Farklı model sistemlerinde ve koşullarında çiya tohumunun jelleşme özelliklerinin incelenmesi
Investigating the gelling properties of chia seed in different model systems and conditions
Yazar: SÜMEYYE KOÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DİLARA ERDİL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Salvia hispanica L. olarak bilinen çiya, son yıllarda içeriğindeki doymamış yağ asitleri, yüksek diyet lif içeriği ve uzun süre tok tutma gibi özellikleri sayesinde süper gıda olarak görülmeye başlanmış ve gittikçe popülerliği artan bir ürün haline gelmiştir. Sağlıklı ve kilo vermeye yardımcı ürünlere olan tercihlerin artması ile dünyada ve ülkemizde çiya tohumu pazarı büyümüştür. Diyet lifi ve bazı doymamış yağ asitlerinin kilo vermeye yardımcı olma şekli, çiya müsilajının yüksek miktarda (kendi ağırlığının 27 katı kadar) su emerek mide içerisinde hacim kaplayarak tokluk hissi vermesinden kaynaklanmıştır. Kısa vadede olumlu sonuçlar alınmasına karşın uzun vadedeki sonuçları için henüz yeteri kadar çalışma bulunmamıştır. 
Çiya tohumunun içerdiği protein ve yağın antioksidan özellikte olması bazı hastalıklara neden olabilecek serbest radikallere karşı hücreleri korunmuştur. Aynı zamanda nörodejeneratif hastalıklarda da etkili olması ve doğal bir antioksidan olması ile büyük bir ilgi çekmektedir. Ek olarak zengin mineral içeriği ile vücuda destek olmakta ve gluten içermemesi nedeniyle çölyak hastalarının beslenmesinde önerilmektedir.
Besin öğeleri içeriği ise %15-24 oranında protein, %26-41 oranında karbonhidrat ve %25-40 oranında yağ şeklindedir. Kaliteli yağ içeriği ile birçok çalışmaya konu olmuştur. Ortalama olarak %55-60 linolenik asit (ω-3), %18-20 linoleik asit (ω-6), %6 tekli doymamış ω-9 ve %10 doymuş yağ içeriğine sahiptir.
Tohumlar dış katmanlarıı üzerinden su emerek dış yüzeylerinde jel(musilaj) oluşturmaktadır. Hücre duvarında bulunan selüloz suyun emilimini kolaylaştırmaktadır. Literatürde yapılan çalışmalarda, genel olarak musilaj ekstraksiyonu ve bu ekstraktan elde edilen gam, protein gibi yapılar üzerinde çalışılmıştır. Ortamdaki sıvıyı içerisine çekerek jel oluşturması ile de kıvam arttırıcı bir özellik de sergilemektedir. Jel yapısını uzun süre koruyabilmesi ile stabilizatör olarak kullanılabileceği yönünde gelecek vaad etmektedir. Emülsifiye edici özelliğinin %50 ve üzerinde olması ile başta gıda endüstrisi de olmak üzere yapı ve kimya endüstrisi için de katkı maddesi olarak kullanımı düşünülebilmektedir.
Bu çalışmada ise çiya tohumlarının oluşturduğu jel yapının hangi şartlarda nasıl oluştuğunun viskozitesi dikkate alınarak incelenilmesi hedeflenmiştir. Bu doğrultuda çiya tohumlarının; kompozisyon analizleri, fonksiyonel özellikleri, farklı ortamlardaki viskozite değerleri belirlenerek hat yayılım testleri yapılmıştır.
Çiya tohumu ile hazırlanmış sıvı karışımlarda sıcaklık, konsantrasyon ve partikül boyutu değişikliğinin viskozite üzerindeki etkisi incelenmiştir. Öncelikle distile su ile sıcaklık değişimine göre viskozite değerlerinin incelenebilmesi için 4 farklı sıcaklık değerinde karışımların viskozitesi ölçülmüştür. Aynı şekilde çiya konsantrasyonunun etkisini anlayabilmek için de farklı konsantrasyonlarda çalışılmıştır. Ortam pH'ının jel oluşturmaya ve viskoziteye etkisi, sıvı içerisinde bekletme süresi ve son olarak da ortamdaki şeker miktarının viskoziteye etkisi incelenmiştir. Sıvı ortamın değişikliği için ise farklı yağ oranlarına sahip sütler ile farklı sıcaklık, bekleme süresi, şeker konsantrasyonlarında denemeler yapılarak viskozite değerleri ölçülmüştür. 
Ürünlerin kıvamını saptayabilmek adına ve disfaji hastaları için günlük beslenmelerinde rahatça uygulabildikleri daha kolay bir yöntem olan hat yayılım testi (LST) de en yüksek viskozite değerlerine sahip numunelere uygulanmıştır.
Süt içeren ortamlarda çiya tohumalarının jelleşmesine yönelik ve aynı zamanda bu kadar çok değişkene bağlı olarak jelleşmenin, dolayısıyla viskozitenin değişimini inceleyen başka bir çalışma bulunmaması nedeniyle özgün bir çalışmadır.
Çiya tohumunun kompozisyon değerleri; nem %6.61 ± 0.18, yağ %34.9 ± 1.13, protein %21.49 ± 0.15, kül %4.29 ± 0.04, karbonhidrat %32.71 olarak belirlenmiştir. Fonksiyonel özellikleri ise şöyle sıralanabilir; tohum formunda su tutma kapasitesi 43.65 ± 2.95 g su/g örnek, un formunda ise su tutma kapasitesi 19.77 ± 2.31 g su/g örnek, tohum formunda yağ tutma kapasitesi 10.31 ± 1.20 g yağ/g örnek  ve un formunda yağ tutma kapasitesi 10.10 ± 0.97 g yağ/g olarak tespit edilmiştir. Şişme gücü tohum ve unda sırasıyla 25oC'de 14.05 ± 0.81g/g, 20.16 ± 2.5 g/g; 35oC'de 11,97 ± 0,17 g/g, 20,73 ± 0,58 g/g; 50oC'de 10,99 ± 0,59 g/g, 15,69 ± 1,02 g/g; 70oC'de 9,9 ± 1,02 g/g, 16,91 ± 0,44 g/g olarak saptanmıştır.
Sıcaklık artışı ile şişme gücünün azaldığı görülmüştür. Tohumların emülsifiye etme yeteneği %50 ve emlsifiye etme kararlılığı % 53,66 ± 1,63 olarak belirlenmiştir. Ayrıca, tohumların bütün halde kullanılmasıyla donma-çözündürme kararlılığı tayini yapılmıştır. İlk dondurup çözündürme periyodunda ayrışan su %33,33 olurken ikinci periyotta ayrışan su miktarı %46,66'ya yükseldi. Bu durum ise dondurup çözdürülen ve ardından tekrar dondurulan çiya tohumlarının bünyesindeki suyun bir kısmını kaybettiğini göstermektedir. Jelleşme incemelerinde ise asidik pH seviyelerinde oluşan jel miktarının az olduğu, farklı yağ oranına sahip süt ortamlarında %1,3 yağ içeren light sütün en çok jel oluşturduğu görülmüştür. Aynı zamanda un formun tüm ortamlarda daha çok su çekerek jel oluşturduğu ancak bu yapının bütün halde tohum kullanılan örneklerdeki jel yapısından güçsüz olduğu görülmüştür. DSC ile jelleşme sıcaklığı 20-35oC ve maksimum jelleşmenin 30-44oC aralıklarında gerçekleştiği ancak bu yapının bozulmaya başladığı sıcaklık değerinin 77-82oC arasında olduğu saptanmıştır.
Viskozite ölçümlerinde ise maksimum nokta 12,59 ± 1,09a cP ile 25oC'de 24 saat bekletilen tam yağlı süt, %10 şeker ve %2 çiya tohumu içeren numunede tespit edilmiştir. Su modelinde ise yine 25oC'de hazırlanmış numuneler yüksek viskozite değerlerini vermiştir. Ancak asidik ortam, yüksek sıcaklıklar gibi durumlar viskoziteyi düşüren faktörler olarak tespit edilmiştir.
Çalışmamızda, çiya tohumunun hem besinsel içeriği hem de fonksiyonel özellikleri açısından gıda endüstrisinde doğal kaynaklı katkı maddesi olarak, zenginleştirilmiş gıdalarda bileşen olarak da kullanılabileceği görülmektedir. Jel oluşturma özelliği ile kıvam arttırılması istenen birçok üründe doğrudan kullanılabilir ve hızlı sonuçlar alınabilir. Bu alanda yapılacak çalışmalarda; farklı konsantrasyonlarda diğer faktörlerin de ele alınarak hem model sistemlerde hem de ürün uygulamalarında denemelerin de yapılması önerilmektedir.

Abstract:
Chia is a plant known as Salvia hispanica L. and it is Lamiaceae family's member that is grown at arid and semi-arid climates. In the world, the seed production is mainly in Latin America and the Equatorial region. Although it is a plant that grows generally in hot climates such as Bolivia and Paraguay, other countries like Mexico, Australia and Argentina have started to grow chia in the last decade. When the price per ton reached to 8,000$ to 12,000$ in 2013, the demand for production in increased 2014.
In recent years, due to their properties such as high dietary fiber content, long-lasting satiety and the valuable unsaturated fatty acids in the chia seeds, they have been regarded as super food and become increasingly popular products. With the demand for healthy and weightloose-aiding products, the market for chia seeds in the world and in our country is growing. Dietary fiber and some unsaturated fatty acids are causing the feeling of satiety by absorbing water at a high amount (27 times of its own weight) and covering the volume in the stomach in the form of a bolus, which aids in loosing weight. Despite positive results in the short term studies, there are not yet enough studies for long term results.
As the protein and fat involved in the chia seeds have antioxidant properties, cells are protected against free radicals which can cause some diseases. It also attracts a great deal of attention because it is also effective in neurodegenerative diseases and is a natural antioxidant. It is seen as a promising natural product. In addition, it is supplementing rich mineral content and is recommended for celiac patients due to its gluten free composition.
Nutrients content is as follows: 15-24% protein, 26-41% carbohydrate and 25-40% fat. It has been the subject of many studies by its good quality oil content. It possess 55-60% linolenic acid (ω-3), 18-20% linoleic acid (ω-6), 6% monounsaturated ω-9 and 10% saturated fat. 
Seeds absorb water through their outer layers and form gel on their outer surfaces. Cellulose on the cell wall facilitates the absorption of water. The gel structure obtained is referred to as musilage in many of the studies. In the studies conducted in the literature, the extraction of this structure in general and the structures such as gum and protein obtained from this extract have been studied. From the moment when the chia seeds come in contact with water, gel formation is become immediately. This feature is also suitable for industrial use which will be a quick solution. At the same time, it exhibits a thickening property by forming a gel. It is promising as a stabilizer because it can protect the gel structure for a long time. 50% or more of the emulsifier can be considered as an additive for the civil and chemical industry, besides the food industry.
In this study, the aim was to investigate the conditions under which the jelly seeds are formed and how the viscosity of the gels were affected from those conditions. In this content; compositional analysis, and functional properties, of chia seeds were determined besides viscosity tests of chia solutions.
Viscosity values in liquids vary depending on temperature, concentration and particle size. This situation has been investigated in liquid mixtures prepared with chia seeds. First, the viscosity of the mixture was measured at 4 different temperature so that the viscosity values could be examined according to the temperature change with distilled water. In the same way, it was also studied at different concentrations to understand the effect of the chia concentration. The effects of pH on gel formation and viscosity, the duration of retention in liquid and finally the effect of the amount of sugar in the mediumon the viscosity were investigated. For the change of the liquid medium, the viscosity values were measured by conducting experiments in milk, having different fat ratios, at different temperatures, gelling times and sugar concentrations.

The line spread test (LST), which is an easier method to determine the consistency of the products and easier to apply in everyday diets for dysphagia patients, has also been applied to samples having highest viscosity values.
 It is an original study as there is no study on the gelation of chia seeds in the milk medium, and at the same time there is no other study examining the change of viscosity in model systems having so many variables.
Composition of chia seed; moisture 6.61 ± 0.18%, fat 34.9 ± 1.13, protein 21.49 ± 0.15, ash 4.29 ± 0.04, and carbohydrate 32.71%. Functional properties can be listed as follows; water retention capacity in seed form 43.65 ± 2.959 g water /g sample and 19.20 ± 1.30 g water /g initial, water holding capacity in flour form 19.77 ± 2.31 g water /g sample and 8.7 ± 1.018 g water /g initial, in seed form the oil retention capacity at 10.31 ± 1.20 g oil /g sample and 4.54 ± 0.53 g oil /g initial oil, oil retaining capacity was determined to be 10.10 ± 0.97 g oil /g sample and 4.44 ± 0.42 g oil /g oil.
The swelling power for seed and flour were at 25oC 14.05 ± 0.81a g/g, 20.16 ± 2.5c g/g; at 35oC 11,97 ± 0,17a g/g, 20,73 ± 0,58c g/g; at 50oC 10,99 ± 0,59b g/g, 15,69 ± 1,02d g/g; at 70oC 9,9 ± 1,02b g/g, 16,91 ± 0,44d g/g.
It was seen that the increase in temperature decreased the swelling power. The emulsifying ability of the seeds was determined as 50% and the stability was 53.66 ± 1.63%. Fort he freeze-thaw stability of whole seeds.  In the first freezing and thawing period, the amount of water that was separated was 33.33%, while the amount of water that was separated during the second period increased to 46.66%. This showed that some of the water in the chia seeds that have been frozen and thawed and then frozen, was lost. In the gelling investigations, it was found that the amount of gel formed in the acidic pH levels was the lowest and highest viscosity level was in the milk medium, for the light milk (containing 1.3% fat).

At the same time, it was observed that the chia seed flour formed gel by drawing more water in all media, but this structure was weaker than gel in the whole sample. It was determined by DSC that the gelling started in the range of 20-35oC and the maximum gelling was in the range of 30-44oC, but the temperature at which the gel structure deterioration started was between 77-82oC.
In the viscosity measurements, the maximum point was detected at 12,59 ± 1,09a cP at 24°C 24 h for whole milk, 10% sugar and 2% chia seeds model system. In the water model, the samples were prepared at 25°C also had high viscosity values. However, conditions such as acidic environment and high temperatures were identified as factors reducing the viscosity.
It has been shown in our work that the seeds can be used as nutrient additives in the food industry in terms of both their nutritional content and their functional properties. With the ability to form gels, they can be used directly in many cases to increase the consistency. As the future study; it is suggested to make studies in both model systems and product applications by considering oth