Kürküminin yüzey aktif maddeler yardımıyla suda çözünürlüğünü arttırma
Improving water solubility of curcumin with surface active substances
Yazar: SEHER YÖNEY
Danışman: PROF. DR. ESRA ÖZKAN ZAYİM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Kürkümin parlak sarı renge sahip,yiyeceklere renk ve tat vermek için  gıda sektöründe sıkça kullanılan aynı zamanda tekstil ürünlerinde ve kozmetiklere katkı maddesi olarak ilave edilen Hindistan kökenli bir maddedir. Günümüzde Hindistan başta olmak üzere birçok Asya ülkesinde geniş alanlarda tüketilen kürkümin halk arasında genel adı zerdeçal olarak bilinmektedir. Kürkümin, curcuma longa(zerdeçal) bitkisinin köklerinden elde edilen ve zerdeçal kökünde doğal olarak bulunan bir polifenoldür. Kürkümin zerdeçalın içeriğinde çok az miktarda bulunmaktadır. Kürkümin maddesinin insan sağlığı için birçok faydasının olduğu bilim adamları tarafından kanıtlanmıştır. Başta kanser olmak üzere çok sayıda ciddi hastalığın tedavisinde çok önemli bir etkiye sahiptir. Ayrıca insan vücudu için çok önemli bir antioksidan olma özelliğine sahiptir. İçerisinde aktif madde olarak kürkümini içeren birçok farklı çeşitte ilaç ve alternatif tıp ürünü bulunmaktadır. Kürkümin, hastalıkların tedavisinde kullanılmak üzere insan vücuduna olumlu etkilerini arttırabilmek için halen çalışmalar sürdürülmektedir.  İnsan vücuduna faydalı olmasına ve yüksek antioksidan özelliğine sahip olmasına rağmen kürküminin vücuttaki biyoyararlanımı çok  düşüktür. İlaç olarak alındığında ince bağırsaktaki emilimi az olup kana geçen ve  hücrelere ulaşan kürkümin miktarı yetersizdir. Bunun sebebi insan vücudunun çoğunluğu sudan oluşmaktadır ve kürküminin hidrofobik özelliğinden dolayı sudaki çözünürlüğü çok düşüktür. İlaçlar damardan enjekte edildiğinde etkisi daha fazla olmaktadır. Fakat kanın % 85'i sudan oluştuğu için kürküminin kan içerisindeki çözünürlüğü de  az olmaktadır. Kürküminin tüm değerli etkileri kan dolaşımındaki çözünürlüğüne yani sudaki çözünürlüğüne bağlıdır. Kürküminin vücuda ilaç olarak veya damardan verilebilmesi için sudaki çözünürlüğünün  arttırılması ve bu özelliğinin geliştirilmesi  gerekmektedir. Bu tezdeki amaç kürküminin sudaki çözünürlüğünün arttırılması ve çözünürlüğün yüksek olduğu durumları belirlemektir.  Literatürde kürküminin biyoyararlanımını arttırmak için çeşitli teknikler vardır. Bu tekniklerden biri yüzey aktif maddeler kullanılarak kürküminin sudaki çözünürlüğünü arttırmaktır. Bu tezde de kürküminin sudaki çözünürlüğünü arttırmak için yüzey aktif maddeler kullanılmıştır. Kullanılan farklı yüzey aktif maddeler, çözeltide polimerik miseller oluşturarak kürkümini hidrofobik çekirdekte hapsedip çözünürlüğü arttırmıştır. Farklı konsantrasyonlardaki yüzey aktif maddeler ile çözeltiler hazırlanarak çözeltiye ultrases verme, manyetik karıştırıcıda karıştırma gibi işlemler ile çözelti içerisinde kürküminin  çözünürlüğünü arttırma çalışmaları yapılmıştır. Seçilen yüzey aktif maddeler aljinat, polivinilpirolidon (PVP) ve jelatindir. Her bir çözelti, suya göre belirlenen konsantrasyonlarda yüzey aktif madde kullanılarak hazırlandı. Kürküminin sudaki çözünürlüğü çok az olmasından dolayı çözeltilerin içerisine katılacak kürkümin miktarı literatürdeki kürküminin emilim 
xxii 
miktarları incelenerek 1mg olarak seçildi. Farklı konsantrasyonlardaki yüzey aktif madde içeren çözeltilerin her birine 1mg kürkümin eklendi. Ultrases ve manyetik karıştırıcıda karıştırma işlemleriyle kürkümini çözündürme gerçekleştirildikten sonra UV visible spektrofotometre ile çözeltilerin farklı dalgaboylarında absorbans değerleri kaydedildi. Çözeltiler belirli oranlarda seyreltilerek her biri için dalgaboyuna karşı absorbans grafikleri elde edildi. Seyreltme işlemi sonucu oluşturulan farklı konsantrasyonlardaki kürküminli çözeltilerin ölçülen dalga boyu aralığındaki maksimum absorbans değerleri belirlenerek kalibrasyon doğrusu oluşturuldu ve bu doğrunun denklemi elde edildi. Maksimum dalgaboyunda elde edilen absorbans değerleri y eksenine, kürküminli çözeltilerin konsantrasyonları da x eksenine konularak çizdirdiğimiz grafikten elde edilen kalibrasyon doğrusunun eğimi bize Lambert Beer yasasına göre absorbsiyon katsayısını verdi. Yani belirli yüzdelerde kullandığımız yüzey aktif maddelerle hazırladığımız her bir çözeltide tamamen çözünmüş kürküminli çözeltilerden sabit değer olan absorbsiyon katsayıları elde edildi. Yapılan deneyler oda sıcaklığında 25 0C'de aynı şartlarda gerçekleştirildi.  Farklı konsantrasyonda yüzey aktif madde içeren kürküminli çözeltilerin kalibrasyon datalarından absorbsiyon katsayılarını elde ettikten sonra, yüzey aktif maddeler ile 20 mg kürkümin içeren test çözeltileri hazırlandı. Numunelerde yüzey aktif madde oranları maddenin özelliklerine göre altı farklı oranda olacak şekilde birinci aşama deneylerde kullanılan konsantrasyonlarda tercih edildi. Bunun sebebi önceki yapılan  deneylerden elde edilen absorbsiyon katsayılarının ikinci aşama deneylerin sonuçlarıyla birlikte kullanılmasıdır. Altı tane farklı oranda yüzey aktif madde içeren kürküminli çözeltiler bir saat ultrasonik banyoda, bir saat manyetik karıştırıcıda bekletildikten sonra bir saat santrifüj edilerek çözünmeyen kürkümin miktarının ayrıştırılması sağlandı. Çözünmüş kürküminli kısma ait ölçümler, kalibrasyon çözeltileriyle aynı şartlarda, UV Visible dedektör ile 400-460 nm dalgaboyu aralığında ölçüm alınarak gerçekleştirildi. Tüm ölçümlerde maksimum absorbans değerleri ve bu değerlerin elde edildiği  dalgaboyları kaydedildi. Çözeltiler içerisindeki yüzey aktif madde konsantrasyonuna karşı absorbans grafiği oluşturuldu. Elde edilen absorbans değerleri ile daha önce kalibrasyon grafiklerinden elde edilen absorbsiyon katsayıları Lambert Beer yasasında yerine konularak çözeltilerde çözünen kürkümin miktarı hesaplamaları yapıldı.  Yüzey aktif madde konsantrasyonuna karşı çözünen kürkümin miktarı grafiği; aljinat, PVP ve jelatin ile yapılan deneylerle her biri için tekrarlanmıştır. Bu grafiklerden çözeltide yüzey aktif maddelerin kürkümin etrafında misel oluşturup oluşturamadığı anlaşılmıştır. Belirlenen sürelerde uygulanan ultrasonik banyo ve karıştırma işlemleri ile çözünen kürkümin miktarları elde edilmiştir. Aljinat, PVP ve jelatin gibi yüzey aktif maddeler yardımıyla çözündürülen kürküminli çözeltilerin kritik misel konsantrasyonları belirlenerek literatüre katkıda bulunulmuştur. Tüm çalışmalar sonucunda kürküminin sudaki çözünürlüğünün çözeltilerde kullanılan yüzey aktif maddeler ile arttığı gözlemlenmiştir.İkinci aşama deneylerde en son uygulanan santrifüj işlemiyle ayrıştırılan kürküminli çözeltilerin parçacık boyutu nanometre düzeyinde incelenmiştir. Suya göre altı oranda yüzey aktif madde ile hazırlanan her kürküminli çözelti için analiz yapılarak surfaktan konsantrasyon artışına göre parçacık boyutlarındaki değişim ve çözelti içindeki boyut dağılımları tespit edildi. Çözeltilerdeki misel oluşumlarının varlığı parçacık boyut değişimlerine göre yorumlanmaya çalışıldı. Bu ölçümler birinci ve ikinci aşamada yapılan deney sonuçlarına katkıda bulunmuştur.

Abstract:
Curcumin is a substance of Indian origin, which has a bright yellow color and which is frequently used in the food industry to impart color and taste to foods, but also as an additive to textile products and cosmetics. Today, curcumin, which is consumed in large areas in many Asian countries, especially in India. It is known as turmeric among the people. Curcumin is a polyphenol obtained naturally from the roots of curcuma longa (turmeric) and found naturally in turmeric root. Curcumin is very small in the content of turmeric. Scientists have proven that curcumin has many benefits for human health. It has a very important effect in the treatment of many serious diseases, especially cancer. It also has the property of being a very important antioxidant for the human body. There are many different kinds of medicines and alternative medicine products that contain curcumin as an active ingredient. Studies are ongoing to increase the positive effects on the human body for use in the treatment of curcumin diseases. Although it is beneficial to the human body and has a high antioxidant properties, the bioavailability of curcumin is very low. The reason for this is that the majority of the human body consists of water and because of the hydrophobic nature of curcumin, its solubility in water is very low. Drugs are more effective when injected intravenously. However, since %85 of the blood consists of water, the solubility of curcumin in the blood is also low. All its valuable effects depend on its solubility in the blood stream so depend on its solubility in water. In order to be able to be administered intravenously, its solubility in water should be increased and this property should be improved. The aim of this thesis is to increase the solubility of curcumin in water and to provide optimum conditions with high solubility. There are various techniques in the literature to increase the bioavailability of curcumin. In the experiments, it was aimed to increase the solubility of curcumin in water by using surfactants as a method. Surfactants formed polymeric micelles in solution, trapping the curcumin in the hydrophobic core and increased solubility. Solutions were prepared with surfactants at different concentrations and ultrasound treatment and magnetic stirrer mixing were used to increase the solubility of curcumin in the solution.  Solutions were prepared with surfactants at different concentrations, and ultrasound was applied to the solution. Also magnetic stirrer stirring was used to increase the solubility of curcumin in the solution. The surfactants selected are alginate (at low viscosity) polyvinylpyrrolidone (PVP) and gelatin. Curcumin containing solutions were prepared using the surfactants at the specified concentrations in each solution. Because of the poor solubility of curcumin in water, the amount of curcumin in the solutions was chosen as 1mg by examining the absorption of curcumin in the literature. Each solution was prepared using surfactants at concentrations determined with respect to water. 1 mg of curcumin was added to each of the solutions containing 
xxiv 
different concentrations of surfactant. After the dissolution of curcumin by ultrasound and magnetic stirrer, the absorbance values of the solutions were recorded by UV visible spectrophotometer at different wavelengths. The solutions were diluted in specific proportions to obtain absorbance graphs for each wavelength. Calibration line was determined by calculating the maximum absorbance values against to the wavelengths for different concentrations of curcumin solutions. This is formed by the dilution process and the equation of this line was obtained. The absorbance values, obtained at the maximum absorbance from known absorbance that against to wavelenght graphs were plotted on the y axis and the concentrations of the curcumin solutions were plotted on the x axis and the slope of the calibration line yielded the absorption coefficient according to the Lambert Beer law. In other words, the absorption coefficients were obtained from the fully dissolved curcumin solutions in each solution prepared with the surfactants we used in certain percentages. The experiments were carried out at 25 0C under the same conditions at room temperature. After obtaining the absorption coefficients from the calibration data of the curcumin solutions containing different concentrations of surfactant, test solutions containing 20 mg curcumin with surfactants were prepared. The surfactant ratios in the samples were preferred at the concentrations used in the first step experiments, with six different ratios based on the properties of the agent. This is because the absorption coefficients obtained from the previous experiments are used together with the results of the second stage experiments.  Curcumin solutions containing six different amounts of surfactant were allowed to stand in the ultrasonic bath for one hour, in the magnetic stirrer for one hour and then centrifuged for one hour to separate the amount of insoluble curcumin. The measurements of the dissolved curcumin coat were carried out under the same conditions as the calibration solutions using a UV Visible detector in the 400-460 nm wavelength range. The maximum absorbance values and the wavelengths at which these values were obtained were recorded. Absorbance graph was generated against the concentration of surfactant in the solutions. Absorbance values obtained at second stage experiments and absorption coefficients previously obtained from calibration graphs in the first stage experiments were replaced by Lambert Beer's law and it was aimed to calculate the amount of dissolved curcumin in the solutions. The first and second stage experiments for alginate, PVP and gelatin were repeated at least five times at the surfactant concentrations we determined for due to errors in experiments. Regulation coefficients and standard deviation values of the drawn calibration curves were found. Error analysis of absorption coefficients and maximum absorbance values obtained from first and second stage repetitions were performed according to the mean. These results have been interpreted for each other . Graph of the amount of dissolved curcumin against the concentration of surfactant; alginate, polivinil prolidon (PVP) and gelatin. From these graphs it was understood whether the surfactants in the solution could form micelles around the curcumin. The amounts of dissolved curcumin were obtained by ultrasonic bath and mixing processes. Critical micelle concentrations of curcumin solutions dissolved with the help of surfactants such as alginate, polivinil prolidon  (PVP) and gelatin were determined and contributed to the literature. As a result of all studies, it was observed that the solubility of curcumin in water increased with surfactants used in solutions. In the second stage experiments, the particle size of the curcumin solutions separated by centrifugation was examined at nanometer level. For each curcumin solutions 
xxv 
prepared with six percent surfactant relative to water, the particle size changes and size distributions in solution were determined according to the increase in surfactant concentration. The presence of micelle formation in solutions was tried to be interpreted according to particle size changes. These measurements contributed to the first and second stage test results.