakteri >6 log kob/g), paketleme yapılan örnekler 35 gün sonunda aynı ölçüde kalite kayıplarına uğramıştır. Mandalinalarda yapılan nanokompozit paketleme ve kaplama uygulamalarında her iki uygulamada pH, tekstürel özellikler ve toplam fenolik madde miktarının korunmasına destek olurken, kaplama uygulaması özellikle mikrobiyolojik bozulmaların sınırlandırılmasına büyük ölçüde katkı sağlamıştır. Salatalık ile yapılan nanokompozit paketleme ve kaplama uygulamalarında ise kontrol grubuna kıyasla belirgin farklılıklar gözlemlenmemiş, raf ömrünün 12-14 gün olduğu tespit edilmiştir. Tavuk etinde gerçekleştirilen nanokompozit film ile paketleme uygulaması örneklerde mikrobiyal yükün daha yavaş artış göstermesini sağlamıştır. Sonuç: Tez çalışmasında kestane, sedir ve sığla kabuk atıklarının fonksiyonel özelliklerinden yararlanılarak değerlendirilmesi ve gıda ambalajlamada katma değerli
ürünlere dönüştürülmesi sağlanmıştır. Fenolik bileşiklerce zengin kabuk ekstraktlarının zein nanopartiküllerine yüklenmesi ve bu formda özelliklerini koruyarak nanokompozit filmlerde aktif özellik sağlaması için gereken en uygun koşullar elde edilmiştir. Ayrıca, aktif nanokompozit filmlere doğal renk indikatörleri aracılığı ile akıllı özellik kazandırılmıştır. Basit ve düşük maliyetli bu yöntem ile gıdaların depolanması süresince belirgin pH değerlerinde filmlerde ölçülebilir renk farkı belirlenmiştir. Kaşar peynirlerinde ve tavuk etinde aktif ve akıllı nanokompozit ambalaj ile paketleme, mandalinalarda aktif ve akıllı nanokompozit kaplama uygulamalarının gıdanın kalitesinin korunması ve mikrobiyal gelişmenin yavaşlatılması için etkin uygulamalar olduğu sonucuna varılmıştır. Salatalık gibi solunum hızı yüksek olan gıdalarda ise uygulamaların istenilen düzeyde etkili olmadığı görülmüştür. Geliştirilen aktif ve akıllı nanokompozit ambalaj veya kaplama uygulamasının sert peynirlerde paket olarak, solunum hızı düşük olan taze meyve ve sebzelerde kaplama olarak uygulanmasının etkili olacağı değerlendirilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Kabuk ekstraktları, Nanopartikül, Biyonanokompozit paketleme, Aktif
ambalajlama, Akıllı ambalajlama.

Abstract:
Objective: This thesis was carried out in order to develop active and intelligent bionanocomposite films enriched with zein nanoparticles in which the functional properties of chestnut, cedar and sweetgum shell wastes are evaluated and to evaluate innovative food packaging in food applications.
Material and Methods: In this study, it was carried out in five stages including determination of the most suitable method and conditions for the production of zein nanoparticles in which the shell extracts are encapsulated (I), determination of the most suitable carbohydrate and protein materials to be used in the development of nanocomposite films (II), the characterization and optimization of active nanocomposite films containing zein nanoparticles (III), giving smart properties to the developed optimum active nanocomposite films (IV) and examining the model food applications with film formulations having the best properties by two different methods as packaging and surface coating (V). Zein nanoparticles encapsulated chestnut, cedar and sweetgum shell extracts, which are
obtained under optimum conditions based on their bioactive properties, were produced under different mixtures and process conditions by using high-speed homogenization, ultrasonic homogenization and nanoprecipitation methods. Particle size, transmittance, polydispersity index, zeta potential values and encapsulation efficiency of zein nanoparticles were analyzed and optimum nanoparticle production conditions were determined. Active nanocomposite films were produced by incorporating zein nanoparticles obtained in the most suitable methods and conditions into carbohydrate and protein-based film materials. In order to determine the composite film formulation, the properties of the films obtained with carbohydrate-based biopolymers as sodium alginate, pectin, carboxymethyl cellulose, and proteins as gelatin, egg albumin and sodium caseinate were defined and the most suitable carbohydrate and protein type was selected. Based on the mechanical properties, water
vapor permeability and opacity values of the active nanocomposite films, the nanocomposite film formulation with the optimum carbohydrate/protein ratio, zein nanoparticle ratio and glycerol concentration was determined. In addition, thermal properties, color values, moisture content, water solubility, antioxidant activity, total phenolic content, antimicrobial properties of bionanocomposite films and volatile compounds and oxygen permeability in optimum film samples were analyzed. Intelligent properties were tested by adding indicators suitable for food contact (anthocyanin and curcumin) into optimum active nanocomposite films. Packaging and coating applications of the developed active and smart nanocomposite films were carried out in fresh foods selected from meat, milk and fruit-vegetable groups. During storage, the pH values, color values,
texture properties, total phenolic content and microbiological quality changes of the foods and the compatibility of the indicator with the quality properties were examined. Results: The encapsulation efficiency of zein nanoparticles loaded with chestnut, cedar and sweetgum shell extracts obtained by using nanoprecipitation, high speed homogenization and ultrasonic homogenization methods varied between 34,03%and 96,83%. The lowest particle size was determined as 132,81 nm for zein nanoparticles loaded with sweetgum shell extract obtained by nanoprecipitation method. While nanoprecipitation method was more suitable for the production of chestnut and cedar shell extract loaded nanoparticles, high speed homogenization method was found suitable for the production of sweetgum shell extract loaded nanoparticles. For the active nanocomposite films obtained by adding active nanoparticles to the selected composite films, the carbohydrate:protein ratio in the films was 25:75 under optimum production conditions for all three extracts, based on minimum water vapor permeability, target elongation percentage and maximum opacity, and the ratio of glycerol and zein nanoparticles differentiated. The total phenolic content values of the chestnut, cedar and sweetgum extract-based nanocomposite films were found in the range of 7,56-37,55, 3,56-24,27 and 2,82-24,08 mg gallic acid/100 g dry weight, respectively. Active nanocomposite films developed for all three extracts showed antimicrobial activity against Escherichia coli, Listeria monocytogenes and Staphylococcus aureus microorganisms. It was determined that the glass transition temperature (Tg) of the nanocomposite films decreased as the zein nanoparticle ratio increased. Among the films, active and smart nanocomposite film containing chestnut shell extract loaded zein nanoparticles (5,78%) has the best film properties with low water vapor permeability, low moisture content, low water solubility value, high total phenolic content, high antioxidant capacity value, appropriate
opacity and color values. For active and smart nanocomposite packaging and coating applied Kasar cheeses, while control and coating groups could be preserved for 21 days without spoiling (Total aerobic mesophilic bacteria >6 log cfu/g), the packaged samples lost their quality at the same extent at the end of 35 days. In nanocomposite packaging and coating applications made in mandarin fruit, pH, textural properties and total phenolic substance content were preserved in both applications, while the coating application especially contributed to the limitation of microbiological deterioration. In nanocomposite packaging and coating applications carried out with cucumber, no significant differences were observed compared to the control group, and it was determined that the shelf life of cucumbers was 12-14 days. The application of packaging with nanocomposite film in chicken meat provided a slower increase in microbial load of the samples. Conclusion: In this thesis study, it was ensured that chestnut, cedar and sweetgum shell wastes were evaluated by using their functional properties and converted into value-added products in food packaging. Optimal conditions were obtained to maintain the properties of shell extracts which are rich in phenolic compounds and loaded into zein nanoparticles and to provide active properties in nanocomposite films. In addition, active nanocomposite films have been given smart properties by means of natural color indicators. With this simple and low-cost method, a measurable color difference was determined in the films at specific pH values during the storage of foods. It has been concluded that packaging application of Kasar cheeses and chicken meat with active and smart nanocomposite film and coating application in mandarin fruits with active and smart nanocomposite solution are effective applications for preserving the quality of food and slowing down microbial growth. It was observed that the applications were not effective at the desired level in foods with a high respiratory rate such as cucumber. It has been evaluated that the developed active and smart
nanocomposite packaging or coating application will be effective as a package in hard cheeses and as a coating in fresh fruits and vegetables with low respiratory rate.
Keywords: Shell extracts, Nanoparticles, Bionanocomposite packaging, Active packaging,
Intelligent packaging