UV-C ışık ve bazı bitkisel materyallerin in vitrokoşullar ve model gıda sistemlerinde antimikrobiyal,antibiyofilm ve antiquorum sensing (yeterli çoğunluğualgılama sisteminin inhibisyonu) aktivitelerininaraştırılması ve UV-C uygulamalarının bitkiselmateryaller ile kombine olarak kullanımının yanıtyüzey metodolojisi ile optimizasyonu
Investigation of antimicrobial, antibiofilm andantiquorum sensing activities of UV-C light andsome plant-derived materials under in vitroconditions and model food systems and optimizationof combined treatments of UV-C light and plantderivedmaterials by response surface methodology
Yazar: AYÇA KORKMAZ VURMAZ
Danışman: PROF. DR. GÜLTEN GÜNDÜZ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering ; Mikrobiyoloji = Microbiology
Dizin: Antimikrobiyal aktivite = Antimicrobial activity ; Süreç optimizasyonu = Process optimization

Özet:
Bu çalışmada, hiren, sarı kantaron, dağ çileği ekstraktları, hidrosolleri ve esansiyel yağlarının antimikrobiyal, antibiyofilm ve antiquorum sensing (anti-QS) özelliklerinin test edilmesi ile yenilebilir kaplamada kullanılabilme potansiyelinin belirlenmesi, çift taraflı UV-C cihazı kullanılarak UV-C uygulamasının etkinliğinin tespiti ve bu iki uygulamanın model gıdalarda kombine olarak kullanım koşullarının optimize edilerek ürünlerin güvenirliğinin sağlanması amaçlanmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında dağ çileği çiçeği, yaprağı; sarı kantaron ve hiren ekstraktlarının yüksek anti-QS aktivitesine sahip olduğu belirlenmiştir. Çalışma kapsamında çözgen olarak metanolün kullanıldığı ekstraktların daha etkili anti-QS aktivite gösterdiği, dolayısıyla sinyal üretimi üzerinde etkili bileşenler içerdiği tespit edilmiştir. Dağ çileği yaprağı metanol ekstraktının minimum inhibisyon konsantrasyonunda (MİK) kullanıldığında %90.53 oranında viyolasin inhibisyonu sağladığı belirlenmiştir. Ekstraktın anti-QS aktivite üzerinde etkili bileşenler içerdiği, biyofilm inhibisyonu için araştırılan test kültürlerinin tümünde >%70 biyofilm inhibisyonu sağlaması ile desteklenmiştir. Ayrıca MİK ve MİK/2 konsantrasyonlarda ekstraktın test kültürleri tarafından üretilen ekzopolisakkarit miktarını azalttığı tespit edilmiştir. Bitkisel materyalin etken madde içeriğini arttırmak amacıyla Box-Behnken yöntemi kullanılarak ultrasonik destekli ekstraksiyon işlem koşulları (%100 metanol, 57°C, 18 dk) optimize edilmiştir. Optimize edilmiş ekstraktın DPPH radikalini giderme oranı %94.92 olarak belirlenirken, toplam fenolik madde miktarı 163.86 mg GAE/g olarak bulunmuştur. Kimyasal kompozisyon sonuçları incelendiğinde dağ çileği yaprağı metanol ekstraktının kaempferol, mirisetin, kuersetin, rutin gibi bileşenlerin yanı sıra daha önce literatürde rapor edilmemiş olan florizin, rezerpin ve herbasetin bileşenlerini içerdiği ilk kez tespit edilmiştir. Ayrıca WST analiz sonuçları incelendiğinde IC50 değeri 12.04 mg/mL olarak bulunmuş olup, ekstraktın sitotoksik etki göstermediği belirlenmiştir. Ekstrakt uygulaması ile viyolasin inhibisyonunda en yüksek %90.53-91.86 aralığında azalma sağlanırken, UV-C ışık uygulaması (0.12 kJ/m2) ile %80.54-93.34 aralığında viyolasin inhibisyonu sağlanmıştır. Bunun yanı sıra ekstrakt uygulaması ile en yüksek biyofilm inhibisyonu %87.62 olarak belirlenirken, 0.25 kJ/m2 dozda UV-C ışık uygulaması ile %97.92-100 arasında değişen oranlarda yüksek biyofilm inhibisyonu sağlandığı bulunmuştur. Çalışmada model gıda olarak seçilen domates örneklerinin yüzey morfolojisi nedeniyle örneklere inokule edilen Salmonella Typhimurium ve Listeria monocytogenes üzerinde UV-C ışık uygulamasının çilek örneklerinden daha etkili olduğu tespit edilmiştir. Benzer şekilde depolama süresince domates örneklerinin doğal mikroflorası üzerinde UV-C ışığın daha düşük doz uygulamasına rağmen çilek örneklerinden daha etkili olduğu belirlenmiştir. Model gıdalara inoküle edilen S. Typhimurium ve L. monocytogenes test kültürlerinin farklı UV-C ışık doz uygulamalarında sergilediği mikrobiyal inaktivasyon kinetikleri sırasıyla en iyi Geeraerd Tail ve Weibull modelleri ile uyum sağlamıştır. Ayrıca UV-C ışığa daha dirençli olduğu tespit edilen L. monocytogenes inoküle edilen örneklerde, hasar almış hücrelerin görünür ışık altında DNA hasarını onarabilme kapasitesine sahip olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle UV-C ışık uygulamasının ardından örneklerin buzdolabı koşullarında karanlıkta depolanması gerektiği vurgulanmıştır. Çalışmanın son aşamasında UV-C ışık uygulamalarının ekstrakt ilave edilen yenilebilir kaplamalar ile kombine olarak kullanımı Merkezi Bütünleşik Dizayn Tasarımı yöntemiyle optimize edilmiştir. Elde edilen optimum koşullarda (9.06 kJ/m2 UV-C ışık uygulaması ve 13.5 mg/mL bitkisel materyal içeren kaplama) işlem uygulanmış çileklerin depolama süresince (4ºC'de 13 gün) mikrobiyolojik, fizikokimyasal ve duyusal değişimleri incelenmiştir. Depolama süresince S. Typhimurium ve L. monocytogenes sayılarında 0.51-1.77 log aralığında azalma sağlanmıştır. Toplam mezofilik aerobik bakteri, psikrofilik bakteri, küf ve maya sayılarında ise sırasıyla 0.50-0.76, 0.23-0.49 ve 0.69-0.81 log azalma sağlanmıştır. Çalışma sonucunda depolama süresince UV-C ışık uygulamaları sonrasında ekstrakt ilave edilen yenilebilir film ile kaplanan çilek örneklerinin kontrol ile kıyaslandığında toplam fenolik madde miktarının (38.83 mg GAE/100 g) ve DPPH radikalini inhibe etme oranının (%98.72) daha yüksek olduğu tespit edilmiştir (p<0.05). Depolamanın 10. gününde tek başına UV-C ışık uygulamaları ile kıyaslandığında kombine uygulamalar sayesinde çilek örneklerinde bozulma sıklığının %37.50'ye düştüğü belirlenmiştir. Depolamanın 13. gününe kadar çilek örneklerinin duyusal açıdan kabul edilebilir organoleptik özelliklere sahip olduğu bulunmuştur. Bu tez çalışması sonucunda, dağ çileği yaprağı metanol ekstraktının yüksek antimikrobiyal, antibiyofilm ve anti-QS aktivitelerine sahip olduğu ve bu özellikleri nedeniyle gıda güvenliği ve kalitesinin sağlanmasında kullanılma potansiyeli taşıdığı belirlenmiştir. UV-C ışık uygulaması ve dağ çileği yaprağı ekstraktının birlikte kullanımının gıda güvenliğinin sağlanması ve ürün kalitesinin korunması için etkili bir yöntem olarak değerlendirilebileceği tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, it was aimed to investigate the antimicrobial, antibiofilm, and antiquorum sensing (anti-QS) activities of extracts, hydrosols and essential oils of horseradish, St. John's wort and strawberry tree  as well as their potential use as edible coating material, to assess the effectiveness of UV-C application using the double-sided UV-C light device, and to ensure the safety of the products by optimizing the conditions for the combined use of these treatments in model foods. The first stage of the study showed that horseradish, St. John's wort, strawberry tree flower and leaf extracts displayed the highest anti-QS activity among the test materials. The results indicated that the methanolic extracts exhibited more potent anti-QS activity, suggesting that they contained components effective in modulating signal production mechanisms. The methanol extract of strawberry tree leaves provided 90.53% inhibition of violacein pigment production at the minimum inhibitory concentration (MIC). The extract was found to contain components that were effective in inhibiting quorum sensing activity, as supported by its ability to provide inhibition rates greater than 70% against biofilm formation in all test cultures examined. Moreover, it was detected that the exopolysaccharide production of the test cultures were significantly reduced when applied at both MIC and MIC/2 concentrations. In addition, the ultrasonic-assisted extraction process conditions were optimized (100% methanol, 57°C, 18 minutes) by using the Box-Behnken method to increase the active ingredient content of the plant material. The DPPH radical inhibition rate and the amount of total phenolic compounds of the optimized extract were determined as 94.92% and 163.86 mg GAE/g, respectively. Analysis of the chemical composition showed that the strawberry tree leaf methanol extract contained kaempferol, myricetin, quercetin and rutin as well as previously unreported components, including phlorizin, reserpine, and herbacetin. In addition, the WST analysis results revealed an IC50 value of 12.04 mg/mL which showed that the extract did not exhibit cytotoxic activity. The highest inhibition of violacein production was observed with a range of 90.53-91.86% with the application of the extract, whereas the use of UV-C light resulted in violacein inhibitions ranging between 80.54-93.34%. In addition, while the highest biofilm inhibition was determined to be 87.62% with extract application, UV-C light treatment at a dose of 0.25 kJ/m2 displayed high biofilm inhibition of 97.92-100%. This study showed that due to tomatoes' surface morphology, UV-C light treatment was more effective in reducing Salmonella Typhimurium and Listeria monocytogenes in tomato samples compared to strawberry samples.  Similarly, despite the treatment of a lower dose of UV-C light on tomato samples, the effect of UV-C light on the natural microflora of tomatoes during storage was found to be more pronounced than the effect on strawberry samples. The microbial inactivation kinetics of S. Typhimurium and L. monocytogenes test cultures inoculated into model foods at different UV-C light dose treatments were best described by Geeraerd Tail and Weibull models, respectively. Additionally, the study revealed that L. monocytogenes, which exhibited greater resistance to UV-C light, could repair DNA damage when exposed to visible light in the inoculated samples. Hence, it was recommended to store the samples in a dark, refrigerated environment following the UV-C light application. In the final stage of the study, the process parameters of edible coating containing plant material applications in combination with UV-C light were optimized by the Central Composite Design method. The effects of the optimal conditions (9.06 kJ/m² UV-C light treatment and 13.5 mg/mL plant material in the edible coating) on strawberry quality were assessed through microbiological, physicochemical, and sensory evaluations during storage (4°C for 13 days). During storage, 0.51-1.77 log reduction was obtained on S. Typhimurium and L. monocytogenes test cultures inoculated into strawberry samples. The total mesophilic aerobic bacteria, psychrophilic bacteria, and mold and yeast counts in samples decreased by 0.50-0.76, 0.23-0.49 and 0.69-0.81 log, respectively. As a result of the study, it was found that the total phenolic content (38.83 mg GAE/100 g) and the DPPH radical inhibition (98.72%) were higher in strawberry samples coated with an edible film containing the extract, which had been applied after UV-C light treatment, compared to the control during the storage period (p<0.05). On the 10th day of storage, the combined UV-C treatment was found to significantly reduce the spoilage rate of strawberry samples to 37.5% compared to UV-C light applications alone. It was determined that strawberry samples retained acceptable organoleptic properties in sensory evaluations throughout the 13-day storage period. The findings of this study indicate that strawberry tree leaf methanol extract, which exhibits potent antimicrobial, antibiofilm, and anti-quorum sensing properties, may have the potential to enhance food safety and quality. The combined treatment of UV-C and strawberry tree leaf methanol extract is an effective method that can be successfully utilized for enhancing food safety and maintaining product quality.