Konu: Fonksiyonel gıdalarda nanoteknoloji uygulamaları

Huri İlyasoğlu ve Beraat Özçelik
İTÜ Gıda Müh. Bölümü


Özet

Günümüzde birçok sanayi dalında olduğu gibi gıda sanayinde de nanoteknoloji uygulamalarına başlanmıştır. Nanoteknoloji uygulamaları ile gıda ürünlerinin güvenirliği ve besinsel değeri artırılmaya, tarladan başlayarak ürünlerin izlenebilirliği sağlanmaya çalışılmaktadır. Fonksiyonel gıdaların biyoyararını artırmak için nanoteknolojiden yararlanılarak geliştirilen dağıtım sistemleri üzerine çalışmalar yapılmaktadır.

Giriş
Nanometre ölçeğinde (milimetrenin milyonda biri) fiziksel, kimyasal ve biyolojik olayların anlaşılması ve kontrolünü içeren teknolojiye nanoteknoloji adı verilmektedir. Nanoteknoloji; maddenin atom ve moleküler seviyede manipulasyonu, gıda ve tarım sistemlerinde radikal değişimlere yol açmıştır (ETC, 2004).

Gıda sistemlerinde, özellikle nutrasetik ve paketleme materyallerinde nanoteknoloji kullanımı ile ürünlerin sağlık yararının artırılması ve tadının iyileştirilmesi, üretim veriminin artırılması ve kontaminasyonun engellenmesi beklenmektedir (Nachay, 2007).

Nutrasetik ve fonksiyonel gıda formülasyonlarının hazırlanmasında ve üretim proseslerinde nano-ölçekteki olaylardan yararlanılmaktadır. Nanoteknolojiyi temel alan yeni konsept ile ürünlerin fonksiyonelliği ve fonksiyonel öğelerin vücut içinde gerekli noktalara dağıtımının etkinliği artırılmaktadır (Chen et al. 2006).

Gıda ve tarım endüstrisinde nanoteknoloji uygulamaları

Gıda sanayinde nanoteknoloji uygulamaları başlamakla birlikte diğer sanayi dallarına göre uygulamalar sınırlıdır. Nanoteknolojinin tarım ve gıdaya uygulanması için ilk yol haritası Aralık 2002’de USDA(United States Drug Administration) tarafından hazırlanmıştır (ETC, 2004). Tarım ve gıda sistemlerinde patojen ve kontaminant tayini, pestisitlerin etkinliğinin artırılması, yeni ambalajlama sistemlerinin geliştirilmesi ve fonksiyonel ingrediyentlerin biyoyarının artırılması gibi birçok alanda nanoteknolojiden yararlanılmaya başlanmıştır(CSREES, 2003).

Patojen ve kontaminantların belirlenmesi için nanosensörler geliştirilerek üretim, işleme ve nakil aşamalarında gıda güvenliği artırılmaya çalışılmaktadır(CSREES, 2003).

Gıdaların yetiştiği coğrafik bölgeden son ürüne işleninceye kadar geçtiği bütün aşamalara ait kayıtları sağlayabilecek cihazların geliştirilmesi için çalışmalar yapılmakta ve bu sisteme akıllı sistem (smart system) adı verilmektedir (CSREES, 2003).

Nano-seviyede aktif ingrediyent içeren pestisitler piyasaya sunulmuştur. Nanoteknoloji ile üretilen pestisitler suda kolay çözüldüğünden daha stabil olmakta ve daha uzun süre etki göstermektedir(ETC, 2004).

Gıdaların ambalajlanması gıda endüstrisinde nanoteknolojinin kullanıldığı bir başka alandır. Akıllı paketler (smart packaging) üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Bu paketleme sistemleri, çevresel koşullardaki (sıcaklık ve nem değişiklikleri, vb.) değişikliklere göre kendini ayarlayabilecek ve gıdanın kontamine olması durumunda tüketiciyi uyarabilecektir (ETC, 2004).

Nano-seviyede gıda katkıları üretimine de başlanmıştır. Nano-katkılar daha kolay absorbe edilmekte ve ürünün raf ömrünü artırmaktadır (ETC, 2004).

Nanoteknolojiden fonksiyonel gıda ürünlerinin formülasyonunda yararlanılmaya başlanmıştır. Gıda firmaları vitaminler, antioksidanlar vb. gibi aktif ingrediyentlerin etkinliğini artırmak için nano dağıtım sistemleri (delivery system) üzerinde çalışmaktadır. Nano dağıtım sistemleri ile aktif ingrediyentin kontrolü ve etkinliği artırılmaya çalışılmaktadır (ETC, 2004).


Fonksiyonel gıdalarda nanoteknoloji uygulamaları
Hastalıkları önleyici ve tedavi edici etkileri nedeniyle sağlık yararı olan gıda veya gıda bileşenleri nutrasetikler veya fonksiyonel gıdalar olarak tanımlanmaktadır (Belem, 1999; Andlauer and Fürst, 2002). Nutrasetikler; izole edilmiş besin öğeleri, besin takviyeleri, tasarlanmış gıdalar, bitkisel ürünler ve işlenmiş ürünleri içermektedir (Andlauer and Fürst, 2002).
Nutrasetiklerin hastalıkları önlemede etkinliği aktif ingrediyentin biyoyararının korunmasına bağlıdır. Besin öğelerinin mide öz suyunda kalma süresinin yetersizliği, bağırsakta düşük geçirgenlik veya çözünürlük, gıda işleme sırasında (ışık, sıcaklık ve pH) veya mide-bağırsak sisteminde (pH ve diğer besin öğeleri) stabiliteyi bozan etkenler nutrasetik molekülünün aktivitesini ve olası sağlık yararını azaltmaktadır. Aktif ingrediyentin organizmadaki fizyolojik hedefe ulaşana kadar ingrediyentin aktif kalması için ingrediyent, sistemde korunan bir yapı içerisinde olmalıdır (Chen, Remendetto and Subirade, 2006).
Biyolojik olarak aktif olan ingrediyentin organizma içerisinde hedefe ulaşana kadar yapısal bütünlüğünün sağlanması taşıma sistemi ile sağlanmaktadır. Taşıma sisteminin 3 fonksiyonu vardır: 1)İşleme ve depolama sırasında fonksiyonel ingrediyentin aktifliğini kaybetmemesi için fonksiyonel ingrediyenti kimyasal ve biyolojik parçalanmadan korumak, 2) Fonksiyonel ingrediyenti istenen aktif bölgeye taşımak, 3) Fonksiyonel ingrediyentin salınımını kontrol etmektir (Weiss, Takhistov and Clements, 2006).
Mikroenkapsülasyon, ilaç ve gıda endüstrisi gibi spesifik alanlarda uygulanmakta olan hızla gelişen bir teknolojidir. Mikroenkapsulasyon ile, fizyolojik aktiviteye sahip sıvı damlalar, katı partiküller veya gaz materyaller sürekli bir kabuk içinde paketlenerek parçalanmaya karşı korunmakta ve serbest kalma hızı kontrol altına alınmaktadır (Hsieh and, 2002). Mikroenkapsülasyon prosesi ile nano-ölçekte kapsüller üretilebilmekte ve böylelikle aktif ingrediyentin biyoyararı artırılmaktadır (Gouin, 2004).
Taşıma sistemlerinin özellikleri fonksiyel ingrediyentin etkinliğini etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Fonksiyonel ingrediyenti enkapsüle etmek için çok sayıda taşıma sistemi geliştirilmiştir. Taşıma sistemi olarak kullanılan kolloidler, emülsiyonlar ve biyopolimerlerin kendilerine has avantaj ve dezavantajları vardır (Weiss, Takhistov and Clements, 2006).

Miseller
Amfilik yapıdaki moleküller polar çözeltide çözüldüğünde hidrofobik etkileşimler nano-ölçekte yapıların oluşumuna yol açar. Miseller, yüzey aktif maddeler kritik misel konsantrasyon seviyesini aşan konsantrasyonlarda suda çözündüğünde meydana gelen 5-100 nm boyutunda yapılardır ve polar olmayan yapıları enkapsüle etme özellikleri vardır (Chen, et al., 2006). Kozmetik ve eczalık alanında ise mikroemülsiyonlar antioksidanların enkapsülasyonunda kullanıldığı bilinmektedir (Garti, et al, 2004). Son yıllarda, mikroemülsiyonların gıda sistemlerinde kullanımı üzerine çalışmalar yapılmaya başlanmıştır. Su veya yağ fazında çözünürlüğü düşük olan komponentlerin çözünürlüğünün artırılmasında mikroemülsiyonlardan yararlanılmaktadır. Fitosterol, likopen ve limonen gibi fonksiyonel ingrediyentlerin enkapsülasyonu gerçekleştirilmiştir (Garti, et al, 2004).

Lipozomlar
Fosfolipidler suda dağıtıldığında, kendiliğinden oluşan küre şeklindeki kabarcıklara lipozom adı verilir. (Teschke and Souze, 2002). Lipozomların farklı materyalleri kapsüle etme yetenekleri ve lipozom teknolojisindeki gelişmeler, kısımlara ayrılmış sistemlerde aktif ajanların içeri alınmasında lipozomların kullanımlarında artışa yol açmıştır. Lipozomal taşıma sistemi (LDS) olarak adlandırılmakta olan bu sistemler son on yılda dikkate değer ilerleme göstermiştir. Gıda ve beslenme endüstrisinde, lipozomlar enzim, vitamin ve antioksidanların stabilitesini artırmak için kullanılmaktadırlar. Lipozomların hidrofilik ve hidrofobik molekülleri tutma yetenekleri tarım ve beslenme endüstrisinde taşıma sistemi olarak yararlanılmalarına yol açmıştır. Lipozomların kullanımları iki yönde yoğunlaşmıştır: 1) sağlık yararı olan komponentleri sistem içine almak 2) Gıda bileşenlerini kapsüle etmek suretiyle gıdaların biyolojik yararlılıklarını dolayısıyla besinsel özelliklerini artırmak.
Lipozomlar kinetik özelliklerde de değişimler sağlamaktadır. Bu özelliklerin bazıları tadın stabilize edilmesi, ingrediyentlerin biyoyararının artırılması ve depolama esnasında stabilitenin artırılması üzerine yoğunlaşmıştır (Gomez-Hens and Fernandez-Romero, 2006).

Nanoemülsiyonlar
Nano boyutta damlacıklar (50-200 nm) içeren emülsiyonlardır. Nanoemülsiyonlar, yüksek basınçlı homojenizatörler veya membranlar ile hazırlanmaktadır. Nanoemülsiyonların hazırlanmasında yüzey aktif madde seçimi önemlidir (Chen, et al., 2006). Nanoemülsiyonlar ilaç taşıma sistemi, kişisel bakım ve kozmetik ürünleri gibi birçok alanda kullanılmaktadır (Spernath and Magdassi, 2007).

Biyopolimerik Nanopartiküller
Doğal ve sentetik polimerler enkapsülasyonda kullanılmaktadır. Nanopartiküller ile enkapsülasyon geleneksel enkapsülasyon yöntemlerine göre daha üstün özelliklere sahiptir. Nanopartiküller küçük olduğundan aktif ingrediyent direkt olarak dolaşım sistemine geçmektedir. Ko-şelat şeklinde ifade edilen ve şelat yapısındaki maddeler de biyoaktif komponentlerin enkapsülasyonunda kullanılmaktadır. Ko-şelatların dağıtım sistemi olarak kullanılması ile aktif ingrediyent hedef hücreye taşınmaktadır. Ko-şelatların çevresel etkilere karşı dirençli olması midede parçalanmayı engellemektedir. (Moraru, et al., 2003).

Nanoteknoloji ile Üretilmiş Ürünler
Nanoteknoloji ile üretilmiş birçok ürün piyasaya sunulmuştur. Aquanova AG firması tarafından misellerin taşıyıcı sistem olarak kullanıldığı Novasol adı verilen ek besin tabletleri geliştirilmiştir. Schemen Ind. tarafından misellerin sıvı taşıyıcı görevini gördüğü “kolesterolü düşüren kanola yağı” üretilmiştir. Pharmanex firması tarafından yaşlanmayı geciktirici LifePak adı verilen besin tableti geliştirilmiştir. Çin’de Nanotea adı verilen çay üretilmiştir ve Nanotea ile selenyum alımının 10 kat artırıldığı ifade edilmektedir (nanotechproject.org).

Sonuç
Gıda ve tarım endüstrisinde, fonksiyonel gıda üretiminde nanoteknolojiden yararlanılarak ürünlerin özellikleri iyileştirmeye ve yeni ürünler geliştirilmeye çalışılmaktadır. Nanoteknoloji ile üretilen ürünler piyasaya sunulmakla birlikte çalışmaların çoğu laboratuar aşamasındadır. Önümüzdeki 10-15 yıl içinde laboratuar ölçeğinde yapılan çalışmaların ticari ürüne dönüşebileceği tahmin edilebilmektedir.

paylaşımın için çok teşekkürler...