Sustainable food packaging from hazelnut and artichoke agro-waste: Biodegradable film development using cellulosic and phenolic-rich extracts
Fındık ve enginar tarımsal atıklarından sürdürülebilir gıda ambalajı: Selülozik ve fenolik bileşenlerce zengin ekstraktlar kullanılarak biyobozunur film geliştirilmesi
- Tez No: 1018800
- Danışmanlar: PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Gıda Mühendisliği, Food Engineering
- Anahtar Kelimeler: Biyobozunur polimerler, Gıda ambalajı, Gıda atıkları, Biodegradable polymers, Food packaging, Food wastes
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Gıda endsütrisinin hızlı bir şekilde büyümesi, çevresel etkileri artıran iki önemli sorunu beraberinde getirmektedir: birincisi üretim süreçlerinde ortaya çıkan büyük hacimli gıda atıklarının etkin şekilde değerlendirilememesi, ikincisi ise yüksek oranda plastik bazlı ambalaj malzemenin kullanılmasıdır. Plastik atıkların doğada uzun yıllar çözünmeden kalarak ekosistemde birikmesinin hem çevre kirliliği hem de canlıların sağlığına zarar verdiği bilinmektedir. Diğer yandan, tarım ve gıda sanayisi kaynaklı yan ürünler hem ekonomik hem de çevresel açıdan değerlendirilmesi gereken zengin biyokütle kaynak-larıdır. Bu tez çalışmasında bu iki önemli soruna yönelik olarak bütüncül bir çözüm sunulmuştur: Türkiye'nin üretiminde lider olduğu ürünlerden fındık ve kullanıldığında fazla miktarda atık ortaya çıkan enginar yan ürünlerinin değerlendirilerek katma değeri yüksek biyobozunur aktif ambalaj malzemelerine dönüştürülmesi. Bu kapsamda çalış-mada seçilen atık kaynaklar, hem fonksiyonel içerikleri (fenolik bileşikler) hem de ya-pısal değerleri (selüloz) bakımından detaylı bir şekilde değerlendirilmiştir. Fındık işleme süreçleri sonucunda ortaya çıkan fındık kabuğu ve fındık iç zarı, genellikle ekonomik değeri düşük, geri kazanımı sınırlı yan ürünler olarak değerlendi-rilmekte ya da çoğunlukla yakacak olarak kullanılmaktadır. Oysa bu lignoselülozik yan ürünler, doğal olarak yüksek miktarda selüloz, lignin, hemiselüloz ve biyoaktif fenolik bileşenler içermektedir. Aynı şekilde toplam ürünün %60-70'i atık olarak ortaya çıkan enginar bitkisi (Cynara scolymus L.)'de hem taze tüketim hem de konserve, salamura ve dondurulmuş ürün olarak gıda endüstrisinde yaygın biçimde kullanılmaktadır. Bu işlemler sırasında yaprak, sap ve dış yaprakçıklar atık olarak ortaya çıkmaktadır. Ancak bu atıklar, özellikle fenolik bileşikler, inülin, lif, selüloz ve flavonoidler bakımından oldukça zengin biyokütle kaynaklarıdır. Bu bilgiler kapsamında bu doktora tezinin temel amacı, tarım ve gıda sanayisinde yük-sek miktarda oluşan fındık kabuğu, fındık iç zarı ve enginar yan ürünlerinin, çevre dostu ve sürdürülebilir teknolojiler kullanılarak katma değeri yüksek, biyobozunur ve aktif gıda ambalaj malzemelerine dönüştürülmesini araştırmaktır. Araştırma planı kritik altı su ekstarksiyonu kullanılarak fonksiyonel (fenolik) ve yapısal bileşenlerin (selüloz) değerlendirilmesi üzerine kurulmuştur. Bu doktora tezinin hedefleri (i) subkritik su altı ekstraksiyonu yöntemi ile atık ürünlerden fenolik bileşiklerce zengin sıvı fraksiyonların ve lignoselülozik bileşen bakımından zengin katı fraksiyonların elde edilmesi, (ii) bu fraksiyonların kapsamlı şekilde karakterize edilmesi, (iii) elde edilen fenolik ekstraktla-rın polivinil alkol bazlı film sistemlerine entegre edilerek aktif biyobozunur ambalaj filmlerinin geliştirilmesi, (iv) selülozca zengin katı fraksiyonlardan izole edilen selülo-zun karboksimetil selüloz formuna dönüştürülerek polivinil alkol bazlı kompozit film-lerinin hazırlanması ve (v) geliştirilen tüm film sistemlerinin yapısal, mekanik, optik, termal, bariyer ve antioksidan özelliklerinin belirlenerek gerçek gıda uygulamaları üze-rinde raf ömrü performanslarının değerlendirilmesi yoluyla, bu yan ürünlerin sürdürü-lebilir ambalaj teknolojileri açısından uygulanabilirliğinin ortaya konması olarak belir-lenmiştir. Bu çalışmanın ilk kısmında, çalışmanın bilimsel ve kavramsal temeli oluşturulmuş ve araştırmanın çıkış noktası tanımlanmıştır. Bu kapsamda, gıda endüstrisinde artan petrol kökenli plastik ambalaj kullanımı ile tarımsal ve gıda sanayisi yan ürünlerinin yetersiz değerlendirilmesi sonucu ortaya çıkan çevresel ve ekonomik sorunlar ele alın-mıştır. Sürdürülebilir ambalaj malzemelerine duyulan gereksinim, döngüsel ekonomi ve sıfır atık yaklaşımları doğrultusunda tartışılmış; biyobozunur ve aktif ambalaj sistemle-rinin bu sorunlara potansiyel çözüm sunma kapasitesi vurgulanmıştır. Ayrıca bu bö-lümde, tez kapsamında ele alınan fındık kabuğu, fındık iç zarı ve enginar yan ürünleri-nin neden uygun hammadde adayları olduğu açıklanmış, çalışmanın amacı, özgünlüğü, kapsamı ve araştırma soruları açık bir şekilde ortaya konmuştur. Birinci bölüm, tezin ilerleyen bölümlerinde gerçekleştirilen deneysel çalışmaların bilimsel gerekçesini oluş-turacak şekilde yapılandırılmıştır. Bu doktora tezinin ikinci bölümünde, çalışmanın deneysel altyapısını desteklemek ama-cıyla kapsamlı bir literatür derlemesi sunulmuştur. Bu bölümde öncelikle tarım ve gıda sanayisi kaynaklı yan ürünlerin sürdürülebilirlik ve döngüsel ekonomi bağlamındaki önemi ele alınmış; özellikle fındık kabuğu, fındık iç zarı ve enginar yan ürünlerinin kimyasal bileşimi, lignoselülozik yapıları ve fenolik bileşik içerikleri literatür verileri ışığında değerlendirilmiştir. Fenolik bileşiklerin gıda ambalajında antioksidan ve fonk-siyonel rollerine, selüloz ve türevlerinin biyobozunur polimer sistemlerindeki takviye edici etkilerine odaklanılmıştır. Ayrıca bu bölümde, biyobozunur ambalaj malzemeleri, aktif ambalaj sistemleri, polivinil alkol bazlı filmler ve selüloz türevleri ile ilgili mevcut çalışmalar incelenmiş; kritik altı su ekstraksiyonu yönteminin yeşil ekstraksiyon tekno-lojileri arasındaki yeri ve avantajları detaylı olarak tartışılmıştır. Böylece ikinci bölüm, tezin deneysel çalışmalarının bilimsel dayanağını oluşturan teorik çerçeveyi sağlamıştır. Bu doktora tezinin üçüncü bölümünde, gıda ambalajı uygulamalarında kullanılan biyobozunur polimerler ayrıntılı olarak incelenmiş ve tez kapsamında geliştirilen film sistemlerinin teorik altyapısı oluşturulmuştur. Bu kapsamda başlıca biyobozunur poli-merler olan polivinil alkol, polikaprolakton, polilaktik asit ve polihidroksialkanoatlar literatür bulguları ışığında değerlendirilmiş; bu polimerlerin mekanik, bariyer, biyobo-zunurluk ve gıda ile temas edebilirlik özellikleri karşılaştırılmıştır. Özellikle PVA'nın üstün film oluşturma kabiliyeti, şeffaflığı ve biyobozunurluğu nedeniyle tez kapsamın-da ana polimer matrisi olarak seçilme gerekçesi ortaya konmuştur. Ayrıca bu bölümde, polimer matrislerin performansını artırmak amacıyla fenolik bileşiklerin aktif ambalaj sistemlerine entegrasyonu ve selüloz/karboksimetil selüloz gibi doğal takviye ajanları-nın kompozit film sistemlerindeki rolü literatür doğrultusunda tartışılmıştır. Böylece üçüncü bölüm, tezde geliştirilen PVA bazlı aktif ve kompozit film sistemlerinin bilim-sel temelini oluşturan kapsamlı bir arka plan sağlamıştır. Bu doktora tezinin dördüncü bölümünde, fındık kabuğu, fındık iç zarı ve enginar yan ürünlerinden elde edilen fenolik bileşiklerin kritik altı su ekstraksiyonu yöntemi ile geri kazanılması ve bu ekstraktların polivinilalkol bazlı aktif ambalaj filmlerine entegrasyo-nu incelenmiştir. Öncelikle elde edilen ekstraktlar toplam fenolik madde içeriği, toplam antioksidan aktivite ve HPLC analizleri ile karakterize edilmiş; fındık iç zarı ekstraktla-rının yüksek fenolik içerik ve antioksidan kapasite açısından öne çıktığı belirlenmiştir. Ardından bu fenolik ekstraktlar farklı konsantrasyonlarda PVA matrisi içine dahil edi-lerek aktif biyobozunur film sistemleri geliştirilmiştir. Hazırlanan filmler; FTIR, meka-nik testler, su buharı ve oksijen geçirgenliği analizleri, biyobozunurluk testleri ve UV-görünür ışık analizleri ile kapsamlı biçimde değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, fenolik ekstrakt ilavesinin filmlerin antioksidan kapasitesinde belirgin artışlara yol açtı-ğını göstermiştir. DPPH antioksidan aktivitesinin yaklaşık %400'e kadar arttığı, CUP-RAC değerlerinin ise yaklaşık %500 artış gösterdiği belirlenmiştir. Fenolik ekstrakt ilavesinin filmlerin UV bariyer özelliklerini artırdığı, bariyer performansını iyileştirdiği (su buharı geçirgenliğinde ~%15 azalma, oksijen geçirgenliğinde ~%60 azalma) ve film esnekliğini artırdığı belirlenmiştir. Ayrıca geliştirilen film sistemlerinin pratik uygula-nabilirliği; taze kesilmiş meyveler ve tavuk göğsü üzerinde gerçekleştirilen raf ömrü çalışmaları ile doğrulanmış; filmlerin ağırlık kaybını azalttığı, renk değişimini geciktir-diği, mikrobiyal gelişimi baskıladığı ve lipid oksidasyonunu yavaşlattığı belirlenmiştir. Bu bölüm, fenolik bileşiklerin aktif ambalaj sistemlerinde kullanılabilirliğini deneysel olarak ortaya koymuştur. Bu doktora tezinin beşinci bölümünde, kritik su altı ekstraksiyonu sonrasında elde edilen selülozca zengin katı fraksiyonların değerlendirilmesi ve bu fraksiyonlardan elde edilen selülozun PVA bazlı biyobozunur film sistemlerinde takviye edici ajan olarak kullanımı incelenmiştir. Bu kapsamda fındık kabuğu, fındık iç zarı ve enginar yan ürünlerinden selüloz izole edilmiş ve polimer matrisi ile uyumunu artırmak amacıyla karboksimetil selüloz formuna dönüştürülmüştür. Elde edilen selüloz ve karboksimetil selüloz örneklerinin verimi, ikame derecesi ve yapısal özellikleri FTIR analizleri ile karakterize edilmiştir. Selülozdan eterifikasyon yoluya sentezlenen karboksimetil ör-neklerinin ikame dereceleri 0.75–0.88 aralığında belirlenmiş ve bu değerler literatürde rapor edilen aralıklarla uyumlu bulunmuştur. Ardından karboksimetil selüloz ile güç-lendirilmiş PVA bazlı kompozit filmler hazırlanmış ve bu filmler yapısal, termal, optik, mekanik, bariyer (su buharı ve oksijen geçirgenliği), su çözünürlüğü, nem içeriği ve antioksidan özellikler açısından kapsamlı biçimde değerlendirilmiştir. Elde edilen so-nuçlar, karboksimetil selüloz ilavesinin, filmlerin çekme dayanımını yaklaşık %50–60 oranında artırırken, kopma uzamasının %45–50 oranında azalmasına neden olduğunu göstermiştir. Bu durum kompozit filmlerin daha rijit ve mekanik olarak daha dayanıklı hale geldiğini göstermektedir. Tüm örneklerde, karboksimetil selüloz ilavesinin polimer matrisi içerisinde takviye edici bir rol üstlenerek filmlerin mekanik dayanımını, termal kararlılığını ve bariyer performansını önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermiştir. Ayrıca geliştirilen film sistemlerinin biyobozunurluğu doğrulanmış ve taze meyveler üzerinde gerçekleştirilen raf ömrü uygulamaları ile pratik kullanım potansiyelleri ortaya konmuş-tur. Bu bölüm, tarımsal yan ürünlerden elde edilen selüloz türevlerinin sürdürülebilir ambalaj malzemeleri geliştirilmesindeki etkinliğini deneysel olarak öne çıkarmaktadır. Bu tez kapsamında geliştirilen iki farklı film yaklaşımı (fenolik ekstrakt içeren aktif filmler ve karboksimetil selüloz ile takviye edilmiş PVA bazlı filmler) kendi perfor-mansları açısından karşılaştırıldığında, her iki sistemin farklı fonksiyonel avantajlar sağladığı görülmüştür. Fenolik ekstrakt içeren filmler özellikle aktif ambalaj özellikleri bakımından öne çıkmış; antioksidan aktivitede artış, UV geçirgenliğinde belirgin azal-ma ve oksijen geçirgenliğinde düşüş sağlayarak gıda oksidasyonunu geciktirme potan-siyeli göstermiştir. Buna karşılık karboksimetil selüloz ile takviye edilmiş kompozit filmler, yapısal ve mekanik performans açısından daha üstün sonuçlar vermiş; çekme dayanımında %50–60 artış sağlanırken film yapısı daha kompakt ve dayanıklı hale gelmiştir. Bu durum, fenolik ekstraktların fonksiyonel ve aktif ambalaj özelliklerini geliştirdiğini, selüloz türevlerinin ise mekanik ve bariyer performansını güçlendirdiğini göstermektedir. Dolayısıyla bu iki yaklaşımın birlikte değerlendirilmesi, tarımsal yan ürünlerin hem aktif hem de yapısal özellikleri geliştirilmiş çok fonksiyonlu ambalaj sistemlerine dönüştürülebileceğini ortaya koymaktadır. Kullanılan yan ürünler açısından değerlendirildiğinde, (fındık yan ürünleri ile enginar yan ürünleri), her iki biyokütlenin farklı güçlü yönlere sahip olduğu belirlenmiştir. Fenolik bileşikler açısından değerlendirildiğinde, özellikle fındık iç zarı ekstraktlarının daha yüksek antioksidan kapasite sağladığı ve film sistemlerinde antioksidan aktivite-nin artmasına önemli katkı sağladığı görülmüştür. Buna karşılık enginar yan ürünleri, klorojenik asit ve kafeik asit gibi hidroksisinamik asitler açısından zengin yapısı saye-sinde aktif ambalaj uygulamalarında önemli bir fenolik kaynak olarak öne çıkmıştır. Yapısal bileşenler açısından değerlendirildiğinde ise hem fındık hem de enginar yan ürünlerinden elde edilen selülozun karboksimetil selüloza dönüştürülebilmesi, her iki hammaddenin de biyobozunur kompozit film üretimi için uygun olduğunu göstermiştir. Ancak mekanik performans ve bariyer özelliklerinin geliştirilmesinde fındık kökenli karboksimetil selüloz takviyesinin daha belirgin katkı sağladığı gözlenmiştir. Genel olarak değerlendirildiğinde, fındık yan ürünleri daha güçlü antioksidan ve mekanik performans, enginar yan ürünleri ise önemli bir fenolik çeşitlilik ve fonksiyonel katkı sağlamıştır. Bu çalışma sonucunda, fındık ve enginar gibi gıda yan ürünlerinin sıfır atık prensibine uygun şekilde değerlendirilerek hem çevresel sürdürülebilirliğe katkı sağladığı hem de ticari açıdan potansiyel sunan biyobozunur aktif ambalaj çözümleri oluşturduğu ortaya konmuştur. Çevre dostu ekstraksiyon teknolojileri ile gıda atıklarının yeniden kazanıl-ması, döngüsel ekonomi kapsamında endüstriyel üretim süreçlerine entegre edilebilecek yenilikçi uygulamalardır. Bu yaklaşım, yalnızca ambalaj sektöründe değil; aynı zaman-da ilaç, kozmetik ve tarım gibi diğer sanayi dallarında da kullanılabilecek çok yönlü ve sürdürülebilir bir çözüm sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
The rapid growth of the food industry brings with it two significant problems that increase environmental impacts: first, the large volume of food waste generated in production processes cannot be effectively utilized, and second, there is a high usage of plastic-based packaging materials. It is known that plastic waste remains in the environment for many years without decomposing, accumulating in the ecosystem and causing both environmental pollution and harm to the health of living organisms. On the other hand, by-products from the agricultural and food industries are rich sources of biomass that need to be evaluated from both economic and environmental perspectives. This thesis study presents a holistic solution to these two important problems: evaluating hazelnut, one of Türkiye's leading products in production, and artichoke by-products, which generate large amounts of waste during industrial processing and converting them into high-value biodegradable active packaging materials. In this context, the selected waste sources in the study were evaluated in detail both in terms of their functional content (phenolic compounds) and structural value (cellulose). Hazelnut shells and skin by-products of the hazelnut processing are generally considered to be of low economic value and have limited recovery potential, or are mostly used as fuel. However, these lignocellulosic by-products naturally contain high amounts of cellulose, lignin, hemicellulose, and bioactive phenolic compounds. Similarly, the artichoke plant (Cynara scolymus L.), which produces 60-70% of its total yield as waste, is widely used in the food industry for both fresh consumption and in canned, pickled, and frozen products. During these processes, leaves, stems, and outer leaflets are produced as waste. However, these wastes are quite rich sources of biomass, especially in terms of phenolic compounds, inulin, fiber, cellulose and flavonoids. Given this information, the main objective of this doctoral thesis is to investigate the conversion of high volumes of hazelnut shells, hazelnut skins, and artichoke by-products, which are generated in the agricultural and food industries, into high-value, biodegradable, and active food packaging materials using environmentally friendly and sustainable technologies. The research plan is based on the evaluation of functional (phenolic) and structural components (cellulose) using subcritical water extractions. The objectives of this doctoral thesis are to (i) obtain phenolic compound-rich liquid fractions and lignocellulosic component-rich solid fractions from waste products using the subcritical water extraction method, (ii) comprehensively characterize these fractions, (iii) develop active biodegradable packaging films by integrating the obtained phenolic extracts into Poly(vinyl alcohol)-based film systems, (iv) prepare Poly(vinyl alcohol)-based composite films by converting cellulose isolated from cellulose-rich solid fractions into carboxymethyl cellulose form, and (v) demonstrate the feasibility of these by-products for sustainable packaging technologies by determining the structural, mechanical, optical, thermal, barrier, and antioxidant properties of all developed film systems amd evaluating their shelf life performance in real applications. In the first part of this study, the scientific and conceptual basis of the study was established and the starting point of the research was defined. In this context, environmental and economic problems arising from the increased use of petroleum-based plastic packaging in the food industry and the insufficient utilization of agricultural and food industry by-products have been addressed. The need for sustainable packaging materials has been discussed in line with circular economy and zero-waste approaches, and the potential of biodegradable and active packaging systems to offer solutions to these problems has been emphasized. Additionally, this section explains why hazelnut shells, hazelnut inner membranes, and artichoke by-products, which are discussed in the thesis, are suitable raw material candidates. The study's purpose, originality, scope, and research questions are clearly presented. The first section is structured to provide the scientific justification for the experimental studies conducted in the subsequent sections of the thesis. In Section 2, a comprehensive literature review is presented to support the experimental infrastructure of the study. In this section, the importance of by-products from the agricultural and food industries within the context of sustainability and the circular economy is first discussed; in particular, the chemical composition, lignocellulosic structures, and phenolic compound content of hazelnut shells, hazelnut inner skins, and artichoke by-products are evaluated in light of literature data. The focus has been on the antioxidant and functional roles of phenolic compounds in food packaging, and the reinforcing effects of cellulose and its derivatives in biodegradable polymer systems. Additionally, this section examines current studies on biodegradable packaging materials, active packaging systems, Poly(vinyl alcohol)-based films, and cellulose derivatives; and the place and advantages of the subcritical water extraction method among green extraction technologies are discussed in detail. Thus, the second chapter provided the theoretical framework that formed the scientific basis for the experimental studies in the thesis. In Section 3, biodegradable polymers used in food packaging applications are examined in detail, and the theoretical basis for the film systems developed within the scope of the thesis is established. In this context, major biodegradable polymers such as Poly(vinyl alcohol), polycaprolactone, polylactic acid, and polyhydroxyalkanoates were evaluated in light of literature findings; and the mechanical, barrier, biodegradability, and food contact properties of these polymers were compared. The justification for selecting PVA as the main polymer matrix within the scope of this thesis is presented, particularly due to its superior film-forming ability, transparency, and biodegradability. Additionally, this section discusses the integration of phenolic compounds into active packaging systems to enhance the performance of polymer matrices, and the role of natural reinforcing agents such as cellulose/carboxymethyl cellulose in composite film systems, based on the literature. Thus, the third chapter provided a comprehensive background that formed the scientific basis of the PVA-based active and composite film systems developed in the thesis. In Section 4, the recovery of phenolic compounds from hazelnut shells, hazelnut skin, and artichoke by-products using the subcritical water extraction method and the integration of these extracts into Poly(vinyl alcohol)-based active packaging films were investigated. First, the obtained extracts were characterized by total phenolic content, total antioxidant activity, and HPLC analyses; it was determined that hazelnut skin extracts stood out in terms of high phenolic content and antioxidant capacity. Subsequently, these phenolic extracts were incorporated into a PVA matrix at different concentrations to develop active biodegradable film systems. The prepared films were comprehensively evaluated using FTIR, mechanical tests, water vapor and oxygen permeability analyses, biodegradability tests, and UV-visible light analyses. The results obtained showed that the addition of phenolic extract led to significant increases in the antioxidant capacity of the films. It was determined that the DPPH antioxidant activity increased by up to approximately 400%, while the CUP-RAC values showed an increase of approximately 500%. It has been determined that the addition of phenolic extract increases the UV barrier properties of the films, improves barrier performance (approximately 15% reduction in water vapor permeability, approximately 60% reduction in oxygen permeability), and increases film flexibility. Furthermore, the practical applicability of the developed film systems was confirmed through shelf-life studies conducted on freshly cut fruits and chicken breast; it was determined that the films reduced weight loss, delayed color change, suppressed microbial growth, and slowed lipid oxidation. This section experimentally demonstrates the feasibility of using phenolic compounds in active packaging systems. In Section 5, the evaluation of cellulose-rich solid fractions obtained after subcritical water extraction and the use of cellulose derived from these fractions as a reinforcing agent in PVA-based biodegradable film systems were investigated. In this context, cellulose was isolated from hazelnut shells, hazelnut skins, and artichoke by-products and converted into carboxymethyl cellulose form to improve its compatibility with the polymer matrix. The yield, degree of substitution, and structural properties of the obtained cellulose and carboxymethyl cellulose samples were characterized using FTIR analysis. The degree of substitution of carboxymethyl samples synthesized from cellulose via etherification was determined to be in the range of 0.75–0.88, and these values were found to be consistent with the ranges reported in the literature. Subsequently, PVA-based composite films reinforced with carboxymethyl cellulose were prepared and comprehensively evaluated for their structural, thermal, optical, mechanical, barrier (water vapor and oxygen permeability), water solubility, moisture content, and antioxidant properties. The results obtained showed that the addition of carboxymethyl cellulose increased the tensile strength of the films by approximately 50–60%, while causing a decrease in elongation at break by 45–50%. This situation indicates that composite films become more rigid and mechanically more durable. In all samples, the addition of carboxymethyl cellulose was shown to significantly improve the mechanical strength, thermal stability, and barrier performance of the films by acting as a reinforcing agent within the polymer matrix. Additionally, the biodegradability of the developed film systems was verified, and their practical application potential was demonstrated through shelf-life studies conducted on fresh fruits. This section experimentally highlights the effectiveness of cellulose derivatives obtained from agricultural by-products in developing sustainable packaging materials. When the two different film approaches developed within the scope of this thesis (active films containing phenolic extract and PVA-based films reinforced with carboxymethyl cellulose) were compared in terms of their own performance, it was observed that both systems provided different functional advantages. Films containing phenolic extract particularly stood out in terms of active packaging properties; they have shown potential to delay food oxidation by increasing antioxidant activity, significantly reducing UV permeability, and decreasing oxygen permeability. In contrast, composite films reinforced with carboxymethyl cellulose yielded superior results in terms of structural and mechanical performance; tensile strength increased by 50–60%, and the film structure became more compact and durable. This situation indicates that phenolic extracts enhance the functional and active packaging properties, while cellulose derivatives strengthen the mechanical and barrier performance. Therefore, the combined evaluation of these two approaches demonstrates that agricultural by-products can be transformed into multifunctional packaging systems with both active and structural properties improved. When evaluated in terms of the by-products used (hazelnut by-products and artichoke by-products), it was determined that both types of biomass have different strengths. When evaluated for phenolic compounds, it was observed that hazelnut skin extracts, in particular, provided higher antioxidant capacity and significantly contributed to increased antioxidant activity in film systems. In contrast, artichoke by-products have emerged as a significant phenolic sources in active packaging applications due to their rich composition in hydroxycinnamic acids such as chlorogenic acid and caffeic acid. When evaluated in terms of structural components, the conversion of cellulose obtained from both hazelnut and artichoke by-products into carboxymethyl cellulose indicates that both raw materials are suitable for the production of biodegradable composite films. However, it was observed that the addition of hazelnut-derived carboxymethyl cellulose contributed more significantly to the improvement of mechanical performance and barrier properties. Generally, hazelnut by-products provided stronger antioxidant and mechanical performance, while artichoke by-products offered significant phenolic diversity and functional contributions. As a result of this study, it was found that by-products from hazelnuts and artichokes can be evaluated in accordance with the zero-waste principle, contributing to both environmental sustainability and the creation of biodegradable active packaging solutions with commercial potential. The recovery of food waste using environmentally friendly extraction technologies are innovative applications that can be integrated into industrial production processes within the framework of a circular economy. This approach offers a versatile and sustainable solution that can be used not only in the packaging industry but also in other industrial sectors such as pharmaceuticals, cosmetics, and agriculture.
Benzer Tezler
- Ultraviyole teknolojisi (UV-C) ile atık çay lifinden sürdürülebilir nişasta bazlı ambalaj filmi tasarımı ve taze et ambalajında kullanım olanaklarının araştırılması
Design of sustainable starch-based packaging film from tea fiber waste with ultraviolet technology (UV-C) and investigation of possibilities of use in fresh meat packaging
SUDE CANSIN GÜNGÖR
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Gıda MühendisliğiManisa Celal Bayar ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MÜGE UYARCAN
- Malt posasından hemiselüloz bazlı filmlerin eldesi ve gıda ambalajı yönünden karakterizasyonu
Production of hemicellulose-based films from brewer's spent grain and characterization for food packaging
BUSE SEZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜRBÜZ GÜNEŞ
- Nar ve portakal kabuğu atıklarından biyobazlı gıda ambalaj malzemesi geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of biobased food packaging materials from orange and pomegranate peel waste
EYLEM KARAKUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Gıda MühendisliğiSakarya ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEHRA AYHAN
- Gıda ambalaj tasarımında sürdürülebilir ve yenilikçi eğilimler: Alanyazın tabanlı bir derleme
Sustainable and innovative trends in food packaging : A literature-based review
MERYEM ÖZMADEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Bilim ve TeknolojiOndokuz Mayıs ÜniversitesiGirişimcilik ve Yenilikçilik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DENİZ EKMEKÇİOĞLU
- Dışsal özelliklerine göre ürün değerlendirmesi: Gıda ürünlerinde sürdürülebilir ambalaj ve kalite algısı
Product evaluation according to external characteristics: Sustainable packaging and quality perception in food products
SAIDA AHMADOVA