Development of novel antimicrobial, antioxidant and bioactive edible gels intended for food preservation and promotion of human health

Abstract

The aim of this thesis was the development of edible gelatin (GEL) based composite gels with antimicrobial, antioxidant, and bioactive properties. For this purpose, composite gels of gelatin with rice starch (RS), candelilla wax (CW) and soy protein isolate (SPI) were incorporated with lysozyme (LYS) and green tea extract (GTE). LYS and GTE release profiles of GEL and its composites were tested in aqueous media and cold-smoked salmon selected as a model food. GEL, GEL/RS and GEL/CW gels did not show considerably different LYS and GTE release profiles in aqueous media, but their release profiles in the model food system were different. GEL/SPI gels bound LYS and prevented its release from the gels, but they released GTE. GEL showed the most rapid LYS delivery onto smoked salmon, while GEL/RS and GEL/CW caused sustained LYS delivery profiles. The total LYS delivered from GEL and GEL/RS gels onto smoked salmon were similar while GEL/CW gels caused almost 30% lower LYS delivery onto food samples. On the other hand, GEL/CW gels caused the highest amounts of GTE delivery onto model food. In broth media at 4°C, all LYS containing gels (with or without GTE) showed antimicrobial activity with a minimum 1.5 decimal reduction in L. innocua that was used as a target bacterium. In smoked salmon samples, the LYS containing gels inhibited the growth of L. innocua, but they did not cause a significant reduction in its counts. Antioxidant capacity, antihypertensive and antidiabetic activity, and cytotoxicity tests against human colon carcinoma cells (Caco-2) conducted with released GTE proved the bioactive potential of developed gels. The gels were also tested for their water binding capacity, and physical (textural properties) and morphological (SEM images) properties. This work clearly showed the possibility of using active gels as multifunctional delivery tools (as coating material, pad or pre-cast film) to prevent microbial and oxidative changes in food and to enhance their bioactive properties.

Bu tezin başılıca amacı antimikrobiyal, antioksidant ve biyoaktif özelliklere sahip jelatin (GEL) temelli kompozit yenilebilir jeller geliştirmektir. Bu amaçla jelatinin pirinç nişastası (RS), kandelilla mumu (CW) veya soya protein izolatı (SPI) içeren kompozit jellerine antimikrobiyal bir enzim olan lisozim (LYS) ve yeşil çay ekstraktı (GTE) ilave edilmiştir. Su içerisinde gerçekleştirilen salım deneyleri LYS ve GTE’nin GEL, GEL/RS ve GEL/CW´den geçiş hızlarının birbirinden farklı olmadığını göstermiştir. GEL, GEL/RS ve GEL/CW jellerden LYS’in model gıda olarak kullanılan tütsülenmiş somona geçiş hızları ise birbirinden farklıdır. Model gıda ortamında ürüne en hızlı LYS geçişi GEL´den olurken, GEL/RS ve GEL/CW jellerden gıdaya LYS geçişi nispeten daha yavaş olmaktadır. GEL ve GEL/RS jellerden model gıda olan tütsülenmiş somona salınan toplam LYS aktiviteleri benzer düzeyde ve GEL/CW jellere göre %30 daha yüksektir. Model gıdaya GTE geçişleri incelendiği zaman en yüksek düzeyde fenolik geçişlerinin GEL/CW jellerden olduğu görülmektedir. Sıvı besiyerinde 4°C ‘de yürütülen antimikrobiyal testler LYS içeren tüm jellerin (GTE içerse de içermese de) L. inoccua üzerinde 15 gün içerisinde en az 1.5 desimal azalma sağlayacak antimikrobiyal etkisi olduğunu göstermektedir. L. inoccua ile inoküle edilmiş 4°C’de depolanan ve her iki yüzeyi aktif jel dilimleri içeren tütsülenmiş somonlarla yürütülen testlerde sözkonusu bakterinin gelişimi LYS içeren jellerle başarıyla inhibe edilmiş, ancak bakteri inaktive edilememiştir. Gerçekleştirilen antioksidant kapasite, antihipertensif ve antidiyabetik aktivite ve insan kolon karsinoma hücreleri (Caco-2) üzerinde yürütülen sitotoksisite testleri jellerden salınan GTE’nin biyoaktiviteye sahip olduğunu göstermiştir. Çalışmada üretilen jellerin su bağlama kapasitesi, fiziksel özellikleri (tekstür analizi) ve morfolojik özellikleri (SEM görüntüleme) karakterize edilmiştir. Bu çalışma aktif çok fonksiyonlu jellerin gıdalarda antimikrobiyal ve antioksidant değişimlerin kontrolü ve gıdaların biyoaktif özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla kaplama, ped ve yenilebilir film şeklinde kullanılabileceğini göstermiştir.