Ozmotik membran distilasyon yöntemi ile peynir altı suyundan prebiyotik etkili şekerlerin sentezi
Synthesis of prebiotic effective sugars from whey by osmotic membrane distillation method
Yazar: GAMZE BİLDİŞ
Danışman: DOÇ. DR. PELİN ONSEKİZOĞLU BAĞCI
Trakya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı, entegre membran ayırma prosesleri ile peynir altı suyu (PAS) laktozundan prebiyotik özellikli galaktooligosakkarit (GOS)'lerin sentez verimliliğinin arttırılmasıdır. Bu amaçla, yağsız süt ve laboratuvar koşullarında hazırlanan endüstriyel ekşi peynir altı suyu (EPAS) ve tatlı peynir altı suyu (TPAS) örnekleri art arda mikrofiltrasyon (MF) ve ultrafiltrasyon (UF) membranlarından geçirilmiş ve ozmotik membran distilasyon (OMD) prosesi ile konsantre edilmiştir. Elde edilen konsantre PAS permeat örnekleri OMD reaktör sisteminde, A. oryzae kaynaklı β-galaktozidaz enzimi katalizörlüğündeki GOS sentezinde kullanılmıştır. Çalışma kapsamında sıcaklık, enzim ve başlangıç laktoz konsantrasyonu parametreleri sabit tutularak GOS sentez verimi substrat kompozisyonu bazında karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir.
Yağsız süte ve PAS örneklerine OMD öncesinde uygulanan MF ve UF prosesleri ile OMD performansını olumsuz yönde etkileyen ve GOS sentezinde kullanılacak olan enzimin aktivitesinde inhibitör etkiye neden olan PAS proteinleri uzaklaştırılmıştır. Peynir altı sularının elde ediliş yöntemlerinden dolayı meydana gelen kompozisyon farklılıkları ve membran özellikleri MF ve UF işlem performanslarını önemli ölçüde etkilemiştir. Enzimatik GOS sentezi öncesinde, PAS UF permeatlarının laktoz konsantrasyonlarının optimum seviyeye getirilmesi için gerçekleştirilen OMD prosesinde, örneklerin protein içeriklerinin transmembran akı profilini etkileyen temel faktör olduğu belirlenmiştir. Bu durum, artan konsantrasyon derecelerinde yüksek protein içerikli örneklerde viskozite ve kirlenme etkilerinin daha belirgin hale gelmesi ile ilişkilendirilmiştir. 
Enzimatik GOS sentezi sürecinde OMD sisteminin kullanılması, β-galaktozil gruplarının suya göre laktoza ve oligosakkaritlere bağlanma olasılığını arttırarak galaktooligosakkarit sentezi verimini arttırmıştır. OMD reaktöründe gerçekleştirilen enzimatik sentez reaksiyonunda en yüksek GOS konsantrasyonları ekşi, tatlı ve ideal PAS UF permeat konsantratları için sırasıyla %19,3, %16,2, %29,9 olarak elde edilmiştir. Tatlı PAS UF permeatı konsantratındaki GOS sentezinde, artan monosakkarit ve protein konsantrasyonlarının inhibitör etkilerinin yanı sıra ortam pH'ının enzimin optimum pH değerinden uzakta bir değerde olması, enzim aktivitesini olumsuz yönde etkilemiştir. Enzim aktivitesindeki azalma laktoz dönüşümü oranını da düşürmüştür. İdeal PAS UF permeatı konsantratında ise protein konsantrasyonun diğer konsantratlara kıyasla düşük olması ve enzimin optimum pH değerinde çalışılması, enzim aktivitesini arttırarak laktoz dönüşümünü arttırmış ve bu da GOS sentez verimini arttırmıştır. Sentez reaksiyonunda ideal PAS UF permeatı konsantratı kullanımı ile GOS'lerin prebiyotik potansiyelinde temel olarak rol oynayan GOS-3 ve GOS-4'lerin de en yüksek düzeyde eldesi sağlanmıştır. İdeal PAS UF permeatı konsantratının protein konsantrasyonunun düşük olması OMD sisteminde meydana gelebilecek membran kirliliğini de azaltmıştır. Besleme çözeltisinden etkin bir şekilde suyun uzaklaştırılması, transgalaktosilasyon mekanizmasının hidroliz mekanizmasına kıyasla daha baskın bir şekilde tercih edilmesini sağlamıştır. 
Sonuç olarak, MF, UF ve OMD membran sistemlerinin entegrasyonuyla peynir altı suyundan elde edilen laktozdan, prebiyotik etkili fonksiyonel gıda bileşeni olarak nitelendirilen ve ekonomik katma değeri yüksek olan GOS'lerin yüksek verimlilikte üretimi sağlanmıştır.

Abstract:
This thesis aims to increase the efficiency of prebiotic galactooligosaccharides synthesis from whey lactose by integrated membrane separation processes. For this purpose, skim milk, industrial sour whey and sweet whey samples prepared under laboratory conditions were passed through microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) membranes and concentrated by osmotic membrane distillation (OMD) process. Concentrated whey permeate samples were used in GOS synthesis, catalyzed by β-galactosidase from A. oryzae, in an OMD reactor system. In the scope of the study, GOS synthesis efficiency was evaluated comparatively on the basis of substrate composition by keeping the temperature, enzyme and initial lactose concentration parameters constant.
Whey proteins in skim milk and in whey that have an inhibitory effect on the enzyme activity to be used in GOS synthesis and negatively affect OMD performance were removed with MF and UF processes prior to OMD. Membrane properties and the compositional differences due to whey treatment methods affected the MF and UF processes' performances significantly. During the OMD process, where the lactose concentrations of whey UF permeates are increased to the optimum value prior to enzymatic GOS synthesis, the protein content of the samples was determined as the main factor affecting the transmembrane flux profile. This phenomenon was associated with more pronounced viscosity and fouling effects at increased concentration degree of high protein content samples. 
The use of the OMD system in the enzymatic GOS synthesis process provided a higher probability of attaching β-galactosyl groups to lactose and oligosaccharides as an acceptor than to water, increasing the efficiency of GOS synthesis. In the enzymatic synthesis reaction performed at the OMD reactor, the highest GOS concentrations obtained for sour, sweet, and ideal whey UF permeate concentrates were 19,3%, 16,2%, 29,9%, respectively. In addition to the inhibitory effect of increasing monosaccharide and protein concentrations, being far away from the optimum pH value of the enzyme negatively affected the enzyme activity during the synthesis of GOS in sweet whey UF permeate concentrate. The decrease in enzyme activity also reduced the rate of lactose conversion. In the ideal whey, UF permeate concentrate, the protein concentration is low compared to other concentrates and the enzyme is operated at the optimum pH value, increasing the enzyme activity and therefore the lactose conversion, which increased the GOS synthesis efficiency after all. GOS-3 and GOS-4, which play a fundamental role in the prebiotic potential of GOS's, were also obtained at the highest level with the use of ideal whey UF permeate concentrate in the synthesis reaction. The low protein content of the ideal whey UF permeate concentrate also reduced the membrane fouling that may occur in the OMD system. Transgalactosylation mechanism became predominant over hydrolysis reaction due to efficient removal of water from the reaction medium.
As a result, with the integration of MF, UF and OMD membrane systems, high-efficiency production of GOS, a prebiotic effective functional food ingredient with a high economic added value, has been achieved from whey lactose.