Üzüm çekirdeği ekstraktının nohut proteini-akasya gamı kompleks koaservatlarında mikroenkapsülasyonu
Microencappsulation of grape seed extract in chickpea protein-gum arabic complex coacervates
Yazar: GİZEM ŞEVVAL TOMAR
Danışman: DOÇ. DR. ASLI CAN KARAÇA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Üzüm çekirdeği ekstraktı, yüksek miktarda fenolik bileşikler içermesi nedeniyle sağlığa birçok yararlı etkisi bulunan değerli bir bileşendir. Fenolik bileşikler, güçlü antioksidan özellikleri ile serbest radikallerin etkilerini azaltarak hücre hasarını önlemektedir. Bu bileşiklerin anti-enflamatuar ve anti-kanser özelliklerinin de inflamasyonun ve kanser hücrelerinin büyümesini önlemede önemli rol oynadığı yapılan bilimsel araştırmalarla ortaya konmuştur. Ancak, üzüm çekirdeği ekstraktının oksijen, ışık, sıcaklık ve pH gibi çevresel faktörlere karşı dayanıksız olması, gıda, kozmetik ve ilaç endüstrilerinde kullanımını sınırlamaktadır. Çevresel faktörlere maruz kaldığında fenolik bileşikler hızla bozulmakta; bu da ekstraktın etkinliğini ve raf ömrünü azaltmaktadır. Bu çalışmada, üzüm çekirdeği ekstraktının stabilitesini iyileştirmek için kompleks koaservasyon tekniği ile mikroenkapsülasyon işlemi uygulanmıştır. Kompleks koaservasyon yöntemi, biyopolimerlerin çözelti içindeki etkileşimleri sonucu faz ayrımına dayanmakta ve biyoaktif bileşiklerin mikroenkapsülasyonunda kullanılmaktadır. Bitkisel proteinlerin kullanımı, hayvansal proteinlere göre daha erişilebilir, düşük maliyetli ve sürdürülebilir oldukları için artış göstermektedir. Nohut, yüksek protein içeriği ve hipoalerjenik özellikleri ile önemli bir bitkisel protein kaynağıdır. Nohut proteinlerinin kompleks koaservasyon yöntemi ile mikroenkapsülasyon uygulamalarında kullanımı, fonksiyonel ve besleyici değerlerin artırılmasına katkıda bulunabilir.
Bu tez çalışmasında, üzüm çekirdeği ekstraktının kompleks koaservasyon yoluyla mikroenkapsüle edilmesi amacıyla nohut proteini (NP) ve akasya gamı (AG) kullanılmıştır. Öncelikle kompleks koaservasyon işleminde optimum NP/AG oranı ve pH'ın belirlenmesi amacıyla NP, AG ve 1:1-6:1 değişen oranlarda NP/AG çözeltilerinin zeta potansiyeli ve UV spektrofotometre ile bulanıklık değerleri belirlenmiştir. Yapılan zeta potansiyeli ve UV spektrofotometre analizleri sonucunda kompleks koaservasyon işlemi için optimum NP/AG oranı 3:1; optimum pH ise 4,0 olarak belirlenmiştir. Seçilen optimum koşullarda koaservasyon verimi %59,85 olmuştur. Optimum koşullarda 1:1, 2:1, 1:2 çekirdek/kabuk oranlarında üzüm çekirdeği ekstraktı taşıyan mikrokapsüller üretilmiş ve karakterize edilmiştir. Moleküler kompozisyon ve etkileşimlerinin incelenmesi için Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (FTIR) spektroskopisi analizi uygulanmıştır. Antioksidan kapasitesinin belirlenmesi amacıyla ABTS (2,2'-Azino-Bis(3-Ethylbenzothiazoline-6-Sulfonic Acid) ve DPPH (2.2.-Difenil-1-pikrihidrazil) radikallerini yakalama kapasitesi testleri gerçekleştirilmiş, mide ve bağırsak ortamında in-vitro salım testleri yapılmıştır. Ayrıca, mikrokapsüllerin Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) görüntüleri çekilmiştir. Son olarak mikroenkapsülasyon etkinliği belirlenerek mikrokapsüllerin genel karakterizasyonu tamamlanmıştır. Farklı çekirdek/kabuk oranlarınının mikroenkapsülasyon etkinliği sıralaması büyükten küçüğe 1:2>1:1>2:1 şeklinde olmuştur. Çekirdek/kabuk oranı 1:2 numunenin mikroenkapsülasyon etkinliğinin daha yüksek olmasının nedeni çekirdek oranının kaplama miktarından daha düşük olması nedeniyle daha etkin bir mikroenkapsülasyon işleminin gerçekleşmiş olmasıdır. Yapılan FTIR analizi sonucunda ise, değerlendirilen mikroenkapsülasyon örneklerinin sonuçlarında NP, AG ve üzüm çekirdeği ekstraktının spesifik piklerinin mevcut olmasından dolayı etkin bir mikroenkapsülasyon işleminin gerçekleştirildiği görülmüştür. Depolama süresi boyunca ilk 7 günde antioksidan aktivitenin daha hızlı bir şekilde azaldığı, 7. günden sonra ise daha yavaş bir şekilde azaldığı görülmektedir. Hazırlanan numunelerin mide ve bağırsak ortamında salımları ise ilk 10 dk içerisinde gerçekleşmiştir. Mikoenkapsülasyonu yapılan üzüm çekirdeği ekstraktının hızlı bir şekilde salınmasının nedeninin üretilen mikrokapsüllerin mide ve bağırsak ortamlarındaki koşullara karşı yeterli stabilite sağlayamaması olduğu düşünülmektedir. Bu nedenle, kimyasal ve enzimatik çapraz bağlama işlemleriyle kompleks koaservatların güçlendirilmesi adımı eklenerek hazırlanan mikrokapsüllerin stabilitesinin artırılması sağlanarak kontrollü salım özelliği kazandırılabileceği düşünülmektedir. SEM görüntülerine bakıldığında, mikrokapsüllerin yüzeyinin pürüzsüz olup, kırık ve delik bulunmaması işlemin düzgün gerçekleştiğini göstermektedir. Ancak, mikrokapsüller homojen bir düzende değildir ve agregasyon meydana gelmiştir. Bu, koaservasyon sırasında mikroenkapsüllerin birbirine yapıştığını ve mekanik dayanımlarının düşük olduğunun bir göstergesidir. Yapılan bu tez çalışmasının sonucunda daha önce kompleks koaservasyon işleminde kullanılmamış olan nohut proteininin bu işlem için bir alternatif olabileceği düşünülmektedir. Ayrıca enkapsülasyon işlemi ile birlikte üzüm çekirdeği ekstraktının serbest haline göre daha uzun süre depolanarak etkin kullanımı sağlanabilecektir. Hazırlanan mikrokapsüllerin çapraz bağlama gibi ek adımlarla güçlendirilerek kontrollü salım açısından daha iyi bir sonuç elde edilebileceği düşünülmektedir.

Abstract:
Grape seed extract is a valuable natural ingredient that has many beneficial effects on health due to its high concentration of phenolic compounds. Phenolic compounds are known for their strong antioxidant properties, and thanks to these properties, they prevent cell damage by reducing oxidative stress caused by free radicals. In addition to antioxidant properties, phenolic compounds also have anti-inflammatory and anti-cancer effects. The potential of these compounds to reduce inflammation and inhibit the proliferation of cancer cells has been supported by numerous scientific studies. However, the wide-scale use of grape seed extract in the food, cosmetic and pharmaceutical industries is limited due to the sensitivity of the extract to environmental factors. When grape seed extract is exposed to environmental factors such as oxygen, light, temperature and pH, the phenolic compounds it contains rapidly deteriorate. This degradation process significantly reduces the effectiveness and shelf life of the extract, limiting the use of the product. In this study, microencapsulation process was carried out using the complex coacervation technique in order to increase the stability of grape seed extract. The complex coacervation method is based on phase separation as a result of the interactions of biopolymers in solution and is a widely used technique in the microencapsulation of bioactive compounds. Microencapsulation is an advanced technology that improves the controlled release and bioavailability of bioactive compounds by increasing their physical and chemical stability. Application of this method ensures the protection of phenolic compounds against oxidation and thus helps preserve their biological activities. Biopolymers used in microencapsulation with the complex coacervation method are substances obtained from natural sources and have biocompatible properties. In this study, the use of plant proteins as microencapsulation agents was preferred because they are more accessible, low-cost and sustainable than animal proteins. Chickpeas are an important source of plant protein that stands out with its high protein content and hypoallergenic properties. The use of chickpea proteins in microencapsulation processes with the complex coacervation method not only increases the stability of phenolic compounds, but also enriches the nutritional value of food products. The use of plant proteins as microencapsulation agents stands out as an important strategy for sustainable food production and effective preservation of bioactive compounds. The use of chickpea proteins not only increases the stability of the extract but also increases the functional and nutritional values of food products. In this context, the use of chickpea proteins in microencapsulation applications with the complex coacervation method ensures long-term preservation of phenolic compounds and maximizes the positive effects of these compounds on health. As a result, microencapsulation of grape seed extract with the complex coacervation method is an effective approach to protect phenolic compounds against oxidation and ensure the continuity of their biological activities. The use of chickpea proteins in this process contributes to the development of healthy and sustainable products by increasing both the stability of the extract and the nutritional and functional values of food products. The findings of this study enable a broader range of uses of grape seed extract and make the positive health effects of this valuable compound more accessible.
In this thesis study, chickpea protein (NP) and gum arabic (AG) were used to microencapsulate grape seed extract through complex coacervation. The aim of the study is to increase the stability of grape seed extract, preserve its antioxidant properties and ensure controlled release. Grape seed extract has strong antioxidant, anti-inflammatory and anti-cancer properties thanks to its high concentration of phenolic compounds. However, these compounds are highly sensitive to environmental factors, limiting their use in the food, cosmetic and pharmaceutical industries. In the first stage of the study, the zeta potential and turbidity values of NP, AG and varying ratios of NP/AG solutions were determined with a UV spectrophotometer in order to determine the optimum NP/AG ratio and pH in the complex coacervation process. These analyzes are critical for optimizing the efficiency of the coacervation process and the effectiveness of microencapsulation. As a result of zeta potential and UV spectrophotometer analyses, the optimum NP/AG ratio for the complex coacervation process is 3:1; The optimum pH was determined as 4.0. In the coacervation process carried out under these conditions, the coacervation efficiency was determined as 59.85%. Under optimum conditions, microcapsules carrying grape seed extract at different core/shell ratios (1:1, 2:1, 1:2) were produced and characterized. Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy analysis was applied to study the molecular composition of the microcapsules and the interactions between the components. FTIR analysis confirmed that an effective microencapsulation process was achieved, showing specific peaks of NP, AG, and grape seed extract. In order to determine the antioxidant capacity of the microcapsules, ABTS (2,2'-Azino-Bis(3-Ethylbenzothiazoline-6-Sulfonic Acid)) and DPPH (2,2-Diphenyl-1-picrihydrazyl) radical scavenging capacity tests were performed. These tests are critical to evaluate the antioxidant activity of microcapsules. Additionally, in-vitro release tests were performed in the gastric and intestinal medium and Scanning Electron Microscope (SEM) images of the microcapsules were taken. SEM analysis was used to evaluate the surface morphology and structural integrity of the microcapsules. Looking at the SEM images, the surface of the microcapsules is smooth and there are no breaks or holes, indicating that the process is smooth. However, the microcapsules are not in a homogeneous pattern and aggregation has occurred. This is an indication that the microencapsules stick together during coacervation and their mechanical strength is low. Microencapsulation efficiency was ranked according to different core/shell ratios, and the highest efficiency was obtained at a ratio of 1:2. The reason why the microencapsulation efficiency of the sample with a core/shell ratio of 1:2 is higher is that a more effective microencapsulation process has occurred since the core ratio is lower than the coating amount. During the storage period, it was observed that antioxidant activity decreased more rapidly in the first 7 days and decreased more slowly after the 7th day. This highlights the sensitivity of phenolic compounds to oxidative degradation and the effectiveness of the microencapsulation process in protecting these compounds. The release of the prepared samples in the gastric and intestinal environment occurred within the first 10 minutes. The reason for the rapid release of microencapsulated grape seed extract is thought to be that the produced microcapsules cannot provide sufficient stability against the conditions in the stomach and intestinal environments. Therefore, it is recommended to increase the stability of the prepared microcapsules and provide controlled release feature by adding the step of strengthening the complex coacervates through chemical and enzymatic cross-linking processes. In conclusion, this thesis study shows that chickpea protein, which has not been used before in the complex coacervation process, can be an alternative for this process. Chickpea protein attracts attention with its accessibility, low cost and sustainability. In addition, with the microencapsulation process, grape seed extract can be stored for a longer period of time than its free form and can be used effectively. It is thought that better results in terms of controlled release can be achieved by strengthening the prepared microcapsules with additional steps such as chemical and enzymatic cross-linking. This study makes important contributions to increasing the stability of phenolic compounds and maximizing their beneficial health effects.