Bulgur kepeğinin ekstrüzyon ile ön işlemi ve enzimatik yolla ksilooligosakkarit üretimi
Pretreatment of bulgur bran by extrusion and xylooligosaccharide production by enzymatic process
Yazar: RUKİYE ÇALIŞKAN
Danışman: DOÇ. DR. SİBEL YAĞCI ; PROF. DR. DİDEM SUTAY KOCABAŞ
Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Son yıllarda orman, gıda işleme ve tarım atıklarının, işlenerek katma değeri yüksek ürünlere dönüştürülmesi biyoekonomi kavramı açısından büyük önem kazanmıştır. Yapısında selüloz, hemiselüloz ve lignin barındıran bu atıklar lignoselülozik biyokütle olarak adlandırılmaktadır. Bu çalışmada lignoselülozik biyokütle olarak bulgur kepeği kullanılmıştır. Bulgur kepeği çift vidalı ekstrüder kullanılarak ön işlemden geçirilmiştir. Ekstrüzyon işlemi sonrası elde edilen katı fraksiyonların, enzimatik yolla nişasta giderme işlemi yapılmış ve ardından hemiselüloz verimleri saptanmıştır. Deney tasarımı Box-Behnken yöntemi ile üç değişken ve üç seviyede yapılmıştır. Yanıt yüzey metodu, sıcaklık (40-110 °C), vida hızı (100-250 rpm) ve alkali konsantrasyonu (0-0,02 g alkali/g biyokütle) gibi bağımsız değişkenlerin hemiselüloz verimi (%) üzerine etkilerinin modellenmesinde kullanılmıştır. En yüksek hemiselüloz verimi hedefiyle ekstrüzyon süreci ve alkali konsantrasyonu optimize edilmiştir. 250 rpm vida hızı, 0,02 g alkali/g biyokütle ve 67°C sıcaklık şartlarındaki optimum noktada hemiselüloz verimi %28,03 olarak bulunmuştur. Ön işlem görmemiş bulgur kepeğine göre %40,4 oranında verim artışı olduğu saptanmıştır. Optimum ön-işlem görmüş hemiselüloz ve ham biyokütleye Aspergillus oryzae'den üretilmiş ticari ksilanaz enzimi ile hidroliz işlemi uygulanmıştır. Hidroliz sonucu elde edilen örnekler ince tabaka kromatografisi (TLC) ile incelendiğinde, ksiloz (X1) içermeyen, ksilobiyoz (X2) içeren ksilooligosakkarit (KO) karışımı elde edilmiştir. Bu sonuç, bulgur kepeği hemiselülozunun yüksek potansiyelli bir ksilooligosakkarit kaynağı olduğunu ortaya koymuştur. Çalışmanın son aşamasında hemiselüloz örneklerinin morfolojileri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile, termal özellikleri ise diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ile belirlenmiştir. Bulgur kepeğinin ön işlemden geçirilmesi sonrasında yapıda oldukça belirgin morfolojik değişimlerin olduğu gözlenmiştir. Optimum şartlarda işlenen ürünün DSC grafiğinde, işlenmemiş biyokütleye kıyasla herhangi bir erime piki gözlenmemiştir.

Abstract:
In recent years, the transformation of forest, food processing and agricultural wastes into high value-added products has gained great importance in terms of bioeconomy concept. These wastes, containing cellulose, hemicellulose and lignin in their structure, are called as lignocellulosic biomass. In this study, bulgur bran was used as a lignocellulosic biomass. Bulgur bran was pre-treated using a twin screw extruder. The solid fractions, obtained after the extrusion process, were enzymatically processed to remove starch and then, hemicellulose yields were determined. Experimental design was carried out using Box-Behnken method with three variables and at three levels. Response surface methodology was used to model the effects of independent variables such as temperature (40-110°C), screw speed (100-250 rpm) and alkali concentration (0-0.02 g alkali/g biomass) on hemicellulose yield (%). Extrusion process and alkali concentration were optimized to obtain highest hemicellulose yield. The hemicellulose yield was found to be approximately 28.03% under the optimum conditions of 250 rpm screw speed, 0.02 g alkali/g biomass and 67°C temperature. It was determined that the hemicellulose yield was increased by 40.4% compared to unprocessed bulgur bran. Hemicellulose pre-treated under optimum conditions and crude biomass were hydrolyzed using commercial xylanase enzyme obtained from Aspergillus oryzae. Samples obtained after hydrolysis, were examined by thin layer chromatography (TLC), a mixture of xylooligosaccharides (XO), not including xylose (X1)but containing xylobiose (X2), was obtained. This result revealed that bulgur bran hemicellulose shows large potential as a XO source. At the last stage of the study, the morphology of the hemicellulose samples was examined by scanning electron microscope (SEM), and the thermal properties were investigated using differential scanning calorimeter (DSC). It was observed that after the pre-treatment of bulgur bran, there were clear morphological changes in the structure. In the DSC plot of the product treated at the optimum conditions, no melting peak was observed compared to the untreated biomass.