Isıl işlem ve homojenizasyonun uht sütlerde protein yapısı üzerine etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effecs of heat treatment and homogenization on protein structure in uht milk
Yazar: DİLEK KELGÖKMEN
Danışman: PROF. DR. ALİ TOPCU ; PROF. DR. HAMDİ BARBAROS ÖZER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Homojenleştirme = Homogenization ; Isıl işlem = Heat treatment ; Raman = Raman ; Süt = Milk ; Süt proteinleri = Milk proteins ; UHT = UHT

Özet:
Süte uygulanan ısıl işlem süresince şiddetine bağlı olarak, serum proteinlerinin denatürasyonu, κ-kazein/β-laktoglobulin kompleks oluşumu, kalsiyum fosfat presipitasyonu, Maillard reaksiyonu gibi fizikokimyasal değişimler meydana gelebilmektedir. Bu çalışmanın amacı farklı üretim teknolojileri kullanılarak üretilen UHT sütlerde (direkt enjeksiyon ve indirekt tubular ısıl işlem), UHT yönteminin ve homojenizasyon sırasının (ısıl işlem öncesi ya da sonrası)  proteinler üzerine olası etkilerinin incelenmesidir. Araştırma sonucunda farklı hedef gruplar için geliştirilecek süt bazlı sıvı ürünlerin üretiminde kullanılacak teknolojilere karar verme sürecinde belirleyici olacağı düşünülmektedir. Yerel bir süt firmasında belirtilen amaçlar doğrultusunda UHT süt üretimleri yapılmıştır. Kontrol grubu olarak çiğ süt ve kaynatılmış (100 oC, 10 dk) süt örnekleri kullanılmıştır. 

Çiğ sütün ve ısıl işlem uygulanmış sütlerin pH sı 4.6 ya getirilerek izoelektrik kazein elde edilmiştir. Aynı zamanda tüm süt örneklerinden ultrasantrifüj işlemi kullanılarak (135000xg, 60 dk, 20 oC) kolloidal kazein de elde edilmiştir. Santrifüj işlemi ile ayrılan serum ve pellet dondurularak muhafaza edilmiş, daha sonra ise liyofilizasyon işlemine tabi tutularak dondurularak kurutulmuştur. Örnekler titreşimsel (vibrasyonel) yöntemlerle incelenerek ısıl işlem yönteminin ve homojenizasyon sırasının süt protein konformasyonundaki olası etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla, Azaltılmış Toplam Yansımalı  Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (ATR-FTIR) ve Raman spektroskopisi (1064 nm lazer kaynağı) kullanılmıştır. Bu sayede amid (A, B, I-VII) bağları ve diğer konformasyonel bağların varlığına bağlı olarak proteinlerin α-heliks, β-sheet (tabakalı) yapılar ve değişimleri hakkında önemli bilgiler elde edilmiştir. Genel olarak; çiğ sütle karşılaştırıldığında UHT uygulaması ve homojenizasyon kombinasyonunun süt proteinlerinin serum fazındaki dağılımını farklılaştırdığını ve protein konformasyonunda değişimlere neden olduğu vibrasyonel analiz yöntemleri ile ortaya konmuştur. 

Süt örneklerinin ATR-FTIR ve Raman spektrumları ele alındığında, UHT süt üretiminde kullanılan teknolojilerin (direkt veya indirekt) ve homojenizasyon uygulamalarının protein konformasyonları üzerinde etkili olduğu belirlenmiştir. Genel olarak örneklere ait Raman spektrumları arasında pik profilleri bakımından belirgin farklılıklar görülmemekle birlikte, pik yoğunluklarının UHT uygulama modeline göre değişkenlik gösterdiği belirlenmiştir Ölçümlerin değerlendirilmesinde kemometrik yöntemlerden temel bileşen analizi (PCA) kullanılmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda süte uygulanan homojenizasyon sırası ve ısıl işlem yöntemi değiştikçe, özellikle proteinlerin ikincil yapısını belirlemede kullanılan Amid-I 1700-1600 cm-1  bölgesinde ve proteinler hakkında genel bilgi veren Amid-II 1600-1500 cm-1  bölgesinde farklılıklar gözlemlenmiştir.  Sonuç olarak dipol-moment değişimleri, hidrojen bağları, α-heliks, β-tabakalı ve β-turns (sarmal) yapılarındaki geometrik yönlendirmeden faydalanılarak sıcaklığın etkisi ile süt proteinlerin ikincil yapısındaki değişimler vibrasyonel yöntemler ile kolay ve hızlıca belirlenebilir, UHT süt üretim modifikasyonları dizayn edilebilir.

Abstract:
Depending on the severity of the heat treatment applied to milk, physicochemical changes such as denaturation of serum proteins, κ-casein/β-lactoglobulin complex formation, calcium phosphate precipitation, Maillard reaction may occur. The aim of this study is to examine the possible effects of UHT method and homogenization sequence (before or after heat treatment) on proteins in UHT milk produced using different production technologies (direct injection and indirect tubular heat treatment). As a result of the research, it is thought that the technologies to be used in the production of milk-based liquid products to be developed for different target groups will be decisive in the decision-making process. UHT milk samples were produced in a local dairy company according to the stated purposes. Raw milk and boiled (100 oC, 10 min) milk samples were used as a control group.

Isoelectric casein was obtained by bringing the pH of raw milk and heat-treated milk to 4.6. At the same time, colloidal casein was obtained from all milk samples using ultracentrifugation (135000xg, 60 min, 20 oC). Serum and pellet separated by centrifugation were preserved by freezing and then freeze-dried. The possible effects of the heat treatment method and homogenization order on milk protein conformation were investigated by analysis the samples with vibrational methods. For this purpose, Attenuated Total Reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) and Raman spectroscopy (1064 nm laser source) were used. In this way, important information was obtained about the α-helix, β-sheet structures, and changes in proteins depending on amide (A, B, I-VII) bonds and other conformational bonds. Generally, compared with raw milk, it was demonstrated by vibrational analysis methods that the combination of UHT application and homogenization differentiated the distribution of milk proteins in the serum phase and caused changes in protein conformation.

According to ATR-FTIR or Raman spectra of milk samples, it was determined that the technologies (direct or indirect) used in UHT milk production and homogenization applications were effective on protein conformations. Although there are no significant differences in peak profiles between the Raman spectra of the samples in general, it has been determined that the peak intensities vary according to the UHT application model. Principal component analysis (PCA), one of the chemometric methods, was used in the evaluation of the measurements. As a result of the studies, as the homogenization order and heat treatment method applied to milk changed, differences were observed especially in the Amid-I 1700-1600 cm-1 region, which is used to determine the secondary structure of proteins, and in the Amid-II 1600-1500 cm-1 region, which gives general information about proteins. As a result, the changes in the secondary structure of milk proteins with the effect of temperature can be determined easily and quickly by using the geometric orientation in the structures of dipole-moment changes, hydrogen bonds, α-helix, β-sheets and β-turns, and UHT milk production modifications can be designed.