Su kefiri üretiminin optimizasyonu, mikrobiyotasının araştırılması ve probiyotik özelliğinin incelenmesi
Optimization of water kefir production, investigation of its microbiota and probiotic properties
Yazar: ÇAĞLAR GÖKIRMAKLI
Danışman: PROF. DR. ZEYNEP BANU SEYDİM
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Doğal gıda = Natural food ; Fermente gıdalar = Fermented foods ; Fonksiyonel besinler = Functional foods ; Geleneksel gıda = Traditional food

Özet:
Bu tez çalışmasında su kefiri üretiminin optimizasyonu ve su kefirinde bulunan probiyotik özellikteki mikrobiyotanın tanımlanması hedeflenmiştir. Öncelikle su kefiri danesi ve süt kefiri danesi fiziksel, kimyasal ve mikrobiyolojik açıdan kıyaslanarak, farklılıkları ortaya konulmuştur. Su kefiri danesinin fermantasyonu sonucu elde edilen ürünler fiziksel, kimyasal, mikrobiyolojik, antioksidan kapasite, uçucu bileşenler ve duyusal nitelikler bakımından araştırılmıştır. Su kefiri danesinden izole edilen laktik asit bakterilerinin probiyotik potansiyelleri in-vitro olarak araştırılmış ve tanımlanmıştır. Ek olarak, su kefiri içeceğinin probiyotik özelliğinden kaynaklı sağlık etkisinin tespiti amacıyla sıçan modelinde post-enfekte Irritabl Bağırsak Sendromu üzerindeki profilaksi etkisi incelenmiştir.
Çalışma sonuçlarına göre, su kefiri ve süt kefiri daneleri arasında laktik asit bakterisi ve maya içeriği bakımından anlamlı düzeyde farklılık olduğu tespit edilmiştir (P<0,05). Bakteri içeriği bakımından incelendiği zaman, her iki kefir danesinde de aynı bakteriler sınırlı sayıda (ör Lactobacillus plantarum, Lactococcus lactis, Gluconobacter cerinus) benzerlik gösterse de, genel olarak bakteri içeriğinin farklı olduğu tespit edilmiştir. Ek olarak, Taramalı Elektron Mikroskobuyla yapılan incelemede, dane yüzeylerinin ve iç yapılarının önemli fiziksel yapı ve mikrobiyal içerik farklılıklarına sahip olduğu gözlenmiştir. İlaveten, süt kefiri danesinin protein ve kül içeriği, su kefiri danesine göre yüksek bulunmuştur ve anlamlı düzeyde farklılık göstermiştir (P<0,05). Yapılan mineral içeriği analizinde ise Cu, Fe ve Mo elementleri miktarsal olarak su kefiri danelerinde süt kefiri danelerinden önemli ölçüde yüksek olarak tespit edilmiştir (P<0,05). Son olarak, danelerin parlaklığı ve sarılığı birbirinden anlamlı düzeyde farklı bulunmuştur (P<0,05).
İki farklı ortamda (şekerli su ve incir) ortamda fermente edilen su kefiri danelerinden fermantasyonun 0., 24. ve 48. saatlerinde alınan örneklerinde gerçekleştirilen analizlerde, fermantasyon sonunda, başlangıç durumuna göre her iki su kefiri içeceğinde de pH ve Briks değerlerinde anlamlı seviyede farklılık tespit edilmiştir (P<0,05). Mikrobiyolojik analiz sonuçlarına göre, L. acidophilus, Lactococcus spp., Bifidobacterium spp. ve maya içeriklerinin her iki su kefiri içeceğinde de fermantasyon sonunda başlangıç durumuna göre anlamlı düzeyde farklılık gösterdiği belirlenmiştir (P<0,05). Fermantasyon sonucunda incir-temelli ortamda fermente edilen su kefiri danelerinin laktik asit bakterileri sayısı yaklaşık olarak 7,7 log kob/mL seviyesinde, en yüksek düzeyde tespit edilen bakteri grubu olmuştur. Ek olarak, bulgularımıza göre, substrat çeşidi, kefir örneklerimizde organik asit oluşumu üzerinde önemli düzeyde farklılığa sebep olacak bir etkiye sahiptir (P<0,05). Her iki su kefiri içeceğinde de sakkaroz içeriği başlangıç seviyesine göre azalırken, glikoz şeker-temelli su kefiri örneğinde önemli ölçüde artmıştır ve incir-temelli su kefiri örneğinde azalmıştır (P<0,05). Benzer şekilde fermantasyonla birlikte örneklerin fruktoz içerikleri de anlamlı düzeyde değişim göstermiştir (P<0,05). Su kefiri fermantasyonu için kullanılan substrat ortamının antioksidan kapasite üzerinden anlamlı düzeyde farklılığa sebep olduğu tespit edilmiştir (P<0,05). Şeker-temelli su kefiri örneklerinin uçucu bileşikleriyle incir-temelli su kefiri örneklerinin uçucu bileşikleri arasında farklılıklar tespit edilmiştir. Yapılan duyusal testte, incir-temelli su kefiri içeceği, panelistler tarafından daha çok beğenilmiştir.
Farklı su kefiri daneleri kullanılarak izole edilen toplam 59 laktik asit bakterisinden, 11 uygun izolat seçilerek, düşük pH derecesine ve safra tuzuna toleransları, pepsin ve pankreatin enzimlerine dirençleri, hidrofobisite, otoagregasyon ve koagregasyon yetenekleri, hemolitik aktivite çeşidi, antibiyotik direnci, antimikrobiyal aktivitesi ve kolesterol asimile etme yetenekleri bakımından incelemeye alınmışlardır. Yapılan incelemeler sonucunda, su kefirinden izole edilen 11 bakteri izolatlarının çeşitli düzeylerde in-vitro probiyotik potansiyeline sahip oldukları, tüm analiz sonuçları göz önüne alındığı zaman ise Lacticaseibacillus paracasei OK631802.1 izolatının en ümitvar probiyotik bakteri olma potansiyeline sahip olduğu belirlenmiştir.
Su kefirinin profilaksi etkisinin incelendiği çalışmada, hematolojik bulgular incelendiğinde akyuvar, lenfosit ve monosit sayıları ile prokalsitonin düzeylerinde IBS gruplarında diğer gruplara göre artış gözlenmiştir. IBS oluşumundan önce su kefiri proflaksisi uygulanan grupta değerlerde iyileşme saptanmıştır. Ayrıca, su kefiriyle proflaksi yapılıp IBS oluşturulan grupta patolojik bulguların azaldığı gözlenmiştir. Yine aynı grupta, diğer gruplara oranla TNF-α ekspresyonların belirgin şekilde azaldığı gözlenmiştir. Ayrıca, su kefiri tüketiminin ratların kanlarında toksik ve istenmeyen herhangi bir değişikliğe neden olmadığı tespit edilmiştir. Sonuç olarak, bir sıçan modelinde su kefirinin IBS üzerinde iyileştirici etkisi olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, it is aimed to optimize the production of water kefir and to define the microbiota found in water kefir with probiotic properties. Firstly, water kefir grains and milk kefir grains were compared in aspects of physical, chemical and microbiological contents to reveal their differences. Beverages obtained from fermentation of water kefir grains were analysed for their physical, chemical and microbiological contents as well as antioxidant capacity, volatile compounds and sensory profiles. Probiotic potentials of lactic acid bacteria isolated from water kefir grains was researched as in-vitro. In addition, prophylaxis effects of water kefir on post-infectious Irritable Bowel Syndrome in rat model was studied.
According to results of the study, there was a significant difference between water kefir and milk kefir grains in aspect of lactic acid bacteria and yeast contents (P<0.05). There was a limited similarities in aspect of bacterial content (for instance Lactobacillus plantarum, Lactococcus lactis, Gluconobacter cerinus), but in general, there was a huge difference in aspect of bacterial content. In addition, grains outer surfaces and inner parts had significantly different physical structures and microbial content when examined with Scanning Electron Microscope. Also, milk kefir grains had significantly higher protein and ash content than water kefir grains (P<0.05). According to results of mineral analysis content, Cu, Fe and Mo elements presented significantly higher amounts in water kefir grains rather than milk kefir grains (P<0.05). Finally, the brightness and yellowness of the grains were found to be significantly different from each other.
In the analyzes performed on samples taken from water kefir grains fermented in two different substrates (sugared water and fig) at 0, 24 and 48 hours of fermentation, a significant difference was found in pH and Brix values in both water kefir drinks compared to the initial state at the end of fermentation. (P<0.05). According to microbiological analysis results, L. acidophilus, Lactococcus spp., Bifidobacterium spp. and yeasts content in both water kefir samples were significantly different at the end of fermentation compared to beginning (P<0.05). Lactic acid bacteria content of the fig-based water kefir was determined as 7.7 log cfu/mL at the end of the fermentation, that is, the highest bacteria number determined during the analysis. In addition, according to our findings, substrate type had significant impact on formation of organic acid in our kefir samples (P<0.05). In both water kefir beverages, the sucrose content decreased compared to beginning level, while glucose increased significantly in the sugar-based water kefir sample and decreased in the fig-based water kefir sample (P<0.05). Similarly, fructose contents of the samples showed a significant change with fermentation (P<0.05). It was determined that the substrate medium used for water kefir fermentation caused a significant difference in antioxidant capacity (P<0.05). Differences were determined between the volatile compounds of sugar-based water kefir samples and fig-based water kefir samples. In sensory analysis evaluation, fig-based water kefir drink had higher acceptance from panelists.
Totally 59 different lactic acid bacteria were isolated from various water kefir grains and out of 11 isolate were selected to examine in terms of their tolerance to low pH and bile salt, resistance to pepsin and pancreatin enzymes, hydrophobicity, autoaggregation and coaggregation abilities, type of hemolytic activity, antibiotic resistance, antimicrobial activity and cholesterol assimilation abilities. As a result of the examinations, it was determined that 11 bacterial isolates isolated from water kefir have in-vitro probiotic potential at various levels, and based on all the analysis results, Lacticaseibacillus paracasei OK631802.1 isolate had the potential to be the most promising probiotic bacteria.
In the study examining the prophylaxis effect of water kefir, when hematological findings were examined, an increase was observed in white blood cell, lymphocyte and monocyte counts and procalcitonin levels in IBS groups compared to other groups. An improvement was observed in the values in the group that was administered water kefir prophylaxis before the formation of IBS. In addition, it was observed that the pathological findings decreased in the group with IBS after prophylaxis with water kefir. Again, in the same group, TNF-α expressions were observed to be significantly decreased compared to the other groups. In addition, it has been determined that the consumption of water kefir did not cause any toxic and undesirable changes on the blood of rats. In other words, it was determined that water kefir did not cause toxic effects in rats. In conclusion, water kefir has been found to have a curative effect on IBS in a rat model.