Mısır gluteninin enzimatik hidrolizi: Proses parametrelerinin optimizasyonu, hidroliz, çözünürlük ve enzim inaktivasyon kinetiği
Enzymatic hydrolysis of corn gluten: Optimization of process parameters, hydrolysis, solubilization and enzyme inactivation kinetics
Yazar: DİLEK KILIÇ APAR
Danışman: PROF. DR. BELMA ÖZBEK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Enzimatik hidroliz = Enzymatic hydrolysis ; Mısır gluteni = Maize gluten ; Süreç değişkenleri = Process variables

Özet:
Son yıllarda, hayvansal kaynaklı proteinlere alternatif olan bitkisel kaynaklı proteinlerin modifiye edilerek gıda katkısı olarak kullanımı önem kazanmıştır. Yaklaşık olarak % 60 oranında protein içeren mısır gluteni, nişasta üretimi sırasında yan ürün olarak ortaya çıkmaktadır. Günümüzde, daha çok hayvan yemi olarak kullanılan mısır gluteninin, gıda katkısı olarak kullanılabilmesinde en büyük dezavantajı çözünürlüğünün çok düşük olmasıdır. Ancak bu dezavantaj proteinin modifiye edilmesi ile ortadan kaldırılabilir. Mısır proteinin gıda katkısı olarak kullanımını geliştirmek amacı ile bu çalışmada, mısır glutenin enzimatik hidrolizi, kapsamlı bir biçimde incelenmiştir.Bu tez kapsamında gerçekleştirilen deneysel çalışmalarda; öncelikle beş farklı ticari enzim (Alcalase, Neutrase, Protamex, Flavourzyme ve PTN) kullanılmış ve bunların arasından mısır glutenin hidrolizi için en uygun enzimin Alcalase olduğu belirlenmiştir. Daha sonra, hidroliz derecesini belirlemek için kullanılan pH-stat yöntemi mısır glutenin Alcalase enzimi ile hidrolizi için kalibre edilmiş ve mısır gluteni hidrolizatları için pK değerleri; 40°C, 50°C ve 60°C sıcaklıklarda sırasıyla 6.82, 6.60 ve 6.37 olarak bulunmuştur. Kesikli sistemde, hidroliz paremetrelerinin optimizasyonu için, farklı substrat konsantrasyonlarında (10-60 g protein/L), enzim konsantrasyonlarında (% 0.05-0.35 (hacim/hacim)), sıcaklık (40-65°C) ve pH (6.5-8.5) değerlerinde deneyler gerçekleştirilerek hidroliz derecesi, protein çözünürlüğü ve enzim stabilitesi zamana karşı incelenmiştir. Farklı proses şartlarında gerçekleştirilen bu deneyler sonucunda hidroliz için optimum proses şartları; substrat konsantrasyonu 30 g protein/L, enzim miktarı % 0.25 (hacim/hacim), sıcaklık 55°C ve pH 8 olarak belirlenmiştir. Optimum proses şartlarında, 120 dakika süreyle gerçekleştirilen hidroliz reaksiyonu sonucunda, % 28.4 hidroliz derecesi, % 85.3 protein çözünürlüğü elde edilmiş ve enzimin aktivitesini yaklaşık % 74 oranında kaybettiği saptanmıştır. Çalışmada; hidroliz ürünlerinin, kademeli enzim ilavesinin ve glutene uygulanan; ısıl, mikrodalga, sonik ve nişasta hidrolizi ön işlemlerinin hidroliz reaksiyonu üzerindeki etkileri ayrıca incelenmiştir. Ultrasonikasyon uygulaması ile gerçekleştirilen hidroliz deneyleri ile, sonikasyon parametrelerinin hidroliz reaksiyonu ve enzim stabilitesi üzerindeki etkileri araştırılmıştır.Optimizasyon deneyleri sonucunda elde edilen tüm veriler analiz edilerek; hidroliz, çözünürlük ve enzim inaktivasyonu için kinetik modeller elde edilmiş, mısır gluteninin hidrolizinin Michaelis-Menten Kinetiğine uygunluğu, başlangıç hız deneyleri gerçekleştirilerek ayrıca incelemiştir. Hidroliz reaksiyonu için Michaelis-Menten kinetik parametreleri; Km= 53.77 g/L, Vmax= 5.94 mmol/L.dak olarak elde edilmiş, ayrıca bu parametrelerin sıcaklık ve pH ile değişimi incelenmiştir. Alcalase enzimi için ürün inhibisyon türünün unkompetitiv olduğu belirlenmiş ve inhibisyon sabiti Ki= % 44.68 (hidrolizat hacmi/reaksiyon çözeltisi hacmi) olarak hesaplanmıştır.Anahtar Kelimeler: Mısır gluteni, Alcalase, enzimatik hidroliz, proses değişkenleri, optimizasyon, kinetik

Abstract:
Over the last decade, modified plant proteins as an alternative to proteins from animal sources are increasingly being used as food additives. Corn gluten which contains approximately 60 % proteins is a by-product from the production of starch from maize. Currently, its main use is as an animal feed. The major drawback of using corn gluten in foods is that it is very insoluble in water. However, its solubility can be increased by modification. In the present work, a comprehensive study on the hydrolysis of corn gluten was performed to improve its utilization in food products.In the present study, firstly, a general survey of enzymatic hydrolysis and solubilization of corn gluten was performed with five commercial enzyme preparations (Alcalase, Neutrase, Flavourzyme, Protamex and PTN) in order to choose appropriate enzyme; and as a result Alcalase was chosen as proper enzyme among them. Then, the calibration of pH-stat for corn gluten hydrolysis by Alcalase was performed and the pK values of the corn gluten hydrolysates were determined as 6.82, 6.60 and 6.37 for the temperatures of 40°C, 50°C and 60°C respectively. For optimization of the process parameters, hydrolysis reactions were performed at different substrate concentrations (10-60 g protein/L), enzyme concentrations (0.05-0.35 % (v/v)), temperatures (40-65°C) and pH values (6.5-8.5); and the degree of hydrolysis, solubility of corn gluten and residual enzyme activity were investigated depending on processing time. The optimum process conditions for hydrolysis and solubilization were obtained as 30 g/L substrate concentration, 0.25 % (v/v) enzyme concentration, 55°C and pH 8. Under these conditions, the values of degree of hydrolysis and solubilization were found as 28.4 % and 85.3 % respectively; and enzyme lost its activity by 74 % at the end of 120 min processing time. The effect of hydrolysis products and pretreatments applied to substrate; such as thermal treatment, microwave irradiation, sonic treatment and starch removal; on hydrolysis were also investigated. Hydrolysis experiments under ultrasonication were performed in order to investigate the effects of sonication parameters on hydrolysis and enzyme stability.Modelling studies were performed to determine the kinetics of hydrolysis, solubilization and enzyme inactivation. The Michaelis-Menten kinetics was examined with initial rate assays, and the kinetic parameters, Km and Vmax were estimated as 53.77 g/L and 5.94 mmol/L.min. The effects of temperature and pH on Michaelis-Menten parameters were also examined. The type of inhibition for Alcalase determined as uncompetitive; and the inhibition constant, Ki, was estimated as 44.68 % (hydrolysate /substrate mixture; v/v).Key Words: Corn gluten, Alcalase, enzymatic hydrolysis, process parameters, optimisation, kinetic