Extraction and electrospinning encapsulation of chlorophyll from spinach waste as a natural food colorant
Ispanak atıklarından elde edilen klorofilin doğal gıda boyası olarak ekstraksiyonu ve elektroeğirme yöntemiyle enkapsülasyonu
- Tez No: 967413
- Danışmanlar: PROF. DR. FİLİZ ALTAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Gıda Mühendisliği, Food Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 124
Özet
Gıda endüstrisinde sürdürülebilirlik odaklı yaklaşımlar, son yıllarda artan çevresel ve ekonomik kaygılar doğrultusunda önemli bir araştırma alanı hâline gelmiştir. Bu kapsamda, gıda işleme sürecinde ortaya çıkan atıkların yeniden değerlendirilmesi, hem israfın azaltılması hem de katma değerli ürünlerin elde edilmesi açısından büyük bir potansiyele sahiptir. Ispanak (Spinacia oleracea L.) yüksek klorofil içeriği ile bilinen bir sebze olup, klorofil pigmentleri açısından zengin bir sebze olmakla birlikte, işleme sırasında önemli miktarda atık oluşturmaktadır. Bu atıkların, doğal klorofil kaynağı olarak değerlendirilmesi çevreye duyarlı bir alternatif oluşturmaktadır. Klorofillerin ışığa, ısıya, oksijene ve düşük pH gibi çevresel faktörlere karşı kararsız olması, onların doğrudan gıda ürünlerinde kullanılmasını sınırlamaktadır. Bu nedenle, klorofillerin stabil hâle getirilmesi, renk korunumunun sağlanması ve raf ömrünün uzatılması için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Çalışmanın temel amacı, ıspanak atıklarından farklı ekstraksiyon yöntemleriyle klorofil elde edilmesi, ardından bu pigmentlerin elektroeğirme yöntemiyle enkapsülasyonu yoluyla stabil hâle getirilmesidir. Ek olarak, elde edilen klorofil yüklü nanoliflerin, model bir gıda ürünü olan yoğurt içerisine renk verici olarak uygulanabilirliği değerlendirilmiştir. Bu çok aşamalı süreç, hem sürdürülebilir pigment üretimi hem de fonksiyonel gıdalarda doğal katkı maddesi kullanımına katkı sunmaktadır. Bu çalışmanın ilk aşaması taze ıspanak ve ıspanak atıklarından klorofil ekstraksiyonu adımıdır. Klorofiller, hem geleneksel hem de mikrodalga destekli ekstraksiyon yöntemleriyle elde edilmiştir. Yapılan çalışmada en yüksek klorofil a içeriği (13.62±0.10 mg/g DW) taze ıspanaktan geleneksel yöntemle edilen ekstraktta (FTE) tespit edilirken en yüksek klorofil b miktarı (6.98±0.22 mg/g DW) taze ıspanaktan mikrodalga destekli ekstraksiyonla elde edilen ekstratta (FMWE) ölçülmüştür. Geleneksel ekstraksiyon yöntemi, mikrodalga yöntemine göre daha yüksek klorofil a içerikleri sağlamıştır. Bu durum, mikrodalga işlemi sırasında klorofil a'nın klorofil b'ye dönüşümü ile açıklanabilir. Ancak hem taze hem de atık ıspanaktan mikrodalga ekstraksiyon yöntemiyle daha yüksek ekstraksiyon verimi elde edilmiştir. Ekstraksiyon sonrasında enkapsülasyon işleminde kullanılmak üzere besleme çözeltileri hazırlanmıştır. Zein, mısırdan elde edilen, film oluşturucu özelliğe sahip, biyobozunur ve toksik olmayan bir protein olup elektroeğirme işlemi için oldukça elverişlidir. Ayrıca, klorofilin ışığa ve ısıya karşı hassasiyetini azaltmak amacıyla formülasyona doğal bir pigment olan Eu de dâhil edilmiştir. Eu, serbest radikal süpürücü kapasitesi yüksek, UV ışığını absorbe edebilen, termal dayanıklılığı artıran fenolik yapıda bir bileşiktir. Bu özellikleri sayesinde, nanoliflerin fonksiyonel ve fiziksel stabilitesine katkı sağlayacağı düşünülmüştür. Elektroeğirme işlemi için besleme çözeltisinin özellikleri büyük önem taşımaktadır. Bu çalışma kapsamında çözeltilerin elektriksel iletkenlik, yüzey gerilimi ve viskozite değerleri ölçülmüştür. Nanolif üretimi için çözeltinin iletkenliğinin 0'dan büyük olması gerekmektedir. Ölçümlerde en yüksek iletkenlik zein çözeltisinde görülmüş, klorofil ekstraktı ilavesi ile iletkenlik azalmıştır. Eu içeren çözeltilerde ise en düşük iletkenlik elde edilmiş ve bu çözeltilerle lif üretilememiştir (p < 0.05). Bu durum, düşük iletkenliğin nanolif oluşumunu olumsuz etkileyebileceğini düşündürmektedir. Yüzey gerilimi de lif oluşumunu etkileyen önemli bir parametredir. Zein ve klorofil eklenmiş çözeltilerde yüzey gerilimi benzer bulunurken, Eu ilaveli çözeltilerde daha yüksek yüzey gerilimi tespit edilmiştir (p < 0.05). Viskozite açısından bakıldığında, Eu içermeyen tüm çözeltiler Newton tipi akışkanlık göstermiştir. Klorofil ekstraktı ile hazırlanan çözeltilerde viskozitenin daha yüksek olması, zein-klorofil etkileşimiyle ilişkilendirilmiştir. Eu içeren çözeltilerin düşük viskozitesi ise zein miktarının azlığına bağlanmış ve moleküler dolaşıklığın yetersizliği nedeniyle lif oluşumunun gerçekleşmediği sonucuna varılmıştır. Elektroeğirme işlemi, hem tek eksenli (uniaxial) hem de koaksiyel (coaxial) konfigürasyonlarda gerçekleştirilmiştir. Enkapsülasyon verimliliği, tek eksenli elektroeğirme ile üretilen nanolif örneklerinde %57.13 ile %82.95 arasında değişmiştir. Atık ekstraktlarla hazırlanan örnekler daha düşük verimler göstermiştir. Klorofil b'nin enkapsülasyon verimi ise klorofil a ile aynı trendi izlememiştir. Klorofil a için en düşük verimlerden birine sahip olan geleneksel yöntemle ekstrakte edilen atık ıspanak (WTU) örneği, klorofil b için en yüksek kapsülleme verimini göstermiştir. Hem klorofil a hem de b için geleneksel yöntemle edilen ekstrakte edilen örnekler (FTU ve WTU) mikrodalga destekli ekstraksiyon ile elde edilen örneklere (FMWU ve WMWU) kıyasla daha yüksek kapsülleme verimi göstermiştir. Mikrodalga ile yapılan ekstraksiyon, klorofil moleküllerinin kimyasal yapısını etkileyebilir ve duvar materyali ile etkileşimini azaltarak kapsülleme verimini düşürmüş olabilir. Koaksiyel elektroeğirme yöntemiyle hazırlanan nanoliflerin kapsülleme verimi %49.53 ile %126.64 arasında değişmiştir. Klorofil a'nın kapsülleme verimi genel olarak tek eksenli yöntemde daha düşük olması ve klorofil b'nin kapsülleme verimleri olağandışı şekilde %100'ün üzerinde hesaplanması, koaksiyel elektroeğirme işleminde yüksek voltajın doğrudan klorofil ekstraktlarına uygulanarak, klorofil a'nın klorofil b'ye dönüşümü ile açıklanabilir. Üretilen nanoliflerin karakterizasyonu için zeta potansiyelleri incelenmiştir. Tüm örnekler negatif zeta potansiyel değerlerine sahipken zein nanolifinde pozitif potansiyel ölçülmüştür. Klorofil ekstratlarının nanolif sistemine eklenmesinden sonra, nanoliflerin zeta potansiyeli pozitif yükten negatif yüke geçiş göstermiştir. Zeta potansiyelinin, parçacıklar arasındaki elektriksel itici kuvvetlerin bir ölçütü ve yüzey yükünün bir ifadesi olduğu göz önüne alındığında, sonuçların yüzey kaplamasının yeniden yapılandırılması ve anyonik grupların daha fazla açığa çıkmasından kaynaklı olabileceği düşünülmüştür. Eu ilavesinin kendisi ve daha düşük zein içeriğine sahip olmaları sebeplerinin olası ortak sonucu olarak, Eu ilaveli örneklerin zeta potaniyelinin daha düşük olduğu düşünülmektedir. Zeta potansiyelindeki değişimin, her iki elektroeğirme yöntemi için de mikrodalga örneklerinde geleneksel örneklere kıyasla daha büyük olduğu tespit edildiğinden ekstraksiyon yönteminin nanoliflerin morfolojisi üzerinde etkin olduğu sonucuna varılmıştır. SEM görüntüleri incelendiğinde yapılan elektroeğirme işlemleri sonucu Eu ilaveli örnekler hariç tüm örneklerde lif yapısı gözlenmiştir. Ayrıca koaksiyel elektroeğirme yöntemiyle üretilen liflerin tek eksenli yöntemle elde edilen liflere kıyasla daha düşük ortalama çapa sahip ancak damlacıklı yapıda oldukları tespit edilmiştir. Mikrodalga ektraksiyonuyla elde edilen ekstraktlardan (FMWE ve WMWE) üretilen nanoliflerin en düşük ortalama çapa sahip olmalarında sırasıyla yüksek iletkenlik ve düşük yüzey gerilim değerlerinin etkili olduğu düşünülmektedir. Klorofil ekstraktları, zein nanolifleri ve klorofil yüklü nanoliflerin IR spektrumları, işlevsel gruplar arası etkileşimleri yansıtan belirgin absorpsiyon bantları göstermiştir. Klorofil ekstraktlarında 3305 cm⁻¹'deki O–H ve 1640 cm⁻¹'deki C=O gerilme titreşimleri literatürle uyumludur. Zein nanoliflerinde –OH, C–H ve amid gruplarına ait karakteristik bantlar zein yapısını doğrulamaktadır. Klorofil yüklü nanoliflerde 3305'ten 3285 cm⁻¹'ye kayma ve 2800–3000 cm⁻¹ aralığında pik şiddeti azalması, klorofilin fitol grubu ile zein arasındaki hidrofobik etkileşimi göstermektedir. –OH, amid I ve II bölgelerindeki değişimler bu etkileşimi desteklemektedir. Eu ilaveli örneklerde ise küçük dalga boyu kaymaları ve pik şiddeti artışları gözlenmiştir. Ayrıca tek eksenli yöntemle elde edilen örneklerde pik şiddeti koaksiyel yönteme göre daha yüksek bulunmuştur. Bu bulgular, klorofilin zein matrisine başarıyla enkapsüle edildiğini göstermektedir. Termal analiz (DSC) sonuçlarında tüm klorofil ekstraktlarında 122.86–142.47 °C aralığında klorofile özgü endotermik pikler gözlemlenmiştir. 175–200 °C aralığında karotenoidlere ait pike rastlanmaması, ekstraksiyonun seçiciliğini göstermektedir. En yüksek bozunma sıcaklıkları Eu içeren örneklerde (170.62 °C ve 169.93 °C) ölçülmüştür. Tek eksenli yöntemde 159.82–162.37 °C, koaksiyel yöntemde ise 149.58–157.83 °C arasında değerler elde edilmiştir. Klorofil içeren nanoliflerin ekstraktlara ek pik göstermemesi, klorofilin zein ile uyumlu olduğunu göstermektedir. Enkapsüle ekstraktların, saf ekstraktlara ve ticari E141(ii)'ye göre daha yüksek bozunma sıcaklıklarına sahip olması, elektroeğirmenin ısıl koruma sağladığını ortaya koymuştur. Tek eksenli yöntem, koaksiyel yönteme göre daha yüksek termal stabilite sağlamış; koaksiyel liflerde gözlenen boncuk oluşumu ise stabiliteyi olumsuz etkilemiş olabilir. Ayrıca Eu ilavesi, klorofilin termal stabilitesini artırmıştır. Ekstraktlar ve enkapsüle örneklerin antioksidan aktiviteleri belirlenmiştir. En yüksek antioksidan aktivite, mikrodalga destekli ekstraksiyonla taze ıspanaktan elde edilen örnekte (FMWE) 49.86 ± 2.78 mg/g olarak ölçülmüştür. Toplam klorofil içeriği en yüksek FTE örneğinde bulunurken, FMWE örneğinde klorofil b içeriği daha yüksek saptanmıştır. Bu durum, klorofil b'nin serbest radikal inhibisyonunda daha etkili olabileceğini düşündürmektedir. Mikrodalga ekstraksiyonun bitki hücrelerini parçalayarak farklı bileşiklerin çözünmesini kolaylaştırdığı bilinmektedir. DSC analizlerinde mikrodalga ile elde edilen örneklerde (FMWE ve WMWE) görülen bazı piklerin geleneksel yöntemle elde edilenlerde bulunmaması, ekstraksiyon yönteminin antioksidan aktivite üzerinde etkili olduğu sonucuna varılabilir. Enkapsülasyon örnekleri arasında en yüksek DPPH değeri Eu ilaveli örneklerde (30.46 ± 0.51 mg/g ve 25.49 ± 0.53 mg/g) elde edilmiştir. Elektroeğirme yöntemleri karşılaştırıldığında ise, tek eksenli yöntemde elde edilen nanolifler koaksiyel yönteme göre daha yüksek antioksidan aktivite göstermiştir. Koaksiyel yöntemdeki çekirdek-kabuk yapısının reaktif etkileşimi sınırladığı, tek eksenli yöntemde ise zein-klorofil hidrofobik etkileşimlerinin aktiviteyi artırdığı düşünülmektedir. Ekstraktlar ve nanoliflerin ışığa karşı stabilitesi değerlendirilmiş ve oda sıcaklığında güneş ışığına 10 gün maruz bırakıldıktan sonra klorofilin miktarları ölçülmüştür. Klorofil a içeriği ekstraktlarda ilk günden itibaren hızla azalmış, 4. günde çok düşük seviyelere inmiş ve sonrasında hiç tespit edilememiştir. Nanoliflerdeki klorofil a korunum oranı %4 ile %61 arasında değişmiştir. En yüksek klorofil a korunumu, tek eksenli elektroeğirme ile mikrodalga ekstraksiyonundan elde edilen örneklerde gözlemlenmiştir. Buna karşın, koaksiyel yöntemle üretilen nanoliflerde 10. gün sonunda az miktarda klorofil a tespit edilmiştir. Klorofil b de benzer şekilde, ekstraktlarda 4. günden sonra tespit edilememiştir. Tek eksenli elektroeğirme ile hazırlanan nanoliflerde 7. gün itibarıyla klorofil b kalmazken koaksiyel yöntemle hazırlanan nanoliflerde 10. günde hâlâ düşük de olsa (%18-22) klorofil b tespit edilebilmiştir. Eu pigmentinin fotokoruyucu özellikleri dolayısıyla Eu içeren nanoliflerin ışığa karşı daha stabil olacağı beklenmekteydi. Ancak bu çalışmada klorofili ışık etkisinden korumada etkili olmadığı görülmüştür. Bu durum, çözeltide kullanılan Eu konsantrasyonunun düşük olmasına bağlanabilir. Yoğurt örneklerinin renk stabilitesi, L*, a* ve b* değerleriyle değerlendirilmiştir. Klorofil ekstraktı, enkapsüle örnekler ve E141(ii) eklenen yoğurtlar, kontrol grubuna göre daha düşük L* değeri göstermiştir. Depolama süresince ekstrakt ve E141(ii) içeren örneklerde L* değeri artarken, nanolif içeren yoğurtlarda azalma gözlenmiştir. Bu, pigment bozunması ve zeinin serbest suyla etkileşimiyle ilişkilendirilmiştir. a* değerlerinde anlamlı değişimler görülmüş (p
Özet (Çeviri)
Sustainability-focused approaches in the food industry have gained importance due to increasing environmental and economic concerns. Within this context, the valorization of food processing waste offers a significant opportunity to reduce waste and obtain value-added products. Spinach (Spinacia oleracea L.), a leafy green vegetable known for its high chlorophyll content, produces substantial waste during processing. These wastes, still rich in chlorophyll pigments, have potential as raw materials for natural green colorants. Chlorophylls are limited in their direct application in food products due to their instability under light, heat, oxygen, and low pH. Therefore, stabilizing chlorophylls is essential for preserving color and extending shelf life. This study aims to extract chlorophyll from spinach waste using different extraction methods and stabilize it through electrospinning-based encapsulation. Additionally, the applicability of the chlorophyll-loaded nanofibers as natural colorants in a model food product was evaluated. Chlorophyll was extracted from both fresh and waste spinach using traditional and microwave-assisted extraction methods. The highest chlorophyll a content (13.62±0.10 mg/g DW) was obtained from fresh spinach via traditional extraction, while the highest chlorophyll b content (6.98±0.22 mg/g DW) was recorded from microwave extraction. Although traditional extraction yielded more chlorophyll a, microwave-assisted extraction provided a higher overall extraction yield. Zein, a biodegradable, non-toxic protein derived from corn, was used for encapsulation. Eumelanin (Eu), a natural pigment with antioxidant and UV-absorbing properties, was also added to enhance the stability of the nanofibers. Electrospinning was performed in both uniaxial and coaxial configurations. Solutions' electrical conductivity, surface tension, and viscosity were measured, revealing that solutions containing Eu exhibited the lowest conductivity and highest surface tension, which hindered nanofiber formation. Encapsulation efficiency of uniaxial electrospun nanofibers ranged from 57.13% to 82.95%, with waste extracts showing lower efficiencies. In contrast, coaxial electrospinning resulted in efficiencies between 49.53% and 126.64%, possibly due to the transformation of chlorophyll a into b under high voltage. Zeta potential analysis indicated structural surface changes upon chlorophyll incorporation, and SEM images confirmed nanofiber formation, except in Eu-containing samples. FTIR analysis demonstrated interactions between chlorophyll and zein, confirming successful encapsulation. Thermal analysis showed that nanofibers, especially those containing Eu, had improved thermal stability compared to pure extracts and commercial chlorophyll (E141(ii)). Antioxidant activity was highest in microwave-extracted fresh spinach, particularly in chlorophyll b-rich samples. Among the nanofibers, those containing Eu showed the highest antioxidant activity. Light stability tests revealed that chlorophyll degraded rapidly in extracts, while nanofibers provided improved protection, especially uniaxially electrospun samples. However, Eu did not significantly enhance light stability, likely due to its low concentration. In yogurt applications, color stability was better preserved with encapsulated samples than with extracts, and the synthetic colorant E141(ii) provided the best performance. Electrospun nanofibers improved chlorophyll stability under acidic conditions, such as those in yogurt. In conclusion, microwave-assisted extraction is a promising method due to its high efficiency, speed, and enhanced antioxidant activity. Despite lower chlorophyll content, spinach waste presents a cost-effective source for natural colorant production. Zein and Eu enhanced the stability and functionality of chlorophyll in nanofibers. Further research is recommended to explore broader applications of these findings.
Benzer Tezler
- Karpuzdan mikroemülsiyon yöntemi ile ekstrakte edilen karotenoid bileşenlerin elektroeğirme tekniği ile enkapsülasyonu ve optimizasyonu
Encapsulation by electrospinning technique of carotenoid compounds from watermelon pulp with microemulsion method and optimization
NURAY İNAN ÇINKIR
Doktora
Türkçe
2021
Gıda MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ASİYE AKYILDIZ
- Baklagillerden protein ve fenolik bileşenlerin inovatif yöntemlerle eldesi, nanolif üretimi, enkapsülasyon ve biyofonksiyonel özelliklerinin belirlenmesi
Extraction of protein and phenolic compounds from legumes using innovative techniques, nanofiber production encapsulation and biofunctional properties
ELİF MELTEM İŞÇİMEN
Doktora
Türkçe
2022
Gıda MühendisliğiErciyes ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET HAYTA
- Investigation of the antifungal activity of different essential oils and their nanofibers
Farklı esansiyel yağlarının ve nanoliflerinin antifungal etkisinin araştırılması
DİLARA DEVECİOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HATİCE FUNDA KARBANCIOĞLU GÜLER
- Elektroüretimle nanolif eldesine etki eden faktörlerin ve jelatin-pektin içeren nanoliflerin model gıdaların reolojik özelliklerine etkilerinin incelenmesi
Investigations on affecting parameters of electrospinning and rheological properties of model food systems containing electrospun gelatin-pectin nanofibers
ALPARSLAN KUMRU
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FİLİZ ALTAY
- Chicken feather keratin based textile fibers
Tavuk tüyü keratininden tekstil elyaf eldesi
ÖZLEM İPEK KALAOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OYA GALİOĞLU ATICI