Ultrases prosesinin vişne suyunda serbest radikal oluşumuna ve ürün kalite özelliklerine etkisi
The effect of ultrasound processing on free radical formation and product quality characteristics in sour cherry juice
Yazar: NURSENA AKTI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEMANUR YILDIZ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında konsantreden üretilen vişne suyu ve su ortamı model olarak alınarak ultrases (US) prosesinin serbest radikal oluşturma durumunun, konsantreden üretilen vişne suyunun işlenmesinde ultrases prosesinin optimizasyonunun, geleneksel termal işleme kıyasla kullanılabilme potansiyelinin ve meyve suyu kalite özelliklerinin belirlenmesinde görüntü işleme teknolojisinin entegrasyonunun incelenmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla, ultrasonikasyon işlemi süresince serbest radikal oluşumunun gözlemlenebilmesi için dolaylı bir yöntem geliştirmek üzere antioksidan özelliğe sahip glutatyon (GSH) ve oksidasyon reaksiyonuyla floresan özellik kazanan tereftalik asit (TFA) indikatör ajanlar olarak kullanılmış, hem su hem de konsantreden üretilen vişne suyu model ortam olarak alınarak deneyler gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, ultrasonikasyon işleminin konsantreden üretilen vişne suyunda kullanımı için optimizasyon yapılmış ve bu optimum koşullarda üretilen vişne suyunda kalite özellikleri değerlendirilmiştir. Fiziksel kalite özelliklerinden birisi olan renk parametrelerinin belirlenmesi için ayrıca görüntü işleme teknolojisinden faydalanılmıştır. 
Serbest radikal oluşumu öncelikli olarak su ortamında GSH kullanılarak çalışılmış ve ve iki farklı çapta prob (13 mm ve 19 mm) kullanılarak %60 ve %80 genlik koşullarında 30 dakika süresince uygulanan sonikasyon işlemindebelirli aralıklarla alınan örneklerde GSH'nin oksidasyon düzeyi HPLC ile ölçülmüştür. Ultrases işlem süresi arttıkça GSH'nin oluşan serbest radikallerle reaksiyona girdiği ve buna paralel olarak GSH konsantrasyonunun azaldığı ve okside glutatyon (GSSG) konsantrasyonunun arttığı gözlenmiştir. Bu aşamada 19 mm prob ile oluşan GSSG düzeyinin 13 mm proba göre yaklaşık 5 kat daha fazla olması sebebiyle serbest radikal oluşumunun daha fazla olduğu tahminlendiği için daha zorlu koşulları temsil etmesi adına 19 mm prob seçimi yapılarak diğer aşamalarda 19 mm çaplı prob ile devam edilmiştir. 
Konsantreden üretilen vişne suyunda biyoaktif bileşiklerin korunması için ultrases proses koşulları 19 mm prob kullanarak ve merkezi kompozit deneysel tasarımı esas alınarak optimize edilmiştir. Genlik (%60-100) ve sürenin (2-15 dk) bağımlı değişkenler olarak; toplam monomerik antosiyanin (TMA) ve toplam fenolik madde içeriğinin (TFM) ise cevap değişkeni olarak kullanıldığı deneysel tasarımla TMA (R2=0.8427) ve TFM (R2=0.8887) içeriklerini maksimize eden %67 genlik ve 7 dakika işlem süresi optimum US koşulları olarak belirlenmiştir. Bu optimum koşullarda hem serbest radikal oluşum durumu hem de ürün kalite özellikleri incelenmiştir. 
Optimum genlikte sonikasyon işleminin serbest radikal oluşturma potansiyeli yine dolaylı bir yöntemle ölçülmüş olup bu amaçla TFA'nın oksidasyonla floresan özellik kazanma durumundan faydalanılmıştır. Bu kapsamda ultrases prosesi %67 genlikte 30 dakika süresince sulu TFA çözeltisine (80 mM) uygulanmış ve akabinde floresan spektrofotometresiyle ölçümler alınmıştır. Zamana bağlı olarak alınan örneklerde sonikasyon süresi arttıkça TFA'nın floresans şiddetinin arttığı gözlemlenmiş, bu durum sonikasyon sırasında oluşan serbest radikallerle gerçekleşen oksidasyon reaksiyonu ile ilişkilendirilmiştir. Sulu ortama ilave olarak vişne suyu ortamına aynı şekilde TFA ve GSH ilavesinin yapılması ve optimum genlikte (%67) 30 dakika sonikasyon işleminin yapılmasıyla model meyve suyu ortamında floresans özellikleri incelenmiş; ancak vişne suyunda önemli farklılıklar gözlemlenmemiştir. GSH ilaveli meyve suyunda yapılan LC-MS taramasında ise okside glutatyon (GSSG) tespit edilememiştir. Vişne suyunda TFA ve GSH indikatörleri için önemli bir oksidasyon sürecinin gözlemlenmemesi vişne suyunun suya göre daha kompleks yapıda olması ve yüksek antioksidan içeriği dolayısıyla serbest radikallerin indikatörler yerine bu bileşenlerle çok hızlı bir etkileşime girebilme durumuyla ilişkilendirilmiştir.
Son kısımda ise optimum koşullardaki US işleminin (19 mm prob, %67 genlik, 7 dk) vişne suyunun fizikokimyasal kalite özellikleri ile biyoaktif bileşen içerikleri üzerine olan etkisi incelenmiş ve geleneksel termal işlem (90 °C, 1 dakika) ile kıyaslanmıştır. pH, suda çözünür madde içeriği ve titrasyon asitliği gibi özellikler açısından örnekler arasında önemli bir farklılık gözlemlenmemiştir (p>0,05). TMA ise işlenmemiş vişne suyu (kontrol) için 158,93 mg/L düzeyindeyken  termal işlemle (154,39 mg/L) US prosesine (160,57 mg/L) kıyasla istatistiksel olarak önemli ölçüde azalmıştır (p<0,05). TFM ise kontrol meyve suyunda  417,89 mg/100 mL olarak belirlenmiş olup hem US (384,86 mg/100 mL) hem de termal işlemle (379,65 mg/100 mL) önemli ölçüde azalırken antioksidan aktivite, işlemden bağımsız olarak stabil kalmıştır. Renk özelliklerinin belirlenmesi için kolorimetrik ölçümün yanısıra yenilikçi bir teknoloji olan görüntü işleme teknolojisi kullanılarak MATLAB yardımıyla vişne suyunun renk değerlerinin ölçümü sağlanmış, gıda kalite analizleri açısından uygulanabilirliği incelenmiştir. Her iki yöntem de L* değerinin tüm örneklerde aynı olduğunu; a* ve b* değerlerinin ise ultrases işlemi boyunca korunduğu, ancak termal işlemin kontrole kıyasla anlamlı bir fark oluşturduğu sonucunu ortaya koymuştur (p<0,05). Bu anlamda uygulanan kolorimetrik yöntem ile görüntü işleme yönteminin çıkarımları birbiriyle uyumlu olmakla birlikte kolorimetrik olarak ölçülen renk parametreleri ile görüntü işleme ile tahminlenen renk parametreleri kıyaslandığında iki yöntemin belirlediği değerler arasında farklılıklar oluşabildiği görülmüştür. 
Elde edilen veriler, ultrases prosesinin ürüne spesifik olarak optimize edilmesi durumunda, ısıl işlemin kalite özellikleri üzerindeki olumsuz etkilerini minimize ederek, vişne suyunun antosiyanin içeriğini ve antioksidan kapasitesini koruyarak işlenmesine olanak sağladığını göstermiştir. Ultrases prosesi serbest radikal oluşturma konusunda bazı endişeler yaratsa da vişne suyunda bulunan güçlü antioksidanlar bu radikalleri etkisiz hale getirmekte ve geleneksel termal pastörizasyona kıyasla fenolik bileşik içeriğinde önemli bir kayba neden olmamaktadır. Ayrıca, sınıflandırma, kusur tespiti, mikrobiyal analiz, renk analizi gibi birçok alanda kullanım alanı giderek artan ve gıda endüstrisi için büyük potansiyel taşıyan görüntü işleme teknolojisinin, henüz kullanım durumu az olan meyve suyu endüstrisine entegrasyonu ve gıda kalitesinin değerlendirilmesi açısından umut verici sonuçlar elde edilmiştir.

Abstract:
This thesis aims to investigate the potential of the ultrasound (US) process in generating free radicals, the optimization of the ultrasound process in processing sour cherry juice produced from concentrate, its potential use compared to conventional thermal processing, and the integration of image processing technology in determining the quality characteristics of fruit juice, using sour cherry juice produced from concentrate and a water environment as a model. Acoustic cavitation generated by ultrasound process in a liquid medium can cause the formation of radicals, including OH• and H• radicals, which can initiate radical chain reactions. Therefore, experiments were conducted using both water and sour cherry juice produced from concentrate as model environments, with glutathione (GSH), which has antioxidant properties, and terephthalic acid (TFA), which gains fluorescent properties through oxidation reactions, used as indicator agents to develop an indirect method for observing free radical formation during the ultrasonication process. Additionally, the ultrasonication process was optimized for its use in sour cherry juice produced from concentrate, and the quality characteristics of the juice produced under these optimal conditions were evaluated. Image processing technology was also utilized to determine color parameters, which are among the physical quality characteristics.
Free radical formation was primarily studied in a water environment using GSH, and the oxidation level of GSH was measured by HPLC in samples taken at specific intervals during a 30-minute sonication process, applied with two different probe diameters (13 mm and 19 mm) under 60% and 80% amplitude conditions. It was observed that as the ultrasonication time increased, GSH reacted with the generated free radicals, leading to a decrease in GSH concentration and an increase in oxidized glutathione (GSSG) concentration. At this stage, since the GSSG level generated with the 19 mm probe was approximately 5 times higher than that with the 13 mm probe, indicating a higher level of free radical formation, the 19 mm probe was selected to represent more challenging conditions, and the subsequent stages continued with the 19 mm probe.
The ultrasound process conditions for preserving bioactive compounds in sour cherry juice produced from concentrate were optimized using a 19 mm probe and based on a central composite experimental design. Amplitude (60%-100%) and duration (2-15 minutes) were used as independent variables, while total monomeric anthocyanin (TMA) and total phenolic content (TFM) were used as response variables. According to the experimental design, the optimal ultrasound conditions that maximized TMA (R²=0.8427) and TFM (R²=0.8887) content were determined to be 67% amplitude and 7 minutes of processing time. Under these optimal conditions, both free radical formation and product quality characteristics were examined. 
The free radical generation potential of the sonication process at optimal amplitude was measured using an indirect method, taking advantage of TFA's ability to acquire fluorescent properties through oxidation. In this context, the ultrasound process was applied to an aqueous TFA solution (80 mM) at 67% amplitude for 30 minutes, followed by measurements using a fluorescence spectrophotometer. In samples taken over time, it was observed that as the sonication duration increased, the fluorescence intensity of TFA also increased, which was associated with oxidation reactions occurring due to the free radicals generated during sonication. In addition to the aqueous solution, TFA and GSH were added to a sour cherry juice environment in the same manner, and the model fruit juice environment was subjected to sonication at 67% amplitude for 30 minutes, during which fluorescence properties were examined; however, no significant differences were observed in the sour cherry juice. Furthermore, in the LC-MS scan of the fruit juice with added GSH, no oxidized glutathione (GSSG) was detected. The lack of a significant oxidation process for the TFA and GSH indicators in sour cherry juice was attributed to the juice's more complex structure compared to water and its high antioxidant content, which likely caused the free radicals to rapidly interact with these components rather than with the indicators.
In the final part, the effects of the ultrasound (US) process under optimal conditions (19 mm probe, 67% amplitude, 7 minutes) on the physicochemical quality characteristics and bioactive compound contents of sour cherry juice were examined and compared to conventional thermal processing (90°C, 1 minute). No significant differences (p>0.05) were observed between the samples in terms of pH, soluble solids content, and titratable acidity. The total monomeric anthocyanin (TMA) content in unprocessed sour cherry juice (control) was 158.93 mg/L, while it significantly decreased with thermal processing (154.39 mg/L) compared to the US process (160.57 mg/L) (p<0.05). The total phenolic content (TFM) in the control juice was 417.89 mg/100 mL, and it significantly decreased with both US (384.86 mg/100 mL) and thermal processing (379.65 mg/100 mL), while antioxidant activity remained stable regardless of the treatment. In addition to colorimetric measurements for determining color properties, an innovative technology, image processing using MATLAB, was employed to measure the color values of sour cherry juice, and its applicability to food quality analysis was evaluated. Both methods revealed that the L* value remained the same across all samples, while the a* and b* values were preserved during the ultrasound process but showed significant differences compared to the control after thermal processing (p<0.05). Although the conclusions from the colorimetric method and image processing method were consistent, it was observed that differences could arise between the values determined by the two methods when comparing the color parameters measured colorimetrically to those predicted by image processing.
The obtained data demonstrate that, when the ultrasound process is specifically optimized for the product, it allows the processing of sour cherry juice by preserving its anthocyanin content and antioxidant capacity, while minimizing the negative effects of thermal processing on quality characteristics. Although the ultrasound process raises some concerns regarding the formation of free radicals, the strong antioxidants present in sour cherry juice neutralize these radicals, preventing significant losses in phenolic content compared to conventional thermal pasteurization. Additionally, promising results have been obtained regarding the integration of image processing technology—which is increasingly used in areas such as classification, defect detection, microbial analysis, and color analysis, and holds great potential for the food industry—into the fruit juice industry, where its use is still limited, for the evaluation of food quality.