Gıda Aromalarının Koaservasyon Yöntemi İle Enkapsüle Edilmesi

Abstract

Aromalar, gıda ve kozmetik endüstrisi gibi birçok alanda koku ve/veya tat duyusunu arttırmak amacıyla kullanılmaktadır. Genellikle kimyasal teknoloji ile üretilen bu bileşiklerin daha çevre dostu biyolojik süreçlerle üretilmesi ve üretilen katma değeri yüksek bu ürünlerin özelliklerini kaybetmeden tüketiciye ulaştırılması büyük önem taşımaktadır. Aromalar, kolay buharlaşmaları ve çevresel koşullardan çabuk etkilenerek özelliklerini kaybetmeleri nedeniyle daha ürünlerin hazırlanması aşamasında etkilerini yitirmeye başlamaktadır. Ürünlerin transferi ve tüketiminden önce geçen zaman içinde ise bu etki kaybı sürmektedir. Bu problemin giderilmesinde aromaların çeşitli malzemeler (polisakkarid, protein, vb) içine hapsedilmesi (enkapsülasyonu) çok bilinen bir yöntemdir. Enkapsülasyon endüstriyel olarak önemli bir süreçtir. Sıvıların, gazların veya katıların bir duvar ya da ince bir koruyucu tabaka ile etrafı sarılarak hapsedilen aktif bileşiklerin kimyasal bozunmaları ve buharlaşmaları engellenir. Ayrıca, aktif bileşiklerin salımı belli koşullarda ve uzun süre kontrol altında tutulabilir. Gıda, biyoteknoloji, kozmetik, ilaç ve tarım gibi bir çok endüstride bir çok değişik metodu sıklıkla kullanılmaktadır. Bunlar fiziksel, kimyasal ve fizikokimyasal olmak üzere sınıflandırılabilir. Koaservasyon methodu da bu metotlardan bir tanesidir ve iki birbirine karışmayan koloid sisteminde faz ayrılması olarak tanımlanır. Kompleks koaservasyon metodunda suda çözünebilen iki farkı yüke sahip duvar malzemeleri kullanılır ve bir polimerin eksi yükü ile diğerinin pozitif yükünün nötralizasyonu ile polimer bakımından zengin fazın ayrılmasına neden olur. Duvar malzemeleri bu bakımdan oldukça önemli bir role sahiptir. Seçilen duvar malzemesinin kapsüle edilecek malzemeyle herhangi bir etkileşiminin olmamasına dikkat edilmeli ve bununla birlikte suda çözünebilir, biyouyumlu ve biyoparçalanabilir özelliklere sahip olmalıdır. Jelatin ve arap zamkı kompleks koaservasyon yönteminde sıklıkla kullanılan iki polimerdir. Jelatin protein yapıda olup pozitif yüke sahiptir, arap zamkı ise polisakkarid olup negatif yüke sahiptir. Enkapsülasyon prosedürü süresince oluşan mikroküreler oldukça düşük mekanik kuvvete ve termal kararlılığa sahiptir. Bu durumu engellemek için mikroküreler çapraz bağlayıcı olarak isimlendirilen bifonksiyonel kimyasal bileşikler kullanılarak daha sağlam yapılara dönüştürülür. Bu yüzden duvar malzemesinin seçilmesi kadar kullanılacak olan çapraz bağlayıcıların seçimi de bir o kadar önemlidir. Glutaraldehit sıklıkla kullanılan ucuz, etkili bir şekilde kısa sürede çapraz bağ oluşturan ama toksik bir çapraz bağlayıcıdır. Genipin ise doğal kaynaklardan elde edilen, toksik olmayan, biyouyumluluğu yüksek bir çapraz bağlayıcıdır. Bu çalışmada, doğal bir çapraz bağlayıcı (yani genipin) kullanılarak gıda aromalarının verimli bir şekilde hapsedilmesi ve koaservasyon yönteminin potansiyel kullanımının belirlenmesi amaçlanmıştır. Ayrıca, üretim koşullarının mikrokürelerin oluşumu üzerine etkileri de incelenmiştir. Portakal yağı aroma, değişik oranlardaki jelatin/arap zamkı ise duvar malzemesi olarak seçilmiştir. İlk optimizasyon çalışmaları için mısır yağı, portakal yağı yerine kullanılmıştır. Duvar malzemelerin oranı dışında, aroma/duvar malzemesi oranı ve emülsiyon oluşturma aşamasında da farklı karıştırma hızları denenmiştir. Daha sonra hazırlanan mikrokapsüller, glutaraldehidin aksine doğal ve toksik olmayan genipin ile çapraz bağlanmıştır. Genipinin farklı konsantrasyonlarda (2-30 mM) ve farklı reaksiyon sürelerindeki (20-120 saat) etkisi incelenmiştir. Oluşan mikrokapsüller toplandıktan sonra dondurarak kurutma ile kurutulmuştur. Genipin eklendikten sonra oluşan mavi renk değişimi görsel olarak da izlenmiştir. Buna ek olarak optimum genipin konsantrasyonunu belirleyebilmek için çapraz bağlanmamış serbest amino gruplarının tayininde kullanılan ninhidrin deneyi uygulanmıştır. Aroma enkapsülasyon verimi döner buharlaştırıcı kullanarak tespit edilmiştir. Buna ek olarak, floresan boyası olarak yağda çözünen nil kırmızısı kullanılarak taramalı konfokal lazer mikroskobu ile de mikrokapsüller görüntülenmiştir. Toplam jelatin ve arap zamkı miktarı sabit olmak üzere oranlar değiştirildi. En yüksek mikrokapsül verimi jelatin/arap zamkı oranının 3:2 (ağırlıkça) olduğu örnekte gözlemlendi. Jelatin ya da arap zamkı oranının optimum koşullardan yüksek olduğu örneklerde (konsantrasyonlarının sırasıyla % 40 ve % 50 arttırılmasıyla) yeni oluşan mikrokapsüllerin kümelendiği ve jelleşme oluştuğu gözlemlendi. Genipin ile çapraz bağlama deneyleri sonucunda yüksek konsantrasyonlarda (10-30 mM) kullanılan genipin ile oda sıcaklığında bir gece bekletilen mikrokürelerde mavi renk oluşumu gerçekleştiği fakat düşük konsantrasyonlarda (2-5 mM) genipin kullanıldığına reaksiyon süresinin ve mavi renk oluşumunun 3 güne kadar uzadığı görüldü. Ancak, ninhidrin deneyleri sonucunda farklı genipin konsantrasyonları ile belirgin bir fark oluşmadığı görüldü ve aynı zamanda verim hesaplamalarına göre glutaraldehit ile çapraz bağlanan mikrokapsüllerin veriminin genipin ile çapraz bağlananlardan daha yüksek olduğu bulundu. Optimum koşullar altında mısır yağının verimi, glutaraldehit ile çapraz bağlanan mikrokapsüllerde % 81,6 iken genipin ile çağraz bağlanan mikrokapsüllerde % 57,8 olarak hesaplandı. Portakal yağı kullanılarak yapılan deney sonuçlarında verimin oldukça düşük olduğu görüldü (% 4,5) ve hatta bazı deneyler sonucunda mikrokapsül oluşmadığı gözlemlendi. Aynı zamanda, prosedür boyunca çevresel faktörlerin de (sıcaklık gibi) enkapsülasyon verimine ve mikrokapsüllerin oluşumu üzerine etkili olduğu görüldü. Mikrokapsüller nil kırmızısı kullanılarak floresan mikroskobunda görüntülendi ve optimum koşullarda, mikrokapsül boyutlarının 250-300 µm olduğu görüldü. Sonuç olarak, çapraz bağlayıcı olarak kullanılan genipinin enkapsülasyon işlemi için uygun olduğu ancak veriminin düşük olduğu görüldü ve enkapsülasyon koşullarının uçucu bileşikler (portakal yağı) için daha iyi optimize edilmesi gerektiğine karar verildi. Daha sonraki çalışmalarda farklı duvar malzemeleri kullanılabilir ve farklı pH değerlerinde genipinin reaksiyonu gerçekleştirilebilir.

Flavors are used in many areas, such as food, cosmetic, pharmaceutical and detergent industries to increase taste and/or odor. Production of these compounds by environmental-friendly biological processes instead of conventional chemical synthesis and design of new delivery system for these high value added compounds to preserve their properties are upmost importance for customer satisfaction. These highly valuable compounds are very expensive and they lose their effect beginning from the production step due to their volatile and oxidation labile nature. The decreases in properties continue during the transfer and storage of the product. To prevent this problem, encapsulation of flavors into different materials (e.g. gelatin, gum arabic, whey proteins, pectin, etc) is a well known method. In this study, the aim is to determine the potential of coacervation method and the usage of a natural crosslinker (i.e. genipin) in the efficient encapsulation of food flavors. Investigation of the effect of production conditions to microcapsule properties was also studied. As a model flavor, orange oil was encapsulated into different ratio of gum arabic/gelatin mixtures. Total amount of gelatin and gum arabic were kept constant but their ratio were changed. Highest encapsulation yield was found at 3:2 (gelatin/gum arabic, w/w). When gelatin or gum arabic amounts were higher than this optimum condition, newly formed microcapsules were aggregated and gelleted. Apart from the ratio of wall materials, core/wall material ratio and stirring rates were studied. For this purpose corn oil was used as the core material instead of flavor agent for initial optimization. Prepared microcapsules were crosslinked by a natural agent, namely genipin, that is non-toxic unlike glutaraldehyde. Microcapsules were cosslinked with different concentrations of genipin solutions (2-30 mM in dH20) and dried by lyophilization. Preparation conditions and different crosslinking agent concentrations were studied for their effect on coacervation properties. Crosslinking could be visualized by the blue color generation after genipin addition. Optimum ratio was found to be 2:3 (w:w) for gum arabic/gelatin and with high genipin concentrations (30 mM), blue color was obtained after an overnight incubation at room temperature while at low concentrations (2 mM), incubation time should be extended to 3 days. In addition to that, ninhydrin assay was applied to find optimum genipin concentration for gelatin/gum arabic mixture. Encapsulation yield was determined to be 57.8 % for corn oil. Moreover, microcapsules were visualized in fluorescence microscopy using nile red as lipid staining dye. Size distribution for optimum conditions were found to be 250-350 mm. In conclusion, genipin was proved to be a suitable crosslinker for the encapsulation of food ingredients. The encapsulation procedure should, however, be optimized to increase the yield for these volatile compounds.