Ultrason destekli alçak ötektik solvent ekstraksiyon yöntemi ile siyah/turuncu havuçtan doğal renk maddesi üretimi
Production of natural food colorant from black/orange carrot with ultrasound assisted deep eutectic solvent extraction method
Yazar: DUYGU ASLAN TÜRKER
Danışman: PROF. DR. MAHMUT DOĞAN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Antosiyaninler = Anthocyanins ; Beta karoten = Beta carotene ; Doğal gıda = Natural food ; Gıda boyaları = Food colourants ; Renk maddeleri = Color matters ; Ultrason = Ultrasound

Özet:
Bu tez çalışmasında gıda renk maddesi olarak kullanılan antosiyanin ile β-karotenin doğal turuncu ve siyah havuç  kaynaklarından ekstraksiyonu için çevre dostu bir teknik olan ultrason teknolojisi (US) ile yeşil solventler kapsamında değerlendirilen alçak ötektik solvent (AÖS)'lerin kullanım potansiyeli değerlendirilmiştir. Tez çalışmasının ilk aşamasında, hidrojen bağı donörü olarak kolin klorid, hidrojen bağı vericisi olarak da gliserol, fruktoz, sitrik, tartarik ve  malik asit kullanılarak kolin klorid bazlı AÖS'ler hazırlanmış ve özellikleri araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, test edilen tüm AÖS'lerin biyobozunurluğunun 28 gün sonunda >% 80 olduğunu ve bu nedenle biyobozunur yeşil çözücüler olarak kabul edilebileceğini göstermiştir. AÖS'lere ait FT-IR sonuçları, kolin kloridin birkaç fonksiyonel grubunun hazırlanan AÖS'lerde de var olduğunu ortaya çıkarmıştır. Termogravimetrik analiz (TGA) sonuçlarına göre de tüm AÖS'ler ve bileşenlerinin tek bir aşamada bozunduğu görülmüştür. 
Tez çalışması kapsamında ayrıca klasik ekstraksiyon yöntemleri ile  US ve AÖS ekstraksiyon yöntemleri incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, β-karoten ekstraksiyonu için en iyi hidrojen bağı vericisinin gliserol, antosiyanin ekstraksiyonu için ise sitrik asit olduğunu bulunmuştur. Ayrıca, AÖS ile US tekniğinin birlikte kullanımı, klasik ekstraksiyona göre toplam karotenoid miktarını 1.73 kat ve antosiyanin miktarını ise 4.72 kat artırmıştır. 
Klasik ekstraksiyon, ultrason destekli ekstraksiyon, AÖS ekstraksiyonu ve AÖS ile US teknolojisinin birlikte kullanıldığı ekstraksiyon yöntemleri karşılaştırıldığında en iyi ekstraksiyon yönteminin US ve AÖS'ün birlikte kullanıldığı yöntem olduğu görülmüştür. Ekstraktların biyoaktif özelliklerinin analizi sonucunda elde edilen bulgularla da maksimum oranda antosiyanin ve β-karoten ekstraksiyonunu gerçekleştirmek için ekstraksiyon parametreleri optimize edilmiştir. Optimizasyon çalışmaları neticesinde, β-karoten ekstraksiyonu için optimum proses koşulları %61.12 ultrasonik güç, 21.81 dakika, 23.71:1 çözgen/örnek oranı ve 0.72 döngü sayısı olarak tespit edilmiştir. Siyanidin 3-O-glikozid ekstraksiyonu  için ise % 78.4 ultrasonik güç, 19.8 dakika, 24.5:1 çözgen/örnek oranı ve 0.195 döngü sayısı optimum nokta olarak bulunmuştur. Optimizasyon sonucu elde edilen verilerin doğrulaması yapıldıktan sonra sitotoksikolojik analizler gerçekleştirilmiştir. Sitotoksikolojik analiz sonuçları ile AÖS ve US teknolojisi ile elde edilen ekstraktların Caco-2 (insan kolon kanseri hücre dizisi) ve HUH7 (karaciğer hepatosit türevi karsinom hücre dizisi) hücre hattı üzerinde inhibe edici etkisi kanıtlanmıştır.
Araştırmanın bir diğer aşamasında ise optimize edilen renk maddelerinin kullanım kolaylığı sağlaması ve raf ömrünün uzatılması gibi nedenlerle kompleks koaservasyon metodu ile mikroenkapsülasyonu sağlanmıştır. Elde edilen toz örneklerin fizikokimyasal özellikleri, tanecik boyutu dağılımı, toz akış özellikleri ile morfolojik yapıları incelenerek in vitro sindirim sistemindeki biyoyararlanımları değerlendirilmiştir. Bu kapsamda elde edilen renk maddelerinin kolay akış sergilediği gözlenmiştir. Mikroenkapsüle antosiyanin renk maddelerinden A-PE örneğinin biyoyararlılık değeri %26.40 bulunurken, β-karoten grubu renk maddelerinde en yüksek biyoyaralanım değeri, B-PE (%74.15) örneğinde kaydedilmiştir. Mikroenkapsüle toz renk maddeleri ile optimizasyon sonucunda elde edilen sıvı renk maddelerinin pH, sıcaklık ve depolama stabilitesi analizi sonuçları ise, +4 ˚C'nin en iyi depolama sıcaklığı olduğunu ve depolama süresinin artmasıyla renk maddelerinin β-karoten ve toplam monomerik antosiyanin içeriğinin azaldığını göstermiştir.
Tez çalışmasının son aşamasında ise, üretilen renk maddelerinin model gıdalarda oluşturduğu etkinin belirlenmesi için jelly tipi yumuşak şekerlemelerde uygulaması yapılmıştır. Sonuçlar, elde edilen renk maddelerinin model gıda ürünlerinde başarıyla kullanılabileceğini göstermiştir.
Anahtar Kelimeler: alçak ötektik solvent, ultrason, doğal gıda renk maddesi, β-karoten, antosiyanin

Abstract:
In this thesis, the potential use of deep eutectic solvents (DES)s as a green solvent  with ultrasound technology (US), which is an environmentally friendly technique was evaluated for the extraction of anthocyanin and β-carotene used as food colorants from natural orange and black carrot pomaces. In the first stage of the thesis, choline chloride based DESs were prepared using choline chloride as the hydrogen bond donor and glycerol, fructose, citric, tartaric and malic acid as the hydrogen bond acceptor, and their properties were investigated. The results showed that the biodegradability of all DESs  were > 80% after 28 days and therefore can be considered as biodegradable green solvents. FT-IR results of DESs revealed that several functional groups of choline chloride were also present in the prepared DESs. According to the results of thermogravimetric analysis (TGA), it was observed that all DESs and their components were degraded in a single step.
Within the scope of the thesis, classical extraction methods, US and DES extraction methods were also examined and compared. The results showed that the best hydrogen bond acceptor for β-carotene extraction was glycerol for anthocyanin extraction was citric acid, and the combined use of DES and US technique yielded better results than classical extraction in terms of total carotenoid and anthocyanin content.
When classical extraction, ultrasound assisted extraction, DES extraction and DES with US technology were compared, it was seen that the best extraction method was the method in which US and DES were used together. Furthermore, the combined use of DES and US technique increased the total amount of carotenoids 1.73 times and anthocyanins 4.72 times compared to conventional extraction. Extraction parameters were optimized to obtain maximum anthocyanin and β-carotene extraction with the findings as a result of the analysis of the bioactive properties of extracts obtained by classical extraction, ultrasound assisted extraction, DES extraction and the combined extraction of DES and US technology. As a result of optimization studies, optimum process conditions for β-carotene extraction were determined as 61.12% ultrasound power, 21.81 minutes, 23.71:1 solvent/sample ratio and 0.72 cycle. For cyanide 3-O-glycoside extraction, 78.4% ultrasound power, 19.8 minutes, 24.5:1 solvent/sample ratio and 0.195 cycles were found to be the optimum point. Cytotoxicological analyzes were performed after verification of the data obtained as a result of optimization. With the cytotoxicological analysis results, the inhibitory effect of the extracts obtained by DES and US technology on Caco-2 (human colon cancer cell line) and HUH7 (liver hepatocyte-derived carcinoma cell line) cell lines has been proven. In another stage of the research, microencapsulation was achieved with the complex coacervation method for reasons such as the ease of use of the optimized color substances and the extension of shelf life. The physicochemical properties, particle size distribution, powder flow properties and morphological structures of the powder samples were examined and their bioavailability in the in vitro digestive system was evaluated. In this framework, it has been observed that the obtained food colorants showed easy flowing characteristics. While the bioavailability value of the A-PE sample, one of the microencapsulated anthocyanin colorants, was found to be 26.40%, the highest bioavailability value of the β-carotene group color materials was recorded in the B-PE (74.151%) sample. The results of the pH, temperature and storage stability analysis results of the liquid colorants obtained as a result of optimization and the microencapsulated powdered colorants showed that +4 ˚C was the best storage temperature and the β-carotene and total monomeric anthocyanin content of the colorants decreased as the storage time increased.
In the last part of the thesis, the produced colorants was applied to soft jelly confectionery in order to determine the effect of them on model foods. The results showed that the obtained colorants could be used successfully in model food products.
Keywords; deep eutectic solvent, ultrasound, natural food colorants, β-carotene, anthocyanin