Production and characterization of bulgur bran hemicelulose based nanocelulose reinforced biodegradable films

Abstract

YÖK Tez No: 634533Günümüzde gıda ambalajlama uygulamalarında kullanılan birçok malzeme fosil yakıtlardan üretilmektedir. Bu malzemeler, yenilenemeyen ve gerçek anlamda biyolojik olarak bozunamayan özellikte olup, büyük çevresel sorunlara neden olmaktadır. Petrol gibi fosil yakıtlardan üretilen sentetik ambalaj malzemelerine en iyi alternatif ise biyoplastikler olarak görülmektedir. Biyoplastik üretimi için kullanılan kaynaklardan biri de lignoselülozik materyallerdir. Lignoselülozik biyokütlenin yapısı selüloz, hemiselüloz ve ligninden oluşmakta ve doğada çok yüksek miktarda bulunmaktadır. Bu çalışmada lignoselülozik kaynak olarak, ülkemizde bulgur üretiminden yılda 100.000 tondan fazla miktarda elde edilen ve düşük katma değere sahip olan bulgur kepeği kullanılmıştır. Bulgur kepeği yapısından hemiselüloz fraksiyonu alkali özütleme tekniği ile ayrılmış ve biyobozunur film hammaddesi olarak kullanılmıştır. Biyofilmlerin ticarileşmesinde önemli bir engel olan suda çözünürlük oranının düşürülmesi ve filmlerin mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla kristal (CNC) ve fibril (CNF) formda nanoselüloz katkılama yapılmıştır. Sitrik asitin biyofilmler üzerindeki etkisi incelenmiştir. Tepki yüzey metodolojisi (TYM) ve Box-Behnken deney tasarımı kullanılarak sitrik asit, CNC ve CNF katkılama oranları, biyofilmlerin suda çözünürlük değerinin azaltılması hedefine yönelik olarak optimize edilmiştir. Optimizasyon sonucunda %10 (a/a) CNC ve %10 (a/a) CNF katkılanan biyofilmlerin suda çözünürlük değerlerinin katkısız filmlere oranla %21,2 azaldığı tespit edilmiştir. Sitrik asit katkılanması ise suda çözünürlük değerini arttırmıştır. Son aşamada ise, optimum noktada üretilen biyofilmler karakterize edilmiştir. Sonuç olarak, nanoselüloz katkısının filmlerin mekanik özelliklerini iyileştirdiği, suda çözünürlüğü, su buharı iletim hızını, su buharı geçirgenliğini ve ışık geçirgenliğini azalttığı, termal özellikleri, biyobozunma süresini ve asit-baz dayanımını arttırdığı tespit edilmiştir. Nanoselüloz katkılamanın filmlerin homojen yapısını bozmadığı da taramalı elektron mikroskopisi (SEM) analiziyle tespit edilmiştir.Today, many materials used in food packaging applications are produced from fossil fuels. These materials are non-renewable and not truly biodegradable, and cause major environmental problems. The best alternative to synthetic packaging materials produced from fossil fuels such as petroleum is considered as bioplastics. One of the sources used for bioplastics production is lignocellulosic materials. Lignocellulosic biomass is composed of cellulose, hemicellulose and lignin, and is present at very high amounts in nature. In this study, bulgur bran was used as a lignocellulosic source, which is obtained more than 100,000 tons per year from bulgur production in our country and has low added value. Hemicellulose fraction was separated from bulgur bran structure by alkali extraction technique and used as biodegradable film raw material. Nanocelluloses in crystal (CNC) and fibril (CNF) form were incorporated in order to reduce the water solubility, which is an important obstacle in the commercialization of biofilms, and to improve the mechanical properties of the films. The effect of citric acid on biofilms was also investigated. Using the response surface methodology (RSM) and Box-Behnken experimental design, incorporation amounts of citric acid, CNC and CNF have been optimized for the aim of reducing the water solubility of biofilms. As a result of the optimization, it was determined that the water solubility of 10% (w/w) CNC and 10% (w/w) CNF-added biofilms was decreased by 21.2% compared to films without additive. Incorporation of citric acid increased the water solubility. At the last stage, biofilms produced at the optimum point were characterized. As a result, it has been determined that the nanocellulose incorporation improves mechanical properties of the films, reduces water solubility, water vapor transmission rate, water vapor permability and light transmittance, increases thermal properties, biodegradation time and acid-base durability. It was also determined by the scanning electron microscopy (SEM) analysis that the incorporation of nanocelluloses did not disrupt the homogeneous structure of the films. Keywords: Bulgur bran, alkaline extraction, hemicellulose, nanocellulose, biodegradable film, response surface methodology