Farklı modifikasyon yöntemlerinin glukomannan ve galaktomannan yapılı biyopolimerlerin yapısal ve reolojik özellikleri üzerine etkisinin incelenmesi
Investigation of effect of various modification techniques on structural and rheological properties of glucomannan and galactomannan based biopolymers
Yazar: SAFA KARAMAN
Danışman: PROF. DR. AHMED KAYACIER
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Bu çalışmada yapısal olarak birbirinden farklı iki tip biyopolimerin iki farklı modifikasyon işlemi neticesinde yapısal ve reolojik özelliklerinde meydana gelen değişimlerin araştırılması amaçlanmıştır. Bu kapsamda, glukomannan yapılı salep ile galaktomannan yapılı guar gam materyal olarak seçilmiş, doğal formda fizikokimyasal ve reolojik karakterizasyonu gerçekleştirilmiş olan polimerler daha sonra asit ve enzim modifikasyonuna tabi tutulmuştur. Asit ile modifikasyon işleminde mineral asit olarak hidroklorik asit kullanılmış, enzim modifikasyonunda ise pullulanaz enziminden faydalanılmıştır. Asit modifikasyon işlemi 0-20 saat boyunca dört farklı sürede (5, 10, 15 ve 20 saat) gerçekleştirilmiş, enzim modifikasyonu işleminde ise tepki yüzey yöntemi ile çalışma şartları optimize edilmiş enzim kullanılarak, arzu edilen viskozite azalma oranlarında modifikasyon gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla hem salep hem de guar gam polimerleri için %30, 45, 60 ve 75 oranında viskozite azalması sağlanacak şekilde optimize edilmiş şartlarda modifikasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Hem doğal formda bulunan polimerlerin hem de modifiye edilmiş polimerlerin mikrobiyal bir polisakkarit olan ve yapısı itibariyel jel oluşturabilen ksantan gam ile interaksiyonel etkilerini araştırmak amacıyla üç farklı seviyede (0,3:0,7, 0,5:0,5 ve 0,7:0,3) salep:ksantan ve guar:ksantan gam karışımları hazırlanmış ve bu karışımların reolojik analizleri hem 0. saat hem de 24. saat sonunda gerçekleştirilmiştir. Örneklerin reolojik karakterizasyonu kapsamında yatışkın faz, dinamik faz ve sürünme-toparlanması testleri gerçekleştirilmiş, konformasyonel anlamda modifikasyonun etkisi ise taramalı elektron mikroskobu, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi ve X-ışınları kırınım difraktometresi kullanılarak belirlenmiştir. Modifikasyon ile örneklerin molekül ağırlıklarında meydana gelen değişim yüksek basınçlı boyut dışlama kromatografisi ile, polimerlerin major şeker kompozisyonları ise refraktif indeks dedektörüne sahip yüksek basınçlı sıvı kromatografi sistemi ile tespit edilmiştir. Genel olarak çalışılan biyopolimerlerin doğal hallerinin Newton tipi olmayan kesme incelmesi davranış sergilediği ve görünür viskozite değerlerinin konsantrasyona bağlı olarak arttığı gözlenmiştir. Asit ile modifikasyon işleminde muamele süresine bağlı olarak polimerin hem yatışkın faz hem de dinamik faz kesme reolojik parametre değerleri azalmış, ayrıca molekül ağırlığı da düşüş göstermiştir. Enzimatik modifikasyon işleminde, modifiye polimerlerin benzer şekilde viskozite ve elastisite değerleri daha düşük bulunmuştur. Hem salep hem de guar gam polimeri doğal hallerinde ksantan gam ile kuvvetli sinerjistik etki oluşturmuş, ancak asit ve enzim modifikasyonu sonrasında sinerji azalmıştır. Zamana bağlı olarak sinerji değerlerinde çok önemli bir değişim meydana gelmemiştir. Modifikasyon işlemi morfolojik yapıda parçalanma ve kırılmalara yol açmış, ancak örneklerin fonksiyonel gruplarında çok önemli değişiklikler meydana getirmemiştir.

Abstract:
In this study, it was aimed to investigate the change in rheological and structural characteristics of two different types of biopolymers after two different modification techniques. For that purpose, glucomannan based salep and galactomannan based guar gum were selected as material and modification techniques using acid or enzyme were applied to the biopolymers after determination of some physicochemical and rheological properties of native form of the materials used. Hydrochloric acid, a mineral acid, was used in acid modification, while pullulanase was selected as debranching enzyme in enzyme modification. Acid modification process was performed at four different periods (5, 10, 15 and 20 h), in enzyme modification, pullulanase which was the optimized using response surface methodology was used depending on the desired viscosity decrease. In this regard, optimization of enzyme activity was conducted to provide 30, 45, 60 and 75% of viscosity decrease in the polymer solution in the selected conditions. To investigate the synergistic interactions between both native and modified biopolymers with xanthan gum which is a microbial sourced biopolymer with gelation ability, salep:xanthan and guar:xanthan mixtures were prepared at three different proportions (0.3:0.7, 0.5:0.5 and 0.7:0.3) and rheological properties of the mixtures were determined at 0th and 24th hour after mixing at room temperature. To characterize the rheological properties of the samples, steady shear, dynamic shear and creep-recovery rheological analysis were performed. To understand the conformation alteration in the structure, scanning electron microscope, Fourier transform infrared spectroscopy and X-ray diffraction techniques were utilized. High performance size exclusion chromatography was used to determine the changes in molecular weights of the samples with the modifications and major sugar compositions of the studied samples were characterized by high performance liquid chromatography equipped with refractive index dedector system. Generally, the native biopolymers showed non-Newtonian shear thinning flow behavior and their apparent viscosity values increased with the increase in level of biopolymer concentrations. Depending on the acid treatment durations in acid modification, the parameters recorded during steady shear and dynamic shear rheological measurements decreased, in addition, a decrement was observed in molecular weight of the samples. In enzymatic modification, apparent viscosities and elastic modulus values of modified samples were determined to be lower compared to native forms. Both guar gum and salep in their native forms showed strong synergistic interactions with xanthan gum, but the occured synergism decreased with the modification of biopolymers using acid or enzyme. And, no significant change in rheological parameters was observed with respect to time at room temperature. Modification processes caused important breaking and destruction in the morphological structure, but there was no significant changes occured in the functional groups of the molecular structure of the samples.