MİKROENKAPSÜLASYON AMAÇLI KLASİK VE ULTRASONİK YÖNTEMLERLE EMÜLSİFİKASYON: EMÜLSİYON STABİLİTESİ, REOLOJİK ÖZELLİKLER VE DAMLACIK BOYUTU

Transkript

1 MİKROENKAPSÜLASYON AMAÇLI KLASİK VE ULTRASONİK YÖNTEMLERLE EMÜLSİFİKASYON: EMÜLSİYON STABİLİTESİ, REOLOJİK ÖZELLİKLER VE DAMLACIK BOYUTU Özlühan GÜNGÖR, Aslı ZUNGUR, Mehmet KOÇ, Figen KAYMAK-ERTEKİN EGE ÜNİVERSİTESİ,MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ, GIDA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ, BORNOVA/İZMİR

2 Emülsiyonlar, karışmayan iki sıvının birbiri içinde dağılmasından oluşmuş, homojen görünüşlü heterojen sistemlerdir.

3 Termodinamik olarak dayanıklı değildirler. Emülsiyon içerisindeki dağılmış damlacıklar (globüller) karışımın iç fazını, diğeri ise, dış fazını (sürekli faz) oluşturmaktadır. Emülsiyonlar farmasötik, kozmetik, tarım ve gıda endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar.

4

5 Emülsiyonun Kalitesi Hammadde İşleme Koşulları Su Karıştırma Yağ Homojenizasyon Emülgatör Pastörizasyon Koyulaştırıcı Ajanlar Aromalar

6 Gelişen yaşam şartlarına bağlı olarak tüketiciler hazırlanması hızlı ve kolay hazır ürünlere yönelmektedir. Gıda endüstrisi ise tüketicilerin bu isteklerini birçok bileşeni bir arada barındıran toz karışımlarla karşılamaktadır. Aroma ve yağların toz forma dönüştürülmesinde ise yapısında farklı prosesleri bir arada barındıran mikroenkapsülasyon teknolojisi kullanılmaktadır.

7 Mikroenkapsülasyon, aktif bir maddenin çevresinin bir veya daha fazla kaplama maddesi ile sarılıp kaplanmasını sağlayan bir teknolojidir. Gıda ürünleri içerisinde çoğunlukla katı ve sıvı yağlar, aroma bileşenleri, vitaminler, mineraller, renk bileşenleri ve enzimler mikroenkapsüle edilmektedir.

8 Mikrokapsül içerisinde yer alan madde veya karışım çekirdek, iç faz veya dolgu olarak ifade edilirken dış kısımda yer alan duvar ise kabuk, kaplama, duvar materyali veya membran olarak isimlendirilmektedir (Gharsallaoui ve ark., 2007).

9

10 Püskürtmeli kurutma yöntemi, Büyük miktarlarda kapsül üretiminin gerçekleştirilebilmesine olanak sağlaması, Gıda bileşenleri için uygun olan kaplama materyallerinin kullanımına elverişli olması açılarından avantajlıdır (Benita, 1996).

11 Emülsiyon Hazırlama Homojenizasyon Atomizasyon Kurutma

12 Hazırlanan emülsiyonun özellikleri, enkapsüle toz ürünün yüzeyindeki yağ içeriğinin veya aromanın kapsül içerisinde tutulmasının belirlenmesinde önemli rol oynamaktadır.

13 Emülsiyonun karakteristik özellikleri ile enkapsülasyon verimliliği arasında önemli bir bağıntı bulunmaktadır. Stabilite Viskozite Partikül Büyüklüğü Emülsifikasyon Metodu

14 Emülsiyon Stabilitesi Emülsiyon stabilitesi, emülsiyon özelliğinin zamanla meydana gelen değişimlere karşı gösterdiği dayanıklılıktır. Stabilitesi yüksek emülsiyonların karakteristik özelliklerinin dış ortam koşullarına göre değişim hızı oldukça yavaştır.

15 Fiziksel İnstabilite Kremleşme Flokülasyon Koalesans Faz Ayrımı Oswalt Olgunlaşması Kimyasal İnstabilite Oksidasyon Hidroliz

16 Stabil Emülsiyon Kremleşme Koalesans veya Oswalt Olgunlaşması Faz Ayrımı Flokülasyon

17 Yağların ve aromaların enkapsülasyon etkinliği emülsiyonun stabilitesinden etkilenmektedir. Stabilite iyi olduğunda mikroenkapsülasyon verimliliği artmaktadır.

18 Emülsiyonların Reolojisi Başlangıç emülsiyonunun kurumadde içeriğinin artmasıyla artan viskozite, damlacığın içerisindeki sirkülasyonun azalması ve hızlı yarı-geçirgen membranın oluşumu ile uçucu bileşenlerin kapsül içerisinde kalmasını sağlamaktadır.

19 Optimum noktaya kadar emülsiyonun viskozitesi arttıkça kapsül içerisindeki sirkülasyon yavaşlamakta ve difüzyon yavaşlayarak kapsül içerisinde tutulma gelişmektedir. Optimum sınırın üzerinde artan emülsiyon viskozitesi atomizasyon sırasında parçalanma sebebiyle, alıkonmanın azalmasına sebep olmakta ve damlacık oluşumu zorlaşmaktadır.

20 Yoğun viskoziteli besleme çözeltisi ile damlacık boyutu büyük partiküller ve düzensiz yapıda partiküller oluşacaktır.

21 Emülsiyonun Damlacık Boyutu Gıda emülsiyonlarının fizikokimyasal özellikleri içerdikleri damlacıkların özelliklerinden önemli derecede etkilenmektedir (Friberg ve Larsson, 1997 ; Dickinson, 1992 ; McClements, 1999). Damlacık boyutunun emülsiyonların; stabilitesi, optik özellikleri, reolojisi ve duyusal özellikleri üzerinde önemli bir etkisi vardır (McClements, 1999). Bundan dolayı damlacık boyutunun ölçümü ve belirlenmesi emülsiyonlar için önemlidir.

22 Kaplama materyalinin enkapsülasyon etkinliği, emülsiyon damlacık boyutunun azalmasıyla artmaktadır. Küçük boyutlara (<1.0 μm) sahip emülsiyon eldesi, uygun emülsifikasyon metodu ile yüzey aktif biopolimerler ile elde edilebilir. Emülsiyon damlacık boyutunun küçük olmasının diğer bir avantajı ise yüksek stabilite sağlamasıdır. Emülsiyon damlacık boyutu, sonuç enkapsüle toz ürünün karakteristik özelliklerini de etkilemektedir.

23 EMÜLSİFİKASYON METODU Emülsifikasyon işlemi basitçe bir karıştırma işlemidir.emülsiyonun reolojik özellikleri ve damlacık boyutu mikroenkapsüllerin karakteristik yapısını etkileyen önemli faktör olmakla birlikte, bu parametreler emülsifikasyon metodu ile birleştirildiğinde emülsiyon stabilitesinin geliştirilmesi, raf ömrünün uzatılması ve aromanın kapsül içerisindeki tutulmasının arttırılması sağlanabilmektedir (McClements, 2005).

24 Enkapsülasyon çalışmalarında en önemli aşamalardan biri olan emülsiyon hazırlamada temel amaç, stabil ve damlacık boyutu küçük emülsiyonlar hazırlamaktır. Emülsiyon hazırlamada homojenizasyon işlemi, ön homojenizasyon ve esas homojenizasyon olarak iki aşamada yapılmaktadır. Emülsiyon hacmi, emülsiyonun viskozitesi, istenilen damlacık boyutu gibi faktörler homojenizasyon işlemi için uygun olan ekipman seçimini etkiler.

25 Yüksek Hızlı Karıştırıcılar Rotor Stator Yapıdaki Homojenizatörler Yüksek Basınçlı Homojenizatörler Kolloit Değirmenleri Ultrasonik Karıştırıcılar Mikroakışkanlaştırıcılar (Microfludizer)

26 Rotor Stator Sistemleri

27 Yüksek Basınçlı Vana Sistemleri

28 Ultrasonik Homojenizatörler

29 Yüksek hızlı karıştırıcılar yerine ultrasonik karıştırıcı kullanmanın, kaplama materyalinin emülsiyon oluşturma özelliği düşük olsa bile (maltodekstrin gibi), emülsiyon kalitesi ve stabilitesini artırdığı bulgulanmıştır. Ultrasonik sistem ile daha ince emülsiyon damlacık boyutu ve daha yüksek enkapsülasyon verimi elde edildiği de belirtilmektedir (Van der Graaf ve ark. 2005).

30 Emülsiyon damlacık boyutu ne kadar küçükse, hem toz kapsül verimi artmakta hem de toz ürün yüzeyinde daha az ekstrakte edilebilir yağ kalmakta, dolayısıyla mikrokapsülün oksidatif stabilitesi artmaktadır. Benzer özellikler (ince damlacık boyutu, stabil bir emülsiyon ve yüksek enkapsülasyon verimi) klasik homojenizasyon sisteminde homojenizasyon basıncı ve süre artırılarak elde edilebilir.

31 SONUÇ Püskürtmeli kurutma ile yağların enkapsülasyonunda, en önemli basamaklardan biri beslemenin emülsiye edilmesidir. Emülsiyon hazırlama işlemi, sonuç enkapsüle toz ürünün yüzeyindeki serbest yağ içeriği miktarının belirlenmesini yani enkapsülasyonun verimliliğini etkileyen en önemli faktörlerden birisidir Enkapsülasyon çalışmalarında en önemli aşamalardan biri olan emülsiyon hazırlamada temel amaç, stabil ve damlacık boyutu küçük emülsiyonlar hazırlamaktır.

32 Emülsiyon damlacık boyutunu düşürmek daha iyi bir enkapsülasyonun gerçekleştirilmesine olanak verir. Emülsiyon damlacık boyutunu düşürüp, daha stabil bir emülsiyon elde edilebilmektedir. Emülsiyonun yüksek KM içeriğinin enkapsülasyon verimini artırdığını belirtilmektedir. Ancak yüksek KM içeriği emülsiyon viskozitesini artırmakta, yoğun viskoziteli besleme çözeltisi ile damlacık boyutu büyük ve düzensiz yapıda partiküller oluşacaktır. Hazırlanan emülsiyonun olabilecek en yüksek KM içeriğinde kurutucuya beslenmesi gerekmekte, ancak bu değerin olabilecek en düşük viskozite ile optimize edilmesi gereklidir.

33 Kaynaklar Friberg, S., Larsson, K., Food Emulsions, 3rd ed., Marcel Dekker, New York. Dickinson, E., Stainsby, G., Colloids in Foods. Applied Science Publishers, London. Dickinson, E., Introduction to Food Colloids. Oxford University Press, Oxford. McClements, D.J., Food Emulsions; Principles, Practice, and Techniques. 2nd Ed, CRC Press. Taylor, P., Ostwald ripening in emulsions. Colloids and Surfaces 99: 175. Hogan, S.A., McNamee, B.F., O Riordan, E.D., O Sullivan, M., Microencapsulating properties of sodium caseinate. Journal of Agricultural and Food Chemistry 49 (4): Sankarikutty, B., Sreekumar, M.M., Narayanan, C.S., Mathew, A.G., Studies on microencapsulation of cardamon oil by spray drying technique. International Journal of Food Science and Technology 25(6): Rosenberg, M., Kopelman, I.J., Talmon, Y., Factors affecting retention in spray-drying microencapsulation of volatile materials. Journal of Agricultural and Food Chemistry 38 (5): Silva, D.P., Re,M.I., In Effect of the Emulsion Viscosity on the Volatiles Retention during Spray Drying Microencapsulation. Proc. 24th Brazilian Congress on Porous Mater, Brazil, Book of proceedings, p. Walstra, P., Formation of emulsions. Encyclopedia of emulsion technology, Vol. 1 New York, USA, p. Risch, S.J., Reineccius, G.A., Spray-dried orange oil effect of emulsion size on flavor retention and shelf stability. ACS Symposium Series 370: Minemoto, Y., Fang, X., Hakamata, K., Watanabe, Y., Adachi, S., Kometani, T., Matsuno, R., Oxidation of linoleic acid encapsulated with soluble soybean polysaccharide by spray-drying. Bioscience Biotechnology and Biochemistry 66 (9): Jafari S. H., Assadpoor E., He Y., Bhandari B., Re-coalescence of emulsion droplets during high-energy emulsification. Food Hydrocolloids 22: Mcclements, D.J., Critical Review of Techniques and Methodologies for Characterization of Emulsion Stability. Critical Reviews in Food Science and Nutrition 47(7): Jafari S. H., Assadpoor E., He Y., Bhandari B., Encapsulation Efficiency of Food Flavours and Oils during Spray Drying. Drying Technology, 26: 7, Mongenot, N., Charrier, S., Chalier, P., Effect of ultrasound emulsification on cheese aroma encapsulation by carbohydrates. Journal of Agricultural and Food Chemistry 48 (3): Canselier, J.R., Delmas, H., Wilhelm, A.M., Abismail, B., Ultrasound emulsification An overview. Journal of Dispersion Science and Techology 23: Charcosset, C., Fessi, H., Membrane emulsification and microchannel emulsification processes. Reviews in Chemical Engineering 21: 1 32.v

34