Keçiboynuzu meyvesinin sulu ekstraktlarından D-pinitolünayrılması ve saflaştırılmasında fermentasyon, elektrokoagülasyon ve membran filtrasyon uygulamalarının etkinliğinin belirlenmesi
Determination of the effectiveness of fermentation, electrocoagulation, and membrane filtration applications in the separation and purification of D-pinitol from aqueous extracts of carob fruit
Yazar: YÜKSEL ALPER KÜTÜK
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KARHAN
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Keçiboynuzu meyvesi doğal olarak yetiştiği gibi eski çağlardan günümüze kadar
yetiştiriciliği de yapılan ağaç formunda bir bitkidir. Zengin besleyici içeriğine ilave olarak
biyoaktif bir bileşen olan D-pinitol açısından da bilinen en zengin kaynaktır. D-pinitolün
insan sağlığına olumlu etkileri ve izolasyonu üzerine bazı araştırmalar gerçekleştirilmiş
ve tedavi edici ve hastalık önleyici etkilerine dikkat çekilmiştir. Bunlardan en önemlisi
çağımızın insan sağlığını tehdit eden en önemli hastalıklarından biri olan ve gün geçtikçe
yaygınlaşan tip-2 diyabet hastalığı üzerine olan olumlu etkileridir. Aynı zamanda göğüs
kanseri ve alzheimer üzerine etkisinin de araştırıldığı ve umut verici sonuçların elde
edildiği çalışmalar da mevcuttur.
D-pinitol laboratuvar koşullarında sentezlenebilen bir bileşiktir ancak bu prosesin
zorluğu yanında yüksek maliyetli olması doğal kaynaklarından izolasyonunu ön plana
çıkartmıştır. D-pinitolün doğal kaynaklarından izolasyonunda farklı metotlar uzun
yıllardır araştırılmaktadır. Bu tez çalışmasının amacı ülkemizde önemli miktarda bulunan
ve düşük maliyetli bir D-pinitol kaynağı olan keçiboynuzu meyvesinden kabul edilebilir
yüksek saflıkla (%90-99) D-pinitol elde etmektir. Çalışmada, ana proses olarak genellikle
atık suların arıtılmasında kullanılan bir yöntem olan elektrokoagülasyon uygulaması
membran filtrasyon ve adsorbent uygulamalarıyla desteklenerek kullanılmıştır.
Araştırmada öncelikli olarak D-pinitol ile birlikte majör bileşenler olan sakkaroz, glukoz
ve fruktoz fermentasyonla etil alkole dönüştürülüp buharlaştırılarak ekstrakt ortamından
uzaklaştırılmıştır. Fermentasyonda Saccharomyces cerevisiae (ATCC 36858)
kullanılmıştır. Şekerler uzaklaştırıldıktan sonra elektrokoagülasyon denemeleri
gerçekleştirilmiştir. Denemelerde elektrot olarak alüminyum ve çelik plakalar [katot (-)
ve çelik plakalar (+) anot] kullanılmış; elektrik kaynağı olarak ta doğru akımdan (DC)
yararlanılmıştır. Bu işlemler fermentasyon, elektrokoagülasyon, membran filtrasyon ve
adsorpsiyon sıralamasıyla uygulanmıştır. Her işlemin sonunda elde edilen ekstraktlar
sonraki işlemin besleme akımını oluşturmuştur.
Elektrokoagülasyon işleminde bir optimizasyon yöntemi olan Box Behnken
deneme deseni kullanılmış ve elektrot aralığı, akım yoğunluğu, gerilim ve süre bağımsız
değişkenler olarak seçilmiştir. Gerçekleştirilen analizler sonucunda model uygunluğu
yakalanamamıştır. Bu sebeple deneme desenindeki koşullardan en yüksek D-pinitol
miktarına ulaşılan denemelerden ilk üçü sonraki basamaklarda kullanılmıştır.
Sonuç olarak başlangıç materyali olan 5°Bx keçiboynuzu ekstraktının
fermentasyon sonrasında 29.95 g/100g kuru madde olan D-pinitol miktarı prosesin son
basamağı olan adsorpsiyon işleminden sonra 98,62 g/100g kuru madde miktarına
ulaşmıştır. Buna ek olarak Başlangıç materyalinin bulanıklık değeri 383 NTU iken son
ürünün bulanıklık düzeyi 0.5 NTU değerine düşmüştür. Toplam fenolik madde ve mineral
madde değerleri ise son üründe tespit edilememiştir

Abstract:
Carob fruit is a plant that naturally grows and has been cultivated in tree form
since ancient times. In addition to its rich nutritional content, it is also known to be the
richest source of D-pinitol, a bioactive compound. Some studies have been conducted on
the positive effects of D-pinitol on human health and its isolation, highlighting its
therapeutic and disease-preventive effects. One of the most significant of these effects is
its positive impact on type 2 diabetes, one of the major health threats of our time, which
has been increasing in prevalence. Research has also been conducted on its effects on
breast cancer and Alzheimer's disease, with promising results.
D-pinitol is a compound that can be synthesized in laboratory conditions, but due
to the complexity of the process and its high cost, the isolation from natural sources has
become the preferred method. Various methods for isolating D-pinitol from natural
sources have been studied for many years. The aim of this thesis is to obtain D-pinitol
from carob fruit, which is a low-cost and abundant source of D-pinitol in our country,
with acceptable high purity levels (90-99%). In this study, the main process was based on
electrocoagulation, a method commonly used for wastewater treatment, supported by
membrane filtration and adsorbent applications. Initially, the major components of carob
fruit extract—sucrose, glucose, and fructose—were converted into ethyl alcohol through
fermentation, and then evaporated to be removed from the extract. Saccharomyces
cerevisiae (ATCC 36858) was used for fermentation. After the sugars were removed,
electrocoagulation experiments were conducted. Aluminum and steel plates (cathode (-)
and steel plates (+) as anode) were used as electrodes, and direct current (DC) was utilized
as the power source. The processes were applied in the sequence of fermentation,
electrocoagulation, membrane filtration, and adsorption, with each process's final extract
serving as the feed for the next step.
In the electrocoagulation process, a Box-Behnken experimental design, which is
an optimization method, was used, and electrode gap, current density, voltage, and time
were selected as independent variables. As a result of the conducted analyses, model fit
could not be achieved. Therefore, the first three trials, where the highest D-pinitol amount
was obtained, were used in the subsequent steps.
As a result, the amount of D-pinitol in the starting material, the 5°Bx carob extract,
pinitol concentration increased to 98.62 g/100g dry matter. Additionally, the turbidity of
the starting material was 383 NTU, which decreased to 0.5 NTU in the final product. No
detectable levels of total phenolic compounds or minerals were found in the final product.