Komagataeibacter sp. GUS3 kullanılarak bakteriyel selüloz üretimi ve karakterizasyonu
Bacterial cellulose production and characterization using Komagataeibacter sp. GUS3
Yazar: HÜMEYRA ODABAŞ
Danışman: DOÇ. DR. BANU METİN
İstanbul Sabahattin Zaim Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gıda Beslenme Ana Bilim Dalı / Gıda Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering ; Mikrobiyoloji = Microbiology
Dizin: Asetik asit bakterileri = Acetic acid bacteria ; Bakteriler = Bacteria ; Komagataeibacter = Komagataeibacter ; Selüloz = Cellulose

Özet:
Selüloz çeşitli endüstrilerde kullanılan çok yönlü bir polimerdir. Selüloz üretiminde arasında; odun, tarımsal kalıntılar, endüstriyel atıklar, canlı olarak algler, mantarlar ve bakteriler olmak üzere çok çeşitli kaynaklar kullanılabilmektedir. Bakteriyel selüloz (BC), bitkisel selüloza benzer kimyasal yapıya sahiptir. Bitkisel selüloza göre BC; yüksek saflık, kristallik ve polimerizasyon derecesi gösterir. Ayrıca yüksek su tutma kapasitesi ve gerilme mukavemeti gibi avantajlı fizikokimyasal ve mekanik özelliklere sahiptir. Düşük verim ve yüksek üretim maliyeti BC'nin endüstriyel üretiminin daha geniş yelpazede olmasını engelleyen dezavantajlardandır. Bu doğrultuda farklı inkübasyon koşulları ve üretim teknikleri kullanılarak optimum üretim koşullarını belirlemek gerekmektedir. Bu çalışmada üzüm sirkesinden izole edilen Komagataeibacter sp. GUS3 kullanılarak BC üretimi incelenmiştir. Hestrin ve Schramm (HS) besiyerinde statik şartlarda 24-38°C ve pH 3.0-9.0 aralığında 7 gün sürdürülen fermantasyon sonucunda en yüksek BC üretimi 32°C ve pH 6.5'te ıslak ağırlık 223.7±6.01 g/L ve kuru ağırlık 1.336±0.01g/L olacak şekilde gerçekleşmiştir. Glikoz, fruktoz, sukroz, gliserol ve laktoz gibi farklı karbon kaynaklarının %2-6 arası değişen oranlarda kullanılması sonucunda en yüksek BC üretiminin %2 glikoz kullanıldığı durumda gerçekleştiği gözlenmiş ve Komagataeibacter sp. GUS3'ün sukroz, gliserol ve laktozu karbon kaynağı olarak kullanamadığı görülmüştür. BC üretimi, HS besiyerinde 32°C'de ve pH 6.5'te karıştırmalı olarak da gerçekleştirilmiş; fakat 105.9 g/L ıslak ve 0.44 g/L kuru ağırlık ile statik yöntemden daha düşük bir verim elde edilmiştir. Verimi arttırmaya yönelik olarak HS besiyerinin içeriği %1-3 arasında değişen miktarlarda etanol, ayçiçek yağı, mısır yağı, ham ve riviera zeytinyağı ile kanola yağı eklenerek zenginleştirilmiştir. En yüksek üretim 416.9 g/L ıslak ve 2.79 g/L kuru BC ile %1 mısır yağının kullanıldığı durumda elde edilmiştir. Atık ürünlerin BC üretiminde denenmesi kapsamında çay tozu, üzüm kabuğu ve melas kullanılarak BC üretimi incelenmiş, en yüksek üretim 154.3 g/L ıslak ve 0.765 g/L kuru BC ile üzüm kabuğundan elde edilirken melas besiyerinde selüloz üretimi gerçekleşmemiştir. Elde edilen BC, fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopi (FT-IR) ile incelendiğinde selüloza özgü O-H, C-H ve C=C pikleri elde edilmiş, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile düzgün yapılı nanolifler görülmüş, nanoliflerin boyutlarının 29.4-55.3 nm arasında olduğu belirlenmiştir. Elde edilen selülozun su tutma kapasitesi %99.3± 0.035, rehidrasyon oranı ise %46.2± 6.06 olarak bulunmuştur. Komagataeibacter sp. GUS3 tarafından üretilen BC'nin yüksek su tutma kapasitesi ve düzgün nanofibril yapısı ile ilaç ve gıda sanayisi gibi çeşitli alanlarda kullanım potansiyeli vardır.

Anahtar Kelimeler: Bakteriyel selüloz, Asetik asit bakterisi, Optimizasyon, Mikrobiyal selüloz, Komagataeibacter.

Abstract:
Cellulose is a versatile polymer used in various industries. A wide variety of sources, including wood, agricultural residues, industrial wastes, live algae, fungi, and bacteria cab be used in cellulose production. Bacterial celluose (BC) has a chemical structure similar to plant-based cellulose. Compared to plant-based cellulose; BC has higher purity, crystallinity and degrocof polymerization. It also has advantageous physicochemical and mechanical properties such as high water holding capacity and tensile strength. Low efficiency and high production costs are the disadvantages that prevent industrial production of be from being more wide-ranging. In this respect, it is necessary to determine the optimal procedtion conditions using different incubation conditions and manufacturing techniques. In this study, BC production by using Komagataeibacter sp. GUS3 isolated from grape vinegar was investigated. As a result of fermentation in Hestrin and Schramm (HS) medium under static conditions at 24-38°C and pH 3.0-9.0 for 7 days, the highest BC production was achieved at 32°C and pH 6.5 with 223.7 g/L wet weight and 1.336 g/L dry weight. Using different carbon sources such as glucose, fructose, sucrose, glycerol and lactose at concentrations ranging from 2-6%, the highest BC production was observed when 2% glucose was used, and it was observed that Komagataeibacter sp. GUS3 could not use sucrose, glycerol or lactose as a carbon source. BC production was also carried out in HS medium at 32°C and pH 6.5 with agitations; but a lower yield compared to the static method with 105.9 g/L wet weight and 0.441 g/L dry weight. To increase the yield, HS medium content was enriched by adding 1-3% ethanol, sunflower oil, corn oil, crude and riviera olive oil and canola oil 1-3%. The highest BC production was obtained when 1% corn oil was used with 416.9 g/L wet and 2.79 g/L dry weight, BC production was examined using waste products such as tea powder, grape peel and molasses, and the highest production was obtained with grape peel with154.3 g/L wet and 0,765 g/L dry weight, while cellulose was not produced using molases. The obtained BC was analyzed with Fourier transform infraded spectroscopy (FT-IR), and the cellulose-specific O-H, C-H and C=C peaks were obtained. Scanning electron microscope (SEM) showed properly structured nanofibers having 29.4 and 55.3 nm. The water retention capacity of the cellulose obtained was 99.3% ± 0.035, and the rehydration rate was 46.2% ± 6.06. BC produced by Komagataeibacter sp. GUS3 has potential to be used in various fields such as the pharmaceutical or food industry with its high water holding capacity and smooth nanofibril structure.
 
Keywords: Bacterial cellulose, Acetic acid bacteria, Optimization, Microbial cellulose, Komagataeibacter.