Prof.Dr. Semih Ötleş

Prof.Dr. Semih Ötleş

Gıda Kimyası

Mikroenkapsülasyon teknolojisi ile beta karoten

Karotenoid türleri arasında en çok bilinen ß-karotenin insan sağlığı için önemli olan provitamin A aktivitesi, antioksidan özelliği ve daha birçok önemli özelliklere sahip olduğu bilinmektedir.

Sevi Bosnalı
Prof. Dr. Semih Ötleş
Ege Üniversitesi, Gıda Mühendisliği Bölümü

Özet
Karotenoid türleri arasında en çok bilinen ß-karotenin insan sağlığı için önemli olan provitamin A aktivitesi, antioksidan özelliği ve daha birçok önemli özelliklere sahip olduğu bilinmektedir. Uçucu bileşenlerden oluşan birçok anlamda kıymetli olan bu renk pigmentinin son derece hassas oluşu mikroenkapsülasyon teknolojisi ile buluşmasına neden olmuştur. Mikroenkapsülasyon aktif bir maddenin çevresinin bir veya daha fazla kaplama maddesi ile sarılıp kaplanarak ürünlerin stabilitesini, raf ömrünü ve fonksiyonel özelliklerini geliştirmek amacıyla kullanılan bir teknolojidir. Enkapsülasyon teknolojisi günümüzde farmokoloji, kimya, kozmetik, gıda ve boya gibi farklı birçok sektörde kullanılmaktadır. Gıda ürünleri içerisinde çoğunlukla katı ve sıvı yağlar, aroma bileşenleri, vitaminler, mineraller, renk bileşenleri ve enzimler mikroenkapsüle edilmektedir.

Anahtar Kelimeler: ß-karoten, Mikroenkapsülasyon, Antioksidan aktivite.

Giriş
Karotenoidler, doğal olarak oluşan pigmentlerin en kapsamlı gruplarından birini temsil eder (Maiani ve ark, 2009). Tanımlanan 600 karotenoidden yaklaşık 60 tanesi gıdalarda oluşmaktadır (Yonekura ve Nagao, 2007). Karotenoidler yalnızca bitkiler, algler, bakteriler, fitoplankton ve sınırlı sayıdaki mantarlar tarafından üretilebilen, sebze ve meyvelerin kırmızı, sarı, turuncu ve yeşil renklerinden sorumlu olan 700’den fazla yağda çözünebilen pigmente sahip bir ailedir. Bu bileşikleri gıdalara dahil etmeye yönelik ilgi, karotenoidlerin hastalıkları önlemede rol oynayabileceğinin ortaya çıkmasından bu yana belirgin hale gelmiştir (Boon ve ark., 2010). Karotenoidler içerisinde beta karoten en yüksek antioksidan etkiye sahip olduğu bilinen yağda çözünen doğal bir pigmenttir. Oksidasyon sonucu meydana gelen serbest radikalleri scavenging etki ile süpürerek oksidatif stresle ilişkili hastalıkların önlenmesinde yaygın olarak kullanılan antioksidan ve antijenotoksik bir ajandır (Muzandu ve ark. 2005; Gökpınar ve ark., 2006).
ß-karoten sarı-turuncu meyve ve sebzelerde ve koyu yeşil, yapraklı sebzelerde bol miktarda bulunan turuncu renkli bir karotenoiddir (Mercadante, 2008). Gıdaların daha sağlıklı ve çekici görünmelerini sağlamak amacıyla birçok türde gıdaya eklenen doğal bir gıda renklendiricisidir (Yamanushi ve ark., 2009).

ß-karoten, A vitaminin ön maddesi olarak bağırsaklar ve karaciğerde vitamin A’ya dönüşmektedir. En az 80 provitamin bilinmesine rağmen bunların içlerinde en aktif ve en yaygın olanı ß-karotendir (Ayaşan ve Karakozak, 2010). Gelişmekte olan ülkelerde en önemli A vitamini kaynağı olan karotenoidlerdir. Bu nedenle provitamin A aktivitesi gösteren karotenoidlerin vücuda alınması önemlidir (Ötleş ve Atlı, 1997). A vitamini sadece görme ve gece körlüğünün önlenmesi için değil, aynı zamanda bağışıklık fonksiyonu, büyüme, gelişme ve gastrointestinal fonksiyon için de önemli bir besin maddesidir (Haskell, 2012; Grune ve ark., 2010). ß-karoten, diğer provitamin A aktivitesi gösteren karotenoidler (?-karoten ?-karoten, ß-zeakaroten, kriptoksantin, kriptokapsin vd.) arasında en yüksek A vitamini aktivitesine sahip olandır ve aynı zamanda A vitamini için en etkili dönüşüme sahiptir (Grune ve ark., 2010).

Beta karoten; kansere karşı koruma, fotosentez sırasında zararlı ışınlara karşı fotokoruma, immün sistemini güçlendirme, tümor gelişimini inhibe etme gibi insan sağlığı açısından önemli özelliklere sahip olduğu belirtilmektedir. Bu nedenle beta karoten besin ve ilaç endüstrisinde önem taşımaktadır.

Bazı peynir ürünlerinin ve margarinlerin yapısına ß-karoten ilavesi yapılmaktadır. Kanatlı hayvanların yemlerinde ve bazen et ve yumurta sarının renginin iyileştirilmesinde kullanılmaktadır (Kahyaoğlu ve Kıvanç, 2007).
ß-karoten antioksidan ve antioksidan olmayan biyolojik aktiviteleri de içermektedir ki bu da kardiyovasküler hastalık, göz hastalığı ve çeşitli kanserler rahatsızlıklarının kronik risklerini azaltma yeteneğini taşıdığını göstermektedir. (Rao ve Rao, 2007). Bu nedenle, insan sağlığı düşünülerek tasarlanan gıda ürünlerinin potansiyel olarak faydalı olan ß-karoten gibi nutrasötiklerle ile desteklenmesi önemlidir (van den Berg ve ark., 2000).

ß-karotenin önemini ortaya koyan bir çalışma olan altın pirinç üretimi, son yıllarda bilim adamlarının daha faydalı ürünler elde etmek amacıyla genetiği değiştirilmiş tarım ürünleri geliştirmelerinin sonuçlarından biridir. Pirince fotosentez için gerekli bir pigment olan ß-karotenin (provitamin A) sentezinde anahtar enzimlerden sorumlu olan üç geni aktararak parlak sarı-yeşil renkte pirinç daneleri elde ederek bu ürüne “Altın Pirinç” adını verdiklerini bildirmişlerdir. Böylece insan vücudunda A vitaminine dönüşen elementleri 20 kat arttıran, çocuklarda yaşanan körlüğün azaltılmasına yardımcı olan genetiği değiştirilmiş pirinç üretilmiştir (Çelik ve Balık, 2007).

Karotenoidler çevresel etkilere karşı hassas davranış sergileyen uçucu bileşenlerden oluşmaktadır. (Boon et al., 2009). Gıdalardaki karotenoidlerin stabilitesi, hasat sonrası işleme, gıdaların depolanması ve taşınması gibi süreçlerde birçok faktöre bağlı olarak kaybolabilmektedir (Namitha ve Negi, 2010). Bu süreçler sırasında karotenoid kaybının ana nedeni oksidasyondur (Barbosa ve ark., 2005). Karotenoidlerin oksidatif hasarı gıdaların fonksiyonel olarak ürün kalitesini ve biyoaktivitesini bozma potansiyeline sahiptir (Boon et al., 2010). Bu hususlar göz önüne alındığı zaman gıda kalitesini ve stabilitesini koruyan, raf ömrünün uzamasına fayda sağlayan güncel bir teknoloji olarak mikroenkapsülasyon önerilmektedir. Gıdalarda karotenoidlerin kendi özelliklerini yitirmeden renklendirici olarak kullanılmasına da olanak sağlayan mikrokapsülleme gıda endüstrisinde kullanılabilir ve gıdaların beslenme kalitesini artıran ve biyoaktif bileşiklerin in vivo verimini arttıran, tüketicilerin sağlığını geliştiren bir uygulamadır (Prado ve ark., 2005; Augustin ve Hemar, 2009). Bu bağlamda günümüzde bu endüstriyel işlemden ve işlenmiş gıda bileşiklerinin fizyolojik özelliklerinin nasıl etkilendiği hakkında birçok araştırmacı çalışmalarını sürdürmektedir.

Mikroenkapsülasyon Teknolojisi

Çekirdek materyalin bir veya birçok materyal (duvar materyali) ile kaplanması sonucu küresel veya farklı konfigürasyonlarda mikrometreden milimetreye kadar değişen boyutlarda mikrokapsül oluşumuna mikroenkapsülasyon denmektedir. Mikrokapsülleme teknolojisi birçok farklı karakteristikleri, özellikleri ve kapsül yapıları içerisinde oluşabilecek fiziksel durumları içerisine alabilecek kadar geniştir. Bu durum kullanılabilecek diğer farklı yöntemlerle kolay olmayan veya imkansız olan ürünlerin ve istenilen özellikteki maddelerin elde edilmesini de sağlamaktadır. Bu nedenle mikrokapsülleme tekniğine olan ilgi gün geçtikçe artarak devam etmektedir (Köksal ve Göde, 2017).

Mikrokapsülün farklı konfigürasyonlarda olabilmesinin nedenleri arasında çekirdeğin (aktif maddenin) fizikokimyasal özellikleri, kaplama materyalinin bileşimi ve kullanılan mikroenkapsülasyon tekniği gösterilmektedir. Mikrokapsüllerin formları tek hücreli küresel, çok hücreli küresel, şekilsiz ve çok hücreli şekilsiz form olarak adlandırılabilmektedir (Sayıt, 2015).


Mikrokapsül özellikleri; bileşen kompozisyonu, salım mekanizması, parçacık boyutu, son ürünün fiziksel özellikleri ve istenilen maliyete göre değiştirilebilmektedir. Talep edilen kullanıma uygun olarak seçilen bu materyaller doğal veya sentetik maddeler olabilmektedir. Yaygın olarak kullanılan ve ekonomik açıdan uygun olan kaplama materyalleri;
*Çekirdek materyalinin çevre koşullarından korunması
*Tat ve kokuların maskelenmesi
*Sıvı maddelerin katı halde taşınabilmesi
*Fermentasyon açısından mikroorganizmaların enkapsüle edilmesi
*Enzim ve mikroorganizmaların immobilizasyonu
*Kontrollü salınımın gerçekleştirilmesi
*Çekirdek materyalinin stabilitesinin sağlanması
*Enterik kaplama oluşturulması
*Çekirdek materyalinin raf ömrünün artması
*Tehlikeli ve toksin materyallerin güvenli bir şekilde taşınması
*Çekirdek materyalinin daha iyi işlenebilirliğe sahip olması (akışkanlığının, çözünürlüğünün artması vb.)
gibi özellikleri sağlamak adına mikroenkapsülasyon önem taşıyan bir uygulamadır (Koç ve ark., 2010; Eyüpuğlu ve Kut, 2016).

*Mikrokapsül Üretim Yöntemleri
*Mikrokapsülasyon tekniğinin seçiminde,
*Mikrokapsülün kullanılma amacı
*Çekirdek materyalinin özellikleri
*İstenilen partikül boyutu
*Kabuk materyalinin geçirgenliği
vb. gibi özellikler önemlidir. İstenilen özellikler doğrultusunda mikrokapsülasyon tekniği seçilmelidir (Kut, 2011). Mikrokapsüllerin hazırlamasında birçok yöntem mevcuttur. Bunlar kimyasal, fizikokimyasal ve mekanik yöntemler olmak üzere üç gruba ayrılabilmektedir.

Gıda ürünlerinin mikroenkapsülasyonunda püskürtmeli kurutma yöntemi ucuz ve kullanımının kolay olması sebebiyle çoğunlukla tercih edilen bir yöntemdir. Bunun yanı sıra dondurarak kurutma, Wurster yöntemi, kompleks emülsiyon yöntemi ve koaservasyon gibi diğer yöntemler de kullanılmaktadır.

Kompleks koaservasyon yöntemi kullanılarak kazein ve gam tragacanth duvar materyalleri ile ß-karotenin mikroenkapsülasyonunu içeren bir çalışmada 3 ay boyunca üç sıcaklık derecesi (5, 25 ve 40?C) altında kontrollü salınımı, stabilitesi ve antioksidan aktivitesinin geliştiği gözlemlenmiştir. Elektrostatik etkileşim yoğunluğunun maksimum olduğu durumda koaservasyon için optimum pH 4.35 olduğu saptanmıştır. Elde edilen sonuçlar mikrokapsüllemenin besinlerin özelliklerinin korunduğu yeni bir taşıyıcı sistem olduğunu savunmaktadır (Jain ve ark., 2016).

ß-karotenin (2.5 or 5.0 mg/kg) püskürtmeli kurutucu yoluyla mikroenkapsüle edildiği bir çalışmada duvar materyali olarak gam arabik kullanılarak mikroenkapsülasyon etkinliğine ve genotoksisiteye karşı mikroenkapsülasyonun gösterdiği etkiye 14 günlük bir süreç içerisinde bakılmıştır. DNA hasarına karşı kanser kemoterapisinde kullanılan bir ilaç olan doksorubisin ile birlikte yalnızca yüksek dozda antigenotoksik potansiyelde olduğu  hayvanlara verilerek gözlemlenmiştir. Mikroenkapsülasyon sayesinde ß-karotenin özelliklerini koruduğu vurgulanmıştır (Aissa ve ark., 2012).

Dondurarak kurutma tekniği uygulanarak yapılan bir başka çalışmada mikroenkapsüle edilen ß-karotenin yerli pinhão ve hidrolize edilmiş olan pinhão nişastasının duvar materyali olarak kullanılması ve bu durumun mikrokapsüllerin stabilitesine olan etkisi 3 farklı koşul olarak 25 ± 2 ?C'de ultraviyole ışığı varlığında, karanlıkta 25 ± 2 ?C'de ve karanlıkta 10.0 ± 0.2 ?C’lerde incelenmiştir. Hidrolize edilmiş olan pinhão nişastasının kullanıldığı mikrokapsüllerin en yüksek stabiliteyi gösterdiği saptanmıştır (Spada ve ark., 2012).

Karotenoidlerin son derece duyarlı olduğu ve özelliklerinin kaybına neden olan izomerizasyon, oksidasyon gibi reaksiyonları önlemek için karotenoidlerin stabilitesini arttıran ve çevresel etkilere karşı koruyan mikroenkapsülasyon tekniği yaygınca uygulanmaktadır (Rascón ve ark., 2011).

Sonuç

ß-karoten, güçlü antioksidan aktivitesi olan önemli biyoaktif bileşenlerden biridir. Besleyici değeri ve sağlık yararları dışında, zayıf stabilite ve çözünürlüğe dair oluşabilecek sorunlar mikrokapsülleme ile önlenebilceği için sentetik boyaların yerine de doğal bir çözüm niteliği taşır. Mikroenkapsülasyon teknolojisi başta gıda sanayii olmak üzere farmakoloji, kimya, kozmetik, ve boya gibi farklı birçok sektörde üretilen ürünlerin fonksiyonel özelliklerini geliştirmek ve raf ömürlerini uzatmak amacı ile kullanılmaktadır. Birçok yararı olan ß-karotenin aktivitesinin geliştirilmesi ve gıdaların ß-karoten içeren mikrokapsüller ile zenginleştirilmesi üzerine yapılan çalışmaların artarak devam edeceği öngörülmektedir.


Kaynaklar

Aissa, A.F., Pires, M.,L., Hernandes, L.,C., de Faria, A.F., Mercandante, A.Z. ve Greggi Antunes, L.M., 2012. Comparative study of b-carotene and microencapsulated b-carotene: Evaluation of their genotoxic and antigenotoxic effects. Food and Chemical Toxicology, 50, 1418–1424.
Augustin, M.A. ve Hemar, Y., 2009. Nano- and micro-structured assemblies for encapsulation of food ingredients. Chem. Soc. Rev., 38, 902–912.
Ayaşan., T. ve Karakozak, E., 2010. Hayvan Beslemede ß-Karoten Kullanılması ve Etkileri. Kafkas Univ Vet Fak Derg, 16 (4), 697-705.
Barbosa, M.I.M.J., Borsarelli, C.D. ve Mercadante, A.Z., 2005. Light stability of spraydried bixin encapsulated with different edible polysaccharide preparations. Food Res. Int., 38, 989–994.
Boon, C.S., McClements, D.J., Weiss, J. ve Decker, E.A., 2009. Role of iron and hydroperoxides in the degradation of lycopene in oil-in-water emulsions. J. Agric. Food Chem., 57, 2993–2998.
Boon, C.S., McClements, D.J., Weiss, J. ve Decker, E.A., 2010. Factors influencing the chemical stability of carotenoids in foods. Crit. Rev. Food Sci. Nutr., 50, 515–532.
Cazzonelli, C.I., 2011. Carotenoids in nature: insights from plants and beyond. Functional Plant Biology, 38(11), 833-847.
Çelik V. ve Balık D.T., 2007. Genetiği değiştirilmiş organizmalar (GDO). Erciyes Univ Fen Bil Enst Derg, 23(1-2), 13-23.
Eyüpoğlu, Ş. ve Kut, D., 2016. Mikrokapsülasyon Teknolojisi ve Tekstil Sektöründe Kullanımı. İstanbul Ticaret Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 29, 9-28.
Grune, T., Lietz, G., Palou, A., Ross, A. C., Stahl,W., Tang, G., et al., 2010. ß-carotene is an important vitamin A source for humans. Journal of Nutrition, 140(12), 2268S-2285S.
Haskell, M.J., 2012. The challenge to reach nutritional adequacy for vitamin A: b ß -carotene bioavailability and conversion evidence in humans. American Journal of Clinical Nutrition, 96(5), 1193S-1203S.
Jain, A., Thakur, D., Ghoshal, G., Katare, O.P. ve Shivhare, U.S., 2016. Characterization of microcapsulated ß-carotene formed by complex coacervation using casein and gum tragacanth. International Journal of Biological Macromolecules, 87, 101–113.
Kahyaoğlu, M. ve Kıvanç, M., 2007. Endüstriyel Atık Maddelerden Mikrobiyal Yolla Beta Karoten Üretimi, Tarım Bilimleri Dergisi, 17(2), 61-66.
Koç, M., Sakin, M. ve Kaymak Ertekin F., 2010. Mikroenkapsülasyon ve Gıda Teknolojisinde Kullanımı. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 16(1), 77-86.
Köksal E. ve Göde, F., 2017. Kompleks Koaservasyon Yöntemi ile E Vitamini İçeren Mikrokapsül Üretimi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Fen Dergisi, 12(1), 1-14.
Maiani, G., Periago Caston, M.J., Catasta, G., Toti, E., Cambrodon, I.G., Bysted, A., Granado-Lorencio, F., Olmedilla-Alonso, B., Knuthsen, P., Valoti, M., Bohm, V., Mayer-Miebach, E., Behsnilian, D. ve Schlemmer, U., 2009. Carotenoids: actual knowledge on food sources, intakes, stability and bioavailability and their protective role in humans. Mol. Nutr. Food Res., 53, S194–S218.
Mercadante, A.Z., 2008. Carotenoids in foods: sources and stability during processing and storage. In: Socaciu, C. (Ed.), Food Colorants: Chemical and Functional Properties. CRC Press, Boca Raton, 213–240.
Muzandu, K., El Bohi, K., Shaban, Z., Ishizuka, M., Kazusaka, A. ve Fujita, S., 2005. Lycopene and beta-carotene ameliorate catechol estrogen-mediated DNA damage. Jpn. J. Vet. Res., 52, 173–184.
Namitha, K.K. ve Negi, P.S., 2010. Chemistry and biotechnology of carotenoids. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 50, 728–760.
Ötleş, S. ve Atlı, Y., 1997. Karotenoidlerin İnsan Sağlığı Açısından Önemi. Journal of Engineering Sciences, 3(1), 249-254.
Prado, S.M., Buera, M.P. ve Elizalde, B.E., 2005. Structural collapse prevents ß -carotene loss in a supercooled polymeric matrix. J. Agric. Food Chem., 54, 79–85.
Rao, A.V. ve Rao, L.G., 2007. Carotenoids and human health. Pharmacological Research, 55(3), 207-216.
Rascón, M.P., Beristain, C.I., García, H.S. ve Salgado, M.A., 2011. Carotenoid retention and storage stability of spray-dried encapsulated paprika oleoresin using gum Arabic and soy protein isolate as wall materials. LWT – Food Science and Technology, 44, 549–557.
Sayıt, G., 2015. Mikrokapsül ve Lipozom Teknolojisi Kullanarak Kozmetik-Tekstil Üretimi. Doktora Tezi, Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir.
Spada., J.,C., Zapata Nore˜na, C.P., Ferreira Marczak L.,D. ve Tessaro, I.C., 2012. Study on the stability of ß-carotene microencapsulated with pinhão (Araucaria angustifolia seeds) starch. Carbohydrate Polymers, 89, 1166– 1173.
van den Berg, H., Faulks, R., Granado, H. F., Hirschberg, J., Olmedilla, B. Ve Sandmann, G., et al., 2000. The potential for the improvement of carotenoid levels in foods and the likely systemic effects. Journal of the Science of Food and Agriculture, 80(7), 880-912.
Yamanushi, T.T., Torii, M.I., Janjua, N. ve Kabuto, H., 2009. In vivo tissue uptake of intravenously injected water soluble all-trans beta-carotene used as a food colorant. Nutr. J,. 8.
Yonekura, L. ve Nagao, A., 2007. Intestinal absorption of dietary carotenoids. Molecular Nutrition and Food Research, 51, 107-115.

Aralık 2018 sayısının 92.sayfasında yayımlanmıştır. 

Yazarın diğer yazıları