Çevre Dostu Biyoplastikler
Petrol kaynaklarının gün geçtikçe azalması sebebiyle gıda ambalaj endüstrisinde kullanılan plastiklerin yerini ikame edecek çevre dostu biyobozunur ambalaj materyallerinin geliştirilmesi ve üretimi giderek önem kazanmaktadır. Plastikler çok sağlam malzemeler olarak bilinirler ve farklı şekillerde işlenebilmeleri ile birçok malzemeden daha hafif ve daha az maliyetlidirler. Bu açıdan günümüzde birçok alanda olduğu gibi gıda ambalajlama alanında da plastikler vazgeçilmez malzemelerdendir. Plastikler birçok avantaja sahip olmalarına karşın doğada yıllarca bozulmadan kalabilmeleri nedeniyle büyük ölçüde çevre kirliliğine neden olurlar. Bunun yanında plastiklerin hammaddesi olan petrol kaynakları gün geçtikçe azalmaktadır. Bu sebeplerden ötürü son yıllarda ambalaj üretiminde atık sorununu önleyebilecek ve aynı zamanda plastik, ağaç vb. malzemeleri ikame edebilecek biyoplastiklerin geliştirilmesi ve üretimine yönelik çalışmalar önem kazanmıştır.
Günümüzde kullanılan geleneksel plastiklerin neden olduğu sorunlardan dolayı son yıllarda biyolojik olarak parçalanabilen plastiklerin üretimi ve petrol kökenli plastiklerin yerini almalarına yönelik çalışmalar önem kazanmıştır. Geleneksel olarak kullanılan plastikler; petrol, doğal gaz ve kömür gibi fosil kaynaklardan elde edilen hammaddelerin işlenmesi ile elde edilmektedirler. Biyoplastikler ise genellikle bitkisel hammaddelerden üretilmektedirler. Nişasta, selüloz gibi karbonhidratlar önemli biyoplastik hammaddelerindendir (Akdoğan Eker, 2009; Yılmaz ve Beyatlı, 2003). Biyopolimerler esasında doğal organizmalarınmetabolizmalarınca en az bir basamaklıbozunma prosesi içeren polimer malzemelerdir. Biyopolimerler direkt olarak protein, lipid ve polisakkarit olarak kullanılabilmektedirler. Protein filmlerin gaz bariyer özellikleri iyidir ancak hidrofilik olduklarından su buharı bariyer özelliği zayıftır. Karbonhidrat filmlerin hem gaz hem de su buharı bariyer özellikleri zayıftır. Lipit filmlerin ise su buharı bariyer özelliği iyi fakat gaz bariyer özelliği zayıftır. Çeşitli katkıların ilave edilmesi ile biyopolimerlerin zayıf olan bariyer özelliklerinin geliştirilmesi mümkün olmaktadır (Klemm ve ark., 2005).
Son zamanlarda biyopolimer filmlerin eldesinde kitin, kitosan, zein, keçiboynuzu özü ve aljinatlar, PLA ve PHA gibi malzemeler de yaygın olarak kullanılmaktadır. Polilaktik asit (PLA) mısır nişastası ile laktik asidin polimerizasyonu ile elde edilmektedir.
Polihidroksialkonat (PHA) ve polihidroksibütirat (PHB) ise genetik olarak modifiye edilmiş mikroorganizmalar ile yenilenebilir doğal karbonhidratların biyolojik fermantasyonundan elde edilir. PLA’dan şeffaf film ve kaplar üretmek mümkündür, termoplastik özelliktedir ve plastik işleyen makinelerde kolayca işlenebilmektedir. Polilaktikasitin termal ve mekanik özellikleri PS gibi birçok sentetik polimerlerin özelliklerine benzemesine rağmen pahalı bir malzeme olmasından dolayı kullanım alanı kısıtlıdır ve yumuşama noktası yaklaşık 60°C olduğu için, bu malzemeden üretilen sıcak içecek bardakları gibi ürün uygulamaları da sınırlıdır ancak özellikle kısa ömürlü ambalaj filmleri ve kaplarda (örneğin içecek ve yoğurt kapları, meyve, sebze ve et tabakları gibi) önemli kullanım potansiyeli bulunmaktadır (Atik ve ark., 2006; Arıkan, 2009; Çelik ve Tümer, 2016).
Son yıllarda biyopolimer üretimi ile ilgili yapılmış çalışmalar hızlı bir gelişme yakalamıştır. İlk başlarda konu ile ilgili yapılan çalışmalarda uygun polimer ve plastikleştirici oranlarının belirlenip film elde edilmesi ele alınmış, sonrasında gelen çalışmalar biyopolimerlere aktif bileşen, kil, nanolif vb. katkıların ilavesiyle geliştirilmiş özelliklere sahip biyopolimerlerin üretimi yönünde ilerleme göstermiştir. Biyopolimer filmler yapılarına çeşitli bileşenlerin ilavesi ile taşıyıcı olarak kullanılabilirler. Örneğin bu amaçla antimikrobiyal, antioksidan, kararmayı önleyici bileşikler ve renk bileşenleri biyopolimerlerin yapısına eklenebilirler (Karabulut, 2017).
Biyoplastiklerin üretimiyle ilgili olarak yapılan bazı çalışmalarda zayıf olan gaz ve su buharı geçirgenliklerinin güçlendirilmesi amacıyla formülasyonlara çeşitli bileşenlerin ilavesi yoluna gidilmiştir. Ayrancı ve Tunç (2001) tarafından yapılan bir çalışmada metil selüloz ve plastikleştirici olarak polietilen glikol (PEG) kullanılarak hazırlanan formülasyonlara ayrı ayrı ve farklı oranlarda stearik asit, palmitik asit, laurik asit ilave edilerek film elde edilmiş; hem su buharı hem de karbondioksit geçirgenliğinin düşürülmesi bakımından en iyi sonucun stearik asitle elde edildiği belirtilmiştir (Ayrancı ve Tunç, 2001). Yapılan başka bir çalışmada ise dolgu malzemesi olarak farklı oranlarda nişasta içeren PLA/nişasta ve PLA/PHB/nişasta kompozitleri hazırlanmıştır. Filmlere nişasta ilavesi ile su buharı geçirgenliğinin arttığı, PHB filmlerin diğer PLA kompozit filmlerine oranla daha düşük su buharı geçirgenliğine sahip olduğu tespit edilmiş; gerilme dayanımlarının ise nişasta miktarı arttıkça azaldığı belirlenmiştir. Elde edilen filmlerin polietilen (PE) ve polipropilen (PP)’e benzer özellikler gösterdiği açıklanmıştır (Atik ve ark, 2006). Bhat ve ark., (2013) tarafından yapılan bir çalışmada lignin, sago nişastası, dimetilsülfoksit ve plastikleştirici olarak gliserol kullanarak film üretilmiş, lignin içermeyen filmler kontrol olarak belirlenmiştir. Yapılan mekanik analizler sonucunda ligninin gıda ambalajlama endüstrisinde kullanılabilme potansiyeli olduğu açıklanmıştır (Bhat ve ark., 2013).
Biyopolimer esaslı malzemelerin gıda ambalajlama alanında daha etkin kullanımlarını sağlamak amacıyla film formülasyonlarına çeşitli antimikrobiyal ve antioksidan bileşenlerin ilavesine yönelik çalışmalar bulunmaktadır. Bir çalışmada karbon nano tüplerin antibakteriyel özelliği olduğu, doğrudan karbon nano tüp yapısına temasın E. coli için inhibe edici etkisinin olduğu belirlenmiştir (Kang ve ark., 2007). Ayana ve Turhan (2009) tarafından yapılan bir çalışmada ise metil selüloz, % 0,5-3 (a/h) zeytin yaprağı ekstraktı ve % 1,6 (h/h) gliserol kullanılarak yenilebilir film elde edilmiş; zeytin yaprağı ekstraktı ilavesinin su buharı geçirgenliğini ve uzama miktarını düşürdüğü ve çekme direncini artırdığı rapor edilmiştir. %1,5 zeytin yaprağı ekstraktı içeren metil selüloz film, S. aureus (ATCC 25923) inoküle edilmiş kaşar peyniri dilimlerine kaplanmış; depolama boyunca bakteri sayısında azalma olduğu bildirilmiştir (Ayana ve Turhan, 2009).
Arrieta ve ark. (2013) tarafından yapılan bir çalışmada ise sodyum ve kalsiyum kazeinata karvakrol ilave edilerek yenilebilir film elde edilmiştir. En iyi formülasyonun % 10 karvakrol ve % 35 gliserol içeren film olduğu, kalsiyum kazeinattan hazırlanan filmlerin sodyum kazeinattan hazırlanan filmlere göre daha yüksek ısıl stabiliteye ve daha esnek bir yapıya sahip olduğu belirlenmiştir. Gliserol ve karvakrolün kazeinatlarla kullanımıyla uygun yapıda filmler elde edilebileceği belirtilmiştir (Arrieta ve ark., 2013). Arrieta ve ark. (2014) tarafından yapılan başka bir çalışmada ise karvakrol ilaveli sodyum ve kalsiyum kazeinat yenilebilir filmlerinin antimikrobiyal aktivitesi incelenmiştir. Et endüstrisinde de katkı olarak kullanılan karvakrolü içeren filmlerin daha çok et ürünlerinin ambalajlanması için uygun olduğu bildirilmiştir. Elde edilen filmlerin gram negatif bakterilerden olanE. coli ve gram pozitif bakterilerden olan S. aureus suşlarına karşı antimikrobiyal aktiviteye sahip olduğu belirlenmiştir (Arrieta ve ark., 2014).
Zerdeçal ekstresi içeren biyopolimer esaslı filmler üzerine yapılan bir çalışmada; zerdeçalın içeriğinde doğal bir bileşik olarak bulunan kurkumin, ekstrakte edildikten sonra mısır proteini olan zein ile belirli oranlarda karıştırılarak biyopolimer film formülasyonuna ilave edilmiştir. Filmlere yapışkan bir özellik kazandırmak üzere bamya içeriğinde bulunan polisakkaritler kullanılmıştır. Hazırlanan filmlerde kurkuminin yavaş bir salınım profili gösterdiği tespit edilmiştir (Köse ve ark., 2016). Gao ve ark. (2017) tarafından yapılan çalışmada PLA, allil izotiyosiyanat ve plastikleştirici olarak tribütilsitrat kullanarak çözelti dökme metoduyla film elde edilmiş; çekme direnci, uzama miktarı, SEM, DSC analizleri, oksijen ve karbondioksit ölçümleri, su buharı geçirgenlik ölçümleri yapılmıştır. Filmlerin gıda uygulaması Çin lahanası üzerinde gerçekleştirilmiş, en uygun formülasyonun %7,5 tribütilsitrat ve %5 allil izotiyosiyanat içeren PLA film olduğu belirlenmiştir. Elde edilen bu filmin Çin lahanasında 15 gün boyunca 4 ve 10oC’de toplam aerobik bakteri gelişimini önemli derecede inhibe ettiği belirtilmiştir. Allil izotiyosiyanat ve tribütilsitrat katkılı PLA filmin katkısız PLA filme göre daha düşük mekanik dirence ve sertliğe, bunun yanında daha yüksek esnekliğe sahip olduğu saptanmıştır. Katkılı PLA filmin katkısız PLA filme göre oksijen ve karbondioksit bariyer özelliklerinin daha iyi olduğu, iki filmin su buharı bariyer özelliklerinin ise benzer olduğu açıklanmıştır. Bunların yanı sıra katkılı PLA filmin katkısız PLA filme göre UV korumasının daha yüksek olduğu, transparanlık yönünden iki filmin benzerlik gösterdiğine de değinilmiştir (Gao ve ark., 2017). Liu ve ark (2017) tarafından yapılan başka bir çalışmada protokateşuik asit içeren kitosan filmlerin antioksidan gıda ambalajlamada kullanılabileceğine dikkat çekilmiştir (Liu ve ark., 2017).
Biyopolimer esaslı film üretimi son zamanların popüler konularından biri olmuştur. Her geçen gün konu ile ilgili birçok bilimsel çalışma ortaya konmaktadır. Gıda endüstrisinin gelişmesine bağlı olarak ambalajlı ürünlerin artışı ile birlikte gelen atık problemlerine çözüm olarak kullanılabilecek ve ülkemizin büyük ölçüde dışa bağımlı olduğu plastik hammaddelerini ikame edebilecek biyopolimer esaslı ambalaj materyallerinin geliştirilmesi önemlidir.
Kaynaklar
- Akdoğan Eker, A. 2009. Türkiye’de Plastik Hammadde Üretimi ve İthalatı. www.yildiz.edu.tr/~akdogan/lessons/plastikmalzeme/ Belgeler/Biyoplastikler.pdf (Erişim: 17/03/2017).
- Arıkan, A. 2009. Biyoplastikler. Ambalaj bülteni, Ocak-Şubat, s. 26-32.
- Arrieta, M. P.,Peltzer, M. A., del Carmen Garrigós, M., Jiménez, A. 2013. Structure and mechanical properties of sodium and calcium casein ate edible active films with carvacrol. Journal of Food Engineering, 114(4), 486-494.
- Arrieta, M.P.,Peltzer, M.A., López, J., del Carmen Garrigós, M., Valente, A. J., Jiménez, A. 2014. Functional properties of sodium and calcium casein ate antimicrobial active films containing carvacrol. J Food Eng.,121:94-101.
- Atik, İ.D., Başalp, D., Tıhmınlıoğlu, F. 2006. Biyobozunur polilaktik asit (PLA) bazlı filmlerin su buharı geçirgenlik ve mekanik özelliklerine nişastanın etkisi. Yedinci Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 5-8 Eylül, Eskişehir.
- Ayana, B., Turhan, K.N. 2009. Use of antimicrobial methyl cellulose films to control Staphylococcus aureus during storage of kasar cheese. Packaging Technol Sci., 22(8): 461-469.
- Ayrancı, E., Tunc, S. 2001. The effect of fatty acid content on water vapour and carbon dioxi detrans missions of cellulose-based edible films. FoodChem., 72(2): 231-236.
- Bhat, R., Abdullah, N., Din, R.H., Tay, G.S. 2013. Producing novels ago starch based food packaging films by incorporating lignin isolated from oil palm black liquor waste. J Food Eng., 119(4): 707-713.
- Çelik, İ., Tümer, G. 2016.Gıda ambalajlamada son gelişmeler. Akademik Gıda, 14 (2): 180-188.
- Gao, H.,Fang, X., Chen, H., Qin, Y., Xu, F., Jin, T.Z. 2017. Physio chemical properties and food application of antimicrobial PLA film. Food Control, 73: 1522-1531.
- Kang, S.,Pinault, M., Pfefferle, L.D., Elimelech, M. 2007. Single-walled carbon nano tubes exhibit strong antimicrobial activity. Langmuir, 23: 8670–8673.
- Karabulut, G. 2017. Williopsis saturnus var. saturnus antagonist mayası eklenen yenilebilir filmlerin antifungal, fiziksel ve mekaniksel özelliklerinin belirlenmesi. Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Gıda Mühendisliği Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya, 110 s.
- Klemm, D.,Heublein, B. Fink, H.P., Bohn, A. 2005. Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material, Angew. Chem. Int. Ed., 44 (22): 3358-3393.
- Köse, M. D., Engin, B., Helvacıoğlu, M., Bayraktar, O. 2016. Zerdeçal ekstresi içeren biyopolimer esaslı mukoadezif ve biyoaktif filmler, Gıda, Metabolizma ve Sağlık: Biyoaktif Bileşenler ve Doğal Katkılar Kongresi Bildiri Kitabı, 28 Kasım, İstanbul, s. 188.
- Liu, J.,Meng, C.G., Liu, S., Kan, J., Jin, C.H. 2017. Preparation and characterization of protocatechuic acid grafted chitosan films with antioxidant activity. Food Hydrocoll, 63: 457-466.
- Yılmaz, B., Beyatlı, Y. 2003. Biyoplastik: Poli- - Hidroksibütirat (PHB). Orlab On-Line Mikrobiyoloji Dergisi, 1(9): 1-33.
Elif Sezer
Zehra Ayhan *
Sakarya Üniversitesi,
Mühendislik Fakültesi,
Gıda Mühendisliği Bölümü
zehraayhan@sakarya.edu.tr
