Extraction and encapsulation of natural colorant phycocyanin obtained from cyanobacteria with different methods and its storage stability and use in model foods

Renk gıdalarda tüketicinin dikkatini çeken, albeniyi arttıran özelliklerin başında gelmektedir. Tüketicilerin taleplerindeki değişiklikler ve ülkelerin mevzuatları doğrultusunda sentetik renklendiricilerin kullanımı her geçen gün azalmaktadır. Doğal renk maddelerinden biri olan fikosiyanin, sağlamış olduğu mavi renkten ötürü ticari açıdan oldukça önemli bir doğal renklendiricidir. Bu tez çalışmasında doğal renk maddesi üretimi için Spirulina platensis'den mavi renge sahip fikosiyanin üretimi (ekstraksiyon ve saflaştırma) ve bu pigmentlerin enkapsülasyon teknolojisi ile çevresel koşullara karşı stabilitelerinin arttırılması ve model gıda örnekleri içerisinde bu doğal renklendiricilerin kullanımı gerçekleştirilmiştir. Öncelikle fikosiyanin en uygun kullanım koşulları göz önünde bulundurularak, kuru, dondurulmuş ve yaş olmak üzere 3 farklı formunun ve distile su, Na-fosfat tampon pH 7 çözeltisi ve % 1,5 CaCl2-su çözeltisi içerisinden en iyi çözücü tipinin etkisi araştırılmıştır. En yüksek (55.33 mg/g) toplam fikosiyanin miktarını veren dondurulmuş form ve % 1,5 CaCl2-su çözeltisi seçilerek klasik, ultrasonik ve mikrodalga ekstraksiyon yöntemlerine özgü işlem değişkenleri (biyokütle/çözgen oranı, süre, titreşim, hız, güç) maksimum fikosiyanin dikkate alınarak CCRD deneme desenine göre optimizasyon çalışması yürütülmüştür. Gerçekleştirilen optimizasyon çalışmalarında yüksek toplam fikosiyanin konsantrasyonu ve albenisi yüksek mavi rengin elde edilmesinde, klasik ekstraksiyon yöntemiyle gerçekleştirilen ekstraksiyon seçilmiştir. Klasik ekstraksiyon yöntemiyle optimum işlem koşulunda ekstrakte edilen toplam fikosiyanin %30-70 amonyum sülfat çöktürme ve diyaliz yöntemi ile saflaştırma işlemine tabi tutulmuştur. Saflaştırılan fikosiyaninin püskürtmeli kurutma ve koaservasyon yöntemleri ile enkapsüle edilerek çevresel koşullara karşı stabilitelerinin arttırılması amaçlanmıştır. Her bir enkapsülasyon yöntemi için uygun kaplama materyali kombinasyonunun karışım oranlarını ve enkapsülasyon yöntemine özgü işlem parametrelerini belirlemek amacıyla birleşik D-Optimal dizayn deneme desenine göre optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Püskürtmeli kurutma ve koaservasyon yöntemleri ile gerçekleştirilen optimizasyon çalışmasında enkapsülasyon etkinliği yanıt olarak seçilmiştir. Design-Expert paket programı kullanılarak belirlenen optimum püskürtmeli kurutucu koşulları; kaplama materyali karışım oranı %34.4 maltodekstrin, %65.6 peyniraltı suyu protein izolatı ve hava giriş sıcaklığı 167.6°C şeklindedir. Diğer bir mikroenkapsülasyon yöntemi olan koaservasyon işleminde Design-Expert paket programı kullanılarak belirlenen optimum koşullar kaplama materyali karışım oranı %26.67 gum arabik, %73.33 jelatin ve çözelti sıcaklığı 45.68°C olarak belirlenmştir. Optimizasyon çalışmasında yanıt olarak kullanılmayan fakat mikroenkapsüle fikosiyanin örnekleri için oldukça önemli olan mikroenkapsülasyon verimi, toplam fenolik madde miktarı, Hunter L*, a* ve b* renk değerleri, nem içeriği, su aktivitesi, çözünebilirlik değerleri, partikül çapı, açıklık, tekdüzelik, partikül morfolojisi, FT-IR özellikleri de incelenmiştir. Saflaştırılmış ve enkapsüle edilmiş fikosiyaninin farklı sıcaklık, pH ve aydınlık/karanlık ortam koşullarında stabilitesi belirlenmiştir. Belirlenen en stabil pH, sıcaklık ve ışık ortamında, gıda katkı maddesine karşı stabilite çalışması gerçekleştirilen tüm örneklerde katkı maddelerinin eklenmesinin ürünlerin stabilitesine katkı sağladığı sonucuna varılmıştır. Tüm stabilite koşullarındaki toplam fikosiyanin miktarı bozunma kinetiği ile belirlenmiş ve yarılanma ömrü hesaplanmıştır. Enkapsüle edilmemiş fikosiyaninin, iki farklı yöntemle enkapsüle edilmiş fikosiyaninin ve sentetik mavi renklendirici Brilant blue (E133)'nun renklendirici olarak; krem şanti, dondurma, krem, asitli ve gazlı içecek, jöle ve kek pişirme gibi model gıdalar içerisinde kullanımı ve stabilitesi test edilmiştir. Enkapsüle edilmiş ve edilmemiş fikosiyanin örneklerinin ürünün görünüş, doku ve tat kriterleri üzerinde etkisinin olmadığı gözlemlenmiştir. Yüksek ısıl işlem etkisiyle kek pişirme sırasında fikosiyanin içeren örneklerde renk kaybı olduğu da yapılan denemelerde belirlenmiştir.Color is one of the major features that attract customers and makes the foods more desirable. Due to varying demand of customer and food legislations, use of synthetic colorants is being decreased day by day. Phycocyanin is a commercially important colorant due to its blue color. For sustainable and innovative production of natural colorants, Spirulina platensis was used for the production (extraction, purification) of blue colored phycocyanin and encapsulation of pigments for improved stability against environmental conditions and usage of these natural colorants in model food samples are also aimed in this study. In the first stage of the study the effect of 3 different forms of biomass which are dry, frozen, wet forms and most suitable solvent type among distilled water, Na-Phosphate pH7 suspension and 1.5 % CaCl2-water solution was analyzed, due to possible field of application, and the most convenient pretreatment method was investigated. According to the results, the highest total phycocyanin content (55.33 mg/g) was extracted from frozen biomass and 1.5 % CaCl2-water solution as a solvent. After determining the most suitable pretreatment and solvent type for phycocyanin, the process variables of classic homogenizing, ultrasonic and microwave extraction methods (solvent/biomass ratio, time, vibration, speed, power) was optimized considering the CCRD experimental design to enrich maximum phycocyanin concentration and attractive blue color. Ammonium sulphate precipitation (%30-70) and dialysis method were used for purification of total phycocyanin which was extracted via classic homogenization method at optimum condition. Improvement of stabilization of purified food grade phycocyanin against environmental conditions is achieved by encapsulation using spray drying and coacervation methods. For determining the suitable coating material combination ratios and specific process parameters of encapsulation method, optimization will be done according to combined D-Optimal design trial patterns for each encapsulation method. Microencapsulation efficiency is chosen as the response in the optimization. Optimum spray drying condition was determined using the Design-Expert package program; The coating material combination ratios is 34.4% maltodextrin, 65.6% whey protein isolation and the air inlet temperature is 167.6 ° C. In the coacervation process, which is another microencapsulation method, optimum coating material combination ratios and inlet temperature determined by Design-Expert package program was 26.67% gum arabic, 73.33% gelatin and inlet temperature of 45.68 ° C. Microencapsulation yield, total phenolic content, Hunter L *, a * and b * color values, moisture content, water activity, solubility, particle diameter, span, uniformity, particle morphology, and FT-IR characteristics were also examined which are not used in the optimization study but are very important for microencapsulated phycocyanin samples. The last stage of the study was defining the stability of the purified and encapsulated phycocyanin in various temperatures, pH, illumination conditions and food additives. After determining the optimum stable temperature, pH, illumination conditions, stability analyses for food additives are performed. Accordingly, it was observed that all food additives contributed to maintain the stability of the products. Total phycocyanin content at different conditions was determined by degradation kinetics. The colorant is used in model foods like whipped cream, ice cream, crème, acidic and fizzy drinks, jelly and cake for testing the storage stability of the color. It has been observed that the samples of encapsulated and non-encapsulated phycocyanin have no effect on the appearance, texture and taste criteria of the model foods. It has also been determined that a loss of color in samples containing phycocyanin is present due to the effect of high heat treatment during baking of cakes