Polisakkarit bazlı pH'a duyarlı kolorimetrik yeni antimikrobiyal nanokompozit biyoindikatör filmlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of Polysaccharide based pH sensitive colorimetric new antimicrobial nanocomposite bioindicator films
Yazar: AHSEN TEZER KARABOĞA
Danışman: PROF. DR. SİBEL TUNÇ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu çalışmada, akıllı gıda paketlerinde yaygın olarak kullanılan nanokompozit filmlerin pH'a duyarlı indikatör olarak davranışı ve antimikrobiyal özelliği incelenmiştir. Meşe ağacı palamudu kullanılarak hazırlanan nişasta bazlı filme (N), kırmızı soğan kabuğundan ekstrakte edilen kuersetin (KUE) katkılandırılmış ve pH'a duyarlı nişasta bazlı kuersetin katkılı film (N-KUE) elde edilmiştir. Elde edilen filme antimikrobiyal özellik kazandırabilmek amacıyla nano-çinko oksit (ZnO) eklenmiştir. Böylece hem pH'a duyarlı hem de antimikrobiyal özellikte nişasta bazlı kuersetin ve nano-ZnO katkılı film (N-KUE-ZnO) elde edilmiştir. Bu filmlerin özellikleri, elde edilen metil selüloz bazlı (MC) ve %50 nişasta-%50 metil selüloz bazlı (NMC) filmler ile karşılaştırılmıştır. Kırmızı soğan kabuğundan kuersetin ekstraksiyonu için optimum ekstraksiyon koşulları belirlenmiştir. Kuersetin ekstraktının pH hassasiyetini belirleyebilmek amacıyla ekstraktın farklı pH çözeltilerindeki renk değişimi Ultraviyole-görünür (UV-Vis) spektroskopik yöntemle incelenmiştir. Elde edilen biyoplastik film örneklerinde Fourier dönüşümlü kızıl ötesi (FTIR) spektroskopisi, taramalı elektron mikroskobu (SEM), opasite, renk, mekaniksel dayanıklılık, termal gravimetrik analiz (TGA) ve su buharı geçirgenlik analizleri yapılmıştır. Filmlerin morfolojik görüntülerinde, N-KUE ve MC-KUE film yüzeylerinde %5 KUE katkılandırmasının pürüzlülüğü arttırdığı görülmüştür. %5 KUE katkılandırması ile NMC-KUE filmin morfolojik yapısında bir değişim olmadığı saptanmıştır. %3 ZnO katkılandırmasının tüm filmlerin yüzeylerinde heterojen bir yapı oluşturduğu gözlemlenmiştir. N film matriksine %5 oranında KUE eklenmesi ile filmin opasite (O) değerinin 5,22'den 5,52'ye, kuersetin içeren filme %3 oranında nano-ZnO ilave edildiğinde ise O değerinin 5,52'den 9,65'e yükseldiği tespit edilmiştir. N-KUE filmin parlaklık (L) değeri, saf N filme göre %61,84 azalmış, renk farkı (∆E) değeri %800,71 artmış ve beyazlık indeksi (WI) değeri %71,28 oranında düşmüştür. Filmlerin mekaniksel özellikleri karşılaştırıldığında; N ve MC filmlerin maksimum kopma kuvveti ve maksimum kopma gerinimi değerlerinin KUE katkılandırılmış filmlerde yükseldiği belirlenmiştir. N filme göre, N-KUE filmin maksimum kopma kuvveti ve maksimum kopma gerinimi değerleri sırasıyla %93,34 ve %296,56 oranında artış göstermiştir. NMC filmde KUE katkısı maksimum kopma kuvveti değerinde düşüşe neden olurken maksimum kopma gerinimi değerini arttırmıştır. Nano-ZnO katkılandırılmış tüm filmlerde ise maksimum kopma kuvveti ve maksimum kopma gerinimi değerleri düşmüştür. Filmlerin termal özellikleri incelendiğinde; termal kararlılığın tüm filmlerde KUE katkısı ile arttığı, nano-ZnO katkısı ile azaldığı belirlenmiştir. N filmin 206°C olan termal bozunma sıcaklığı N-KUE filmde 226,4°C'ye yükselirken, N-KUE-ZnO filmde ise 188,33°C'ye düşmüştür. Film matriksine KUE ve nano-ZnO katkılandırılması filmlerin su buharı geçiş hızı (WVTR), permeans ve su buharı geçirgenliği (WVP) değerlerini düşürmüştür. Filmlerin kanatlı etinde yapılan gıda uygulama testleri iki aşamada gerçekleştirilerek zamanla filmlerde meydana gelen renk değişimi gözlemlenmiştir. İlk aşamada, filmler gıdaya temas etmeyecek şekilde petri kutularının kapaklarının iç yüzeyine yerleştirilerek, petri kutularındaki kanatlı etlerinin pH değişimine bağlı olarak, yerleştirilen filmlerin renginde meydana gelen değişim gözlenmiş ve nano-ZnO katkılı filmlerde renk değişim hızının yavaş olduğu belirlenmiştir. İkinci aşamada, kanatlı et örnekleri N, N-KUE ve N-KUE-ZnO filmleri ile vakum paketleme yapılarak filmlerin gıdaya temas etmesi sağlanmıştır. N-KUE ve N-KUE-ZnO filmlerinde zamanla renk değişimi gözlenmiş ve renk değişiminin N-KUE-ZnO filmde daha yavaş gerçekleştiği belirlenmiştir. Elde edilen deneysel sonuçlar, düşük maliyetli ve doğa dostu N-KUE ve N-KUE-ZnO biyoplastik filmlerinin pH'a duyarlı olduğunu ve akıllı gıda ambalajı olarak kanatlı etlerinin paketlenmesinde kullanılabilmeleri için büyük bir potansiyele sahip olduklarını ortaya koymuştur.

Abstract:
In this study, the behavior as pH sensitive indicator and antimicrobial properties of nanocomposite films, which are widely used in smart food packages, were investigated. The starch-based film (N) prepared using oak tree acorns was doped with quercetin (KUE) extracted from red onion peel and pH sensitive starch-based quercetin doped film (N-KUE) was obtained. Nano-zinc oxide (ZnO) was added to the obtained film in order to give it antimicrobial properties. Thus, a starch-based quercetin and nano-ZnO added film (N-KUE-ZnO) that is both pH sensitive and antimicrobial was obtained. The properties of these films were compared with the obtained methyl cellulose based (MC) and 50% starch-50% methyl cellulose based (NMC) films. Optimum extraction conditions were determined for the extraction of quercetin from red onion peel. In order to determine the pH sensitivity of the quercetin extract, the color change of the extract in different pH solutions was investigated by Ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopic method. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), opacity, color, mechanical strength, thermal gravimetric analysis (TGA) and water vapor permeability analyzes were performed on the obtained bioplastic film samples. In the morphological images of the films, it was observed that 5% KUE doping increased the roughness on the N-KUE and MC-KUE film surfaces. It was determined that there was no change in the morphological structure of the NMC-KUE film with 5% KUE doping. It was observed that 3% ZnO doping formed a heterogeneous structure on the surfaces of all films. It was determined that the opacity (O) value of the film increased from 5.22 to 5.52 with the addition of 5% KUE to the N film matrix, and the O value increased from 5.52 to 9.65 when 3% ZnO was added to the film containing quercetin. The lightness (L) value of the N-KUE film decreased by 61.84%, the color difference (∆E) value increased by 800.71% and the whiteness index (WI) value decreased by 71.28% compared to the pure N film. When the mechanical properties of the films are compared; It was determined that the maximum tensile stress and maximum tensile strain values of N and MC films increased in KUE doped films. Compared to N film, the maximum tensile stress and maximum tensile strain values of the N-KUE film increased by 93.34% and 296.56%, respectively. In NMC film, the addition of KUE caused a decrease in the maximum tensile stress value and increased the maximum tensile strain value. Maximum tensile stress and maximum tensile strain values decreased in all nano-ZnO doped films. When the thermal properties of the films are examined; It was determined that the thermal stability of all films increased with the addition of KUE and decreased with the addition of nano-ZnO. The thermal decomposition temperature of the N film, which was 206°C, increased to 226.4°C in the N-KUE film, while it decreased to 188.33°C in the N-KUE-ZnO film. The addition of KUE and nano-ZnO to the film matrix decreased the water vapor transmission rate (WVTR), permeance and water vapor permeability (WVP) values of the films. The food application tests of the films on the poultry meat were carried out in two stages and the color change in the films over time was observed. In the first stage, the films were placed on the inner surface of the lids of the petri dishes so that they would not come into contact with the food, and change in the color of the placed films was observed depending on the pH change of the poultry meat in the petri dishes, and it was determined that the color change rate was slow in the nano-ZnO doped films. In the second stage, the poultry meat samples were vacuum packed with N, N-KUE and N-KUE-ZnO films and they were provided to contact with the food. Color change over time was observed in N-KUE and N-KUE-ZnO films, and it was determined that the color change occurred more slowly in N-KUE-ZnO films. Experimental results revealed that low-cost and nature-friendly N-KUE and N-KUE-ZnO bioplastic films are pH sensitive and have a great potential to be used in packaging of poultry meat as smart food packaging.