Yeni Nesil Y/s/y Çift Katlı Emülsiyonlarının Tasarımı Ve Karakterizasyonu

Abstract

Bu çalışmada yağ içinde su içinde yağ (Y/S/Y) sistemleri biyopolimerler kullanılarak formüle edilmiştir. Bu sistemlere çift katlı emülsiyonlar veya çoklu emülsiyonlar diyebiliriz. Çoklu emülsiyonlar yağ içinde su (Y/S) ve su içinde yağ (S/Y) emülsiyon yapılarının her ikisini de içerirler ve yağ içinde su içinde yağ (Y/S/Y) veya su içinde yağ içinde su (S/Y/S) olmak üzere iki ana yapıda olurlar. Y/S/Y çoklu emülsiyonların formülasyonunda öncelikle yağ, su içinde çözündürülür. Bu yapı birincil emülsiyon olarak adlandırılır. Daha sonra emülsiyon ikinci bir yağ fazı içinde tekrar çözündürülür. Çalışmada emülsiyonlar yağ kristalizasyonu prensibine dayanan iki aşamalı emülsifikasyon yöntemiyle hazırlanmıştır. Birincil Y/S emülsiyonu doğal biyopolimerlerle stabilize edilip tasarlanmıştır ve daha sonra bu emülsiyona palm yağı eklenerek düşük katı yağ içeren Y/S/Y sistemleri oluşturulmuştur. Böylece ayçiçek yağının su damlacıklarının içine aktarılmasıyla ilgili yeni bir yaklaşım incelenmiştir. Çalışmanın özel hedefleri Y/S/Y çift katlı emülsiyonlarını farklı sıvı yağ, katı yağ ve su oranlarında tasarlamak ve bu emülsiyonları mikroskobik yapı, partikül boyut dağılımı, reoloji, tekstür ve termal stabilite özellikleri açısından karakterize etmektir. Birincil emülsiyonun bileşenleri için jelatin, ksantan gam ve ayçiçek yağı kullanılmıştır. Jelatin ve ksantan gam stok çözeltileri belirli miktarlarda polimer tozlarının arıtılmış suya eklenmesiyle hazırlanmıştır. Jelatin tozları beherde %10’luk solüsyon olacak şekilde tartılmıştır. Daha sonra çözelti manyetik karıştırıcıda 50 ˚C’de 30 dakika boyunca karıştırılmıştır. Ksantam gam tozlarından ise %2’lik solusyon hazırlanmış ve arıtılmış suda tamamen çözülene kadar manyetik karıştırıcıda karışması sağlanmıştır. Ayçiçek yağı kullanılmadan önce 4 ˚C’lik buzdolabında bekletilmiştir. Birincil emülsiyon için 6:4 (I), 2:8 (II), 1:9 (III) oranlarında üç farklı Y/S karışımı hazırlanmıştır. 6:4 oranındaki emülsiyon için 36 gram ayçiçek yağı, 12 gram ksantan gam ve 6 gram jelatin; 2:8 oranındaki emülsiyon için 12 gram ayçiçek yağı, 42 gram ksantan gam, 6 gram jelatin; 1:9 oranındaki emülsiyon için 6 gram ayçiçek yağı, 48 gram ksantan gam ve 6 gram jelatin kullanılmıştır. Öncelikle kapların içerisine terazi üzerinde tartılan miktarlarda polimerlerden ve ayçiçek yağından aktarılmıştır. Daha sonra karışım yüksek enerjili parçalama ünitesinde homojenize edilmiştir. Ürünlerden küçük bir damla örnek alınıp lam üzerine yerleştirilmiştir ve lamel ile hafifçe bastırılarak örnek yayılmıştır. Daha sonra optik mikroskop altında incelenmiştir. Bir protein olan jelatin hem hidrofil hem de hidrofob parçalara sahip olup doğal emülgatör görevi gördüğünden, ksantan gam ise emülgatör özelliği olmasa da iyi bir stabilizör olduğundan iki polimerin birlikte kullanılmasıyla Y/S emülsiyonunun yapısının belirdiği ve ayçiçek yağı damlacıklarının etrafında polimer ağının oluştuğu örnekler mikroskopta incelendiğinde net bir şekilde görülmüştür. Daha sonra ikinci aşama olan çift katlı emülsiyonların hazırlanmasına geçilmiştir. Çift katlı emülsiyonlar üç farklı şekilde hazırlanmıştır. İlk önce 6:4 (I) oranındaki Y/S emülsiyonu kullanılmıştır. 50 ˚C’de etüvde eritilen palm yağı değişen miktarlarda ayçiçek yağıyla karıştırılmış ve daha sonra karışıma birincil emülsiyon eklenmiştir. Sırasıyla %30 (IV), %38,3 (V), %46,7 (VI) ve %55 (VII) ağırlıklarında ayçiçek yağı içeren karışımlar homojenize edilerek çift katlı emülsiyonlar elde edilmiştir. Sonuç olarak son üründe su oranı %20’de sabit tutularak palm yağı oranının düşürülmesi amaçlanmıştır. Emülsiyonlar hazırlanırken Ultraturrax T 25B markalı homojenizatörde karıştırılmıştır. İkinci ve üçüncü tipteki çift katlı emülsiyonların hazırlanması için ise Ultraturrax-T 25 Dijital S25KV markalı homojenizatör kullanılmıştır. İkinci tipteki emülsiyonlar 2:8 (II) oranındaki Y/S emülsiyonun değişik miktarlarda kullanılmasıyla oluşturulmuştur. Böylece su oranı %30 (VIII), %40 (IX), %45 (X), ve %60 (XI) olacak şekilde ayarlanmıştır. İlk prosesten farklı olarak palm yağı doğrudan Y/S emülsiyonuna eklenmiştir. Çalışmalarda %30, %40 ve %45 su içeriğine kadar herhangi bir sentetik yüzey aktif madde kullanmadan çift katlı emülsiyonlar başarıyla elde edilmiştir. Sadece %60 oranında su içeren Y/S/Y emülsiyonunu elde edebilmek için lipofilik yüzey aktif madde olan poligliserol-polirikinoleat %0,4 oranında kullanılmıştır. Üçüncü tipteki emülsiyonlarda ise yine 6:4 oranında Y/S emülsiyonu kullanılmış ancak su oranı %20 (XII) ve %26,67 (XIII) olacak şekilde ayarlanmıştır. Y/S/Y emülsiyonları hazırlanırken tüm işlemlerde homojenizasyon esnasında palm yağının kristalleşerek katılaşması ve emulsiyonun stabil hale geçmesi için ikinci dakikadan itibaren kapların altına buzlu su yerleştirilmiştir. Karışımlar -0,15 ˚C’ye kadar soğutulmuştur ve ayçiçek yağının su fazında hapsedilmesi sağlanmıştır. Su oranına göre değişmekle birlikte toplam homojenizasyon süresi 9 ile 18 dakika arasında ayarlanmıştır. Palm yağının katılaşarak kristalleşmesi küre şekillerinde küçük su fazlarının oluşmasını sağlamıştır. Böylece karışımın stabilize olarak Y/S/Y çift katlı emülsiyon yapısına dönüşümü gerçekleşmiştir. Örnekleri incelemek için küçük bir miktarda alınıp lam üzerine yerleştirilmiştir ve lamel ile hafif bastırılıp yayılmıştır. Su fazı içine transfer olmuş yağ damlacıklarının polarize ve normal ışık altında fotoğrafları çekilerek optik mikroskop ile incelenmiştir. Mikroskobik resimler yağ damlacıklarını, su fazını ve polarize ışık altında mavi renk veren dış fazdaki palm yağı kristallerini net bir şekilde görmemize yardımcı olarak emülsiyonların morfolojisini ortaya çıkarmıştır. Y/S ve Y/S/Y sistemlerinin mikroyapıları krayojenik tarama elektron mikroskobu kullanılarak da incelenmiştir. Su fazının tamamen uzaklaştırılması prensibine dayanan yöntemde birincil emülsiyonda polimerlerin yağ ara yüzeyinde ve dış fazda belirgin bir ağ oluşturduğu gözlemlenmiştir. Polimerlerin (jelatin ve ksantan gam) yağ damlacıklarının etrafındaki varlığı yağ damlacıklarının birleşmesini önlediğini göstermiştir. Y/S emülsiyonlarında ortalama partikül boyutu hakkında bilgi sahibi olmak için ışığın saçılması prensibine dayanan parçacık büyüklüğü analiz cihazı kullanılmıştır. Örneklerden 1’er gram alınarak 100 gram arıtılmış su içerisinde çözülmüştür. Seyreltilen örneklerin damlacık boyutu sırasıyla 9,22 ± 2,29 μm (I), 17,21 ± 1,05 μm (II), 16,89 ± 0,63 μm (III) ölçülmüştür. Sonuçlar sabit jelatin oranında ksantan gam oranı artığında emülsiyonların ortalama partikül boyutunun büyüdüğünü göstermiştir. Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, 30/20/50 (IV) çift katlı emülsiyonunda su damlacığı boyutunu ölçmek için kullanılmıştır. Örnekler 18 mm’lik cam tüplere yüksekliği 40 mm olacak şekilde aktarılmıştır. Δ=36. saniyede partikül boyutu 8,91 ± 0,51 μm ve Δ=66. saniyede ise partikül boyutu 10,23 ± 0,07 μm olarak ölçülmüştür. Farklı ayçiçek yağı konsantrasyonlarının (%20 su oranında) ve farklı su konsantrasyonlarının (%20, %26,67, %30, %40, %45, %60 su oranlarında) çift katlı emülsiyonların reolojik ve tekstürel karakteristikleri üzerindeki etkisi reometre cihazında ve tekstür analiz cihazında değerlendirilmiştir. Tekstür analizi için örnekler dörderli olarak küçük plastik kutulara ortalama 20 mm yüksekliğe ulaşacak şekilde aktarılmıştır ve her bir emülsiyonun ortalama sertliği ve standart sapma değerleri bir gün sonra hesaplanmıştır. Grafik üzerinde değerlendirilen tekstür sonuçları su oranı sabitken %30’dan %55’e kadar artan ayçiçek yağı oranının sertlik değerlerini orantılı olarak düşürdüğünü göstermiştir. Sertlik değereri sırasıyla 13,40 ± 1,68 N (IV), 9,70 ± 2,13 N (V), 8,12 ± 0,70 N (VI), 3,42 ± 0,61 N (VII) olarak ölçülmüştür. Su oranının %30’den %60’a kadar yükselmesi yine çift katlı emülsiyonların sertlik değerlerinde düşüşe sebep olmuştur. Değişik su konsantrasyonlarında sertlik değerleri 58,99 ± 6,45 N (VIII), 27,47 ± 4,43 N (IX), 39,04 ± 2,13 N (X), 6,32 ± 0,67 N (XI) olarak ölçülmüştür. Ancak %20 ve %26,67 oranlarında su içeren diğer emülsiyondaki sertlik değerlerinde büyük bir fark gözlemlenmemiştir. Viskoelastik davranışı belirlemek için genlik kıvrılma gerilimi ve frekans kıvrılma testleri üçer tekrarlı olacak şekilde örnekler hazırlandıktan iki gün sonra uygulanmıştır. Emülsiyonların ve zayıf jel ve elastik özelliklere sahip olduğu tespit edilmiştir. Reolojik sonuçlar tekstür analiz sonuçlarıyla paralellik göstermiştir. Ayçiçek yağ oranı %30’dan %55’e kadar artırıldığında jel sertliği düşmüştür ve daha çok miktarda ayçiçek yağının su fazına geçtiği görülmüştür. Su oranı %20’den %60’a çıkartıldığında yine jel sertliği düşüş göstermiştir. Diferansiyel taramalı kalorimetre emülsiyonların pik sıcaklığı ve ısı akışı hakkında bilgi sahibi olmak için kullanılmıştır. Termogramlardaki pikler palm yağının çift katlı emülsiyon formu esnasında katılaştığını onaylamıştır. Belirli sürelerde 4 ˚C’de depolanan örneklerde hala çift katlı emülsiyon yapılarının korunduğu ancak su fazının bozulmaya başladığı ve emülsiyon stabilitesinde düşüş olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışmanın amacı jelatin ve ksantan gam ile Y/S emülsiyonlarını stabilize etmek ve daha sonra bu emülsiyonları düşük katı yağ içeriğine sahip Y/S/Y emülsiyonlarını oluşturmak için bir temel olarak kullanmaktır. Çalışmanın sonuçları sadece doğal biyopolimerler yardımıyla ayçiçek yağının hapsedilebileceğini ve katı yağ oranının azaltılarak daha düşük doymuş yağ içeren ürünlerin üretilebileceğini göstermiştir. Ayrıca, çift katlı emülsiyonların optimizasyonunda ve formulasyonunda bu metodun kullanılması ilerideki çalışmalarda aroma maddelerinin veya diğer bileşenlerin enkapsülasyonu için bu yapının temel alınabileceğini göstermiştir.

In this study oil-in-water-in-oil (O/W/O) systems which can be called double emulsion (DE) were formulated by using biopolymers. To formulate DE, first oil was dispersed in water. This process is referred oil-in-water O/W emulsion, then this emulsion was dispersed in a second oil phase. As they are more complicated to produce and more susceptible to breakdown there are only a few published researches about O/W/O systems. In this research O/W/O DEs were designed by fat crystallization method in a two stage emulsification method; in the first step primary emulsion (PE) was formulated which stabilized with biopolymers, and in the second step hardstock was added to the PE to get a structured oil system. Consequently, biopolymers were used to stabilize oil-in-water (O/W) emulsions and these emulsions were used further as template to generate the O/W/O emulsion with low solid fat content. Specific objectives were; to formulate O/W/O DEs at different proportion of liquid oil, hardstock, water and to characterize them in terms of microscopic structure, droplet size distribution, rheology, texture and thermal stability. A new approach was investigated that use of less solid fat in converting liquid oil into internal water droplets to get similar structure. Initially, sunflower oil (SFO) was dispersed in stock solutions containing gelatin (GL) at 10 weight% (wt) and xanthan gum (XG) at 2 wt% to develop PE. Three PEs at the oil/water ratio of 6:4 (I), 2:8 (II) and 1:9 (III) were prepared by using a high-energy dispersing unit Ultraturrax. For the DE preperation step, O/W ratio of 6:4 (I) emulsion was used in the first process. Varying amounts of palm oil (melted at 50 ˚C) and SFO added to 6:4 PE (I) then mixture homogenized with Ultraturrax. Emulsions containing SFO at 30 wt% (IV), 38.3 wt% (V), 46.7 wt% (VI) and 55 wt% (VII) were obtained while cooling them at -0.15 ˚C after two minutes of homogenization. In this way, fat crystallization occured and DE formation was observed. For next process, DEs prepared from 2:8 O/W ratio of (II) PE. Different amount of palm oils was directly added to PEs and mixture was subjected to cooling at -0.15 ˚C during homogenizing. As a result, DEs at 30 wt% (VIII), 40wt% (IX) and 45 wt% (X) water were obtained just by using natural emulsifier (GL) and stabilizer (XG). For achieving DE at 60 wt% (XI) water a lipophilic surface active agent polyglycerol-polyricinoleate was used at 0.4 wt%. For the last process 6:4 O/W ratio of PE (I) was used but water concentration varied at 20 wt% (XII) and 26.67 wt% (XIII). The microstructures of these systems were recorded by optical microscopy and cryogenic scanning electron microscopy. Microscopic images revealed the morphology of emulsions. Oil droplets and internal water droplets in emulsions can clearly be seen under polarized light and normal light. The light scattering method by Mastersizer was used to determine the average volume weighted droplet size of PEs. Droplet sizes measured as 9.22 ± 2.29 μm (I), 17.21 ± 1.05 μm (II), 16.89 ± 0.63 μm (III) respectively. Pulsed field gradient nuclear magnetic resonance (Pfg-NMR) was used to measure water droplet size of DEs. Droplet sizes measured as 8.91 ± 0.51 μm (Δ=36 second) and 10.23 ± 0.07 μm (Δ=66 second). The effect of different SFO concentrations (at 20 wt% water) and different water concentrations (at 20%, 26.67 wt%, 30 wt%, 40 wt%, 45 wt%, 60 wt% water) on the rheological and textural characteristics of emulsions were also evaluated using rheometer and texture analyzer to understand these systems. Texture analyses confirmed that hardness values decreased proportionally to the increasing SFO content from 30 wt% to 55 wt% at constant water ratio. Hardness values measured as 13.40 ± 1.68 N (IV), 9.70 ± 2.13 N (V), 8.12 ± 0.70 N (VI), 3.42 ± 0.61 N (VII) respectively. By increasing water content from 20 wt% to 60%, hardness values were also decreased. At different water concentrations hardness values were 58.99 ± 6.45 N (VIII), 27.47 ± 4.43 N (IX), 39.04 ± 2.13 N (X), 6.32 ± 0.67 N (XI). However, hardness values did not show major difference at 20 wt% and 26.67 wt% water. Amplitude sweep stress and frequency sweep tests were applied to understand viscoelastic behavior of emulsions. DEs showed weak gel structure and elastic behavior. Gel stiffness decreased by increasing water ratio which means that rheological results were in agreement with the results from texture analysis. Differential Scanning Calorimetry (DSC) was used to determine peak temperatures and heat absorption (melting) of samples. Thermograms confirmed that palm oil solidified during DE formation. DE samples stored in certain periods at 4 ˚C and recorded by optical microscopy. DE structure was still provided but water phase started to broke and emulsion stability decreased. The results of this work showed that the encapsulation of SFO by using GL and XG could be significant for producing reduced-fat products. Additionally, the optimization and the formulation of DEs with this method could be further used as a template for the encapsulation of flavors or other components.