Sporopollenin ekzin kapsül ile balık yağı enkapsülasyonuna ultrases teknolojisinin etkisinin incelenmesi
The investigation of the effects of ultrasound technology on fish oil encapsulation with sporopollenin exine capsule
Yazar: NURÇİÇEK DEDETAŞ
Danışman: DOÇ. DR. NEŞE ŞAHİN YEŞİLÇUBUK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Gıdalarda enkapsülasyon işlemi, gıda içeriğinde sıcaklık, ışık, nem gibi ortam şartları nedeniyle meydana gelebilecek değişimleri önlemek amacıyla gıda maddesinin gıdaya uyumlu bir duvar materyali ile çevrelenmesi olarak tanımlanır. Gıda maddelerine uygulanan bu işlem sayesinde gıda maddesi ile bulunduğu ortam arasında bir bariyer oluşturulur ve gıdanın organoleptik özelliklerinin ve besin değerlerinin korunması sağlanır. Bu sayede gıdaların stabilizasyonunun artmasına, yani raf ömrünün uzamasına katkıda bulunulmuş olur. Elde edilen kapsüller mikro boyutlarda olduğunda bu işlem "mikroenpasülasyon" olarak adlandırılır.
Lipofilik biyoaktif bileşenler açısından zengin bir yağ olan balık yağının, uzun zincirli çoklu doymamamış omega-3 yağ asitleri olan Dokosahekzaenoik asit (DHA) ve Eikozapentaenoik asit (EPA)  içeriği oldukça yüksektir. Balık yağının insan sağlığı üzerinde çok büyük etkisi olduğu bilinmektedir. Eldeki en eski bilgilere göre Eskimo'lar gibi çok fazla balık tüketen toplumlarda kalp rahatsızlıklarının ve buna bağlı ölümlerin sayısı oldukça düşüktür. Yapılan çalışmalarda balık yağının koroner kalp hastalıklarına, yüksek tansiyona, romatoid artrite iyi geldiği görülmüştür. Bunlara ek olarak beyin gelişimine de etki ettiği bilinmektedir. Depresyon, bilinç zayıflaması, Alzheimer gibi sorunların oluşmasını engellemede de balık yağı büyük bir rol oynamaktadır.
Sağlık üzerine olan olumlu etkilerinden dolayı balık yağının gıda takviyesi olarak tüketimi önem kazanmıştır. Ancak balık yağının yapısında bulunan doymamış yağ asitleri, yağın havadaki oksijene karşı direncini azaltırken, oksidasyonunu arttırmaktadır. Oksidasyon sonucunda hem balık yağının besin değerlerinde düşme hem de istenmeyen kötü koku ve tatlar meydana gelir. Bu nedenle balık yağının raf ömrü kısalır. Oluşan oksidasyon reaksiyonunu önlemek için balık yağına enkapsülasyon uygulamaları yapılarak raf ömrünün artırılması çalışmaları yapılmaktadır. Ayrıca balık yağının kendine has, hoş olmayan kokusunu maskelemek için de enkapsülasyon yöntemi tercih edilir. Enkapsülasyon işleminin temelinde, kullanılan gıda matriksi ve duvar materyaline bağlı olarak yağ içinde su veya su içinde yağ emülsiyonlarının oluşturulması ve çeşitli yöntemler ile bir potansiyel fark oluşturularak duvar materyalinin gıda maddesini çevrelemesi vardır. Enkapsülasyon işleminde duvar  materyali olarak şeker, nişasta, selüloz, malto dekstrin, pektin ve glikoz şurubu gibi polisakkaritler; soya, kazein, peynir altı suyu gibi proteinler ve kitosan gibi polimer maddeler kullanılır. Elde edilen kapsüllerin maksimum dayanıklılıkta ve stabilitede olması için püskürtmeli kurutma, dondurarak kurutma, akışkan yatak kaplama, ekstrüzyon ve kokristalizasyon gibi yöntemlerden ve duvar materyali alternatiflerinden en uygun olanı seçilerek mikrokapsüller oluşturulur.
Balık yağının enkapsülasyonu ile ilgili son yıllarda çalışılmaya başlanan bir diğer konu ise mikro boyutlarda olan sporopollenin ekzin kapsül ile kapmala metodudur. Sporopollenin ekzin kapsül (SEC), kurtpençesi (Lycopodium clavatum) bitkisinin sporlarının iç materyalinin boşaltılmasıyla elde edilen, küre şeklindeki içi boş organik yapıdır. Sporun "ekzin" olarak adlandırılan dış duvarı oldukça sağlam yapıdadır. Ekzin duvar lipofilik porlardan oluşur ve sporun yapısında bulunan protein, yağ ve karbonhidratın bu porlardan ekstraksiyon yöntemiyle çıkarılmasının ardından spor içinde boşluk oluşur. Elde edilen SEC balık yağı ile karıştırıldığında, balık yağı bu lipofilik porlardan geçerek SEC'in içine doğru difüze olur. Bu yöntemde enkapsülasyon için herhangi bir emülsiyon oluşturmaya gerek yoktur, balık yağı lipofilik çekim kuvvetleri vasıtasıyla SEC ile kaplanır. Bu enkapsülasyon yöntemi sadece balık yağının değil, daha yüksek viskozitedeki yağların da kaplanmasında kullanılır. Yapılan işlemin etkinliğini arttırmak için vakum / basınç uygulaması veya santrifüj gibi destekleyici yöntemlerden de yararlanılır.
Bu çalışmada, son yıllarda önemi ve tüketimi artan balık yağının, bilinen polimer maddeler yerine, doğadan elde edilen bitki sporları ile kaplanması üzerinde durulmuştur. SEC ile yapılan enkapsülasyon işleminin etkinliğini arttırmak amacıyla balık yağı SEC karışımları ultrases dalgalarına maruz bırakılmıştır. Çalışmada iki yöntem denenmiştir. 1.sinde pasif difüzyon ile 1:1 ve 1:2 oranlarında SEC:Balık Yağı karışımları hazırlanarak enkapsülasyon için 24 saat bekletilmiş; 2.sinde ise 1:1 ve 1:2 oranlarında SEC:Balık Yağı karışımları hazırlanmış, ardından 15 dakika ultrases banyosunda bekletildikten sonra 24 saatlik bekleme süresine tabi tutulmuştur. Elde edilen mikrokapsüllerin karakterizasyonunu yapmak için 10, 20, 40 ve 100 kat büyütülmüş mikroskop görüntüleri ve SEM görüntüleri alınmıştır. Ultrases uygulanan enkapsülasyon işleminin enkapsülasyon verimini, uygulanan işlemin enkapsülasyonu arttırıcı bir etki yapıp yapmadığını anlamak için her iki yöntemle de elde edilen mikrokapsüller stabilite testine tabi tutulmuştur. Enkapsülasyonun hemen ardından peroksit ve p-anisidin analizleri yapılan mikrokapsüller 65˚C'lik etüvde 6, 12, 18 ve 24 gün bekletilmiş ve ardından tekrar peroksit ve p-anisidin analizleri yapılarak her iki yöntemin sonuçları karşılaştırılmıştır.
Elde edilen sonuçlarda her iki yöntemde de SEC içine difüze olmayan yağ damlalarının kaldığı mikroskop görüntüleri ile belirlenmiştir. Ultrases dalgalarının SEC'in yapısına zarar vermediği ise SEM görüntülerinde görülmektedir. Ancak ultrases uygulamasının enkapsülasyon verimini arttırmak yerine azalttığı ve istenilen etkiyi yaratmadığı, stabilite testine tabi tutulan örneklerin oksidasyon değerlerinin ölçülmesi ile ortaya çıkmıştır.

Abstract:
The process of encapsulation is to surround a food material with a wall, which is compatible with the food, in order to prevent changes due to environmental circumstances such as light, humidity and temperature. A barrier is created between the food material and its environment and therefore organoleptic prpoerites and nutritive value of food are protected. Also, it has a contribution to the stabilization of foos products which means that shelf-life of the food increases. When the capsules are in micro size, this process is called as "microencapsulation".
	The fish oil contains lots of bioactive lipophilic components. Long chain omega-3 polyunsaturated fatty acids (PUFAs) such as Docosahexaenoic acid (DHA) and eicosapentaenoic acid (EPA) are quite high in fish oil. It is known that fish oil has important effect on human health. According to the earliest information, heart diseases and deaths from heart diseases are quite low in the societies who consume fish a lot, like Eskimos. According to previous studies, it is found that fish oil is good for heart diseases, hypertension, and rheumatoid arthritis. It is also known that fish oil is good for brain development. Fish oil has an important role to prevent the problems such as Alzheimer and depression.
	Since fish oil has positive effects on human health, its consumption as food complement became important. However, the unsaturated fatty acids in fish oil's structure increase its oxidation value while decrease its resistance to the oxygen. As a consequence of oxidation, nutritive values of the foods decrease and some unpleasant tastes and smells occur. For these reasons, shelf-life of fish oil shortens. To prevent oxidation and to lengthen shelf-life of fish oil,  encapsulation applications are being used. Furthermore, encapsulation method is preferred to mask the bad smell of natural fish oil. Forming oil -in-water or water -in-oil emulsions depending on the type of food matrix and wall material, and creating potential difference by using several methods to encapsulate or surround active material by wall materials are the basis of encapsulation process. During encapsulation process, polysaccharides such as sucrose, starch, cellulose, maltodextrin, pectin and glucose syrup, proteins such as soy, casein, and whey and polymer substances such as chitosan are used. To make the resulting capsules at the maximum strength and stability, the most appropriate method among  spray drying, freeze-drying, fluidized bed coater, extrusion and co-crystalization and the most appropriate wall materials are selected.
	Another recently studied topic related with fish oil encapsulation is the method of covering with micro-sized sporopollenin exine capsules. Sporopollenin exine capsule (SEC) is a hollow spherical organic structure which is obtained by draining the inner materials of spores of Lycopodium clavatum. The outer wall of the spore is durable and it is called as "exine". Exine wall consists of lipophilic pores and after ejecting protein, fats and carbohydrates which are in the structure of the spore, out of these pores with extraction method, a gap is created inside of the spore. When empty SEC is mixed with fish oil, it diffuses into the SEC through these lipophilic pores. In this method, there is no need for preparation for an emulsion for encapsulation because fish oil is covered with SEC by means of lipophilic force of attraction. This encapsulation method is not only used for fish oil, but also used to cover high viscosity oils. To increase the efficiency of this process, supportive methods, such as vacuum-pressure or centrifuge, can also be used. 
	This study aimed at covering fish oil, which is commonly used in nowadays, with plants spores instead of polymer substances. To increase the efficiency of encapsulation process done with SEC, fish oil and SEC combinations are exposed to ultrasound waves. The study was conducted in two parts. The first one is with passive diffusion, SEC:Fish oil combinations are prepared and waited for 24 hours with the ratios of 1:1 and 1:2. For the second one, 1:1 and 1:2 ratio SEC:Fish oil combinations are prepared but waited for 24 hours after being exposed to ultrasound waves for 15 minutes. For the characterization of the obtained microcapsules, 10, 20, 40, and 100 times zoomed microscope images and SEM images were taken. To understand whether the ultrasound method increases the efficiency of the encapsulation process, all of the capsules obtained from two different ways were subjected to stability test. Immediately after encapsulation, peroxide and p -anisidine analysis were applied to microcapsules, and they were are waited in the 65˚C oven for 6, 12, 18 and 24 days and analysis were being performed. Results were compared according to the initial values.
	Obtained results are determined with the microscope images of oil droplets which did not diffuse into the SEC. It can be seen from SEM images that, ultrasound application did not damage the structure of SEC. Nonetheless, by measuring oxidation values of the samples which are exposed to stability test, it can be revealed that ultrasound applications did not create expected effect, and instead of increasing, it caused a decrease in the efficiency of encapsulation.