Karanfil çiçeğinden antosiyanin ekstraktı eldesi ve doğal gıda renklendiricisi olarak stabilitesinin incelenmesi
Extraction of anthocyanin from carnation flowers and determination of its stability as a natural food colorant
Yazar: ECEM VURAL
Danışman: PROF. DR. AYHAN TOPUZ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Bu çalışmada atık karanfil çiçeklerinden (Dianthus caryophyllus L.) antosiyanin ekstraktı elde edilmiş ve bu ekstraktın doğal gıda renklendiricisi olarak stabilitesi ve kullanılabilirliği araştırılmıştır. Bu amaçla "Osiris", "Radiant" , "Euforia", "Hot Pink" ve "Chateau" çeşitlerine ait atık karanfil çiçeklerinin antosiyanin miktarı belirlenmiştir.  Diğer çeşitlerdeki karanfil çiçeklerine kıyasla çok yüksek (kuru maddede 143,21 mg/kg çiçek) toplam monomerik antosiyanin içeriğine sahip olduğu belirlenen mor renkli "Osiris" çeşidi karanfil çiçeğinin kullanılmasına karar verilmiştir. 
Karanfil çiçeğinden antosiyanin bazlı renklendirici elde etmek için zorlamalı konveksiyonlu katı-sıvı ekstraksiyonu ve ultrason destekli katı-sıvı ekstraksiyonu üzerinde optimizasyon çalışması yapılmıştır. Atık karanfil çiçeklerinin taç yapraklarından 0,1 N HCl ile asitlendirilmiş etanol kullanılarak antosiyanin ekstrakte edilmiştir. Ekstraksiyon optimizasyonu yanıt yüzey metodu kullanılarak Box-Behnken deneme desenine göre gerçekleştirilmiştir. Optimum ekstraksiyon koşulları, maksimum toplam monomerik antosiyanin içeriği sağlanacak şekilde belirlenmiştir. Ekstraksiyon çalışması sonunda, seçilen değişkenlerin ve ekstraksiyon yönteminin ekstraksiyon verimine istatistiki olarak önemli bir etkisinin olmadığı (p>0,05) tespit edilmiştir. Yapılan ek çalışmalar ile, parçalama etkinliği (p<0,001), etanol oranı (p<0,05) ve ekstraksiyon süresinin (p<0,001) ekstraksiyon verimi üzerine etkisinin istatistiki olarak önemli olduğu görülmüştür. Ekstraksiyon yöntemi olarak zorlamalı konveksiyonlu katı-sıvı ekstraksiyonu yöntemi seçilmiş, ekstraksiyon 30  °C sıcaklıkta ve 178 d/dk dairesel hızda çalışan çalkalamalı su banyosunda gerçekleştirilmiştir. Optimum ekstraksiyon koşulları 1/20 katı-sıvı oranı, %80 etanol – 0,1 N HCl oranı, 3 kez 5 saniye mekanik parçalama  işlemi ve 20 dakika ekstraksiyon süresi olarak belirlenmiştir. 
Optimum koşullarda elde edilen ekstrakt bir döner buharlaştırıcıda 10 °Brikse kadar konsantre edilmiştir. Bu ekstraktın toplam monomerik antosiyanin miktarının siyanidin-3-glikozit cinsinden kuru maddede 404,13 mg/kg ekstrakt olduğu belirlenmiştir. Ekstrakta, son konsantrasyon 20  °Briks olacak şekilde taşıyıcı (maltodekstrin-DE12) eklenmiştir. Taşıyıcı eklenen ekstrakt püskürtmeli kurutucuda ve donuk kurutucuda kurutularak toz gıda renklendiricisi elde edilmiştir.
Sıvı ve toz formda elde edilen doğal gıda renklendiricilerinin bazı fiziksel özellikleri belirlenmiştir. Püskürtmeli kurutulmuş örneğin; toz verimliliği % 61,30, su aktivitesi 0,41, nem değeri %6,33, çözünürlüğü %80,39, yığın yoğunluğu 244,19 kg/m3, bulanıklığı 14,85 NTU ve renk değerleri L* 55,38, a* 46,71, b* 6,28, h° 7,65, C* 47,12 olarak hesaplanmıştır. Donuk kurutulmuş örneğin ise; toz verimliliği %91,56, su aktivitesi 0,24, nem değeri %4,34, çözünürlüğü %81,01, yığın yoğunluğu 500,10 kg/m3, bulanıklığı 14,95 NTU ve renk değerleri L* 47,07, a* 37,03, b* 5,66, h° 8,69, C* 37,46 olarak hesaplanmıştır. 
 Sıvı ve toz formda elde edilen doğal gıda renklendiricilerinin stabiliteleri ticari olarak piyasada bulunan antosiyanin bazlı sıvı gıda renklendiricisiyle model gıda denemeleri yapılarak karşılaştırılmıştır. Model gıda olarak, aynı miktarda toplam monomerik antosiyanin içerecek şekilde şeker hamuru, dondurma ve gazlı içecek hazırlanmıştır. Şeker hamuru örneklerinin toplam renk değişimi değerlerinin; tüm varyasyon kaynaklarından (renklendirici çeşidi, depolama koşulu, depolama süresi) ve bunların interaksiyonlarından istatistiki olarak p<0,001 düzeyinde etkilendiği görülmektedir. Karanfil çiçeğinden elde edilen sıvı ve toz renklendirici ile hazırlanan şeker hamuru örneklerinin kendi arasında istatistiki olarak önemli bir fark bulunmazken; antosiyanin bazlı ticari sıvı gıda renklendiricisi ile hazırlanan şeker hamuru örneği ile bu iki şeker hamuru örneği arasındaki fark istatistiki olarak önemli bulunmuştur.  Dondurma örneklerinin toplam renk değişimi değerlerinin renklendirici çeşidi varyasyon kaynağından istatistiki olarak p<0,05 düzeyinde etkilendiği belirlenmiştir. Karanfil çiçeğinden elde edilen sıvı renklendirici ve antosiyanin bazlı ticari sıvı gıda renklendiricisi ile hazırlanan dondurma örneklerinin kendi arasında, ticari sıvı gıda renklendiricisi, karanfil çiçeğinden elde edilen püskürtmeli kurutulmuş toz ve donuk kurutulmuş toz renklendirici ile hazırlanan dondurma örneklerinin kendi arasında istatistiki olarak önemli bir fark bulunmazken; antosiyanin bazlı ticari sıvı gıda renklendiricisi ve karanfil çiçeğinden elde edilen sıvı renklendirici ile hazırlanan dondurma örnekleri arasındaki fark istatistiki olarak önemli bulunmuştur. Gazlı içecek örneklerinin toplam renk değişimi değerlerinin; tüm varyasyon kaynaklarından (renklendirici çeşidi, depolama süresi) ve bunların interaksiyonlarından istatistiki olarak p<0,001 düzeyinde etkilendiği görülmektedir. Karanfil çiçeğinden elde edilen sıvı renklendirici ve antosiyanin bazlı ticari sıvı gıda renklendiricisi ile hazırlanan gazlı içecek örnekleri arasındaki fark istatistiki olarak anlamlı bulunmuştur. Tüm model gıdalarda karanfilden elde edilen sıvı ve toz formda renklendiricilerin uygun miktarlarda eklendiğinde antosiyanin bazlı ticari sıvı renklendiriciye alternatif olabileceği düşünülmektedir.
Ayrıca karanfil çiçeği antosiyaninlerinin degradasyon kinetiği parametreleri hesaplanmıştır. Karanfil çiçeği antosiyaninlerinin sıcaklığa bağlı degradasyonunun birinci dereceden reaksiyon kinetiğine göre gerçekleştiği belirlenmiştir. Reaksiyon hız sabitleri (k) ve yarılanma süreleri (sa) 70, 80, 90 ve 100  °C'sıcaklıklarda sırasıyla 0,42 x 10-3 dk-1; 0,71 x 10-3 dk-1; 1,68 x 10-3 dk-1; 3,68 x 10-3 dk-1 ve 27,57 sa; 16,31 sa; 6,90 sa; 3,14 sa olarak hesaplanmıştır. Tepkimeye ait aktivasyon enerjisinin (Ea) 78,37 kJ/mol olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
The aim of this study was to investigate anthocyanin extraction from waste carnation flowers (Dianthus caryophyllus L.); stability and usage of obtained extract as a natural food colorant. On this aim, the anthocyanin contents of waste carnation cultivars named as "Osiris", "Radiant", "Euforia", "Hot Pink" and "Chateau", were determined. It was decided to use the purple-colored "Osiris" cultivar carnatian flower which was found to have a very high content (143.21 mg/kg dry flower) of total monomeric anthocyanin compared to the carnation flowers of the other cultivars.
In order to obtain anthocyanin based colorant from carnation flower, an optimization study was carried out by forced convectional solid-liquid extraction and ultrasound assisted solid-liquid extraction methods. Anthocyanin was extracted from petals of waste carnation flowers by using ethanol, acidified with 0.1 N HCl. Optimization of extraction conditions were carried out by using response surface method according to Box-Behnken experimental design. Optimum conditions of extraction were determined by maximum total monomeric anthocyanin content. In this optimization study, none of the chosen variables and extraction methods showed any significant effect (p>0,05) on extraction yield. Thus, additional study was carried out and it was found that only variables showed significant effect on extraction efficiency were size reduction efficiency (p<0.001), ethanol ratio of solvent (p<0.05)  and extraction time (p<0.001). Forced convectional solid-liquid extraction was selected as the extraction method and anthocyanins were extracted in a shaking water bath, set to 30 °C and 178 rpm. Optimum extraction conditions were determined as 1/20 solid-liquid ratio, 80% ethanol – 0.1 N HCl ratio, 3 times 5-second-Ultra-turrax treatment and 20 minutes extraction time. 
The extract, obtained by using optimum extraction conditions, was condensed to 10 °Bx via a rotary evaporator. It was determined that the amount of total monomeric anthocyanin content of the obtained extract was 404.13 mg cyanidin-3-glucoside/kg dry extract. Following that, wall material (maltodextrin-DE12) was added to the condensed extract to provide the final concentration of 20 °Bx. The final extract was then fed to spray dryer and freeze dryer to obtain powder food colorant.
Some physical properties of the natural food colorants, obtained in liquid and powder form, were determined. For the spray-dried sample, powder yield was determined as 61.30% while water activity as 0.41, moisture content as 6.33%, solubility as 80.39%, bulk density as 244.19 kg/m3, turbidity as 14.85 NTU and colour values for L*, a*, b*, h° and C* as 55.38, 46.71, 6.28, 7.65 and 47.12, respectively. For the freeze-dried sample, powder yield was determined as 91.56% while water activity as 0.24, moisture content as 4.34%, solubility as 81.01%, bulk density as 500.10 kg/m3, turbidity as 14.95 NTU and colour values for L*, a*, b*, h° and C* as 47.07, 37.03, 5.66, 8.69 and 37.46, respectively. 
The stability of the natural food colorants, obtained in liquid and powder form, were investigated by using them in model food samples and compared to commercial anthocyanin-based liquid food colorant as a replacement. Sugar paste, ice-cream and carbonated beverage was prepared as model food sample with equal total monomeric anthocyanin content. It was determined that the values of total colour change were affected statistically by all sources of variation (colorant type, storage condition, storage time) and their interactions at the level of p<0.001. The sugar paste samples, prepared by liquid and powder colorant obtained from carnation flower, showed no significant difference among themselves while there was a significant difference between these two samples and the one prepared by anthocyanin based liquid food colorant. The values of total colour change of ice-cream samples showed significant difference at the level of p<0.05 depending on colorant type. The sugar paste samples, prepared by liquid and powder colorant obtained from carnation flower, showed no significant difference among themselves while there was a significant difference between these two samples and the one prepared by anthocyanin based liquid food colorant. Ice-cream samples prepared with liquid colorant obtained from carnation flower and anthocyanin based commercial food colorant showed no significant difference. Similarly, samples prepared with spray dried and freeze-dried powder colorants obtained from carnation showed no significant difference. However there was a significant difference between ice-cream samples prepared with liquid commercial food colorant and liquid colorant obtained from carnation flower.The values of total colour change of carbonated beverage samples were affected statistically by all sources of variation (colorant type, storage time) and their interactions at the level of p<0.001. The difference between carbonated beverage samples prepared with liquid colorant obtained from carnation flower and anthocyanin based commercial food colorant was significant. When added in suitable amounts, the liquid and powder colorants obtained from carnation flowers could be an alternative to anthocyanin based commercial liquid colorant for model foods.
In addition, the degradation kinetic parameters of carnation flower anthocyanins were calculated. It has been determined that the temperature-dependent degradation of carnation flower anthocyanins occurs according to the first order reaction kinetics. The reaction rate constants (k) and half times (h) were determined for 70, 80, 90 and 100 °C as 0.42 x 10-3 min -1; 0.71 x 10-3 min-1; 1.68 x 10-3 min-1; 3.68 x 10-3 min-1 and 27.57 h; 16.31 h; 6.90 h; 3.14 h, respectively. The activation energy (Ea) of the reaction was determined as 78.37 kJ / mol.