plastik-ambalaj.com

AYPE/Kitosan Polimerik Kompozitlerin Antimikrobiyal Gıda Ambalajı Uygulamaları

Özet

Günümüzde, özellikle gıda maddelerini korumak için antimikrobiyal ambalaj uygulanmaları giderek yaygınlaşmaktadır. Yeni nesil gıda ambalajlarının antimikrobiyal özelliğe sahip olması, patojenik riski azaltması ve koruduğu gıda maddelerinin raf ömrünü uzatması istenmektedir. Ülkemizde gıda ambalajı sektöründe en sık kullanılan polimerlerden biri Alçak Yoğunluk Polietilen (AYPE, L) olup antimikrobiyal özelliğe sahip değildir. Bu çalışmada mevcut teknolojiye uyumlu olarak AYPE ambalaj filmlerine antimikrobiyal özellik kazandırmak amaçlanmıştır. Bu amaç için AYPE kompozit filmine eklenecek katkı maddeleri olarak organo nano kil (montmorrilonite, Cloisite 30B, C) ve kitosan (K) seçilmiştir. Kitosan antimikrobiyal ve iyi adsorpsiyon özelliklerine sahip bir biyopolimerdir. Su tutma kapasitesi nedeniyle ambalaj uygulamalarında hem ürünün kalitesi ve raf ömrünü arttırmakta, hem de biyobozunur özellik taşımaktadır. Antimikrobiyal gıda ambalajı filmleri için, AYPE/C/K kompozit filmleri hazırlanmıştır. Bu çalışmanın amacı, AYPE, Kil ve Kitosan ile hazırlanan kompozit filmlerin karakterizasyonu ve antimikrobiyal gıda ambalajı filmi olarak ürün özelliklerinin belirlenmesidir.

AYPE (L) miktarı temel alınarak ağırlıkça %0,4-3 organo nanokil (C), ağırlıkça %10 kitosan (K), plastikleştirici olarak % 10-20 olarak gliserol monooleat (G) veya oleik asit (O) ilave edilerek, polimerik kompozit filmler çözücü döküm yöntemi ile hazırlanmıştır. Çözücü olarak AYPE için ksilen, kitosan için 0,2 M sulu asetik asit kullanılarak farklı kompozisyonlarda toplam 9 film elde edilmiştir. Hazırlanan filmlerin gıda ambalajı olarak önerilebilmesi için kimyasal, termodinamik, mekanik, morfolojik ve antimikrobiyal özellikleri karakterize edilmiştir. Kompozit filmlerin fonksiyonel gruplarının belirlenmesi kızıl ötesi (FTIR) spektrometresi ile yapılmıştır. 

Filmlerin antimikrobiyal aktiviteleri Escherichia coli ATCC 29998, Staphylococcus aureus ATCC 25923, Salmonella typhimurium CCM 5445, Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, Bacillus cereus ATCC 7064 ve Candida albicans ATCC 10231 test mikroorganizmaları kullanılarak, Disk Difüzyon Yöntemi ile belirlenmiştir. Kil ve Kitosan katkı maddelerinin antimikrobiyal özelliği araştırılmıştır. Testler sonucunda L_G10_M2_D0.5 kompozit filmi  S.typhimurium’a, L_K10_G10_M2_D0.5 filmi  S.typhimurium’a, L_K10_C0.4_G10_M2_D0.5 filmi S. typhimurium ve C. albicans’a K_C0.4_O20 filmi S. typhimurium, S. aureus ve P. aeruginosa’ya ve K_C0.4_G20 filmi S. typhimurium ve S. aureus’a karşı antimikrobiyal etki göstermiştir.

Seçili kompozit filmler için TGA ve DSC analizleri yapılmış, filmlerin ısıl bozunma profilleri, birinci ve ikinci erime sıcaklıkları, kristallenme sıcaklığı ve entalpileri elde edilmiştir.

Filmlerin mekanik testleri (ASTM-D882) yapılmış, katkı maddeleri kil, kitosan, gliserol monooleat ve oleik asit miktarı ile mekanik özellikleri arasındaki ilişki saptanmıştır. Kitosan katkısının kompozit filmlerin mekanik özellikleri üzerinde etkisinin, diğer kompozit filmlere göre olumsuz olduğu gözlenmiştir.  

Giriş

Gelişmiş ülkelerde çoğu gıda ürünleri ambalajlanmış olarak tüketiciye sunulmakta ve bu ambalajın birincil amacı, gıdayı; oksijen, su, su buharı, ışık, kimyasallar ve çeşitli mikroorganizmalar gibi dış etkilerden korumaktır [1]. Gıdanın güvenliği ve kalitesi gıda üreticileri, gıda endüstrisi ve tüketici için temel sorundur. Gıdaların bozulması, fiziksel, kimyasal ve biyolojik faktörlerden kaynaklanmaktadır. Mikrobiyal büyüme, ürünün genel kalitesini ve güvenliğini bozar. Mikrobiyal büyüme sonucunda koku, aroma, renk ve dokuda değişiklik meydana gelir ve aynı zamanda raf ömrünün kısalmasına neden olur [2]. Raf ömrünü uzatmak amacıyla yapılan çalışmalar genel olarak aktif ambalaj başlığı altında toplanmaktadır. Yöntemlerden biri, gıda ambalajına antimikrobiyal katkı olarak görülmektedir. 

Alçak yoğunluk polietilen (AYPE), iyi işlenebilirlik, elektriksel yalıtım, kimyasal direnç, yüksek dayanıklılık ve düşük sıcaklık dahil esneklik gibi özellikleriyle düşük maliyetli bir polimerdir. Ülkemizde gıda ambalajı sektöründe sıkça kullanılan polimerlerden biridir [3]. Kitinin asetilasyon giderme ile elde edilen doğrusal polisakkarit olan kitosan, selülozdan sonra doğada en bol bulunan ikinci polisakkarittir. Kitosan toksik olmayan, biyobozunur, biyouyumludur ve birçok araştırmacı tarafından güçlü antimikrobiyal ve antifungal etkinliklere sahip olduğu bildirilmiştir [2]. Organik olarak modifiye edilmiş nano kil montmorrilonit polimerlere kattığı biyobozunur ve antimikrobiyal özellikleri nedeniyle seçilmiştir. 

Deneysel yöntem

Kompozit filmlerin hazırlanmasında, çözücü döküm yöntemi kullanılmıştır. Antimikrobiyal filmlerin hazırlanmasında temel olarak, AYPE, kitosan ve nanokil kullanılmaktadır. Ayrıntılı film kodları ve kompozisyonları Tablo 1’de verilmektedir.

Bu çalışmada, bir kompozit filmi üretmek için, 1,4 g AYPE (H2-8, PETKIM) granülleri ölçülür ve 20 mL ksilen ve gerekli miktarda gliserol monooleat (G) veya oleik asit (O) ilave edilir ve iyice çözünmesi için 70°C’ye ayarlanan ultrasonik banyoda 1 saat karıştırılır. Farklı miktarda plastikleştiriciler test edilmiştir. Karışıma çift bağlayıcı olarak dikümil peroksit (D) ve maleik anhidrid (M) ve antimikrobiyal etkisi nedeniyle kil (C) sırasıyla % 0,5; % 2 ve % 0,4 olarak ilave edilir.

Diğer bir kapaklı cam kapta kitosan çözeltisi hazırlanır. Kitosanı çözmek için 0,2 M sulu asetik asit çözeltisi kullanılmıştır. Kitosan tamamen çözündüğünde yavaş yavaş AYPE çözeltisine eklenir. Homojen çözelti, çözücünün kompozitten uzaklaştırılması için 70°C yüzey sıcaklığındaki teflon tavaya dökülür ve gerekli süre beklenir. Sonra, film sıcaklığı 1°C/dk soğutma hızı ile bir saat soğumaya bırakılır. Şekil 1’de bu süreç görülmektedir. 

Elde edilen kompozit filmler antimikrobiyal, fiziksel, yapısal ve mekanik özelliklerine göre incelenmiştir. 

Antimikrobiyal aktivite disk difüzyon yöntemine göre değerlendirilmiştir [4]. Disk difüzyon yönteminde test mikroorganizmaları deneme öncesi aktif hale getirilerek 24 saatlik genç kültürler hazırlanmıştır. 0.5 McFarland bulanıklık standardına göre hazırlanan test mikroorganizmaları (Escherichia coli ATCC 29998, Staphylococcus aureus ATCC 25923, Salmonella typhimurium CCM 5445, Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, Bacillus cereus ATCC 7064 ve Candida albicans ATCC 10231) daha önceden petrilere dökülmüş besiyerlerinin üzerine inoküle edilmiştir. Petriler 37°C’de 24 saat inkübasyona bırakıldıktan sonra filmlerin antimikrobiyal etkileri belirlenmiştir. Antimikrobiyal testler iki kez tekrarlanmıştır.

Katkısız AYPE ve L/C/K kompozit filmlerinin fonksiyonel grupları FTIR (kızıl ötesi spektroskopisi, Perkin Elmer, Spectrum 100) analizi ile takip edilmiştir. 

Kompozit filmlerin ısıl bozunmaları TGA termogramlarından Perkin Elmer Diamond TG / DTA cihazı ile takip edilmiştir. Her örnek azot atmosferinde 10°C/dk olarak 600°C’ye kadar ısıtılmıştır.

DSC (TA cihazı Q10) ile filmlerin birinci ve ikinci erime sıcaklıkları, kristallenme sıcaklığı ve entalpileri elde edilmiştir.

Kompozit filmlerin mekanik özellikleri ASTM D882 standardına göre çekme testi cihazı ile (SHIMADZU AG-15) ölçülmüştür. Numuneler, testlerden önce 48 saat boyunca 23 ± 2°C ve %50 bağıl nem ortamında tutulmuştur. Her örnek için test 3 kez tekrarlanmıştır. 

Sonuçlar ve tartışma

Antimikrobiyal testlerin sonuçları Tablo 2’de görülmektedir; (+) sembolü mikroorganizmanın antimikrobiyal etkisini, (Z) zayıf antimikrobiyal etkiyi göstermektedir. 

Testler sonucunda L_G10_M2_D0.5 kompozit filmi S. typhimurium’a, L_K10_G10_M2_D0.5 filmi S. typhimurium’a, L_K10_C0.4_G10_M2_D0.5 filmi S. typhimurium ve C. albicans’a,  K_C0.4_O20 filmi S. typhimurium, S. aureus ve P.aeruginosa’ya ve K_C0.4_G20 filmi S. typhimurium ve S. aureus’a karşı antimikrobiyal özellik göstermiştir. Şekil 3’de seçilen mikroorganizmalara karşı kompozit filmlerin pozitif etkisi görülmektedir. 

Şekil 4’de kompozit filmlerin FTIR profilleri verilmiştir.

Mekanik test sonuçları Şekil 5’de  görülmektedir. En yüksek kopmada uzama değeri katkısız AYPE’ye aittir. Kitosan ilavesinin kompozit filmlerin mekanik özelliklerine olumsuz etkisi görülmektedir. 

Şekil 6’da filmlerin ısıl bozunma davranışı görülmektedir.

Katkıların, kitosan ve gliserol monooleat, uyumlu arayüz nedeniyle AYPE’nin termal stabilitesine fazla etki etmediği görülmektedir [3]. Tablo 3’de, bozunma değerleri verilmiştir. Tablo 4’te DSC analiz sonuçları olarak birinci ve ikinci erime ve kristallenme sıcaklıkları ve entalpileri verilmektedir.

Şekil 7’de kompozit filmlerin DSC profilleri verilmiştir.

Sonuç

Bu projenin temel amacı, farklı inorganik ve organik katkı maddeleri ile AYPE bazlı kompozit filmlerin antimikrobiyal özelliklerini incelemektir. Beklendiği gibi katkısız AYPE hiçbir antimikrobiyal özelliğe sahip değildir. Sonuçlardan görüldüğü gibi, kitosan ve organo nanokil katkısı alçak yoğunluk polietilen filmlere antimikrobiyal etki kazandırmaktadır.

Testler katkısız kitosan filminin antimikrobiyal etkiye sahip olmadığını göstermiştir, kitosan film olarak üretilirken antimikrobiyal etkisini kaybetmektedir. Buna neden olarak değişen yüzey özellikleri düşünülmektedir. 

Testler sonucunda L_G10_M2_D0.5 kompozit filmi S. typhimurium’a, L_K10_G10_M2_D0.5 filmi S. typhimurium’a, L_K10_C0.4_G10_M2_D0.5 filmi S.typhimurium ve C. albicans’a K_C0.4_O20 filmi S. typhimurium, S. aureus ve P. aeruginosa’ya ve K_C0.4_G20 filmi S. typhimurium ve S. aureus’a karşı antimikrobiyal etki göstermiştir. Antimikrobiyal etki gösteren filmler antimikrobiyal gıda ambalaj potansiyeli olarak seçilebilir.

Teşekkürler

Bu proje TÜBİTAK (BİDEB) 2209/A programı tarafından desteklenmiştir. Bu projenin çıktıları Uluslararası Polimerik Kompozitlerin Özel Uygulamaları Çalıştayında (POLİKOM) 24-26 Şubat 2016, İzmir, sözlü bildiri olarak sunulmuştur. İnovasyon Haftası’nda,17-18 Mart 2016, İzmir, Poster olarak sunulmuştur. 3. Uluslararası Temizlik ve Kişisel Bakım Ürünleri Sempozyumu’nda, 3-5 Kasım 2016, İzmir, Poster olarak sunulmuş ve poster birincilik ödülüne layık görülmüştür.

Referanslar

1. Jeong, S., Kim, D., &Seo, J. (2015). Preparation and antimicrobial properties of LDPE composite films melt-blended with polymerized urushiol powders (YPUOH) for packaging applications. Progress in Organic Coatings, 85, 76-83.

2. Aider, M. (2010). Chitosan application for active bio-based films production and potential in the food industry: Review. LWT-Food Science and Technology, 43(6), 837-842.

3. Sunilkumar M., Francis T., Thachil E.T. and Sujith A., (2012). Low density polyethylene-chitosan composites: A study based on biodegradation, Chemical Engineering J., 114 – 124.

4. Barry, A. L., Coyle, M. B., Thornsberry, C., Gerlach, E. H. and Hawkinson, R. W., (1979). Methods of measuring zones of inhibition with the Bauer-Kirby disk susceptibility test. Journal of Clinical Microbiology, 10(6), 885-889 

Gizem Işık¹  

Doç.Dr. H. Tansel Yalçın²

Doç.Dr. Serap Cesur¹

1Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü

2 Ege Üniversitesi, Fen Fakültesi, Biyoloji Bölümü

35100 Bornova, İzmir

gzmm94@gmail.com / tansel.yalcin@ege.edu.tr / serap.cesur@ege.edu.tr