Nar kabuğu kaynaklı ellajik asitin biyoyararlılığını artırmaya  yönelik mikroenkapsülasyon çalışmaları
Microencapsulation studies to increase the bioavailability of ellagic acid from pomegranate peels
Yazar: NİDA PINARBAŞI
Danışman: PROF. DR. AYHAN TOPUZ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Ellajik asit = Ellagic acid ; Kurutma teknikleri = Drying technique ; Mikroenkapsülasyon = Microencapsulation ; Nar = Pomegranate

Özet:
Nar (Punica granatum L.) biyoaktif maddelerce zengin bir meyvedir. Nar genellikle taze meyve olarak, çoğunlukla da meyve suyuna işlenerek tüketilmektedir. Nar suyu işleme atığı olan nar kabuğu ise tüm meyvenin yaklaşık olarak %50'sini oluşturmakta olup, bu atıkta narın kendisine kıyasla daha yüksek oranda ellajik asit bulunmaktadır. Polifenolik bir bileşik olan ellajik asitin oksidatif strese bağlı olan kanser, diyabet, otoimmün ve kardiyovasküler hastalıklar, obezite ve nörodejeneratif bozukluklar gibi çeşitli hastalıkların tedavisinde etkili bir bileşen olduğu belirlenmiştir. 
Ellajik asit ile yapılan in vivo ve in vitro çalışmaların birbirleriyle uyumlu olmadığı gözlemlenmiş ve sebepleri arasında bu bileşiğin sudaki çözünürlüğünün düşük olması, emiliminin sınırlı olması ve bireyler arasındaki mikroflora farkına bağlı olarak biyolojik etkinliğinin farklılık göstermesi belirtilmiştir. Yapılan çalışmalar ile ellajik asitin kolon mikroflorası tarafından ürolitin adı verilen bileşiklere metabolize edildiği görülmüş ve potansiyel sağlık etkilerinden ürolitin ve türevlerinin sorumlu olduğu öne sürülmüştür. Nitekim ürolitinlerin antioksidan, östrojenik, antienflamatuar ve antikanserojenik özellikler dahil olmak üzere, nörodejeneratif ve kardiyovasküler rahatsızlıklara karşı da etkilerinin olduğu belirlenmiştir. 
Bu çalışmada nar kaynaklı ellajik asitin farklı polaritelere ve emülsiyon kapasitesine sahip taşıyıcılar ile mikroenkapsülasyonu yoluyla sudaki çözünürlüğünün arttırılması ve alt sindirim sisteminde probiyotik mikroorganizmalar tarafından metabolize edilerek ürolitinlere dönüştürülmesinin sağlanması ile biyoyararlılığının arttırılması amaçlanmıştır.
Ellajik asidin biyoyararlılığını arttırmak için püskürterek kurutma sistemiyle gerçekleştirilen mikroenkapsülasyon işeminin optimizasyonunda bağımsız değişkenler olarak taşıyıcı materyal konsantrasyonu ve giriş havası sıcaklığı seçilmiştir.  Taşıyıcı materyal olarak arabik gam, maltodekstrin ve inülin karışımı kullanılmıştır. Hava giriş sıcaklığının sınır değerleri olarak 130-190 °C belirlenmiş ve toz mikrokapsüller üretilmiştir. 
Kullanılacak optimum taşıyıcı madde konsantrasyonları ve giriş sıcaklığı mikrokapsüllerin yüzde suda çözünürlüğü ve ellajik asit konsantrasyonu üzerinden hesaplanmış ve doğrulanmıştır. Bunun sonucunda optimum taşıyıcı materyaller ve oranları %20 maltodekstrin ve %10 inülin ve optimum giriş sıcaklığı ise 158°C olarak bulunmuştur. Ayrıca %1.5 oranında β-siklodekstrin (β-SD) varlığının da optimum koşullar içerisinde olması gerektiği sonucuna ulaşılmıştır. 
Belirlenen optimum formülasyonda üretilen mikrokapsüller kontrol örnekleriyle birlikte in vitro gastrointestinal sistemde sindirim testlerine tabi tutulmuş, Bifidobacterium pseudocatenulatum ile ellajik asitin mikrobiyal fermantasyonu gerçekleştirilmiştir. Ticari ellajik asit ve mikroenkapsüle ellajik asitin ürolitin A ve ürolitin B'ye dönüşümü ve dönüşüm sonrası konsantrasyonları kıyaslanmıştır.
Ayrıca optimum koşullarda üretilen toz formdaki ellajik asit mikrokapsülleri 45 gün süreyle 4ºC ve 25ºC olmak üzere iki farklı sıcaklıkta depolanmış ve depolamanın 0., 15., 30., 45. günlerinde ürünün fizikokimyasal özelliklerinde meydana gelen değişimler gerekli analizler (nem, su aktivitesi, çözünürlük, yığın yoğunluk, sıkıştırılmış yoğunluk, toplam fenolik madde, antioksidan aktivite, ellajik asit, renk) yapılarak incelenmiştir. Optimum koşullarda üretilen ellajik asit mikrokapsüllerinin ellajik asit miktarı ve yüzde çözünürlük değerleri sırasıyla 12.77 g/100g KM ve % 10.77 olarak belirlenmiştir. İki farklı depolama sıcaklığında ve depolama süresince mikrokapsüllerin ellajik asit miktarları 12.77-10.40 g/100g ve çözünürlük oranları ise %10.77-%7.11 arasında değişmiştir. Araştırma sonuçlarına göre ellajik asidin biyoyararlılığını artırmak amacıyla optimize edilmiş koşullarda uygulanan enkapsülasyon tekniği ile elde edilen ellajik asit mikrokapsüllerinin suda çözünürlük değerinin ticari ellajik asite kıyasla 21.54 kat arttığı görülmüştür. Bu çözünürlük artışı kapsüllenmiş ellajik asidin model mide ve bağırsak sistemindeki salınımını ticari ellajik aside göre 1.74 kat arttırdığı tespit edilmiştir.  
Optimum koşullar altında üretilen ellajik asit mikrokapsülleri ile ticari ellajik asidin B. pseudocatenulatum varlığında gerçekleştirilen inkübasyon sonucunda inkübasyon süresi ve B. pseudocatenulatum'un mikrobiyal yüküne bağlı olarak ellajik asidin farklı düzeylerde ürolitin A ve ürolitin B'ye dönüşümleri gerçekleşmiştir. Ellajik asidin suda çözünürlüğünü destekleyen enkapsülasyonu yaklaşımı ile bu dönüşüm belirgin bir şekilde artmıştır.

Abstract:
Pomegranate (Punica granatum L.) is a fruit rich in bioactive substances. Pomegranate is generally consumed as a fresh fruit, mostly by processing into fruit juice. Pomegranate peel, which is the waste of pomegranate juice processing, constitutes approximately 50% of the whole fruit, and there is a higher rate of ellagic acid in this waste compared to the pomegranate itself. It has been determined that ellagic acid, a polyphenolic compound, is an effective component in the treatment of various diseases such as cancer, diabetes, autoimmune and cardiovascular diseases, obesity and neurodegenerative disorders due to oxidative stress.
It has been observed that in vivo and in vitro studies with ellagic acid are not compatible with each other, and the reasons for this compound's low solubility in water, limited absorption, and differences in biological activity depending on the difference in microflora between individuals have been stated. Studies have shown that ellagic acid is metabolized by colonic microflora into compounds called urolithin, and it has been suggested that urolithin and its derivatives are responsible for its potential health effects. As a matter of fact, it has been determined that urolithins have effects against neurodegenerative and cardiovascular disorders, including antioxidant, estrogenic, anti-inflammatory and anticarcinogenic properties.
In this study, it was aimed to increase the water solubility of pomegranate-derived ellagic acid by microencapsulation with carriers of different polarities and emulsion capacities, and to increase its bioavailability by metabolizing it by probiotic microorganisms in the lower digestive tract and converting it to urolithins.
In order to increase the bioavailability of ellagic acid, carrier material concentration and inlet air temperature were chosen as independent variables in the optimization of the microencapsulation process performed with the spray drying system. A mixture of arabic gum, maltodextrin and inulin was used as carrier material. The limit values of the air inlet temperature were determined as 130-190 °C and powder microcapsules were produced.
The optimum carrier concentrations to be used and the inlet temperature were calculated and verified based on the percent water solubility and ellagic acid concentration of the microcapsules. As a result, the optimum carrier materials and ratios were found to be 20% maltodextrin and 10% inulin, and the optimum inlet temperature was 158°C. In addition, it was concluded that the presence of β-cyclodextrin (β-SD) at a rate of 1.5% should be within optimum conditions.
Microcapsules produced in the determined optimum formulation were subjected to in vitro digestion tests in the gastrointestinal tract together with control samples, and microbial fermentation of Bifidobacterium pseudocatenulatum and ellagic acid was performed. Conversion and post-conversion concentrations of commercial ellagic acid and microencapsulated ellagic acid to urolithin A and urolithin B were compared.
In addition, ellagic acid microcapsules in powder form produced under optimum conditions were stored at two different temperatures, 4ºC and 25ºC for 45 days, and changes in the physicochemical properties of the product (moisture, water activity, solubility) were analyzed on the 0th, 15th, 30th and 45th days of storage. , bulk density, compacted density, total phenolic substance, antioxidant activity, ellagic acid, color). The ellagic acid content and percent solubility values of ellagic acid microcapsules produced under optimum conditions were determined as 12.77 g/100g DM and 10.77%, respectively. The ellagic acid amounts of the microcapsules varied between 12.77-10.40 g/100g and their solubility ratios varied between 10.77% and 7.11% during storage at two different storage temperatures. According to the results of the research, it was observed that the water solubility value of the ellagic acid microcapsules obtained by the encapsulation technique applied under optimized conditions in order to increase the bioavailability of ellagic acid increased 21.54 times compared to the commercial ellagic acid. It was determined that this solubility increase increased the release of encapsulated ellagic acid in the model stomach and intestinal system 1.74 times compared to commercial ellagic acid.
As a result of incubation with ellagic acid microcapsules produced under optimum conditions in the presence of commercial ellagic acid in the presence of B. pseudocatenulatum, ellagic acid was transformed into urolith A and urolith B at different levels, depending on the incubation time and the microbial load of B. pseudocatenulatum. With the encapsulation approach of ellagic acid, which supports its water solubility, this conversion is markedly increased.