Sürdürülebilir ambalaj uygulamaları için biyobozunur poli (butilen süksinat) (PBS) ve sodyum kazeinat (NaCAS) karışımlarının hazırlanması ve karakterizasyonu
The preparation and characterizations of biodegradable poly (butylene succinate)(PBS) and sodium caseinate (NaCAS) blends for packaging applications
Yazar: MÜMİNE YILDIR
Danışman: PROF. DR. AYŞE AYTAÇ
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Sentetik polimerlerden elde edilen malzemeler genellikle gıda ambalajı olarak kullanılmaktadır. Sentetik polimerlerin düşük maliyet ve mükemmel mekanik özellikleri avantajlı olarak tanımlanmalarına sebep olmaktadır. Ancak sınırlı petrol kaynakları ve sentetik polimerlerin çevresel zararları yeni alternatifleri araştırma ihtiyacı doğurmaktadır. Çevre dostu biyo bazlı ve biyobozunur polimerlerin kullanılması önemli alternatiflerdendir. Son yıllarda, gıda ambalajı üretimi iki bilimsel temel üzerinde yoğunlaşmıştır: biyobozunur ambalaj malzemelerinin benimsenmesi ve gıda ürünlerinin raf ömrünün, kalitesinin ve güvenliğinin artırılması için antimikrobiyal ambalajların geliştirilmesidir. Bu çalışma, aktif gıda ambalajlarında kullanılmak üzere biyobozunur bir polimer olan Poli(bütilen süksinat)'ın (PBS) potansiyel kullanımına odaklanmaktadır. PBS, güvenli ve toksik olmayan biyobozunur polimer olarak tanımlanmıştır, bu da onu gıda ambalajı uygulamaları için umut vadeden bir hale getirmektedir. Ancak, PBS'in bazı özelliklerinin hala geliştirilmesi gerekmekte ve ayrıca PBS pahalıdır. Çalışmada, süt proteini olan Sodyum kazeinat (NaCAS), PBS'in maliyetini düşürmek ve özelliklerini iyileştirmek için yapıya eklenmiştir. PBS ve farklı konsantrasyonlarda NaCAS (ağırlıkça %10, 20 ve 30) içeren filmler ekstrüzyon ve sıcak presleme yöntemiyle hazırlanarak, filmlerin mekanik, ısıl ve yapısal özellikleri incelenmiştir. 80/20 PBS/NaCAS filminin optimum özellikler sergilediği görülmüş ve ardından 80/20 PBS/NaCAS filminin ambalaj olarak kullanılması için gereken özelliklerin (antibakteriyel, geçirgenlik gibi) geliştirilmesi amacı ile yapıya farklı oranlarda gümüş nanopartikülleri (AgNP) ve propolis (Pr) eklenerek filmler elde edilmiştir. Hazırlanan kompozitlerin özellikleri, çekme testi, termogravimetrik analiz (TGA), diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC), Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) testleri ile incelenmiştir. E. coli ve S. aureus bakterilerine karşı antibakteriyel testler de dahil olmak üzere geçirgenlik ve hidrofobiklik özellikleri değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlardan hem AgNP'nin hem de Pr'nin karışımın mekanik ve ısıl özelliklerini olumsuz etkilediği sonucuna varılmıştır. Sadece Pr içeren filmler antibakteriyel aktivite göstermiştir. Ayrıca, Pr konsantrasyonunun artmasıyla birlikte gerilme dayanımı da artmıştır. AgNP ve Pr eklenen filmlerde su buharı iletim hızının düştüğü ve temas açısının arttığı gözlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: AgNP,Biyobozunur ambalaj, Poli(bütilen süksinat) (PBS),  Propolis, Sodyum Kazeinat (NaCAS).

Abstract:
Materials derived from synthetic polymers are commonly used in food packaging due to their affordability and excellent mechanical characteristics. However, the reliance on limited petroleum resources and the environmental impacts associated with synthetic polymers necessitates the exploration of alternative options. One such alternative is the use of eco-friendly bio-based and biodegradable polymers. Recent developments in food packaging production have focused on two key areas: the adoption of biodegradable packaging materials and the creation of antimicrobial packaging to improve the shelf life, quality, and safety of food products. This study specifically investigates the potential application of a biodegradable polymer, that is Poy(butylene succinate)(PBS), in active food packaging. PBS has been recognized for its safety and non-toxicity, making it a promising candidate for food packaging applications. Despite its promising qualities, PBS still requires some improvement, and cost remains a concern. That's why, sodium caseinate (NaCAS) which is a commercially available protein obtained from milk, has been incorporated into the structure to both reduce costs and enhance properties. Films containing PBS and different concentrations of NaCAS (10, 20, and 30 wt.%) were prepared by extrusion and hot-pressing methods and their mechanical, thermal, and structural properties were analyzed. The 80/20 PBS/NaCAS film showed optimal properties. To improve the properties (such as antibacterial, and permeability) required for the use of film as packaging material, different amounts of silver nanoparticles (AgNP) and propolis (Pr) containing films were prepared for the use of the 80/20 PBS/NaCAS film in packaging applications. The properties of the resulting composites were assessed through a series of tests including tensile testing, thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), dynamic mechanical analysis (DMA), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and scanning electron microscopy (SEM). Permeability and hydrophobicity were also evaluated, including antibacterial testing against E. coli and S. aureus bacteria. The findings indicated that both AgNP and Pr negatively impacted the mechanical and thermal properties of the composite. Only films containing Pr demonstrated antibacterial activity. Furthermore, an increase in Pr concentration correlated with improvements in tensile strength. The water vapor transmission rate decreased, and the contact angle increased in the films including AgNP and Pr.

Keywords: AgNP, Biodegradable Packaging, Poly(butylene succinate) (PBS), Propolis, Sodium Caseinate