Lutein ve likopen enkapsülasyonunun optimizasyonu ve biyoyararlılığının artırılması
Optimization of lutein and lycopene encapsulation and enhancement of their bioavailability
Yazar: TUĞBA DURSUN ÇAPAR
Danışman: PROF. DR. HASAN YALÇIN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Lutein ve likopen gıdalarda renklendirici olarak kullanılabilen, sudaki çözünürlüğü düşük, ışığa ve oksijene karşı çok duyarlı doğal renk pigmentleridir. Lutein ve likopen, biyoaktif özelliklerinin termo ve fotooksidasyona karşı etkili şekilde korunması ve taşınma verimliliğinin artırılması amacıyla enkapsüle edilmektedir. Bu çalışma kapsamında, lutein ve likopenin enkapsülasyonu için kaplama materyali üretiminin optimizasyonu, elde edilen kaplama materyali ile lutein ve likopenin enkapsülasyonu ve biyoyararlılığının artırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla, Yanıt Yüzey Metodu (Response Surface Methodology) D-Optimal deney tasarımı kullanılarak optimum özellikte kaplama materyali sulu ortam Maillard reaksiyonu yöntemi ile üretilmiştir. Numerik faktör olarak reaksiyon sıcaklığı (40-90°C) ve süresi (10-60 dakika); kategorik faktör olarak ise protein çeşidi (zein, yağsız süt tozu, peynir altı suyu protein konsantresi (PPK) ve faba protein izolatı (FPI)) ve protein-polisakkarit oranı (1:1-3:2) seçilmiştir. Polisakkarit kaynağı olarak karragenan (K) kullanılmıştır. Optimizasyon yanıtları olarak (responses) konjugasyon verimi (%), konjugasyon yeterliliği (serbest protein miktarı)(%) ve protein çözünürlüğü (%) verileri kabul edilmiştir. Deney sonuçlarına göre, optimum veriler 90°C'de 60 dakika ısıtma işlemi uygulanan, protein/polisakkarit oranı 1:2 olan ve protein kaynağı olarak FPI'nin kullanıldığı denemede elde edilmiştir. Optimum noktaya ait konjugasyon verimi, yeterliliği (serbest amino asit miktarı) ve protein çözünürlüğü verileri sırasıyla %94,32; %25,77 ve %42,59 olarak bulunmuştur. Optimum noktanın karakterizasyon analizleri gerçekleştirilmiştir. SDS-PAGE analizi ve esmerleşme analizleri ile birincil Maillard reaksiyon ürünlerinin oluştuğu doğrulanmıştır. Oluşturulan konjugatın en fazla 40kDa'da belirgin bant oluşturduğu, 25 ve 40 kDa bantlarında yoğunluklar oluştuğu gözlenmiştir. Esmerleşme analiz sonuçlarına göre, FPI'nın esmerlesşme indeksi 0,468 iken oluşan FPI-K konjugatınınki 0,009 olarak bulunmuştur. Örneklerin emülsiyon aktivite indeksi ve emülsiyon stabilite özellikleri incelenmiştir.Emülsiyon aktivite ve stabilite indekslerinin konjugasyonla birlikte arttığı bulunmuştur. Zeta potansiyel değerleri ve FTIR analiz sonuçları emülsiyon stabilitesi sonuçlarını destekler nitelikte bulunmuştur. Konjugata ve FPI'ya ait SEM görüntüleri, FPI'nın konjugata göre daha büyük, pürüzlü ve düzensiz olduğunu göstermektedir. Konjugasyonla birlikte ortamdaki serbest amino asit miktarının azaldığı LC-QTOF-MS ile desteklenmiştir. Enkapsülasyon verimi FPI ve FPI-K likopen için %77,58 ve %82,69; lutein için %89,51 ve %93,07 olmuştur. Değişen pH'ya göre partikül boyutu ve zeta potansiyel değişimlerinde, FPI ile kaplanmış likopen nanopartiküllerinin çapları pH 3-4 ve 7-9 arasında stabil olmasına rağmen pH 3-4 arasında 220 nm'ye kadar çıkmıştır. FPI ile kaplanmış lutein nanopartiküllerinin çapları ise pH 5-9 arasında stabil olmasına rağmen pH 3-4 arasında 953 nm'ye kadar çıktığı bulunmuştur. Biyoyararalılık, FPI ile kaplanmış örneklerde konjugatlara göre daha yüksek bulunmuştur. Elde edilen sonuçlar, protein/polisakkarit konjugasyonunun yağda çözünebilen biyoaktif bileşiklerin enkapsülasyonunda kullanılabilir; ışık, ısı ve oksijen gibi ortam şartlarından korunmasında etkin bir yöntem olduğunu göstermiştir.

Abstract:
Lutein and lycopene are natural color pigments that can be used as coloring agents in foods, have low solubility in water, and are very sensitive to light and oxygen. They are encapsulated in order to effectively protect bioactive compounds against thermo and photo-oxidation and to increase transport efficiency. Within the scope of this study, the aim was to optimize the production of coating material for encapsulation of lutein and lycopene, and to increase the encapsulation efficiency and bioavailability of lutein and lycopene with the coating material obtained. For this purpose, using Response Surface Method with D-Optimal experimental design, the optimum material coating material has been produced with Maillard reaction method in an aqueous medium. Numerical factors were reaction temperature (40-90° C) and duration time (10-60 minutes); the categorical factors were chosen as protein type [zein, skimmed milk powder, whey protein concentrate (PPI) and faba bean protein isolate (FPI)] and protein-polysaccharide ratio (1:1- 3:2). Carrageenan (Car) was used as a source of polysaccharide. Conjugation efficiency (%), conjugation yield (free protein amount) (%) and protein solubility (%) data were accepted as optimization responses. According to the results of the experiment, the optimum point was found at 90°C for 60 minutes with a protein/polysaccharide ratio of 1:2 and FPI as the source of protein. Conjugation yield, conjugation efficiency (free amino acid amount) and protein solubility data of the optimum point were found as 94.32%, 25.77% and 42.59%, respectively. Characterization analysis of the optimum point was carried out. It was confirmed that primary Maillard reaction products were formed by SDS-PAGE analysis and browning analysis. It was observed that the conjugate formed a distinct band at a maximum of 40 kDa, and densities occurred at 25 and 40 kDa bands. According to the browning analysis results, the index of FPI was 0.468, whereas that of the FPI-Car conjugate formed was 0.009. The emulsion activity index and emulsion stability properties of the samples were examined. Emulsion activity and stability indices found to increase together with conjugation. Zeta potential values and FTIR analysis results were found to support emulsion stability results. When the SEM images of the conjugate and FPI are examined, it is seen that the plain FPI is larger, rougher and more irregular compared to the conjugate. With the conjugation, the amount of free amino acids in the medium was supplemented by LC-QTOF-MS. The encapsulation yield was 77.58% and 82.69% for FPI and FPI-Car lycopene, while it was 89.51% and 93.07% for lutein. About the particle size and zeta potential changes according to changing pH levels, the diameter of the lycopene nanoparticles coated with FPI was found to be up to 220 nm between pH 3-4, while the diameters were stable between pH 3-4 and pH 7-9. Although the diameters of lutein nanoparticles coated with FPI were stable between pH 5-9, it has been found to increase up to 953 nm between pH 3-4. Bioavailability of FPI coated samples was found to be higher than in conjugates. The results have been shown that protein/polysaccharide conjugation can be used in encapsulation of oil-soluble bioactive compounds. In the food industry, such an encapsulation method is promising in protecting color materials from environmental conditions such as light, heat and oxygen.