Истраживање добијања, карактеризацијa и оптимизација својстава активног, биоразградивог, амбалажног материјала на бази погаче уљане тикве голице

Abstract

Предмет ове докторске дисертације је добијање активних, биоразградивих, биополимерних амбалажних материјала на бази погаче уљане тикве голице (PuOC) и етарског уља ртањског чаја, Satureja montana L. или босиљка, Ocimum basilicum L., као и на бази погаче уљане тикве голице и инклузионог комплекса β-циклодекстрин/етарско уље S. montana. Утицај додатка ових различитих активних једињења на особине добијених филмова испитан је одређивањем физичко-механичких (дебљина, затезна јачина, издужење при кидању), физичко-хемијских (садржај влаге, укупна растворљивост, бубрење), баријерних (брзина пропустљивости водене паре, пропустљивост (трансмисија) светлости), структурних (FTIR спектроскопија), укупан садржај фенола, антиоксидативне активности (способност неутрализавије DPPH радикала, способност неутрализације ОН радикала, редукциона моћ) и антибактеријске активности (диск-дифузиона метода), добијених биополимерних филмова. Пре карактеризације активних биополимерних филмова, испитана је и карактеризација самих етарских уља одређивањем хемијског састава (GC/MS анализа), структурних особина (FTIR спектроскопија), укупног садржаја фенола, антиоксидативне (способност неутрализације DPPH радикала, способност неутрализације OH радикала, редукциона моћ) и антибактеријске активности (диск-дифузиона метода) етарских уља, као и карактеризација добијених инклузионих комплекса одређивањем ефикасности инкапсулације и структурних особина (SEM микроскопија и FTIR спектроскопија). У последњој фази истраживања испитана је миграција карвакрола и тимола, карактеристичних једињења етарског уља S. montana, из различитих активних биополимерних филмова (на бази PuOC, зеина, хитозана, скроба, желатина) са етарским уљем S. montana или инклузионим комплексом, у различите модел растворе (96 % етанол, 10 % етанол, дестилована вода, 3 % сирћетна киселина), симулаторе прехрамбених намирница, применом HPLC. Добијени резултати су показали да је додатак етарских уља у филмогене супсензије на бази PuOC имало значајан утицај на особине добијених филмова. Запажено је слабљење физичко-механичких особина, али и значајно побољшање физичко-хемијских и баријарних особина, које је указало на смањење осетљивости биополимерних филмова на влагу, воду и водену пару, и повећање заштитне баријере према UV и VIS светлости. Додатак етарског уља S. montana у биополимерне амбалажне материјале, довело је до повећања антиоксидативне активности добијених филмова, где је запажена нешто већа способност неутрализације слободних радикала (DPPH и OH), и значајно већа редукциона моћ у поређењу са контролом, филм на бази погаче уљане тикве голице без етарских уља. Додатак етарског уља S. montana, такође је значајно побољшало антибактеријску активност биополимерног филма према различитим грам-позитивним (Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus и Bacillus cereus) и грам-негативним бактеријама (Escherichia coli и Salmonella Enteritidis). Најосетљивије бактерије биле су S. Enteritidis, B. cereus, и S. aureus, редом, док су најмање осетљиве бактерије биле E. coli и L. monocytogenes. За разлику од етарског уља S. montana, додатак етарског уља O. basilicum у биополимерне амбалажне материјале, показао је мањи допринос на антиоксидативну активност добијених филмова, док није запажен ефекат на антибактеријску активност филма на бази погаче уљане тикве голице. Додатак инклузионог комплекса у филмове на бази PuOC довело је до још већег смањења осетљивости филмова према влаги, води и воденој пари. Значајно су побољшана баријерна својства, где је пропустљивост водене паре смањена за скоро 60 %, док је смањење трансмисије светлости PuOC филма било и до 98 %. Постигнуто је значајно повећање способности неутрализације DPPH радикала контролног филма, филма без активних једињења, након додатка инклузионог комплекса. Поред повећања активности контролног филма, добијенa је и значајно већа антиоксидативна активност филма са инклузионим комплексом у поређењу са активношћу филма са чистим етарским уљем у истој концентрацији. Резултати миграције карвакрола су показали да је његов највећи садржај био у модел растворима етанола (96 % и 10 %), обзиром на његову хидрофобну природу и бољу растворљивост у органским растварачима. Већи садржај карвакрола, имали су филмови са чистим етарским уљем у поређењу са филмовима са додатком инклузионог комплекса. Ови резултати могу да укажу на чињеницу да није дошло до потпуног отпуштања садржаја карвакрола из инклузионог комплекса у модел растворе, услед заштићености фенолних компоненти етарског уља инкапсулирањем у инклузиони комплекс, као и јаких веза између инклузионог комплекса и биополимерних филмова. Након инкорпорирања инклузионог комплекса у различите биополимерне протеинске, полисахаридне и композитне филмове (PuOC, зеин, хитозан, скроб, желатин), миграција карвакрола била је још више отежана. Резултати миграције тимола су показали да је садржај отпуштеног тимола у сва четири модел раствора, код свих биополимерних филмова био значајно мањи у поређењу са добијеним вредностима карвакрола, обзиром на његов мањи релативни удео код испитиваног етарског уља. На основу добијених резултата може се закључити да се погача уљане тикве голице може успешно користити за добијање активног, биоразградивог амбалажног материјала са потенцијалом примене у прехрамбеној идустрији. Добијени резулутати представљају допринос науци али и добру основа за бројне правце будућих истраживања.

Predmet ove doktorske disertacije je dobijanje aktivnih, biorazgradivih, biopolimernih ambalažnih materijala na bazi pogače uljane tikve golice (PuOC) i etarskog ulja rtanjskog čaja, Satureja montana L. ili bosiljka, Ocimum basilicum L., kao i na bazi pogače uljane tikve golice i inkluzionog kompleksa β-ciklodekstrin/etarsko ulje S. montana. Uticaj dodatka ovih različitih aktivnih jedinjenja na osobine dobijenih filmova ispitan je određivanjem fizičko-mehaničkih (debljina, zatezna jačina, izduženje pri kidanju), fizičko-hemijskih (sadržaj vlage, ukupna rastvorljivost, bubrenje), barijernih (brzina propustljivosti vodene pare, propustljivost (transmisija) svetlosti), strukturnih (FTIR spektroskopija), ukupan sadržaj fenola, antioksidativne aktivnosti (sposobnost neutralizavije DPPH radikala, sposobnost neutralizacije ON radikala, redukciona moć) i antibakterijske aktivnosti (disk-difuziona metoda), dobijenih biopolimernih filmova. Pre karakterizacije aktivnih biopolimernih filmova, ispitana je i karakterizacija samih etarskih ulja određivanjem hemijskog sastava (GC/MS analiza), strukturnih osobina (FTIR spektroskopija), ukupnog sadržaja fenola, antioksidativne (sposobnost neutralizacije DPPH radikala, sposobnost neutralizacije OH radikala, redukciona moć) i antibakterijske aktivnosti (disk-difuziona metoda) etarskih ulja, kao i karakterizacija dobijenih inkluzionih kompleksa određivanjem efikasnosti inkapsulacije i strukturnih osobina (SEM mikroskopija i FTIR spektroskopija). U poslednjoj fazi istraživanja ispitana je migracija karvakrola i timola, karakterističnih jedinjenja etarskog ulja S. montana, iz različitih aktivnih biopolimernih filmova (na bazi PuOC, zeina, hitozana, skroba, želatina) sa etarskim uljem S. montana ili inkluzionim kompleksom, u različite model rastvore (96 % etanol, 10 % etanol, destilovana voda, 3 % sirćetna kiselina), simulatore prehrambenih namirnica, primenom HPLC. Dobijeni rezultati su pokazali da je dodatak etarskih ulja u filmogene supsenzije na bazi PuOC imalo značajan uticaj na osobine dobijenih filmova. Zapaženo je slabljenje fizičko-mehaničkih osobina, ali i značajno poboljšanje fizičko-hemijskih i barijarnih osobina, koje je ukazalo na smanjenje osetljivosti biopolimernih filmova na vlagu, vodu i vodenu paru, i povećanje zaštitne barijere prema UV i VIS svetlosti. Dodatak etarskog ulja S. montana u biopolimerne ambalažne materijale, dovelo je do povećanja antioksidativne aktivnosti dobijenih filmova, gde je zapažena nešto veća sposobnost neutralizacije slobodnih radikala (DPPH i OH), i značajno veća redukciona moć u poređenju sa kontrolom, film na bazi pogače uljane tikve golice bez etarskih ulja. Dodatak etarskog ulja S. montana, takođe je značajno poboljšalo antibakterijsku aktivnost biopolimernog filma prema različitim gram-pozitivnim (Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus i Bacillus cereus) i gram-negativnim bakterijama (Escherichia coli i Salmonella Enteritidis). Najosetljivije bakterije bile su S. Enteritidis, B. cereus, i S. aureus, redom, dok su najmanje osetljive bakterije bile E. coli i L. monocytogenes. Za razliku od etarskog ulja S. montana, dodatak etarskog ulja O. basilicum u biopolimerne ambalažne materijale, pokazao je manji doprinos na antioksidativnu aktivnost dobijenih filmova, dok nije zapažen efekat na antibakterijsku aktivnost filma na bazi pogače uljane tikve golice. Dodatak inkluzionog kompleksa u filmove na bazi PuOC dovelo je do još većeg smanjenja osetljivosti filmova prema vlagi, vodi i vodenoj pari. Značajno su poboljšana barijerna svojstva, gde je propustljivost vodene pare smanjena za skoro 60 %, dok je smanjenje transmisije svetlosti PuOC filma bilo i do 98 %. Postignuto je značajno povećanje sposobnosti neutralizacije DPPH radikala kontrolnog filma, filma bez aktivnih jedinjenja, nakon dodatka inkluzionog kompleksa. Pored povećanja aktivnosti kontrolnog filma, dobijena je i značajno veća antioksidativna aktivnost filma sa inkluzionim kompleksom u poređenju sa aktivnošću filma sa čistim etarskim uljem u istoj koncentraciji. Rezultati migracije karvakrola su pokazali da je njegov najveći sadržaj bio u model rastvorima etanola (96 % i 10 %), obzirom na njegovu hidrofobnu prirodu i bolju rastvorljivost u organskim rastvaračima. Veći sadržaj karvakrola, imali su filmovi sa čistim etarskim uljem u poređenju sa filmovima sa dodatkom inkluzionog kompleksa. Ovi rezultati mogu da ukažu na činjenicu da nije došlo do potpunog otpuštanja sadržaja karvakrola iz inkluzionog kompleksa u model rastvore, usled zaštićenosti fenolnih komponenti etarskog ulja inkapsuliranjem u inkluzioni kompleks, kao i jakih veza između inkluzionog kompleksa i biopolimernih filmova. Nakon inkorporiranja inkluzionog kompleksa u različite biopolimerne proteinske, polisaharidne i kompozitne filmove (PuOC, zein, hitozan, skrob, želatin), migracija karvakrola bila je još više otežana. Rezultati migracije timola su pokazali da je sadržaj otpuštenog timola u sva četiri model rastvora, kod svih biopolimernih filmova bio značajno manji u poređenju sa dobijenim vrednostima karvakrola, obzirom na njegov manji relativni udeo kod ispitivanog etarskog ulja. Na osnovu dobijenih rezultata može se zaključiti da se pogača uljane tikve golice može uspešno koristiti za dobijanje aktivnog, biorazgradivog ambalažnog materijala sa potencijalom primene u prehrambenoj idustriji. Dobijeni rezulutati predstavljaju doprinos nauci ali i dobru osnova za brojne pravce budućih istraživanja.

The subject of this doctoral dissertation is the development of active, biodegradable, biopolymer packaging materials based on pumpkin oil cake (PuOC) and winter savory, Satureja montana L. or basil, Ocimum basilicum L. essential oil, as well as based on pumkin oil cake and β-cyclodextrin/S. montana essential oil inclusion complex. The influence of the addition of these different active compounds on the properties of the obtained films was examined by determining the physical-mechanical (thickness, tensile strength, elongation at break), physico-chemical (moisture content, total soluble matter, swelling), barrier (water vapour transmission rate and light permeability), structural (FTIR spectroscopy), total phenol content, antioxidant activity (ability to neutralize DPPH radicals, ability to neutralize OH radicals, reducing power) and antibacterial activity (disk diffusion method), obtained biopolymer films. Prior to the characterization of active biopolymer films, essential oils were characterized by determining the chemical composition (GC/MS analysis), structural properties (FTIR spectroscopy), total phenol content and their antioxidant (ability to neutralize DPPH radicals, ability to neutralize OH radicals, reducing power) and antibacterial activity (disk-diffusion method), as well as characterization of the obtained inclusion complexes by determining encapsulation efficiency and structural properties (SEM analysis and FTIR spectrometry). In the last phase of the research, the migration of carvacrol and thymol, characteristic compounds of S. montana essential oil, in various active biopolymer films (based on PuOC, zein, chitosan, starch, gelatin) with S. montana essential oil or inclusion complex, into different food simulants (96% ethanol, 10% ethanol, distilled water, 3% acetic acid), using HPLC, was analyzed. The obtained results showed that the addition of essential oils to PuOC-based film-forming suspensions had a significant effect on the properties of the obtained films. Weakening of physical-mechanical properties was observed, but also significant improvement of physical-chemical and barrier properties, which indicated a decrease in the sensitivity of biopolymer films to moisture, water and water vapor, and an increase in the protective barrier to UV and VIS light. The addition of S. montana essential oil to the films led to an increase in their antioxidant activity, where a slightly higher ability to neutralize free radicals (DPPH and OH), and a significantly higher reducing power compared to the control, PuOC-film without essential oil, was observed. The addition of S. montana essential oil also significantly improved the antibacterial activity of the biopolymer film against various gram-positive (Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus and Bacillus cereus) and gram-negative (Escherichia coli and Salmonella Enteritidis) bacteria. The most susceptible bacteria were S. Enteritidis, B. cereus and S. aureus, respectively, while the least susceptible bacteria were E. coli and L. monocytogenes. In contrast to S. montana essential oil, the addition of O. basilicum essential oil to biopolymer films showed less contribution to the antioxidant activity of the films, and no contribution to the antibacterial activity of the control film. The addition of the inclusion complex to PuOC-based films led to an even higher reduction in the sensitivity of the films to moisture, water and water vapor. Barrier properties were significantly improved, water vapor permeability was reduced by almost 60 %, while the reduction of light transmission of PuOC film was up to 98 %. A significant control film, a film without active compounds, was achieved after the addition of the inclusion complex. In addition to the increase in the activity of the control film, a significantly higher antioxidant activity of the film with the inclusion complex was obtained compared to the activity of the film with pure essential oil in the same concentration. The migration results of carvacrol showed that its highest content was in model ethanol solutions (96% and 10%), given its hydrophobic nature and better solubility in organic solvents. Films with pure essential oil had a higher content of carvacrol compared to films with the addition of an inclusion complex. These results may indicate that carvacrol content was not completely released from the inclusion complex into the solution model, due to the protection of the phenolic components of the essential oil by encapsulation in the inclusion complex, and strong bonds between the inclusion complex and biopolymer films. After incorporation of the inclusion complex into various biopolymer protein, polysaccharide and composite films (based on PuOC, zein, chitosan, starch, gelatin), the migration of carvacrol was made even more difficult. The results of thymol migration showed that the content of released thymol in all four food simulants, for all biopolymer films, was significantly lower compared to the obtained values of carvacrol, given its lower relative share in the tested essential oil. Based on the obtained results, it can be concluded that the pumpkin oil cake can be successfully used to obtain active, biodegradable packaging material with the potential for application in the food industry. The obtained results represent a contribution to science, but also a good basis for numerous future research.