Prof.Dr. Semih Ötleş

Prof.Dr. Semih Ötleş

Gıda Kimyası

Su içindeki emülsiyonlar ve gıda

Emülsiyonlar, birbiri içinde çözünmeyen iki sıvının karışımıdır. Diğer bir ifade ile; bir sıvı, diğerinin içerisinde dağılmış durumdadır

Prof. Dr. Semih Ötleş,
Hazal Saralı
Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi,
Gıda Mühendisliği Bölümü
semih.otles@ege.edu.tr

Özet
Emülsiyonlar, gıda üretiminde sıkça kullanılan, içerisinde genellikle su ve yağ fazı bulunan, birbirine karışmayan iki sıvının bir veya birçok emülgatör yardımıyla bir araya geldiği karışımlardır. Aynı zamanda sahip oldukları bu yapı ile gıdaların taşınması ve korunması gibi birçok kolaylığı da beraberinde getirmektedir. Özellikle gıda endüstrisinde sıkça kullanılan emülsiyonlar fonskiyonel bileşenlerin çevresel şartlara karşı korunmasını sağlayarak insan sağlığına dolaylı yoldan katkı sağlamaktadır. Su ise, emülsiyonların bir fazına oluşturan temel yaşam kaynağıdır. Sahip olduğu yüzey gerilimi ve bağ yapma kapasitesi gibi birçok özelliği ile başta gıda endüstrisi olmak üzere tüm sistemler için vazgeçilmez bir unsurdur. Bu çalışmada emülsiyonun tanımı, gıda endüstrisindeki emülsiyonlar, emülsiyon oluşturulmasında kullanılan suyun seçilmesinin nedeni ve su içeren emülsiyonlarla ilgili yapılan çalışmalardan örnekler verilmesi amaçlanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Emülsiyon, su, gıda, endüstri

1. Giriş
Yerine başka bir alternatif bulunmayan bir kaynak olan su; tüm canlıların en önemli doğal kaynağıdır. Aynı zamanda, ekosistem, ekonomi ve enerji üretimi gibi sektörlerde kullanım alanları mevcuttur (Aksungur ve Firidin, 2008). Suyun insan sağlığı üzerine etkisine bakıldığında, oksijenden sonra gelen en önemli unsur olduğu anlaşılmaktadır. Genel bir çözücü olan su, insan vücudundaki biyolojik reaksiyonların da temelini oluşturmaktadır (Anonim, 2018).
Emülsiyonlar, birbiri içinde çözünmeyen iki sıvının karışımıdır. Diğer bir ifade ile; bir sıvı, diğerinin içerisinde dağılmış durumdadır (Matos ve ark., 2013; Duffus ve ark., 2016; Zhao ve ar., 2019). Geleneksel olarak, su içinde yağ (O/W) emülsiyonları, bir veya daha fazla emülgatörün varlığında yağ ve su fazlarının homojenize edilmesiyle üretilmektedir (Friberg ve ar., 2004; McClements ve ark., 2004). Homojenizasyon sırasında, emülgatörler yeni oluşan damlacıkların yüzeylerine tutunmakta ve damlacıkların bozulmasını kolaylaştıran ara yüzey gerilimini azaltmaktadır. Aynı zamanda, damlacıkların etrafında koruyucu bir katman oluştururarak damlacıkların kümeleşmesini engellemektedir. Gıda endüstrisinde kullanılan en yaygın emülgatörler amfifilik proteinler, polisakkaritler, fosfolipitler ve küçük moleküllü yüzey aktif maddelerdir (Charlambous ve ark., 1989; McClements ve ark., 2004). Emülgatörler, homojenizasyon sırasında küçük yağ damlacıkları üretiminde etkili olduğu gibi pH, iyonik güç, ısıtma ve dondurma gibi farklı çevresel koşullar altında da damlacıkların kümeleşmesini önlemede oldukça etkilidir (Garti ver ark., 1983; McClements ve ark., 2004). Aynı zamanda maliyet, kullanılabilirlik, kullanım kolaylığı, diğer malzemelerle uyumluluk bakımından da farklılık göstermektedirler (Stauffer, 1999). Bu nedenlerden dolayı da, her tür gıda ürününde kullanım için ideal olan tek bir emülgatör yoktur. Belirli bir gıda ürünü için en uygun emülgatör veya emülgatör kombinasyonu, içerdiği diğer bileşenlerin türüne ve konsantrasyonuna, üretilme şekline, depolama ve kullanım sırasında maruz kaldığı çevresel koşullara bağlı olarak değişmektedir (Guzey ve McClements, 2006).
Bu derlemede, emülsiyonun tanımı, gıda endüstrisinde emülsiyonların kullanımı, emülsüyon oluşturulmasında kullanılan suyun seçilmesinin nedeni ve su içeren emülsiyonlarla ilgili örneklerin anlatılması amaçlanmıştır.


2. Emülsiyon Nedir?
Emülsiyon, sıvıların biri diğerinde küçük küresel damlacıklar halinde dağılmış iki karışmaz sıvıdan (genellikle yağ ve su) oluşmaktadır (Şekil 1). Çoğu gıdada, damlacıkların çapı genellikle 100 nm ile 100 µm arasında olmaktadır (McClements, 2016).

Emülsiyonlar, yağ ve su fazlarının dağılımına göre uygun şekilde sınıflandırılabilmektedir. Sulu bir fazda dağılmış yağ damlacıklarından oluşan bir sisteme, örneğin süt, krema, soslar, mayonez, içecekler ve çorbalar gibi emülsiyonlara su içinde yağ (O/W) emülsiyonu denmektedir. Bir yağ fazında dağılmış su damlacıklarından oluşan bir sisteme, örneğin, margarin ve tereyağı gibi emülsiyonlara yağ içinde su (W/O) emülsiyonu denmektedir. Bir emülsiyon içindeki damlacıkları oluşturan madde, dağılmış, süreksiz veya iç faz olarak adlandırılırken, çevreleyen sıvıyı oluşturan madde, sürekli veya dış faz olarak adlandırılmaktadır. Çoklu emülsiyonlar ise (veya çift emülsiyonlar), düşük bir termodinamik stabilite ile karakterize edilen karmaşık dispersiyon sistemleridir. Bunlar "emülsiyonların emülsiyonları", örneğin; su içinde yağ damlacıkları içinde su damlacıkları (su içinde yağ içinde su, W/O/W) ya da yağ içinde su damlacıkları içinde yağ damlacıkları (yağ içinde su içinde yağ, O/W/O) olarak adlanadırılmaktadır. Bu tipteki emülsiyonlar, gıda işleme endüstrisinde, hassas ve aktif gıda bileşenlerini çevresel koşullardan korumada (antioksidan) (Daisuke ve ark., 2004), aroma ve lezzet salımını kontrol etmede (Gaonkar ve ark., 1994; Merchant ve ark., 1997; Masatsugu ve ark., 2005) veya daha az yağ içeren gıdaların üretiminde (Okonogi ve ark., 1991; Takahashi ve ark., 1986; Levi, 2004; Lobato-Calleros ve ark., 2006) oldukça yüksek potansiyele sahiptir (Şekil 2).

3. Gıda Endüstrisinde Emülsiyonlar

Emülsiyonların bilim ve teknoloji bilgisi, gıda ve ilgili endüstrilerde çalışanlar için bir dizi nedenden dolayı önemlidir. Birincisi, birçok doğal ve işlenmiş gıda, kısmen ya da tamamen emülsiyon olarak ya da süt, krema, meşrubat, bebek maması, çorbalar, kek hamurları, salata sosları, mayonez, bunların üretimi sırasında bir süre emülsifiye edilmiş bir halde bulunmaktadır. İkincisi, emülsiyonlardan, renk, aroma, koruyucu, vitamin ve nutrasötik içeren fonksiyonel gıdaların dağıtım sistemlerinde yaralanılmaktadır. (Velikov ve Pelan 2008, McClements ve Li 2010). Emülsiyon esaslı dağıtım sistemleri, bu fonksiyonel bileşenleri enkapsüle etmek ve korumak için tasarlanmış olup bu bileşenlerin, kullanım, stabilite veya etkinliklerini geliştirmektedir. Emülsiyon esaslı gıda ürünleri ve dağıtım sistemleri, bileşenlerin türüne ve bunları oluşturmak için kullanılan işlem koşullarına bağlı olarak çok çeşitli fizikokimyasal, duyusal ve biyolojik özellikler sergilemektedir. Bununla birlikte, emülsiyon bilimi gıda endüstrisinde geliştikçe, araştırmacılar duyusal bilim ve insan fizyolojisi gibi bir dizi başka bilimsel disiplini de içerecek çalışmalar yapmıştır. Araştırmacıların, organoleptik kalitenin (tat, koku, ağız hissi ve görünüm gibi) ve biyolojik sonuçların (sindirim, emilim ve hormon salımı gibi) emülsiyonun kompozisyonu, yapısı ve fizikokimyasal özellikleri ile ilişkilendirilmeye çalışılması bu durumu açıklayan bir örnektir (McClements, 2016).
Geliştirilmiş veya yeni özelliklere sahip emülsiyon esaslı ürünlerin rasyonel tasarımına ve üretilmesine katkıda bulunan iki ana faktör şu şekilde vurgulanmaktadır. İlk olarak, gıda emülsiyon özelliklerinin anlaşılması için daha titiz bir bilimsel yaklaşımın geliştirilmesidir. Bu başlık şunu vurgulamaktadır ki, gıda endüstrisinde gıda emülsiyonlarının fizikokimyasal, organoleptik ve besinsel özellikleri bileşenlerinin türüne, konsantrasyonuna, yapısına ve etkileşimlerine bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Bu yaklaşımdan kaynaklanan gıda emülsiyon özelliklerinin fizikokimyasal temelinin daha iyi anlaşılması, üreticilerin düşük maliyetli yüksek kaliteli gıda ürünlerini daha sistematik ve güvenilir bir şekilde yaratmalarını sağlamaktadır. İkinci olarak ise, gıda emülsiyonlarının özelliklerini karakterize etmek için yeni analitik tekniklerin geliştirilmesidir. Bu durum da daha derin ve kapsamlı sonuçlara ulaşmayı sağlayan yeni analitik tekniklerin araştırılması anlamına gelmektedir. Böylece, emülsiyon bazlı ürünlerin özelliklerini anlamak, tahmin etmek ve kontrol etmek kolaylaşmaktadır.

4. Neden Su?

Su, kendisini iyi bir çözücü yapan birçok özelliğe sahiptir (Brack 2002; Schulze-Makuch ve Irwin 2004). Her şeyden önce, bir sıvının gaz veya katıdan daha iyi olmasının nedeni makromoleküler yapıyı korumak için bazı kimyasal bağların stabilitesini sağlayan bir ortam yaratmasıdır. Kimyasal değişim ve enerji dönüşümlerini sağlamak için bazı kimyasal bağların çözünmesine izin vermektedir. Bununla birlikte bazı organik makromoleküller sıvı ortamda çözünmez ve böylece dış ortama kıyasla farklı fiziko-kimyasal koşullara sahip korunmuş bir mikro ortam yaratılması için gerekli olan keseciklerin veya farklı tür ara yüzeylerin oluşturulmasına izin vermektedir. Aynı zamanda, hücresel yaşam için gerekli olan tuzların çözümesini ve fazlasının hücreden uzaklaştırılmasını sağlayarak reaktanların kritik konsantrasyonlarını korumaktadır.
Su, karbon bazlı yaşam için mükemmel bir çözümdür. Hidrojen bağı yüksek kaynama ve düşük donma sıcaklıkları sağlamaktadır. Ayrıca su, yüksek ısı tutma, yüzey gerilimi ve dielektrik sabiti gibi fiziksel özelliklere sahiptir. Suyun yoğunluğunun yüksek olması, yaşam için gerekli olan çözünmüş tuzları içerebileceği anlamına gelmektedir. Polaritesi, kovalent bağ yapma yeteneği, su üzerinde polimer benzeri bir yapı kazandırmaktadır. Son olarak, su organik moleküllerin polimerizasyonunu ve yapısal organizasyonunu desteklemektedir (Brack 2007) (Şekil 3).

5. Su İçeren Emülsiyonlarla İlgili Yapılan Çalışmalar

Yi ve ark. (2018)’de yaptıkları bir çalışmada, ?-Tokoferol’ün, konsantrasyon ve gıda matriksine bağlı olarak farklı aktivite gösterdiğini belirlemiştir. ?-Tokoferol'ün 0, 0.1, 0.5 ve 1.0 mM konsantrasyonlarında, farklı tiplerdeki oksidatif stres altında anyonik, nötr ve katyonik emülsifiye edici maddeler içeren su içinde yağ (O/W) emülsiyonlarını belirlemiştir. O/W emülsiyonlarının oksidatif stabilitesini belirlemek için tepe boşluğundaki oksijen azalımı, lipit hidroperoksitler ve konjuge dienleri analiz etmiştir. ?-Tokoferol’ün, oksidatif strese bakılmaksızın, bir katyonik emülgatör ile O/W emülsiyonunda bir antioksidan görevi gördüğünü anlamıştır. Bununla birlikte, anyonik emülgatörlü bir numunede, ?-tokoferol aktivitesinin farklı konsantrasyonda ve oksidatif stres tiplerinde daha farklı olduğunu saptamıştır. Park ve ark. (2019)’da UV altındaki ve farklı sıcaklıklarda depolanan yağ-su (O/W) emülsiyonlarında bulunan retinolun stabilitesini incelemek amacıyla bir çalışma yapmıştır. O/W emülsiyonları, farklı emülgatörler ve yağ konsantrasyonları kullanılarak hazırlamış ve O/W emülsiyonlarında bulunan retinolün stabilitesini, UV maruziyeti ve farklı sıcaklıklarda (4, 25 ve 40 °C) depolanmasından sonra numunelerdeki kalan retinol yüzdesinin ölçümleri yapılmıştır. Emülsiyonun yağ konsantrasyonu, kullanılan emülgatörün türüne kıyasla UV stabilitesi üzerinde daha büyük bir etkiye sahipken, farklı sıcaklıklarda depolama, hem emülgatör seçimi hem de yağ konsantrasyonu tarafından etkilendiği anlaşılmıştır. Kim ve Choe (2018)’de yaptıkları çalışmada, soya fasulyesi yağı, sitrik asit tamponu (pH 2.6, 4.0 veya 6.0) ve nane (Mentha piperita) ekstresi (400 mg/kg) içeren ve içermeyen emülsiyonların lipit oksidasyonu ve polifenolleri üzerinde pH’nın etkisini değerlendirmiştir. Lipit oksidasyonu, demir yokluğunda pH 4.0'deki emülsiyonlarda yüksek, ancak demir ilavesi ile pH 2.6 veya 6.0'daki emülsiyonlarda daha kararlı olduğunu saptamışlardır. Felix ve ark. (2018)’de yaptığı çalışmada ise pH değerinin (2.5, 5.0 ve 7.5), iki farklı protein konsantrasyonunda (2.0 ve 4.0 % ağırlık) nohut bazlı emülsiyonlarla stabilize edilmiş emülsiyonlar üzerindeki etkisini değerlendirmektedir. Sonuçlar pH değerinin ve protein konsantrasyonunun, emülsiyonun mikroyapısı ve stabilitesi üzerinde güçlü bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, pozitif yüklü protein yüzeyleri içeren sistem, en yüksek viskoelastik özellikleri, iyi bir damlacık boyutu dağılım profilini ve görünür olmayan destabilizasyonun meydana geldiğini anlamışlardır.

6. Sonuç

Su, yaşam için gerekli temel yapı taşlarından biri olmasının yanı sıra başta gıda endüstrisi olmak üzere sanayinin birçok alanında kullanılmaktadır. Emülsiyonların da bir fazını oluşturan su sahip olduğu yüksek stabilite, bağ yapma yeteneği ve yüzey gerilimi gibi özellikleriyle birçok gıda ürününde kullanılmaktadır. Emülsiyonlar ise fonksiyonel gıda bileşenlerinin korunmasında, taşınmasında ve kolay kullanımı sayesinde üzerinde sıkça durulan bir konu olmuştur. Gerek yağı azaltılmış ürün eldesinde gerekse aroma salınımını sağlayan bir yapı olarak birçok gıda üründe kullanılmış ve kullanılmaya devam etmektedir.

7. Kaynaklar

Aksungur, N., & Firidin, Ş. (2008). Su kaynaklarının kullanımı ve sürdürülebilirlik. Yunus Araştırma Bülteni, 2008(2).
Anonim, 2018. Erişim tarihi: 7/12/2018, http://www.dizaynaqua.com/sayfa.php?id=14
Charalambous, G., & Doxastakis, G. (1989). Food emulsifiers: chemistry, technology, functional properties and applications (No. Sirsi) i9780444873064).
Daisuke, W., Noriko, I., Akira, U., & Takuya, S. (2004). Fat-soluble vitamins-containing food and drink product and method for stabilizing fat-soluble vitamins. JP2004097113 A.
Duffus, L. J., Norton, J. E., Smith, P., Norton, I. T., & Spyropoulos, F. (2016). A comparative study on the capacity of a range of food-grade particles to form stable O/W and W/O Pickering emulsions. Journal of colloid and interface science, 473, 9-21.
Felix, M., Isurralde, N., Romero, A., & Guerrero, A. (2018). Influence of pH value on microstructure of oil-in-water emulsions stabilized by chickpea protein flour. Food Science and Technology International, 1082013218774707.
Friberg, S., Larsson, K., & Sjoblom, J. (Eds.). (2004). Food emulsions. CRC Press.
Gaonkar, A. G. (1994). U.S. Patent No. 5,322,704. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
Garti, N., & Reichman, D. (1993). Hydrocolloids as food emulsifiers and stabilizers. Food Structure, 12(4), 3.
Guzey, D., & McClements, D. J. (2006). Formation, stability and properties of multilayer emulsions for application in the food industry. Advances in colloid and interface science, 128, 227-248.
Kim, J., & Choe, E. (2018). Effect of the pH on the lipid oxidation and polyphenols of soybean oil-in-water emulsion with added peppermint (Mentha piperita) extract in the presence and absence of iron. Food Science and Biotechnology, 1-8.
Levi, G. (2004). Reduced sourness emulsion. WO Pat: WO2004047562 A, 1.
Lobato-Calleros, C., Rodriguez, E., Sandoval-Castilla, O., Vernon-Carter, E. J., & Alvarez- Ramirez, J. (2006). Reduced-fat white fresh cheese-like products obtained from W1/O/W2 multiple emulsions: Viscoelastic and high-resolution image analyses. Food Research International, 39(6), 678-685.
Masatsugu Y. Mushroom extract-containing composite emulsion; 2005. JP 2005185180 A.
Masatsugu Y. Mushroom extract-containing composite emulsion; 2005. JP 2005185180 A.
Matos, M., Timgren, A., Sjöö, M., Dejmek, P., & Rayner, M. (2013). Preparation and encapsulation properties of double Pickering emulsions stabilized by quinoa starch granules. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 423, 147-153.
McClements, D. J. (2016). Food emulsions: principles, practices, and techniques. CRC press.
Merchant ZM, Gaonkar AG, Nicholson VJ, Tufts HM. Flavor delivery system; 1997. EP 815743 A3.
Merchant ZM, Gaonkar AG, Nicholson VJ, Tufts HM. Flavor delivery system; 1997. EP 815743 A3.
Okonogi, S., Asano, Y., Kumazawa, R., Kato, R., Yuguchi, H., & Sotoyama, K. (1991). Method for producing low-fat spread and oil-in-water-in-oil type spread.
Park, H., Mun, S., & Kim, Y. R. (2019). UV and storage stability of retinol contained in oil-in-water nanoemulsions. Food chemistry, 272, 404-410.
Stauffer, C. E. (1999). Dressing and sauces. Emulsifiers. Eagan Press, St. Paul, MN.
Takahashi, Y., Yoshida, T., & Takahashi, T. (1986). U.S. Patent No. 4,590,086. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
Yi, B., Kim, M. J., & Lee, J. (2018). Oxidative stability of oil-in-water emulsions with ?- tocopherol, charged emulsifier, and different oxidative stress. Food Science and Biotechnology, 27(6), 1571-1578.
Zhao, Q., Jiang, L., Lian, Z., Khoshdel, E., Schumm, S., Huang, J., & Zhang, Q. (2019). High internal phase water-in-oil emulsions stabilized by food-grade starch. Journal of colloid and interface science, 534, 542-548.

Mart 2019 sayısının 94.sayfasında yayımlanmıştır. 

Yazarın diğer yazıları