Antioksidan, antimikrobiyal özellik kazandırılmış nanokompozit filmlerin geliştirilmesi ve gıda uygulamaları
Development of antioxidant, antimicrobial nanocomposite films and their food applications
Yazar: ECE SÖĞÜT
Danışman: PROF. DR. ATIF CAN SEYDİM
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Gıda ambalajı = Food packaging

Özet:
Bu tez çalışması kısaca dört ayrı aşamadan oluşmaktadır: birinci aşama üzüm
çekirdeği tozundan fenolik bileşenlerin ekstrakte edilmesi, ikinci aşama
ekstrakte edilen bileşenlerin kitosan filmlere eklenmesi, üçüncü aşama
nanokompozit filmlerin oluşturulması ve son aşama gıda ambalajı olarak
uygulanmasıdır.
Bu çalışmanın amacı, gıda ambalajlama uygulamaları için gelişmiş mekanik ve
bariyer özelliklere sahip kitosan (CH) bazlı, polikaprolakton (PCL) ve siklik olefin
kopolimer (COC) iki katmanlı aktif filmlerin oluşturulmasıdır. Üzüm çekirdeği
tozu ekstraktı (GSE) ve nanoselüloz (NC) içeren, aktif özellikleri taşıyabilecek, iki
katmanlı aktif filmler üretilmiş ve ikinci katmanın CH filmlerin aktif ve fizikomekanik
özelliklerine etkileri test edilmiştir. CH filmlere GSE (5, 10, 15%, w/w)
ilave edilmesinin etkileri fiziko-mekanik, yapısal ve aktif özellikler bakımından
analiz edilmiştir. Aynı zamanda, COC ve PCL'in iki katmanlı film formunda ve NC
(1-5%, w/w) varlığında CH filmlerin mekanik, bariyer, morfolojik ve aktif
özellikleri üzerine etkileri de incelenmiştir. Son olarak, aktif iki katmanlı filmlerin
gıda uygulamaları için uygunluğunun test edilmesi amacıyla bir film grubu
kullanılmıştır. NC (2%, w/w) ve GSE (15%, w/w) içeren CH ve PCL bazlı iki
katmanlı filmler, gıda uygulamaları için yeterli aktif ve mekanik özellikler
göstermiştir. Bu nedenle, CH, % 15 GSE ve/veya % 2 NC içeren CH filmler ile PCL
bazlı iki katmanlı filmler hazırlanarak, buzdolabı koşullarında (+4°C) 15 gün
boyunca depolanması sırasında tavuk göğüs fileto örneklerinin kalitesi üzerine
etkileri çalışılmıştır.
GSE içeren filmler CH filmlerle karşılaştırıldığında daha yüksek su buharı
geçirgenlik değerleri, opaklık ve a* ve b* değerleri göstermiştir (p<0.05). GSE
miktarının artması transmittans ve L* değerlerini düşürmüştür. %15 oranında
GSE içeren CH film örnekleri en yüksek elastik modül (EM) ve elastikiyet (E,%)
değerleri göstermiştir (p<0.05). CH filmler Escherichia coli, Listeria
monocytogenes, Staphylococcus aureus ve Pseudomonas aeruginosa'ya karşı CH
filmlere göre daha etkin antimikrobiyal etki göstermiştir.GSE ilavesi, CH filmlere
antioksidan özellik kazandırmış ve CH filmlere %15 GSE ilavesi tavuk göğüs fileto
örneklerinin buzdolabı koşullarında oksidasyonu inhibe etmiştir (p<0.05). GSE 
v
içeren %15 GSE içeren CH filmler toplam mezofilik (TMAB) ve koliform bakteri
yükünü azaltmış (p<0.05) ve depolama boyunca CH filmlere göre TMAB ve
koliform bakteriler için sırasıyla, 1.50 ve 2.33 log azalma sağlamıştır.
CH bazlı PCL ve COC iki katmanlı film örneklerinin karakterizasyon analizleri
temas açısı, taramalı elektron mikroskobu (SEM), optik analizler, mekanik ve
bariyer özellikleri testleri ile gerçekleştirilmiştir. SEM görüntüleri, CH filmlerle
COC ve PCL katmanlar arasında uyum olduğunu gösterirken sadece GSE içeren
CH filmler ve COC katmanı arasında ayrılma gözlenmiştir. CH film yüzeyleri daha
düşük temas açısı değerleri gösterirken NC ve GSE içeren CH filmlerin
yüzeylerinde daha yüksek temas açısı değerleri gözlenmiştir. CH yüzeyine COC ve
PCL katmanların uygulanması ve NC ilavesi su buharı geçirgenliğini (WVP)
geliştirirken GSE ilavesi tersi bir etkiye neden olmuştur. CH filmlere NC ilavesi
filmlerin su tutma kapasitesi ve çözünürlük değerlerini düşürmüştür. NC ilavesi,
EM değerlerinde artışa ve TS ve E değerlerinde azalışa neden olmuştur. İki
katmanlı filmler, tek katmanlı filmlerle karşılaştırıldığında daha düşük EM ve TS
değerleri göstermiştir ve aynı zamanda daha elastik ve daha az şeffaf filmler
oluşturulmuştur (p<0.05). İki katmanlı filmler, tek katmanlı filmlere göre daha
opak bulunmuştur ve daha düşük L* ve transmittans değerlerine sahiptirler
(p<0.05). Film örneklerinin antimikrobiyal ve antioksidan özellikleri ve salınım
davranışları da test edilmiştir. İki katmanlı filmler de dahil, tüm film örnekleri E.
coli ve L. monocytogenes'e karşı antimikrobiyal aktivite göstermiştir. Ek olarak,
GSE ilave edilmiş film örnekleri % 14.33±0.24 – 20.45±0.07 arasında 1,1-difenil2-pikrilhidrazil
(DPPH) süpürücü etki göstermiştir. NC içeren PCL bazlı iki
katmanlı filmler COC iki katmanlı filmleri ile karşılaştırıldığında CH filmlerin
özelliklerini gıda uygulamaları için daha uygun hale getirmiştir.
Tavuk göğüs fileto örnekleri, üretilen film örnekleri ile ambalajlanmış ve
sonrasında düşük yoğunluklu polietilen (LDPE) filmlerle paketlenmiştir. Tüm
örneklerin mikrobiyolojik (TMAB ve toplam koliform bakteri sayısı) ve fizikokimyasal
özellikleri (pH renk değişimi, tiyobarbitürik asit reaktif bileşenleri
(TBARS), periyodik olarak analiz edilmiştir. Örneklerin pH değerleri, 6.33-6.81
arasında, farklı ambalaj materyallerinden etkilenmiştir (p<0.05). Kontrol örneği
(LDPE ambalaj) ile karşılaştırıldığında aktif filmlerle ambalajlanan örneklerin
TBARS değerleri daha düşüktür (p<0.05). Tavuk göğüs fileto örneklerinin L*
değerleri 6 günlük depolamadan sonra düşüş göstermiştir (p<0.05). Tavuk göğüs
fileto örneklerinin a* ve b* değerleri de farklı ambalaj malzemelerinden
etkilenmiştir (p<0.05). NC ve GSE içeren filmler, kontrol örnekleri (LDPE) ile
karşılaştırıldığında tavuk göğüs fileto örneklerinin TMAB ve koliform sayısında
azalışa neden olmuştur (p<0.05). Sonuçlar gösteriyor ki, CH ve PCL bazlı iki
katmanlı filmler, aktif ambalajlama materyali katmanı olarak fonksiyonel
bileşenlerin gıda uygulamaları için transferinde potansiyele sahiptir. Elde edilen
iki katmanlı filmler, fonksiyonel bileşenlerin konvansiyonel polimerler ile aktif
ambalaj katmanı haline transferinde potansiyele sahip olacaktır.


Anahtar kelimeler:, Üzüm çekirdeği ekstraktı, Kitosan, Nanoselüloz, Çift
katmanlı film, Antioksidan, Antimikrobiyal, Raf ömrü

Abstract:
This study comprised of four individual stages: in the first stage phenolic components were extracted from grape seed powder, in the second stage extracted components were incorporated into chitosan films, in the third stage nanocomposite films were prepared and in the last stage food packaging application was carried out.
The objective of this study was to develop chitosan (CH) based polycaprolactone (PCL) and cyclic olefin copolymer (COC) active bilayer films with enhanced mechanical and barrier properties for food packaging applications. Active bilayer films, that could carry active properties, including grape seed extract (GSE) and nanocellulose (NC), were prepared and tested the effect of a second layer on the active and physico-mechanical properties of CH films. The effect of GSE incorporation (5, 10, 15%, w/w) into CH film was evaluated using physicomechanical, structural and active properties. Although, the effect of COC and PCL application in the bilayer film form and in the presence of NC (1-5%, w/w) on the mechanical, barrier, morphological and active properties of CH films were evaluated. Finally, one of the film sample group was used to test the possibility of active bilayer films for food packaging application. CH and PCL based bilayer films including NC (2%, w/w) and GSE (15%, w/w) showed the required active and mechanical-barrier properties for food packaging application. Thus, CH, CH15G, CH2N, CH15G2N and PCL-C bilayer film samples were prepared and the effect of films on the quality of fresh chicken breast fillets during refrigerated storage was studied during 15 days of storage. 
GSE included films showed higher water vapor permeability, opacity, a*, and b* values (p<0.05). Increasing GSE concentration lowered the transmittance and L* values. 15% GSE included CH films showed the highest elastic modulus and elongation at break values (p<0.05). The addition of GSE provided antioxidant activity to CH films and the addition of 15% GSE into CH films inhibited oxidation of chicken breast fillets during refrigerated storage (p<0.05). GSE included CH films inhibited Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa more efficiently than CH stand-alone films. CH films incorporated 15% GSE inhibited total mesophilic aerobic bacteria (TMAB) and coliforms in chicken breast fillets (p<0.05) and provided 1.50 and 2.33-log reduction in TMAB and coliforms, respectively, during storage.
The characterization of CH based COC and PCL bilayer films were carried out by contact angle measurements, scanning electron microscopy (SEM), optical analysis, tensile and permeability tests. SEM images showed that there was a functional adhesion layer between CH and COC and PCL while a detachment occurred for GSE included COC bilayer films, only. CH film surface showed lower contact angle value, whereas the higher contact angle values were observed for CH film surfaces including GSE and NC. The formation of COC and PCL layers on CH surface and NC addition improved the water vapor permeability (WVP) while GSE addition had an adverse effect on WVP. The addition of NC into the CH films reduced the water uptake and solubility of films. The inclusion of NC resulted in an increased elastic modulus and a decrease in TS and ε (%) values. Bilayer films exhibited lower elastic modulus and tensile strength when compared to monolayer films, although they were more stretchable and less transparent (p<0.05). Bilayer films were more opaque than monolayer films showing lower L* and transmittance values (p<0.05). The antimicrobial and antioxidant activity of films and release behavior were also studied. All film samples including bilayer films showed antimicrobial activity against Escherichia coli and Listeria monocytogenes. Moreover, GSE added film samples showed antioxidant properties ranging 1,1-Diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) scavenging activity between 14.33±0.24 – 20.45±0.07 %. The formation of the bilayer with PCL and NC incorporation enhanced the suitability of CH based films for food packaging applications when compared to COC bilayer films. 
Chicken breast fillets were packaged with film samples and then vacuum packaged with low density polyethylene (LDPE). All samples were analyzed periodically for microbiological (total mesophilic aerobic (TMAB) and coliform bacteria and physo-chemical characteristics (change in pH, color and thiobarbituric acid reactive substances (TBARS)). The pH values of chicken breast fillets were, ranging from 6.33 to 6.81, affected by different packaging films (p<0.05). Samples packaged with active films had lower TBARS values than those of control samples (p<0.05). The L* values of chicken breast fillets significantly decreased after 6 days of storage (p<0.05). The a* and b* values of chicken breast fillets were significantly affected by different packaging films (p<0.05). Film samples incorporated GSE and NC led to a significant reduction in TMAB and coliforms in chicken breast fillets (p<0.05) during storage when compared with control (packaged with only LDPE). The results indicated that CH and PCL based bilayer films could be a promising material to transfer functional compounds as active packaging material layer for food packaging applications. These bilayer films will have a potential use for transferring functional compounds as active packaging material layer along with conventional polymers.