Türk kahvesinin akrilamid içeriği ile asparaginaz enziminin akrilamid oluşumu ve uçucu bileşikler profiline etkileri
Acrylamide content in turkish coffee and the effect of asparaginase enzyme on acrylamide formation and volatile compounds profile
Yazar: BANU AKGÜN
Danışman: PROF. DR. MUHAMMET ARICI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Geleneksel gıda = Traditional food

Özet:
Bu çalışmada, Türk kahvesinde ve piyasada satılan diğer yöresel kahvelerde (dibek ve menengiç) akrilamid düzeylerini ve bazı fiziko-kimyasal özelliklerini tespit etmek ve Türk kahvesi üretiminin model olarak kullanıldığı sistemde yeşil kahve çekirdeklerini asparaginaz enzimi ile muamele etmenin üründe oluşan akrilamid miktarına, ürünün aroma profiline ve duyusal özelliklerine olan etkilerini incelemek amaçlanmıştır.

Tez çalışmasında ilk olarak, piyasadan toplanan kahve örneklerinde (20 Türk kahvesi, 8 dibek kahvesi, 8 menengiç kahvesi) akrilamid, kuru madde, kül, suda çözünen madde (SÇM), HMF, protein, şeker, nem, pH, renk ve kafein analizleri yapılmış ve akrilamid seviyesi ile bu parametreler arasındaki korelasyonlar araştırılmıştır. Öncesinde, kahvelerin akrilamid seviyesini güvenilir bir şekilde belirlemek için LC-MS/MS cihazında validasyon çalışması yapılmıştır. Lineer regresyon analizine göre kalibrasyon eğrisinin 30-1000 µg/kg aralığında yüksek determinasyon katsayısına (R2=0,999) sahip olduğu saptanmıştır. Yöntemin tespit limiti (LOD) ve ölçüm limitinin (LOQ) sırasıyla 4,6 µg/kg ve 15,5 µg/kg olduğu bulunmuştur. Kahve örneklerinin akrilamid konsantrasyonunun 31,1±0,6 µg/kg ile 323,4±5,4 µg/kg arasında değiştiği belirlenmiştir. Menengiç kahvesinde saptanan ortalama akrilamid seviyesinin (240,3 µg/kg), Türk kahvesi (204,3 µg/kg) ve dibek kahvesine (78,6 µg/kg) oranla daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Kahvelerin akrilamid ve HMF seviyeleri arasında pozitif korelasyonlar (Türk kahvesinde (r=0,698, p<0,01), dibek kahvesinde (r=0,932, p<0,01) ve menengiç kahvesinde (r=0,957, p<0,01)) olduğu belirlenmiştir. Kahve örneklerinin düşük miktarda glikoz ve fruktoz öte yandan nispeten daha yüksek miktarda sükroz içerdiği saptanmıştır. Ayrıca, kahvelerin sükroz ve akrilamid seviyeleri arasında istatiksel olarak pozitif ilişki olduğu tespit edilmiştir.

Araştırmanın ikinci kısmında, yanıt yüzey metodolojisi kullanılarak asparaginaz enzimi konsantrasyonunun (0-4000 ASNU) ve uygulama süresinin (30-120 dakika) kahvelerde akrilamid oluşumu üzerine olan etkileri incelenmiştir. Bu işlemin optimizasyonu için merkezi karma tasarım (MKT) kullanılmıştır. İstatiksel optimizasyona göre 3110,2 ASNU dozunda asparaginaz enzimiyle 80,4 dakika muamele edilen yeşil kahve çekirdeklerinde minimum akrilamid oluşumu meydana geldiği saptanırken yeşil kahve çekirdeğindeki (enzim uygulanıp kurutulan) asparajin miktarı ve kavrulan kahvelerde akrilamid oluşumu arasında pozitif ilişki (r=0,669, p<0,01) bulunmuştur. 

Elde edilen optimum koşullarda enzim uygulanarak ve enzim uygulanmadan standart koşullarda üretilen kahvelerin aroma profili ve duyusal özellikleri karşılaştırılmıştır. Panelistler kahvelerin incelenen duyusal özelliklerinde (kahve aroması, yanık/dumansı, kavrulmuş, meyvemsi, acılık, karamel/tatlı, genel izlenim/beğeni) önemli bir farklılık saptamamışlardır. Her iki kahve örneğinde benzer aroma bileşenleri izole edilmiş ve aroma maddelerinin toplam miktarının enzim uygulaması ile bir miktar azaldığı belirlenmiştir. Tük kahvesindeki aroma bileşiklerinin büyük bir kısmını furan, pirazin, aldehit, fenol, ester, terpen, alkol ve pirol bileşikleri oluşturmuş, bunları asit, piridin ve lakton bileşikleri izlemiştir.

Yapılan bir diğer optimizasyon çalışmasında, üretilen Türk kahvesinde yüksek seviyede uçucu pirazin bileşenleri (2-Metilpirazin, 2,3-Dimetilpirazin, 2,5-Dimetilpirazin ve 2-Asetil-3-metilpirazin) ve minimum seviyede akrilamid eldesi için yeşil kahveye en optimum enzim uygulama şartlarının (doz ve uygulama süresi) 2126,4 ASNU ve 82,73 dakika olduğu saptanmıştır.

Elde edilen bulgular doğrultusunda, asparaginaz enzimi dozu ve uygulama süresinin kahvedeki akrilamid oluşumunu etkilediği ve akrilamid konsantrasyonu düşük Türk kahvesi eldesi için en uygun enzim uygulama koşulunun 3110,2 ASNU ve 80,4 dakika olduğu bulunmuştur. Ayrıca, düşük seviyede akrilamid ve yüksek seviyede pirazin bileşenleri içeren Türk kahvesi üretimi için en ideal asparaginaz enzimi uygulama şartları 2126,4 ASNU ve 82,73 dakika olarak belirlenmiştir.

Abstract:
The aim of this study is to determine acrylamide levels and physico-chemical properties of Turkish coffee and other local coffees (Dibek and Terebinth) sold in the Turkish market and is to evaluate the effects of treating green coffee beans with asparaginase enzyme on the amount of acrylamide, aroma profile and sensory properties of the product in which Turkish coffee production is used as a model.

First in thesis study, acrylamide concentrations, dry matter, ash, water soluble substance, pH, HMF, protein, sugar, moisture, caffeine content and colour values of commercially available coffee samples (20 Turkish coffee, 8 Dibek coffee, 8 Terebinth coffee) were measured and correlations between the acrylamide level and these parameters were investigated. In order to determine the acrylamide level of coffees safely, a validation study was performed on LC-MS/MS. According to linear regression analysis, the calibration curve has a high coefficient of determination (R2=0,999) in the range of 30-1.000 µg/kg. Limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ) were found to be 4,6 µg/kg and 15,5 µg/kg, respectively. It was observed that the acrylamide concentration of coffee samples ranged from 31,1±0,6 to 323,4±5,4 µg/kg. The average acrylamide level (240,3 µg/kg) detected in Terebinth coffee was higher than Turkish coffee (204,3 µg/kg) and Dibek coffee (78,6 µg/kg). Positive correlations (for Turkish coffee (r=0,698, p<0,01), for Dibek coffee (r=0,932, p<0,01) and for Terebinth coffee (r=0,957, p<0,01)) were found between acrylamide and HMF concentration of coffees. It was found that coffees contain low amounts of glucose and fructose but a relatively high amount of sucrose. In addition, a positive relationship was found between sucrose and acrylamide levels of coffees.

In the second part of the study, the effects of asparaginase enzyme concentration (0-4000 ASNU/kg coffee bean) and application time (30-120 minutes) on the concentrations of acrylamide of coffee were observed by using response surface methodology. The central composite design (CCD) was used to optimize this process. According to the statistical optimization, minimum acrylamide formation occurred in green coffee beans treated with asparaginase enzyme dosage of 3110,2 ASNU for 80,4 minutes, and a positive correlation (r=0,669, p<0,01) was found between the amount of asparagine in green coffee (enzymes applied and dried) bean and the formation of acrylamide in roasted coffee.

The aroma profile and sensory properties of the coffees produced under standard conditions without enzyme application and with enzyme application under optimum conditions were compared. Panelists found no significant difference in the sensory properties of coffee (coffee aroma, burn/smoke, roasted, fruity, bitterness, caramel/sweet, general impression/taste). Similar aroma components were isolated in both coffee samples and it was determined that the total amount of aroma compounds decreased slightly with enzyme application. Most of the aroma compounds in Turkish coffee consisted of furan, pyrazine, aldehyde, phenol, ester, terpene, alcohol and pyrrole compounds followed by acid, pyridine and lactone compounds.

In another optimization study, the most optimum enzyme application conditions (dose and application time) to obtain the highest level volatile pyrazine compounds (2-Methylpyrazine, 2,3-Dimethylpyrazine, 2,5-Dimethylpyrazine and 2-Acetyl-3-Methylpyrazine) and minimum level acrylamide in produced Turkish coffee was determined as 2126.4 ASNU and 82.73 minutes.

According to findings, asparaginase enzyme dose and application time affect the formation of acrylamide in coffee and the most suitable enzyme application condition for obtaining Turkish coffee with the lowest acrylamide concentration was 3110.2 ASNU and 80.4 minutes. Furthermore, an ideal condition for producing Turkish coffee with the lowest levels of acrylamide and the highest levels of pyrazine compounds was determined as 2126.4 ASNU and 82.73 minutes.