Jelatın Veya Jelatın-selüloz Asetat İçeren Nanoliflerin Domates Ketçaplarında Sineresisi Önleyici Olarak Kullanılması

Abstract

Nanoteknoloji, nano düzeyde yürütülen bilim, mühendislik ve teknolojiler olarak tanımlanabilir. Nanoteknoloji uygulamaları şu ana kadar çok etkileşimde olmayan birçok mühendisliği biraraya getirmiştir. Diğer alanlardaki çok çeşitli uygulamaları yanında, nanobilim gıda ve gıda ile ilişkili ürünlerde de kullanılmaya başlamıştır. Bu uygulamaların kaynağından gıdaların makroskopik ölçekteki özelliklerinin mikroskopik yapısından kaynaklanması ve bunun reoloji gibi diğer özellikleri etkilemesi gelmektedir. Diğer alanlara kıyasla nanoteknolojinin gıdalarda uygulamaları sınırlı kalmıştır. Bunun başlıca nedenleri arasında gıdaların etiketlenmesi ve tüketici sağlığı konusunda bazı endişelerin bulunması sayılabilir. Nanoteknoloji ile atomik düzeyde tasarım yapılabiliyor olması çığır açarak standart operasyon koşullarını etkilemektedir. Gıda ve tarım alanındaki uygulamaları diğer uygulamalara nispeten yenidir. Yine de, özellikle son iki yıl içinde, bu yeni teknolojinin gıdalarda nasıl kullanılıp avantaj sağlanabileceği ile ilgili çalışmalar yapılmaktadır. Nanoteknoloji uygulamalarında kullanılan nanoyapılar üçe ayrılmaktadır: nanopartiküller, nanotüpler ve nanolifler. Nanolifler çapı 100 nm civarındaki lifler olarak tanımlanmaktadır. Nanolifler, özellikle organik nanolifler, tek boyutlu nanomateryallerin ilginç bir bileşenidir. Nanolif elde etmek için çeşitli teknikler kullanılmaktadır. Elektrodöndürme yöntemi ile, elektrostatik kuvvetlerle polimer çözeltisinden veya eriyiğinden ince çaplı (mikrometreden nanometreye kadar) ve yüzey alanı geniş lifler elde edilmektedir. Elektrodöndürme işlemini etkileyen faktörler arasında besleme çözeltisinin özellikleri (konsantrasyon, viskozite, elektriksel iletkenlik, yüzey gerilimi ve dielektrik özellikler), işlem parametreleri (elektriksel alan kuvveti, besleme hızı ve toplayıcı plaka mesafesi) ve nem ve sıcaklık gibi çevresel faktörler bulunmaktadır. Domates ketçabı, konsantre, püre veya domates salçasından veya domatesten soğuk veya sıcak ekstraksiyon işlemi ile üretilen baharatlı ve heterojen bir gıda ürünüdür. Domates salçası ve domates ketçabı sulu ortamda çözünmeyen maddelerin büyük konsantrasyonda bulunduğu dispersiyonlardır. Ketçap viskozitesini, yapısında doğal olarak bulunan pektik maddeler oluşturur. Bu ürünün reolojik özellikleri hazırlık, depolama, işleme ve taşıma sırasında önemlidir. Ketçap yapısal olarak ikiye ayrılabilir: kıvamlı şurup ve domates lifi. Bu iki kısmın oranı ve şurubun karakteristikleri, ketçabın kıvamını etkilemektedir. Ketçabın yapısı veya kıvamı, sıvı kısmın viskozitesine ve mevcut bulunan çözünmeyen domates lifinin miktarına bağlıdır. Viskozite, ketçabın işlenmesi sırasında ekonomik olarak da önemli bir parametredir. Çünkü ürün verimini ve kalitesini etkiler. Bu nedenle ketçaba, şurup kısmının viskozitesini arttıracak, daha kıvamlı bir ürün oluşturacak ve sineresisi azaltacak kıvam vericiler ilave edilmektedir. Serum ayrılması veya sineresis, geleneksel olarak işlenen domates ürünlerinde rastlanan önemli bir problemdir. Hem ürün kalitesini hem de tüketici beğenisini olumsuz etkilemektedir. Bunun için kullanılan hidrokolloidler, hem viskoziteyi arttırır hem de serum ayrılmasını azaltır. Hidrokolloidler, suda disperse olduklarında kıvamlı dispersiyonlar veya jel oluşturan yapılarıyla karakterize edilen uzun zincirli polimerlerden (polisakkaritler ve proteinler) meydana gelmiş heterojen yapıya sahip maddelerdir. Çok sayıda hidroksil gruplarının bulunması, bu maddelerin su moleküllerine bağlanmasını arttırarak hidrofilik olmalarını sağlamaktadır. Bunların oluşturdukları dispersiyonlar, gerçek çözelti ve süspansiyon arasında, kolloid özelliği göstermektedir. Bu nedenlerden dolayı bu maddeler “hidrofilik kolloidler” veya “hidrokolloidler” olarak adlandırılmaktadır. Jelatin, kolajenden elde edilen ve özellikleri kolajene benzeyen doğal bir biyopolimerdir. Jelatin ucuz olması bakımından da özel bir öneme sahiptir. Çeşitli işlemlerden geçirilerek veya diğer polimerlerle karıştırılarak jelatinden nanolif elde edilebilmektedir. Selüloz asetat, sülfirik asit varlığında selülozun asetik anhidrit ve asetik asitle reaksiyonu sonucunda elde edilen selülozun asetatıdır. Asetik asit, selüloz asetat için mükemmel bir çözeltidir. Selüloz asetat birçok uygulamada kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında elektodöndürme yöntemiyle elde edilen jelatin ve jelatin-selüloz asetat nanolifleri ketçapta sineresis önlemek için kullanılmıştır. Besleme çözeltisi olarak kullanılan jelatin çözeltilerinin konsantrasyonu arttıkça elektriksel iletkenlikleri de artmıştır. Buna karşın, yüzey gerilim değerleri azalmıştır. %7’lik jelatin çözeltisinden nanolif elde edilememiştir. Bunu nedeni ortamda yetersiz madde olması ve buna bağlı olarak yüzey geriliminin fazla ve viskozitesnin düşük olmasıdır. SEM fotoğraflarından %20’lik jelatin çözeltisinden nanolif elde edilebildiği görülmüştür. Buna ilaveten bu konsantrasyonda bütün etkili parametreler değiştirilse bile nanolif elde edilebildiği belirlenmiştir. Elde edilen nanolifler, uygulanan voltaj arttıkça daha düzgün yapıda, boncuksuz ve homojen olmuşlardır. Jelatin ve jelatin-selüloz asetat içeren nanoliflerin bulunduğu dispersiyonların zeta potansiyelleri ölçülmüştür. Sonuçlara göre, jelatin-selüloz asetat nanolifleri dispersiyonda daha stabildirler. Nanolif içeren dispersiyonların difüzyon katsayıları karşılaştırıldığında jelatin-selüloz asetatlı örneğin difüzyon kabiliyetinin daha fazla olduğu belirlenmiştir. Laboratuvarda hazırlanan ketçaplara % 0,25 ve % 0,5 oranında jelatin nanolifi, %0,5 oranında jelatin-selüloz asetat nanolifi ilave edilmiştir. Bu örnekler iki farklı sıcaklıkta (4 ve 25 oC’de) bir ay depolanmıştır. Örneklerde her hafta sineresis ve reoloji ölçümü yapılmıştır. Sonuçlara göre, en az sineresis görülen örnek jelatin-selüloz asetat nanolif içeren örnektir. Sineresisin, düşük sıcaklıkta yüksek sıcaklığa göre daha az belirlenmiştir. Reolojik ölçüm sonuçlarına göre, nanolif içermeyen ketçap örneklerinin n değerlerinin büyük olduğu belirlenmiştir. Ancak bütün örneklerin n değerleri 1’den küçük olduğu için hepsi psödoplastiktir. Nanolif ilavesi ketçap örneklerinin kıvam indekslerinde artışa neden olmuştur. En yüksek artış, jelatin-selüloz asetat içeren örneklerde görülmüştür. Bu çalışmada, ketçap örneklerinin sineresisi ve kıvamlarının, nanolif ilavesiyle değiştiği tespit edilmiştir. Az miktarda bir nanolif ilavesinin ketçap örneklerinin kıvamını arttırıp sineresis azalttığı belirlenmiştir. En iyi sonuç jelatin-selüloz asetat içeren ve düşük sıcaklıkta depolanan örneklerde tespit edilmiştir. Nanoliflerin ketçaplarda sineresisi önleyici ve kıvam arttırıcı olarak kullanılabileceği sonucu gıda endüstrisi bakımından önemli bir bulgudur.

Nanotechnology is science, engineering, and technology conducted at the nanoscale. Nanotechnology applications located in the center of various engineering branches, it also brings many scientists together doesn’t interact so far. In addition to applications in general areas, nanoscience is also inspiring science in the fields of food and food related products. It roots from the concepts that this technology provides a sound framework for developing an understanding of the interactions and assembly behavior of food components into microstructure, which influence food structure, rheology and functional properties at the macroscopic scale. Comparing to other areas, applications of nanotechnology in foods has been limited. The main reasons for the late incorporation of food into the nanotechnology sector are issues associated with the possible labeling of the food products and consumer-health aspects. The ability to design at atomic level nanotechnology creating a new world and deeply affects standardized operating procedures. Their applications to the agriculture and food sector are relatively recent compared with their use in other areas. Nevertheless, in the last two years, the world has entered into the search for ways to take advantage of this technology in the food industry. Nanostructures used in nanotechnology applications divided into three groups including nanoparticles, nanotubes and nanofibers. Nanofibers are defined as fibers with diameters on the order of 100 nanometers. Nanofibers especially organic nanofibers constitute a particularly interesting and versatile class of one dimensional nanomaterial. There are some different techniques to produce nanofiber. Electrospinning, a spinning technique, is a unique approach using electrostatic forces to produce fine fibers from polymer solutions or melts and the fibers thus produced have a thinner diameter (from nanometer to micrometer) and a larger surface area than those obtained from conventional spinning processes. Some properties related to solution (e.g., concentration, viscosity, electrical conductivity, surface tension, and dielectric properties), governing variables (e.g. electrical field strength, fluid flow rate, and distance to the collector plate) and ambient parameters such as humidity and temperature, can affect electrospinning process. Tomato ketchup is a heterogeneous, spiced product, produced basically from either cold or hot extracted tomatoes; or directly from concentrates, purees or tomato paste. Many foods of commercial importance, such as tomato paste and tomato ketchup, are concentrated dispersions of insoluble matter in aqueous media. Tomato ketchup obtains its viscosity from naturally occurring pectic substances in fruits. Their rheological behavior is important during handling, storage, processing and transport of concentrated suspensions in industry. Ketchup consists of two parts: a thick syrup and tomato fiber. The proportion of these two components and the characteristics of the syrup are the principal factors that determine the consistency of ketchup. The thickness or body of ketchup is largely determined by the viscosity of the liquid and the proportion of insoluble tomato fiber present. Viscosity has economic implications for tomato ketchup processors because it largely determines processing yields and product quality. For this reason, different thickeners are used to increase the viscosity of the syrup, yielding more consistent products and minimizing the phenomenon of syneresis. Serum separation or syneresis is one of the most important problems in conventionally processed tomato products and it affects both product quality and hence consumer acceptability negatively. Hydrocolloids increased the viscosity and reduced the serum loss of tomato ketchups. Hydrocolloids are a heterogeneous group of long chain polymers (polysaccharides and proteins) characterized by their property of forming viscous dispersions and/or gels when dispersed in water. Presence of a large number of hydroxyl (-OH) groups markedly increases their affinity for binding water molecules rendering them hydrophilic compounds. Further, they produce a dispersion, which is intermediate between a true solution and a suspension, and exhibits the properties of a colloid. Considering these properties, they are aptly termed as ‘hydrophilic colloids’ or ‘hydrocolloids’. Gelatin is a natural biopolymer made from collagens and has biological features as the collagens. It is an aqueous polymer. Gelatin does have a significant value that it is a low price biopolymer. By some post treatment method or combine with another polymer, gelatin can be used alone or as a blend component to prepare nanofiber. Cellulose acetate is important ester of cellulose, which can be obtained by reaction of cellulose with acetic anhydride and acetic acid in the presence of sulfuric acid. Acetic acid is in usually an excellent solvent for cellulose acetates with degree of acetyl substitution (DS) greater than 0.8. According to its processing, cellulose acetate can be utilized for various applications. In this study it was investigated using gelatin and gelatin-cellulose acetate nanofibers obtained by electrospinning technique to prevent syneresis in tomato ketchup. First process factors affecting the morphology and diameter of gelatin and gelatin-cellulose acetate nanofibers was investigated. The electrical conductivity of gelatin solutions increased with gelatin concentration. In contrast electrical conductivity results, surface tensions decreased with gelatin concentration. In this study, the gelatin solution at low concentration of 7% did not produce nanofibers, due to insufficient entanglements and high surface tension. Instead, the mixtures of drops and some fibrous structures were seen, and this is due to the viscosity of the solution being too low to generate continuous fibers. SEM images revealed that nanofibers could be obtained from the gelatin solution at 20%. In addition, nanofiber formations under all electrospinning process conditions can be obtained at that concentration, meaning the amount of gelatin in the solution at 20% was enough to form nanofibers. It should also be noted that nanofibers became less branching, without bead and more homogenous as applied voltage increased. The zeta potential values of dispersions with electrospun nanofibers from the gelatin solution at 20% , were higher than values for dispersions with electrospun nanofibers from the gelatin solution at 7%. However the zeta potential of dispersions with electrospun nanofibers from the gelatin-cellulose acetate solution was the highest one, 20.78 mV. For keeping a suspension in a stable or in a dispersed state the zeta potential values should be above +25 mV or below -25mV. Accordingly the closer value to the +25 mV belonged to the sample obtained from gelatin-cellulose acetate, meaning these nanofibers may suspend in a dispersed state longer comparing to the other nanofiber samples. The diffusion coefficient value of dispersion containing electrospun nanofibers from the gelatin solution at 20% was higher than the sample containing nanofibers from the gelatin solution at 7%. However the diffusion coefficient of dispersions with electrospun nanofibers from the gelatin-cellulose acetate solution was the highest one. Accordingly, higher diffusion coefficient means higher mobility of the polymer in the suspension. It was determined that the sample obtained from gelatin-cellulose acetate, had the highest diffusion coefficient (1.81 &#956;m2/s), and probably the highest mobility comparing to the other electrospun samples. After preparing the ketchup samples, different two concentrations of gelatin nanofiber (0.25% and 0.5%) and gelatin- cellulose acetate nanofiber (0.5%) added to ketchup samples and stored at different two temperatures (4°C and 25°C) for one month. After each week the syneresis and rheological measurements were done. The results showed that the ketchup samples including gelatin-cellulose acetate nanofiber provided the least amount of syneresis. Moreover, syneresis values of all samples that kept at 4°C were less than samples with the same concentration nanofiber that stored at 25°C. According to the rheological characterizations n values of ketchup samples without any nanofiber was the highest, however the n value of all samples was n<1, which means all samples are pseudoplastic. In addition, according to the rheological measurements it was obvious that the addition of electrospun nanofibers led to a dramatic increase in the consistency index of the tomato ketchups. It is well known that the higher the total solids the better will be the quality of the end product. The highest amount of consistency index was for ketchup samples with gelatin cellulose acetate electrospun nanofiber. In this study syneresis and consistency are factors that affected by adding electrospun nanofiber to ketchup samples. Little amount of electrospun nanofiber increase the consistency and, as a result, decrease the syneresis of tomato ketchup samples. According to the comparisons it was concluded that ketchup samples including gelatin-cellulose acetate nanofiber are more stable at 4oC. This study provided valuable information about the potential application of nanofibers as thickener in tomato ketchup.