Balık tazeliğinin izlenmesi için ph duyarlı kolorimetrik akıllı etiket geliştirilmesi ve validasyonu

Tüketicilerin gıda kalitesinin önemi konusundaki farkındalıklarının artmasıyla birlikte, artan tüketici ihtiyaçlarını karşılamak için yeni ambalaj teknolojileri ortaya çıkmıştır. Akıllı ambalaj, tüketicilerin gıda ürünlerinin kalitesini gerçek zamanlı olarak izlemelerine olanak tanıyan bir ambalaj teknolojisidir. Akıllı ambalajın temel bileşeni, ürünün depolama süresi boyunca mikrobiyal veya kimyasal bozulmasına bağlı olarak belirli metabolitlere tepki veren pH'a duyarlı ve renk değiştiren bir boyadır. Bu sayede, hedef metabolitin birikmesi durumunda akıllı etiketin rengi değişerek tüketicilere gıda ürününün tüketilmemesi gerektiği konusunda bilgi verir. Bu umut verici teknoloji, tüketicilerin memnuniyetini artırmanın ötesinde, aynı zamanda gıda israfını genel olarak azaltarak ekonomik kayıpları en aza indirgeyecek ve kaynakların korunmasına katkı sağlayacaktır. Gıda kalitesinin gerçek zamanlı takibi, son kullanma tarihini izleme ihtiyacını ortadan kaldırarak, herhangi bir gıda ürününün bozulma aşamasına gelmeden veya tüketilmeden önce israf edilmesini önleme kapasitesine sahiptir. Ancak, bu teknoloji henüz yeni olduğu için çok sayıda araştırma bulunsa da gerçek gıda sistemlerinde ve tedarik zincirlerinde uygulanması hala sınırlıdır. Ancak bu teknolojinin uygulamada önümüzdeki yıllarda artacağı tahmin edilmektedir. Bu tez çalışmasında, balık ambalajında kullanılabilecek akıllı bir etiketin tasarlanması, geliştirilmesi, simülasyon ve validasyon çalışmalarının gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Geliştirilen etiketler üç katmanlı olarak tasarlanmıştır. İlk katman, pH'a duyarlı bir boya ve bir bağlayıcıdan oluşan bir renk değişim katmanıdır. İkinci katman, dış atmosferdeki nemin etiketle temasını önlemek için hidrofobik özelliklere sahip bir dış üst katmandır. Üçüncü katman ise nem ve diğer metabolitlerin renk değişim katmanına ulaşmasına izin veren bir alt katmandır. Renk değişim katmanı için pH'a duyarlı bir boya olan bromotimol mavisi (BTB), bağlayıcı olarak metil selüloz (MC) ve selüloz asetat (CA) kullanılmıştır. Dış katman için polietilen tereftalat (PET) film, iç katman için ise polietilen (PE) kullanılmıştır. İki farklı boya çözeltisi hazırlanmıştır: Birincisi, bromotimol mavisi ve metil selüloz içeren bir su bazlı çözelti iken, diğeri bromotimol mavisi ve selüloz asetat içeren bir solvent bazlı çözeltidir. Bozulma metabolitlerinden CO2 ve toplam uçucu bazik aminlere (TVB-N'ler)) duyarlı etiketler üretmek amacıyla, hazırlanan boya solüsyonlarının pH değerleri HCl veya NaOH kullanılarak ayarlanmıştır. TVB-N'ye duyarlı etiketler için HCl, CO2'ye duyarlı etiketler için ise NaOH kullanılmıştır. Hazırlanan dört farklı boya çözeltisi (HCl veya NaOH içeren MC bazlı ve HCl veya NaOH içeren CA bazlı) PET film üzerine dairesel şekillerde dökülmüş ve MC bazlı etiketler 40°C'de bir gece boyunca, CA bazlı etiketler ise oda sıcaklığında kurutulmuştur. Sonrasında etiketler kesilmiş (2x2 cm) ve PE film ile lamine edilmiştir. Etiketler iki farklı gruba ayrılmıştır: CO2 metabolitine duyarlı etiketler (BTB-MC-NaOH ve BTB-CA-NaOH) ve TVB-N metabolitine duyarlı etiketler (BTB-MC-HCl ve BTB-CA-HCl). Bu doğrultuda, iki ayrı simülasyon çalışması gerçekleştirilmiştir:İlk olarak, farklı CO2 konsantrasyonlarını (%0, %5, %10, %15, %20, %25 ve %30) içeren CO2 simülasyonu; ikinci olarak ise TVB-N metabolitini temsil etmek amacıyla farklı konsantrasyonlarda trimetil amin (TMA) içeren simülasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. CO2 simülasyonu için CO2'ye duyarlı akıllı etiketler polietilen/poliamid (PE/PA) torbalarına yerleştirilmiş ve modifiye atmosfer paketleme (MAP) makinesi kullanılarak belirlenen konsantrasyonlardaki CO2 gazı torbalara enjekte edilmiştir. TVB-N simülasyonu için ise TVB-N duyarlı etiketleri içeren PE/PA torbalara farklı TMA çözeltilerini içeren kapaklı şişeler yerleştirilmiş, ardından paket ortamına N2 gazı enjekte edildikten sonra şişelerin kapakları açılmıştır. Her iki grup da 4°C'de 10 gün boyunca depolanmış ve her 2 günde bir kolorimetre yardımıyla L*, a*, b* değerleri ölçülerek renk değişimi belirlenmiş ve toplam renk değişimi (ΔE) değeri hesaplanmıştır. Validasyon çalışmasında ise Atlantik palamut (Sarda sarda) balığı, akıllı etiketlerin (BTB-MC-NaOH, BTB-CA-NaOH, BTB-MC-HCl ve BTB-CA-HCl) tamamını içeren PE/PA paketlere yerleştirilerek, akıllı etiketlerin gerçek bir gıda sisteminde doğrulanması için kullanılmıştır. Balık ambalajları, genellikle endüstriyel balık ambalajlarında kullanılan iki farklı MAP bileşimi olan 100% N2 ve %70 N2 %30 CO2 ile gerçekleştirilmiştir. MAP uygulanan ambalajlar 4°C'de 10 gün boyunca depolanmıştır. Etiketlerin toplam renk değişiminin yanı sıra, balık kalitesi tepe boşluğu gaz konsantrasyonu, toplam mezofilik aerobik bakteri, Pseudomonas spp., pH, TVB-N, TMA konsantrasyonu ve duyusal değerlendirme ile izlenmiştir. CO2 simülasyonu çalışmasında, BTB-MC-NaOH etiketleri %15 CO2 konsantrasyonunda maviden yeşile dönerken, BTB-CA-NaOH etiketleri %25 CO2 konsantrasyonunda yeşilden sarıya dönüşmüştür. Her iki etiketteki renk değişimi 24 saat içinde çıplak gözle tespit edilebilmiş ve depolama süresi boyunca renk değişimi sabit kalmıştır. TMA simülasyonunda, BTB-MC-HCl ve BTB-CA-HCl etiketleri %15 TMA seviyesinde tamamen renk değiştirmiştir (BTB-MC-HCl sarıdan laciverte ve BTB-CA-HCl sarıdan yeşile). CO2'ye duyarlı etiketlerde olduğu gibi, renk değişimi 24 saat içinde çıplak gözle tespit edilmiş ve depolama süresince değişmeden kalmıştır. TVB-N'ye duyarlı etiketlerin renk değiştirme aralığı aynı zamanda balığın bozulma konsantrasyonlarında gözlemlendiği için TVB-N'ye duyarlı etiketler, balığın tazelik kaybını belirleme potansiyeli açısından umut vadedicidir. Gıda validasyon denemesinde, tepe boşluğu gaz bileşimi (CO2 ve O2 konsantrasyonları) depolama süresince önemli ölçüde değişmemiştir (p<0.05), ancak her iki MAP grubunun ambalajlarında, O2 bulunmamasına rağmen, iz miktarda O2 tespit edilmiştir. Bu durumun muhtemel nedeni, depolama süresi boyunca balıkların gözeneklerinde kalan O2'nin tepe boşluğuna salınmasıdır. Her iki MAP grubunda da, hem toplam mezofilik aerobik bakteriler hem de Pseudomonas spp. önemli ölçüde artmıştır (p<0.05). %70 N2 & %30 CO2 MAP grubunda, toplam mezofilik aerobik bakteri sayısı 10. depolama gününde 5.22 log kob/g'dan 7.07 log kob/g'a artarken, Pseudomonas spp. sayısı 3.74 log kob/g'dan 6.80 log kob/g'a çıkmıştır. %100 N2 MAP grubunda ise toplam mezofilik aerobik bakteriler 10. depolama gününde 5.22 log kob/g'dan 7.75 log kob/g'a, Pseudomonas spp. ise 3.74 log kob/g'dan 7.94 log kob/g'a artış göstermiştir. Her iki MAP grubundaki balıklar için mikrobiyolojik bozulma eşiği 7 log kob/g olduğu için %70 N2 %30 CO2 grubu 6. günden sonra (yaklaşık 7. günde) kabul edilebilir üst sınıra (6 log kob/g) ve 8. günden sonra mikrobiyolojik bozulma eşiğine (7 log kob/g) ulaşmıştır. Diğer yandan, %100 N2 içeren balık 4. günden sonra (yaklaşık 5. günde) kabul edilebilir sınır değere ve 6. günden sonra mikrobiyolojik bozulma eşiğine ulaşmıştır. İki grup arasındaki fark, %70 N2 %30 CO2 grubunda CO2'nin antibakteriyel etkisi ile açıklanabilir. Depolama süresince iki farklı MAP altında ambalajlanan balıkların pH'larında istatistiki olarak nemli düzeyde bir fark tespit edilmemiştir (p>0.05). MAP uygulanan balık ambalajlarının tepe boşluğundaki TMA konsantrasyonu depolama süresince kademeli artış göstermiştir (p<0.05), ancak her iki MAP grubunda da en yüksek değer 6 ppm'i aşmamıştır. Nihai TVB-N seviyeleri benzer olsa da, %100 N2 grubundaki TMA seviyesinin %70 N2 ve %30 CO2 grubundan biraz daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Bu durum, TMA üretimine katkıda bulunan spesifik bozulma organizmaları üzerinde daha fazla inhibe edici etkiye sahip olan %70 N2 & %30 CO2 grubundaki CO2'nin varlığına bağlanabilir. Duyusal değerlendirmede her iki MAP grubu da (%30 CO2 ve %70 N2 grubu ve %100 N2 grubu) depolamanın 6. gününde renk, koku, doku ve genel kabul edilebilirlik açısından kabul edilebilir bulunmamıştır.. MAP grubundaki (%30 CO2 %70 N2) CO2'ye duyarlı etiketler, paketleme sırasında %30 CO2 kullanıldığı için ikinci depolama gününden itibaren renk değiştirmeye başlamış; BTB-MC-NaOH etiketleri maviden yeşile, BTB-CA-NaOH etiketleri ise yeşilden sarıya dönmüştür, ve 10. depolama gününe kadar sabit kalmıştır.. Bu renk değişimi, CO2 simülasyon sonuçlarında bu etiketlerde gözlemlenen renk değişimiyle aynıdır. Bu etiketler için toplam renk değişimi değerlerinde (ΔE), 10 günlük depolama süresince her iki etikette de önemli bir fark gözlenmemiş (p>0,05) ve sabit kalmıştır %100 N2 içeren grupta depolama süresince ambalajlardaki CO2 seviyesi %0-5 aralığında kaldığı için CO2'ye duyarlı etiketlerde (BTB-MC-NaOH ve BTB-CA-NaOH) gözle görülebilir bir değişim ortaya çıkmamıştır. Bu etiketlerin toplam renk değişim değerlerinde (ΔE) her iki etiket için de depolama süresince anlamlı bir değişiklik tespit edilmemiştir (p>0.05). Her iki gruptaki sonuçlar, CO2 simülasyon sonuçlarının doğrulaması olarak kabul edilebilir. TVB-N'ye duyarlı etiketlerde (BTB-MC-HCl ve BTB-CA-HCl) her iki MAP grubunda da depolama süresince herhangi bir renk değişimi tespit edilmemiştir. Bu etiketlerin toplam renk değişim değerleri (ΔE) depolama süresince aynı grup içinde veya farklı gruplar arasında anlamlı bir farklılık göstermemiştir (p>0.05). TMA simülasyonunda, TMA seviyesi 10 ppm'e ulaştığında, TVB-N'e duyarlı her iki etikette de (BTB-MC-HCl ve BTB-CA-HCl) renk değişimi izlenmiştir. Ancak, her iki MAP grubu için elde edilen TMA değerleri 6 ppm'i aşmadığı için simülasyon sonuçları ile paralellik içindedir. Sonuç olarak, bu araştırmada elde edilen bulgulara göre, üretilen akıllı etiketlerin kullanılan bağlayıcıya bakılmaksızın simüle edilmiş koşullar altında bozulma metabolitlerinin (CO2 ve TMA) farklı konsantrasyonlarını başarılı bir şekilde izleyebildiğini göstermektedir. Ancak balıklar genellikle oksijensiz MAP ile paketlendiğinden atmosferik koşullar altında paketlenen balıklardan farklı bir bozulma mekanizmasına sahiptir. Dolayısıyla bu etiketler, MAP koşulları altında balığın tazeliğini uygun şekilde izlemek için uygun değildir; bu durum, akıllı etiketler için doğrulama çalışması yapılırken sıklıkla göz ardı edilen bir faktördür.