Meyve suyu endüstrisi atıklarından alternatif protein üretimi
Alternative protein production using fruit juice industry waste
Yazar: İPEK CEREN YEŞİLDAĞ
Danışman: PROF. DR. REMZİYE YILMAZ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Bitkisel ve hayvansal protein kaynaklarının artan nüfusla beraber yükselen gıda arz ve taleplerini yeterli oranda karşılayamaması, büyük ölçüde enerji, su ve arazi gereksinimine ihtiyaç duymaları ve üretimlerinin sürdürülebilir olmaması nedeniyle alternatif bir protein kaynağına gereksinim vardır. Bu kapsamda gelecekte yaşanabilecek protein kıtlığının önüne geçilmesi için hammadde maliyeti düşük ve sürdürülebilir bir üretim prensibine sahip ürünler geliştirilmelidir. Mikrobiyal proteinler, bakteriler, algler ve mantarlar gibi çeşitli mikroorganizmaların saf veya karışık kültürlerinin, hammaddeleri veya endüstri atıklarını kullanarak, belirli bir besiyerinde inkübasyonları sonucu elde edilen biyokütlenin ortamdan saflaştırılıp kurutulmasıyla üretilen proteinlerdir. Mikrobiyal protein üretimi için substrat olarak gıda endüstrisi atık ürünlerinin kullanılması düşük katma değere sahip hammaddelerden yüksek katma değerli son ürün eldesini mümkün kılmakta ve ekonomik büyümenin kaynak kullanımına bağlılığını sona erdirmektedir. Bu doğrultuda çalışmada Saccharomyces cerevisiae mayası kullanılarak meyve suyu endüstrisi atıklarından mikrobiyal protein üretilmesi amaçlanmıştır.

Bu amaçla çalışmanın ilk aşamasında Hacettepe Üniversitesi Gıda Mühendisliği Bölümü FoodOmics Laboratuvarı Kültür Koleksiyonu'nda (HUF) bulunan 18 adet S. cerevisiae suşu canlandırılmış, saflıkları kontrol edilmiş ve tanımlamaları doğrulanmıştır. Ardından çalışma kapsamında gerçekleştirilecek fermantasyonlarda hücre gelişimlerinin izlenmesi ve yorumlanması için kontrol suşu olarak seçilen S. cerevisiae ATCC 9763 ile YPD Broth besiyerinde çalışılarak temel bir hücre gelişim profili çıkarılmıştır. Canlandırılan suşlar arasından daha önceki çalışmada teknolojik özellikleri belirlenen yerel suşlar ve ticari S. cerevisiae suşlarının hücre gelişim profilleri, üretilen protein miktarı ve biyokütle verimleri beyaz üzüm suyu ortamında belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda HUF16M2K10004 ve HUF16M3G11088 kodlu yerel suşlar ile 9763 kodlu kontrol suşu çalışmanın devamında kullanılmak üzere seçilmiştir.

Çalışmada meyve suyu endüstrisi atıkları olan yaş posalardan fermantasyon yoluyla mikrobiyal protein üretimi için model besiyeri formülasyonlarının oluşturulması hedeflenmiştir. Bu doğrultuda ilk olarak formülasyonda yer alacak hammadde konsantrasyonlarının belirlenmesi için, literatürde S. cerevisiae suşu gelişimini destekleyici ve mikrobiyal protein üretimi amacıyla kullanılan Bazal besiyeri kompozisyonu modifiye edilerek Bazal I ve Bazal II besiyeri olmak üzere iki farklı besiyeri ile çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu besiyerlerinde kontrol suşu olan S. cerevisiae ATCC 9763 ile fermantasyon gerçekleştirilerek, fizikokimyasal (pH ve protein miktarı) ve biyolojik parametrelerin (hücre konsantrasyonu ve biyokütle verimi) takibi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda Bazal I besiyeri kompozisyonu, S. cerevisiae gelişimini ve mikrobiyal protein üretimini destekleyici temel formülasyon olarak seçilmiştir. Ardından yaş posaların kompozisyon analizleri (nem, kül, ham lif, indirgen şeker ve protein) gerçekleştirilerek mikrobiyal protein üretimi biyoprosesinde kullanılabilirlikleri değerlendirilmiştir. Bu doğrultuda nar çekirdeği, nar kabuğu, kayısı, elma, armut ve şeftali yaş posalarının öne çıktığı gözlemlenmiştir. Bazal I besiyeri formülasyonu, posaların indirgen şeker profilleri ve hasat zamanları göz önünde bulundurularak elma-armut (%50-50 w/w), kayısı-çilek (%70-30, w/w), şeftali (%100, w/w) ve nar kabuğu-nar çekirdeği (%50-50, w/w) yaş posalarından dört farklı besiyeri formülasyonu oluşturulmuştur.

Yaş posalar kullanılarak formüle edilen dört farklı besiyerinde HUF16M2K10004 ve HUF16M3G11088 kodlu yerel suşlarla, 9763 kodlu kontrol suşu ile 28°C'de 72 saat boyunca fermantasyon gerçekleştirilmiştir. Fermantasyonda fizikokimyasal (pH ve protein miktarı) ve biyolojik parametrelerin (hücre konsantrasyonu ve biyokütle verimi) takibi yapılmıştır. Sonuçlar doğrultusunda, nar kabuğu-nar çekirdeği (%50-50, w/w) besiyeri, yüksek biyokütle verimine (25,51-33,14 mg/mL) ve üretilen protein miktarına (19,20-23,51 %w/w) sahip olması dolayısıyla mikrobiyal protein üretiminde substrat olarak öne çıkmıştır. Ayrıca bu besiyerinde yerel suşlar içerisinde HUF16M3G11088 kodlu S. cerevisiae suşunun yüksek biyokütle verimi ile protein üretme kapasitesine sahip olması dikkat çekmiştir.

Çalışmanın son basamağında nar kabuğu-nar çekirdeği besiyeri ve bu besiyerinde en yüksek protein ve biyokütle üretimine sahip yerel HUF16M3G11088 kodlu S. cerevisiae suşu ile üretilen liyofilize kuru toz formdaki mikrobiyal proteinde kuru madde ve nem, primer metabolit, nükleik asit miktarı analizi ve yaşam döngüsü analizi (LCA) olmak üzere ileri analizler gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar doğrultusunda üretilen mikrobiyal proteinin insan vücudunda metabolizma ve fizyolojik açıdan olumlu etkileri bulunan metabolitleri içerdiği, insan tüketimi için kabul edilebilir sınırlar içerisinde nükleik asit konsantrasyonuna sahip olduğu ve üretime ait biyoprosesin, meyve suyu endüstrisi atıklarını değerlendirmede geleneksel yöntemlere kıyasla karbon ayak izinin daha düşük olduğu sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
As the global population continues to expand, plant-based and animal protein sources are unable to adequately meet the growing demand for food due to their significant energy, water, and land requirements and their unsustainable production methods. Therefore, there is a need for alternative protein sources to address the potential future protein shortages. To prevent future protein shortages, products with low raw material costs and sustainable production principles should be developed. Microbial proteins are proteins produced by purifying and drying the biomass obtained by incubating of pure or mixed cultures of various microorganisms such as bacteria, algae, and fungi in a specific medium which is prepared by using raw materials or industrial wastes. The use of food industry wastes as substrates for microbial protein production enables the transformation of low-value raw materials into high-value end products, thus ending the dependence of economic growth on resource consumption.

In this context, the aim of this study was to produce microbial protein from fruit juice industry waste using Saccharomyces cerevisiae yeast. In the first stage of the study, 18 strains of S. cerevisiae from the culture collection of the FoodOmics Laboratory of Hacettepe University Food Engineering Department (HUF) were revived, their purities were checked and their identifications were confirmed. Subsequently, a fundamental cell growth profile was established by working with S. cerevisiae ATCC 9763, which is selected as the control strain, in YPD Broth medium to monitor and interpret cell growth during fermentations to be carried out within the scope of the study. The growth profiles of cells, protein concentrations, and biomass yields of local strains which have been previously characterized for their technological properties and commercial S. cerevisiae strains were determined in white grape juice medium. Based on the results obtained, local strains coded HUF16M2K10004 and HUF16M3G11088, as well as the control strain coded 9763, were selected for further study.

Within the scope of the study model media formulations were developed for microbial protein production using fruit pomace. To achieve this, two different nutrient media, Basal I and Basal II, were developed by modifying the composition of the Basal medium commonly used to support S. cerevisiae growth and microbial protein production. Fermentations were carried out with the control strain S. cerevisiae ATCC 9763 in these media to monitor physicochemical (pH and protein content) and biological parameters (cell concentration and biomass yield). Based on the results obtained, the composition of Basal I medium was selected as the basic formulation supportive of S. cerevisiae growth and microbial protein production. Subsequently, compositional analyses of fruit pomaces (moisture, ash, crude fiber, reducing sugars, and protein) were performed to evaluate their suitability for microbial protein production in the bioprocess. It was observed that pomegranate seeds, pomegranate peel, apricot, apple, pear, and peach fruit pomaces were outstanding this regard. Based on the sugar profiles and harvest times of the pomaces, four different nutrient medium formulations were created as apple-pear (%50-50 w/w), apricot-strawberry (%70-30 w/w), peach (%100 w/w), and pomegranate peel-pomegranate seed (%50-50 w/w) fruit pomaces.

Fermentations were carried out at 28°C for 72 hours with local strains coded HUF16M2K10004 and HUF16M3G11088, as well as the control strain coded 9763, in four different nutrient media formulated using fruit pomaces. During fermentation, physicochemical (pH and protein content) and biological parameters (cell concentration and biomass yield) were monitored. According to the results obtained, the pomegranate peel-pomegranate seed (%50-50 w/w) nutrient medium stood out as a substrate for microbial protein production due to its high biomass yield (25,51-33,14 mg/mL) and protein content (19,20-23,51 %w/w). Furthermore, the local strain HUF16M3G11088 exhibited high biomass yield and protein production capacity in this nutrient medium.

In the final stage of the study, advanced analyses were performed on lyophilized dry powder form of microbial protein produced with pomegranate peel-pomegranate seed nutrient medium and the local strain HUF16M3G11088, which showed the highest protein and biomass production in this medium. These analyses included dry matter and moisture content analysis, primary metabolite analysis, nucleic acid analysis and life cycle assessment (LCA). The results indicated that the produced microbial protein contained metabolites with positive effects on metabolism and physiology in the human body, had nucleic acid concentrations within acceptable limits for human consumption, and the production process had a lower carbon footprint compared to traditional methods of managing fruit juice industry waste.