Nişasta kaynağının ve çeşitli yardımcı malzemelerin nişasta bazlı köpük tabakların özellikleri üzerine etkisi
The effects of starch source and various supplementary materials on the properties of starch based foam plates
Yazar: AHMET AYGÜN
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA KEMAL USLU
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, glioksal ile çapraz bağlanmış mısır, patates ve buğday nişastaları ve çeşitli lifler, lipitler ve dolgu malzemeleri kullanılarak yoğunluğu ve su emme miktarı olabildiğince düşük, mekanik direnci yüksek köpük tabakların üretilmesi hedeflenmiştir.

Bu araştırmanın ilk aşamasında, ideal köpük tabak üretimi için en uygun nişasta kaynağı belirlenmeye çalışılmıştır. Bu amaçla glioksal ile çapraz bağlanmış (0,126g glioksal/kg nişasta) mısır, buğday ve patates nişastalarından ayrı ayrı ve karışımlar halinde tabaklar üretilmiştir. Bu tabakların kalınlık, yoğunluk, denge nem içeriği, su emme miktarı ölçülmüş ve mekanik özellikleri bükme testi yapılarak belirlenmiştir. Yapılan analizler sonucunda yeterince köpük yapı oluşturduğu gözlemlenen tabakların mekanik özelliklerinin yaklaşık aynı olduğu ancak çapraz bağlı buğday-patates nişastasından üretilen tabağın (BP) yoğunluğunun (0,17g/cm3) ve su emme miktarının(%25,5) diğer tabaklara göre daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Dolayısıyla tabak üretmek için en uygun nişasta kaynağının çapraz bağlı buğday-patates nişastası karışımı olduğu belirlenmiştir.

Çapraz bağlı buğday-patates nişastası karışımına üç farklı kaynaktan elde edilmiş lif (odun, buğday ve bambu lifi), iki farklı lipit çeşidi (balmumu ve susuz hidrojene yağ) ve dört farklı dolgu malzemesi (Kaolen, nanokil (montmorillonit), silisyum dioksit (SiO2) ve çinko oksit (ZnO) nanoparçacıkları) eklenerek tabak özellikleri daha da geliştirilmeye çalışılmıştır. Tabakların su emme miktarını en fazla düşüren lif çeşidinin buğday lifi (% 7), lipit çeşidinin ise susuz hidrojene yağ (% 10) olduğu tespit edilmiştir. Dolgu malzemelerinden, nanokilin tabakların su emme miktarını artırdığı, silisyum dioksitin su emme miktarı üzerinde etkisi olmadığı, kaolen (% 1) ve çinko oksit nanoparçacıklarının (% 1) ise tabakların su emme miktarını düşürdüğü bulunmuştur.

Çapraz bağlı buğday-patates nişastası karışımına en uygun çeşit ve miktarı belirlenen yardımcı malzemeler eklenerek üretilen tabakların kalınlığı, yoğunluğu, denge nem içeriği, su emme miktarı, renk değerleri ve mekanik özellikleri ölçülmüştür. Tabakların, yüzeyi ve kesiti taramalı elektron mikroskobu (SEM) altında görüntülenmiş, kristal yapısı X-ışını kırınımı (XRD) analiziyle, erime sıcaklığı ve erime ısısı ise kademeli taramalı kalorimetre (DSC) ile belirlenmiştir.

Çapraz bağlı buğday-patates nişastasına eklenen bütün yardımcı malzemeler tabakların kalınlığını artırmıştır. Çapraz bağlı buğday-patates nişastasına nişastanın % 7'si kadar buğday lifi eklenerek üretilen tabağın (BPL) ve nişastanın % 7'si kadar buğday lifi ve %10'u kadar susuz hidrojene yağ içeren (BPLS) tabağın yoğunlukları, BP tabağının yoğunluğundan daha düşük olduğu bulunmuştur. Bu tabakların yoğunluklarının sırasıyla 0.115±0.013 g/cm3, 0.148±0.005g/cm3 olduğu bulunmuştur. Nişastanın % 7'si kadar buğday lifi ve % 1'i kadar çinko oksit nanoparçacıkları içeren (BPLN) ve nişastanın %7'si kadar buğday lifi, %10'u kadar susuz hidrojene yağ ve %1'i kadar çinko oksit nanoparçacıkları (BPLNS) tabaklarının ise BP ile aynı yoğunluğa sahip olduğu belirlenmiştir. Kaolen içeren tabakların ise BP'den daha yüksek yoğunluğa sahip oldukları tespit edilmiştir. 

BP tabağının su emme miktarı % 25,50±0,74 iken, BPL, BPLS ve BPLNS tabaklarının su emme miktarları sırasıyla % 16,64±1,25, % 6,4±0,01 ve % 5,85±0,29'e düşmüştür. Tabak yüzeylerinin taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntülerinde, yardımcı malzeme içermeyen tabakların daha fazla çatlak yapı gösterdiği, yardımcı malzemelerinin ilavesiyle tabakların yüzeylerindeki çatlakların azaldığı gözlemlenmiştir. Tabakların kesit yüzey SEM görüntülerinde, en düşük yoğunluğa sahip olduğu belirlenen BPL'nin diğer tabaklara göre daha kalın bir yapıda olduğu ve gözenek yapısının daha düzgün ve gözeneklerin daha büyük olduğu görülmektedir. Tabak üretiminde eklenen bütün yardımcı malzemeler L* değerinin artmasına yani tabakların renginin açılmasına neden olmuştur. BPLN ve BPLNS tabaklarının da en açık renge sahip tabaklar olduğu bulunmuştur. Çapraz bağlı buğday-patates nişastasına lif ilavesi, tabağın hem erime sıcaklığını hem de erime ısısını artırmış, ancak diğer yardımcı malzemelerin (kaolen, nanoparçacık, susuz hidrojene yağ) eklenmesi tabakların erime sıcaklığını farklı şekillerde etkilerken, erime ısılarını düşürmüştür. 

En düşük su emme değerine sahip BPLS ve BPLNS tabaklarında yapılan migrasyon analizi sonucunda, tabaklardan migrasyonla saf suya geçen glioksal miktarının Birleşik Alman Risk Araştırma Enstitüsü (BfR)'nün belirlediği üst sınırdan daha düşük olduğu belirlenmiştir. Yapılan antibakteriyel testler sonucunda çinko oksit nanoparçacıklarının E.coli XL 1-Blue üzerinde antibakteriyel etkisi olduğu ancak silisyum dioksit nanoparçacıklarının ve çinko oksit nanoparçacıkları içeren tabakların (BPLN ve BPLNS) antibakteriyel etki göstermediği bulunmuştur. Dolgu malzemelerinden nanoparçacıkların tabaklara antibakteriyel bir etki kazandırmaması ve eklenen tüm dolgu malzemelerinin tabakların diğer özellikleri üzerine olumlu bir etki yapmaması nedeni ile köpük tabak üretiminde dolgu malzemesi (kaolen, nanokil (montmorillonit), silisyum dioksit ve çinko oksit nanoparçacıkları) eklenmesine gerek olmadığı sonucuna varılmıştır.

Bu tez çalışması sonucunda en iyi özelliklere sahip olan tabağın çapraz bağlı buğday-patates nişastası ve nişastanın %7'si kadar buğday lifi, %10'u kadar susuz hidrojene yağ kullanılarak üretilen tabaklar (BPLS) olduğu ve bu tabakların gıda servis ve ambalajlanmasında kullanılabileceği belirlenmiştir.

Abstract:
The aim of this study was to produce a foam plate having low density, low water absorption and high mechanical resistance from glyoxal cross-linked corn, wheat, potato starches and their mix and various fibers, lipids and filling matters. In the first stage of the study, starch source was determined for production of ideal foam plate. For this purpose foam plates was produced from 0,126 g glyoxal/kg starch cross linked starches and their mixture. Thickness, density, water content and water absorption of the foams were measured. Mechanical properties of the foams were determined with flexural test. As results of analysis, the mechanical properties of the plates having enough foaming structure were similar to each other.  However, density (0,17g/cm3) and water absorption (25.5%) of the foam plate produced from cross-linked wheat-potato starch (BP).  were lower than that of other plates. Therefore, it was found that the most suitable starch source to produce a foam plate was the mixture of cross linked wheat-potato starch 

Three different fiber sources (wood, wheat and bamboo fiber), two different lipid types (beeswax and anhydrous hydrogenated margarine) and  four different types of filling matter(kaolin, nanoclay (montmorillonite), silicon dioxide (SiO2), and zinc oxide (ZnO) nanoparticles ) was added to the mixture of cross-linked wheat-potato starch  to improve plate properties additionally. Fiber type caused the most reduction on the water absorption of plates was wheat fiber (7 %) and lipid type was anhydrous hydrogenated margarine (10 %). Nanoclay increased the water absorption of the plates, silicon dioxide nanoparticles was not effect water absorption of the plates. It is found that the addition of kaolin (1% )  and zinc oxide nanoparticles (1%  ) was decreased the water absorption of plates.

The thickness, density, equilibrium moisture content, water absorption, color values and mechanical properties of the foam plates produced by adding the most appropriate kind and amount of the supplementary materials to wheat-potato starch were measured. Surface and cross-section of the plates were examined using a scanning electron microscope (SEM). The crystal structure of the plates was determined by the X-ray diffraction analyzes, and melting temperature and melting heat of them were determined by the differential scanning calorimeter (DSC).

The thickness of the plates increased by the addition of all supplementary materials to cross linked wheat-potato starch. The plate which produced by the addition of 7% wheat fiber of the starch weight to cross-linked wheat-potato starch (BPL) and by the addition of 7% wheat fiber, 10% anhydrous hydrogenated margarine of the starch weight(BPLS) were have lower density than BP plate. The densities of these plates were  0.115 ± 0.013g/cm3 and  0.148 ± 0.005g/cm3 respectively. The density values of the plate which produced by the addition of 7% wheat fiber, 1% zinc oxide nanoparticles(BPLN) and by the addition of 7% wheat fiber, 1% zinc oxide nanoparticles, 10% anhydrous hydrogenated margarine(BPLNS) were the same as BP plate. Plates containing kaolin were found to have a higher density than the BP.

While the water absorption content of BP plate was 25.50±0.74%, the water absorption of BPL, BPLS and BPLNS plates were decreased to 16.64±1.25%, 6.4±0.01% and 5.85±0.29% respectively. The surface micrographs of plates showed that the plates which were not include supplementary materials have more crack on the surfaces. But by the addition of supplementary materials the cracks were decreased evidently. The cross-sectional micrographs of the plates showed that BPL plate, having the lowest density, had thicker structure, smoother cell and greater cell size. L * value of the plates increased with the addition of all the supplementary materials. In the other words the color values of the plates were lighter with the addition of supplementary materials. And, BPLN and BPLNS plates had the lightest color. Fiber addition to cross-linked wheat-potato starch raised the melting temperature and the melting heat of the plate. Other supplementary materials (kaolin, nanoparticle, anhydrous hydrogenated margarine) affected differently the melting temperature of the plates but reduced the melting heat.

The migration tests were conducted by BPLS and BPLNS plates which have less water absorption capacity. The glyoxal migration from plates to pure water was found lower than the upper level set by the Federal Institute for Risk Assessment (BfR). After antibacterial tests, it was found that zinc oxide nanoparticles showed antibacterial effect on E. coli XL 1-Blue, but silicon dioxide and the plates containing zinc oxide nanoparticles (BPLN and BPLNS) was not show antibacterial effect. Due to plates were not gain antibacterial effect by the addition of nanoparticles and also all filling maters did not affect positively other features of the plates, it was concluded there was no need to add filling matters (kaolin, nanoclay (montmorillonite), silicon dioxide and zinc oxide nanoparticles) while producing foam plates.

As a result of this thesis study, it was determined that the most suitable plates can be produced by using cross-linked wheat-potata starch, wheat fiber and anhydrous hydrogenated margarine (BPLS) and it can be used safely for food packaging and servicing.