Ayçiçeği yağı küspesi ve kabak çekirdeği yağı küspesinden protein ekstraksiyonu koşullarının optimizasyonu
Optimization of protein extraction conditions from sunflower oil meal and pumpkin seed oil meal
Yazar: ZEHRANUR TORUN
Danışman: PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Dünyada en çok üretilen endüstriyel atıklardan biri de bitkisel matrikslerden yağ ekstraksiyonu sonrası elde edilen yan ürünler olan küspelerdir. Ayçiçeği, yağ endüstrisinde en çok kullanılan üç bitki arasında bir tohum iken, ortalama %43 oranında yağ verimi elde edilmekte ve kalan küspe hayvan yemi olarak kullanılmakta ve bu da onu sürdürülebilirlik potansiyeli yüksek bir malzeme haline getirmektedir. Kabak tohumları ise yağ ekstraksiyonu için Türkiye'de yaygın olarak kullanılmasa da önemli bir potansiyel protein kaynağıdır ve sadece %25-30 oranında yağ elde edilmektedir.
Tez kapsamında, ayçiçeği yağı küspesi (Helianthus annuus) ve soğuk sıkım kabak çekirdeği yağı küspesi (Cucurbita pepo) kullanılmıştır. Küspe bir öğütücüde öğütüldü ve 450 μm'lik bir elekten geçirilerek "öğütülmüş ayçiçek yağı küspesi" ve "öğütülmüş kabak çekirdeği yağı küspesi" elde edilmiştir. Küspeler analiz çalışmaları boyunca +4°C'de muhafaza edildi. 
İlk olarak üç faktörlü, üç seviyeli Box-Behnken tasarımını 8.0, 9.5 ve 11.0 pH, %0, %1 ve %2 NaCl konsantrasyonu ve %0,04, %0,12 ve %0,20 katı:çözgen  oranı olarak uygulanan ayçiçeği küspesinin alkali ekstraksiyon koşullarını optimize etmek için yanıt yüzeyi metodolojisi (RSM) kullanılmıştır. Ardından enzim destekli ekstraksiyonun koşullarını (%0,1 ve %2,0 selülaz enzim konsantrasyonu; 30 dk ve 120 dk enzim uygulama süresi), ultrason destekli ekstraksiyonun koşullarını (60 W ve 120 W ultrasonik güç; 1 dk ve 10 dk ultrason uygulama süresi) ve mikrodalga destekli ekstraksiyonun koşullarını (140 W ve 700 W mikrodalga gücü; 1 dk ve 3 dk) optimize etmek için faktöriyel tasarım uygulanmıştır.
Ayçiçeği yağı küspesinin RSM ile optimize edilen alkali ekstraksiyonu koşulları pH 11, %0 NaCl konsantrasyonu ve %0,04 katı:çözgen oranı ve faktöriyel tasarım ile optimize edilen enzim, ultrason ve mikrodalga destekli ekstraksiyon koşulları sırasıyla %2 selülaz enzimi konsantrasyonu ve 120 dk enzim uygulama süresi, 120 W ultrason gücü ve 10 dk uygulama süresi, 700 W mikrodalga gücü ve 1 dk uygulama süresi olarak tespit edilmiştir. Ayrıca her bir ekstraksiyon yönteminde bağımsız değişkenlere bağlı olarak ikinci dereceden bir polinom regresyon modeli elde edilmiştir. Optimizasyon çalışmaları sonucunda en yüksek protein ekstraksiyon yüzdesine sahip ultrason destekli ekstraksiyon ile ayçiçeği küspesi protein izolatı verimi ortalama %22,656 ve geri kazanılan protein ise %58,826 elde edilmiştir. Belirlenen optimum koşulda ayçiçeği protein izolatlarının denatürasyon sıcaklığı 86-126oC aralığında ve denatürasyon entalpisi 8.75±1.63 J/g olarak bulunmuştur. Su tutma, yağ tutma, emülsifiye etme ve köpürme kapasitesi sırasıyla %2,78±0,08, %2,49±0,04, %58,33±2,36 ve %50,00±0,00 belirlenmiştir. Protein izolatın renk analizi sonucuna göre L* değeri 29,143±0,53, a* değeri 0,817±0,09, b değeri ise 7,543±0,35 olarak kaydedilmiştir.
Benzer şekilde, üç faktörlü, üç seviyeli Box-Behnken tasarımını 8.0, 9.5 ve 11.0 pH, %0, %4 ve %8 NaCl konsantrasyonu ve %0,030, %0,115 ve %2,000 katı:çözgen  oranı olarak uygulanan soğuk sıkım kabak çekirdeği küspesinin alkali ekstraksiyon koşullarını optimize etmek için RSM kullanılmıştır. Daha sonra ayçiçeği küspesinde uygulanan aynı değerlerle enzim, ultrason ve mikrodalga destekli ekstraksiyon koşulları, faktöriyel tasarım ile optimize edilmiştir.
Soğuk sıkım kabak çekirdeği yağı küspesinin RSM ile optimize edilen alkali ekstraksiyonu koşulları pH 11, %8 NaCl ve %0,1 katı:çözgen oranı ve faktöriyel tasarım ile optimize edilen enzim, ultrason ve mikrodalga destekli ekstraksiyon koşulları sırasıyla %2 selülaz enzimi konsantrasyonu ve 30 dk enzim uygulama süresi, 120 W ultrason gücü ve 1 dk ultrason uygulama süresi, 140 W mikrodalga gücü ve 1 dk uygulama süresi olarak tespit edilmiştir. Ayrıca, her bir ekstraksiyon yönteminde bağımsız değişkenlere bağlı olarak ikinci dereceden bir polinom regresyon modeli elde edilmiştir.  Optimizasyon çalışmaları sonucunda en yüksek protein ekstraksiyon yüzdesine sahip ultrason destekli ekstraksiyon ile kabak çekirdeği küspesi protein izolatı verimi ortalama %46,243 ve geri kazanılan protein ise %100 elde edilmiştir. Belirlenen optimum koşulda kabak çekirdeği protein izolatlarının denatürasyon sıcaklığı 57,60-100,57oC aralığında ve denatürasyon entalpisi 15,33 J/g olarak bulunmuştur. Su tutma, yağ tutma, emülsifiye etme ve köpürme kapasitesi sırasıyla %3,25±0,03, %2,78±0,10, %30,00±4,08 ve %20,00±0,00 belirlenmiştir. Kabak çekirdeği küspesinden elde edilen protein izolatın renk analizi sonucuna göre L* değeri 69,92±0,360, a* değeri -3,39±0,005 ve b* değeri ise 23,36±0,140 olarak kaydedilmiştir.

Abstract:
One of the most produced industrial wastes in the world is meals, which are by-products obtained after oil extraction from vegetable matrices. While sunflower is a seed among the three most used plants in the oil industry, an average of 43% oil yield is obtained and the remaining pulp is used as animal feed, making it a material with high sustainability potential. Pumpkin seeds, on the other hand, are not widely used for oil extraction in Turkey, but they are an important potential protein source and only 25-30% oil is obtained.
In this thesis, sunflower oil meal (Helianthus annuus) and cold pressed pumpkin seed oil meal (Cucurbita pepo) were used. The meals were ground in a grinder and sieved through a 450 μm sieve to obtain "ground sunflower oil meal" and "ground pumpkin seed oil meal". They were stored at +4°C throughout the analysis studies.
Firstly, response surface methodology (RSM) was used to optimize the alkaline extraction conditions of sunflower meal with three-factor, three-level Box-Behnken design as pH 8.0, 9.5 and 11.0, 0% 1% and 2% NaCl concentration and 0.04%, 0.12% and 0.20% meal:solvent ratio. Then, a fractional factorial design was applied to optimize the conditions of enzyme assisted extraction (0.1% and 2.0% cellulase enzyme concentration; 30 minutes and 120 minutes enzyme treatment time), the conditions of ultrasound assisted extraction (60 W and 120 W ultrasonic power; 1 minute and 10 minute ultrasound treatment time) and and conditions of microwave assisted extraction (140 W and 700 W; 1 minute and 3 minutes treatment time).
The alkali extraction conditions of sunflower oil meal optimized by response surface methodology were determined as pH 11, 0% NaCl concentration and 0.04% meal:solvent ratio. The enzyme, ultrasound and microwave assisted extraction conditions optimized with factorial design were determined as 2% cellulase enzyme concentration - 120 minutes enzyme application time, 120 W ultrasound power - 10 minutes application time and 700 W microwave power - 1 minute application time, respectively. In addition, a quadratic polynomial regression model was obtained depending on the independent variables in each extraction method. As a result of the optimization studies, the yield of sunflower meal protein isolate was 22.656% and the recovered protein was 58.826%, with ultrasound assisted extraction, which had the highest protein extraction percentage. In the optimum condition determined, the denaturation temperature of sunflower protein isolates was found to be in the range of 86-126oC and the enthalpy of denaturation was 8.75±1.63 J/g. Water holding, oil holding, emulsifying and foaming capacity were determined as 2.78±0.08%, 2.49±0.04%, 58.33±2.36% and 50±0.00%, respectively. According to the color analysis result of the protein isolate, L*, a* and b* values were recorded as 29.143±0.53, 29.143±0.53, 0.817±0.09, 7.543±0.35, respectively.
Similarly, the three-factor-three-level Box-Behnken design was applied as a pH 8.0, 9.5 and 11.0, 0% 4% and 8% NaCl concentration, and 0.030%, 0.115% and 2.00% meal:solvent ratio for cold-pressed pumpkin seed meals. Response surface methodology (RSM) was used to optimize the alkali extraction conditions. Then, enzyme, ultrasound and microwave assisted extraction conditions with the same values applied in sunflower meal were optimized by fractional factorial design.
The alkaline extraction conditions of cold pressed pumpkin seed oil meal optimized by response surface methodology were determined as pH 11, 8% NaCl and 0.1% meal:solvent ratio. The enzyme, ultrasound and microwave assisted extraction conditions optimized with factorial design were determined as 2% cellulase enzyme concentration - 30 minutes enzyme application time, 120 W ultrasound power - 1 minute ultrasound application time and 140 W microwave power - 1 minute application time. In addition, a quadratic polynomial regression model was obtained depending on the independent variables in each extraction method. As a result of the optimization studies, the yield of pumpkin seed meal protein isolate was 46.243% and the recovered protein was 100% with ultrasound assisted extraction, which has the highest protein extraction percentage. The denaturation temperature of pumpkin seed protein isolates was found to be between 57.60-100.57oC and the enthalpy of denaturation was 15.33 J/g in the determined optimum condition. Water holding, oil holding, emulsifying and foaming capacity were determined as 3.245±0.03%, 2.776±0.1%, 30±4.08% and 20±0.00%, respectively. According to the color analysis result of protein isolate obtained from pumpkin seed meal, The alkaline extraction conditions of cold pressed pumpkin seed oil meal optimized by response surface methodology were determined as pH 11, 8% NaCl and 0.1% solid:solvent ratio. The enzyme, ultrasound and microwave assisted extraction conditions optimized with factorial design were determined as 2 % cellulase enzyme concentration - 30 minutes enzyme application time, 120 W ultrasound power - 1 minute ultrasound application time and 140 W microwave power - 1 minute application time. In addition, a quadratic polynomial regression model was obtained depending on the independent variables in each extraction method. As a result of the optimization studies, the yield of pumpkin seed meal protein isolate was 46.243% and the recovered protein was 100% with ultrasound assisted extraction, which has the highest protein extraction percentage. The denaturation temperature of pumpkin seed protein isolates was found to be between 57.60-100.57oC and the enthalpy of denaturation was 15.33 J/g in the determined optimum condition. Water holding, oil holding, emulsifying and foaming capacity were determined as 3.25±0.03%, 2.78±0.10%, 30.00±4.08% and 20.00±0.00%, respectively. According to the color analysis result of protein isolate obtained from pumpkin seed meal, L*, a* and b* values were recorded as 69.92±0.360, -3.39±0.005 and 23.36±0.140, respectively. 
This thesis study has revealed the potential for use of by-products and wastes produced from local soil crops grown in our country in the food industry and reemphasized that our natural resources can be used effectively. In addition, the extraction method of the protein concentrates to be formed has offered economical, environmentally friendly and clean alternatives to the traditional extraction method such as enzyme, ultrasound and microwave application for plant-based protein production. With this study, thanks to the high extraction efficiency and recovered protein yield obtained as a result of the optimization study, it is possible to obtain protein isolate from vegetable wastes, both to contribute to food sustainability and to obtain protein isolate from local crops as an alternative to soybean plant, which is the most important oilseed plant imported in Turkey. Furthermore, this study showed that it could lead to innovative use of sunflower and pumpkin seed meal as a protein source, as a functional ingredient or as a nutritional supplement.