An investigation of the potential of green synthesized zinc oxide nanoparticles for food packaging applications

Abstract

Son yıllarda, petrol bazlı gıda ambalajlarının çevresel etkileri konusundaki artan endişeler, sürdürülebilir alternatiflere yönelik araştırmalarda artışa neden olmuştur. Kitosan ve jelatin gibi biyopolimerlerden elde edilen filmler, biyobozunurluk, biyouyumluluk ve yenilenebilirlik özellikleri sayesinde cazip yeşil alternatifler olarak öne çıkmıştır. Gümüş (Ag), Çinko oksit (ZnO), Titanyum dioksit (TiO2) ve Alüminyum oksit (Al2O3) gibi metal ve metal oksit nanopartiküller, gıda ambalaj uygulamalarında çekme dayanımını, gaz ve UV bariyer özelliklerini ve etilen giderimini artırırken antimikrobiyal etki sağlayarak raf ömrünü uzatmak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunlar arasında ZnO nanopartiküller, güçlü antibakteriyel aktiviteleri, UV bariyer özellikleri ve maliyet avantajları nedeniyle özel bir ilgi görmektedir. Bu tez kapsamında, Helichrysum arenarium (ölmez çiçek) ekstraktı kullanılarak ZnO nanopartiküllerinin yeşil sentezi ve bunların gıda ambalajındaki uygulamaları üzerine kapsamlı bir çalışma yapılacaktır. Analjezik, anti-inflamatuar, antidiyabetik ve antioksidan özellikleriyle tanınan H. arenarium, flavonoidler, kalkonlar, fenolik asitler, kumarinler ve pironlar dahil olmak üzere zengin biyoaktif bileşikler içermekte olup, ideal bir doğal indirgeyici ve stabilize edici ajan oluşturmaktadır. Çalışmada, nanopartikül oluşumunu sağlamak için pH, sıcaklık ve öncül konsantrasyonu dahil olmak üzere sentez koşullarını optimize edilmiştir. Sentezlenen ZnO-HA nanopartikülleri, yapısal, morfolojik, optik ve kimyasal özelliklerini aydınlatmak için SEM, EDX, FTIR, XRD ve UV-Görünür Spektroskopi kullanılarak kapsamlı bir şekilde karakterize edilmiştir. Antimikrobiyal etkinlik, hem Gram-pozitif hem de Gram-negatif bakterilere karşı Kirby-Bauer disk difüzyon test yöntemi kullanılarak değerlendirilmiştir. Daha sonra, yeşil sentezlenmiş ZnO-HA nanopartikülleri, muz koruma uygulamaları için değişen konsantrasyonlarda (%0.2, %0.5, %0.8 ve %1.0) kitosan/arap zamkı (CH/AG) kompozit kaplamalarına dahil edilmiştir. Bu nanokompozit kaplamaların etkinliği, renk değişimi, kütle kaybı ve sertlik gibi temel kalite parametreleri izlenerek 20 günlük bir depolama çalışması ile sistematik olarak değerlendirilmiştir. Yeşil sentezden pratik uygulamaya kadar bu entegre yaklaşım, sürdürülebilir nanoteknolojinin gıda atığı zorluklarını ele almadaki potansiyelini göstermektedir. Bulgular, hem yeşil nanopartikül sentezinin temel anlaşılmasına hem de çevre dostu gıda ambalajı çözümlerinin geliştirilmesine katkıda bulunmakta, gıda kalitesi ve güvenliğini korurken geleneksel ambalajlara potansiyel olarak uygulanabilir alternatifler sunmaktadır.In recent years, escalating environmental concerns about petroleum-based food packaging have prompted a surge in research on sustainable alternatives. Biopolymer-based films, such as those derived from chitosan and gelatin, have emerged as attractive greener options due to their biodegradability, biocompatibility, and renewability. Metal and metal oxide nanoparticles, including Silver (Ag), Zinc oxide (ZnO), Titanium dioxide (TiO2), and Aluminum oxide (Al2O3), are commonly used in food packaging applications to enhance tensile strength, gas and UV barrier properties, and ethylene scavenging while providing antimicrobial effects and extending shelf life. Among these, ZnO nanoparticles have garnered particular interest for their potent antibacterial activity, UV-blocking properties, and cost-effectiveness. This thesis presents a comprehensive study on the green synthesis of ZnO nanoparticles using Helichrysum arenarium (dwarf everlasting) extract and their application in food packaging. H. arenarium, renowned for its analgesic, anti-inflammatory, antidiabetic, and antioxidant properties, contains rich bioactive compounds including flavonoids, chalcones, phenolic acids, coumarins, and pyrons, making it an ideal natural reducing and stabilizing agent. The study optimizes synthesis conditions including pH, temperature, and precursor concentration to achieve controlled nanoparticle formation. The synthesized ZnO-HA nanoparticles were thoroughly characterized using SEM, EDX, FTIR, XRD, and UV-Visible Spectroscopy to elucidate their structural, morphological, optical, and chemical properties. Antimicrobial efficacy was evaluated using Kirby-Bauer disk diffusion test method against both Gram-positive and Gram-negative bacteria. Subsequently, the green-synthesized ZnO-HA nanoparticles were incorporated into chitosan/arabic gum (CH/AG) composite coatings at varying concentrations (0.2%, 0.5%, 0.8%, and 1.0%) for banana preservation applications. The effectiveness of these nanocomposite coatings was systematically evaluated through a 20-day storage study, monitoring key quality parameters including color change, mass loss, and firmness. This integrated approach from green synthesis to practical application demonstrates the potential of sustainable nanotechnology in addressing food waste challenges. The findings contribute to both fundamental understanding of green nanoparticle synthesis and the development of eco-friendly food packaging solutions, potentially offering viable alternatives to conventional packaging while maintaining food quality and safety.