Microbial decontamination of food packaging films using corona non-thermal plasma
Korona deşarjlı soğuk plazma uygulaması ile gıda ambalaj filmlerinin mikrobiyal dekontaminasyonu
- Tez No: 810681
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜRBÜZ GÜNEŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gıda Mühendisliği, Food Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gıda Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Gıdalar,“tarladan çatala”süreci boyunca başta nakliye ve depolama olmak üzere çeşitli prosesler sırasında ambalajlanmaktadırlar. Gıda ambalajlamasının başlıca dört amacı vardır: Koruma, kolaylık, muhafaza ve iletişim. Bunların dışında ambalajlama, gıda raf ömrünün uzatılması ve gıda israfının azaltılması ile sürdürülebilirliğe katkı sağlanması, gıdanın izlenebilirliğinin sağlanması, tüketici sağlığının korunması gibi birçok işleve sahiptir. Gıdalar cam, metal, kağıt gibi birçok ambalaj materyali ile paketlenebilmesine rağmen, günümüzde gıda ambalajlamasında en yaygın olarak kullanılan materyal polimerler, başka bir deyişle plastiklerdir. Plastik ambalajların %70-99'u polimerlerden oluştuğundan, ambalajlama endüstrisinde plastik ve polimer eş anlamlı olarak kullanılmaktadır. Dünyadaki plastiklerin %40'ının ambalajlamada kullanıldığı ve hatta Avrupa'daki gıdaların %40'ının plastiklerle ambalajlandığı bilinmektedir. Polimerlerin bu kadar tercih edilmesinin başlıca avantajları arasında kolay şekillenebilir olmaları, maliyetinin düşük olması, hafif olmaları, transparan olması, sıcaklık ile kolayca yapıştırılabilmeleri sayılabilir. Ambalaj materyalleri, gıdaları dış etkenlerden koruyan bariyerler olmalarına rağmen, gıda ile doğrudan temas halinde olduklarından kendileri de bir kontaminasyon kaynağı olabilmektedirler. Yeterli hijyen koşulları sağlanmadığında ambalaj materyalinden gıdaya fiziksel, kimyasal veya biyolojik çapraz kontaminasyonun gerçekleşmesi mümkündür. Ambalaj materyallerinin fizikokimyasal özelliklerine ve bulundukları çevre koşullarına göre değişkenlik gösterse de, paketleme yüzeylerinde patojenler dahil çeşitli mikroorganizmaların bulunduğu kanıtlanmıştır. Hatta, ambalaj materyali üzerinde 6 log kob/cm2'ye kadar toplam mezofilik aerobik bakterinin bulunabileceği raporlanmıştır. Plastik ambalaj materyallerinin, yüzeylerindeki mikroorganizma canlılığını azaltacak antimikrobiyal özellikleri bulunmadığından, gıda ile temasından önce steril edilmeleri tüketici sağlığını korumak için kaçınılmazdır. Günümüzde ambalaj materyallerinin dezenfeksiyonu veya sterilizasyonu için çeşitli fiziksel ve kimyasal metotlar uygulanmaktadır. Bu metotların başlıca örnekleri arasında termal işlemler, ışınlama, UV-C, darbeli ışık teknolojisi, ozonlama, hidrojen peroksit veya diğer dezenfektanların kullanımı sayılabilmektedir. Ancak bu teknolojilerin birtakım dezavantajları bulunmaktadır. UV-C ve darbeli ışık teknolojilerinin penetrasyon derinliği düşük olduğundan yalnızca şeffaf yüzeylerde etkindir. Işınlama tesisinin kurulum ve işletme maliyeti oldukça yüksek ve çalışanların güvenliğini sağlamak güçtür. Termal işlemler, yüksek sıcaklığın etkisiyle polimerlerin yüzeyinde deformasyona ve işlev kaybına neden olmaktadır. Hidrojen peroksit ve ozon kullanımı sırasında çalışanların güvenlik önlemleri alınmalı, cilt veya solunum yolları ile temasından kaçınılmalıdır. Ayrıca diğer kimyasalların ambalaj materyalinde kalıntı bırakması, gıdada istenmeyen tat veya koku oluşumuna neden olması, korozif etkiye sahip olmaları gibi çeşitli dezavantajları bulunmaktadır. Tüm bunlar göz önüne alındığında, kurulum ve işletme maliyeti düşük, çalışana sağlık riski oluşturmayacak, çevredostu, kısa sürede etkili sonuç alınması mümkün olacak yeni teknoloji arayışına girilmiştir. Yeni alternatifler arasında termal olmayan, veya soğuk, plazma sağladığı avantajlar ile ön plana çıkmaktadır. Plazma, maddenin dördüncü hali olarak bilinen, bileşeninde reaktif oksijen ve nitrojen türleri (ROS: O, O2, O3, OH; RNS: NO, NO2 ve NOx), UV, serbest radikaller ve yüklü parçacıklar bulunan bir gazdır. Plazma, yüksek elektriksel potansiyel farkı bulunan iki elektrot arasındaki gaza elektrik enerjisi uygulanması sonucu gazın iyonize olması ile elde edilmektedir. Plazma sistemler, üretiminde kullanılan elektrota göre sınıflandırılmaktadır ve sıklıkla kullanılan plazma deşarjlarına korona, dielektrik bariyer, ışıma ve ark deşarjları örnek olarak verilebilir. Korona deşarjı, yayıcı elektrotun keskin noktasından toplayıcı elektrota uzanan güçlü bir parlamaya neden olan deşarj çeşididir. Korona deşarjlı soğuk plazma sistemleri, daha düşük güç gereksinimiyle, atmosferik basınçta, ortam havası ile, yüzeyde sıcaklık artışına neden olmadan çalışabilmektedir. Soğuk plazma, ambalaj filmlerinin yüzey özelliklerini iyileştirmek için de kullanılabilse de, ambalajların ve yüzeylerin mikrobiyal dekontaminasyonu için de yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde soğuk plazma ile ambalaj materyali sterilizasyonu gerçekleştiren tesisler olsa da, teknolojinin yaygınlaşması için uygulama veriminin arttırılması, maliyetin düşürülmesi gerekmektedir. Plazmanın mikrobiyal inaktivasyon mekanizması UV radyasyon ile hücreiçi veya hücrelerarası bileşenlerin zarar görmesi veya parçalanmasını kapsasa da, asıl etki, hücredeki moleküller ile plazmada bulunan yüklü parçacıkların, ROS ve RNS moleküllerinin etkileşime girmesi sonucunda elde edilmektedir. Plazma oluşumu sırasında üretilen reaktifler, yarattığı oksidatif stres ile mikroorganizmaların DNA'sına, enzimlerine, proteinlerine ve lipidlerine zarar verme potansiyeline sahiptir. Soğuk plazmanın mikrobiyal dekontaminasyon etkinliği çevresel faktörlere, mikroorganizma tipine ve sistemin voltaj, frekans, gaz, kullanılan elektrot tipi ve maruz kalma süresi gibi proses parametrelerine göre değişkenlik göstermektedir. Bunlara ek olarak, soğuk plazmanın inaktivasyon etkinliğinin ortamdaki su miktarının artmasıyla arttığı bilinmektedir. Bunun nedeni, ortamdaki suyun iyonlaşması ile OH, O3, H2O2 molekülleri gibi ROS'ların daha yüksek konsantrasyonlarda oluşması ve buna bağlı olarak mikroorganizma hücrelerinin oksidasyonu ve membran yapısındaki hasarın artmasıdır. Bu bilgiler ışığında, soğuk plazma uygulaması sırasında yüzeyin ıslatılması sonucunda, plazmanın ambalaj yüzerinde daha yüksek konsantrasyonda reaktif ve yüklü parçacık oluşturması, bu sayede aynı uygulama koşullarında daha yüksek mikrobiyal inaktivasyon elde edilmesi beklenmektedir. Bu çalışmada, proje kapsamında tasarlanan ve üretilen korona deşarjlı termal olmayan plazma (NTP) sisteminin yaygın olarak kullanılan polimerik gıda ambalaj malzemeleri üzerindeki dekontaminasyon etkinliği araştırılmıştır. NTP sisteminin inaktivasyon etkinliği geniş bir mikroorganizma yelpazesininde test edilmesi için vejetatif hücreleri, spor oluşturan bakterileri ve küfleri temsilen bir test mikroorganizma grubu oluşturulmuştur. Literatürdeki soğuk plazma sterilizasyon çalışmalarından farklı olarak, film yüzeyinin ıslatılması sonucunda NTP inaktivasyon etkinliğinin nasıl değiştiği incelenmiştir. Çalışmanın temel amacı, yüzeydeki su moleküllerini plazmanın etkisiyle ROS'a dönüştürmek ve mikroorganizmaların daha yüksek konsantrasyonda ROS'a maruz kalması sonucunda daha yüksek inaktivasyon oranları elde etmektir. Bu kapsamda korona deşarjlı NTP sisteminin Escherichia coli ve Bacillus subtilis vejetatif hücrelerini, B. subtilis sporlarını, Aspergillus niger ve Penicillium expansum sporlarını inaktivasyon etkinliği, çift eksenli yönlendirilmiş polipropilen (bOPP), düşük yoğunluklu polietilen (LDPE) ve polietilen tereftalat (PET) olmak üzere üç farklı ambalaj materyali üzerinde farkı uygulama süreleri ile incelenmiştir. Mikroorganizmalar ambalaj filmleri yüzeyine pipet yardımıyla nokta inokülasyon metoduyla aşılanmış ve gerçek bir kontaminasyonu simüle etmesi için inoküle filmler kurutulmuştur. Islak uygulamanın inaktivasyon etkinliğine etkisinin araştırılması için denemeler aynı uygulama koşulları altında, ek olarak film yüzeyinin ince bir su tabakası ile kaplanması ile tekrarlanmıştır. Bakteriyel ekimler dökme plak, küf ekimleri yayma plak yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, soğuk plazmanın inaktivasyon etkinliği analizlerinden önce, ambalaj materyallerinde seçilen mikroorganizmaların canlı kalıp kalmadıkları test edilmiştir. Tüm test mikroorganizmalarının canlılığının, kurutma sonraki soğuk plazma uygulaması ve mikrobiyolojik ekimler süresince istatistiksel olarak azalmadığından emin olunmuş (p<0,05), NTP sisteminin inaktivasyon etkinliği analizlerine geçilmiştir. Tüm analiz sonuçları değerlendirildiğinde, soğuk plazma uygulaması öncesi film yüzetinin ıslatılmasının ve soğuk plazma uygulama süresinin arttırılmasının, NTP sisteminin mikrobiyal inaktivasyon etkinliğini istatistiksel olarak arttırdığı görülmüştür (p<0,05). Her ambalaj filmi yüzeyindeki inaktivasyon farklı günlerdeki deneylerde analiz edildiği için, film materyali bir değişken olarak ele alınmamış, sonuçlar kendi içerisinde değerlendirilmiştir. Belirtilen her bir uygulama parametresi için saptanan maksimum dekontaminasyon miktarlarına bakıldığında, ambalaj materyali yüzeyinin kuru olduğu uygulamalarda korona deşarjlı NTP sisteminde E. coli 3 dakikada 2,98 log KOB/film, B. subtilis'in vejetatif hücreleri 3 dakikada 0,93 log KOB/film ve sporları 12 dakikada 0,33 log KOB/film, A. niger 12 dakikada 1,34 log KOB/film ve P. expansum 3 dakikada 0,67 log KOB/film inaktive edilmiştir. Aynı şekilde, plazma uygulaması öncesi kontamine edilmiş ambalaj materyallerinin yüzeylerinin ince bir su tabakası ile kaplanması sonucunda korona deşarjlı NTP sisteminde E. coli 3 dakikada 5,58 log KOB/film, B. subtilis'in vejetatif hücreleri 3 dakikada 1,5 log KOB/film ve sporları 12 dakikada 1,05 log KOB/film, A. niger 3 dakikada 1,46 log KOB/film ve P. expansum 3 dakikada 3,20 log KOB/film inaktive edilmiştir. Tüm sonuçlar birlikte ele alındığında, film yüzeyinin soğuk plazma uygulaması öncesinde ıslatılmasının, korona deşarjlı NTP sisteminin mikrobiyal inaktivasyon etkinliğini hemen hemen her koşulda istatistiksel olarak arttırdığı görülmüştür (p<0,05). Mikroorganizma bazında bakıldığında, kuru yüzeye plazma uygulamasına kıyasla ıslak yüzeye uygulamanın bazı mikroorganizmalarda etkiyi 3 hatta 4 kata kadar arttırdığı kaydedilmiştir. Bu sayede, istenilen mikrobiyal inaktivasyon sürelerine yüzeyin ıslatılmasının etkisiyle daha kısa uygulama sürelerinde ulaşılmasının mümkün olduğu görülmüştür. Hem ıslak hem kuru uygulamalarda NTP sistemine en duyarlı mikroorganizma E. coli bulunurken, en dirençli mikroorganizma B. subtilis sporları olmuştur. Tüm mikroorganizmalar için ortalama değerler göz önüne alındığında, kuru uygulama sırasında NTP sistemine karşı mikroorganizmaların direnci küçükten büyüğe E. coli, vejetatif B. subtilis hücreleri, P. expansum, A. niger ve B. subtilis sporları olarak sıralanabilir. Buna karşın, film yüzeyinin ıslatıldığı uygulamalarda bu sıra, E. coli, P. expansum, A. niger, vejetatif B. subtilis hücreleri ve B. subtilis sporları olmak üzere değişiklik göstermiştir. Bu durum, plazmanın inaktivasyon mekanizmasının başlıca iki etkiden kaynaklanması, B. subtilis dışındaki mikroorganizmalarda ROS oluşumu ile inaktivasyonun baskın gelirken B. subtilis hücrelerinde UV etkisi ile dekontaminasyonun etkili olduğu şeklinde yorumlanabilir. Çalışma sonucunda elde edilen bulgular ile proje kapsamında tasarlanan ve üretilen NTP sisteminin vejetatif hücre, bakteri ve küf sporu olmak üzere çeşitli mikroorganizmalar üzerinde etkili olduğu söylenebilmektedir. Ayrıca plazma uygulaması öncesi film yüzeyinin ince bir su tabakası ile kaplanmasının NTP sisteminin mikrobiyal dekontaminasyon etkinliğini hemen hemen her koşulda istatistiksel olarak arttırması, endüstride ambalaj filmi sterilizasyonunda soğuk plazmanın yaygınlaşması konusunda ışık tutmaktadır. Tasarlanan NTP sisteminin atmosferik basınçta ortam hava ile çalışmaktadır. Bu durum, tesislerdeki kurulum ve işlem maliyetini azaltacaktır. Tüm sonuçlar incelendiğinde tasarlanan sistem, ambalaj malzemesi sterilizasyonunda daha az enerji ve daha kısa sürede istenen etkiyi artırarak tasarruf açısından umut vericidir.
Özet (Çeviri)
Foods are packaged during various processes, especially transportation and storage, during the“from farm to fork”period. Food packaging has four primary purposes: protection, convenience, containment, and communication. Apart from these, packaging has many functions such as extending the shelf life of food and reducing food waste, contributing to sustainability, ensuring the traceability of food, and protecting consumer health. Although foods can be packaged with many packaging materials such as glass, metal and paper, the most widely used material in food packaging today is polymers, in other words, plastics. Polymers are preferred due to their advantages of being easily shaped, have low cost, are light, transparent, and can be easily sealed with temperature. Although packaging materials are barriers that protect food from external factors, when adequate hygienic conditions are not provided, physical, chemical or biological cross-contamination from packaging material to food is possible. Although it varies according to the physicochemical properties of packaging materials and environmental conditions, it has been proven that various microorganisms, including pathogens, can be present on packaging surfaces. In fact, it has been reported that up to 6 log CFU/cm2 total mesophilic aerobic bacteria can be found on the packaging material. Since plastic packaging materials do not have antimicrobial properties, sterilization before contact with food is an obligation to protect consumer health. Today, various physical and chemical methods are applied for the disinfection or sterilization of packaging materials. Major examples of these methods include thermal treatments, irradiation, UV-C, pulsed light, ozone, hydrogen peroxide or the use of other disinfectants. Despite the disadvantages of existing technologies, non-thermal, or cold plasma stands out with its advantages. Plasma, known as the fourth state of matter, is a gas with reactive oxygen and nitrogen species (ROS: O, O2, O3, OH; RNS: NO, NO2 and NOx), UV, free radicals and charged particles. Plasma is obtained by ionizing the gas as a result of applying electrical energy to the gas between two electrodes with a high electrical potential difference. Plasma systems are classified according to the electrode used. Corona discharge is a type of discharge that causes a strong glow extending from the sharp point of the emitter electrode to the collector electrode. Corona discharge cold plasma systems can operate with lower power requirement, at atmospheric pressure, with ambient air, without causing an increase in temperature on the surface. Although cold plasma can also be used to improve the surface properties of packaging films, it is also widely used for microbial decontamination of packaging and surfaces. Although there are facilities that perform sterilization of packaging materials with cold plasma today, it is necessary to increase the application efficiency and reduce the cost in order for the technology to become widespread. In this study, the decontamination efficiency of the custom-made corona discharge non-thermal plasma (NTP) system on commonly used polymeric food packaging materials was investigated. In order to test the inactivation efficiency of the NTP system in a wide range of microorganisms, a test group of microorganisms was formed representing vegetative cells, spore-former bacteria and fungi. Unlike the cold plasma sterilization studies in the literature, how the NTP inactivation efficiency changed as a result of wetting the film surface was investigated. The main aim of wetting the film surface before plasma treatment is to convert H2O into ROS by the effect of plasma, and to obtain higher inactivation rates as a result of exposure of microorganisms to higher concentrations of ROS. In this context, the inactivation efficiency of corona discharge NTP system against Escherichia coli and Bacillus subtilis vegetative cells, B. subtilis spores, Aspergillus niger and Penicillium expansum spores was investigated on three different packaging materials, biaxially oriented polypropylene (bOPP), low density polyethylene (LDPE) and polyethylene terephthalate (PET). Microorganisms were inoculated on the surface of the packaging films by spot inoculation method and the inoculated films were dried to simulate a real contamination. In order to investigate the effect of wet application on the inactivation efficiency, the trials were repeated under the same application conditions, by additionally covering the film surface with a thin layer of water. Bacterial analyses were carried out by pour plate method, fungal analyzes were carried out by spreading plate method. Before the analysis of the inactivation efficiency of cold plasma, it was tested whether the selected microorganisms in the packaging materials remained viable. As a result of all analyzes, it was found that wetting the film surface and increasing the cold plasma exposure time statistically increased the microbial inactivation efficiency of the NTP system (p<0.05). Since inactivation on the surface of each packaging film was analyzed in experiments on different days, the film material was not considered as a variable, and the results were evaluated within themselves. Considering the maximum decontamination amounts determined for each specified application parameter, in dry applications, the detected inactivation rate by NTP system was 2.98 log CFU/film for E. coli in 3 min, 0.93 log CFU/film for vegetative cells of B. subtilis in 3 min, 0.33 log CFU/film for B. subtilis spores in 12 min, 1.34 log CFU/film for A. niger in 12 min and 0.67 log CFU/film for P. expansum in 3 min. Likewise, as a result of covering the surfaces of the contaminated packaging materials with a thin layer of water before plasma application, the inactivation rates were increased to 5.58 log CFU/film for E. coli in 3 min, 1.5 log CFU/film for vegetative cells of B. subtilis in 3 min, 1.05 log CFU/film for B. subtilis spores in 12 min, 1.46 log CFU/film for A. niger in 3 min and 3.20 log CFU/film for P. expansum in 3 min. Considering all the results together, it was observed that wetting the film surface before the cold plasma treatment increased the microbial inactivation efficiency of the corona discharge NTP system statistically in almost all conditions (p<0.05). It has been also noted that the treatment to the wet surface increases the effect up to 3 or even 4 times in some microorganisms compared to the plasma treatment on the dry surface. In this way, it has been seen that it is possible to reach the desired microbial inactivation times in shorter application times with the effect of wetting the surface. It was found out that E. coli was the most sensitive microorganism to the NTP system in both wet and dry applications, while the most resistant microorganism was B. subtilis spores. Considering the average values for all microorganisms, the resistance of microorganisms against the NTP system during dry application can be listed from lowest to highest as E. coli, vegetative B. subtilis cells, P. expansum, A. niger and B. subtilis spores, respectively. On the other hand, in the applications where the film surface was wetted, this order changed as E. coli, P. expansum, A. niger, vegetative B. subtilis cells and B. subtilis spores, respectively. This situation can be interpreted that the mechanism of inactivation of plasma is caused by two main effects; inactivation by ROS formation was more effective in microorganisms other than B. subtilis, while decontamination by UV radiation is more effective in B. subtilis cells. With the findings obtained as a result of the study, it can be said that the NTP system designed and produced within the scope of the project is effective on various microorganisms such as vegetative cells, spores and fungal spores. In addition, the fact that wetting the film surface before plasma application statistically increases the microbial decontamination efficiency of the NTP system under almost all conditions. The designed NTP system works with ambient air at atmospheric pressure. This will reduce the installation and operation cost in the facilities. When all the results are examined, the designed system is promising in terms of savings by increasing the desired effect in less energy and shorter time in polymeric packaging material sterilization.
Benzer Tezler
- Ultraviyole-C ışık uygulaması kullanılarak soğukta saklanan gıdaların kalitelerinin artırılması
Improvement of the quality parameters of cold stored food materials by the application of ultraviolet-C light
OSMAN YAĞIZ TURAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FATMA EBRU FIRATLIGİL DURMUŞ
- Boyalara ve kaplamalara nano metal oksit katkısının fiziksel, antikorozif ve antibakteriyel etkilerinin incelenmesi
Determination of physical, antiorrosive and antibacterial effects of nano metal oxide additives to paints and coatings
EZGİ KIZILKONCA DURAN
- UV-C ışık uygulamasının taze kesilmiş deveci armutunun dekontaminasyonu ve kalite parametreleri üzerine etkisi
Effect of ultraviolet light application on decontamination and quality parameters of fresh-cut deveci pear
GÖZDE OĞUZ KORKUT
Doktora
Türkçe
2024
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜRBÜZ GÜNEŞ
- Ultraviyole ve ozon uygulamalarının baharatların dekontaminasyonu ve kalitesi üzerine etkileri
Effects of ultraviolet and ozone applications on the decontamination and quality of spices
ESRA DOĞU BAYKUT
Doktora
Türkçe
2016
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜRBÜZ GÜNEŞ
- UV-C ışık uygulamasının taze ahududu ve böğürtlen meyvelerinin dekontaminasyonu ve kalitesi üzerine etkisi
Effect of UV-C light treatment on decontamination and quality of fresh raspberry and blackberry fruits
GAMZE ÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜRBÜZ GÜNEŞ