Yağlı tohumlara uygulanan ultrasonik destekli ön işlem ile soğuk pres yağlarında verim ve kalitenin arttırılması
Improving the yield and quality of cold pressed oils by ultrasound assisted pretreatment of oilseeds
Yazar: EMİNE BUKET ŞERAN
Danışman: PROF. DR. ZEYNEP SELMA TÜRKAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Bitkisel yağlar = Plant oils ; Yağ kalitesi = Oil quality ; Yağ verimi = Oil yield ; Yağlı tohumlar = Oilseeds

Özet:
Bitkisel yağların temel görevleri ile birlikte, içerdikleri biyoaktif bileşenleri sayesinde insan sağlığına olumlu katkıları hakkında her geçen gün daha fazla bilgi edinilmesi, tüketicilerin soğuk presleme ile üretilen ve rafine edilmeden tüketilen bitkisel yağlara olan ilgisinin giderek artmasına neden olmuştur. Soğuk pres yağları, tohumların herhangi bir ısı etkisi olmaksızın, doğrudan ortam sıcaklığında mekanik olarak preslenmesi ile üretilen yağlardır. Bu yağlar, ısıl işlem uygulanmadığından daha az kimyasal değişime uğramakta ve dolayısıyla daha fazla biyoaktif bileşen içermektedirler; bu nedenle de özellikle ilaç ve kozmetik ürün formülasyonlarında tercih edilmektedirler. Literatürde, kabak çekirdeği, çörek otu tohumu, kolza tohumu, soya gibi bir çok yağlı tohumdan soğuk pres yöntemi ile elde edilmiş bitkisel yağları, gerek yağ asidi bileşimi, gerekse biyoaktif bileşenleri yönünden inceleyen çok sayıda çalışma bulunmaktadır.Soğuk presleme yöntemi ile bitkisel yağ üretiminin en büyük dezavantajı, yağ veriminin çözücü ekstraksiyonu yöntemine göre çok daha az olması ve buna bağlı olarak yağ fiyatının yüksek olmasıdır. Yağ verimini ve kalitesini arttırmak üzere tohumlara ısıl ön işlem uygulanması endüstriyel uygulamada sıkça karşılaşılan çözümlerden birisidir; ancak bu yöntem, bazı yağlarda kalitenin azalmasına ve bununla birlikte üretilen yağın soğuk pres yağı olarak kabul görmemesine neden olmaktadır.Presleme ile üretimde, metodun yağ veriminin ve elde edilen yağın kalitesinin arttırılması için etkili olacağı düşünülen diğer bir seçenek, ultrasonik etki ile tohumların bir ön işleme maruz bırakılmasıdır. Bu sayede, hücre duvarları çatlatılarak yağın daha kolay ayrılmasının, dolayısıyla verim artışının sağlanacağı; ayrıca işlemde sıvı ortam olarak kullanılacak olan etanolün, tohumların sterilizasyonu, içerdikleri enzimlerin deaktivasyonu gibi etkilerle yağ kalitesine de olumlu katkıları beraberinde getireceği düşünülmüştür.Deneysel çalışmalarda model olarak seçilen iki tohumun, çörek otu ve kolza tohumlarının, etanol ortamında ultrasonik ön işleme tabi tutulmasının ardından soğuk presleme ile elde edilen yağlarının, verimleri, asit sayıları ve oksidasyon stabiliteleri saptanmış ve böylece etanol konsantrasyonu, ön işlem süresi ve ön işlemde uygulanan tohum/alkol oranlarının, üretilen yağların sözü edilen özelliklerine etkisi belirlenmiştir. Ayrıca tohumlara presleme öncesi ısıl ön işlem de uygulanarak her iki ön işlemin etkileri karşılaştırılmıştır.Çalışmanın devamında, ön işlem görmüş ve görmemiş tohumların laboratuvar ortamında bekletilmesinin ardından elde edilen yağda görülen kalite değişimleri, ön işlem ardından ele geçen etanollü ekstrakt fazın tekrarlı kullanımı, ön işlem süresince gözlenen sıcaklık artışları da incelenmiştir.Deneysel çalışmalardan elde edilen bulgular ise şu şekilde özetlenebilir:%35 civarında yağ içeren çörek otu tohumuna presleme öncesinde uygulanan ısıl ön işlem, pres yağlarının oksidasyon stabilitelerinin azalmasına neden olmuştur. Bu sonuca göre çörek otu yağının oksidasyon direnci büyük ölçüde uçuçu bileşiklerden kaynaklanmaktadır. Buna karşılık, etanol ortamında uygulanan ultrasonik destekli ön işlem sonunda elde edilen pres yağlarının oksidasyon stabilitesi 29 saatten 63 saate yükselmiştir. Aynı yağın serbest asit içeriği ise %5 civarından %2.6'ya düşmüştür. %40 yağ içeren kolza tohumuna uygulanan ısıl ön işlem sonunda, presleme ile elde edilen yağın oksidasyon stabilitesi 32 saatten 49 saate yükselirken, serbest asit içeriği % 1'den % 0.7'e düşmüştür. Kolza tohumlarının ultrasonik destekli alkollü ön işlemi sonunda ise, bu değerler sırasıyla 54 saat ve %0.6 olarak ölçülmüştür. Çörek otu tohumlarının % 70, 80 ve 96'lık etanoldeki ultrasonik destekli ön işlemleri sonunda elde edilen pres yağlarının serbest asit içerikleri sırasıyla % 2.82, 2.66 ve 2.83 iken; oksidasyon stabiliteleri 63.0, 53.4 ve 31.08 saat olarak saptanmıştır. Bu sonuçlara dayanarak, ultrasonik destekli alkollü ön işlemin, ısıl ön işlem gibi, tohumların içerdiği lipaz enzimlerini deaktive ettiği ve bu etkinin incelenen alkol konsantrasyonuna bağlı olmadığı ortaya çıkmıştır. Ultrasonik destekli alkollü ön işlem görmüş tohumlarından elde edilen yağların oksidasyon stabilitelerinin büyük ölçüde alkol konsantrasyonuna bağlı olduğu ve bu sonuca dayanarak yağların oksidasyon stabilitelerinin söz konusu yağlı tohumların %96'lık etanol ile ön işlemlerinin sonunda artmasının nedeninin, ön işlem sırasında tohuma difüzlenerek, antioksidan maddeleri çözen %96'lık etanolün, trigliseridlerdeki çözünürlüğünün daha yüksek olması nedeniyle pres yağının daha çok antioksidan madde içermesinden kaynaklanabileceği anlaşılmıştır.

Abstract:
In recent years, positive effects of vegetable oils owing to their fundamental roles in the human metabolism and also their content of bioactive components have become a subject of consumers? renewed interest to cold-pressed oils, that are not require any refining step. Cold-pressed oils are edible vegetable oils that are extracted by mechanical procedures from oilseeds, e.g. expelling or pressing, without application of heat. Because these types of oils are not exposed to heat, their chemical compositions don?t undergo any change and they don?t lose their bioactive components. Accordingly, they are preferred in pharmaceutical and cosmetic product formulations. A number of researches of cold-pressed seed oils with respect to their fatty acid composition and bioactive components, such as pumpkin, black cumin, rapeseed, and soybean can be found in the literature.The biggest disadvantage of cold-pressing is the production of small amounts of oil with respect to conventional solvent extraction and in connection with this low oil yield, their prices are high. Heat pretreatment is widespread in the industrial applications to overcome the said yield and quality problems. But, this application may not result in desired effects for all types of oilseeds and may cause off-flavors in the oils that are extracted from the pretreated seeds.Another alternative solution to yield and quality concern is ultrasound assisted pretreatment of the seeds. Ultrasonic waves are used in order to increase the disruption of cell walls and by this means they simplify the extraction of oil so as to increase the yield. Besides this, it is thought that ethanol which is being used in the treatment as liquid medium has some additional positive effects such as sterilization of the seeds and deactivation of the enzyme system within the seed structure.In the experimental studies, after exposure to ultrasonic pretreatment of chosen two model seeds, rapeseeds and black cumin seeds, cold-pressing procedure was applied to them. Oil yields, acid values and oxidation stabilities of the extracted seed oils were determined and thereby the impacts of ethanol concentration, pretreatment time and solid/liquid ratio that are used in the pretreatment on the said oil characteristics were specified. Furthermore, heat treatment before pressing was also experimented and effects on both seeds were compared.In the next steps of the study, the oils? quality changes were investigated which were extracted from pretreated and non-pretreated seeds stored in the laboratory, also reusability of alcoholic (ethanol) extract phase that was conquered after ultrasound assisted pretreatment and temperature rise during the treatment were explored.Findings that are obtained from this study can be summarized as follows:Heat treatment applied to black cumin seeds, with oil content of %35, before pressing had negative effects on extracted oil?s oxidation stability. Based on this finding, it can be said that the oxidation stability of black cumin seed oil was proceed from its volatile constituents. In contrast, oxidation stability was increased from 29 hours to 63 hours for black cumin oil with ultrasonic pretreatment and same oil?s free fatty acids content was decreased from %5 to %2.6. Heat pretreatment of rapeseeds was concluded with higher oil quality values contrary to black cumin seed. Whereas oxidation stability of cold-pressed rapeseed oil was 32 hours, this estimation was increased with heat pretreatment to 49 hours. Moreover, FFA content was decreased from %1 to %0.7. After the ultrasound assisted pretreatment of rapeseeds these values were quantified as 54 hours and %0.6. Black cumin seed oil?s FFA contents and oxidation stabilities extracted from ultrasonic pretreated seeds with ethanol of different concentrations, %70, 80 and 96 were found % 2.82, 2.66, 2.83 and 63.0, 53.4, 31.08 hours, respectively. As a result, it was concluded that ultrasound assisted alcoholic pretreatment, like heat pretreatment, deactivated lipase enzyme which was naturally occurs in the seed structure, and this impact was not correlated with ethanol concentration. In contradistinction to this, oxidation stabilities are strongly correlated with ethanol concentration. Based on these findings, it could be said that, the cause of enhancing the obtained oils? oxidation stability of ultrasonic pretreatment in %96 ethanol medium was higher solubility of ethanol, which was diffused through the seed walls during the pretreatment and dissolved the antioxidants, in triglycerides. Eventually, cold-pressed oil could be included much more antioxidants.