gümüş nanopartiküllerinin gıda patojenleri üzerindeki antibakteriyel

GÜMÜŞ
NANOPARTİKÜLLERİNİN GIDA
PATOJENLERİ ÜZERİNDEKİ
ANTİBAKTERİYEL ETKİLERİ
GAMZE KOÇER VE NENE MELTEM KEKLİK
GIDA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
CUMHURİYET ÜNİVERSİTESİ
Nanoteknoloji
Atom düzeyindeki materyalleri işler.
1-100 nm aralığında değişen boyutlara sahip
nanopartiküller üretir.
Onlara yeni fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikler
kazandırır.
(Rai ve ark., 2011, Shrivastava ve ark., 2007).
2
Yeni pestisitler,
gübreleme, hayvan ve
bitki patojenlerinin tespiti
Aroma ve koku
maddelerinin
enkapsülasyonu, gıdaların
tekstür ve kalitesinin
iyileştirilmesi, yeni
jelleştirme ve koyulaştırma
maddelerinin üretimi,
ekipman sanitasyonu
Daha stabil ve
biyoyararlılığı daha
yüksek gıda
desteklerinin üretimi,
mineral ve vitamince
zenginleştirme, içme
suyu arıtımı
Patojen mikroorganizma
indikatörü, gaz veya
bozulma algılayıcıları,
antimikrobiyal ajanlar ve
filmler
Şekil 1: Gıda biliminde nanoteknoloji uygulamaları
(Polat ve ark., 2014)
3
Neden yeni antimikrobiyal ajanlara
ihtiyaç duyuyoruz?
Çeşitli antibiyotiklere karşı direnç kazanan
mikroorganizmalar
Yeni keşfedilen mikroorganizmalar
Mevcut kimyasal koruyucuların toksik ya da kalıntı riskleri
Daha düşük konsantrasyonlarda daha yüksek etkiyi
sağlayabilen ajanlar vs.
4
Antimikrobiyal ajan olarak
nanopartiküller
Makropartiküllere göre özgül yüzey alanı daha geniş
• atomlar daha kolay ve hızlı biçimde reaksiyona girebilmektedir.
Eşsiz elektronik, manyetik, optik ve mekanik özellikler
(Rai ve ark., 2011)
5
Ag Nanopartikülleri (AgNP)
Ag tuzları ve türevleri eski çağlardan
beri yanık, yara ve enfeksiyonları tedavi
etmek amacıyla kullanılmaktadır.
(Rai ve ark., 2011)
Şekil 2: 20 nm boyutundaki AgNP’leri
Etkili ve geniş spektrumlu antibakteriyel aktiviteleri sebebiyle
günümüzde de istenmeyen mikroorganizmaları ortadan
kaldırmak ve kontaminasyonu önlemek amacıyla
kullanılmaktadır.
(Matteis ve ark., 2015)
6
Ag Nanopartiküllerini Sentezlenme
Metotları
Gümüş nanopartikülleri (AgNP) gümüş tuzlarından
• Fiziksel yöntemler
• Kimyasal yöntemler
• Biyolojik yöntemler
ile sentezlenmektedir.
7
•Fiziksel metotlar
Fotokimyasal sentez
Lazer ile eritme
Faz transfer işlemleri
Mikro emülsiyon
Mikrodalga uygulaması
Gama ışıması
(Dong ve ark., 2012)
8
•Kimyasal metotlar
Gümüş iyonunun indirgeyici ajan(lar) tarafından
indirgenmesi
• Askorbik asit, hidrazin, amonyum format, sodyum boroksit,
trisodyum sitrat
Partiküllerin kümeleşmesini önlemek için koruyucu
ajan(lar)la stabilize edilmesi
(Dong ve ark., 2012)
9
•Biyolojik metotlar
Maya, küf, bakteri, meyve, bitki ekstratları gibi çeşitli
biyolojik sistemler kullanılarak da AgNP’lerini elde etmek
mümkündür.
Ag tuzları ve bitki ekstratının karıştırılarak reaksiyon
vermesi esasına dayanır.
(Puiso ve ark.,2014)
10
Köri
Mangostan
Mango yaprağı
Solucan otu meyvesi
Hint fıstığı
Tarçın yaprağı suyu
Çay ekstratı
Aloe vera
Mantar ekstratı
Bal
Nişasta
Şekil 3: Mangostan
‘Meyvelerin Kraliçesi’
(Puiso ve ark.,2014, El-Rafie ve ark., 2011)
11
Ag Nanopartiküllerinin
Karakterizasyonu
UV-Vis spektrofotometresi
TEM (geçirimli elektron mikroskobu)
SEM (taramalı elektron mikroskobu)
EDX analizi
XRD (X ışınları kırınımı)
FTIR (Fourier dönüşümlü kızılötesi) spektrofotometresi
gibi cihaz ve analizlerle yapılmaktadır.
12
Ag Nanopartiküllerinin Antibakteriyel
Etki Mekanizması
Bakteriler üzerinde AgNP’lerinin inhibisyon etkisini
açıklamak için birçok mekanizma ileri sürülmüştür.
Öne sürülen mekanizmalar, nanopartiküllerin bakterinin
hücre duvarına tutunması ve dağılması esasına dayanır.
(Dong ve ark., 2012, Puiso ve ark., 2014, Bindhu ve ark., 2015)
13
Ag Nanopartiküllerinin Antibakteriyel
Etki Mekanizması
Gümüşün sülfür ve fosfora karşı yüksek afinitesinin olmasının
antimikrobiyal etkide anahtar rol oynadığı düşünülmektedir.
AgNP’leri hücre memranındaki sülfür içeren aminoasitlerle ve
bakteri DNA’sının fosfor yapısıyla reaksiyona girerek,
• Membranın bütünlüğünü bozar.
•
•
DNA replikasyonunu inaktive eder.
Enzim fonksiyonlarını inhibe eder.
(Rai ve ark., 2011)
Şekil 4: Gümüş iyonları
14
Ag Nanopartiküllerinin Antibakteriyel
Etki Mekanizması
Ag yüzeyinden salınan serbest radikaller
Serbest radikallerin kontrol edilemeyen oluşumu ve
dağılımı membran lipidlerini etkiler.
Membran fonksiyonlarının yıkımına sebep olur.
(Kim ve ark., 2007)
15
Farklı Gıda Patojenleri Üzerindeki
Antibakteriyel Etkiler
Dong ve arkadaşları (2012) çalışmasında,
• küresel sitrat-AgNP
• küresel boroksit-AgNP
• küresel PVP-AgNP
• üçgen prizma şeklinde üçgensi-AgNP
sentezlenmiştir.
Partikül boyutu küçüldükçe antibakteriyel etki
artmıştır.
16
Şekil 5: TEM ile görüntülenen küre şeklindeki sitrat-AgNP’leri (Dong ve ark., 2012)
17
Şekil 6: TEM ile görüntülenen üçgen prizma şeklindeki AgNP’leri (Dong ve ark., 2012)
18
Farklı yöntemlerle sentezlenen küresel
AgNP’lerin E.coli üzerindeki antibakteriyel etkileri
Şekil 8: İnhibisyon Zonları, (a) sitrat-AgNP (b) PVP-AgNP (c) boroksit-AgNP (d) su
(Dong ve ark., 2012)
19
Farklı şekillerdeki AgNP’lerinin E.coli üzerindeki
antibakteriyel etkileri
Şekil 9: İnhibisyon Zonları, (a) küresel AgNP’leri (boroksit-AgNP) (b) üçgen prizma AgNP (c) su
(Dong ve ark., 2012)
20
Farklı Gıda Patojenleri Üzerindeki
Antibakteriyel Etkiler
Puiso ve çalışma arkadaşları (2014), kırmızı yaban mersini
ve kızılcık kullanarak sentezledikleri AgNP’lerinin
antimikrobiyal aktivitelerini,
• Staphylococcus aureus
• Escherichia coli
• Salmonella typhimurium
• Bacillus subtilis
• Listeria monocytogenes
• Candida albicans
• Bacillus cereus
• Bacillus cereus (gıda
kaynaklı)
mikroorganizmaları üzerinde değerlendirmişlerdir.
21
Farklı Gıda Patojenleri Üzerindeki
Antibakteriyel Etkiler
Puiso ve arkadaşlarının (2014) AgNP uygulamasına karşı,
• en hassas mikroorganizma Staphylococcus aureus
Candida albicans ve
gıda kaynaklı Bacillus cereus
• en dirençli mikroorganizma
olduğu gözlemlenmiştir.
22
Farklı Gıda Patojenleri Üzerindeki
Antibakteriyel Etkiler
Bindhu ve arkadaşları (2015) çalışmasında, kırmızı pancar
kullanarak biyolojik yöntemle sentezledikleri AgNP’lerini
• Escherichia coli
• Pseudomonas aeruginosa
• Staphylococcus aureus
• Streptococcus aureus
mikroorganizmaları üzerinde uygulamışlardır.
Şekil 10: Kırmızı pancar
23
Farklı Gıda Patojenleri Üzerindeki
Antibakteriyel Etkiler
Şekil 11: İnhibisyon zonları, (a) E. coli, (b) P. aeruginosa, (c) Staphylococcus aureus,
(d) Streptococcus aureus, (Bindhu ve ark., 2015)
24
Farklı Gıda Patojenleri Üzerindeki
Antibakteriyel Etkiler
Bakteri
Oluşan İnhibisyon Zonu Çapı
(mm)
5 µl
10 µl
Escherichia coli
Dirençli
7
Pseudomonas aeruginosa
10
11
Staphylococcus aureus
10
19
Streptococcus aureus
8
16
Şekil 12: Ag nanopartiküllerinin konsantrasyona bağlı olarak değişen antibakteriyel
etkileri
25
AgNP’lerinin bakterisidal özelliklerini
etkileyen faktörler
Ag nanopartiküllerinin
• boyutları küçüldükçe
• konsantrasyonu arttıkça
• kristal yüzey sayısı arttıkça
antibakteriyel etkinlikleri artar.
26
Ag Nanopartiküllerinin Olumlu
Özellikleri
Gümüş nanopartikülleri, mevcut antimikrobiyal ajanlara
potansiyel bir alternatif olarak görülmüş ve etkili bir
antimikrobiyal ajan olduğu ispatlanmıştır.
Mikroorganizmalar üzerine geniş yelpazede etkilidir.
Bakteri
• Virüs
• Maya
• Küf
•
27
Ag Nanopartiküllerinin Olumlu
Özellikleri
Gıda ambalajlarında antimikrobiyal film olarak kullanılan
en yaygın metal nanokompozitlerden biri metalik gümüştür.
(Ahamed ve ark., 2010)
Şekil 13: Aktif paketleme ile paketlenen gıda ürünleri
28
Ag Nanopartiküllerinin Olumsuz
Özellikleri
AgNP’lerinin geniş kullanım alanlarından dolayı birçok
şekilde insan vücuduna girip yayılma olasılığı vardır.
• Deri
• Solunum
• Tüketilen gıdalar
• Toprak
• Su
(Rai ve ark., 2011, Golovina ve ark., 2013)
29
Ag Nanopartiküllerinin Olumsuz
Özellikleri
Ag nanopartiküllerinin birçok sektördeki geniş
uygulamalarına karşın, toksikolojileri hakkında fazla bir
bilgi yoktur.
Ayrıca, AgNP’lerine maruz kalma durumunda insan
sağlığı ve çevre üzerinde uzun dönemde ne gibi etkiler
ortaya çıkaracağı da bilinmemektedir.
(Ahamed ve ark., 2010)
30
SONUÇ
Sentez koşulları optimize edilerek elde edilebilecek en yüksek
antimikrobiyal etkiye sahip Ag nanopartikülleri gelecekte gıda
sektöründe daha sık karşımıza çıkabilir.
Ag nanopartiküllerinin gıda paketleme ile ilgili çalışmalarda
kullanıldığı bilinmektedir; ancak gıdalara direkt eklenildiği bir
çalışmaya rastlanılmamıştır.
Gıdalarda kullanıldığı takdirde kısa ya da uzun vadede
olumsuz etkilerinin de ortaya çıkabileceği dikkate alınmalıdır.
31
KAYNAKLAR
1. V, R.R. and J.B. A, Nanoparticles and their potential application as antimicrobials.
2011.
2. Shrivastava, S., et al., Characterization of enhanced antibacterial effects of novel silver
nanoparticles. Nanotechnology, 2007. 18(22): p. 225103.
3. Polat, S. and H. Fenercioglu, Gıda Ambalajlamasında Nanoteknoloji Uygulamalar:
İnorganik Partiküllerin Kullanımı. 2014: p. 187-194.
4. De Matteis, V., et al., Negligible particle-specific toxicity mechanism of silver
nanoparticles: the role of Ag+ ion release in the cytosol. Nanomedicine, 2015. 11(3): p.
731-9.
5. Van Dong, P., et al., Chemical synthesis and antibacterial activity of novel-shaped silver
nanoparticles. International Nano Letters, 2012. 2(1): p. 9.
6. Puiso, J., et al., Biosynthesis of silver nanoparticles using lingonberry and cranberry
juices and their antimicrobial activity. Colloids Surf B Biointerfaces, 2014. 121: p. 21421.
32
KAYNAKLAR
7. El-Rafie, M.H., et al., Environmental synthesis of silver nanoparticles using
hydroxypropyl starch and their characterization. Carbohydrate Polymers, 2011. 86(2):
p. 630-635.
8. Bindhu, M.R. and M. Umadevi, Antibacterial and catalytic activities of green
synthesized silver nanoparticles. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc, 2015.
135: p. 373-8.
9. Kim, J.S., et al., Antimicrobial effects of silver nanoparticles. Nanomedicine, 2007.
3(1): p. 95-101.
10. Torres, V., et al., Silver nanoprism coatings on optical glass substrates.
Microelectronic Engineering, 2007. 84(5-8): p. 1665-1668.
11. Ahamed, M., M.S. Alsalhi, and M.K. Siddiqui, Silver nanoparticle applications and
human health. Clin Chim Acta, 2010. 411(23-24): p. 1841-8.
12. Golovina, N.B. and L.M. Kustov, Toxicity of metal nanoparticles with a focus on
silver. Mendeleev Communications, 2013. 23(2): p. 59-65.
33
DİNLEDİĞİNİZ İÇİN
TEŞEKKÜRLER
34