Biyoaktif madde yüklenmiş nanokillerle güçlendirilmiş aktif ambalaj üretimi ve gıda ambalajlamada kullanımı
Production and food packaging applications of active packaging materials reinforced with nanoclays grafted with some bioactive compounds
Yazar: FATİH TÖRNÜK
Danışman: PROF. DR. HASAN YETİM ; DOÇ. DR. MEHMET HANÇER
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Ambalajlama = Packaging ; Gıda ambalajı = Food packaging ; Gıda endüstrisi = Food industry

Özet:
Bu çalışmada; biyoaktif maddeler [karvakrol (CRV), timol (THY) ve öjenol (EUG)], sürfaktan (Tween 80) vasıtasıyla nanokil [montmorillonit (MMT) ve halloysit (HNT)] yüzey ve aralıklarına taşınmış ve aktif kil nanopartikülleri (AKNP) üretilmiştir. Daha sonra bu AKNP'ler, düşük yoğunluklu polietilen (LDPE) bazlı aktif nanokompozit film (ANF) üretiminde kullanılmış ve üretilen ANF'lerin çeşitli gıdaların (kıyma, kaşar peyniri, parça et, fermente sucuk ve salça) raf ömürlerini etkileyen bazı parametreler üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Araştırmada kullanılan kil, sürfaktan ve aktif maddelerin, zetapotansiyelleri ve partikül boyutları ölçülerek karakterize edilmiştir. Hem MMT ve hem de HNT, farklı pH'larda negatif zetapotansiyel değerleri sergilerken MMT'nin partikül boyutu pH 2.00-13.00 arasında 316.77 nm ile 378.25 nm arasında değişmiştir. CRV, THY ve EUG ile Tween 80'in noniyonik yapıda olduğu ve kullanılan killerin zetapotansiyellerinde kayda değer bir değişime neden olmadıkları belirlenmiştir. Nanokil, sürfaktan ve aktif maddeler ile üretilen AKNP'lerin, 7 farklı bakteriye (Escherichia coli O157:H7, Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes, Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium, Bacillus cereus, Lactobacillus casei ve Lb. rhamnosus) karşı antimikrobiyal aktiviteleri test edilmiştir. CRV, EUG ve THY yüklenmiş AKNP'ler test edilen bakterilere karşı değişik düzeylerde antibakteriyel etki göstermişlerdir. Bunların arasında, sadece EUG-HNT örneğinin etkisi diğerlerine göre çok düşük bulunmuştur. B. cereus, bakteriler içerisinde AKNP'lere karşı en duyarlı mikroorganizma olarak belirlenmiştir. Yüksek antimikrobiyal aktivite gösteren AKNP'ler, LDPE ile %5 oranında karıştırılmış ve çift vidalı ekstrüder kullanılarak ANF'ler üretilmiştir. Elde edilen ANF'lerin antibakteriyel ve antiradikal aktiviteleri, mekanik özellikleri, 4ºC ve 24°C'de 40 günlük depolama sırasında kalan aktif madde miktarları, renk özellikleri, DSC (diferansiyel taramalı kalorimetre) ve TGA (termogravimetrik analiz) özellikleri, film kalınlıkları ile FTIR spektrumları test edilerek karakterizasyonları yapılmıştır. ANF'ler test edilen bakterilere karşı yüksek etkinlik göstermiş ve antibakteriyel etkinlikleri şu şekilde sıralanmıştır: THY-HNT > THY-MMT > CRV-MMT > CRV-HNT > EUG-MMT. ANF'lerin en düşük ve en yüksek 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) radikali yakalama aktiviteleri, sırasıyla %65.59 ve %87.92 ile THY-MMT ve EUG-MMT'de elde edilmiştir. ANF'lerde aktif madde miktarı, 4°C'ye kıyasla 24°C'de depolama sırasında çok daha hızlı kaybolmuştur, 4°C'de 40 günlük depolama sonunda en yüksek aktif madde miktarları CRV-HNT ve THY-HNT'de belirlenmiştir. SEM (taramalı elektron mikroskopisi) fotoğrafları, AKNP'lerin polimer matriksinde büyük ölçüde homojen bir dağılım gösterdiklerini, ancak bazı bölgelerde kil aglomeratlarının oluştuğunu ortaya koymuştur. Ambalajların opaklık değerleri arasında istatistiksel olarak bir fark (P>0.05) bulunmazken en düşük ve en yüksek toplam renk farklılığı (ΔE) değerleri sırasıyla saf LDPE ve THY-MMT'de belirlenmiştir. TGA sonucunda en yüksek ve en düşük T50 değerleri sırasıyla 491.45°C ve 481.64°C ile CRV-MMT ve THY-MMT'de tespit edilmiştir. EUG-MMT ve saf LDPE ambalaj ise diğerlerinden daha erken termal yıkıma uğramıştır. DSC analizi sonucunda, LDPE ambalajın ANF'lere kıyasla daha düşük erime sıcaklığı ile daha yüksek erime entalpisi ve %kristalizasyon değerlerine sahip olduğu gözlemlenmiştir. Aktif madde ve nanokil çeşidi, ambalajın mekanik özellikleri üzerinde etkili olmuştur. Tüm AKNP yüklenmiş filmler, saf LDPE ambalajlara kıyasla istatistiksel olarak daha yüksek (P<0.05) çekme dayanımı (TS) ve kopma anındaki uzama (EB) değeri sergilerken MMT kilinin mekanik özellikler üzerindeki olumlu etkisi HNT'den fazla bulunmuştur. Gıda denemeleri sonuçlarına göre ANF'ler; kaşar peynirinin doğal mikrobiyal yükü ile kaşara kontamine edilen Aspergillus niger küfü ve L. monocytogenes bakterisinin gelişimini baskılamıştır. Kıymada doğal mikrobiyal yükün ve kontamine edilen E. coli O157:H7'nin inhibisyonunda THY-HNT, TBA oluşumunun geciktirilmesinde ise THY-HNT ve EUG-MMT etkili olmuştur. Dilimlenmiş fermente sucukların ANF'lerle ambalajlanıp depolanması ile TMAB (toplam mezofilik aerobik bakteri), MK (maya-küf) ve LAB (laktik asit bakterisi) sayıları başlangıca göre istatistiksel olarak önemli düzeyde (P<0.05) düşmüştür. Ancak ANF'ler, sucukta kontrole kıyasla TBA oluşumunun geciktirilmesi üzerine herhangi bir ilave etki yapmamıştır. Yine domates salçasına kontamine edilen A. niger küfünün inaktivasyonunda ANF'ler, kontrole kıyasla ilave bir (P>0.05) inhibisyon sağlamamıştır. Parça etin yüzeyine kontamine edilen E. coli O157:H7'nin inaktivasyonunda, özellikle THY-MMT ve THY-HNT önemli derecede (P<0.05) etkili bulunmuştur. ANF'ler, parça etlerin arzu edilen yüzey renginin devamlılığında 4. güne kadar başarılı olmuş, ancak depolamanın 7. gününde tüm örnekler kırmızı yüzey renklerini kaybetmiştir. Bu araştırmanın sonucunda, CRV, THY ve EUG ile aktif kil nanopartikülleri başarılı bir şekilde üretilmiş ve ANF üretiminde kullanılmıştır. Neticede ANF'lerin bazı gıdaların ambalajlanmasında başarılı bir şekilde kullanılma potansiyeli taşıdıkları belirlenmiştir.

Abstract:
In this study; some bioactive compounds [carvacrol (CRV), thymol (THY) and eugenol (EUG)] were transferred into the gaps and surface of nanoclays [(montmorillonite (MMT) and halloysite (HNT)] using a surfactant (Tween 80) and thereby active clay nanoparticles (ACNPs) were produced. Those ACNPs were used in the production of low density polyethylene (LDPE) based active nanocomposite films (ANFs). Finally, the ANFs were evaluated for their efficiency on some parameters affecting the shelf life of some foods (ground beef, kashar cheese, beef cuts, fermented sucuk and tomato paste). In the first step, nanoclays were characterized by measuring their zetapotential values and particle size. Both MMT and HNT exhibited negative zetapotential values in different pH values while particle size of MMT ranged from 316.77 nm to 378.25 nm between pH of 2.00 and 13.00. It was found that CRV, EUG and THY were in nonionic character, and they did not remarkably change the zetapotential values of the nanoclays. Antimicrobial activity of ACNPs was tested against 7 different bacterial strains (Escherichia coli O157:H7, Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes, Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium, Bacillus cereus, Lactobacillus casei and Lb. rhamnosus). CRV, EUG or THY grafted ACNPs showed variable antibacterial activities. Among them, the antibacterial activity of EUG-HNT was the lowest. It was determined that B. cereus was the most sensitive strain among the bacteria tested against ACNPs. ACNPs showing high antimicrobial activity were mixed with LDPE in a ratio of 5%, and ANFs were produced using a twin-screw extruder. ANFs were characterized by analyzing their antibacterial and antiradical activity, mechanical properties, residual amounts of active compounds, color properties, DSC and TGA properties, film thickness and FTIR spectra. In the results, ANFs exhibited strong antibacterial activity by the following order: THY-HNT > THY-MMT > CRV-MMT > CRV-HNT > EUG-MMT. The lowest and highest 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) free radical scavenging activities were 65.59%and 87.92%, which belonged to THY-MMT and EUG-MMT, respectively. Active compounds were released from the ANFs more rapidly at 24°C than at 4°C. CRV-HNT and THY-HNT had the highest active compound amounts after storage at 4°C for 40 days. SEM images showed that ACNPs dispersed well in the polymer matrix, but some agglomerations were also present in some areas. There was no difference (P>0.05) statistically between the opacity values of the films while the lowest and highest total color difference values (ΔE) were obtained in neat LDPE and THY-MMT, respectively. TGA results revealed that the highest and lowest T50 values were 491.45°C and 481.64°C for the samples CRV-MMT and THY-MMT, respectively. Thermal degradation of EUG-MMT and neat LDPE films occurred earlier than that of the other samples. DSC analysis indicated that neat LDPE film had lower melting temperature and higher melting enthalpy and %crystallization values than those of the ANFs. Mechanical properties of packaging film were affected from diversity of the active compounds and the nanoclays. All ANFs showed higher (P<0.05) tensile strength (TS) and elongation at break (EB) values than the neat LDPE film while contribution of MMT to mechanical improvement was more than that of the HNT. Considering the results of food packaging tests, the ANFs suppressed the growth of native microbial load of kashar cheese and growth of A. niger and L. monocytogenes which were inoculated to the cheese surface. THY-HNT was effective on inhibition of native microbial load and inoculated E. coli O157:H7 of ground meat while THY-HNT and EUG-MMT retarded TBA formation in the ground meat samples. Counts of total mesophilic aerobic bacteria (TMAB), yeasts and molds (YM) and lactic acid bacteria (LAB) of sliced fermented sucuk samples which were packaged with ANFs at the end of the storage were statistically lower (P<0.05) than those at the beginning of the storage. However, ANFs did not make additional contribution to the retardation of TBA formation in the sliced sucuk samples as compared to the control. For the inactivation of A. niger inoculated to tomato paste, the ANFs did not show any additional inhibitive effect when compared to neat LDPE film. Especially THY-MMT and THY-HNT showed considerable inactivation effect on E. coli O157:H7 inoculated to the surface of the beef cut. The ANFs were successful for sustaining the desired surface color of the meat up to 4 days, but all meat samples lost their red color at the 7th day of the refrigerated storage. The present study demonstrated the successful production of THY, EUG or CRV grafted active clay nanoparticles and their use in ANF manufacture. It could be concluded that the ANFs had the potential for the successfully use in various food packaging applications.