Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 990234
  2. Yazar: BUSE SEZER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. GÜRBÜZ GÜNEŞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Gıda Mühendisliği, Food Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Biyoplastik, Biyopolimerler, Gıda ambalajı, Çevresel sürdürülebilirlik, Bioplastic, Biopolymers, Food packaging, Sustainable environment
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Petrol bazlı plastiklerin neden olduğu çevresel sorunlar ve sürdürülebilirlik konusundaki artan endişeler, son yıllarda küresel ölçekte önemli bir problem haline gelmiştir. Malt posası, bira endüstrisinde üretim sonrası elde edilen yüksek potansiyel gösteren bir yan ürün olmakla beraber ne yazık ki bu hammadde yüksek lif ve protein içeriği nedeniyle genellikle hayvan beslenmesi ve gübre amacıyla kullanılmaktadır. Sürdürülebilir gıda ambalajlama uygulamaları kapsamında malt posasından hemiselüloz bazlı biyofilmlerin geliştirilmesi ile petrol bazlı sentetik plastiklere biyolojik olarak parçalanabilir, çevre dostu potansiyel bir alternatif ortaya konulması hedeflenmektedir. Bu amaçla yapmış olduğumuz çalışma kapsamında öncelikle malt posası numunelerinde bir karakterizasyon işlemi yapılmış ve numunelerin protein, yağ, nem, kül ve fenolik bileşik analizleri gerçekleştirilmiştir. Nem analizi sonucunda malt posasının ortalama nem içeriği %75,56 ± 0,62 olarak bulunmuştur. Malt posası numuneleri diğer deneyler öncesinde son nem oranı yaklaşık %10 olacak şekilde 40 °C'de 48-72 saat etüvde kurutulmuş ve sonrasında öğütme işlemine tabii tutulmuştur. Numunelere ait protein, ham yağ, kül ve fenolik bileşik sonuçları kuru madde üzerinden hesaplanmış ve sırasıyla %20,36 ± 0,60, %11,35 ± 1,02, %5,29 ± 0,62 ve %1,92 ± 0,22 olarak bulunmuştur. Malt posası bazlı biyofilmlerin üretilebilmesi amacıyla lignin, selüloz ve hemiselüloz ekstraktları elde edilmiştir. Ekstraksiyon sonrası elde edilen lignin, selüloz ve hemiselüloz verimi sırasıyla kuru madde bazında % 0,68 ± 0,21, % 34,10 ± 0,93 ve % 24,19 ± 1,38 olarak hesaplanmıştır. Selüloz polimerinden kompozit filmler elde edilebilmesi amacıyla elde edilen selüloz polimeri asit ile hidrolize edilmiş ve nanoselüloz yapısı sağlanmıştır. Elde edilen polimerler kullanılarak farklı formülasyonlara sahip film üretimleri yapılmıştır. Lignin ve nanoselüloz ile güçlendirilmiş hemiselüloz bazlı kompozit biyofilmler geliştirmek amacıyla çözelti döküm (casting) yöntemi uygulanmıştır. Farklı film formülasyonları sırasıyla şu şekildedir: %3 hemiselüloz içeren filmler (1), %4 hemiselüloz içeren filmler (2), %3 hemiselüloz ve hemiselülozun %5 oranında sitrik asit içeren filmler (3), %4 hemiselüloz ve hemiselülozun %5 oranında sitrik asit içeren filmler (4), %4 hemiselüloz, hemiselülozun %5 oranında sitrik asit ve hemiselülozun %5 oranında lignin içeren filmler (5), %4 hemiselüloz, hemiselülozun %5 oranında sitrik asit ve hemiselülozun %10 oranında lignin içeren filmler (6), %4 hemiselüloz, hemiselülozun %5 oranında sitrik asit ve hemiselülozun %5 oranında nanoselüloz içeren filmler (7), %4 hemiselüloz, hemiselülozun %5 oranında sitrik asit ve hemiselülozun %10 oranında nanoselüloz içeren filmler (8). Film üretim sürecinde kullanılan plastikleştiriciler filmlerde kırılganlığı azaltmakta ve filmlere belirli plastik özellikler kazandırmaktadır. Hazırlanan tüm film örneklerinde plastikleştirici olarak gliserol kullanılmış olup, ilave miktarı formülasyondaki hemiselüloz miktarının %30'u olarak belirlenmiştir. Hemiselüloz, yapısında bulunan yüksek sayıdaki hidroksil gruplarının etkisiyle hidrofilik karakter göstermektedir ve bu nedenle oldukça higroskopiktir. Bu durum, hemiselüloz bazlı filmlerin nem duyarlılığının yüksek olmasına yol açmaktadır. Ayrıca, söz konusu filmlerin mekanik dayanımları da düşüktür. Filmlerin mekanik özelliklerinde artışın incelenebilmesi adına çapraz bağlayıcı ajan olarak sitrik asit eklenmiştir. Ayrıca %4 oranında hemiselüloz içeren biyofilmlere hemiselüloz içeriğinin %5 ve %10'u lignin ve nanoselüloz ilavesi yapılarak toplamda 8 farklı film formülasyonu hazırlanmıştır. Ligninin sahip olduğu hidrofobik karakter ve yüksek derecede çapraz bağlı yapısı sayesinde hemiselüloz polimeri ile güçlü etkileşimlerin oluşması sağlanmaktadır. Bu anlamda filmlerin nem duyarlılığındaki değişimlerin incelenebilmesi için filmlere lignin ilave edilmiştir. Film formülasyonuna eklenen ligninin çözünebilmesi amacıyla film oluşturucu çözeltinin pH değeri %10 NaOH ile pH 11'e ayarlanmıştır. Filmlere ait mekanik ve termal değişimlerin değerlendirilebilmesi için ise nanoselüloz ilavesi yapılmıştır. Elde edilen filmlere ait yapısal, bariyer, suya duyarlılık, mekanik, termal ve biyolojik özellikleri tayin edilmiştir. Filmlere ait renk ölçüm sonuçlarında en yüksek L değeri %3 hemiselüloz içeren filmlere ait olmakla birlikte yapısında %10 lignin veya %10 nanoselüloz içeren filmler en düşük L değerleri sergilemiştir. En yüksek a değerleri formülasyonunda lignin içeren filmlere ve en yüksek b değerleri ise formülasyonunda lignin veya nanoselüloz içermeyen %4 oranında hemiselüloz içeren filmlere aittir. Filmlere ait gaz geçirgenlik değerleri film kalınlığının (mm) çarpılması ile hesaplanmış ve barrer birimiyle ifade edilmiştir. Bu sayede, filmlere ait gaz geçirgenlik değerleri karşılaştırılırken kalınlık faktörünün etkisi göz ardı edilmiştir. Gaz bariyer sonuçları incelendiğinde genel anlamda filmlerin CO2 geçirgenlik değerleri O2 geçirgenliğine göre daha düşük bulunmuştur. En düşük O2 gazı geçirgenliği %3 hemiselüloz içeren filmlerde (4,82×10−4 barrer) gözlenirken en yüksek O2 gazı geçirgenliği %4 hemiselüloz ve sitrik asit içeren filmlere (6,88×10−3 barrer) aittir. CO2 gazı geçirgenlik sonuçları incelendiğinde ise en düşük değer %3 hemiselüloz içeren filmlerde (2,90×10−4 barrer) ve %4 hemiselüloz, sitrik asit ve %5 lignin içeren filmlerde (2,82×10−4 barrer) gözlenirken en yüksek değer %4 hemiselüloz ve sitrik asit içeren filmlere (8,84×10−3 barrer) aittir. Çalışma sonucunda elde edilen sonuçlar literatürde yer alan sentetik filmler ile karşılaştırıldığında geliştirilen filmlerin O2 ve CO2 gazlarına karşı oldukça yüksek bariyer özellikler sergilediği gözlenmiştir. Filmlerin suya duyarlılık özelliklerinin değerlendirilmesi amacıyla nem içeriği, şişme oranı, suda çözünürlüğü ve su buharı geçirgenliği (WVP) gibi çeşitli ölçümler gerçekleştirilmiş. En düşük WVP sonuçları 1 numaralı (49,07 ± 7,72 g.mm/m2.gün.kPa) ve 3 numaralı (48,59 ± 11,61 g.mm/m2.gün.kPa) filmlerde gözlenmiştir. Buna karşın en yüksek WVP sonuçları 103,49 ± 3,60 g.mm/m2.gün.kPa değeriyle 7 numaralı filmlere aittir. Suda çözünürlük analiz sonuçları değerlendirildiğinde lignin katkılı filmlerin daha düşük suda çözünürlük değerleri gösterdiği belirlenmiştir. Ligninin hidrofobik ve yüksek derecede çapraz bağlı yapısı, hemiselüloz ile güçlü etkileşimler oluşturarak filmlerin çözünürlük oranlarında azalışa neden olduğu düşünülmektedir. Malt posası bazlı filmlerde mekanik özelliklerin değerlendirilebilmesi amacıyla çekme mukavemeti (N), çekme gerilimi (MPa), Young modülü (MPa) ve kopma anındaki uzama (%) sonuçları karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar film formülasyonuna eklenen nanoselüloz ve lignin katkısına bağlı olarak daha yüksek çekme mukavemeti (N), çekme gerilimi (MPa), Young modülü (MPa) elde edildiğini göstermiştir. Buna karşın film formülasyonuna eklenen sitrik asit bileşeni nedeniyle filmlerde daha düşük çekme mukavemeti (N), çekme gerilimi (MPa), Young modülü (MPa) değerleri gözlenmiştir. Filmlerin termal özelliklerini belirlemek amacıyla Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) analizleri gerçekleştirilmiştir. Düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilen ısıtma–soğutma (dönüşümlü) analizlerde, erime olayının zıttı olan donma (kristalleşme) pikinin gözlenmemesi, bu piklerin klasik bir erime–kristalleşme döngüsünü temsil etmediğini göstermektedir. Yüksek sıcaklıklarda meydana gelen son ekzotermik piklerin, termal degradasyon sürecini temsil ettiği düşünülmekte ve filmlere ait bozunma sıcaklık değerleri 282,69–296,82 °C aralığında yer almaktadır. Çalışmada elde edilen filmlerin antimikrobiyal aktivite analizlerini gerçekleştirmek amacıyla disk difüzyon yöntemi uygulanmıştır. Antibakteriyel aktivite, bir Gram-negatif bakteri (Escherichia coli ATCC 25922) ve bir Gram-pozitif bakteriye (Staphylococcus aureus ATCC 25923) karşı değerlendirilmiştir. Antifungal aktivitenin tayini için bir maya türü (Zygosaccharomyces parabailii ATCC 4549) ve bir küf türü (Penicillium expansum DSM 62841) kullanılmıştır. Analiz öncesinde herhangi bir kontaminasyon riskine karşı film numuneleri sterilize edilmiştir. Analiz sonucunda, malt posası bazlı filmlerin incelenen mikroorganizmalara karşı antimikrobiyal etki göstermediği belirlenmiştir. Film örneklerinin karakterizasyon analizleri, bu tez kapsamında elde edilen film örneklerinin, yaygın olarak kullanılan sentetik filmlere kıyasla önemli ölçüde daha yüksek O2 ve CO2 bariyer özelliklerine sahip olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, bu filmlerin oldukça yüksek nem hassasiyetinin, gıda ambalaj malzemesi olarak kullanımlarını olumsuz etkileyeceği düşünülmektedir. Ayrıca, bu filmlerin antimikrobiyal aktivite göstermediği göz önüne alındığında, biyolojik olarak aktif bileşenler eklenerek antimikrobiyal özelliklerin kazandırılabileceği düşünülmektedir. Sonuçlar, biyolojik olarak parçalanabilir, çevre dostu yapısı ve üstün gaz bariyer performansı sayesinde malt posasından hemiselüloz bazlı filmlerin, petrol bazlı plastiklere önemli bir alternatif olabileceğini göstermektedir. Ayrıca, bira üretiminden sonra önemli miktarlarda üretilen bir yan ürün olan malt posasının plastik üretim endüstrisinde kullanılmasıyla sürdürülebilirliğe önemli bir katkı sağlanması planlanmaktadır.

Özet (Çeviri)

Environmental problems caused by petroleum-based plastics and increasing concerns about sustainability have become a significant global issue in recent years. Brewer's spent grain, a highly promising byproduct of the beer industry, is unfortunately often used for animal feed and fertilizer due to its high fiber and protein content. Within the scope of sustainable food packaging practices, the development of brewer's spent grain-based biofilms aims to provide a biodegradable, environmentally friendly potential alternative to petroleum-based synthetic plastics. In this study, we first conducted a characterization process on brewer's spent grain samples, and analyses of protein, fat, moisture, ash, and phenolic compounds were carried out. The average moisture content of the brewer's spent grain was found to be 75.56 ± 0.62%. Prior to the other experiments, the brewer's spent grain samples were dried in an oven at 40 °C for 48-72 hours to achieve a final moisture content of approximately 10%, and then subjected to grinding. The protein, crude fat, ash, and phenolic compound results for the samples were calculated based on dry matter and were found to be 20.36 ± 0.60%, 11.35 ± 1.02%, 5.29 ± 0.62%, and 1.92 ± 0.22%, respectively. Lignin, cellulose, and hemicellulose extracts were obtained to produce brewer's spent grain-based biofilms. The lignin, cellulose, and hemicellulose yields obtained after extraction were calculated as 0.68 ± 0.21%, 34.10 ± 0.93%, and 24.19 ± 1.38%, respectively, on a dry matter basis. As a result of the analyses, it was determined that the total amount of all compounds identified in the sample reached 100% on a dry matter basis. Solution casting method was applied to develop hemicellulose-based composite biofilms reinforced with lignin and nanocellulose. The different film formulations are as follows: films containing 3% hemicellulose (1), films containing 4% hemicellulose (2), films containing 3% hemicellulose and 5% citric acid (3), films containing 4% hemicellulose and 5% citric acid (4), films containing 4% hemicellulose, 5% citric acid and 5% lignin (5), films containing 4% hemicellulose, 5% citric acid and 10% lignin (6), films containing 4% hemicellulose, 5% citric acid and 5% nanocellulose (7), films containing 4% hemicellulose, 5% citric acid and 10% nanocellulose (8). Plasticizers used in the film production process reduce brittleness in films and impart specific plastic properties. Glycerol was used as a plasticizer in all prepared film samples, with the added amount determined as 30% of the hemicellulose content in the formulation. Hemicellulose exhibits hydrophilic characteristics due to the high number of hydroxyl groups in its structure, and is therefore highly hygroscopic. This leads to high moisture sensitivity in hemicellulose-based films. Furthermore, these films have low mechanical strength. Citric acid was added as a cross-linking agent to investigate the improvement of the mechanical properties of the films. Additionally, eight different film formulations were prepared by adding lignin and nanocellulose at 5% and 10% hemicellulose content to biofilms containing 4% hemicellulose. Lignin's hydrophobic character and highly cross-linked structure ensure strong interactions with the hemicellulose polymer. In this context, lignin was added to the films to investigate changes in their moisture sensitivity. To ensure the dissolution of the lignin added to the film formulation, the pH of the film-forming solution was adjusted to pH 11 with 10% NaOH. Nanocellulose was added to evaluate the mechanical and thermal changes in the films. The structural, barrier, water sensitivity, mechanical, thermal, and biological properties of the resulting films were determined. In the color measurement results of the films, the highest L value was observed in films containing 3% hemicellulose, while films containing 10% lignin or 10% nanocellulose exhibited the lowest L values. The highest a values were observed in films containing lignin in their formulation, and the highest b values were observed in films containing 4% hemicellulose without lignin or nanocellulose in their formulation. The gas permeability values of the films were calculated by multiplying the measured permeability by the film thickness (mm) and were expressed in barrer units. In this manner, the effect of film thickness was eliminated when comparing the gas permeability values of the films. Evaluation of the gas barrier properties revealed that, in general, the CO₂ permeability of the films was lower than their O₂ permeability. The lowest O₂ gas permeability was observed for the films containing 3% hemicellulose (4.82×10⁻⁴ barrer), whereas the highest O₂ permeability was recorded for the films containing 4% hemicellulose and citric acid (6.88×10⁻³ barrer). Regarding CO₂ gas permeability, the lowest values were obtained for the films containing 3% hemicellulose (2.90×10⁻⁴ barrer) and those containing 4% hemicellulose, citric acid, and 5% lignin (2.82×10⁻⁴ barrer), while the highest CO₂ permeability was observed for the films containing 4% hemicellulose and citric acid (8.84 × 10⁻³ barrer). Overall, when compared with synthetic films reported in the literature, the developed films exhibited remarkably high barrier properties against both O₂ and CO₂ gases. Various measurements such as moisture content, swelling rate, water solubility, and water vapor permeability (WVP) were performed to evaluate the water sensitivity properties of the films. The lowest WVP results were observed in films numbered 1 (49,07 ± 7,72 g.mm/m².day.kPa) and 3 (48,59 ± 11,61 g.mm/m².day.kPa). In contrast, the highest WVP results belonged to film number 7 with a value of 103,49 ± 3,60 g.mm/m².day.kPa. When the water solubility analysis results were evaluated, it was determined that the lignin-reinforced films showed lower water solubility values. Lignin's hydrophobic and highly cross-linked structure is thought to cause a decrease in the solubility ratio of the films by forming strong interactions with hemicellulose. To evaluate the mechanical properties of brewer's spent grain-based films, load at break (N), stress at break (MPa), Young's modulus (MPa), and elongation at break (%) were compared. The results showed that higher load at break (N), stress at break (MPa), and Young's modulus (MPa) were obtained depending on the addition of nanocellulose and lignin to the film formulation. Conversely, lower load at break (N), stress at break (MPa), and Young's modulus (MPa) values were observed in the films due to the addition of citric acid. Differential Scanning Calorimetry (DSC) analyses were performed to determine the thermal properties of the films. In the heating–cooling (reversible) analyses conducted at low temperatures, the absence of a freezing (crystallization) peak, which is the counterpart of the melting event, indicates that these thermal events do not correspond to a conventional melting–crystallization cycle. The final exothermic peaks observed at higher temperatures are attributed to the thermal degradation process, and the degradation temperatures of the films were found to be in the range of 282.69–296.82 °C. To perform antimicrobial activity analyses of the films obtained in this study, the disk diffusion method was applied. Antibacterial activity was evaluated against a Gram-negative bacteria (Escherichia coli ATCC 25922) and a Gram-positive bacteria (Staphylococcus aureus ATCC 25923). A yeast species (Zygosaccharomyces parabailii ATCC 4549) and a mold species (Penicillium expansum DSM 62841) were used to determine antifungal activity. Prior to analysis, film samples were sterilized to prevent any risk of contamination. The analysis revealed that brewer's spent grain-based films did not exhibit antimicrobial activity against the microorganisms examined. The characterization analyses of the film samples showed that the film samples obtained within the scope of this thesis possessed significantly higher O2 and CO2 barrier properties compared to commonly used synthetic films. However, the considerably high moisture sensitivity of these films is thought to negatively impact their use as food packaging material. Furthermore, considering that these films did not exhibit antimicrobial activity, it is considered that antimicrobial properties could be imparted to them by adding bioactive components. The results indicate that brewer's spent grain-based films, due to their biodegradable, environmentally friendly structure and superior gas barrier performance, could be a significant alternative to petroleum-based plastics. Furthermore, it is planned that a significant contribution to sustainability will be made by utilizing brewer's spent grain, a byproduct that is produced in significant quantities after beer production, in the plastics manufacturing industry.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    738197

    Malt posasının yenilebilir film üretiminde kullanımı ve gıda uygulaması

    Usage of brewer's spent grain in the production of edible film and food application

    ÖZNUR ÖZTUNA TANER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Gıda MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. LÜTFİYE EKİCİ

    DOÇ. DR. LALEHAN AKYÜZ

  2. Tez No

    25762

    Doğu Avrupa gelişmeleri -Türkiye'ye etkileri-

    Başlık çevirisi yok

    MEHMET ERDEM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1993

    Uluslararası İlişkilerİstanbul Üniversitesi

    Uluslararası İlişkiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BENER KARAKARTAL

  3. Tez No

    97904

    Malt B-glukanaz içeriği ve malt kalitesi üzerine etkileri

    Malt B-glucanase and its effects on malting quality

    ARZU ALTUNKAYA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2000

    Gıda MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SÜEDA ÇELİK

  4. Tez No

    116075

    Sequential (anaerobic/ aerobic) biological treatment of malt whisky wastewater

    Malt viski atıksuyunun ardışık (anaerobik/ aerobik) biyolojik arıtımı

    NİĞMET VAROLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2001

    Çevre MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÖKSEL N. DEMİRER

  5. Tez No

    195201

    Yoğurt ve peynir üretiminde malt ekstrakt kullanılması

    Using of malt extract for the production of yoghurt and cheese

    FATMA ESRA TEBERDAR GÜNEŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2007

    Besin Hijyeni ve TeknolojisiSelçuk Üniversitesi

    Besin Hijyeni ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. SUZAN YALÇIN

Geri Dön