Safrandan gıda boyası üretimi ve mikroenkapsülasyonu
Food colorant production and microencapculation from saffron
Yazar: YÜKSEL BAYRAM
Danışman: PROF. DR. OSMAN SAĞDIÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Safran = Saffron ; Stabilite =

Özet:
Safran olarak bilinen Crocus sativus L. özellikle doğal renk maddesi, gıda katkı maddesi, kozmetik amaçlı ve bitkisel ilaç olarak kullanılmaktadır. Safran stigmaları, renk maddesi olan krosin içermektedir.
Bu tez çalışması, üç aşamadan oluşmuştur. Birinci aşama, safran stigmalarından elde edilecek renk maddesi olan krosinin optimum ekstraksiyon koşullarının belirlenmesi amacıyla yapılmıştır. Bunun için, ultrason destekli ekstraksiyon işlemlerinin optimizasyonu, yanıt yüzey metodolojisi kullanılarak yapılmıştır. Proses parametreleri; ekstraksiyon süresi (3-15 dk), sıcaklık (25-65 oC), ultrases şiddeti (%20-100) ve çözücü:katı oranı (1000-3000 ml/g) olarak belirlenmiştir. Ekstrakte edilen maksimum krosin miktarı 440 nm de spektrofotometrik olarak ölçülmüştür. Ayrıca optimum koşullara göre elde edilen ekstraktların biyoaktif bileşenleri, antioksidan kapasitesi, aroma profili ve renk parametreleri tespit edilmiştir.
İkinci aşamada, safranın renk maddesi olan krosinin stabilitesinin artırılması amacıyla püskürtmeli kurutucu ile mikroenkapsülasyon işlemi gerçekleştirilerek, mikrokapsüllerin karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Mikrokapsüllerin morfolojik özellikleri, enkapsülasyon etkinliği, aroma profili, biyoaktif özellikleri, antioksidan kapasitesi ve renk parametreleri belirlenmiştir. Ayrıca, krosin içeren mikrokapsüllere stabilizasyon testleri uygulanarak reaksiyon kinetiği incelenmiştir. Krosinin termal ve pH stabilitesi farklı sıcaklıklarda (60, 70, 80 ve 90 ◦C) ve pH seviyelerinde (2, 4,5 ve 6) belirlenmiştir.
Üçüncü aşamada ise elde edilen kapsüllenmiş safran renk maddesinin bir gıda matriksi üzerinde uygulaması yapılmıştır. Bununla birlikte, model sistemin biyoaktif özellikleri, antioksidan kapasitesi, renk parametreleri, pH değerleri belirlenmiş ve eğitimli panalistlere duyusal analiz testleri yaptırılmıştır.
Sonuç olarak, işlem parametrelerinin krosin verimine etkisi, kuadratik modeller (R2>0,99 ve adj R2>0,98) ile başarılı bir şekilde belirlenmiştir. Tüm değişkenlerin krosin verimini önemli derecede etkilediği tespit edilmiştir (p<0,1).  İşlem parametreleri, ekstraksiyon süresi (4,40 dk), sıcaklık (55 oC), ultrases şiddeti (%94) ve çözücü: örnek oranı (1000 ml/g) optimum ekstraksiyon koşulları olarak seçilmiştir. 
Safran ve mikrokapsüllerin toplam fenolik, flavonoid miktarları ve CUPRAC yöntemi ile belirlenen antioksidan kapasitesi sırasıyla 31,61±0,26;14,05±0,22 mg GAE/g; 9,34±0,42;4,44±0,28 mg CAE/g; 302,6±10;81,86±0,32 mg TEAC/g olarak bulunmuştur. Renk parametreleri; toz haline getirilmiş ve ekstrakte edilmiş safranların CIE L *, a * ve b * değerleri sırasıyla 35,12±0,02;37,64±0,11, 41,67±0,13;2,10±0,01, 3,85±0,01;3,54±0,03 olarak tespit edilmiştir. Mikrokapsül ürün ve mikrokapsül ekstraktının CIE L *, a * ve b * değerleri sırasıyla 55,61±0,04;47,38±0,10, 76,44±0,07;2,48±0,07, 1,60±0,03;3,99±0,14 olarak belirlenmiştir.
Safranal, hem safran hem de mikrokapsül ekstraktında en fazla miktardaki uçucu bileşik olarak belirlenmiştir. Kapsülleme işleminin, yüzde olarak uçucu bileşen dağılımını önemli ölçüde etkilemediği görülmüştür (p>0,05).
Yapılan stabilite testleri sonucunda krosin degradasyonu, birinci dereceden reaksiyon kinetiği göstermiştir ve bozunma hız sabitinin (k), pH ve sıcaklıktan önemli ölçüde etkilendiği tespit edilmiştir (p<0,05). Yüksek sıcaklık ve düşük pH uygulamasının, krosin içeriğinde daha yüksek bozunmaya (k) neden olduğu belirlenmiştir. 
Sonuç olarak bu çalışma ile safran renk maddesi olan krosinin püskürterek kurutma işlemi kullanılarak kapsüllenmesiyle uygun koruma sağlanacağı ve orta düzey ısıya maruz kalacak, yüksek veya orta asitli gıdalarda doğal bir gıda renklendiricisi olarak kullanılabileceği önerilmektedir.

Abstract:
Crocus sativus L., known as Saffron, is essentially used as a natural pigment, food additive, cosmetic and herbal medicine. Saffron stigmas contain crocin which is related to its color.
This thesis consists of three stages. The first step was to determine the optimum extraction conditions of crocin, a colorant from saffron stigmas. For this purpose, optimization of ultrasound-assisted extraction was performed using Response Surface Methodology. Process parameters; extraction time (3-15 minutes), temperature (25-65 oC), ultrasound intensity (20-100%) and solvent: solids ratio (1000-3000 mL/g) was determined as. The maximum amount of crocin extracted was detected spectrophotometrically at 440 nm. In addition, bioactive components, antioxidant capacity, aroma profile and color parameters of the extracts obtained according to optimum conditions were determined.
In the second stage, microencapsulation was carried out with spray dryer to increase the stability of crocin, which is the colorant of saffron, and microcapsules were characterized. Morphological features, encapsulation efficiency, aroma profile, bioactive properties, antioxidant capacity and color parameters of microcapsules were determined. In addition, the reaction kinetics were investigated by applying stabilization tests. Thermal and pH stability of crocin was measured at different temperatures (60, 70, 80 and 90 ◦C) and pH levels (2, 4.5 and 6).
In the third stage, the encapsulated saffron dye was applied on a food matrix. However, bioactive properties, antioxidant capacity, color parameters, pH values of the model system were determined and sensory analysis tests were conducted for trained panelists.
As a result, the effect of the process parameters on the yield of crocin was successfully determined by quadratic models (R2>0.99 and adj R2>0.98). All variables were found to significantly affect crocin yield (p<0.1). Process parameters, extraction time (4.40 min), temperature (55 °C), ultrasound intensity (94%) and solvent: sample rate (1000 ml/g) were selected as optimum extraction conditions.
Total phenolic, flavonoid amounts of saffron samples and antioxidant capacity determined by CUPRAC method were 31.61±0.26; 14.05±0.2 mg GAE/g, 9.34±0.42; 4.44±0.28 mg CAE/g; 302.6±10.00; 81.86±0.32 mg TEAC/g respectively. Color parameters; CIE L *, a * and b * values of the powdered and extracted saffron were 35.12±0.02; 37.64±0.11, 41.67±0.13; 2.10±0.01, 3.85±0.01; 3.54±0.03 respectively. CIE L *, a * and b * values of microencapsulated product and microcapsule extract were 55.61±0.04; 47.38±0.10, 76.44±0.07;2.48±0.07, 1.60±0.03; 3.99±0.14 respectively.
Safranal was the most abundant volatile compound in both saffron and microcapsule extracts. It was observed that the encapsulation process did not significantly affect the volatile component distribution as a percentage (p>0.05).
As a result of the stability tests, crocin degradation showed first degree reaction kinetics and the decay rate constant (k) was significantly affected by pH and temperature (p<0.05). The application of high temperature and low pH results in higher degradation (k) in crocin content.
As a result, it is suggested that crosin, which is a saffron colorant, can be used as a natural food colorant in high or medium acid foods which will be exposed to moderate heat and appropriate protection by encapsulation using spray-drying process.