Bu yazı, ‘A Review of Wheat Gluten-Based Bioplastics Processing and Their Applications (2021)’ adlı yüksek lisans tezinden türetilmiştir.
Plastikler, gündelik yaşamın vazgeçilmez malzemeleridir ve genellikle diğer malzemelerin sağlayamadığı esneklik, hafiflik, dayanıklık, kırılım performansı vb. gibi özellikleri nedeniyle sıklıkla paketleme materyalleri olarak tercih edilirler. Bununla birlikte, artan plastik kullanımı beraberinde önemli bir sorunu getirmektedir. Bozunmazlıkları nedeniyle, geleneksel plastikler (PET, PVC, vb.) çevrede yüzlerce ila binlerce yıl arasında varlığını sürdürebilir (Kadi, 2010). Ayrıca okyanuslarda biriken plastik, deniz yaşamı üzerinde zincirleme olarak birbirine yol açan olumsuz etkileri tetiklemekte ve buradaki sucul yaşamı tehdit etmektedir (Stafford ve Jones, 2019). Ek olarak, plastiklerin yakılması, iklim değişikliğine neden olan karbondioksit ve metan gibi toksik sera gazlarını ortaya çıkarmaktadır (Andrady, 2013).
Bilim camiası, büyük boyutlu çevresel tehlikenin somut etkilerini izlediğinden beri plastiğe doğal oluşumlu alternatifler aramaktadır. Son yıllarda, sentetik plastiklere alternatif olarak biyoplastikler ticari ilgi görmektedir. Proteinler, yağlar (lipitler) ve karbonhidratlar (polisakkaritler) gibi doğal biyopolimerler, biyoplastik üretiminde kullanım potansiyeline sahiplerdir (Hernandez ve Krochta, 2018). Bu durumda, biyoplastiklerin, kısmen veya tamamen yenilenebilir hammaddelerden elde edilmiş plastikler olduğu tanımı yapılabilir. Örneğin; buğday, mısır ve soya ürünleri iyi protein kaynaklarıdır. Bu nedenle, bunlar protein bazlı biyoplastiklerin üretimi için ideal hammaddelerdir. Tedarik fizibilitesi, düşük elde maliyeti, biyolojik olarak parçalanabilirliği sayesinde atık sorununa çözüm oluşturması ve iyi viskoelastik özellikleri nedeniyle özellikle buğday proteini olarak bilinen glutenin, biyoplastik üretimi için girdi ihtimali taşımaktadır (Yuan vd., 2011; Gómez-Martínez vd., 2013).
Biyoplastik konusundaki süregelen ikilem ise açlık sorunu dünya genelinde aşılmamış bir problem iken ve gıda güvencesi pek çok halk için sağlanmamış/sağlanmakta güçlük çekerken, böylesi önemli bir protein kaynağı ve insanlığın evrimsel sürecinde oynadığı rol ile tarımsal hayata geçişin öncüsü olarak bilinen buğdayın, ambalajlama sektöründe kullanımının realistik bir davranış olup olmayacağıdır. Ayrıca buğday gluteninden ve diğer bitki proteinlerinden yapılan biyoplastiklerin, artan maliyetler nedeniyle, bazı uygulamalarda geleneksel plastiklerle tam olarak rekabet edememesi olası diğer bir sorundur.
Gluten proteini çiğ buğdaydan kolaylıkla elde edilebilir. Nişasta, granüler ve suda çözünen kısımlar yıkandıktan sonra kalan kuru ağırlığın yaklaşık %75-85’i glutendir (Wieser, 2007). Proteinler, peptit bağlarıyla (polimerize aminoasitler) birleştirilmiş 20’ye kadar amino asit içeren heteropolimerlerdir. Bu bağ, hidrofobik etkileşimler, kovalent bağ, hidrojen bağı ve iyonik bağdan oluşan karmaşık bir dengeye sahip bir polipeptit zinciriyle yapıya katılır (Verbeek ve Berg, 2019). Sıcaklık, basınç, UV, pH ve çözücü gibi çeşitli faktörler, denatüre etme adı verilen polipeptit yapılarının doğal konfigürasyonunu geri dönüşümsüz olarak bozabilir.
Denatüre etme, polimerin kimyasal yapısının değişmesine neden olarak protein bazlı plastiklerin termal mekanik özelliklerini dönüştürür. Sonuç olarak denatürasyonu etkileyen faktörler düzenlenerek istenilen nitelikte biyoplastikler elde edilebilir. Örneğin, hidrojen bağları gluten bazlı plastikleri nispeten zayıf hale getirdiğinden, gluten çoğu endüstriyel uygulama için yeterli sünekliğe sahip değildir. Bu nedenle, moleküller arası kuvvetleri azaltmak ve polimerin zincir hareketliliğini artırmak için plastikleştiriciler veya çözücüler gluteni desteklemek adına kullanılır (Gennadios, 2002), bu da işlenme kolaylığı sağladığından glutenin sünekliğini geliştirir ve camsı geçiş sıcaklığını (maddenin camsı özelliklerini kaybedip viskoz özellikler kazanmaya başladığı sıcaklık sınırı) düşürür (Irissin-Mangata vd., 2001).
Buğday gluteni bazlı biyoplastikler genellikle ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama, döküm ve sıkıştırma kalıplama gibi termoplastik işleme teknikleri kullanılarak üretilmektedir (Verbeek ve Berg, 2010). İşleme kabiliyetlerini artırmak için genellikle hammaddelere, çözücüler/plastikleştiriciler gibi farklı katkı maddeleri ilave edilir. Ek olarak, proses parametreleri (proses sıcaklığı, hammaddelerin besleme hızı, katkı maddeleri) gluten bazlı biyoplastiklerin termal-mekanik özelliklerini büyük ölçüde belirler. Termoplastik işlemenin yanı sıra, gluten bazlı biyoplastiklerin nihai özelliklerini geliştirmek için çapraz bağlama, kaplama, çok katmanlı yapı harmanlama vb. gibi başka birleştirme işleme teknikleri de kullanılmaktadır. Gluten esaslı biyoplastikler; gıda paketleme, yapıştırıcı endüstrileri, kompozit malzemeler, tek kullanımlık gıda ürünleri, biyomedikal ve ilaç sektörleri dahil olmak üzere muhtelif uygulama alanlarına sahiptir (Peelman vd., 2013; Gómez-Martínez vd., 2019).
Buğday gluteni, paketleme endüstrisinde güçlü bir potansiyel adaydır (Jariyasakoolroj, 2020). Gerektiği şekilde işlendiğinde ve/veya birleştirildiğinde viskoelastisite, parlaklık, şeffaflık, dayanıklılık ve gaz bariyeri gibi bazı önemli özellikler sergilemektedir. Viskoelastisite, malzemelerin hem viskoz deformasyon hem de elastik deformasyon göstermesini ifade eder. Ambalaj malzemeleri çok fazla fiziksel strese (darbe, çekme, itme) maruz kalır. Elastik özelliğinden dolayı gerilim kalktığında hızla eski haline dönebilirken, viskoz özelliğinden dolayı akışkan gibi davranır ve kolayca işlenebilir. Bahsedilen eşzamanlı özellikler, glutenin bu sektörde güçlü bir oyuncu olacağını göstermektedir.
Glutenin Yapısı
Resim 1. Gliadin ve glutenin aminoasitlerinden oluşmuş gluten protein kompleksi
Resim 2. Farklı proteinlerden ve bunların karışımlarından üretilen biyobozunur filmler (Nogueira, 2019) A: Hake (balık proteini) fimi B: Gluten (buğday proteini) filmi C: Zein (mısır proteini) filmi D: Zein/gluten karışımı film E: Hake/gluten karışımı film
Resim 3. Vanilin, salisilik asit, montmorillonit (silikat grubu-kil) ilavesi ile tasarlanan gluten tabanlı yenilebilir filmler (Khashayary, 2021)
Buğday gluteninin en yaygın kaplama uygulamalarından biri kağıt üzeri kaplamasıdır. Kağıt selülozdan yapılır ve onu gluten ile kaplamak, bitmiş ürünü suya daha dayanıklı hale getirerek kağıdın doğal biyolojik olarak parçalanabilirliği ile geri dönüştürülebilir niteliklerini korur (Lagrain vd., 2010). Gluten, hidrofilik özelliğinden dolayı kağıt ile iyi uyum gösterir. Kuşe kağıdın önemli özelliklerinden biri de su buharı basıncıdır (SBB). Guillaume vd. (2010), araştırmalarında gluten kaplı kağıtların SBB’de önemli bir düşüş gösterdiğini bulmuşlardır. Araştırmacılar, kaplanmamış normal kağıdın SBB’sine kıyasla yüzey işlemeli gluten kaplı kağıt için SBB düşüşünün %45 ve herhangi bir işlem uygulanmamış gluten kaplı kağıt için %56’ya vardığını saptamışlardır. Bu açıdan gluten, kağıdın gözenekli kanallarını su buharı iletimini azaltabilecek şekilde emdirebilir.
Kaynakça
Abdullah-Al-Rahim, M. (2021). A Review of Wheat Gluten-Based Bioplastics Processing and Their Applications.
Khashayary, S.,Aarabi, A. (2021). Evaluation of physicomechanical and antifungal properties of gluten-based film incorporated with vanillin, salicylic acid, and montmorillonite (Cloisite 15A). Food and Bioprocess Technology, 14(4), 665-678.
Nogueira, D., & Martins, V. G. (2019). Use of different proteins to produce biodegradable films and blends. Journal of Polymers and the Environment, 27(9), 2027-2039.
