Mikroalglerden elde edilen doğal renk maddesi fukoksantinin farklı yöntemler ile ekstraksiyonu, enkapsülasyonu, model gıda sistemleri içinde kullanımı ve stabilitesinin belirlenmesi
Extraction, encapsulation of natural colorant fucoxanthin obtained from microalgae with different methods and its storage stability and use in model foods
Yazar: SANİYE AKYIL
Danışman: PROF. DR. FİGEN ERTEKİN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Son zamanlarda önemi giderek artan mikroalglerin biyoteknolojik yöntemler ile üretilebilmesi, bölünerek çoğalmaları nedeniyle çok hızlı biyokütle artışı göstermesi ve bu yöntemle bitkilere göre çok daha yüksek miktarda pigment elde edilebilmesi özellikleriyle doğal renk maddeleri üretimi için sürdürülebilir bir kaynak olarak öne çıkmaktadır. Doğal renk maddelerinden biri olan fukoksantin, sağlamış olduğu kahverengi renkten ötürü ticari açıdan oldukça önemli bir doğal renklendiricidir. Ülkelerin mevzuatları doğrultusunda sentetik renklendiricilerin kullanımı her geçen gün azalmakta ve tüketicilerin tercihleri doğal renklendiriciler yönünde olmaktadır. Bu tez çalışmasında doğal renk maddesi üretimi için Phaeodactylum tricornutum'dan kahverengi renge sahip fukoksantin üretimi (ekstraksiyon ve saflaştırma) ve bu pigmentlerin enkapsülasyon teknolojisi ile çevresel koşullara karşı stabilitelerinin arttırılması ve model gıda örnekleri içerisinde bu doğal renklendiricilerin kullanımı gerçekleştirilmiştir.
Öncelikle fukoksantin için en uygun kullanım koşulları göz önünde bulundurularak, kuru, dondurulmuş ve yaş olmak üzere 3 farklı formunun ve etil asetat, aseton ve etanolün su ile 3 farklı oranı (95:5, 90:10, 80:20 v/v) içerisinden en iyi çözücü tipinin etkisi araştırılmıştır. En yüksek (17.43±1.02 mg/g) fukoksantin miktarını veren dondurulmuş form ve 80:20 etanol su çözeltisi seçilerek klasik, ultrasonik ve mikrodalga ekstraksiyon yöntemlerine özgü işlem değişkenleri (biyokütle/çözgen oranı, süre, titreşim, hız, güç) maksimum fukoksantin miktarı dikkate alınarak CCRD deneme desenine göre optimizasyon çalışması yürütülmüştür. Gerçekleştirilen optimizasyon çalışmalarında en yüksek fukoksantin miktarı ve en yoğun kahverengi-yeşil rengin elde edilmesinde, klasik ekstraksiyon yöntemiyle gerçekleştirilen ekstraksiyon seçilmiştir. Klasik ekstraksiyon yöntemiyle optimum işlem koşulunda ekstrakte edilen fukoksantin saflaştırma işlemine tabi tutulmuştur. Farklı saflaştırma yöntemleri ve parametreleri denenerek en ekonomik ve arzulanan yoğun kahverengi-yeşil rengin oluştuğu koşul belirlenmiştir. Bu koşul ekstrakte edilen fukoksantinin, çözgeninin evapore edilip kalan kısmın dondurarak kurutulmasıyla elde edilmiştir.
Saflaştırılan fukoksantinin püskürtmeli kurutma ve koaservasyon yöntemleri ile enkapsüle edilerek çevresel koşullara karşı stabilitelerinin arttırılması amaçlanmıştır. Her bir enkapsülasyon yöntemi için uygun kaplama materyali kombinasyonunun karışım oranlarını ve enkapsülasyon yöntemine özgü işlem parametrelerini belirlemek amacıyla birleşik D-Optimal dizayn deneme desenine göre optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Püskürtmeli kurutma ve koaservasyon yöntemleri ile gerçekleştirilen optimizasyon çalışmasında enkapsülasyon etkinliği yanıt olarak seçilmiştir. Design-Expert paket programı kullanılarak belirlenen optimum püskürtmeli kurutucu koşulları; kaplama materyali karışım oranı %39.2 maltodekstrin, %60.8 peyniraltı suyu protein izolatı ve hava giriş sıcaklığı 150°C şeklindedir. Diğer bir mikroenkapsülasyon yöntemi olan koaservasyon işleminde Design-Expert paket programı kullanılarak belirlenen optimum koşullar kaplama materyali karışım oranı %50.0 gam arabik, %50.0 jelatin ve çözelti sıcaklığı 31.31°C olarak belirlenmiştir. Optimizasyon çalışmasında yanıt olarak kullanılmayan fakat mikroenkapsüle fukoksantin örnekleri için oldukça önemli olan mikroenkapsülasyon verimi, toplam fenolik madde miktarı, antioksidan aktivite (DPPH) Hunter L*, a* ve b* renk değerleri, nem içeriği, su aktivitesi, çözünebilirlik değerleri, partikül çapı, açıklık, tekdüzelik, partikül morfolojisi, FT-IR özellikleri de incelenmiştir.
Saflaştırılmış ve enkapsüle edilmiş fukoksantinin farklı sıcaklık, relatif rutubet, pH ve aydınlık/karanlık ortam koşullarında stabilitesi belirlenmiştir. Belirlenen en stabil pH, sıcaklık ve ışık ortamında, gıda katkı maddesine karşı stabilite çalışması gerçekleştirilen tüm örneklerde katkı maddelerinin eklenmesinin ürünlerin stabilitesine katkı sağladığı sonucuna varılmıştır. Tüm stabilite koşullarındaki fukoksantin bozunma kinetiği incelenmiş ve yarılanma ömrü hesaplanmıştır. Enkapsüle edilmemiş fukoksantinin, iki farklı yöntemle enkapsüle edilmiş fukoksantinin ve sentetik karamel renklendirici (E150a) olarak; krem şanti, jöle ve poğaça gibi model gıdalar içerisinde kullanımı ve stabilitesi test edilmiştir. Model gıdaya uygulanan işlem (sıcak veya soğuk hazırlama) farklılığına göre içerisine ilave edilen mikroenkapsüle ürünlerin renklendirme özellikleri de farklılık göstermiştir. Yüksek ısıl işlem etkisiyle poğaça pişirme sırasında fukoksantin içeren örneklerde renk kaybı olduğu fakat açığa çıkan rengin panelistler tarafından daha çok tercih edildiği gözlemlenmiştir.

Abstract:
Microalgae with the increasing importance in the recent years, are emerging as a sustainable resource for the production of natural coloring materials with the features of being produced by biotechnological methods, showing rapid inrease in biomass due to multiplication and obtaining a higher amount of pigment compared to plants by this method. Fucoxanthin, one of the natural colorants, is a very important for commercial reasons due to its brown color. In accordance with the legislation of the countries, the use of synthetic colorants is decreasing day by day and consumers' preferences are towards to natural colorants. In this thesis, fucoxanthin production (extraction and purification) from Phaeodactylum tricornutum with brown color, the enhancement of its stability against environmental conditions with the encapsulation technology and the use of fucoxanthin in model food samples were aimed.  
Firstly, the effect of 3 different forms of dry, frozen, wet and most suitable solvent type acetone, diethyl ether and ethanol-water solution and their ratios (95:5, 90:10, 80:20 v/v) were analyzed, considering the possible fields of application, and the most convenient pretreatment method was investigated. Frozen form and 80:20 ethanol-water solution yielding the highest amount of fucoxanthin (17.43±1.02 mg/g) were selected and optimization studies were performed according to the CCRD experimental design, targeting the maximum fucoxanthin in the process variables (biomass/solvent ratio, time, vibration, speed, power) specific to classical, ultrasonic and microwave extraction methods. Extraction was carried out by the classical extraction method giving the highest amount of fucoxanthin and the densest brown-green color. The fucoxanthin extracted at the optimum condition by the classical extraction method was subjected to the purification process. Different purification methods and parameters were tested to determine the most economical and desirable dense brown-green color. This condition was obtained by evaporating the extracted fucoxanthin and freeze drying the remaining part of the solvent.
Then, it is aimed to increase the stability of the purified food grade fucoxanthin by encapsulation with spray drying and coacervation methods. The optimization study was performed according to the combined D-Optimal design experimental patterns to determine the mixing ratios of the combination of coating materials which are suitable for each encapsulation method and the process parameters specific to the encapsulation method. The encapsulation efficiency was chosen as the response in the optimization study performed by spray drying and coacervation methods. Optimum spray dryer conditions were determined by using the Design-Expert, the mixing ratio of the coating material is 39.2% maltodextrin, 60.8% whey protein isolate and the air inlet temperature is 150°C. Another microencapsulation method, the coacervation process, optimum mixture ratios of coating materials and temperature of solution determined by Design-Expert were 50.0% gum arabic, 50.0% gelatin and solution temperature of 31.31°C. Additionally, microencapsulation yield, total phenolic content, antioxidant activity (DPPH), Hunter L *, a * and b * color values, moisture content, water activity, solubility, particle diameter, span, uniformity, particle morphology, and FT-IR characteristics were also examined for microencapsulated fucoxanthin samples. 
The last step of the study, the stability of purified and encapsulated fucoxanthin at different temperatures, relative humidity, pH and light/dark conditions was determined. The additions of additives in all samples were performed in the most stable pH, temperature and light environment and the stability of the products was enhanced with the additives as a conclusion. In the all experimental conditions, the degredation kinetics and half life of fucoxanthin were determined. As noncapsulated fucoxanthin, fucoxanthin encapsulated by two different methods and synthetic caramel colorant (E150a) were tested in model foods like whipped cream, jelly and pastry for the storage stability of the color. The coloring properties of the microencapsulated products added to the model food according to the process (hot or cold process) showed different behaviour. With the effect of high heat treatment during baking of pastries, it was also observed that a loss of color in samples containing fucoxanthin but it was observed to be more preferred by the panelists.