Propolisin farklı yöntemler ile enkapsüle edilmesi: Optimum işlem koşullarının, depolama stabilitesinin, model gıda sistemlerinde kullanılabilirliliğinin ve probiyotik mikroorganizmalar üzerine etkisinin incelenmesi
Encapsulation of propolis with different methods: Investigation of optimum process conditions, storage stability, usability in model food systems and the effect on probiotic microorganisms
Yazar: ULAŞ BAYSAN
Danışman: PROF. DR. HİLAL ŞAHİN NADEEM ; DOÇ. DR. MEHMET KOÇ
Aydın Adnan Menderes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Dondurarak kurutma = Freeze drying ; Enkapsülasyon = Encapsulation ; Propolis = Propolis ; Soğutma = Cooling

Özet:
Amaç: Bu çalışmada propolisin farklı mikroenkapsülasyon yöntemleri ile acı (bitter) ve hoş olmayan tadının maskelenerek, gıda sistemlerinde bileşen olarak kullanılabilmesi, antioksidan ve fenolik madde içeriğinin korunması amaçlanmıştır. Yüksek antioksidan aktivite ve fenolik madde içeriğine sahip propolisin, hoş olmayan tadını baskılamak için dondurarak kurutma ve püskürtmeli soğutma olmak üzere iki farklı mikroenkapsülasyon yöntemi ile propolis mikroenkapsüle edilmiştir. Mikroenkapsüle propolis partiküllerinin gıda sistemlerinde bileşen olarak kullanılabilmesinin yanısıra, depolama stabilitesinin ve in vitro model gastrointestinal sistem içinde yer alan ağız ve mide ortamında salınımının engellenerek, bağırsak ortamında salınımının sağlanması da amaçlanmıştır. Ayrıca, püskürtmeli kurutma, dondurarak kurutma ve püskürtmeli soğutma yöntemleri ile optimum koşullarda elde edilen mikroenkapsüle propolis partikülleri model gıda sistemleri (jöle, dondurma, ayran ve kek) içerisine ilave edilerek kullanılabilirliğinin araştırılması da amaçlar arasındadır. Enkapsüle edilmiş ve edilmemiş propolisin probiyotikler üstüne etkisi ile yağ içeriği yüksek bir gıda ürünü olan fıstık ezmesi içerisine enkapsüle edilmiş ve edilmemiş propolis örneklerinin ilave edilmesi ile lipit oksidasyon mekanizması üzerine etkisinin incelenmesi de amaçlanmıştır. 
Materyal ve Yöntem: Dondurarak kurutma ve püskürtmeli soğutma yöntemleri olmak üzere iki farklı yöntem ile propolis mikroenkapsüle edilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasını her iki yönteme özgü uygun kaplama materyali kombinasyonun belirlenmesi oluşturmaktadır. Her bir enkapsülasyon yöntemine özgü kaplama materyali kombinasyonun belirlenmesinin ardından, kaplama materyali karışım oranları ve homojenizasyon hızı ile dondurarak kurutma yöntemi için ürün kalınlığı, püskürtmeli soğutma yöntemi için hava giriş sıcaklığı, bağımsız karışım ve proses değişkenleri olarak seçilmiştir. Dondurarak kurutma yöntemi için enkapsülasyon etkinliği, antioksidan miktarının maksimum olması ile in vitro model gastrointestinal sistem içinde yer alan ağız ortamında propolis tozlarının açılımının minimum olması hedeflenmiştir. Püskürtmeli soğutma yöntemi için ise toz partiküllerin ürün verimi, enkapsülasyon etkinliği, antioksidan miktarının maksimum olması ile in vitro model gastrointestinal sistem içinde yer alan ağız ortamında propolis tozlarının açılımının minimum olması hedeflenerek optimizasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Her bir enkapsülasyon yöntemi için optimum noktalarınnın belirlenmesi ile birlikte bu noktada doğrulama denemeleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın depolama aşamasında, üç farklı yöntem (püskürtmeli kurutma (PK), dondurarak kurutma (DK) ve püskürtmeli soğutma (PS) ile elde edilmiş enkapsüle propolis örnekleri, farklı depolama koşullarında (4°C ve 25°C) üç ay boyunca depolanmıştır. Depolama stabilitelerinin belirlenmesi amacıyla depolama süresince belirlenen periyotlarda, fiziksel ve kimyasal özellikleri ile enkapsülasyon etkinliğindeki değişimler incelenmiştir. Püskürtmeli kurutma, dondurarak kurutma ve püskürtmeli soğutma yöntemleri ile optimum koşullarda elde edilen mikroenkapsüle propolis partikülleri model gıda sistemleri (jöle, dondurma, ayran ve kek) içerisine ilave edilerek kullanılabilirliği araştırılmıştır. Yağ içeriği yüksek bir gıda ürünü olan fıstık ezmesi içerisine enkapsüle edilmiş ve edilmemiş propolis örneklerinin ilave edilmesi ile lipit oksidasyonu üzerine etkisi peroksit değeri ve indüksiyon süresi belirlenerek incelenmiştir. Enkapsüle edilmiş ve edilmemiş propolisin probiyotikler üstüne etkisi incelenmek için Lactobacillus acidophilus DSM20079'dan yararlanılmıştır.
Bulgular: Emülsiyon özellikleri ile birlikte toz üründeki fiziksel ve kimyasal özelliklerinin incelenmesi sonucunda, dondurarak kurutma ve püskürtmeli soğutma yöntemleri için sırası ile maltodekstrin (MD)+peynir altı suyu protein izolatı (WPI)+PGPR ve WPI+PGPR kaplama materyalleri olarak belirlenmiştir. Belirlenen optimum işlem koşulları, dondurarak kurutma yöntemi için, %46,3 MD, %53,7 WPI, homojenizasyon hızı 11024 rpm ve ürün kalınlığı 0,6 cm; püskürtmeli soğutma yöntemi için  ise  palm yağı I oranı %93,30, palm yağı II oranı %6,70, homojenizasyon hızı 15000 rpm ve havanın giriş sıcaklığı 10°C olarak tespit edilmiştir. Optimum noktada gerçekleştirilen doğrulama denemeleri sonucunda deneysel sonuçlar ile modelden tahminlenen sonuçlar arasında belirgin bir fark bulunamamıştır. Depolama stabilitelerinin belirlenmesi amacıyla depolama süresince belirlenen periyotlarda, fiziksel ve kimyasal özellikleri ile enkapsülasyon etkinliğindeki değişimler incelenmiştir. Tüm enkapsülasyon işlemleri için hem fiziksel hem kimyasal sonuçlar sonucunda 3 aylık depolama süresinde enkapsüle edilen propolis tozlarının stabilitesinin korunduğu saptanmıştır. Yapılan duyusal testler sonucunda, püskürtmeli kurutma, dondurarak kurutma ve püskürtmeli soğutma yöntemleri ile optimum koşullarda elde edilen mikroenkapsüle propolis tozlarının model gıda sistemlerinde (jöle, dondurma, ayran ve kek) geniş bir alanda uygulanabilir olduğu bulgulanmıştır. Propolis tozlanın lipit oksidasyonu üzerine etkisini incelemek için 60°C'de gerçekleştirilen fıstık ezmesi örneklerinin depolaması sonucunda, fıstık ezmesi örneklerinin her birinin depolama süresince peroksit değeri değişiminin 2. derece kinetik model ile uyumluluk gösterdiği belirlenmiştir. Enkapsüle örneklerin her birinin kontrol örneklerine göre daha yüksek indüksiyon periyodu değerleri ile daha düşük peroksit değerlerine sahip olduğu belirlenmiştir. Enkapsüle edilmiş ve edilmemiş propolisin probiyotikler üzerine etkisini incelenmek için Lactobacillus acidophilus DSM20079'dan yararlanılmıştır. Hem katı hem de sıvı besiyerinde görüldüğü, L. acidophilus DSM20079 üzerine enkapsüle edilmemiş olan propolis ekstraktının inhibe etkisi belirlenmiştir. Enkapsüle edilmiş propolis tozlarının etkisinin ise sınırlı düzeyde kaldığı, dolayısıyla probiyotik canlılığının etkin şekilde korunduğu saptanmıştır. 
Sonuç: Mevcut çalışma kapsamında, yüksek antioksidan ve antimikrobiyal aktiviteye sahip propolisin mikroenkapsüle edilerek, içerdiği yararlı bileşenlerin korunması ve hoş olmayan tadının maskelenmesi ile piyasada bulunan ürün formlarına kıyasla talep edilebilirliği yüksek ve kolay kullanıma sahip gıda bileşeni olarak, çeşitli gıdalara katkılanmasının mümkün olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Objectives: The objectives of this study were to protect the contents of antioxidants and phenolic substances of propolis, allow the use of propolis as a component in food systems, and mask the bitter and unpleasant taste of propolis by microencapsulation. Propolis was microencapsulated by freeze-drying (FD) and spray cooling (SC) to suppress its unpleasant taste. Besides its use as a component in food systems, the project's objectives were to ensure its storage stability, inhibit its release in the mouth and stomach model systems, and maximize its release in the model intestine system. In addition, it was among the aims to investigate the usability of microencapsulated propolis particles obtained under optimum conditions by spray drying, freeze drying and spray chilling methods by adding them to model food systems (jelly, ice cream, buttermilk and cake). It also aimed to examine the effect of encapsulated and unencapsulated propolis on probiotics and on the lipid oxidation mechanism in peanut butter, a food product with high-fat content.
Material and Methods: Propolis was microencapsulated by two different methods, freeze drying and spray chilling. The first step was determining the appropriate coating material combination specific to both approaches.  After deciding the coating material combination specific to each encapsulation method, independent mixing and process variables (coating material mixing ratios, homogenization speed, as well as product thickness for the freeze drying method; air inlet temperature for the spray chilling) were selected. The freeze-drying method was targeted to maximize the encapsulation efficiency and maximum antioxidant content and minimize propolis powders' release in the mouth in the in vitro model gastrointestinal tract. For the spray chilling method, the optimization process was carried out by targeting the product yield of the powder particles, the encapsulation efficiency, the maximum amount of antioxidants, and the minimum release of propolis powders in the in vitro model oral gastrointestinal tract. Confirmation experiments were carried out at this point, determining optimum points for each encapsulation method. In the storage phase of the study, encapsulated propolis samples obtained by three different methods (spray drying (PK), freeze drying (DK) and spray chiling (PS) were stored for three months at 4°C and 25°C. In order to determine the storage stability, the changes in the physical and chemical properties and encapsulation efficiency were examined. The usability of microencapsulated propolis particles obtained under optimum conditions by spray drying, freeze drying and spray cooling methods was investigated by adding them into model food systems (jelly, ice cream, buttermilk and cake). The effect of the addition of encapsulated and unencapsulated propolis samples into peanut butter, a food product with high fat content, on the lipid oxidation mechanism was investigated by determining the peroxide value and induction time. Lactobacillus acidophilus DSM20079 was used to examine the effect of encapsulated and unencapsulated propolis on probiotics.
Results: As a result of examining the powder product's physical and chemical properties and its emulsion properties, maltodextrin (MD)+whey protein isolate (WPI)+PGPR and WPI+PGPR were determined as coating materials for freeze-drying and spray cooling methods, respectively. The optimum processing conditions for the freeze-drying were 46.3% MD, 53.7% WPI, 11024 rpm homogenization speed, and 0.6 cm of product thickness. For the optimum spray cooling, the palm oil I ratio was 93.30%, palm oil II ratio was 6.70%, homogenization speed was 15000 rpm, and air inlet temperature was 10°C. As a result of the validation trials performed at the optimum point, there was no significant difference between the experimental results and the predicted results from the model. To determine the storage stability, the physical/chemical properties and encapsulation efficiency of the samples were evaluated. The stability of the encapsulated propolis powders was preserved during the 3-month. It was determined that microencapsulated propolis powders obtained under optimum conditions by spray drying, freeze-drying and spray cooling can be applied in a wide range of model food systems (jelly, ice cream, buttermilk and cake). As a result of the storage of peanut butter samples at 60°C to examine the effect of propolis powders on lipid oxidation, it was determined that the change in peroxide value of each of the peanut butter samples during storage was compatible with the 2nd order kinetic model. It was determined that each encapsulated sample had higher induction period values and lower peroxide values compared to the control samples. Lactobacillus acidophilus DSM20079 was used to examine the effect of encapsulated and unencapsulated propolis on probiotics. The inhibitory effect of unencapsulated propolis extract on L. acidophilus DSM20079, seen in both solid and liquid media, was determined. However, the impact of encapsulated propolis powders remained limited; thus, probiotic viability was effectively preserved.
Conclusion: In this study, it was determined that the microencapsulation prevented propolis's beneficial components and suppressed its unpleasant taste. Therefore, it would be possible to add the microencapsulated propolis to various food items due to its ease of use compared to product forms available in the market.