Horozibiği (amaranthus caudatus L.) çiçeklerinden betalainler ve fenolik bileşiklerin vakum mikrodalga-destekli ekstraksiyonu ve enkapsülasyonu
Vacuum microwave-assisted extraction and encapsulation of betalains and phenolic compounds from amaranth flowers (amaranthus caudatus L.)
- Tez No: 952509
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ELİF YOLAÇANER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gıda Mühendisliği, Food Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gıda Bilimi ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Horozibiği çiçeği (Amaranthus caudatus L.), sahip olduğu pembe-mor renkli çiçeklerinin betalain içeriği ile potansiyel bir doğal gıda renklendiricisi olmasının yanında fenolik bileşiklerce zengin olması ve yüksek antioksidan kapasitesiyle son yıllarda öne çıkmaktadır. Fakat doğal kaynaklardan elde edilen biyoaktif bileşiklerin kararlılığının düşük olması sebebiyle kullanımları kısıtlıdır. Geleneksel yöntemlerle ekstraksiyon uzun sürdüğü ve yüksek miktarlarda çözücü gerektirdiği için, daha kısa sürelerde daha verimli ekstraksiyon sağlayabilen yeni nesil yeşil ekstraksiyon yöntemlerinden olan vakum mikrodalga destekli teknoloji geliştirilmiştir. Enkapsülasyon uygulamaları ile bu doğal renk maddelerinin ve sağlık açısından değerli biyoaktif bileşiklerin kararlılığının arttırılması amaçlanmaktadır. Bu enkapsülasyon yöntemlerinden biri olan niyozomlar, yüzey aktif maddeler kullanılarak biyoaktif bileşiklerin taşınmasını sağlayan veziküllerdir. Yapılan literatür araştırması sonucunda ve bilgilerimiz dahilinde horozibiği çiçeğinden betalainlerin ve fenolik bileşiklerin yeni nesil vakum mikrodalga destekli ekstraksiyon yöntemiyle elde edildiği ve ardından bu biyoaktif bileşiklerin depolama sürecinde kararlılığının korunması amacıyla niyozom veziküler yapılarıyla enkapsüle edildiği bir çalışmaya rastlanmamıştır. Dolayısıyla, bu tez çalışmasında geleneksel ve yeni nesil vakum mikrodalga destekli ekstraksiyon yöntemleriyle horozibiği çiçeğinden betalain ve fenolik bileşiklerin ekstraksiyonu yapılmış, sonuçlar karşılaştırmalı olarak incelenmiş, ardından renk ve biyoaktif bileşiklerin kararlılığının arttırılması için niyozom yöntemi ile enkapsülasyonu gerçekleştirilmiştir. Ekstraksiyon ve enkapsülasyonda sırasıyla uygun proses şartları ve formülasyonların optimizasyonu yanıt yüzey metodu ile belirlenmiştir. Konvansiyonel ekstraksiyon (KE) yöntemi olarak maserasyon ve yeni nesil ekstraksiyon yöntemi olarak da vakum mikrodalga destekli ekstraksiyon (VMDE) kullanılmış ve yanıt yüzey metodu kullanılarak proses şartlarının optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. İki yöntem için de 3 seviyeye sahip 4 bağımsız değişkenin olduğu Box-Behnken deney tasarımı seçilmiştir. KE için belirlenmiş bağımsız değişkenler; süre (1, 2 ve 3 sa), sıcaklık (30, 40 ve 50C), etanol yüzdesi (%20, 40 ve 60) ve örnek:çözücü oranı (1:10, 1:20 ve 1:30 g:mL) ve VMDE için belirlenmiş bağımsız değişkenler ise basınç (150, 300 ve 450 mmHg), süre (3, 9 ve 15 dk), etanol yüzdesi (%20, 40 ve 60) ve örnek:çözücü oranı (1:10, 1:20 ve 1:30 g:mL)'dır. Tüm ekstrakt örneklerinde yanıt olarak, toplam betalain miktarı (TBM), toplam fenolik madde miktarı (TFM) ve toplam antioksidan kapasite (TAKDPPH ve TAKCUPRAC) analizleri gerçekleştirilmiştir. KE için belirlenmiş şartlarda yapılan deneyler sonucunda, elde edilen yanıtların aralıkları, TBM için 1554.67-2918.67 mg betalain/kg kuru ağırlık; TFM için 9.19-14.81 mg GAE/g kuru ağırlık; TAKDPPH için 34.08-109.55 mmol TE/kg kuru ağırlık ve TAKCUPRAC için 107.53-167.02 mmol TE/kg kuru ağırlık olarak ölçülmüştür. VMDE yöntemi ile yapılan deneyler sonucunda ise yanıtların aralıkları, TBM için 993.54-3153.58 mg betalain/kg kuru ağırlık; TFM için 5.54-17.04 mg GAE/g kuru ağırlık; TAKDPPH için 21.86-101.42 mmol TE/kg kuru ağırlık ve TAKCUPRAC için 69.42-195.39 mmol TE/kg kuru ağırlık olarak ölçülmüştür. Her iki yöntem için de elde edilen yanıtlara göre gerçekleştirilen optimizasyon uygulamalarında, KE için optimum çalışma koşulları 1 saat ekstraksiyon süresi, 50 C sıcaklık, % 40.99 etanol yüzdesi ve 1:10 g/mL örnek:çözücü oranı bulunmuştur. VMDE için optimum çalışma şartları ise, 450 mmHg basınç değeri, 12 dakika ekstraksiyon süresi, % 30.74 etanol yüzdeki ve 1:23.91 g/mL örnek:çözücü oranı olarak belirlenmiştir. Her iki yöntemde de optimum şartlarda elde edilmiş olan ekstrakt örneklerinin morfolojisi taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiş ve KE ile hücre yapısı daha parçalı ve düzensiz görünürken; VMDE ile daha pürüzsüz ve gözenekli yapılar gözlenmiştir. Ayrıca, ekstrakt örneklerinde betalain kompozisyonu analizi için Q-TOF LC/MS uygulanmış ve optimum şartlarda elde edilmiş ekstraktların içerdiği betalain miktarları, betanin eşdeğeri cinsinden KE ve VMDE için sırasıyla 6393.17 ppm ve 9256.50 ppm olarak hesaplanmıştır. Ekstraksiyon sonuçlarına göre, VMDE yönteminin KE'ye göre 1/5 oranında daha kısa sürede, daha düşük oranda etanol kullanılarak ve daha verimli sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Dolayısıyla, niyozomal enkapsülasyon yöntemiyle devam etmek için VMDE yöntemindeki optimum şartlarda elde edilen ekstrakt örnekleri kullanılmıştır. Enkapsülasyonda uygun formülasyon ve ultrason süresinin belirlenmesi için yanıt yüzey yöntemiyle optimizasyon gerçekleştirilmiştir ve bağımsız değişkenler sürfektanların molar oranı (Span60:Tween 80, mol:mol), ekstrakt: sürfektan oranı (mg ekstrakt/ 100 mg sürfektan), kolesterol: sürfektan oranı (mg kolesterol/ 100 mg sürfektan) ve sonikasyon süresi (s) olarak seçilmiştir. Box-Behnken deneysel tasarımına göre gerçekleştirilen deneylerde yanıt olarak toplam betalain miktarı (TBM), toplam fenolik madde miktarı (TFM), toplam antioksidan kapasite (TAKCUPRAC) ve kırmızı renk değeri (a*) ölçümleri yapılmıştır. Deney sonuçlarına göre uygulanan optimizasyon sonrası elde edilen optimum koşullar, 1:1 sürfektanların molar oranı (Span60: Tween 80), 8.109 mg ekstrakt/100 mg sürfektan, 0.1 mg kolesterol/ 100 mg sürfektan ve 81.877 s ultrason süresi olarak bulunmuştur. Ayrıca optimum koşuldaki niyozom örneklerinin ısıl karalılık, 30 günlük depolama sonucu stabilite, TEM, FT-IR, parçacık boyutu ve zeta potansiyeli analizleri de gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen ısıl kararlılık deneylerine göre %67.35 ve %65.73 olarak bulunan KE ve VMDE ısıl kararlılık oranları, niyozom yöntemiyle %97.974'e çıkartılmıştır. Bu tez çalışmasının sonucunda, horozibiği çiçeğinin doğal gıda renklendiricisi olarak değerlendirilmesi amacıyla betalainlerin ve fenolik bileşiklerin sürdürülebilir ve etkin bir şekilde ekstraksiyonu için VMDE yönteminin geleneksel yönteme kıyasla süre ve çözücü gereksinimi açısından daha sürdürülebilir ve avantajlı olduğu; ayrıca niyozom yöntemi ile enkapsülasyonun betalain ve fenolik bileşiklerin stabilitesinin arttırmada etkili bir strateji sunduğu belirlenmiştir. Bu doğrultuda doğal renklendiricilerin gıda endüstrisindeki kullanım potansiyelinin artırılması için vakum mikrodalga destekli ekstraksiyon teknolojisinin ve niyozomal enkapsülasyonun birlikte kullanımı önerilmektedir.
Özet (Çeviri)
Amaranthus caudatus L., with its pink-purple flowers rich in betalains, has gained attention in recent years as a potential natural food colorant due to its high phenolic content and strong antioxidant capacity. However, the limited stability of bioactive compounds of the natural sources limits their applications. Because extraction with traditional methods takes a long time and requires high amounts of solvent, vacuum microwave-assisted technology, which is a new generation green extraction method that can provide more efficient extraction in shorter times, has been developed. Encapsulation techniques have been introduced to enhance the stability of these natural pigments and health-promoting bioactive compounds. Among these, niosomes are vesicular carriers composed of surfactants that facilitate the delivery of bioactive compounds. According to the literature review and common knowledge, no study has been found that extracts betalains and phenolic compounds from amaranth flowers using vacuum microwave-assisted extraction and subsequently encapsulates them in niosomal vesicular structures for stability enhancement. Therefore, in this thesis, betalain and phenolic compound extraction from amaranth flowers was performed using both conventional and vacuum microwave-assisted extraction methods, and the results were comparatively analyzed. Subsequently, niosomal encapsulation was applied to improve the stability of the extracted pigments and bioactive compounds. The optimization of process conditions and formulations for extraction and encapsulation was conducted using the response surface methodology (RSM). Maceration was used as the conventional extraction (CE) method, while vacuum microwave-assisted extraction (VMAE) was selected as the new-generation extraction technique. A Box-Behnken design was applied with four independent variables at three levels for both methods. The independent variables for CE were extraction time (1, 2, and 3 hours), temperature (30, 40, and 50°C), ethanol concentration (20%, 40%, and 60%), and sample-to-solvent ratio (1:10, 1:20, and 1:30 g/mL). For VMAE, the independent variables were pressure (150, 300, and 450 mmHg), extraction time (3, 9, and 15 min), ethanol concentration (20%, 40%, and 60%), and sample-to-solvent ratio (1:10, 1:20, and 1:30 g/mL). The total betalain content (TBC), total phenolic content (TPC), and total antioxidant capacity (TACDPPH and TACCUPRAC) were analyzed for all extract samples. The response values obtained from CE experiments ranged between 1554.67–2918.67 mg betalain/kg dry weight for TBC, 9.19–14.81 mg GAE/g dry weight for TPC, 34.08–109.55 mmol TE/kg dry weight for TACDPPH, and 107.53–167.02 mmol TE/kg dry weight for TACCUPRAC. In the VMAE method, the response values ranged between 993.54–3153.58 mg betalain/kg dry weight for TBC, 5.54–17.04 mg GAE/g dry weight for TPC, 21.86–101.42 mmol TE/kg dry weight for TACDPPH, and 69.42–195.39 mmol TE/kg dry weight for TACCUPRAC. The optimization results revealed the optimal CE conditions as 1-hour extraction time, 50°C temperature, 40.99% ethanol concentration, and a 1:10 g/mL sample-to-solvent ratio. For VMAE, the optimal conditions were determined as 450 mmHg pressure, 12-minute extraction time, 30.74% ethanol concentration, and a 1:23.91 g/mL sample-to-solvent ratio. The morphology of extracts obtained under optimal conditions was examined using scanning electron microscopy (SEM), revealing that CE resulted in a more fragmented and irregular cell structure, whereas VMAE produced smoother and more porous structures. Additionally, betalain composition analysis was performed using Q-TOF LC/MS, and the betalain content of extracts obtained under optimal conditions was calculated as 6393.17 ppm for CE and 9256.50 ppm for VMAE in betanin equivalents. The results demonstrated that VMAE achieved more efficient extraction than CE, reducing the processing time by 80% while using lower ethanol concentrations. Therefore, extracts obtained under the optimal VMAE conditions were selected for niosomal encapsulation. The response surface methodology was applied to optimize formulation parameters and ultrasonication time, with the independent variables being the molar ratio of surfactants (Span60:Tween80, mol:mol), extract-to-surfactant ratio (mg extract/100 mg surfactant), cholesterol-to-surfactant ratio (mg cholesterol/100 mg surfactant), and ultrasonication time (s). The experimental design followed a Box-Behnken model, and responses included total betalain content (TBC), total phenolic content (TPC), total antioxidant capacity (TACCUPRAC), and red color intensity measurements. The optimization results identified the optimal conditions as a 1:1 molar ratio of surfactants (Span60:Tween80), 8.109 mg extract/100 mg surfactant, 0.1 mg cholesterol/100 mg surfactant, and 81.877 s ultrasonication time. Additionally, thermal stability, stability after 30 days of storage, TEM, FT-IR, particle size, and zeta potential analyses were conducted for the optimized niosome samples. According to the thermal stability experiments, the KE and VMDE thermal stability rates, which were found to be 67.35% and 65.73%, were increased to 97.974% with the niosome method. In conclusion, this study showed that the extraction of betalains and phenolic compounds from amaranth flowers can be efficiently performed using VMAE, which offers advantages over conventional methods in terms of time efficiency and solvent usage. Furthermore, niosomal encapsulation proved to be an effective strategy for enhancing the stability of betalains and phenolic compounds. Therefore, the combined use of VMAE and niosomal encapsulation is recommended to improve the potential applications of natural colorants in the food industry.
Benzer Tezler
- Domates fideliklerinde sorun olan yabancı otlar ve kimyasal mücadeleleri üzerinde araştırmalar
Başlık çevirisi yok
IŞIK TEPE
- Harran ovası pamuk ekim alanlarında görülen yabancıotlar ve en uygun mücadele zamanının saptanması
The Weeds found in cotton growing areas of Harran plain and etermination of the most appropriate time of their control
BEKİR BÜKÜN
- Samsun koşullarında iki farklı horoz ibiği (Amaranthus sp.) çeşidinin azot ihtiyacının ve bazı özelliklerinin belirlenmesi üzerine bir araştırma
Başlık çevirisi yok
NEVZAT GENÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
ZiraatOndokuz Mayıs ÜniversitesiTarla Bitkileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZEKİ ACAR
- An Investigation on comparing amaranthus varieties with some summer crops in terms of feed yield under Samsun ecological
Samsun koşullarında horoz ibiğinin yem verimi yönünden bazı yazılık ürünlerle karşılaştırılması üzerine bir araştırma
DİLEK AKTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
1999
ZiraatOndokuz Mayıs ÜniversitesiTarla Bitkileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZEKİ ACAR