Hidrotermal işlemlerin karabuğday nişastasının fizikokimyasal özellikleri ve dirençli nişasta miktarı üzerindeki etkisi
Effect of hydrothermal treatments on the physicochemical properties and resistant starch content of buckwheat starch
Yazar: HANDE ALTAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. DİLARA ERDİL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Hidrotermal sentez = Hydothermal synthesis ; Karabuğday = Buckwheat

Özet:
Geçmişi çok eskilere dayanan, Orta Asya kökenli bir bitki olan karabuğday kuzukulağıgiller (Polygonaceae) familyasından Fagopyrium cinsine ait tek yıllık bir bitkidir. Buğday, arpa, pirinç gibi tahıllarla hem benzerlik hem de farklılık gösterdiği için tahıl benzeri olarak adlandırılmıştır. Karabuğday yüksek besleyici değere sahip olup beslenmemiz için gerekli temel gıda bileşenlerini içeren önemli bir kaynaktır.  Bu çalışmada kullanılan karabuğday yerel bir firmadan temin edilmiş ve öğütülerek un haline getirilmiştir. Karabuğdaydan izole edilen nişasta, ısı-nem uygulaması (HMT) ve tavlama (ANN) işlemleriyle modifiye edilmiştir. İşlem görmüş nişastaların özelliklerindeki değişimleri tespit etmek amacıyla doğal nişasta kontrol olarak kullanılmıştır. Uygulanan işlemlerin nişastanın sindirilebilirliği üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Ayrıca elde edilen nişastaların çözünürlükleri, su tutma, yağ tutma, emülsiyon oluşturma ve şişme kapasiteleri ile sinerezis ve bulanıklık oranları da incelenmiştir. Uygulanan hidrotermal işlemlerin nişastanın X-ışını difraksiyon desenleri, termal, vizkozite ve morfolojik özellikleri üzerinde meydana getirdiği değişimler değerlendirilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında karabuğday ve doğal nişastaya temel kompozisyon analizleri uygulanmıştır. Bu aşamada belirlenen toplam nem miktarları karabuğday ve doğal nişasta için sırasıyla; %12,09-%12,48; kül miktarları kuru maddede % 1,83%0,24;  protein miktarları %10,37-%1,78; yağ miktarları %2,41-%0,36; toplam nişasta miktarları %63,78-%81,81 olarak belirlenmiştir.   Karabuğday nişastası ve işlem görmüş nişastaların dirençli nişasta (DN), sindirilebilen nişasta ve toplam nişasta oranları arasında istatistiksel açıdan önemli derecede farklılık olduğu belirlenmiştir (p<0,05).  HMT ve ANN işlemlerinden  sonra DN içeriği ve YSN içeriği artmış, HSN içeriği ise azalmıştır. DN miktarı HMT işlemiyle 2,5; ANN işlemiyle 2 katına çıkmıştır. Doğal ve işlem görmüş nişastaların DN ile YSN içeriklerinin istatistiksel açıdan birbirinden önemli düzeyde farklı olduğu saptanmıştır (p<0,05). Bununla birlikte doğal nişastanın HSN içeriğinin işlem görmüş nişastaların HSN içeriğinden önemli düzeyde farklı olduğu (p<0,05), işlem görmüş nişastaların HSN içeriklerinin arasında ise istatistiksel olarak önemli bir fark olmadığı tespit edilmiştir (p>0,05). Karabuğdayın DN içeriği %1,33 olarak tespit edilmiş ve  bu değerin diğer tahılların DN içeriği ile benzer olduğu saptanmıştır. HMT ve ANN işlemleri nişastanın çözünürlüğünde, su tutma ve şişme kapasitelerinde istatistiksel olarak önemli düzeyde azalışa neden olmuştur (p<0,05). Doğal karabuğday nişastasının işlem görmüş nişastalara göre su tutma, çözünürlük ve şişme kapasitesinin daha yüksek olduğu belirlenmiştir. İşlem görmüş nişastalar kendi aralarında kıyaslandığında; iki nişastanın suda çözünürlük indeksi ve şişme kuvveti açısından istatistiksel olarak birbirinden farklı olmadığı saptanmıştır (p>0,05). Su tutma kapasitelerine bakıldığında ise; HMT nişastasının su tutma kapasitesinin ANN nişastasından daha düşük olduğu görülmektedir (p<0,05).  Bunun yanında HMT uygulanan nişastanın yağ tutma kapasitesinin, ANN uygulanan nişastanın da emülsiyon kapasitesinin düşme eğiliminde oldukları gözlenmiş ancak bu düşüşlerin istatistiksel açıdan önemli olmadığı görülmüştür (P>0,05).  Yağ tutma ve emülsiyon kapasitesi en yüksek olan örneğin doğal karabuğday nişastası olduğu saptanmıştır. HMT nişastasıyla doğal nişasta arasında yağ tutma kapasitesi açısından istatistiksel olarak önemli bir fark olmadığı (p>0,05), emülsiyon kapasitesi açısından ise aralarındaki farkın önemli olduğu tespit edilmiştir (p<0,05). ANN işlemi nişastanın yağ tutma ve emülsiyon kapasitesini azaltmıştır. Doğal nişasta ve ANN uygulanmış nişastanın  yağ tutma özellikleri istatistiksel açıdan farklıyken (p<0,05), emülsiyon kapasiteleri arasında önemli bir fark yoktur (p>0,05). İşlem görmüş nişastalar kendi aralarında karşılaştırıldığında; HMT nişastasının yağ tutma kapasitesi ANN nişastasından daha yüksekken, emülsiyon kapasitesi daha düşüktür. Çalışma kapsamında doğal nişastaya uygulanan HMT ve ANN işlemleri nişastanın jelatinizasyon sıcaklıklarını arttırırken, jelatinizasyon entalpilerini ise düşürmüştür. En yüksek jelatinizasyon sıcaklığına sahip olan örnek HMT işlemi uygulanan nişastadır. Jelatinizasyon entalpisi en yüksek  olan örnek ise doğal nişastadır. HMT işlemi nişastanın jelatinizasyon sıcaklığını arttırmış, jelatinizasyon entalpisini düşürmüş, jelatinizasyon sıcaklık aralığını (Tc-T0) ise az miktarda daraltmıştır. ANN işlemi de nişasta üzerinde HMT işlemiyle benzer etkiyi yapmıştır. ANN işlemi uygulanmış nişastaların jelatinizasyon sıcaklıkları artarken, jelatinizasyon entalpisi azalmış, ancak jelatinizasyon sıcaklık aralığı (Tc-T0)  genişlemiştir. Uygulanan HMT ve ANN işlemlerinin nişastaların maksimum ve son vizkozitelerini istatistiksel açıdan önemli düzeylerde azalttığı belirlenmiştir (p<0,05). Vizkozite değeri en yüksek olan doğal nişasta, en düşük olan ise HMT uygulanmış nişastadır. Karabuğdayın vizkozite değerleri çok düşük bulunmuştur. Dolayısıyla kıvam verme özelliğinin iyi olmadığı söylenebilir.  Yapılan çalışmada karabuğday ve doğal nişastanın diğer tahıllarda olduğu gibi A-tipi difraksiyon desenine sahip olduğu belirlenmiştir. Uygulanan hidrotermal işlemler nişastanın difraksiyon desenini ve pik verdiği açı değerlerini değiştirmemiştir. Pik yoğunluğu HMT işlemiyle artarken, ANN işlemiyle ise bazı açılarda azalmış bazı açılarda artmıştır. Karabuğday 12,90 ve 19,80'de kuvvetli pik oluştururken, diğer açı değerlerinde ise belirgin pik oluşturmadığı saptanmıştır. Doğal nişastayla kıyaslandığında karabuğdayın pik  yoğunluğunun daha düşük olduğu saptanmıştır. Doğal nişastanın kristal oranı %65,4 iken uygulanan hidrotermal işlemlerden sonra bu oranın arttığı görülmüştür. HMT işleminden sonra kristal oranı %71,1'e yükselmiş, ANN işleminden sonra ise bu oran %67,3 olmuştur. Taramalı elektron mikroskobuyla yapılan incelemede karabuğdayın düzensiz ve poligonal bir şekle sahip olduğu, granül büyüklüğünün 4,3-5,42 µm arasında değiştiği belirlenmiştir. Buna benzer olarak doğal karabuğday nişastasının da düzensizpoligonal şekilli ve kısmen yuvarlak granüllere sahip olduğu, granüllerin ortalama boyutunun 6,08-8,5µm aralığında değiştiği tespit edilmiştir. ANN işleminden sonra granül yapısı korunmuştur ancak kümeleşme meydana geldiğinden nişastalar yığın şeklinde görünmektedir. Bazı granüllerde çökme meydana gelmiştir. HMT işlemi granül yapısını bozmamıştır fakat bu işlemden sonra nişasta granülleri lamel yığını şeklini almıştır. Granül şekli belirgin olmakla birlikte yüzeyde açılmalar ve çökmeler oluşmuştur. Retrogradasyonun erken evrelerinde moleküler arasındaki etkileşimden dolayı oluşan bulanıklık spektrofotometrik olarak belirlenmiştir. Doğal nişasta ve işlem görmüş nişastaların depolama süreleri arttıkça bulanıklık oranları da artmıştır. Özellikle  bütün örneklerin ilk 48 saat  içindeki bulanıklık değerleri hızlı bir şekilde artmış, 72.saatten sonra da bu değerler neredeyse sabitlenmiştir. Bütün örneklerin bulanıklık değerleri birbirine yakındır dolayısıyla uygulanan hidrotermal işlemler nişastanın bulanıklık değerlerinde önemli bir değişiklik oluşturmamıştır.  Sinerezis; nişasta jelinden soğukta depolama sırasında ayrılan su miktarı olarak tanımlanmaktadır. Çalışmada sinerezis oranı gravimetrik olarak tespit edilmiştir. Doğal nişastanın ve işlem görmüş nişastaların depolama süreleri arttıkça sinerezis oranları artmıştır. Ayrıca amiloz içeriği yüksek olan örneklerin sinerezis oranlarının daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Özellikle amiloz içeriği en yüksek olan HMT işlemi uygulanmış nişastanın  sinerezis oranı diğer örneklere göre daha yüksektir. Tez çalışmasında; elde edilen karabuğday nişastasınının vizkozite değerinin pirinç ve buğday nişastasına göre daha yüksek olduğu görülmüştür. Dolayısıyla gıda endüstrisinde kıvam arttırıcı olarak kullanılabileceği düşünülmektedir. Elde edilen modifiye nişastaların çölyak hastaları için hazırlanan ürünlerde bir alternatif olarak kullanılabileceği düşünülmektedir. Bununla birlikte uygulanan hidrotermal işlemlerle nişastanın DN içeriği  basit ve başarılı bir şekilde arttırılmıştır.

Abstract:
Buckwheat, the annual plant, has arised and been widely consumed in Central Asia region for ages. It belongs to Polygonaceae family and Fagopyrium genus. Buckwheat named as pseudocereal due to its similarities and differences from cereals like wheat, barley and rice. Buckwheat is known as an important source of carbohydrate, protein, lipid, vitamin, dietary fiber and minerals. Because of its high nutritious value, it seems to be a good source of food components. The buckwheat used in this study was obtained from local market and it was milled and sieved. Native buckwheat starch has been either modified with heat-moisture treatment or annealed after starch has been isolated. Native buckwheat starch was used as control for determining the effects of hydrothermal treatments on starch properties. Effects of hydrothermal treatment on digestibility of starch were also investigated. In addition, solubility, water absorption and fat binding capacities, swelling power, emulsifying capacity, syneresis and turbidity of starch samples were evaluated. The impact of hydrothermal treatments on pasting, morphological, thermal properties and X-ray diffraction patterns were also investigated. Firstly, basic compositions of samples were determined. According to this evaluations, total moisture contents of buckwheat and native starch were found as 12,09% and 12,48%; ash contents as 1,83% and 0,24%; protein contents as 10,37% and 1,78%; lipid contents as 2,41% and 0,36%; total starch contents as 63,78% and 81,81%, respectively. Resistant, digestible and total starch contents of native and treated starches were found significantly different from each other (p<0,05). HMT and ANN increased RS (resistant starch) and slowly digestible starch (SDS) content, but decreased rapidly digestible starch (RDS) content of starches. RS content of starch doubled after HMT and ANN treatments. RS and SDS contents of all starches were significantly different (p<0,05). Besides RDS content of native buckwheat starch was significantly different than treated starches (p<0,05), while RDS content of heat moisture treated starch was not significantly different than annealed starch (p>0,05). Hydrothermally treated starches have lower calorific value than native starch due to has higher resistant and slowly digestible starch content than native buckwheat starch, so that these samples may be used for diabetic food formulations. RS content of buckwheat was 1,33% and this value was similar to that of other cereals. HMT and ANN treatments significantly reduced solubility, water binding capacity and swelling power of starches (p<0,05). Water binding capacity, solubility and swelling power of native starch was higher than treated starches. Solubility index and swelling power of HMT starch was similar to that of ANN starch (p>0,05) while water absorption capacity of HMT starch was lower than that of ANN starch (p<0,05). Crystallites were formed with interactions between amylose-amylose and amyloseamylopectin molecules. These crystallites, which has hard structure limited swelling and solubility of granules. Hydrothermally treated starches have low water absorption capacity  due to crystallites formed. Crystallites have low water absorption ability compare with amorphous region. Besides, HMT reduced fat binding capacity while ANN reduced emulsifying capacity which were not found to be statistically significant (p>0,05). The highest fat binding and emulsifying capacities were determined for native buckwheat starch when compared to treated starches. Fat binding capacity of heat moisture treated starch was not different than native starch (p>0,05), while the emulsifying capacity of starches were significantly different from each other (p<0,05). ANN reduced the fat binding and emulsifying capacity of starch. Fat binding capacity of ANN treated starch was different from native starch (p<0,05), while the emulsifying capacity of starhes were not significantly different (p>0,05). Fat binding capacity of heat treated starch was higher than ANN treated starch while emulsifying capacity was lower. Fat binding property is a measurement of emulsifying capacity of starch. Starch was granular form so not acted as an emulsifying agent. Starch may affect the emulsifying property of proteins. HMT and ANN increased gelatinization temperature while gelatinization enthalpy of the starhes were reduced. The highest gelatinization temperature were determined for HMT treated starch. Gelatinization temperature range narrowed with HMT treatment while broadened with ANN treatment.  Starch granules reorganizated during hydrothermal treatment and interactions between amylose-amylose or amyloseamylopectin increased. Crystallites  formed, which has hard structure limited swelling of granule so that gelatinization of starch delayed and gelatinization temperature increased.  At the same time hydrothermal treatments reduced pasting viscosity significantly (p<0,05). The highest viscosity were determined for native starch while the lowest pasting viscosity determined after HMT. Pasting property of buckwheat was found low due to its low viscosity values. Buckwheat and native starch possessed A-type diffraction pattern like other cereals. X-ray diffraction pattern remained unchanged after hydrothermal treatments. In addition, HMT increased peak intensity when compared with native starch at the same angle. Whereas, ANN both increased and decreased peak viscosity depending on the angle. Buckwheat flour presented main peaks at about 12,90 and 19,80 (2ϴ) while native and hydrothermally treated starches presented main peaks at about 12,90, 16,80 and 19,80 (2ϴ). In addition, all of starches presented weak peaks at about 15,00 and 22,20 (2ϴ). Peak intensity of buckwheat flour was lower than native starch. Degree of starch crystallinity of native starch, HMT starch and ANN starch were 65,4%; 71,1%; 67,3%, respectively. 
The buckwheat granules were polygonal-irregular shaped and the average size of the granules were 4,3-5,42µm. Similarly, native buckwheat starch granules were irregular polygonal shaped or partial spherical with average size of granules such as 6,08-8,5 µm. Granule structure remained unchanged after HMT and ANN treatments. ANN and HMT caused collapses on the surface of the granules therefore granules showed as lamella bulk. Granule structures were clear after HMT but some deformations occurred on the surface of granules.  Turbidity of starch samples were formed due to interactions between molecules at the early stage of retrogradation. Turbidity of native and treated starches increased as the storage time increased. Turbidity of all starches increased quickly within 48 hours, after 72 hours turbidity values seemed to be stabilized. Turbidity values of all starches were close to each other, therefore hydrothermal treatments have no important effects on turbidity values of starches. Syneresis, identified as squeezed water content from starch gel during cold storage. Syneresis is a measurement of retrogradation and an undesired property for food industry.When the amylose content increased syneresis ratio also increased. In particular, HMT treated starch showed highest syneresis due to its highest amylose content. Water absorption capacity is one of the main factor affected syneresis ratio. Syneresis ratio increased as water absorption capacity decreased. Heat moisture treated starch showed highest syneresis ratio due to has lowest water absorption capacity. In addition native buckwheat starch showed lowest syneresis ratio due to has highest water absorption capacity. In this thesis; buckwheat starch obtained was found to have higher viscosities with respect to rice and wheat  starches that are commonly used. So that it can be used as thickening agents in many food formulations and especially for the products suitable for celiac patients. In addition, hydrothermally treated starches have high RS content as compare with native starch so that these samples may be used in low calorific and diabetic food formulations. Hydrothermal applications applied also resulted in higher RS contents in starches so that they seem easy and promising applications for increasing the RS contents of starch sources.