Gıda atıklarından çeşitli ön işlemlerle elde edilen besin ortamlarında rhodotorula glutinis mayası ile β-karoten üretiminin incelenmesi
Investigation of β-carotene production by rhodotorula glutinis yeast in the growth media obtained from pretreated food wastes
Yazar: ŞENAY UĞURLU
Danışman: PROF. DR. ZÜMRİYE AKSU ; DR. ÖĞR. ÜYESİ HANDE GÜNAN YÜCEL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Fermentasyon = Fermentation ; Gıda atıkları = Food wastes ; Portakal kabuğu = Orange peel ; Rhodotorula glutinis = Rhodotorula glutinis ; Sıfır atık = Zero waste ; Ön işlem = Pretreatment ; Özütleme = Extraction

Özet:
Bu tez çalışmasında, gıda endüstrisinde atık olarak büyük miktarlarda oluşan ve genellikle değerlendirilmeden bertaraf edilen portakal kabuğu, üzüm posası ve havuç posası atıklarının kaynar suyla ekstraksiyonundan ve ekstraksiyondan sonra kalan posaların asidik hidrolizinden elde edilen şekerlerin yer aldığı doğal besin ortamlarında Rhodotorula glutinis mayası ile ardışık bu iki prosesle β-karoten üretimi gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ilk kısmında, portakal, üzüm ve havuç atıkları ön işleme tabi tutulmadan (yaş) ya da çeşitli ön işlemlerden (kurutma, otoklavlama, dondurma) geçirildikten sonra kaynar suyla ekstrakte edilerek, atık türünün, uygulanan ön işlemin, tanecik boyut aralığının ve katı/sıvı oranının suya geçen şekerlerin toplam derişimine ve verimine etkileri araştırılmıştır. En yüksek şeker derişimleri 100 g/L katı/sıvı oranında ön işlemsiz (yaş) püre formundaki ve kurutma ön işlemi uygulanmış toz formdaki üzüm posalarının kaynar suyla ekstraksiyonuyla, sırasıyla 61.2 g TİŞ (toplam indirgen şeker derişimi)/L ve 60.7 g TİŞ (toplam indirgen şeker derişimi)/L olarak elde edilmiştir. 
Çalışmanın daha sonraki aşamasında, glikoz içeren sentetik besin ortamında başlangıç glikoz derişimi değiştirilerek ve ön işleme tabi tutulmamış (yaş) ve kurutma ön işlemine tabi tutulmuş portakal, üzüm ve havuç atıklarından, kaynar suyla ekstraksiyonla şekerlerin doğrudan elde edildiği besin ortamlarında tanecik boyut aralığı, katı/sıvı oranı (başlangıç toplam indirgen şeker derişimi, TİŞ) değiştirilerek, Rhodotorula glutinis mayasından β-karoten üretimi incelenmiştir. Sentetik besin ortamında glikoz derişiminin 100 g/L'ye kadar artmasıyla mikrobiyal üreme ve β-karoten üretimi artmış, 150 g/L glikoz derişiminde substrat inhibisyonuna bağlı olarak her iki değer de azalmıştır. Tüm atıklardan kaynar suyla ekstraksiyonla elde edilen besin ortamlarında katı/sıvı oranı arttıkça mikrobiyal üremenin ve β-karoten üretiminin arttığı gözlenmiştir. 100 g/L glikoz içeren sentetik besin ortamında en yüksek β-karoten derişimi 451.4 mg/L olarak saptanmışken; 100 g/L katı/sıvı oranında ön işlemsiz (yaş) üzüm posasının kaynar suyla ekstraksiyonuyla elde edilen besin ortamında en yüksek β-karoten derişimi 5988.6 mg/L olarak bulunmuştur. 
Glikoz derişiminin 5-100 g/L aralığında değiştiği sentetik besin ortamında ve katı/sıvı oranınının 10-100 aralığında değiştirilmesiyle (değişen TİŞ derişimlerinde) ön işlemsiz (yaş) ve kurutma ön işlemi uygulanmış portakal kabuğu, üzüm posası ve havuç posası atıklarının kaynar suyla ekstraksiyonuyla elde edilen doğal besin ortamlarında mikrobiyal üremenin Monod modeline çok iyi uyduğu görülmüştür.
Çalışmanın son aşamasında, 100 g kuru atık/L katı/sıvı oranında sadece kurutma ön işlemi uygulanmış toz formdaki posalı portakal kabuğu, çekirdeksiz üzüm posası ve havuç posası atıklarının kaynar suyla ekstraksiyonundan sonra kalan atık posaların kurutulduktan sonra asidik hidrolizi ile elde edilen şekerleri içeren doğal besin ortamlarında R. glutinis'ten β-karoten üretim çalışmaları gerçekleştirilmiştir. 100 g kuru atık/L posalı portakal kabuğu, çekirdeksiz üzüm posası ve havuç posası atıklarının kaynar suyla ekstraksiyon işlemi sonucunda, atıkların kütlelerinde sırasıyla % 70, % 72 ve % 62 azalma gözlenmiştir. Ekstraksiyondan sonra kalan atık kütlelerin asidik hidrolizinden sonra ise her bir kuru atık için toplam atık kütlesinin sırasıyla % 85.3, % 80.2 ve % 70.2 azaldığı saptanmıştır. Posalı portakal kabuğu, çekirdeksiz üzüm posası ve havuç posası atıklarından asidik hidroliz aşamasında elde edilen şeker derişimleri sırasıyla 10.1 g/L, 6.7 g/L ve 10.8 g/L olarak belirlenmiş, R. glutinis'ten üretilen en yüksek β-karoten derişimi portakal kabuklarının ekstraksiyon atıklarının asidik hidroliziyle elde edilen besin ortamında 370.0 mg/L olarak saptanmıştır. 
R. glutinis 100 g/L kurutulmuş posalı portakal kabuğuyla ekstraksiyon basamağından sonra elde edilen besin ortamında 1407.1 mg/L β-karoten üretmişken, 100 g/L atıktan arda kalan 30 g/L kurutulmuş posalı portakal kabuğundan asidik hidroliz basamağından sonra elde edilen besin ortamında 370.0 mg/L β-karoten üretmiş ve toplam β-karoten üretimi % 26 artışla 1777.1 mg/L'ye yükselmiştir.
R. glutinis 100 g/L kurutulmuş çekirdeksiz üzüm posasıyla ekstraksiyon basamağından sonra elde edilen besin ortamında 3125.7 mg/L β-karoten üretmişken, 100 g/L atıktan arda kalan 28 g/L kurutulmuş çekirdeksiz üzüm posasından asidik hidroliz basamağından sonra elde edilen besin ortamında 153.9 mg/L β-karoten üretmiş ve toplam β-karoten üretimi % 4.9 artışla 3279. 6 mg/L'ye yükselmiştir. 
R. glutinis 100 g/L kurutulmuş havuç posasıyla ekstraksiyon basamağından sonra elde edilen besin ortamında 2245.7 mg/L β-karoten üretmişken, 100 g/L atıktan arda kalan 38 g/L kurutulmuş havuç posasından asidik hidroliz basamağından sonra elde edilen besin ortamında 193.8 mg/L β-karoten üretmiş ve toplam β-karoten üretimi % 8.6 artışla 2439.5 mg/L'ye yükselmiştir.
Bu tez çalışması ile literatürde bir ilk olarak gıda atıkları iki aşamada değerlendirilerek katma değeri yüksek bir ürün olan β-karotenin üretimi gerçekleştirilmiş, ürün verimi kaynar suyla ekstraksiyon ve asidik hidrolizden oluşan ardışık iki prosesle arttırılmış ve atık miktarı çok yüksek oranda azaltılarak sıfır atık yaklaşımına önemli bir katkıda bulunulmuştur.

Abstract:
In this thesis, β-carotene production was carried out with Rhodotorula glutinis yeast in the growth media including sugars obtained by two consecutive steps: Hot water extraction  of orange peel, grape pomace and carrot pomace wastes, which are formed in large quantities as waste in the food industry and are generally disposed of without valorization and acidic hydrolysis of the remaining pulp after extraction. In the first part of the study, the sugars included in the untreated (wet) and the pretreated (dried, autoclaved, freezed) orange, grape and carrot wastes were obtained with hot water extraction. Here, the effects of food waste characteristics, applied pretreatment, particle size range and solid/liquid ratio on the total concentration and yield of sugars transferred to the water were investigated. The highest sugar concentrations were obtained by the hot water extraction of untreated (wet) grape pomace in the puree form and dried grape pomace in the powder form as 61.2 g TİŞ/L and 60.7 g TİŞ/L, respectively, at a solid/liquid ratio of 100 g/L.
In the following step of the study, the effect of varying initial glucose concentration in the synthetic growth media and the effects of change in particle size range and solid/liquid ratio (initial total reducing sugars, TRS) in the growth media obtained by the hot water extraction of untreated and dried orange, grape and carrot wastes on β-carotene production characteristics of R. glutinis were investigated. Microbial growth and β-carotene production enhanced with the increasing initial glucose concentration up to 100 g/L in the synthetic growth media; however, both values decreased at 150 g/L of initial glucose concentration due to substrate inhibition. Microbial growth and β-carotene production increased with the increasing solid/liquid ratio in the growth media obtained by the hot water extraction of all wastes. While the highest β-carotene concentration was found to be 451.4 mg/L in the synthetic growth medium containing glucose; it was determined as 5988.6 mg/L in the growth medium obtained by the hot water extraction of untreated (wet) grape pomace at a solid/liquid ratio of 100 g/L. 
It has been observed that, microbial growth in the synthetic growth media at varying glucose concentrations between 5-100 g/L and in the natural growth media which were obtained by the hot water extraction of untreated (wet) and dried orange peel, grape pomace and carrot pomace wastes at varying solid/liquid ratios between 10-100 (at varying TIS concentrations), fit the Monod model very well.
In the last part of the study, β-carotene production studies from R. glutinis were carried out in the growth media including reducing sugars, which were obtained with the acid hydrolysis of the hot water extraction residue of 100 g/L dried pulpy orange peel, seedless grape pomace and carrot pomace. After the hot water extraction process of 100 g dry waste/L of pulped orange peel, seedless grape pomace and carrot pomace wastes, 70%, 72% and 62% reduction in the mass of the wastes was observed, respectively. In addition, total waste mass decreased by 85.3%, 80.2% and 70.2% for each 100 g/L dry food waste, respectively, after the acid hydrolysis of the extraction residues. Sugar concentrations obtained with acid hydrolysis of pulpy orange peel, seedless grape pomace and carrot pomace extraction residues were determined as 10.1 g/L, 6.7 g/L and 10.8 g/L, respectively. The highest β-carotene concentration of 370.0 mg/L was obtained with R. glutinis growing in the medium obtained by acid hydrolysis of the extraction residues of orange peels. 
R. glutinis produced 1407.1 mg/L and 370.0 mg/L β-carotene in the medium obtained with the extraction of 100 g/L dried pulpy orange peel and in the medium obtained with the acid hydrolysis of its 30 g/L extraction residue, respectively. Hence, total β-carotene production enhanced by 26% to 1777.1 mg/L. 
R. glutinis produced 3125.7 mg/L and 153.9 mg/L β-carotene in the medium obtained with the extraction of 100 g/L dried pulpy orange peel and in the medium obtained with the acid hydrolysis of its 28 g/L extraction residue, respectively. Hence, total β-carotene production enhanced by 4.9% to 3279.6 mg/L. 
R. glutinis produced 2245.7 mg/L and 193.8 mg/L β-carotene in the medium obtained with the extraction of 100 g/L dried pulpy orange peel and in the medium obtained with the acid hydrolysis of its 38 g/L extraction residue, respectively. Hence, total β-carotene production enhanced by 8.6% to 2439.5 mg/L. 
In this study, for first time in the literature, β-carotene, a high value-added product was produced by the valorization of the food wastes, the product yield was increased with two consecutive processes of extraction with hot water and acidic hydrolysis, and an important contribution was made to the zero waste approach by reducing the residual waste biomasses in significant amounts.