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: 74
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
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
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
- 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
- Soğuk plazma uygulanmış soğan kabuğu tozunun çikolata üretiminde kullanımı
Utilization of cold plasma treated onion skin powder in chocolate production
BERNA ŞENGÜLER
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CELALE KIRKIN GÖZÜKIRMIZI
- Pasteurization of dehydrated food powders with radio frequency heating
Başlık çevirisi yok
SAMET ÖZTÜRK
Doktora
İngilizce
2018
Besin Hijyeni ve TeknolojisiThe University of GeorgiaPROF. FANBIN KONG
DR. RAKESH K. SINGH