Peynir altı suyundan elde edilen laktozun enzimatik hidrolizinin incelenmesi ve modellenmesi
The investigation and modelling of enzymatic hydrolysis of lactose recovered from whey
Yazar: ELÇİN DEMİRHAN
Danışman: PROF. DR. BELMA KIN ÖZBEK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Laktoz, süt ve süt ürünlerinde (peynir altı suyu vb.) bulunan bir karbonhidrattır. Laktoz kendihidroliz ürünleri olan glikoz ve galaktoza kıyasla daha az tatlılıga ve çözünürlüge sahiptir.Ayrıca, higroskopik bir seker olması nedeniyle aroma ve kokuları adsorblamaya yatkındır.Bunlara ek olarak, birçok kisi, vücudundaki beta-galaktozidaz enziminin eksikligi ya dainaktifligi nedeniyle laktozu sindirememektedir. Bu nedenle, tükettikleri besinler laktoziçeriyorsa gaz, agrı, ishal gibi saglık sorunları yasamaktadırlar. Laktoz hidrolizi, dondurma vediger süt ürünlerinin üretim proseslerinin gelistirilmesi ile yeni gıda katkılarının eldeedilmesini, enerji maliyetlerinin düsmesini ve laktozun kristalli yapısından kaynaklanankumsu dokunun engellenmesini saglaması açısından oldukça önemlidir. Laktozunhidrolizlenmesinde asidik ve enzimatik olmak üzere iki yöntem kullanılmaktadır. Enzimatikhidrolizde beta-galaktozidaz enzimi kullanılır. Bu enzim dogada; mikroorganizmalarda,bitkisel ve hayvansal yapılarda bulunmaktadır.Bu çalısmada, peynir altı suyundan elde edilen laktoz Kluyveromyces marxianus kaynaklıbeta-galaktozidaz ile hidroliz islemine tabi tutulmustur. Laktoz hidrolizi deneyleri 250 ml 25mM fosfat tampon çözeltisi içerisinde önce Gallenkamp marka modüler biyoreaktörde, dahasonra Bandelin Sonopuls marka sonikatörde gerçeklestirilmistir. Biyoreaktörde; zamanakarsılık laktoz konsantrasyonu (g/L), hidroliz derecesi (%) ve enzim aktivitesi (%)degerlerinin, biyoreaktörde; baslangıç laktoz konsantrasyonu, enzim konsantrasyonu, sıcaklık,pH, karıstırıcı hızı, viskozite, hidrolizat miktarı, glikoz konsantrasyonu, galaktozkonsantrasyonu ve çesitli iyon (Mg2+, Mn2+ ve Ca2+) konsantrasyonları ile degisimleri,sonikatörde; ise akustik güç, % frekans aralıgı ve reaksiyon hacmi ile degisimleriincelenmistir. Ayrıca, laktoz konsantrasyonu ve % enzim aktivite degerlerine ait elde edilendeneysel veriler kullanılarak ilgili matematiksel modeller kurulmustur. Yapılan deneylersonucunda, hidroliz derecesinin ve enzim aktivitesinin, incelenen her bir parametre içinfarklılık gösterdigi tespit edilmistir.Anahtar Kelimeler: Laktoz hidrolizi, Beta-Galaktozidaz, biyoreaktör, sonikatör, modelleme,proses degiskenleri

Abstract:
Lactose is the dominant carbohyrate in milk and dairy products (such as whey). Lactose is asugar with low sweetness and low solubility when compared to the products of its hydrolysis(glucose and galactose) and being a hygroscopic sugar has a strong tendency to adsorbflavours and odours. Moreover, due to a lack or inactivity of the intestinal beta-galactosidaseenzyme, a large number of people do not digest lactose properly. Therefore, they suffer fromintestinal dysfunctions such as; gas, abdominal pain and diarrhea if their diet contains lactose.These people should consume products without lactose ingredient. The hydrolysis of thissugar is very attractive towards the improvement of processes for the production ofrefrigerated dairy products (such as, ice cream). It would also be very interesting for thedevelopment of additives for animal and human alimentation, reducing costs in energy andavoidance of the sandy texture due to the crystals of lactose. Hydrolysis of lactose can beperformed either by acids or by enzymatic treatment. The enzymatic hydrolysis of lactose iscarried out by beta-galactosidases, enzymes that are widely distributed in nature; appearing inmicro-organisms, plants and animal tissues.In the present study, lactose recovered from whey is hydrolyzed with beta-galactosidaseenzyme which is produced from Kluyveromyces marxianus. Both the Gallenkamp ModularBioreactor System and Bandelin Sonopuls Sonicator were used for the lactose hydrolysisexperiments. The hydrolysis reactions were carried out in 250 ml of 25 mM phosphate buffersolution. In the modular bioreactor system, the amount of lactose concentration (g/L), thedegrees of lactose hydrolysis (%) and enzyme activity (%) against time were investigatedversus initial lactose concentration, enzyme concentration, temperature, pH, impeller speed,viscosity, amount of hydrolysate added, glucose concentration, galactose concentration anddifferent ion (Mg2+, Mn2+ and Ca2+) concentration;in the sonicator those values wereinvestigated versus acoustic power, duty cycle and reaction volume. Beside of this; themathematical models, which represent the residual lactose concentration and residual enzymeactivity, depending on the operating conditions were also derived by using the experimentaldata. An evaluation of the experimental data showed that hydrolysis degree of lactose andresidual beta-galactosidase activity were different for each set of the conditions applied.Keywords: Lactose hydrolysis, beta-galactosidase, bioreactor, sonicator, modelling, processvariables