Ultrason destekli ekstraksiyon ile yer elmasından inülin üretimi
Inulin production from jerusalem artichoke by ultrasound-assisted extraction
Yazar: BÜŞRA KABATAŞ
Danışman: PROF. DR. MERAL KILIÇ AKYILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Fonksiyonel besinler = Functional foods

Özet:
Fonksiyonel gıdalara yönelim, tüketicilerin daha besleyici, daha sağlıklı ve daha az kalorili gıdalara yönelmesiyle artmaktadır. Bitkisel kaynaklı inülin, gelecek vaat eden, insan sağlığına oldukça yararlı doğal bir diyet lifidir. Gıda endüstrisinde, yapıyı düzenleyici yağ, şeker, karbonhidrat ve protein ikamesi olarak kullanılmasının yanı sıra prebiyotik olarak gıdalarda kullanılmaktadır. Yer elması, hindiba, soğan, sarımsak ve yıldız çiçeği inülin kaynaklarıdır. Ticari inülin tozu üretiminde genellikle hindiba kullanılsa da yer elmasının inülin içeriği azımsanmayacak kadar fazladır.
Yer elmasından inülin eldesinde, ısıl işlem ile ekstaksiyon en çok kullanılan yöntem olsa da inülin eldesini arttırmak için ultrason destekli ekstraksiyon kullanılabilir. Ultrason sayesinde bitki hücreleri parçalanmakta ve inülinin hücre dışına çıkışı artmaktadır. Böylece, daha düşük sıcaklık ve sürelerde inülin elde edilebilmektedir. Bu çalışmada, farklı sıcaklık ve sürelerde ısıl işlem ekstraksiyonu ve ultrason destekli ekstraksiyon uygulanarak yer elmasından inülin üretilmiş ve yöntem ve işlem parametrelerinin inülin tozu verimine ve saflığına etkileri incelenmiştir. İnülin tozunun karakterizasyonu için örneklere DSC ile termal ve FTIR ile spektroskopik analizler uygulanmıştır. İnülin tozunun bir gıda ürününde yapıya etkilerinin belirlenmesi için, rekonstitüye yoğurda inülin tozu eklenmiş ve ürünün reolojik özellikleri belirlenmiştir. Elde edilen inülin tozları ticari inülin ile ölçülen özellikler açısından karşılaştırılmıştır.
Çalışmada, yer elması dilimlenerek kurutulmuş ve öğütülerek toz elde edilmiştir. Bu tozdan geleneksel ısıl işlem ekstraksiyonu ve ultrason destekli ekstraksiyon ile toz:distile su oranı 1:20 olacak şekilde inülin ekstrakte edilmiştir. Isıl işlem ekstraksiyonunda 80℃'de 10 dakika ve ultrason işlemindeki sıcaklık yükselmesinin kontrolünü sağlayacak şekilde 60℃'de 10 dakika ekstraksiyon yapılmıştır. Ultrason işlemi yüksek güçlü problu bir ünite kullanılarak 80 W güçte, 20 ve 50℃'de 5-10 dakika uygulanmıştır. 
Uygulanan ekstraksiyon işlemlerinin elde edilen toz veya kuru madde verimine etkisi olmamıştır.  En yüksek inülin içeriğine 80℃'de sıcısıl işlem ekstraksiyonu, 20℃'de ve 50℃'de 10 dakika ultrason destekli ekstraksiyon uygulandığında ulaşılmıştır. Isıl işlem ekstraksiyonunda sıcaklık arttıkça, ultrason destekli ekstraksiyonda ise hem sıcaklık hem de işlem süresi arttıkça tozların inülin içeriği artmıştır. Ultrason destekli ekstraksiyon ile ısıl işlem ekstraksiyonu uygulamalarına göre daha düşük sıcaklıkta benzer verim ve saflık değerlerine ulaşıldığı saptanmıştır. İnülin eldesinde verim ve saflık değerleri baz alınarak çalışmaya 60 ve 80℃'de 10 dakika ısıl işlem ekstraksiyonu ve 20℃ ve 50℃'de 10 dakika ultrason destekli ekstraksiyon uygulanan numunelerle devam edilmiştir. 


Farklı işlemlerle üretilen inülin örneklerinin FT-IR spektrumları, ticari inülin tozununki ile karşılaştırmıştır ve benzer oldukları bulunmuştur. Grafiklerde, -OH gerilme titreşimleri 3200-3600 cm-1 arasında;-CH gerilme titreşimleri 2890-2930 cm-1  arasında; -OH eğilme titreşimleri 1300-1500 cm-1'de; C-O-C halka gerilme titreşimleri 1116-1154 cm-1'de , karbonhidrat zincirinde α-D-glukopiranoz kalıntısı 958cm-1'de 2-ketofuranoz varlığı ise 877, 888 ve 848 ve 850 cm-1'de pik vermiştir. Ayrıca, üretilen inülin tozlarının spektrumlarının 1550-1670 cm-1 bölgesinde ekstra pikler gözlenmiştir ve bu piklerin protein gibi safsızlıklarla ilişkili olduğu belirlenmiştir.
Termal analizlerde, ticari inülinin camsı geçiş sıcaklığı 122.02℃ olarak tespit edilmiştir. Farklı işlemlerle üretilen inülinlerin camsı geçiş sıcaklığı ise 41.77 ℃ - 57.44 ℃ aralığında ve birbirine benzer bulunmuştur. Kristal erimesi en fazla alan ticari inülinde gözlenmiştir. Ayrıca, tüm inülin tozu örneklerinin 180℃'nin üzerinde termal bozunmaya uğradığı saptanmıştır 
İnülin tozu %2 oranında rekonstitüye yoğurda eklenmiş ve inülinin yoğurdun yapısal özelliklerine etkisi belirlenmiştir. İnülin ilave edilen rekonstitüye yoğurtların tümünde psödoplastik akış davranışı tespit edilmiştir ve akış verileri Herschel–Bulkley modeline uygun bulunmuştur. İnülin ilavesi, rekonstitüye yoğurtların kıvam indeksini arttırmıştır. Elde edilen yoğurtlarda en yüksek kıvam katsayısı ticari inülin içeren örnekte tespit edilmiş ve bu değeri sırasıyla 60℃'de ısıl işlem ekstraksiyonu, 20℃ ve 50℃'de 10 dakika ultrason destekli ekstraksiyon ile üretilen inülin içeren numuneler takip etmiştir. En yüksek akma gerilimine 20℃'de ultrason destekli ekstraksiyon ile üretilen inülin tozunu içeren numune ve en düşük kıvam katsayısına ise 80℃'de ısıl işlem ekstraksiyonu ile üretilen inülin ilave edilen örnekler sahip bulunmuştur. Ancak reolojik özellikler açısından örnekler arasında istatiksel olarak önemli düzeyde bir farklılık bulunmamıştır.
Tüm sonuçlar incelendiğinde, ultrason destekli ekstraksiyon uygulamasıyla geleneksel ısıl işlem ekstraksiyonu ile karşılaştırıldığında daha düşük sıcaklıkta benzer verimde ve saflıkta inülin tozu elde edilebildiği gözlenmiştir. Bu nedenle, ultrason uygulaması ile ekstraksiyon için harcanan enerji azaltılabilir. Elde edilen inülin gıda ürünlerinde yapısal özellikleri geliştirmek amacıyla kullanılabilir. Bu çalışmada üretilen inülinin farklı işlemlerle saflaştırılması ve farklı gıda ürünlerinde kullanımı konularında araştırmalar yapılması  önerilmektedir.

Abstract:
Demand for functional foods and dietary fiber has increased since consumers prefer healthy, nutritious and also low calorie foods. Inulin from plants is a functional  ingredient as a prebiotic and a source for dietary fiber. Jerusalem artichoke, chicory, yam, onion, garlic and dahlia are sources for inulin. Although chicory is generally used in the production of commercial inulin, the inulin content of Jerusalem artichoke is also considerable to underestimate. Inulin is formed by D-fructose bound by β-(2→1) linkages that are terminated by a D-glucose molecule bonded to fructose by α-D-glucopyranosyl bond. It consists of a mixture of linear oligosachharides and polysachharides. It could not be digested because of its complex structure so it is a dietary fiber. Inulin has been used as fat or sugar replacer, fiber, prebiotic and texture modifier in food industry.
Jerusalem artichoke that has inulin as a reserved carbohydrate, is classified in the genus Helianthus L., in the family of Asteraceae. Jerusalem artichoke tubers consist of 80% water, 15% carbohydrate, and 1-2% protein. Cultivar, post harvest and harvest conditions and harvest time have crucial impacts on compostion of tubers. In addition, tubers are good source of dietary fiber because of its inulin content (around 50% of dry weight). Inulin content of tubers are also affected by cultivar, cultivation conditions, harvest time and conditions. There are several methods for the extraction of inulin from Jerusalem artichoke tubers. Extraction with heat treatment is the most used method for inulin production from Jerusalem artichoke roots. In addition, ultrasound-assisted extraction can be applied for inulin production. Ultrasound   disrupts the cell walls of plant tissues to enhance mass transfer of inulin. Hence, inulin can be extracted  with less energy and time. 
In this study, inulin is extracted from Jerusalem artichoke tubers by extraction with heat treatment and ultrasound-assisted extraction at different temperatures and duration. Impacts of extraction method and parameters on the purity and yield of inulin are investigated. The produced inulin are compared with commercial inulin. For the characterization of the obtained inulin powders, DSC and FTIR analyses were performed. In addition, effect of produced inulin powder on rheological properties of reconstituted yoghurt was determined to evaluate performance of the powder in a food product.
Jerusalem artichoke tubers were washed, peeled and sliced. All slices were dipped in to 0.05% citric acid solution for 5 minutes to reduce browning. After that, all slices were dried in a vacuum oven until reaching  a moisture content  below 8% on dry basis. Dried slices were milled and sieved to produce Jerusalem artichoke powder. Inulin was extracted from Jerusalem artichoke powder at a solid:water ratio of 1:10 (w/v) by conventional method by heat treatment and ultrasound-assisted extraction. Conventional method was applied by heat treatment at 80C for 10 min. 
Conventional method was also carried out at 60C for 10 min to determine the effect of the temperature increase during ultrasound treatment. Ultrasound-assisted extraction was applied by a device working at a power of 80 W and 24 kHz and sample temperatures of 20 and 50℃ for 5 and 10 min). After extraction, all extracts were centrifuged and then purification was applied to separate protein and other impurities. The solutions obtained after purification were dried in a vacuum oven at 70°C for 16 hours and then milled to a powder. Inulin powders were stored in glass jars at 4°C until analyses. 
Similar yields were obtained from conventional and ultrasound-assisted extraction methods. Maximum inulin content in powder was obtained by heat extraction at 80℃ for 10 min and ultrasound-assisted extraction at 20°C or 50°C for 10 minutes. As the temperature of heat extraction or the initial temperature or processing time of ultrasound assisted extraction was increased, the inulin content of the obtained powders increased. Moreover, ultrasound-assisted extraction resulted in similar yield and purity values at lower temperatures  as compared to heat extraction. Based on the yield and purity values,  extraction by heat treatment at 60°C and 80°C and ultrasound extraction at 20°C and 50°C for 10 minutes were selected for further analyses. 
FTIR spectra of the produced samples were compared with thoseof commerical inulin and reported in the literature and they were found similar.  -OH stretch vibrations between 3200-3600 cm-1 ,-CH tensile vibrations between 2890-2930 cm-1, -OH bending vibrations at 1300-1500 cm-1 , COC ring stretch vibrations at                              1116-1154 cm-1,α-D-glucopyranose residue in the carbohydrate chain at 958 cm-1 and 2-ketofuranose at 877, 888 and 848 and 850 cm-1 were the characteristic peaks observed in the spectra.  In addition, extra peaks were observed in the                              1550-1670 cm-1 region of spectra of the produced inulin powders compared to the commercial sample. This peak was indicated that there were some impurities in the produced inulin powders.
According to thermal analysis by DSC, glass transition temperature of commercial inulin powder was found as 122.02℃. The glass transition temperature of the produced inulin powders was found between 41.77℃-57.44℃. All the produced samples had similar glass transition temperatures.  As the commercial inulin was produced from chicory roots, the glass transition of it was different than those of the produced inulin samples. In addition, growing conditions, process conditions, impurities, moisture content, polymerization degree, molecular weight and microstructure affect the glass transition temperature of inulin. Commercial inulin exhibited crystal melting in thermal analysis indicating crystalline structure which was not observed as clearly in the produced samples. Moreover, all inulin powder samples undergo thermal degradation over 180℃.
Performance of produced inulin powder samples was evaluated in a reconstituted yoghurt formulation at a concentration of 2% (w/w) Pseudoplastic flow behavior was detected in all of the inulin-added reconstituted yoghurt samples. The addition of inulin increased the consistency of reconstituted yoghurts. The highest consistency coefficient was determined in the sample containing commercial inulin and this value was followed by the samples containing inulin powder produced by heat  extraction at 60°C and  ultrasound-assisted extraction at 20°C and 50°C for 10 minutes. In addition, the highest yield stress was observed in inulin powder which was produced ultrasound-assisted extraction at 20℃ for 10 minutes. 
The lowest consistency coefficient and yield stress were measured in the samples containing inulin powder produced by heat extraction at 80°C. However, there were no statistically significant differences between the samples in terms of rheological properties.
 According to the results, application of ultrasound-assisted extraction allowed to obtain a similar yield and purity in inulin powder from Jerusalem artichokes at a lower temperature when compared to conventional heat extraction. Therefore, application of ultrasound can reduce the energy required for extraction. The produced inulin can be used for improving physical properties of food products. Future studies for further purification of inulin produced in this study by different treatments and use of it in different food products are recommended.