E vitamininin elektrodöndürme yöntemiyle enkapsülasyonu ve elektrodöndürmeyi etkileyen parametrelerin incelenmesi, nanoliflerin karakterizasyonu
Nanoencapsulation of vitamin E via electrospinning and the investigation of factors affecting electrospinning, characterization of nanofibers
Yazar: TUĞBA YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. FİLİZ ALTAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Elektroeğirme yöntemi = Electrospinning method ; Gıda sektörü = Food sector ; Nanolif = Nanofiber ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Vitamin E = Vitamin E

Özet:
Nanobilim ve nanoteknoloji çağımızın en önemli araştırma ve uygulama alanlarından biri olarak hızla gelişmektedir. Yeni teknikler kullanılması ve daha yüksek standartta ürünler üretilmesine olanak sağlayan nanoteknoloji son yıllarda dünya çapında büyük rağbet görmektedir. Nanoteknolojinin küresel ekonomiyi 2020 yılı itibariyle en az 3 trilyon dolar etkileyeceği tahmin edilmektedir. Nanoteknoloji disiplinlerarası bir bilim olduğu için biyoloji, kimya, mühendislik ve fizik alanlarındaki araştırmalarda birçok bilim adamı ve çalışmayı bir araya getirmiştir. Ayrıca, bu durum sektörde yeni iş sahalarının açılmasına ve işveren talebinin artmasına sebep olmaktadır.
Nanoteknoloji, boyutları 0.1 ile 100 nm arasında değişen son derece küçük boyutlardaki malzeme ve aygıtların üretimini ve kullanımını içerir. Nanomateryaller nano ölçekli boyutlarından dolayı çok geniş bir yüzey-hacim oranına ve yüzey etkinliğine sahip olduğu için bu durum bulundukları malzemelere önemli özellikler kazandırmaktadır. Bulunduğu nano boyutlarından dolayı cisme önemli özellikler kazandıran nanopartikül içeren malzemelerin gelişimi, son yıllarda bir çok sektörde araştırılmaktadır ve bu durum kozmetik, gıda ve içecek, tekstil, ilaç, elektronik, bilgisayar araç gereçleri, yemek pişirme aletleri gibi çoğu endüstriye büyük avantaj sağlamaktadır. Gıda endüstrisinde nanoteknolojik uygulamalara bakıldığında nanoteknolojinin bir çok konuda potansiyel uygulama alanı olduğu görülmektedir. Gıda işleme, yeni fonksiyonel ürünlerin geliştirilmesi, biyoaktif maddelerin taşınması ve kontrollü salınımı, patojenlerin tesbiti, yeni paketleme ürünlerinin geliştirilerek raf ömrünün uzatılması bunlardan birkaç tanesidir. Son yıllarda fonksiyonel gıdaların geliştirilmesinde nanaoteknolojik uygulamalardan faydalanılmaktadır. Yapılan çalışmalarda, nanoteknolojik yöntemlerin uygulanmasıyla, ürünlerin fonksiyonelliği ve fonksiyonel öğelerin vücut içinde gerekli noktalara dağıtımının etkinliği artırılması amaçlanmıştır.
E vitamini gıdaların fonksiyonelliğini artırmak için gıdalara eklenen bir vitamin çeşididir. Kendisi doğal antioksidan oldupu için bozunmaya eğilimlidir ve biyoyararlılıkları salım/dağıtım sırasında, bozunma ve düşük absorpsiyon nedeniyle sınırlanır. Bu gibi problemleri gidermek adına son yıllarda E vitamini gibi aktif maddeleri nano boyutta enkapsüle etme üzerine çalışmalar yapılmaktadır. 
Bir biyoaktif maddenin başka bir madde içinde hapsedildiği bir işlem olarak tarif edilen enkapsülasyon işlemiyle birkaç nanometreden birkaç milimetreye kadar partüküller üretilmektedir. Enkapsülatların gıdanın yapısı ve görünüşü üzerindeki muhtemel etkisini minimum seviyeye düşürmek amacıyla son zamanlarda boyut küçültmeye artan bir ilgi mevcuttur (mikro boyuttan nano boyuta). Enkapsülatların boyutunun küçültülmesi, spesifik fonksiyonel gıda uygulamaları üzerinde bazı ek yararlara sahiptir. Enkapsülasyon, biyoaktif maddenin stabilizasyonunun korunması, aroma gibi uçucu maddelerin hapsedilmesi, kimyasal reaksiyonlara karşı direnç sağlaması gibi faydalar sağlamaktadır. Ayrıca, E vitamininin polimerik nano partiküllerin içinde enkapsüle edilmesi çeşitli faydalara sahiptir. Bunlar; biyoaktif bileşenin korunması, biyoyararlılığın artırılması, kontrollü bir şekilde etki yerine bileşeninin iletimi şeklinde sıralanabilir. Gıda maddelerini enkapsüle etmek için çeşitli yöntemler vardır. Bu çalışmada ise, polimer/biyopolimer bazlı nano boyutta liflerin üretilmesinde kullanılan, yüksek elektrik alanlarına dayalı yeni bir üretim teknolojisi olan elektrodöndürme tekniği kullanılmıştır.
Yaptığımız çalışmada E vitamininin nanolif üretme yoluyla enkapsüle edilmesi gerçekleştirilmiştir. Doğal ve gıdalarda kullanımı uygun olan bir polimer olan jelatin ile kapsüllenen E vitamini-jelatin nanoliflerinin daha sonra karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. 22 kV, 0.5 ml/h debi, 10 cm plaka mesafesi koşullarında, E vitamini, jelatin polimeri içine nanoboyutlarda enkapsüle edilmiş ve nanolifler üretilmiştir. Çalışmada hazırlanan jelatin ve jelatin-E vitamini çözeltilerinin elektriksel iletkenliği, yüzey gerilimi, dielektrik sabiti ve reolojik özellikleri belirlenmiştir. Daha sonra, elektrodöndürme yöntemiyle elde edilen nanoliflerin karakterizasyon amacıyla SEM görüntüleri alınmış, temas açısı, zeta potansiyeli, difüzyon katsayısı ve partikül boyutu ölçülmüştür. Ölçüm sonuçları literatür çalışmalarında elde edilen sonuçlar ile kıyaslanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, elektrodöndürme yöntemiyle 45 nm-300nm boyut aralğında nanolifler elde edilmiştir. Temas açısı ölçüm sonuçlarından ise E vitamininin, elde edilen nanolife hidrofilik karakter kazandırdığı görülmüştür. E vitamininin jelatine katılmasıyla elde edilen nanolifle, literatürden jelatin nanolifi kıyaslanmış ve E vitamininin nanolifin difüzyon yeteneğini artırdığı sonucuna varılmıştır. Zeta potansiyeli ölçüm sonuçlarından ise, E vitamini-jelatin nanolifinin literatürdeki jelatin nanolifi sonuçlarıyla kıyaslandığında, jelatin nanolifinin daha stabil olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçlar, proje kapsamında daha sonra gerçekleştirilecek olan E vitamininin kontrollü salımını incelemek için gerçekleştirilecek çalışmalara temel teşkil etmektedir.

Abstract:
In today`s world, nanoscience and nanotechnology researches and applications that are some of the most important studies has been developing rapidly. Due to using of new techniques and allowing the production of higher quality products, nanotechnology has caused a tremendous interest in research and commercial attention over the past decade. Nanotechnologies are estimated to impact at least $3 trillion across the global economy by 2020. Since nanotechnology is an interdisciplinary area, it enables lots of scientist to be together from different disciplines such as biology, chemistry, engineering and physics. This situation causes that nanotechnology industries worldwide may require at least 6 million workers to support them by the end of the decade.
Nanotechnology includes the production and use of extremely small size of the materials and devices size ranging from 0.1 to 100 nm described as nanoplates, nanofibers and nanodots. Because it has a very large surface to volume ratio and surface activity due to their nanoscale size, it brings important features to the materials included. Development of materials containing nanoparticles have been investigated in many sectors in recent years and this provide great benefits to the industries like cosmetic, food and beverage, textile, pharmaceutical, electronics. Considering the technological applications in the food industry, it appears to have very potential applications in many aspects. Food processing, development of new functional products, transportation and controlled release of bioactive agents, detection of pathogens, extending the shelf life via developing new packaging products are some of the potential applications. In recent years, in order to improve the functional food products, scientists have been taking advantage of nanotechnology. In some studies, it is aimed to increase the effectiveness of the functionality of the products and distibution of these products to the required point in the body via implementation of nanotechnological methods.
The Vitamin E is a vitamin that is added to food products to enrich the functionality of food. Since Vitamin E is a natural and sensitive antioxidant to some conditions like heat, enzyme etc., it tends to be corrupted. Because of this situation its bioavailability is limited with corruption and lower absorption during the release/distruption. In order to prevent the such problems, studies are conducted including nanoencapsulation of active materials like vitamin E.
The encapsulation procedure is defined as capturing of a bioactive material into another and with this procedure production of particules from nanometers to milimeters make possible. In recent years, there is an increasing interest about downsizing-from micrometers to nanometers- due to the aim of minimizing the possible effect of encapsulated materials on the food structure and appearence. Downsizing the dimensions of the encapsulated materials has its own additional benefits on specific functional food practise. The encapsulation provides the protection of the stabilization of bioactive materials, imprisonment of volatile compound such as aroma, obtainment the resistance towards chemical reactions. Besides these, encapsulation of vitamin E into the polimeric nanoparticules has its adventages too. These adventages are preservation of bioactive component, enrichment of bioavailability and targeted delivery. 
There are several ways for encapsulation of food materials.In this study, a new production technique called electrospinning technique which is based on high electric field was used. This technique is used to make production of polymer/ biopolymer based nanofibers possible. Nanofibers are called as fibers with diameters from 1 to 100 nanometers. Several techniques were reported in early literature for the laboratory preparation of nanofibers. However, electrospinning is easier and more economical method comparing to other methods for obtaining nanomaterials and used in tissue engineering, biosensors, filtration, wound dressings, drug delivery, and enzyme immobilization. Electrospinning which renders electrostatic fiber formation utilizes electrical forces to produce polymer fibers with diameters ranging from 2 nm to several micrometers using polymer solutions of both natural and synthetic polymers. However, in food related studies, generally natural biopolymers are used.
In our study, nanoencapsulation of vitamin E by producing nanofibers was carried out. Then, it was carried out that vitamin E-gelatin nanofibers producing by using gelatin that is natural and suitable to use in foods were characterized. In study, vitamin E, which is encapsulated in gelatin polymer and nanoscale nanofibers were produced with these conditions: 22 kV voltage, 0.5 ml / h flow rate, 10 cm plates distance from syringe. Electrical conductivity, surface tension, dielectric constant and rheological properties of gelatin and vitamin E-gelatin solutions which are prepared before electrospinning process were determined. Then, SEM images, contact angle, zeta potential, diffusion coefficient and particle size was measured, which is required for the characterization of nanofibers producing by electrospinning method. The measurement results were compared with the results obtained in the literature.
According to SEM results, it was observed that production of nanofibers occured ranging from 45 nm to 300 nm. These results have shown we achieved decreasing the size of materials. The zeta potential values of nanofibers obtained at 22kV were - 1.16 ± 0.314 mV. Since this result is in the range between +25 and -25, these nanofıbers are not stable in ethanol. Because of this reason, we decided vitamin E- gelatin nanofibers are not stable in ethanol. If we would like to see the nanofibers are stable in ethanol, it should have been out of this ranges. Also, according to the studies conducted by Okutan et al. (2014) under 28 kV, 1 ml/s flow rate and 10 cm plate distance, the zeta potential of gelatin nanofibers are +12,40±0,00. Comparing this result with our results, it can be seen gelatin nanofibers are more stable than our results. After contact angle experiments, it was shown that vitamin E added hydrophilic character to gelatin nanofibers when comparing to the conducted studies. Also, when comparing with our diffusion constant value (0.223 ± 0.015 μm2 /s) with the experimental values (0,65 ± 0,04) under 28 kV, 1 ml/s flow rate and 10 cm plate distance conditions, conducted by Okutan et al., 2014, it can be seen that E vitamin has increased the difussion ability of gelatin nanofibers. The obtained results are fundamental to the studies to investigate controlled release of vitamin E in the future projects.