Doğal Pigment Eldesi

Doğal Pigment Eldesi ve Endüstriyel Bazlı Kullanım Alanı

Özet

Pigmentler başlıca organik ve inorganik diye ikiye ayrılmaktadır. Organik ve inorganik pigmentler arasında da farklar bulunmaktadır. Bunlar; parlaklık, kimyasal stabilite, renk, maliyet, dağılım, ışık emme, boyut ve yüzey alanındaki farklılıklardır. Pigmentler özellikle tekstil endüstrisinde sıklıkla dolgu maddesi, materyallerin renklendirilmesinde, güç tutuşma, antibakteriyel, antimikrobiyal, su itici, UV yağ itici, ışınım koruma özellikleri, optik özellikleri, ses ve ısı yalıtım özellikleri gibi farklı fonksiyonel özelliklerin geliştirilmesinde kullanılmaktadır. Özel olarak kaplama malzemesinde ağır metaller içeren inorganik pigmentler tercih edilmemelidir. Bu pigmentler, insan sağlığına ciddi zararları olabilmektedir. Bu çalışmamızda inorganik pigmentlerin insan sağlığa zararı anlatılmış bunun yanı sıra bitkisel ve doğal kaynaklardan doğal pigmentler üretilmiştir. Doğal pigmentlerin bebek kıyafetleri, bebek bezleri, örtü imalatında, çocuk oyuncakları, toplumun kullanacağı nesnelerde, iç çamaşır ve dış kıyafet eldesinin yanı sıra vücuda temas eden tüm nesnelerin cilde ve insan sağlığına zarar vermeyecek şekilde uygulama sahasının genişletilmesi amaçlanmaktadır.  

1. Giriş

Pigment kavramı, Latincede renkli cisimleri tanımlamak amacıyla kullanılmıştır. Pigmentler kullanım alanlarının çokluk göstermesi ile ön plana çıkmaktadır. Tekstil, hayvancılık, kozmetik, tıp, plastik endüstrilerinde önemli bir bileşik olarak kullanılan pigmentlerin; sentetik yollarla elde edilmesi mümkün olmakla birlikte doğal olanları kullanım önceliği oluşturmaktadır. Pigmentler ışığı emebilen ve belirli bir rengin gösterilmesinden sorumlu olan bileşiklerdir [1,2]. Amorf ve kristalin yapıda olan pigmentler; üretim yöntem ve parametrelerine bağlı olarak kristal bozukluklara yol açabilmekte ve bu durum kullanılan üründe renk değişikliklerine ve parlaklık bozukluklarına neden olmaktadır. Pigmentlerin renk özelliklerini renk verici grup olarak nitelendirilen kromofor gruplar ve oksokrom gruplar belirlemektedir [3]. Böcekler, bitkiler ve mikroplar gibi birçok canlı grubu doğal pigment kaynağı olarak gösterilmektedir. Bu grupların yanı sıra stabilitesi, üretkenliği ve işleme sürecindeki verimliliği dolayısıyla potansiyel kullanım imkanı barındırmaktadır. Plastik-polimer sanayisinde renk işlevinin yanı sıra mikrobiyal pigmentler, biyolojik fırsatları dolayısıyla antimikrobiyal ve antioksidan özellikleri barındırmaktadır. Sentetik üretim yönteminin sıklık oluşturduğu dünyamızda doğallık ve sürdürülebilirlik gereksinimi doğal pigment üretimini elverişli kılmaktadır. Doğal bileşiklerin sağlığa olumlu faydalarının bilinmesi nedeniyle bu tür bileşiklerin doğal kaynaklarına olan talep her geçen gün artmaktadır, bu nedenle gıda endüstrisi için sığınılacak bir liman olma özelliğinde olan doğal pigmentlerin potansiyelleri araştırmacıların odak noktası haline gelmiştir. Pigment çeşitleri; sentetik, inorganik ve doğal pigmentler olmak üzere gruplandırılmaktadır. Sentetik pigmentler; renk katkı maddesi olarak ön plana çıkmasıyla farklı uygulama sahalarına hükmeden sentetik pigmentler, ürünün müşteriye daha çekici görünmesi ve ürün içerisine katılınca oluşabilecek renk değişimlerini tolere edebilecek boyar maddelerdir. Doğal pigmentler; Karbon zincirlerine ve halkalarına sahip olup hayvanlarda, sebzelerden üretimi gerçekleştirilen doğal pigmentler, parlak ve zengin renk içeriğine sahiptir. Tipik olarak flora ve fauna kullanılarak oluşturulurlar [4-6]. İnorganik pigmentler; öğütülmüş minerallerden metalik tuzlardan oluşurlar. İçeriğinde sahip oldukları minerallerden kaynaklı opak haldedirler ve ışık haslıkları ve düşük maliyetleri nedeniyle tercih sebebi haline gelmiştir. İnorganik pigmentler, endüstri sahasında ışığa maruz kalan ürünlerin solmalarını engelleme noktasında göstermiş oldukları direnç sebebiyle popüler durumundadır. İhtiyaca uygun olarak uygun maliyetlerde üretimi ön plandadır. İnorganik pigmentler genel olarak metal oksitler ve sentetik kimyasallardır. Bileşimleri oldukça basittir. İnorganik pigmentlere örnek verilecek olursa; kurşun oksit, kobalt mavisi, kadmiyum sarısı ve titanyum sarısı gösterilebilmektedir. Yeni çevre yasaları esas alındığında toksisite konusunda çok katı olduğundan, metal oksitler ve sentetik kimyasalların birkaçı artık tercih edilememektedir. Kumaş boyama alanında sentetik boyaların eldesi ve kullanımı günümüzde büyük bir endüstri alanına hakimdir. Kükürt, naftol boyaları, nitratlar, asetik asit, sabunlar, enzimler, krom bileşikleri, bakır, arsenik, kurşun, kadmiyum, civa, nikel, kobalt ve bazı yardımcı kimyasallar gibi ağır metallerin varlığı toplu olarak tekstil atıklarını zehirli hale getirebilmektedir. Ağır metallerin atık olarak deniz suyuna ulaşması sonucunda denizdeki canlılar etkilenmektedir. Uzun soluklu bir süreç sonucunda deniz canlıları da ağır metalden etkilenirken, deniz ürünlerinde de ciddi etki söz konusudur. Özellikle mercanlar ciddi ağır metal çekmektedir. Araştırma ekibimiz yapmış oldukları çalışmalarında deniz mercanlarını toplamış ve ağır metal analizi gerçekleştirilmiştir. İçerisinde kadminyum, sülfür, civa vs. ağır metallerine rastlanılmıştır. Ekibimiz tarafından sterilizasyon sonucunda mercanlar toz haline getirilerek termalgravimetrik analiz (TGA) analizi ile kalsiyum karbonat (CaCO3) miktarı tayin edilmiş ve buna uygun olarak kemik ve diş tozu eldesi için kalsiyum: fosfat (Ca:P) oranı 1.75 e eşitlemek amacıyla ortafosforik asit (H3PO4) hesaplanmış ve kalsiyum karbonat ile tepkimeye sokarak 2 gün karışım işlemi daha sonra vakum etüvünde kurutma sonrası 850oC de 4 saat sinterleme işlemi sonrası hidroksiapatit (HA) biyoseramiği elde edilmiştir. Ağır metal biriktirmiş bu HA seramiğinin medikal uygulama da kullanımı sonucunda vücutta ağır metal birikmesine toksik etkisi sebebi ile kanser oluşumunu tetiklemesi ve cilt tahrişi, deri hastalığı oluşumunu tetikleyebilme tehlikesi oluşturabilmektedir. Boya ve boya dumanlarına uzun süre ya da yüksek oranda maruz kalma durumunda baş ağrısı, alerji, astım reaksiyonlarına neden olabilme, cildi, gözleri ve solunum yollarını tahriş etme durumu gösterebilmektedir. Boyalardan kaynaklanan en önemli çevresel etki, uçucu organik maddenin salınmasıdır. Organik pigmentlerin bazıları alerjik reaksiyonlara neden olmaktadır. Kimyasal ayrışma ve dolayısıyla organik pigmentlerden küçük moleküler toksinlerin salınması; risk faktörü olarak söylenebilmektedir. Kurşun pigmentinin boyada önemli sağlık ve çevre sorunlarına yol açtığından kullanımı yasaklanmıştır. İnorganik pigmentler, kristal yapıları sebebi ile toksikolojik olarak nötr maddelerdir. Bu yaklaşım, inorganik pigmentlerin bileşimini ve parçacık boyutunu içerebilmektedir. Günümüzde pigmentlerin yerini almak için çevre dostu inorganik pigmentler geliştirilmiştir. Cd, Co, Cr, Hg, Pb gibi elementler toksik olarak kabul edilmektedir. Sağlık ve çevre için tehlikeli olan elementler ise; Sb ve Se’dir. Günümüzde sarı inorganik pigmentlerin çoğu kadmiyum, kurşun, krom (IV), yani zararlı olabilecek ağır metal inorganik kimyasalların çevre ve insan sağlığı üzerine etkileri ve kullanımı bazı ülkelerce yasaklanmıştır. Sektörel bazlı uygulamalara bakıldığında yaygın kullanılan inorganik pigment olarak titanyum dioksit söylenebilmektedir. Yüksek örtme (yüksek kırılma indisi) özelliği nedeniyle matlaştırma maddesi olarak kullanılmaktadır. TiO2 nano partiküllerine inhalasyon maruziyeti bağışıklık tepkilerine ve sinirsel toksik etkilere sebep olmaktadır. Titanyumun gecikmiş aşırı duyarlılığının ve oksitleri yüksek duyarlılığı olan bireyler için bir sağlık tehdidi oluşturabilmektedir. Nano boyutlu TiO2 ile aynı özellikleri istenmeyen, zararlı etkilerle ilişkili olabilmekte ve bazı yararlı uygulamalar için kullanılabilmektedir. TiO2 pigmentleri cildi veya mukoza zarlarını tahriş etmektedir. Titanyum dioksit veya başka bir pigment, pigment tozunun solunmasından kaçınılması gerekmektedir. TiO2 sudaki çözünürlükleri oldukça azdır. Çinko iyonları organizma üzerine etki sağlamaktadır. Büyük miktarlarda çözünür çinko toksik olmaktadır. Bununla yanı sıra insan vücudu 2 gram çinko içermekte ve metabolik süreçler için günlük miktarlarda 10-20 mg arasındadır. Çinko sülfür (ZnS) pigmentleri, ağır metal bileşikleri ile bulaşma olmadıkça toksik değildir. Akut toksisite sağlamazlar. Pigment tozunun solunması mekanik solunum yolu başlangıcına neden olabilmektedir. Cilt veya gözlerle temas, mekanik sürtünme ile tahrişe neden olabilmektedir [5-9]. Bununla birlikte tekstil atıkları olarak denize karışan boyar pigmentlerin ciddi zararları bulunmaktadır. Türkiye’de bol miktarda tüketilen deniz ürünlerinden olan midyenin zararları üzerine araştırma yapan bilim insanları yapıda kadmiyum, kurşun, civa gibi ağır metallerin yanı sıra tarımsal karışım kalıntılarının bulunduğunu ortaya koymuştur. Bu çalışmada organik pigment olarak bitkisel ve doğal ürünler tercih edilmiştir. Zerdaçal, aslanağzı, duvar sarmaşığı, karanfil, şakayık, Yelken çiçeği, Kauçuk bitkisi, Janet craig bitkisi, Boston eğrelti otu, Paşa kılıcı, Aloe vera, Flamingo çiçeği, Bambu bitkisi (Areka), Gerbera papatyası, İngiliz sarmaşığı ve Kurdele çiçeği kullanılarak doğal boya eldesi sağlanmıştır. Böylelikle çok farklı uygulamalarda özellikleri bilinen boyar maddelerin tekstil uygulamaları yapılmış ve boyar özellikleri sonucunda ürüne renk vermesinin yanı sıra doğal özellikleri de kazandırılmıştır. Bu maddeler ile sağlık sektörüne yönelik COVID-19 pandemisinde maske yapan ekibimiz %99.999 filtrasyon sağlama özelliği sağlamıştır. Bundan dolayı çalışmamızı aydınlatıcı bir katkı sunmuştur.  

2. Materyal ve Metot

Kullanılan Malzemeler

Zerdaçal, aslanağzı, duvar sarmaşığı, karanfil, şakayık, Yelken çiçeği, Kauçuk bitkisi, Janet craig bitkisi, Boston eğrelti otu, Paşa kılıcı, Aloe vera, Flamingo çiçeği, Bambu bitkisi (Areka), Gerbera papatyası, İngiliz sarmaşığı ve Kurdele çiçeği kullanılmıştır. Deprotenizasyon işlemi için sodyum hidroksit (NaOH) ve safsu İstanbul Arel Üniversitesi ArelPOTKAM (Polimer Teknolojiler ve Kompozit Uygulama ve Araştırma Merkezi) biriminden temin edilmiştir. Mw: 80.000 g/mol Polikaprolakton (PCL) polimeri Sigma/Aldrich marka ve polimerleri çözmek amacıyla dimetilformamid (DMF) ve kloroform gibi çözücülerde kullanılmıştır.

Metot

Deprotenizasyon ve boyar madde eldesi 5 gram NaOH tartılmış ve 100 ml safsu içinde 60oC de 2 saat çözülmesi sağlanmıştır. Sırasıyla ayrı ayrı beherdeki NaOH/Safsu karışımına liyofilizatörde kurutma işlemi sonucunda 3 gram Zerdaçal, aslanağzı, duvar sarmaşığı, karanfil, şakayık, Yelken çiçeği, Kauçuk bitkisi, Janet craig bitkisi, Boston eğrelti otu, Paşa kılıcı, Aloe vera, Flamingo çiçeği, Bambu bitkisi (Areka), Gerbera papatyası, İngiliz sarmaşığı ve Kurdele çiçeği eklenmiştir. Bu işlem de ise 12 saat karışım işlemi sağlanmıştır. 12 saat sonra 0.45 μm lik filtreden süzülen ürün safsu ile üçerkez yıkanmıştır. Böylelikle deprotenizasyon işlemi ile yağından arındırılmış malzeme vakum etüvünde kurutulmuştur. Kurutma işlemi sonrası etanolde çözdürülen her bir bitki ürünü boyar maddesi Evaporatör cihazı vasıtasıyla elde edilmiştir [8, 9].  

Elde Edilen Boyar Maddenin Nanoteknolojik Elektroeğirme Yöntemiyle Elyafa Uygulanması

Ağırlıkça 10 gram PCL polimeri 60/40 ml kloroform/ DMF solvent sisteminde Tablo 2’deki değerlerce hazırlanmış çözelti sisteminde elektroeğirme çalışma parametrelerince boyar madde ile boyanmış nanoteknolojik tekstil elyafları elde edilmiştir. Zerdaçal, aslanağzı, duvar sarmaşığı, karanfil, şakayık, Yelken çiçeği, Kauçuk bitkisi, Janet craig bitkisi, Boston eğrelti otu, Paşa kılıcı, Aloe vera, Flamingo çiçeği, Bambu bitkisi (Areka), Gerbera papatyası, İngiliz sarmaşığı ve Kurdele çiçeği tozları polimer yapısında %1, %3, %5, %10 oranında katılmıştır [10, 11].   3. Sonuçlar Organik pigment üretimi başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Organik pigment mekanik özellikleri iyileştirmiş ve nanolifler inceltmiştir. Sağlık sektörü başta olmak üzere kozmetik, gıda, çocuk oyuncakları ve giysileri, tekstil, tarım ve filtrasyon uygulamalarına hitap edebilecek katma değerli ürünler elde edilebilecektir.   Kaynakça [1] Dağ, T. (2017). Fusarium sp. İle Pigment Üretiminin Araştırılması. [2] Siva, R. (2007). Status of natural dyes and dye-yielding plants in India. Current science, 916-925 [3] Korumilli, T. (2015). Studies on pigment production by microorganisms using raw materials of agro-industrial origin (Doctoral dissertation). [4] Soliev, A. B., Hosokawa, K., & Enomoto, K. (2011). Bioactive pigments from marine bacteria: applications and physiological roles. Evidence-based Complementary and Alternative Medicine: ECAM, 2011. [5] Mortensen, A. (2005). Analysis of a complex mixture of carotenes from oil palm (Elaeis guineensis) fruit extract. Food research international, 38(8-9), 847-853. [6] Durán, M., Ponezi, A. N., Faljoni-Alario, A., Teixeira, M. F., Justo, G. Z., & Durán, N. (2012). Potential applications of violacein: a microbial pigment. Medicinal Chemistry Research, 21(7), 1524-1532 [7] Sargazi, S., Simge, E. R., Gelen, S. S., Rahdar, A., Bilal, M., Arshad, R., ... & Pandey, S. (2022). Application of titanium dioxide nanoparticles in photothermal and photodynamic therapy of cancer: An updated and comprehensive review. Journal of Drug Delivery Science and Technology, 103605. [8] Buluş, E., & Buluş, G. S. (2021). Intelligent Nano-Protective Production In Industrial Paints. JOURNAL OF MATERIALS AND ELECTRONIC DEVICES, 1(1), 28-31. [9] Mohammad Azmin, S. N. H., Sulaiman, N. S., Mat Nor, M. S., Abdullah, P. S., Abdul Kari, Z., & Pati, S. (2022). A Review on Recent Advances on Natural Plant Pigments in Foods: Functions, Extraction, Importance and Challenges. Applied Biochemistry and Biotechnology, 1-18. [10] Buluş, E., Buluş, G. S., & Yakuphanoglu, F. (2020). Production of polylactic acid-activated charcoal nanofiber membranes for COVID-19 pandemic by electrospinning technique and determination of filtration efficiency. Journal of Materials and Electronic Devices, 4(1), 21-26. [11] Buluş, E., Buluş, G. S., Akkaş, M., Cetin, T., Yaman, E., & Altındal, T. (2020). Nanotechnological Wound Healing Bandage Production from Polymer Solutions Containing Tea Tree Oil, Echinacea, Spider Web and Aloe Vera. JOURNAL OF MATERIALS AND ELECTRONIC DEVICES, 6(1), 19-23.     Öğretim Görevlisi Erdi Buluş  ArelPOTKAM Ulaştırma Hizmetleri Anabilim Dalı Sivil Havacılık Kabin Hizmetleri Programı Meslek Yüksekokulu İstanbul Arel Üniversitesi   Öğretim Görevlisi Ruşen İnan  Tasarım Bölüm Başkanlığı Moda Tasarımı Programı Meslek Yüksekokulu İstanbul Arel Üniversitesi   Dr. Öğr. Üyesi Tayfun Çetin  Elektrik ve Enerji Bölümü Yüksekova MYO Hakkari Üniversitesi   Gülseren Sakarya Buluş Uzman Hemşire İstanbul İl Sağlık Müdürlüğü Mühendislik Yönetimi Bölümü Lisansüstü Eğitim Enstitüsü Bahçeşehir Üniversitesi   Salih Asker Uzman ArelPOTKAM İstanbul Arel Üniversitesi   Kibar Aras Uzman ArelPOTKAM İstanbul Arel Üniversitesi   Ömer Tapan Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Fen Edebiyat Fakültesi İstanbul Arel Üniversitesi