Toprak ve gıdalardan izole edilen mikroorganizmaların sistein, glutamik asit ve beta karoten üretim potansiyellerinin belirlenmesi
Determination of cysteine, glutamic acid and beta carotene production potantial of the microorganisms isolated from different soil and food samples
Yazar: CİHAT GÜNER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERTAN ERMİŞ
İstanbul Sabahattin Zaim Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Biyoproses = Bioprocess ; Helal gıda = Permissible food ; Moleküler tanı = Molecular identification ; Protein saflaştırma = Protein purification

Özet:
Bu çalışmanın amacı; gıda endüstrisinde gıda katkı maddeleri olarak kullanılan sistein, glutamik asit ve beta karoteni üretme yeteneğine sahip mikroorganizmaları çeşitli gıda ve toprak numunelerinden izole etmek, en iyi üretim yeteneğine sahip türlerin tanımlamasını yaparak çeşitli besiyerlerinde üretim potansiyellerini araştırmaktır. Bu amaçla, Türkiye'nin yedi bölgesinden farklı lokasyonlardan 37 adet toprak ve 9 adet gıda ürünü olmak üzere toplamda 46 örnek alınmış ve bu örneklerden toplamda 262 koloni izole edilmiş ve bu türlerin sistein, glutamik asit ve beta karoten üretim potansiyelleri ortaya konulmuştur. 
Çalışmada elde edilen verilere göre en yüksek metabolit üretme yeteneği gösteren izolatlar tespit edilmiş ve 16S rRNA dizi analizi ile tür identifikasyonları yapılmıştır. Elde edilen DNA dizilimlerinin gen bankası ile karşılaştırılması sonucu en yüksek sistein üretimi gözlemlenen izolatın Bacillus sp. strain CG1; en yüksek glutamik asit üretimi gözlemlenen izolatın Stenotrophomonas sp. strain CG2; ve en yüksek beta karoten üretimi gözlemlenen izolatın ise Enterococcus sp. strain CG3 olduğu anlaşılmıştır.
Araştırmada; Bacillus sp. strain CG1'in en yüksek sistein üretimi yaptığı optimum besiyeri içeriği ve diğer proses parametreleri (pH 7,5, 40 ℃ sıcaklık, 175 rpm çalkalama hızı ve 84 saat fermantasyon süresi) tespit edilmiştir. Yine uygulanan optimum koşullar ve belirtilen sürede Bacillus sp. strain CG1'in 4,24±0,47 g/L sistein üretebildiği belirlenmiştir. Üretilen sistein Dowex 50 marka katyonik iyon değiştirici reçine kullanılarak besiyeri ortamından ayrıştırılmış ve %64,26 oranında geri kazanım verimi sağlanmıştır.
Araştırmada; Stenotrophomonas sp. strain CG2'nin en yüksek glutamik asit üretimi yaptığı optimum besiyeri içeriği ve diğer proses parametreleri (pH 7, 30℃ sıcaklık, 200 rpm çalkalama hızı ve 84 saat fermantasyon süresi) tespit edilmiştir. Yine uygulanan optimum koşullar ve belirtilen sürede Stenotrophomonas sp. strain CG2'nin 3,76±0,65 g/L glutamik asit üretilebildiği belirlenmiştir. Üretilen glutamik asit Amberlite IR 120 marka katyonik iyon değiştirici reçine kullanılarak besiyeri ortamından ayrıştırılmış ve %53,48 oranında geri kazanım verimi sağlanmıştır.
Araştırmada; Enterococcus sp. strain CG3 'ün en yüksek beta karoten üretimi yaptığı optimum besiyeri içeriği ve diğer proses parametreleri (pH 7,5, 40℃ sıcaklık, 175 rpm çalkalama hızı ve 84 saat inkübasyon) tespit edilmiştir. Yine uygulanan optimum koşullar ve belirtilen sürede Enterococcus sp. strain CG3'ün 53,36±5,34 mg/L beta karoten üretebildiği belirlenmiştir. Üretilen beta karotenin bakteri hücrelerinden ayrıştırılmasında ise hekzan ile saflaştırma yöntemi tercih edilmiş ve %80,75 oranında verimde geri kazanım sağlanmıştır.
Sonuç olarak, Türkiye'deki farklı bölgelerden toplanmış çeşitli kaynaklardan izole edilen mikroorganizmaları kullanarak ülkemizde üretilmeyen ve yurt dışından tedarik edilen sistein, glutamik asit ve beta karoten gibi endüstriyel öneme sahip gıda katkı maddelerinin aynı konuda yapılan diğer çalışmalara benzerlik gösterdiği saptanmıştır. Elde edilen veriler doğrultusuna izolatlarda yapılacak genetik modifikasyonlar ve endüstriyel atıklar kullanılarak yapılacak proses optimizasyonları ile bu gıda katkı maddelerinin ekonomik ve sürdürülebilir şekilde ülkemizde de yerli kaynaklar ile üretilebileceği ön görülmektedir.

Abstract:
The aim of this study was to isolate microorganisms from food and soil samples to assess their production ability of cysteine, glutamic acid and beta carotene and to identify the best productive strains. For this purpose; 46 soil and food samples were collected from different locations in Turkey and 262 colonies were isolated and their cysteine, glutamic acid and beta carotene production potentials were investigated 
Based on the data obtained in this research, the isolates which produced higest amount of metabolites were identified by using 16S rRNA sequence analysis. As a result of the searching the DNA sequences of the isolates in the GenBank® database, the highest cysteine producing isolate was identified as Bacillus sp. strain CG1; the highest glutamic acid producing isolate was identified as Stenotrophomonas sp. strain CG2 and the highest beta carotene producing isolate was identified as Enterococcus sp. strain CG3.
In this research, the growth media composition which provided highest cystein production using Bacillus sp. strain CG1 was determined in addition to the optimum other process parameters like (pH 7,5, temperature 40℃, mixing speed 175 rpm and fermentation time 84 hours). Under the optimum conditions, Bacillus sp. strain CG1 produced 4,24 ± 0,47 g/L cysteine during the incubation period. The produced cysteine was separated from the fermentation medium using the Dowex 50 cationic ion exchange resin with 64,26% recovery efficiency.
In this research, the growth media composition which provided highest amount of glutamic acid using Stenotrophomonas sp. strain was determined in addition to the optimum other process parameters like (pH 7, temperature 30℃, mixing speed 200 rpm rpm and fermentation time 84 hours). Under the optimum conditions, Stenotrophomonas sp. strain CG2 produced 3,76 ± 0,65 g/L glutamic acid during the incubation period. The produced cysteine was separated from the fermentation medium using the Amberlite IR 120 cationic ion exchange resin with 53,48% recovery efficiency. 
In this research, the growth media composition which provided highest amount of beta carotene using Enterococcus sp. strain CG3 was determined in addition to the optimum other process parameters like (pH 8, temperature 40 ℃, mixing speed 150 rpm rpm and fermentation time 84 hours). Under the optimum conditions, Enterococcus sp. strain CG3 produced 53,36 ± 5,34 mg/L glutamic acid  during the incubation period. The produced cysteine was separated from growth media using the hexan with 80,75% recovery efficiency.
As a result, the microbial strains isolated from food and soil samples which were collected from different regions of Turkey, shows industrial production ability of cysteine, glutamic acid and beta carotene. Based on the data obtained, it is anticipated that these food additives can be produced economically and sustainably. Applying genetic modifications may result in increased yield of production using optimized fermentation conditions. In addition, the cost of production might be reduced by using industrial food by-product or wastes as growth media.