Karaçam ve kızılçam ağaç kabuğu ekstrelerinin biyoaktif niteliklerinin belirlenmesi ve model gıda uygulamaları
Determination of bioactive properties of black and red pine bark extracts and model food applications
Yazar: KÜBRA FEYZA EROL
Danışman: DOÇ. DR. FATİH TÖRNÜK ; PROF. DR. MUSTAFA GÜZEL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Karaçam (Pinus nigra Arn.) ve kızılçam (Pinus brutia Ten.) ağaçları, dünyada ve Türkiye'de geniş bir coğrafi dağılıma sahiptir. Atık olarak değerlendirilen ya da düşük katma değerli ürünlere dönüştürülebilen karaçam ve kızılçam ağaçlarının kabukları, sağlık açısından olumlu etkilere sahip bileşenlere sahip olmasına rağmen, bu bileşenlerin gıda teknolojisinde kullanımına dair çok az veri bulunmaktadır. Yapılan çalışmalarda, çam ağaç kabuk ekstrelerinin kandaki şeker seviyesini düzenleyici ve α-amilaz ile α-glukosidaz enzimlerini inhibe edici etkiye sahip olduğu bildirilmiştir. 
Bu çalışmanın amacı, Türkiye'de yaygın olarak bulunan iğne yapraklı karaçam kızılçam ağaçlarından odun kısmı ayrıldıktan sonra, atık olarak kalan kabuklardan fenolik bileşenlerin ekstrakte edilmesi ve elde edilen ekstrelerin gıda endüstrisinde kullanım olanaklarının araştırılmasıdır. Bu amaçla ultrason destekli ekstraksiyon yöntemi kullanılmıştır. Ekstraksiyon koşullarının optimizasyon çalışmasında 3 faktörlü [(ekstraksiyon sıcaklığı (X1, 20-40 °C), ekstraksiyon süresi (X2, 3-9 dk) ve ultrasonik güç (X3, 50-150 W)] ve 3 seviyeli yanıt yüzey metodolojisi (YYM) kullanılmıştır. Yanıt olarak verime bağlı şekilde tespit edilecek olan toplam fenolik madde içeriği (TFM), toplam kondense tanen (TKT) içeriği, ABTS ve FRAP belirlenmiştir. Ekstraksiyon koşulları optimize edilen karaçam ve kızılçam ağaç kabuk ekstrelerinin LC/MSMS ile fenolik bileşenleri, mineral içeriği, in vitro andiyabetik (α-glukozidaz ve α-amilaz), antimikrobiyal, antikanser, asetilkolinesteraz (AChE) ve butirilkolinesteraz (BChE) enzim inhibisyon aktiviteleri analiz edilmiştir. 
Çalışmanın ikinci aşamasında, fitokimyasal ve in vitro biyolojik içerikleri belirlenen ağaç kabuk ekstreleri, beyaz ekmek ve makarna formülasyonuna farklı oranlarda (%0-0,25-0,50-1,00) ilave edilmiş ve ürünlerin antioksidan aktiviteleri, mineral içerikleri ve glisemik indeksi düşürücü etkileri tespit edilmiş, ardından in vitro sindirim modeli ile fenoliklerin biyoerişilebilirlikleri araştırılmıştır.
Karaçam ve kızılçam ağaç kabuk ekstrelerinin ultrason destekli ekstraksiyonunda maksimum ekstraksiyon verim parametreleri sırasıyla; 7dk, ~34°C, ~100W ultrasonik güç ve 6 dk ~40°C, ~150 W ultrasonik güç olarak belirlenmiştir. Karaçam ağaç kabuk ekstresinin, kızılçam ağaç kabuk ekstresine göre daha yüksek fenolik içeriğe ve antioksidan kapasiteye sahip olduğu tespit edilmiştir. Karaçam ve kızılçam ağaç kabuk ekstreleri, Tip II diyabet tedavisinde kullanılan akarboza karşı daha iyi bir antidiyabetik aktivite göstermiştir. Karaçam ve kızılçam ağaç kabuk ekstrelerinin MIA PaCa-2 hücrelerine karşı antikanser aktivitesi, Caco-2 hücrelerine göre daha yüksek çıkarken, pozitif kontrol olan sağlıklı insan böbrek epitel HEK293 hücre hattında düşük sitotoksik etki görülmüştür. 
Fonksiyonel gıda denemelerine bakıldığında, karaçam ağaç kabuk ekstresi ile zenginleştirilmiş ekmek ve kızılçam ağaç kabuk ekstresi ile zenginleştirilmiş makarna numuneleri fenolik madde, antioksidan ve mineral madde açısından zenginleştirilirken, kontrol numunelere göre daha düşük glisemik indeks göstermiştir. 
Bulgular karaçam ve kızılçam ağaç kabuk ekstrelerinin antimikrobiyal, antikanser, alzheimer hastalığı ve diabetes mellitus tedavisinde, gıda takviyelerinin ve fonksiyonel gıdaların geliştirilmesinde kullanılabilecek potansiyel bir kaynak olabileceğini göstermiştir. Bu anlamda; günlük tüketim alışkanlığına sahip olduğumuz gıdaların (ekmek ve makarna) Tip II diyabet riskini azaltma özelliğine sahip fonksiyonel gıda katkı maddeleri (karaçam ve kızılçam ağaç kabuk ekstreleri) ile zenginleştirilmesi; (i) hastalık riskinin azaltılmasında yardımcı olmakla birlikte, mineralce ve fenolikce zenginleştirilmesine, (ii) ülke ekonomisi açısından katma değeri yüksek yeni ürünler elde edilmesine, (iii) T.C. Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı tarafından organize edilen "Sıfır Atık" yaklaşımının desteklenmesine, (iv) israfın önlenmesi ve kaynakların daha verimli kullanılmasına da imkân sağlayacaktır.

Anahtar Kelimeler: Karaçam ve kızılçam ağaç kabukları, antidiyabetik, sıfır atık, atık değerlendirme, fonksiyonel gıda katkı

Abstract:
Black pine (Pinus nigra Arn.) and red pine (Pinus brutia Ten.) trees have a wide geographical distribution in the world and in Turkey. Although the bark of blackand red pine trees, which are evaluated as waste or can be converted into low value-added products, have components with positive health effects, there is little data on the use of these components in food technology. In studies, it has been reported that pine bark extracts have a regulating effect on blood sugar level and inhibiting α-amylase and α-glucosidase enzymes.
The aim of this study is to extract the phenolic compounds from the bark remaining as waste after the wood part is separated from the coniferous black and red pine trees, which are common in Turkey, and to investigate the possibilities of using the obtained extracts in the food industry. For this purpose, ultrasound assisted extraction method was used. 3-factor [(extraction temperature (X1, 20-40 °C), extraction time (X2, 3-9 min) and ultrasonic power (X3, 50-150 W)] and 3-level response surface methodology (YYM) in optimization study of extraction conditions) were used in response to the total phenolic content (TFM), total condensed tannin (TKT) content, ABTS and FRAP to be determined depending on the yield. 
Content, in vitro andiabetic (α-glucosidase and α-amylase), antimicrobial, anticancer, acetylcholinesterase (AChE) and butyrylcholinesterase (BChE) enzyme inhibition activities were analyzed.
In the second stage of the study, tree bark extracts, whose phytochemical and in vitro biological contents were determined, were added to the white bread and pasta formulation at different rates (0-0.25-0.50-1.00) and the antioxidant activities, mineral contents and glycemic index of the products were determined. Lowering effects were determined, and then the bioaccessibility of phenolics was investigated with an in vitro digestion model.
Maximum extraction efficiency parameters in ultrasound assisted extraction of black and red pine bark extracts are respectively; 7 min, ~34°C, ~100W ultrasonic power and 6 min ~40°C, ~150 W ultrasonic power. It has been determined that black bark extract has higher phenolic content and antioxidant capacity than red pine bark extract. 
Black and red pine bark extracts showed better antidiabetic activity against acarbose used in the treatment of Type II diabetes. Anticancer activity of black and red pine bark extracts against MIA PaCa-2 cells was higher than Caco-2 cells, while low cytotoxic effect was observed in healthy human kidney epithelial HEK293 cell line, which is the positive control.
When functional food trials were examined, bread samples enriched with black bark extract and pasta samples enriched with red pine bark extract were enriched in terms of phenolic substance, antioxidant and mineral substance, but showed a lower glycemic index than the control samples.
The findings showed that black and red pine bark extracts could be a potential source for antimicrobial, anticancer, Alzheimer's disease and diabetes mellitus treatment, development of nutritional supplements and functional foods. In this sense; enriching the foods (bread and pasta) that we have daily consumption habits with functional food additives (black and red pine tree bark extracts) that have the feature of reducing the risk of Type II diabetes; (i) enrichment with minerals and phenolics, while helping to reduce the risk of disease, (ii) obtaining new products with high added value in terms of the national economy, (iii) T.C. It will also enable to support the "Zero Waste" approach organized by the Ministry of Environment, Urbanization and Climate Change, (iv) to prevent waste and to use resources more efficiently.

Keywords: Black and red pine bark, antidiabetic, zero waste, waste recycling, functional food additive