Gıda kaynaklı laktik asit bakterileri kullanılarak ekzopolisakkarit üretimi
Exopolysaccharide production by using food borne 
lactic acid bacteria
Yazar: İLKAY KIRMA
Danışman: PROF. DR. ZEYNEP DİLEK HEPERKAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Laktik asit bakterileri gıdaların fermantasyon aşamalarında kullanılan mikroorganizma grubudur. Gram pozitif olan ve spor oluşturmayan bu bakterilerin en önemli ürünü fermantasyon sonucu oluşturdukları laktik asittir. Heterotrof beslenme şekline sahip olan bu bakterilerin gelişme sıcaklıkları 10-45°C arasıdır. Aerotolerant anaerob özellik göstermektedirler. Bu bakteriler Lactobacillus, Carnobacterium, Leuconostoc, Oenococcus, Streptococcus, Lactococcus, Enterococcus, Vagococcus, Pediococcus, Aerococcus ve Tetragenococcus gibi cinsleri içermektedir. Morfolojik özellikler ve fermantasyon şekilleri nedeniyle homofermentatif ve heterofermantatif olmak üzere iki gruba ayrılırlar.
Çoğu laktik asit bakteri GRAS statüsünde kabul edilerek et, süt, meyve ve tahıl gibi gıdaların olgunlaşmasında kullanılmaktadır. Oluşturdukları antimikrobiyal maddeler nedeniyle de olgunlaşma dışında koruma yöntemi olarak da kullanılmaktadır. En yaygın olarak kullanılan gıda grubu ise süt ürünleridir. Kefir, yoğurt ve peynir farklı laktik asit bakterilerinin fermantasyonu sonucu oluşan ürünlerdir. Özellikle yapısal özellikleri laktik asit bakterilerinin ürettiği metabolitlerle gelişmektedir. Et ürünleri de laktik asit bakterisi kullanımının sıkça rastlandığı ürün gruplarıdır. Özellikle bu ürünlerin renk ve yapı stabilitesinin sağlanmasına katkıda bulunmaktadır. Şarap ise bu bakterilerin kullanıldığı önemli bir içecektir. Özellikle molalaktik fermantasyonu ile şarap kendi karakteristik özelliğini kazanmaktadır. Ürün kalitesini artırmak için de bazı taze meyve ve sebzede kullanılmaktadır. Bu sayede ürünün kalitesi artırılmaktadır. Ancak laktik asit fermantasyonunu etkileyen birçok faktör bulunmaktadır. Beslenme ortamındaki maddeler, pH, substrat engellenmesi ve sıcaklık en önemli faktörlerdendir.
Laktik asit bakterilerinin besinlere yarar sağlamasının dışında bazıları probiyotik olarak değerlendirilerek insanlara da yararlı birçok etkisi bulunmaktadır. Bağırsakta mikrobiyal dengenin sağlanması, sindirime yardımcı olması, sindirim sistemi için birçok fonksiyonel madde üretmesi, laktoz intoleransının semptomlarını azaltması ve bazı bağırsak hastalıklarının düzenlenmesi olumlu etkilerindendir. Ancak probiyotik olarak değerlendirilmesi için bazı ölçütler bulunmaktadır. Yaşıyor olması gerekliliği, GRAS statüsünde olması, bağırsağa kolayca adapte olabilmesi, mide ve safra tuzuna karşı toleranslı olması ve proteolitik aktivitesi bu ölçütlerdendir.
Laktik asit bakterileri gıdayı bozucu mikroorganizmaları veya gıda kaynaklı patojenleri engelleyici aktivite göstermektedir. Bu amaçla da birçok metabolit üretmektedirler. Organik asitler pH'ı düşürerek mikroorganizmaların çoğalmasını engelleyici özellik göstermektedirler. Laktik asit, asetik asit, propiyonik asit ve benzoik asit laktik asit bakterilerinin ürettiği organik asitlerdendir. Bakteriyosin
xx
hidrojen peroksit, karbondioksit, diasetil, etanol ve reuterin de benzer etkiyi gösteren diğer metabolitlerdir.
Laktik asit bakterileri metabolitleri dışında gıdanın yapısının iyileşmesini sağlayan ekzopolisakkaritleri (EPS) üretmektedir. EPS'ler bakteriyel hücre yüzeyinde kapsül şeklinde bulunan veya çevreye salgılanan hücre dışı polisakkaritlerdir. Yüzeye yapışabilen EPS c-EPS, çevreye salgılanan EPS ise r-EPS olarak isimlendirilmektedir. Laktik asit bakterileri de genel de ikisini de üretebilmektedirler. Viskozite artırıcı, yapı düzenleyici, su bağlayıcı, stabilite ve emülsifiye edici gibi özellikleri nedeniyle özellikle süt ürünlerinin kalitesini iyileştirmektedir. İnsan sağlığı üzerinde ise kolonileşmeye yardımcı olması ve sindirimi kolaylaştırması gibi olumlu etkileri bulunmaktadır.
Bu çalışmada bozadan elde edilen 11 suş, şekerli buğday suyu, şekerli ve şekersiz soya suyuna ekilerek hem şekerin hem de subsratın EPS üretimine etkisi incelenmiştir. Öncelikle buğday suyu ve soya suyu bileşenlerine bakılarak farkları belirlenmiştir. Daha sonra sayımı yapılan bakterilerin ekimi gerçekleştirilmiştir. DSC analizi ile de gıdada kullanılabilirlikleri belirlenmiştir.
Genel olarak şekerli soyada şekersiz soyaya göre EPS üretiminin fazla olduğu belirlenmiştir. Soya ve buğday suyu karşılaştırıldığında ise, soyada EPS üretiminin daha fazla olduğu belirlenmiştir. Bu da bileşenlerinin farklı olmasına özellikle soyada yağ oranının fazla olmasına bağlanmıştır. Soya ürünlerinde en fazla üretim Weisella confusa bakterisi tarafından gerçekleştirilmiştir. Ancak buğdayda en fazla EPS üretimi ise Streptococcus macedonicus tarafından gerçekleştirilmiştir. Bunun sebebi her mikroorganizmanın kendine özgü gelişme faktörlerinin olması ve ürün farklılıkları olabilmektedir.
DSC analizinde ise şekersiz ürünlerde üretilen EPS'nin daha dayanıklı olduğu görülmüştür. İlk ekzotermik pik kristallenme sıcaklığını vermektedir ancak bu çalışmada kristallenme sıcaklığına rastlanmamıştır. Endotermik pik ise erime sıcaklığını göstermektedir. Ayrıca önceki çalışmalarla karşılaştırılarak ürün bileşeni farkı ortaya konmuştur.
Ürünlerde EPS üretiminin geliştirilmesi veya dışarıdan EPS katılmasıyla ürünleri kalitesi iyileştirilmekte ve ürünler sağlık için daha yararlı olmaktadır. Bu nedenle endüstrinin bu aşamasına daha çok destek verilmeli ve araştırmalara devam edilerek en uygun koşullar belirlenmelidir. Bu sayede gıdalar tüketici için hem daha sağlıklı hem de daha güvenilir olmaktadır. Tüketicilere de daha cazip gelmektedir.

Abstract:
Lactic acid bacteria are microorganisms group that are used in fermantation
steps. The most important product of this bacteria that are gram pozitive, nonspore
forming and have prokaryote cell structure is lactic acid producted in
the end of fermantation. Lactic acid bacteria have rod or coccus shape.
Growth temperature of this bacteria that have heterotroph nourishment is
between 10 and 45°C. These are aerotolerant anaerob. And this group have
genus such as Lactobacillus, Carnobacterium, Leuconostoc, Oenococcus,
Streptococcus, Lactococcus, Enterococcus, Vagococcus, Pediococcus,
Aerococcus and Tetragenococcus. There are divided into two group
according to morphologic properties and type of fermantation:
homofermantative and heterofermantative.
Many lactic acid bacteria are used in developing of foods such as meat, milk,
fruit and cereal due to these are accepted in GRAS status. Because these
produce antimicrobial materials, these are used as preservative methods with
the exception developing. The most usage of lactic acid bacteria is dairy
products. Kefir, yoghurt and cheese are products that are occured by
fermantation. Especially, texture properties of these foods are developed with
metabolites that are produced by lactic acid bacteria. In yoghurt, diasetil and
acetaldehyde develop taste of this food. Lactic acid bacteria produce aromatic
compunds bu proteolitic and lipolytic activities during maturation of cheese.
Meat products are food groups in which lactic acid bacteria are used.
Especially, these lactic acid bacteria contribute color and textute stability of
foods. In meat products , during fermantation sensory properties of foods are
developen and pathogens are inhibited. Wine gains characteristics properties
by molalactic fermantation. To enhance product quality, these bacteria are
used in fresh fruit and vegetable. So, quality is increased. But, there many
factors that affect lactic acid fermantation. Technological factors are the most
important. Matters in medium, pH, substrat inhibition and temperature are
important factors.
Although lactic acid bacteria provide benefit to goods, these provide benefit
to people by evaluated as probiotic bacteria. Enabling balance in microbial,
helping digestion system, producing many functional materials, reducing
semptoms of lactose intoleranse and regulating some intestinal diseases are
positive effects. Antogonism means hostility to determine probiotic bacteria.
During fermantation lactic acid bacteria produce metabolites to inhibit
pathogens. Especially, this reduce pH and inhibition occur. But that this
metabolites effect other bacteri is determineted. So, before probiotics are
used, antogonistic effect must be searched. However, there are many crietion
xxii
to evaluate lactic acid bacteria as probiotic bacteria. Being alive, being in GRAS status, being adapted easily in intestine, be tolerance stomach and bile salt and proteolitic activiy are many crietions.
Lactic acid bacteria show inhibition activity against to spoilage micororganisms and food borne pathogens. So, for this aim, many metabolites are produced bu lactic acid bacteria. Organics acids show inhibition properties against to microorganisms bu reducing pH. Lactic acid, acetic acid, propionic acid and benzoic acid are organic acids produced by lactic acid bacteria.
Lactic acid are end product of fermantation. Especially, it occurs during yoghurt, olive and dairy products fermantation. Genus such as Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc ve Enterococcus can produce lactic acid. For each strain, lactic acid concentration become different. Also, effects of lactic acid, butric acid, propionic acid and acetic acid on other microorganisms are different. Bacteriocin, hidrogen peroxide, carbondioxide, diacetil, ethanol and reuterin are metabolites that show same inhibition properties. Bacteriocin is natural antimicrobial matters that can be secreted by lactic acid bacteria. Production of this metabolites produced by Streptococcus and Lactobacillus are the most common. This matters increase shelf life of foods, reduce risk of distribution of pathogens. Due to less process is applied to preserve foods, sensory properties and nutrition values can be preserved. These show tolerance top H and temperature. For foods, nicin is used as bacteriocin. These are active on gram negative micororganisms. These are used as packaging materials. In fresh fruit and vegetables, lactic acid bacteria produced nicin are used. But other preservatives can be used with bacteriocin. Hydrogen peroxide have killing effect on spores and vegetatif cells of micororganisms such as Staphylococcus aureus and Pseudomonaz spp. Carbondioxide affect meat quality by reducins respiratory of micororganisms. Diacetil is used with other antimicrobial matters to reduce activity.
Exception with metabolites, lactic acid bacteria produce exopolysaccharides that develop texture of foods. EPSs are extra cellular polysaccharides that are found in cell structure as capsule or are secreted to enviroment of bacteria. EPS adhering to surface is c-EPS and EPS secreted to enviroment is r-EPS. Lactic acid bacteria generally produce not only c-EPS bur also r-EPS. Due to properties such as increasing viscosity, regulating texture, water binding, stabilizing and emulsifying, EPS develops quality of dairy products. For human health, there are positive effects such as helping colonize and easing digestion system.
In this study, effect of both sugar and substrate were investigated by 11 isolates izolated by boza were inoculated in wheat water with sugar, soy water with sugar and soy water without sugar. Firstly, ingredients of wheat and soy water were determined. Then, counting of strain was done and inoculation is done.
Also differential scanning calorimetry analysis was done for determining availability of EPS in food industry. In DSC analysis, thermogram was get and comment is done according to peaks in this thermograms. According to peaks, for first low temperature, crystallization temperature was determined and for second high temperature, melting point of EPS is determined.
Generally, EPS production was determined higher in soy water with sugar than soy water withour sugar. EPS production was determined higher in soy water with sugar
xxiii
than wheat water with sugar. This situation was linked with different ingredients of soy water and wheat water.
In soy water samples, the most production number was occured by Weisella confusa. But, in wheat water samples, the most production number was occured by Streptococcus macedonicus. The reason for this was factors effecting growth of each bacteria and differences between soy water and wheat water properties.
According to differential scanning calorimetry analysis, EPS produced in sugar free soy was determined as more heat resistant than others. Generally, there was one peak in thermograms. But there were some two peaks in thermograms. So generally, crystallization is less determined for this EPS. Also results was compared with others study. So, some comments according to differences were done.
Quality of products is developed and products are more healthier by developing EPS production and adding EPS to products. So, more support is gave to this step of industry and the most suitable conditions are determined by continuing researches. So, foods are being more healthy for consumers and more safety.