Modifiye nanokillerin biyobozunur gıda ambalajlarında kullanımı
The use of modified nanoclays into the biodegradable food films
Yazar: KEREM İLASLAN
Danışman: DOÇ. DR. FATİH TÖRNÜK ; DOÇ. DR. MUHAMMED ZEKİ DURAK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Gümüş nitrat = Silver nitrate ; Halloysit = Halloysite ; Montmorillonit = Montmorillonite ; Nanokompozitler = Nanocomposites

Özet:
Dünya üzerinde gıdaya olan talep gün geçtikçe artarken bu talebi karşılayacak kaynaklar sınırlı kalmaktadır. Bu nedenle gıda bilimciler gıdaların üretiminin yanında onların muhafazasının sağlanması konusunda da çalışmalar yapmaktadır. Gıdaların muhafaza yöntemlerinden biri de nanokompozit ambalaj filmleridir. Ambalaj filmlerinin gıdayı korumasının yanında biyobozunur özellikte olması kalıcı kirliliği azaltarak doğanın korunmasını sağlamaktadır. Bu çalışmada, doğada yaygın olarak bulunan halloysit ve montmorillonit nanokilleri polimer ile interkalasyonunu artırabilmek için çeşitli sürfaktanlar ile organomodifiye edilmiştir. Daha sonra gümüş nitrat ile etkileştirilerek nanokillere antimikrobiyal özellik kazandırılmıştır. Antimikrobiyal özellikteki organomodifiye nanokillerin Zeta potansiyel, partikül boyutu, temas açısı, spektroskopik, renk, in vitro salım, morfolojik ve antimikrobiyal analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen modifiye nanokil numuneleri biyobozunur özellikteki polikaprolakton (PCL) polimeri içerisine %5 oranında katılarak solvent döküm yöntemi ile nanokompozit filmler üretilmiştir. Filmlerin mekanik, bariyer, termal, morfolojik, renk, spektroskopik ve antimikrobiyal karakterizasyonları yapılmıştır. Nanokompozit filmler ayrıca sığır kıyması ve ekmek olmak üzere 2 model gıda üzerinde test edilmiştir. Nanokompozit filmlerin saf PCL filme göre sırası ile çekme direnci ve kopma anındaki uzama miktarı en fazla %40 ve %262 oranında artmıştır. Nanokompozit filmlerin oksijen ve su buharı geçirgenliği ise saf PCL filme göre sırası ile en fazla %37 ve %71 oranında azalmıştır. Termal analizlerde nanokil ilavesinin PCL'nin erime sıcaklığını çok etkilemediği ancak kristalizasyon sıcaklığını yaklaşık 1 °C artırdığı görülmüştür. Taramalı elektron mikrokopisi, organomodifiye edilen nanokillerin polimer içerisinde daha düzgün bir dağılımı olduğunu göstermiştir. Nanokompozit filmler gıda patojenleri olan Gram-pozitif Staphylococcus aereus, Listeria monocytogenes ve Gram-negatif Escherichia coli O157:H7 ve Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium bakterileri üzerine inhibisyon etkisi göstermiştir. Nanokompozit filmler ile ambalajlanan ve depolanan sığır kıymasındaki toplam mezofilik aerobik ve toplam koliform bakteri gelişimi saf PCL filme göre yaklaşık 1 log10 kob/g kadar azalma gösterirken, nanokompozit filmlerin laktik asit bakterilerinin üzerinde sınırlı bir etkisi olmuştur. Ekmekte ise küf/maya gelişimini yavaşlatmıştır. Bu bulgular gümüş ile antimikrobiyal özellik kazandırılmış halloysit ve montmorillonitin PCL filmlere katıldığında gıdalardaki mikrobiyal gelişmeyi yavaşlatarak gıdaların bozulmasını yavaşlattığını göstermektedir. Bunun yanında PCL filmlerin mekanik ve gaz bariyer özellikleri de iyileştirilerek kullanım özellikleri geliştirilmiştir.

Abstract:
While the demand for food in the world is increasing day by day, the resources to meet this demand remain limited. For this reason, food scientists are working on the production of foods as well as their preservation. One of the preservation methods of foods is nanocomposite packaging films. Besides protecting food by packaging films, biodegradable property of them may reduce permanent pollution and provide nature protection. In this study, halloysite and montmorillonite nanoclays, which are common in nature, were organomodified with various surfactants in order to increase their intercalation with polymer. Then, by interacting with silver nitrate, the nanoclays were given antimicrobial properties. Zeta potential, particle size, contact angle, spectroscopic, color, in vitro release, morphological, and antimicrobial analyzes of organomodified nanoclays with antimicrobial properties were performed. The obtained modified nanoclay samples were added to the biodegradable polycaprolactone (PCL) polymer at a rate of 5% to produce nanocomposite films by solvent casting method. Nanocomposite films were characterized by performing mechanical, gas permeability, thermal, morphological, color, spectroscopic and antimicrobial analyzes. The nanocomposite films were also tested on 2 models of food, beef mince and bread. The tensile strength and elongation at break of the nanocomposite films increased by 40% and 262%, respectively, compared to the pure PCL film. The oxygen and water vapor permeability of the nanocomposite films decreased by 37% and 71%, respectively, compared to the pure PCL film. In thermal analysis, it was observed that the addition of nanoclay did not affect the melting temperature of PCL much, but increased the crystallization temperature by about 1 °C. Scanning electron microscopy showed a more uniform distribution of organomodified nanoclays. Nanocomposite films showed inhibition effect on food pathogen bacteria Gram-positive Staphylococcus aereus, Listeria monocytogenes and Gram-negative Escherichia coli O157:H7 and Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium. While the growth of total mesophilic aerobic and total coliform bacteria in ground beef packaged and stored with nanocomposite films decreased by about 1 log10 cfu/g compared to pure PCL film, nanocomposite films had a limited effect on lactic acid bacteria. In bread, it slowed down the growth of mold/yeast growth. These findings show that when halloysite and montmorillonite, which have antimicrobial properties with silver, are added to PCL films, they can slow down the spoilage of foods by slowing down the microbial growth in foods. In addition, the mechanical and gas barrier properties of PCL films have been enhanced and their handling properties have been improved.