Hindiba köklerinden inülin ekstraksiyon optimizasyonu, fruktooligosakkaritlere hidroliz edilmesi ve ultrafiltrasyon sistemi ile saflaştırılmaları
Optimization of inulin extraction from chicory roots, its hydrolization to fructooligosaccharides and purification with ultrafiltration system
Yazar: NİHAN SAĞCAN
Danışman: PROF. DR. OSMAN SAĞDIÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Hindiba bitkisi (Cichorium intybus L.) kökleri yapısında önemli oranda inülin içermektedir. İnülin ve fruktooligosakkaritler son yıllarda gıda endüstrisinde sahip oldukları prebiyotik ve diğer fonksiyonel özellikleriyle öne çıkan bileşenlerdir. Bu çalışmada doğal ortamdan toplanan hindiba bitkisi köklerinden Yanıt Yüzey Yöntemi (RSM) kullanılarak Box-Behnken tasarımı ile inülin ekstraksiyonunun optimizasyonu yapılmıştır. Bağımsız değişkenlerin sıcaklık, süre ve sıvı-katı oranı olarak seçildiği optimizasyonda 60-90°C sıcaklık, 30-90 dk süre, 10:1-30:1 mL/g sıvı-katı oranı şeklinde değişen aralıklarda 18 farklı ekstraksiyon denemesi içeren deneme deseni oluşturulmuştur. Oluşturulan deneme desenine göre yapılan ekstraksiyonların sonucunda ekstraktlardaki inülin içerikleri HPLC ile belirlenmiştir. Yanıt Yüzey Yöntemi'ne göre tasarlanan modelin uyumluluğu yapılan ANOVA testleri ile gösterilerek optimum inülin ekstraksiyon koşulları; 90°C sıcaklık, 30 dk süre ve 10:1 mL/g sıvı-katı oranı olarak belirlenmiştir. Bu koşullarda elde edilen inülin ekstraktının 37,62 g/100 g kuru ağırlık inülin içerdiği yapılan HPLC analizleriyle belirlenmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında optimum koşullarda elde edilen inülin ekstraktı hidrolize edilerek fruktooligosakkaritler elde edilmiştir. Bunun için inülin ekstraktına ayrı ayrı asit ve endoinülinaz enzimi ile hidroliz uygulanmış ve inülinden fruktooligosakkarit eldesi için en uygun hidroliz koşulunun 40°C'de 60 dk süreyle enzim yoluyla hidroliz olduğu belirlenmiştir. Hidrolizatların fruktooligosakkarit içerikleri HPLC-RID dedektör ölçümleriyle 1-kestoz (GF2), 1-nistoz (GF3) ve 1F-fruktofuranosilnistoz (GF4) cinsinden ölçülmüş olup eş zamanlı olarak örneklerin glukoz, fruktoz ve sükroz içerikleri de belirlenmiştir. Ardından belirlenen optimum koşullarda elde edilen inülin ekstraktı ve fruktooligosakkaritçe zengin hidrolizata saflaştırma çalışmaları uygulanmıştır. Bu amaçla membran filtrasyon sistemi kullanılarak her iki ürüne de ultrafiltrasyon uygulanmıştır. Bu amaçla manuel olarak kurulup yüksek saflıktaki azot gazı altında ve manyetik karıştırıcı eşliğinde çalışan laboratuvar ölçekli membran filtrasyon sistemi kullanılmıştır. Ultrafiltrasyonda 1, 5 ve 10 kDa membranlar iki ürün için de ayrı ayrı denenmiş olup en iyi sonuç her iki bileşen için de 10 kDa'luk membran ile alınmıştır. Membran filtrasyon sonrası ürünlerin saflık değerlerinin hesaplanabilmesi amacıyla hem filtrasyon öncesi hem filtrasyon sonrası örneklerin toplam karbonhidrat ve toplam protein içerikleri sırasıyla fenolsülfirik asit testi ve BCA (bikinkoninik asit) protein analiz kiti kullanılarak ölçülmüştür. Filtrasyon uygulamasıyla başlangıçta 41,74 mg/mL olan toplam karbonhidrat içeriği 18.17 mg/mL'ye ve 1.36 mg/mL olan toplam protein içeriği 0,77 mg/mL'ye düşürülebilmiştir. Örneklerin filtrasyon öncesi ve sonrası inülin, fruktooligosakkarit, toplam karbonhidrat ve toplam protein içerikleri dikkate alınarak saflık değerleri yüzde olarak belirlenmiştir. Buna göre inülin ekstraktında filtrasyon öncesi %55 olan saflık değeri filtrasyon sonrası %90'a, fruktooligosakkaritler için filtrasyon öncesi %29 olan saflık değeri %76'ya çıkarılmıştır. Son olarak elde edilen her iki ürüne de prebiyotik testleri yapılmıştır. Bu amaçla probiyotik ve patojen bakteriler kullanılarak inülin ve fruktooligosakkaritlerin bu bakterilerin gelişimi üzerine etkileri, spektrofotometrik olarak ortamdaki mikrobiyal yoğunluk ölçülerek hesaplanmıştır. Buna göre inülinin probiyotik bakteri cins ve türüne bağlı olarak prebiyotik etki gösterdiği görülürken, FOS'un kullanılan tüm probiyotik türler üzerinde prebiyotik etkisinin olduğu ortaya konulmuştur. İnülin ve fruktooligosakkaritlerin patojenler üzerindeki inhibisyon etkisi ise gram negatif bakterilerde belirgin olarak görülmüştür.

Anahtar Kelimeler: Hindiba, inülin, fruktooligosakkarit, optimizasyon, membran filtrasyon

Abstract:
Inulin and fructooligosaccharides (FOS) are prominent functional components in the food industry due to their prebiotic and other pharmaceutical properties. The roots of the chicory plant (Cichorium intybus L.) contain a significant amount of inulin. In this study, inulin extraction optimization from chicory plant roots was carried out with the Box-Behnken design using the Response Surface Methodology (RSM). In the optimization, where the independent variables were selected as temperature, time and liquid-solid ratio, the trial design included 18 different extraction trials at varying intervals such as 60-90°C temperature, 30-90 min time, 10:1-30:1 mL/g liquid-solid ratio. The inulin content of the extracts was determined by HPLC analysis. The compatibility of the model designed according to the Response Surface Method was demonstrated by ANOVA tests and the optimum inulin extraction conditions were found as; temperature of 90°C, time of 30 min and liquid-solid ratio of 10:1 mL/g. It was determined by HPLC analysis that the inulin extract obtained under these conditions was contained 37.62 g/100g dw of inulin. In the second stage of the study, it was aimed to obtain fructooligosaccharides, which are the hydrolysis products of inulin, from the inulin extract obtained under optimum conditions. For this purpose, acid and enzyme hydrolysis were applied to the inulin extract separately to obtain fructooligosaccharides, and it was determined that the most suitable hydrolysis condition for obtaining fructooligosaccharides from inulin was enzyme hydrolysis at 40°C for 60 minutes. Fructooligosaccharide contents of the hydrolysates were measured in terms of 1-kestose (GF2), 1-nystose (GF3) and 1F-fructofuranosylnystose (GF4) by HPLC-RID detector measurements, and simultaneously the glucose, fructose and sucrose contents of the samples were determined. Then, purification studies were carried out on the inulin extract and fructooligosaccharide hydrolysate obtained under the determined optimum conditions. For this purpose, ultrafiltration was applied to both products using a membrane filtration system. A laboratory-scale membrane filtration system, which was manually installed and operated under high purity nitrogen gas and accompanied by a magnetic stirrer, was used to purification. In the ultrafiltration, 1, 5 and 10 kDa membranes were tested separately for both products, and the best result was obtained with the 10 kDa membrane for both components. To calculate the purity values of the products after membrane filtration, the total carbohydrate and total protein contents of the samples both before and after filtration were measured using the phenolsulfuric acid test and BCA (bicinchoninic acid) protein analysis kit, respectively. With the application of filtration, the total carbohydrate content, which was initially 41.74 mg/mL, could be reduced to 18.17 mg/mL, and the total protein content, which was 1.36 mg/mL, could be reduced to 0.77 mg/mL. Purity values were determined as percentages by taking into account the inulin, fructooligosaccharides, total carbohydrate and total protein contents of the samples before and after filtration. Accordingly, the purity value of inulin extract, which was 55% before filtration, was increased to 90% after filtration, and the purity value of fructooligosaccharides, which was 29% before filtration, was increased to 76%. Finally, prebiotic tests were carried out on both products. For this purpose, probiotic and pathogenic bacterias were used and the effects of inulin and fructooligosaccharides on the growth of these bacteria were examined by measuring the microbial density using a spectrophotometer. Accordingly, it has been shown that inulin has a prebiotic effect depending on the probiotic bacterial species, while FOS has a prebiotic effect on all probiotic species used. The inhibitory effect of inulin and fructooligosaccharides on pathogens was seen clearly in gram-negative bacteria.

Keywords: Chicory, inulin, fructooligosaccharide, optimization, membrane filtration