Özlühan GÜNGÖR - 9. gıda mühendisliği kongresi

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
Emülsiyonlar, karışmayan iki sıvının
birbiri içinde dağılmasından oluşmuş,
homojen görünüşlü heterojen
sistemlerdir.
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.
Emülsiyonun
Kalitesi
Hammadde
İşleme Koşulları
Su
Karıştırma
Yağ
Homojenizasyon
Emülgatör
Pastörizasyon
Koyulaştırıcı
Ajanlar
Aromalar
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.
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.
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).
Püskürtmeli kurutma yöntemi,
Büyük
miktarlarda
kapsül
üretiminin
gerçekleştirilebilmesine olanak sağlaması,
Gıda bileşenleri için uygun olan kaplama
materyallerinin kullanımına elverişli olması
açılarından avantajlıdır (Benita, 1996).
Emülsiyon Hazırlama
Homojenizasyon
Atomizasyon
Kurutma
Hazırlanan emülsiyonun özellikleri, enkapsüle toz
ürünün yüzeyindeki yağ içeriğinin veya aromanın
kapsül içerisinde tutulmasının belirlenmesinde
önemli rol oynamaktadır.
Emülsiyonun
karakteristik
özellikleri
ile
enkapsülasyon verimliliği arasında önemli bir
bağıntı bulunmaktadır.
Stabilite
Viskozite
Partikül
Büyüklüğü
Emülsifikasyon
Metodu
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.
Fiziksel
İnstabilite
Kimyasal
İnstabilite
•
•
•
•
•
Kremleşme
Flokülasyon
Koalesans
Faz Ayrımı
Oswalt Olgunlaşması
• Oksidasyon
• Hidroliz
Stabil
Emülsiyon
Kremleşme
Koalesans
veya
Oswalt
Olgunlaşması
Flokülasyon
Faz Ayrımı
Yağların ve aromaların enkapsülasyon etkinliği
emülsiyonun stabilitesinden etkilenmektedir.
Stabilite iyi olduğunda mikroenkapsülasyon
verimliliği artmaktadır .
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.
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.
Yoğun viskoziteli besleme çözeltisi ile
damlacık boyutu büyük partiküller ve
düzensiz yapıda partiküller oluşacaktır.
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.
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.
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).
• 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.
Yüksek Hızlı Karıştırıcılar
Rotor –Stator Yapıdaki
Homojenizatörler
Yüksek Basınçlı Homojenizatörler
Kolloit Değirmenleri
Ultrasonik Karıştırıcılar
Mikroakışkanlaştırıcılar
(Microfludizer)
Rotor–Stator Sistemleri
Yüksek Basınçlı Vana Sistemleri
Ultrasonik Homojenizatörler
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).
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.
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.
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.
Kaynaklar
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Friberg, S., Larsson, K., 1997. Food Emulsions, 3rd ed., Marcel Dekker, New York.
Dickinson, E., Stainsby, G., 1982. Colloids in Foods. Applied Science Publishers, London.
Dickinson, E., 1992. Introduction to Food Colloids. Oxford University Press, Oxford.
McClements, D.J., 1999. Food Emulsions; Principles, Practice, and Techniques. 2nd Ed, CRC Press.
Taylor, P., 1995. Ostwald ripening in emulsions. Colloids and Surfaces 99: 175.
Hogan, S.A., McNamee, B.F., O’Riordan, E.D., O’Sullivan, M., 2001. Microencapsulating properties of sodium
caseinate. Journal of Agricultural and Food Chemistry 49 (4): 1934–1938.
Sankarikutty, B., Sreekumar, M.M., Narayanan, C.S., Mathew, A.G., 1988. Studies on microencapsulation of
cardamon oil by spray drying technique. International Journal of Food Science and Technology 25(6): 352–
356.
Rosenberg, M., Kopelman, I.J., Talmon, Y., 1990. Factors affecting retention in spray-drying
microencapsulation of volatile materials. Journal of Agricultural and Food Chemistry 38 (5):1288–1294.
Silva, D.P., Re,M.I., 1996. 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, 196–201p.
Walstra, P., 1983. Formation of emulsions. Encyclopedia of emulsion technology, Vol. 1 New York, USA, 57–
128p.
Risch, S.J., Reineccius, G.A., 1988. Spray-dried orange oil – effect of emulsion size on flavor retention and
shelf stability. ACS Symposium Series 370: 67–77.
Minemoto, Y., Fang, X., Hakamata, K., Watanabe, Y., Adachi, S., Kometani, T., Matsuno, R., 2002. Oxidation
of linoleic acid encapsulated with soluble soybean polysaccharide by spray-drying. Bioscience Biotechnology
and Biochemistry 66 (9): 1829–1834.
Jafari S. H., Assadpoor E., He Y., Bhandari B., 2008. Re-coalescence of emulsion droplets during high-energy
emulsification. Food Hydrocolloids 22:1191–1202
Mcclements, D.J., 2009. Critical Review of Techniques and Methodologies for Characterization of Emulsion Stability.
Critical Reviews in Food Science and Nutrition 47(7): 611 — 649.
Jafari S. H., Assadpoor E., He Y., Bhandari B., 2010. Encapsulation Efficiency of Food Flavours and Oils
during Spray Drying. Drying Technology, 26: 7, 816 - 835
Mongenot, N., Charrier, S., Chalier, P., 2000. Effect of ultrasound emulsification on cheese aroma
encapsulation by carbohydrates. Journal of Agricultural and Food Chemistry 48 (3):861–867.
Canselier, J.R., Delmas, H., Wilhelm, A.M., Abismail, B., 2002. Ultrasound emulsification—An overview.
Journal of Dispersion Science and Techology 23: 333–349.
Charcosset, C., Fessi, H., 2005. Membrane emulsification and microchannel emulsification processes.
Reviews in Chemical Engineering 21: 1–32.v