Bira atığından Monascus renk pigmentleri üretimi ve stabilitesinin belirlenmesi
Production of Monascus pigments from brewer's spent grain and determination of its stability
Yazar: MEHMET SELİM ŞILBIR
Danışman: PROF. DR. MEHMET YEKTA GÖKSUNGUR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Atık değerlendirme = Waste evaluation

Özet:
Son yıllarda insan ve çevre sağlığı açısından risk teşkil eden sentetik renk maddeleri yerine doğal renk maddelerinin alternatif ve ucuz kaynaklardan üretimleri üzerine çok sayıda çalışma yapılmaktadır. Bu çalışmada bira sanayinin önemli bir atığı olan bira mayşe atığından Monascus purpureus küfü kullanılarak kırmızı renk pigmenti üretimi hedeflenmiştir. Bira mayşe atığı lignoselülozik bir hammadde olduğundan hidrolize karşı dirençlidir. Bu nedenle ilk aşamada bira mayşe atığının Monascus purpureus tarafından kullanılabilmesi amacıyla değişik hidroliz ve sonrasında detoksifikasyon yöntemleri denenmiştir. Kullanılan yöntemler arasında en yüksek pigment üretimi H2SO4 ile hidroliz ve sonrasında Ca(OH)2 ile detoksifikasyon gerçekleştirilerek elde edilmiştir. Hidrolizde kullanılan asit konsantrasyonu, atığın seyreltme oranı, fermantasyon başlangıç pH'sı, fermantasyon hacmi, aşı miktarı, azot kaynağı ve kullanılan mikroorganizmanın suşu gibi parametrelerin pigment üretimi üzerine etkisi tek değişkenli optimizasyon yöntemi ile belirlenmiştir. Maksimum pigment üretimi olan 22.25 UA değeri, bira mayşe atığı [1:6] (w/w) oranında seyreltilip, %2 (w/v) H2SO4 konsantrasyonu kullanılarak hidroliz edildiğinde, %2 (v/v) oranında küf sporları ile aşılanmış, başlangıç ortam pH'sı 5.5 olan 50 ml fermantasyon ortamı hacminde, azot kaynağı olarak 8 g L-1 monosodyum glutamat kullanıldığında elde edilmiştir. Kullanılan besiyeri bileşenlerinin pigment üretiminde önem seviyeleri Plackett-Burman tasarım yöntemi ile tespit edilmiş
ve monosodyum glutamat (MSG) ve çinko sülfatın (ZnSO4.7H2O) kırmızı pigment üretiminde istatistiksel olarak önemli olduğu belirlenmiştir. Çalışmanın son aşamasında ise karıştırmalı tank tipi biyoreaktörde farklı karıştırıcı ve havalandırma hızı kombinasyonlarında pigment üretimi gerçekleştirilmiş ve maksimum pigment üretim değerleri olan 20.21 UA (kırmızı), 21.01 UA (turuncu) ve 25.75 UA (sarı), değişken karıştırıcı hızı(ilk beş gün 100 rpm, son üç gün 200 rpm) ve değişken havalandırma hızında (ilk üç gün 1 vvm, son 5 gün 0.5 vvm) elde edilmiştir. Üretilen pigmentin ısıya ve farklı pH değerlerine karşı stabilitesi test edilmiş ve pigmentin pH 6.0'da, 40 oC sıcaklıkta 360 dakikaya (>%92), pH 8.0'de ve 80 oC'de 180 dakikaya kadar stabilitesini önemli derecede (>%85) koruyabildiği belirlenmiştir.
Literatürde bira mayşe atığı kullanılarak derin fermantasyon yöntemi ile pigment üretimi üzerine detaylı bir çalışmaya rastlanılmamış olup, bu alanda literatüre katkı sağlanmıştır. Ayrıca, ülkemizde çoğunlukla hayvan yemi olarak değerlendirilen bir atık üründen katma değeri yüksek bir doğal renk maddesi üretiminin önü açılmıştır.

Abstract:
The production of natural color substances from alternative and inexpensive sources has been studied in the last years. The aim of this study is to produce red pigment by using Monascus purpureus from brewer's spent grain which is an important waste originated from brewery industry. Brewer's spent grain is a lignocellulosic raw material that is resistant to hydrolysis. Therefore in the first part of this thesis, different hydrolysis and subsequent detoxification methods were applied on brewer's spent grain in order to make it available for Monascus purpureus. Among the methods used, the highest pigment production was obtained by hydrolysis using H2SO4 and subsequent detoxification with Ca(OH)2 . The effect of parameters such as acid concentration in hydrolysis, dilution rate, initial medium pH, fermentation volume, inoculum amount nitrogen source and microorganism strain on pigment production were determined by one variable at a time optimization method. The maximum pigment production of 22.25 UA was obtained when brewer's spent grain diluted in [1:6] (w/w) acid solution and hydrolyzed using a concentration of 2% (w/v) H2SO4 and inoculated with 2% (v/v) mold spores at 50 ml of the fermentation medium volume with an initial pH of 5.5, 8 g L-1 of monosodium glutamate (MSG) was used as the nitrogen source. The importance levels of media components used in pigment production were determined by Plackett-Burman design method. It was found that monosodium glutamate and zinc sulphate (ZnSO4.7H2O) were statistically significant in the production of red pigment. In the final stage of the study, pigment production in different stirrer speed and aeration rate combinations in stirred tank bioreactor was performed. The maximum pigment production values of 20.21 UA (red), 21.01 UA (orange) and 25.75 UA (yellow) were obtained at variable stirrer speed (first five days 100 rpm, last three days at 200 rpm) and variable aeration rate (1 vvm for the first three days, 0.5 vvm for the last 5 days) values. Stability of the produced pigment against heat and different pH values was tested. It was determined that the pigment was able to maintain a significant degree of stability (> 92%) at pH 6.0 and 40 °C up to 360 min, at pH 8.0 and 80 °C up to 180 min (>85%).
This is the first study that investigates in detail, the use of nutrient-rich brewer's spent grain derived hydrolysate in the production of red pigments from Monascus purpureus in submerged fermentation.