Titanyum dioksit nanopartikülleri ile gıda bileşenlerinin etkileşiminin incelenmesi
Investigation of the interaction between titanium dioxide nanoparticles and food components
Yazar: NURDAN ERSÖZ
Danışman: DOÇ. DR. FAHRİYE CEYDA DUDAK ŞEKER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Belirli boyut, biçim ve yüzey özelliklerine sahip olacak şekilde tasarlanan
nanopartiküller, özelleştirilmiş fonksiyonları sayesinde tıp, fizik, kimya ve tarım gibi
birçok alanda kullanılmaya başlanmıştır. Gıdaların teknolojik özelliklerini geliştirmek
amacıyla gıda katkısı olarak kullanılan bazı metal nanopartiküllerin (gümüş, demir,
çinko) insan sağlığına zararları ortaya konulmuştur. Tez çalışmasında özellikle 1.5-6 yaş
aralığındaki çocukların tükettiği gıdalarda yüksek miktarda bulunan farklı çaplardaki (30
nm, 100 nm ve 250 nm) TiO2 nanopartiküllerinin gerçek gıda ortamı olarak süt ile
etkileşimi incelenmiştir. Bu etkileşimin, nanopartikül morfolojisi, partikül yüzey yükü,
korona yapısı ve toksik özellikleri üzerine etkileri araştırılmıştır. İlk aşamada, süt
ortamının iyonik yükünü taklit eden tamponda nanopartiküllerin davranışı izlemiş ve 30
nm, 100 nm ve 250 nm çaplarındaki partiküller için sırasıyla 2900.3 ± 411.9 nm; 3271.0
± 131.2 nm ve 2276 ± 347.7 nm büyüklüklerinde agregat yapıları tespit edilmiştir.
Nanopartiküller süt ile etkileştiğinde, ortamda bulunan bileşenlerin agregat
büyüklüklerinde azalma gözlenmiştir. Bununla birlikte, oluşan korona yapısı SDS-PAGE
ile incelendiğinde, bu yapıda büyük oranda kazein proteinleri olduğu tespit edilmiştir.
İkinci aşama olarak tez çalışması kapsamında, gıda ve tampon ortamında bulunan TiO2
nanopartiküllerine sindirim simülasyonu uygulanmış, sindirim sürecinde partiküllerin
geçirdiği değişimler takip edilmiştir. Bu süreçte tampon ortamındaki nanopartiküllerin
ii
ağızdan, mide ve barsak ortamına gidildikçe agregat çaplarının küçüldüğü gözlenmiştir.
Süt ortamında ise nanopartikül agregat çaplarının sindirim öncesinde de olduğu gibi
azaldığı gözlenmiştir. Bununla birlikte tampon ortamındaki nanopartiküllerin üzerinde
yeni bir korona yapısı gözlenmiştir. Ayrıca, TiO2 nanopartiküllerinin sindirim
ortamlarındaki diğer bileşenler ile etkileşiminin incelenmesi amacıyla, nanopartiküllerle
etkileşmiş sindirim enzimlerinin aktiviteleri ölçülmüştür. Bu noktada nanopartiküllerin
amilaz enzimi aktivitesini azaltmadığı, pepsin enzimi üzerinde sadece tampon ortamında
aktivite azalmasına neden olduğu ve lipaz enziminde hem tampon ortamında hem de gıda
ortamında aktivite azalmasına yol açtığı tespit edilmiştir. Son aşamada farklı çaplardaki
TiO2 nanopartiküllerinin sindirim sonrası sitotoksik etkileri memeli ve bakteri hücreleri
üzerinde incelenmiştir. Nanopartiküllerin Caco-2 hücresinin canlılığına etkisini doza
bağlı gösterdiği gözlenmiştir. Ayrıca 3 farklı çaptaki nanopartiküller hücre canlılığına
tampon ortamında etki etmezken, gıda ortamında hücre canlılığını azaltmıştır.
Nanopartiküllerin oksidatif stres öncülü etkisinin incelendiği analizlere göz atıldığında
çapı 30 nm olan nanopartiküller memeli hücresi üzerinde tampon ortamında ciddi bir stres
oluştururken bu etki gıda ortamında azalmıştır. Çapı 100 nm olan nanopartiküller
oksidatif stres öncülününün üretilmesine yüksek konsantrasyonlarda hem gıda hem
tampon ortamında neden olmuştur. 250 nm çapındaki nanopartikülünün oksidatif stres
etkisi yalnızca tampon ortamında ölçülürken, gıda ortamında stres etkisi azalmıştır.
Nanopartiküllerin bakteri hücresinin üzerine etkileri incelendiğinde etkilerin yine doza
bağlı ve tampon ortamında fazla olduğu gözlenmiştir. Bakteri hücresi üzerinde en fazla
stres etkisi tampon ortamındaki 250 nm çapındaki nanopartiküller ile ölçülmüştür, bu etki
gıda ortamında azalmıştır. Nanopartiküllerin yüzeyinde bulunan korona yapısının
farklılığının sitotoksik etkilerini değiştirdiği gözlenmiştir. Tez çalışması sonucunda TiO2
nanopartikülünün gerçek gıda ortamındaki davranışı ve bu davranışın sindirim
sürecindeki değişimi ilk kez incelenmiştir. Böylece nanopartikülün gıda bileşenleri,
sindirim enzimleri ile sindirim epitel hücresi ve bakteri hücreleri gibi farklı hücreler ile
etkileşimi hakkında detaylı bilgi edinilmiştir.

Abstract:
Engineered nanoparticles have led to their use in a variety of fields, including physics,
chemistry, medicine, and agriculture. Some metal nanoparticles (silver, iron, zinc) used
as food additives to improve the technological properties of foods have been shown to
harm human health. In this study, the interaction of TiO2 nanoparticles of different
diameters (30 nm, 100 nm and 250 nm) with milk as a real food medium, which is found
in high amounts in the foods consumed by children aged 1.5-6 years, was investigated.
The effects of milk on nanoparticle morphology, particle surface charge, corona structure
and cytotoxicity were stutied. Firstly, the behavior of the nanoparticles in the buffer
simulating the ionic charge of the milk medium (whole,skim and serum) was analysed
and hydrodynamic diameters for particles with diameters of 30 nm, 100 nm and 250 nm
were found 2900.3 ± 411.9 nm, 3271.0 ± 131.2 nm and 2276 ± 347.7 nm, respectively.
When the nanoparticles interacted with the milk, the aggregate sizes of the medium's
components decreased. However, when the corona structure was examined, it was
discovered that it contained a high proportion of casein proteins with SDS-PAGE. The
second step of the thesis study digestion simulation applied to TiO2 nanoparticles in the
food and buffer mediums and the changes in the particles were measured during digestion.
The aggregate diameters of the nanoparticles in the buffer decreased from the mouth to
iv
the stomach and intestinal mediums. The diameters of the nanoparticle aggregates
decreased in the milk medium, as they did before digestion. Additionally a new corona
structure has been detected on nanoparticle surface in buffer medium after digestion.
Furthermore, the activities of digestive enzymes that interact with the nanoparticles were
measured to investigate the interaction of TiO2 nanoparticles with other components
during digestion. At this point, it was determined that the nanoparticles did not reduce the
activity of the amylase enzyme, caused a decrease in the activity of the pepsin enzyme
only in the buffer medium, and caused a decrease in the activity of the lipase enzyme in
both the buffer and milk. In the final step, the cytotoxic effects of digested TiO2
nanoparticles of various diameters on mammalian and bacterial cells were examined. The
effect of nanoparticles on the viability of the Caco-2 cell was found to be dose-dependent.
Additionally, while nanoparticles of three different diameters had no effect on cell
viability in buffer medium, they had an adverse effect on it in food medium. According
to the results of the oxidative stress precursor effect of nanoparticles, nanoparticles with
a diameter of 30 nm cause significant stress on mammalian cells in the buffer, but not in
the food medium. At high concentrations, nanoparticles with a diameter of 100 nm also
caused the production of oxidative stress precursors in both food and buffer mediums.
While the oxidative stress effect of the 250 nm diameter nanoparticle was only measured
at high concentrations in buffer medium. When the effects of nanoparticles on bacterial
cells were investigated, it was discovered that the effects were dose-dependent and
occurred more in the buffer environment. The maximum stress effect on the bacterial cell
was measured in the buffer medium with nanoparticles with a diameter of 250 nm; this
effect decreased in the food medium. The differences between corona structures of buffer
and food medium has affected the cytotoxicity of nanoparticles. With this study, the
behavior of the TiO2 nanoparticle in the real food environment and the change of this
behavior in the digestion process were investigated for the first time. Thus, detailed
information was obtained about the interaction of nanoparticle with food components,
digestive enzymes and different cells such as digestive epithelial cells and bacterial cells.