Malt posasından hemiselüloz bazlı filmlerin eldesi ve gıda ambalajı yönünden karakterizasyonu

Abstract

Petrol bazlı plastiklerin neden olduğu çevresel sorunlar ve sürdürülebilirlik konusundaki artan endişeler, son yıllarda küresel ölçekte önemli bir problem haline gelmiştir. Malt posası, bira endüstrisinde üretim sonrası elde edilen yüksek potansiyel gösteren bir yan ürün olmakla beraber ne yazık ki bu hammadde yüksek lif ve protein içeriği nedeniyle genellikle hayvan beslenmesi ve gübre amacıyla kullanılmaktadır. Sürdürülebilir gıda ambalajlama uygulamaları kapsamında malt posasından hemiselüloz bazlı biyofilmlerin geliştirilmesi ile petrol bazlı sentetik plastiklere biyolojik olarak parçalanabilir, çevre dostu potansiyel bir alternatif ortaya konulması hedeflenmektedir. Bu amaçla yapmış olduğumuz çalışma kapsamında öncelikle malt posası numunelerinde bir karakterizasyon işlemi yapılmış ve numunelerin protein, yağ, nem, kül ve fenolik bileşik analizleri gerçekleştirilmiştir. Nem analizi sonucunda malt posasının ortalama nem içeriği %75,56 ± 0,62 olarak bulunmuştur. Malt posası numuneleri diğer deneyler öncesinde son nem oranı yaklaşık %10 olacak şekilde 40 °C'de 48-72 saat etüvde kurutulmuş ve sonrasında öğütme işlemine tabii tutulmuştur. Numunelere ait protein, ham yağ, kül ve fenolik bileşik sonuçları kuru madde üzerinden hesaplanmış ve sırasıyla %20,36 ± 0,60, %11,35 ± 1,02, %5,29 ± 0,62 ve %1,92 ± 0,22 olarak bulunmuştur. Malt posası bazlı biyofilmlerin üretilebilmesi amacıyla lignin, selüloz ve hemiselüloz ekstraktları elde edilmiştir. Ekstraksiyon sonrası elde edilen lignin, selüloz ve hemiselüloz verimi sırasıyla kuru madde bazında % 0,68 ± 0,21, % 34,10 ± 0,93 ve % 24,19 ± 1,38 olarak hesaplanmıştır. Selüloz polimerinden kompozit filmler elde edilebilmesi amacıyla elde edilen selüloz polimeri asit ile hidrolize edilmiş ve nanoselüloz yapısı sağlanmıştır. Elde edilen polimerler kullanılarak farklı formülasyonlara sahip film üretimleri yapılmıştır. Lignin ve nanoselüloz ile güçlendirilmiş hemiselüloz bazlı kompozit biyofilmler geliştirmek amacıyla çözelti döküm (casting) yöntemi uygulanmıştır. Farklı film formülasyonları sırasıyla şu şekildedir: %3 hemiselüloz içeren filmler (1), %4 hemiselüloz içeren filmler (2), %3 hemiselüloz ve hemiselülozun %5 oranında sitrik asit içeren filmler (3), %4 hemiselüloz ve hemiselülozun %5 oranında sitrik asit içeren filmler (4), %4 hemiselüloz, hemiselülozun %5 oranında sitrik asit ve hemiselülozun %5 oranında lignin içeren filmler (5), %4 hemiselüloz, hemiselülozun %5 oranında sitrik asit ve hemiselülozun %10 oranında lignin içeren filmler (6), %4 hemiselüloz, hemiselülozun %5 oranında sitrik asit ve hemiselülozun %5 oranında nanoselüloz içeren filmler (7), %4 hemiselüloz, hemiselülozun %5 oranında sitrik asit ve hemiselülozun %10 oranında nanoselüloz içeren filmler (8). Film üretim sürecinde kullanılan plastikleştiriciler filmlerde kırılganlığı azaltmakta ve filmlere belirli plastik özellikler kazandırmaktadır. Hazırlanan tüm film örneklerinde plastikleştirici olarak gliserol kullanılmış olup, ilave miktarı formülasyondaki hemiselüloz miktarının %30'u olarak belirlenmiştir. Hemiselüloz, yapısında bulunan yüksek sayıdaki hidroksil gruplarının etkisiyle hidrofilik karakter göstermektedir ve bu nedenle oldukça higroskopiktir. Bu durum, hemiselüloz bazlı filmlerin nem duyarlılığının yüksek olmasına yol açmaktadır. Ayrıca, söz konusu filmlerin mekanik dayanımları da düşüktür. Filmlerin mekanik özelliklerinde artışın incelenebilmesi adına çapraz bağlayıcı ajan olarak sitrik asit eklenmiştir. Ayrıca %4 oranında hemiselüloz içeren biyofilmlere hemiselüloz içeriğinin %5 ve %10'u lignin ve nanoselüloz ilavesi yapılarak toplamda 8 farklı film formülasyonu hazırlanmıştır. Ligninin sahip olduğu hidrofobik karakter ve yüksek derecede çapraz bağlı yapısı sayesinde hemiselüloz polimeri ile güçlü etkileşimlerin oluşması sağlanmaktadır. Bu anlamda filmlerin nem duyarlılığındaki değişimlerin incelenebilmesi için filmlere lignin ilave edilmiştir. Film formülasyonuna eklenen ligninin çözünebilmesi amacıyla film oluşturucu çözeltinin pH değeri %10 NaOH ile pH 11'e ayarlanmıştır. Filmlere ait mekanik ve termal değişimlerin değerlendirilebilmesi için ise nanoselüloz ilavesi yapılmıştır. Elde edilen filmlere ait yapısal, bariyer, suya duyarlılık, mekanik, termal ve biyolojik özellikleri tayin edilmiştir. Filmlere ait renk ölçüm sonuçlarında en yüksek L değeri %3 hemiselüloz içeren filmlere ait olmakla birlikte yapısında %10 lignin veya %10 nanoselüloz içeren filmler en düşük L değerleri sergilemiştir. En yüksek a değerleri formülasyonunda lignin içeren filmlere ve en yüksek b değerleri ise formülasyonunda lignin veya nanoselüloz içermeyen %4 oranında hemiselüloz içeren filmlere aittir. Filmlere ait gaz geçirgenlik değerleri film kalınlığının (mm) çarpılması ile hesaplanmış ve barrer birimiyle ifade edilmiştir. Bu sayede, filmlere ait gaz geçirgenlik değerleri karşılaştırılırken kalınlık faktörünün etkisi göz ardı edilmiştir. Gaz bariyer sonuçları incelendiğinde genel anlamda filmlerin CO2 geçirgenlik değerleri O2 geçirgenliğine göre daha düşük bulunmuştur. En düşük O2 gazı geçirgenliği %3 hemiselüloz içeren filmlerde (4,82×10−4 barrer) gözlenirken en yüksek O2 gazı geçirgenliği %4 hemiselüloz ve sitrik asit içeren filmlere (6,88×10−3 barrer) aittir. CO2 gazı geçirgenlik sonuçları incelendiğinde ise en düşük değer %3 hemiselüloz içeren filmlerde (2,90×10−4 barrer) ve %4 hemiselüloz, sitrik asit ve %5 lignin içeren filmlerde (2,82×10−4 barrer) gözlenirken en yüksek değer %4 hemiselüloz ve sitrik asit içeren filmlere (8,84×10−3 barrer) aittir. Çalışma sonucunda elde edilen sonuçlar literatürde yer alan sentetik filmler ile karşılaştırıldığında geliştirilen filmlerin O2 ve CO2 gazlarına karşı oldukça yüksek bariyer özellikler sergilediği gözlenmiştir. Filmlerin suya duyarlılık özelliklerinin değerlendirilmesi amacıyla nem içeriği, şişme oranı, suda çözünürlüğü ve su buharı geçirgenliği (WVP) gibi çeşitli ölçümler gerçekleştirilmiş. En düşük WVP sonuçları 1 numaralı (49,07 ± 7,72 g.mm/m2.gün.kPa) ve 3 numaralı (48,59 ± 11,61 g.mm/m2.gün.kPa) filmlerde gözlenmiştir. Buna karşın en yüksek WVP sonuçları 103,49 ± 3,60 g.mm/m2.gün.kPa değeriyle 7 numaralı filmlere aittir. Suda çözünürlük analiz sonuçları değerlendirildiğinde lignin katkılı filmlerin daha düşük suda çözünürlük değerleri gösterdiği belirlenmiştir. Ligninin hidrofobik ve yüksek derecede çapraz bağlı yapısı, hemiselüloz ile güçlü etkileşimler oluşturarak filmlerin çözünürlük oranlarında azalışa neden olduğu düşünülmektedir. Malt posası bazlı filmlerde mekanik özelliklerin değerlendirilebilmesi amacıyla çekme mukavemeti (N), çekme gerilimi (MPa), Young modülü (MPa) ve kopma anındaki uzama (%) sonuçları karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar film formülasyonuna eklenen nanoselüloz ve lignin katkısına bağlı olarak daha yüksek çekme mukavemeti (N), çekme gerilimi (MPa), Young modülü (MPa) elde edildiğini göstermiştir. Buna karşın film formülasyonuna eklenen sitrik asit bileşeni nedeniyle filmlerde daha düşük çekme mukavemeti (N), çekme gerilimi (MPa), Young modülü (MPa) değerleri gözlenmiştir. Filmlerin termal özelliklerini belirlemek amacıyla Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) analizleri gerçekleştirilmiştir. Düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilen ısıtma–soğutma (dönüşümlü) analizlerde, erime olayının zıttı olan donma (kristalleşme) pikinin gözlenmemesi, bu piklerin klasik bir erime–kristalleşme döngüsünü temsil etmediğini göstermektedir. Yüksek sıcaklıklarda meydana gelen son ekzotermik piklerin, termal degradasyon sürecini temsil ettiği düşünülmekte ve filmlere ait bozunma sıcaklık değerleri 282,69–296,82 °C aralığında yer almaktadır. Çalışmada elde edilen filmlerin antimikrobiyal aktivite analizlerini gerçekleştirmek amacıyla disk difüzyon yöntemi uygulanmıştır. Antibakteriyel aktivite, bir Gram-negatif bakteri (Escherichia coli ATCC 25922) ve bir Gram-pozitif bakteriye (Staphylococcus aureus ATCC 25923) karşı değerlendirilmiştir. Antifungal aktivitenin tayini için bir maya türü (Zygosaccharomyces parabailii ATCC 4549) ve bir küf türü (Penicillium expansum DSM 62841) kullanılmıştır. Analiz öncesinde herhangi bir kontaminasyon riskine karşı film numuneleri sterilize edilmiştir. Analiz sonucunda, malt posası bazlı filmlerin incelenen mikroorganizmalara karşı antimikrobiyal etki göstermediği belirlenmiştir. Film örneklerinin karakterizasyon analizleri, bu tez kapsamında elde edilen film örneklerinin, yaygın olarak kullanılan sentetik filmlere kıyasla önemli ölçüde daha yüksek O2 ve CO2 bariyer özelliklerine sahip olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, bu filmlerin oldukça yüksek nem hassasiyetinin, gıda ambalaj malzemesi olarak kullanımlarını olumsuz etkileyeceği düşünülmektedir. Ayrıca, bu filmlerin antimikrobiyal aktivite göstermediği göz önüne alındığında, biyolojik olarak aktif bileşenler eklenerek antimikrobiyal özelliklerin kazandırılabileceği düşünülmektedir. Sonuçlar, biyolojik olarak parçalanabilir, çevre dostu yapısı ve üstün gaz bariyer performansı sayesinde malt posasından hemiselüloz bazlı filmlerin, petrol bazlı plastiklere önemli bir alternatif olabileceğini göstermektedir. Ayrıca, bira üretiminden sonra önemli miktarlarda üretilen bir yan ürün olan malt posasının plastik üretim endüstrisinde kullanılmasıyla sürdürülebilirliğe önemli bir katkı sağlanması planlanmaktadır.