Effect of atmospheric non-thermal plasma against food-borne bacteria on food packaging film surfaces
Atmosferik termal olmayan plazmanın gıda ambalaj film yüzeyleri üzerindeki gıda kaynaklı bakterilere etkisi
- Tez No: 856981
- Danışmanlar: PROF. DR. HATİCE FUNDA KARBANCIOĞLU GÜLER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gıda Mühendisliği, Food Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- 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: 71
Özet
Günümüzde polimerik filmlerin gıda ve ambalajlarda kullanım oranı %50 civarındadır. Bunun nedeni, bu filmlerin kolaylıkla sanayiye entegre olabilmesidir. Farklı malzemeler kullanım amacına uygun olarak bir araya getirilerek kolaylıkla ve hızlı bir şekilde kullanılabilmektedir. Bu filmler hafif olduklarından taşınma sırasında oldukça kolaylık sağlar ve ayrıca az yer kaplar. Gıda ve gıda dışı ambalaj sektöründe en yaygın kullanılan ambalaj filmlerinden biri düşük yoğunluklu polietilendir (LDPE). LDPE, petrolden yapılmış bir termoplastiktir. Çift eksenli yönlendirilmiş polipropilen (bOPP) film, termoplastik bir reçine olan bir tür polipropilendir. bOPP filminin sertlik, berraklık, yağ ve grese karşı dayanıklılık ve su buharı ve oksijene karşı bariyer özellikleri dahil olmak üzere pek çok avantajı vardır. Poli(etilen tereftalat) (PET) filmler günümüzde iyi bariyer özellikleri, yüksek mukavemeti ve yüksek kimyasal ve fiziksel darbe dirençlisından dolayı çeşitli alanlarda (ambalaj, dekoratif kaplama vb.) kullanılabilmektedir Ambalaj endüstrisinde sterilizasyon aşaması için yüksek sıcaklık, kimyasal dezenfaktanlar (formaldehit, hidrojen peroksit…), UV, radyasyon yöntemleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrı olarak kullanılmalarının yanı sıra bu yöntemler birlikte kullanılarak etki artırılmaktadır. Ancak kimyasal dezenfektanların kullanımı sonrasında yüzeyde kalıntı sorununun ortaya çıkması veya ısıl işlem ile sterilizasyon sonrasında ambalaj malzemesinin fiziksel ya da kimyasal yapısının bozulması gibi dezavantajlarının olduğu da çeşitli çalışmalarla ortaya konmuştur. Son yıllarda, termal olmayan plazma, mikrobiyal inaktivasyon için potansiyel bir teknoloji olarak ortaya çıkmıştır. Termal olmayan plazmanın kolay ve hızlı uygulanması, düşük maliyeti, doğaya ve çevreye kalıntı bırakmaması, sanayiye entegrasyonunun kolay olması gibi birçok olumlu etkisi bulunmaktadır. Ayrıca çeşitli polimerlere, kağıda, kauçuğa, yüne, kumaşa ve çeliğe etkili bir şekilde uygulanabilir. Fakat polimer filmler diğer malzemelere göre en çok tercih edilen ürünlerdir. Plazma, maddenin dördüncü hali olarak adlandırılan iyonize bir gazdır. Plazma, enerji üreticisinin türüne ve plazmaya ne kadar enerji aktarıldığına bağlı olarak yoğunluk ve sıcaklık açısından termal ve termal olmayan plazma olarak farklı kategorilere ayrılır. Termal plazmada, yüksek yoğunluklu elektronların ağır parçacıklarla elastik olmayan çarpışmaları elektronların enerjisi azaldıkça aktif reaktanlar üretirken, termal olmayan plazmada düşük yoğunluklu elektronlar ağır parçacıklarla çarpışır ve elektron enerjisi yüksek kalırken parçacık sıcaklığının hafifçe artar. Termal olmayan plazmanın mikrobiyal inaktivasyon mekanizması iki hipotezle açıklanabilir. Birinci hipotez, plazma işlemi sırasında enerji kazanan serbest elektronlar, ortamdaki diğer atom ve moleküllere çarparak enerjilerini birbirlerine aktararak sıcaklıklarının artmasına sebep olur. Bu türlerin birbirleriyle reaksiyona girmesi nedeniyle yükselen sıcaklıkta birçok yeni aktif radikal, atom, ve iyon meydana getirerek hedef hücrenin hücre duvarında kümelenerek hücrelere zarar vermektedir. İkinci hipotez ise, mikrobiyal inaktivasyonun plazma tarafından üretilen iyon ve radikallerin, yağ asidi ve lipit peroksidasyonuna, protein denatürasyonuna, enzim inaktivasyonuna ve hatta hücre DNA'sına zarar vermesine bağlıdır. Termal olmayan atmosferik plazma, çeşitli elektriksel deşarjlarla oluşturulabilir ve uyarılabilir. Yüzey uygulamaları için çeşitli atmosferik basınçlı plazma kaynakları geliştirilmiştir. Bunlardan en önemlileri dielektrik bariyer deşarj (DBD) ve korona deşarjdır. DBD plazma, özel gaz kullanmadan atmosferik basınçta hızlı ve kolay uygulanması nedeniyle sürekli proseslere kolaylıkla entegre edilebilmektedir. DBD plazma, iki paralel düzlem metal elektrottan oluşur. Ayrıca elektrotlar arasında doğrudan elektrik akışını engelleyecek dielektrik plaka (cam, kuvars veya seramik vb.) kullanılarak oluşan yükün plakada depolanmasını sağlanır. Plazma iki paralel yüzey arasında akar. Fakat bu aralık sınırlıdır çünkü elektrotlar arası boşluk arttıkça ark oluşumuna sebep olarak homojen plazma uygulamasına engel olur. Korona deşarjı ise, biri sivri uçlu tel elektrot, diğeri daha büyük yüzey alanına sahip olan elektrot sisteminden oluşmaktadır. Yüklü parçacıklar ve serbest radikaller, iki elektrot arasında oluşan elektrik alandaki güç eşitsizliğinden dolayı ortaya çıkmaktadır. Korona plazmanın başlıca mikrobiyal etkisi, uygulama sırasında oluşan UV, radikal nitrojen türleri (RNS) ve radikal oksijen türlerin (ROS) reaksiyona girerek inaktivasyona sebep olur. Termal olmayan plazma prosesini etkilen bazı faktörler bulunmaktadır. Bunlar başlıca; proses kontrol parametreleri, uygulama türü ve süresi, ve mikrobiyal faktörlerdir. Plazma uygulamalarının mikrobiyal inaktivasyonunu etkileyen ana faktörler voltaj, frekans, akım ve elektrik alan kuvvetidir. Genel olarak yüksek inaktivasyon için yüksek güç, voltaj ve frekans gerekir. Ayrıca uzun uygulama süresi hücrenin kendini yenileyemeden yok olmasına neden olduğundan mikrobiyal inaktivasyonu arttırmaktadır. Başka önemli bir faktör ise uygulama yapılan mikroorganizma türüne bağlıdır. Bu hücrenin sporlu olması, Gram-pozitif ya da Gram-negatif olması uygulama koşullarını ve sonucunu tamamen değiştirmektedir. Bu çalışmada, atmosferik termal olamayan plazma uygulamasının Gram-pozitif Staphylococcus aureus ATCC 25923, Pseudomonas aeruginosa ATCC 39327 ve spor-form Clostridium sporogenes ATCC 3584 üzerine etkisi farklı ambalaj materyallerinde incelenmiştir. Çalışma kapsamında, dielektrik bariyer deşarj (DBD) plazma ve korona deşarj plazma cihazları kullanılarak farklı maruz kalma süreleri ve uygulama çeşitlerinin (ıslak veya kuru uygulama) mikrobiyal inaktivasyonu araştırılmıştır. Ambalaj materyalleri olarak düşük yoğunluklu polietilen (LDPE), çift eksenli yönlendirilmiş polipropilen (bOPP) ve polietilen tereftalat (PET) kullanılmıştır. İlk olarak, LDPE, bOPP ve PET filmleri (3×3 cm2) alkole daldırılmış ve daha sonra filmler yüzey modifikasyonunu gerçekleştirmek amacıyla 0,4 saniye boyunca elektrot boşluğu 3 mm'ye ayarlanarak yüksek güç seviyesinde, %100 voltaj ve minimum frekansta DBD işlemi uygulanmıştır. DBD uygulanan filmler %35 hidrojen peroksite daldırılarak aseptik koşullarda kurumaya bırakılmıştır. S. aureus için 30 µL 9-log KOB/mL ve C. sporogenes için 10 µL 7-log spor/mL bakteri, korona plazma işlemi öncesi steril 3x3 cm2 DBD uygulanmış film yüzeyinin merkezine aşılanarak ve ön denemeler sonucu belirlenen koşullarda kurutulmuştur. Ön denemeler sırasında kurutma sonrası P. aeruginosa için canlılık tespit edilemediğinden P. aeruginosa ile korona deşarj plazma uygulaması aşılama sonrası (30 µL 9-log KOB/mL) kurutma işlemi olmadan gerçeklşetirilmiştir. Tüm mikroorganizmalarda korona plazma uygulaması kuru ve ıslak işlemler için aynı sürelerde yapılmış olup vejetatif bakteriler (S. aureus ve P. aeruginosa) için 60, 120 ve 180 sn, sporlu bakteri (C. sporogenes) için ise 0, 360, 540 ve 720 sn şeklinde gerçekleştirilmiştir. S. aureus ve C. sporogenes için ıslak uygulama için 10 µL steril saf su korona plazma uygulaması öncesi kurumuş film üzerine ilave edilmiştir. Korona uygulaması sonrası canlı hücrelerin geri kazanımı % 0,1 Tween 80 ve %8,5 tuz içeren çözelti kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Geri kazanım amacıyla vejetatif bakteriler için 3 dk, sporlu bakteri için ise 5 dk vorteksle ile karıştırma işlemi uygulanmıştır. İşlemler sonrası canlı mikroorganizma sayısı dökme plak yöntemiyle plate count agar besiyeri kullanılarak ve 37°C'de 24–48 saatlik inkübasyon sonucunda belirlenmiştir. C. sporogenes için anaerobik ortam özel aluminyum paket içinde %5 CO2 and %95 N2 koşulları sağlanarak oluşturulmuştur. Bu çalışmada, tüm mikroorganizmaların kuru uygulama sonrası korona plazmaya maruz bırakılması sonucu elde edilen mikroorganizma sayım sonuçları dikkate alındığında, en yüksek D-değeri 94,81±31,56 dk ile PET film yüzeyine inoküle edilmiş C. sporogenes'e aittir. Ayrıca C. sporogenes'in tüm filmlerde korona işlemine istatistiksel olarak en dirençli bakteri olduğu görülmüştür (p0,05). S. aureus için de kuru ve ıslak korona plazma uygulaması sonrası, tüm filmlerde kendi aralarında istatistiksel benzerlik bulunmaktadır(p>0,05). bOPP, LDPE ve PET'in D değeri ıslak korona uygulaması için sırasıyla 5,01±0,27 dk, 5,47±0,33 dk ve 5,35±0,10 dk'dır. Kuru korona uygulaması sonuçları ise sırasıyla 10,25±2,07 dk, 8,80±1,31 dk ve 8,65±0,68 dk olup ıslak korona uygulamasının kuru uygulamaya göre daha etkili olduğu görülmektedir. P. aeruginosa için kuru korona plazma uygulama sonuçları, kuruduktan sonra yüzey üzerinde canlılık olmaması nedeniyle elde edilememiştir. Fakat ıslak korona plazma uygulama sonuçları karşılaştırıldığında LDPE ve PET filmleri arasında istatistiksel olarak fark olmaksızın en etkili sonuç 1,99±0,03 dk, 1,96±0,02 dk'dır (p
Özet (Çeviri)
Over the past decade, non-thermal plasma has become established as a potential technology for microbial inactivation. As commonly known, plasma treatment can produce highly specific surface modifications, so it has been extensively used in packaging. Methods such as heating, surface washing with hydrogen peroxide, irradiation, or their combinations, widely used for sterilization in the packaging industry, are known to have negative drawbacks. For instance, using chemicals or preservatives may cause residue problems, or high thermal processes may cause the loss of the desired structure of the food or package. Despite that, sterilization by nonthermal plasma has several advantages: A highly energy-efficient system, ecoenvironmental nature, low cost, and versatility. Vegetative and especially sporeforming bacteria exhibit strong resistance to external factors such as environmental stress, chemicals, and thermal inactivation due to their intrinsic resistance, outer layers, and low water content. These characteristics make spores more difficult to kill than vegetative forms. In this study, the effect of atmospheric non-thermal plasma application on Grampositive Staphylococcus aureus ATCC 25923, Pseudomonas aeruginosa ATCC 39327 and Clostridium sporogenes ATCC 3584 spores, which are among the important food pathogens, was compared in different packaging materials. Within the scope of the study, microbial inactivation at different exposure times and application types (wet or dry application) was investigated using dielectric barrier discharge (DBD) plasma and corona discharge plasma devices. Low-density polyethylene (LDPE), biaxially oriented polypropylene (bOPP), and polyethylene terephthalate (PET) were used as packaging materials. Each film (3×3 cm2) was initially treated with DBD with an electrode gap set to 3 mm for 0.4 seconds. The plasma power was high, with 100% voltage and minimum frequency set for all treatments. The test microorganisms were inoculated into the center of the 3x3cm2 DBD-treated film surface before corona NTP treatment. The corona NTP power was set at 25-27% voltage, low power, and minimum frequency. The inoculated films were exposed to cold plasma (with the setting of 1.5 cm electrode gap, ~17 kHz wet or dry application) at different application periods depending on microorganism. Exposure periods for S. aureus and P. aeruginosa were 60, 120, and 180s and for C. sporogenes was 0, 360, 540, and 720s. The results showed that non-thermal plasma had an antimicrobial effect for all microorganisms, and wet application, by adding 10 µL of sterile distilled water before exposure to plasma, enhanced the microbial inactivation effect. There was also a direct relationship between exposure time and microbial inhibition. A significant antimicrobial effect was observed only after longer exposures. Considering the results of dry corona plasma application of all microorganisms, the highest D-value belongs to C. sporogenes inoculated on the PET film surface with 94.81±31.56 min. In addition, it was statistically observed that C. sporogenes was the most resistant bacteria to corona treatment for all films (p 0.05). The results obtained in this study have provided a new perspective on the surface sterilization of packaging materials used in the food industry with cold plasma application of DBD or corona discharge non-thermal plasma systems. In addition, compared to the currently used packaging surface sterilization methods, its disadvantages have been reduced, and an environmentally friendly, affordable system has emerged without the need for complex high/low-pressure systems or gas systems. Thanks to the atmospheric cold plasma devices used in the study, the effective and innovative plasma system design can be easily integrated into the industry without damaging the film surface by using O2 in the atmosphere without needing a pressurized environment or additional gas systems.
Benzer Tezler
- Microbial decontamination of food packaging films using corona non-thermal plasma
Korona deşarjlı soğuk plazma uygulaması ile gıda ambalaj filmlerinin mikrobiyal dekontaminasyonu
EMİNE GİZEM ACAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜRBÜZ GÜNEŞ
- Fonksiyonel derecelendirilmiş Al2O3 CYZS termal bariyer kaplamaların cmas ve sıcak korozyon özelliklerinin belirlenmesi
Determination cmas and hot corrosion properties of functionally graded Al2O3 CYSZ thermal barrier coatings
FATİH KIRBIYIK
Doktora
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER
- Spark plazma sinterleme yöntemi ile üretilen molibden-molibden karbür esaslı yapıların mikroyapı ve tribolojik karakterizasyonu
Microstructural and tribologic characterization of molybdenum-molybdenum carbide structures produced by spark plasma sintering (SPS)
CAN ÇEKLİ
Doktora
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER
- Hassas döküm ile üretilen femoral nakillerin ısıl sprey yöntemleri ile geliştirilmesi
Development studies of precision casted femoral implants by thermal spray coating methods
TEZER BATTAL
- Yüksek safiyette molibden tozunun spark plazma sinterleme yöntemi ile şekillendirme şartlarının belirlenmesi ve karakterizasyonu
Determination of sintering conditions and characterization of high purity molybdenum powder by spark plasma sintering
FATİH DENİZALP
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER