Waste Assessment: Applicability of Liposomal Delivery Systems for Phenolic Rich Extracts Obtained from Skins of Hazelnut and Pistachio Nut

Abstract

Phenolic substances are powerful antioxidants with health effects that reduce the risk of diseases such as cancer, heart disease and diabetes. Within the scope of waste assessment, which is an important issue for the country's economy and environmental pollution, it is possible to obtain phenolics rich extracts from the skins of the hazelnut and Antep pistachio removed in the food industry, which are very valuable products, and to be converted into different products with added value. However, these phenolic substances have low stability, low solubility and poor bioavailability and high ability to interact with other food substances. Hence, it is recommended to tencapsulate phenolics using appropriate methods to eliminate these properties. At this point, liposomes are suitable delivery systems for phenolic substances. In this study, primary (non-chitosan coated) liposomes were first produced using a high pressure homogenizer. Afterwards, the kinetic stability of the primary liposomes was enhanced by layer-by-layer method with 0.4% chitosan solution to obtain secondary liposomes (covered with chitosan). The primary and secondary liposomes obtained were characterized by measuring particle size and zeta potentials. Accordingly, while the particle size of the primary liposomes was 146 nm, the particle size increased with the increasing extract concentration. It was observed that the liposomes' electrical charge changed from negative to positive when coated with chitosan. Coating with chitosan also increased the particle size. Considering the encapsulation efficiency, it was understood that the highest yield was obtained at a concentration of 0.1% for both extracts. The encapsulation efficiency at this concentration was 79% for hazelnut skin extract, while this value was 88% for Pistachio skin extract. It was found that the encapsulation efficiency decreased with increasing extract concentration. Our studies are ongoing to add secondary liposomes with increased kinetic stability in the liquid form, especially in food products in the solid form, or to be used as a dietary supplements and to convert these dispersions into powder form to increase their shelf life.

Keywords

• phenolics,liposomes,chitosan coated liposomes,encapsulation

Atıkların Değerlendirmesi: Fındık (Corylus avellana L.) ve Antep Fıstığı (Pistacia vera L.) İç Zarlarından Elde Edilen Fenolikçe Zengin Ekstraktlara Lipozomal Taşıma Sistemlerinin Uygulanabilirliği

Öz

Fenolik maddeler kanser, kalp hastalıkları, diyabet gibi hastalıkların oluşma riski azaltıcı sağlık etkileri bulunan güçlü antioksidanlardır. Ülke ekonomisi ve çevre kirliliği için önemli bir husus olan atık değerlendirilmesi kapsamında, ülkemiz için çok değerli ürünler olan fındık ve Antepfıstığı yağlı tohumlarının gıda sanayinde ayrılan iç zarlarından fenoliklerce zengin ekstraktlarının elde edilip katma değer eklenmiş farklı ürünlere dönüştürülmesi mümkündür. Ancak, söz konusu fenolik bileşiklerin çevresel koşullardaki stabiliteleri düşük, çözünürlükleri ve biyoyararlılıkları zayıf, diğer gıda bileşenleriyle etkileşime girme kabiliyetleri yüksektir. Bu özelliklerini bertaraf etmek için uygun yöntemler kullanılarak enkapsüle edilmeleri önerilmektedir. Bu noktada lipozomlar fenolik bileşikler için uygun taşıma sistemleridir. Bu çalışmada yüksek basınçlı homojenizatör kullanılarak önce birincil (kitosan kaplı olmayan) lipozomlar üretilmiştir. Daha sonra birincil lipozomların %0.4’lük kitosan çözeltisi ile tabaka tabaka kaplama yöntemiyle kaplanarak kinetik stabiliteleri arttırılmış ve böylece ikincil lipozomlar (kitosanla kaplanmış) elde edilmiştir. Elde edilen birincil ve ikincil lipozomlar partikül boyutu ve zeta potansiyelleri ölçülerek karakterize edilmiştir. Buna göre birincil lipozomların partikül boyutu 146 nm iken içine konulan ekstrakt konsantrasyonu arttıkça partikül boyutunun arttığı görülmüştür. Kitosanla kaplandığında lipozomların elektrik yükünün negatiften pozitife dönüştüğü görülmüştür. Aynı zamanda kitosanla kaplamak partikül boyutunu da büyütmüştür. Enkapsülasyon verimi dikkate alındığında en yüksek verimin her iki ekstrakt için de %0.1 konsantrasyonda elde edildiği anlaşılmıştır. Fındık iç zar ekstraktı için bu konsantrasyonda enkapsülasyon verimi %79 iken Antep fıstığı iç zar ekstraktı için bu değer %88 olarak belirlenmiştir. Enkapsülasyon veriminin konsantrasyon arttıkça düştüğü görülmüştür. Elde edilen sıvı formadaki kinetik stabiliteleri arttırılmış ikincil lipozomların özellikle katı formdaki gıda ürünlerine eklenebilmesi veya besin takviyesi olarak değerlendirilebilmesi ve raf ömürlerinin arttırılması için toz haline getirilmesi üzerine çalışmalarımız devam etmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Fenolik bileşikler,lipozom,Kitosanla kaplı lipozomlar,enkapsülasyon

Kaynakça

1. Alasalvar, C., Karamać, M., Amarowicz, R., & Shahidi, F. (2006). Antioxidant and antiradical activities in extracts of hazelnut kernel (Corylus avellana L.) and hazelnut green leafy cover. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 54(13), 4826-4832.Doi: 10.1021/jf0601259
2. Akgün, D., Gültekin-Özgüven, M., Yücetepe, A., Altin, G., Gibis, M., Weiss, J., & Özçelik, B. (2020). Stirred-type yoghurt incorporated with sour cherry extract in chitosan-coated liposomes. Food Hydrocolloids, 101, 105532. Doi:10.1016/j.foodhyd.2019.105532
3. Altin, G., Gültekin-Özgüven, M., & Ozcelik, B. (2018a). Chitosan coated liposome dispersions loaded with cacao hull waste extract: Effect of spray drying on physico-chemical stability and in vitro bioaccessibility. Journal of Food Engineering, 223, 91-98. Doi: 10.1016/j.jfoodeng.2017.12.005
4. Altin, G., Gültekin-Özgüven, M., & Ozcelik, B. (2018b). Liposomal dispersion and powder systems for delivery of cocoa hull waste phenolics via Ayran (drinking yoghurt): Comparative studies on in-vitro bioaccessibility and antioxidant capacity. Food Hydrocolloids, 81, 364-370. Doi: 10.1016/j.foodhyd.2018.02.051
5. Contini, M., Baccelloni, S., Frangipane, M. T., Merendino, N., & Massantini, R. (2012). Increasing espresso coffee brew antioxidant capacity using phenolic extract recovered from hazelnut skin waste. Journal of Functional Foods, 4(1), 137-146. Doi: 10.1016/j.jff.2011.09.005
6. Gibis, M., Vogt, E., & Weiss, J. (2012). Encapsulation of polyphenolic grape seed extract in polymer-coated liposomes. Food & function, 3(3), 246-254. DOI: 10.1039/c1fo10181a
7. Gibis, M., Rahn, N., & Weiss, J. (2013). Physical and oxidative stability of uncoated and chitosan-coated liposomes containing grape seed extract. Pharmaceutics, 5(3), 421-433. Doi:10.3390/pharmaceutics5030421
8. Gibis, M., Zeeb, B., & Weiss, J. (2014). Formation, characterization, and stability of encapsulated hibiscus extract in multilayered liposomes. Food Hydrocolloids, 38, 28-39. Doi: 10.1016/j.foodhyd.2013.11.014

9. Gültekin-Özgüven, M., Karadağ, A., Duman, Ş., Özkal, B., & Özçelik, B. (2016). Fortification of dark chocolate with spray dried black mulberry (Morus nigra) waste extract encapsulated in chitosan-coated liposomes and bioaccessability studies. Food chemistry, 201, 205-212. Doi:10.1016/j.foodchem.2016.01.091
10. Monagas, M., Garrido, I., Lebrón-Aguilar, R., Gómez-Cordovés, M. C., Rybarczyk, A., Amarowicz, R., & Bartolomé, B. (2009). Comparative flavan-3-ol profile and antioxidant capacity of roasted peanut, hazelnut, and almond skins. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 57(22), 10590-10599. Doi: 10.1021/jf901391a
11. Santos, D. T., Albarelli, J. Q., Beppu, M. M., & Meireles, M. A. A. (2013). Stabilization of anthocyanin extract from jabuticaba skins by encapsulation using supercritical CO2 as solvent. Food Research International, 50(2), 617-624. Doi: 10.1016/j.foodres.2011.04.019
12. Seeram, N. P., Zhang, Y., Bowerma, S., & Heber, D. 2008. Phytochemicals and health aspects of pistachio (Pistacia vera L.). İçinde: Tree Nuts: Composition, Phytochemicals, and Health Effects. Eds C. Alasalvar, & F. Shahidi, CRC Press, pp. 295-304.
13. Şahin, S., Kılıç, Ö., Şengül, S., Perçin, S. (2019). Farklı İllerden Temin Edilen Fındık Zarının Bileşimi ve Antioksidan Etkinliğinin Araştırılması. Ordu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 9(1), 27-35.
14. Tomaino, A., Martorana, M., Arcoraci, T., Monteleone, D., Giovinazzo, C., & Saija, A. (2010). Antioxidant activity and phenolic profile of pistachio (Pistacia vera L., variety Bronte) seeds and skins. Biochimie, 92(9), 1115-1122. Doi: 10.1016/j.biochi.2010.03.027
15. Yağcı, S., Altan, A., Göğüş, F., & Maskan, M. (2006). Gıda atıklarının alternatif kullanım alanları. Türkiye, 9, 24-26.
16. Ziraat Mühendisleri Odası (2018). Fındık Raporu (08.08.2018). Alınmıştır: http://zmo.org.tr/genel/bizden_detay.php?kod=30070&tipi=38&sube=0.