Development of permanent chemical hydrogel films based on chitosan and carboxy methyl cellulose for moisture absorbing packaging films

Abstract

Gıda atıkları dünyanın en önemli sorunlarından biridir. Orta ve yüksek gelirli ülkelerde, en fazla gıda atıkları, gıda zinciri boyunca evsel tüketim aşamasında gerçekleşir. Evsel tüketim aşamasında en çok israf edilen gıda ürünleri kuru yiyecekler, taze meyve ve sebzelerdir. Bu araştırmanın temel amacı, ürünlerin raf ömrünü uzatmak üzere gıda ambalaj sistemlerinde nem tutucu / düzenleyici olarak kullanılabilen biyopolimer esaslı kimyasal sürekli hidrojel filmler geliştirmektir. Çalışmanın ilk bölümünde, çözelti dökme yöntemi ile genipin çapraz bağlı-çitozan (Ch) ve sodyum karboksimetil selüloz (NaCMC) bazlı yarı-interpenetre polimer ağlı (Semi-IPNs) yapıda hidrojel filmleri hazırlandı. Şişme ve çözünme derecesi, termal ve mekanik özellikler, gelişmiş hidrojel film ağ yapı içindeki fiziksel ve kimyasal etkileşimler karakterize edildi. Ek olarak, çapraz bağlayıcı olarak genipin eklenmesinin kitozan / CMC hidrojel filmlerinin kompost ortamında biyobozunurluğu üzerine etkisi analiz edildi. Genipin ile çapraz bağlama, sudaki hidrojel filmlerin şişme derecesinin ve biyobozunma hızının azalmasına neden olmuşken; hidrojel filmlerin gerilme modülünü, mukavemet ve termal kararlılığını arttırmıştır. Sonuçlar, kitozan ve karboksimetil selüloz esaslı geliştirilmiş hidrojel filmlerin gıda ambalajlama uygulamaları için büyük bir potansiyele sahip olduğunu ortaya koymuştur. Çalışmanın ikinci bölümünde, hidrojel filmler Türk kahvesi, mantar (Agaricus bisporus) ve brokoli çiçekleri (Brassica olerecea) üzerine uygulandı ve orta raf ömrünü uzatmada etkinlikleri araştırılıp, hidrojel filmlerin emici / ambalaj atmosferindeki aşırı nemi regüle etmesi üzerine çalışıldı. Türk kahvesi için duyusal kalite, bağıl nem, ambalaj atmosferi, nem kaybı davranışları, mikrobiyal yük, mantar ve brokoli çiçeklerinin renkleri ve dokuları analiz edildi. Sonuçlar, hidrojel filmlerin, sıcaklık dalgalanmaları nedeniyle ürün üzerinde oluşabilecek su kondenzasyonunu engelleyip raf ömrünü uzatmaya yardımcı olabileceğini ve yüksek nem içeren gıdalardaki aşırı nemi regüle etmede yardımcı ambalajlama malzemesi olarak etkin bir şekilde kullanılabileceğini gösterdi.

Food waste is one of the world's most important problems. In medium and in high income countries, the highest amount of food waste occurs at household level. Dry foods, fresh fruits and vegetables are among the most wasted food products at household level. The main aim of this study is to develop biopolymer based chemical permanent hydrogel films which can be used as a moisture absorber/regulater in food packaging systems with an ultimate goal to prolong the shelf-life of products. In the first part of the study, semi-interpenetrating polymer network (Semi-IPNs) hydrogel films based on genipin crosslinked-chitosan (Ch) and sodium carboxymethyl cellulose (CMC) were prepared by solution-casting method. Swelling degree, thermal and mechanical properties, physical and chemical interactions within network of hydrogel films were characterized and the effect of addition of genipin on biodegradability of hydrogel films in compost environment was tested. Genipin cross-linking increased the tensile modulus, strength and thermal stability of the hydrogel films although decreased the swelling degree of the hydrogel films in water and reduced the biodegradation rate. The results indicated that the developed hydrogel films have a great potential for food packaging applications. In the second part of the study, hydrogel films were applied in food packaging systems and their efficacy in prolonging the secondary shelf-life of Turkish coffee, mushroom (Agaricus bisporus) and broccoli florets (Brassica olerecea) was investigated and performance of hydrogel films on absorbing/regulating the excessive moisture inside packaging atmosphere was studied. Sensorial quality, relative humidity within packaging atmosphere were followed for Turkish coffee stored at both room and refrigerator temperature and moisture loss behavior, microbial load, color and texture of the mushrooms and broccoli florets stored at 5°C and 25°C were analyzed. The results showed that hydrogel films can be effectively used as auxiliary packaging materials for regulating inside the packaging of high moisture containing foods which can help prolonging their shelf-life upon temperature fluctuations.