Geri Dön

Characterization of levan produced by limosilactobacillus fermentum att06 isolated from lactic acid–fermented shalgam beverage

Laktik asit fermantasyonu ile üretilen şalgam suyundan izole edılen lımosılactobacıllus fermentum att06 tarafından üretilen levanın fizikokimyasal karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 1000050
  2. Yazar: ŞEYMA ÇAKIRCA
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. FATİH ORTAKCI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Gıda Mühendisliği, Mikrobiyoloji, Food Engineering, Microbiology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu çalışmada, laktik asit fermantasyonu yoluyla üretilen ve Türkiye'de geleneksel olarak tüketilen bir içecek olan şalgamdan izole edilen Limosilactobacillus (L.) fermentum ATT06 suşu tarafından sentezlenen levan tipi ekzopolisakkaritin (EPS) üretimi, saflaştırılması ve yapısal ile fizikokimyasal özellikleri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Şalgam içeceği, siyah havuç, bulgur unu, tuz ve su gibi hammaddelerin fermantasyonu sonucu elde edilen, fermantasyon süresi boyunca zengin bir mikrobiyal ekosistemin geliştiği geleneksel bir üründür. Bu fermantasyon süreci sırasında baskın hâle gelen laktik asit bakterileri, karbonhidrat metabolizması yoluyla organik asitler, aroma bileşikleri ve çeşitli polisakkaritler üretmekte; bu metabolitler ürünün kimyasal bileşimini, duyusal özelliklerini ve mikrobiyolojik stabilitesini belirlemektedir. Bu yönüyle şalgam, yalnızca geleneksel bir içecek değil, aynı zamanda fonksiyonel bileşenlerin kaynağı olarak değerlendirilmektedir. Ekzopolisakkaritler, bakteriler tarafından hücre dışına salgılanan yüksek molekül ağırlıklı polisakkaritler olup, mikroorganizmanın çevresel stres koşullarına karşı korunmasında rol oynamaktadır. Gıda sistemlerinde ise bu bileşikler, ürünlerin viskozite, tekstür, su tutma kapasitesi ve stabilite gibi teknolojik özellikleri üzerinde etkili olabilmektedir. Ekzopolisakkaritler yapısal özelliklerine göre homopolisakkaritler ve heteropolisakkaritler olarak sınıflandırılmaktadır. Homopolisakkaritler, tek tip monomer biriminden oluşmakta olup, bu gruba giren fruktanlar özellikle son yıllarda artan ilgi görmektedir. Fruktanlar arasında yer alan levan ve inülin, fruktoz birimlerinden oluşmakla birlikte, bağlanma tipleri ve dallanma dereceleri açısından farklılık göstermektedir. Levan, fruktoz birimlerinin çoğunlukla β-(2→6) glikozidik bağlarla bağlanması sonucu oluşan bir fruktan olup, bakteriler ve bazı bitkiler tarafından sentezlenebilmektedir. Mikrobiyal kökenli levanlar, üretici mikroorganizmaya ve fermantasyon koşullarına bağlı olarak farklı moleküler ağırlık, dallanma derecesi ve fiziksel özellikler sergileyebilmektedir. Levanın gıda ve biyoteknoloji alanlarında potansiyel kullanım alanları, çözünürlük özellikleri, düşük viskoziteye rağmen yüksek su tutma kapasitesine sahip olması ve bazı durumlarda jel benzeri yapılar oluşturabilmesi gibi özellikleri ile raporlanmıştır. Bununla birlikte, levanın bu özellikleri, üretildiği mikroorganizma türüne, kullanılan karbon kaynağına ve fermantasyon parametrelerine bağlı olarak değişiklik gösterebilmektedir. Bu nedenle, farklı doğal kaynaklardan izole edilen laktik asit bakterileri tarafından üretilen levanların ayrıntılı olarak karakterize edilmesi, bu polisakkaritlerin teknolojik ve fonksiyonel özelliklerinin daha sağlıklı bir şekilde değerlendirilmesine olanak sağlamaktadır. Bu tez çalışması kapsamında, şalgam içeceğinden izole edilen L. fermentum ATT06 suşunun levan üretme yeteneği ele alınmış ve üretilen polimerin yapısal ve fizikokimyasal özellikleri detaylı olarak incelenmiştir. Ekzopolisakkarit üretimi amacıyla, maya kaynaklı glukanların oluşumunu sınırlandırmak ve bakteriyel EPS üretimini desteklemek üzere sukroz ile zenginleştirilmiş modifiye bir Brain Heart Infusion (BHI) besiyeri kullanılmıştır. L. fermentum ATT06 suşu, belirlenen sıcaklık ve süre koşullarında inkübe edilmiş ve fermantasyon süresi sonunda kültür süpernatantında biriken hücre dışı polisakkaritler değerlendirmeye alınmıştır. Fermantasyon sonunda elde edilen süpernatant, hücresel kalıntılardan ayrıldıktan sonra ekzopolisakkaritin izolasyonu için işleme alınmıştır. Ekzopolisakkaritin izolasyonu, soğuk etanol kullanılarak gerçekleştirilen çöktürme ve santrifüjleme basamakları ile yapılmıştır. Bu işlem sırasında, süpernatanta belirli oranlarda soğuk etanol ilave edilerek polisakkaritin çökelmesi sağlanmış, ardından santrifüjleme ile çökelti toplanmıştır. Elde edilen çökelti, damıtılmış suda çözündürülmüş ve saflığın artırılması amacıyla aynı çöktürme işlemi birden fazla kez tekrarlanmıştır. Bu ardışık çöktürme adımları, düşük molekül ağırlıklı safsızlıkların uzaklaştırılmasına katkı sağlamıştır. Son aşamada elde edilen EPS örnekleri liyofilizasyon yöntemi ile kurutulmuş ve analizler gerçekleştirilinceye kadar uygun koşullarda muhafaza edilmiştir. Saflaştırılan EPS'nin yapısal özelliklerinin belirlenmesi amacıyla ¹H ve ¹³C Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) analizleri gerçekleştirilmiştir. NMR spektrumlarında gözlenen kimyasal kaymalar ve sinyal desenleri, polimerin temel yapı taşının fruktoz birimleri olduğunu ve bu birimlerin ağırlıklı olarak β-(2→6) glikozidik bağlar aracılığıyla birbirine bağlandığını göstermiştir. Elde edilen spektral veriler, literatürde daha önce farklı mikroorganizmalardan elde edilen levanlara ait raporlarla karşılaştırıldığında levanların yapısıyla uyumlu bulunmuştur. Bu durum, ATT06 suşu tarafından üretilen EPS'nin levan tipi bir fruktan olduğunu desteklemektedir. Yapısal karakterizasyonu desteklemek amacıyla Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) analizleri de gerçekleştirilmiştir. FTIR spektrumlarında, polisakkarit yapıya özgü hidroksil gruplarına ait geniş bantlar ile C–O ve C–O–C gerilme titreşimlerine karşılık gelen karakteristik pikler tespit edilmiştir. Bu bantların varlığı, fruktoz birimlerinden oluşan bir polisakkarit yapıyı işaret etmektedir. FTIR ve NMR analizlerinden elde edilen sonuçlara uyumlu olarak, ATT06 suşu tarafından sentezlenen ekzopolisakkaritin levan yapısında olduğu sonucuna varılmıştır. Levan ATT06'nın morfolojik özellikleri, Taramalı Elektron Mikroskopisi (SEM) ve Atomik Kuvvet Mikroskopisi (AFM) kullanılarak incelenmiştir. SEM görüntülerinde, polimerin düzensiz ve heterojen bir yüzey morfolojisine sahip olduğu, yer yer granüler yapılar ve yoğun polimer ağlarının bulunduğu gözlenmiştir. Bu yapı, polimer zincirleri arasındaki etkileşimler ve dallanma derecesi ile ilişkili olabilecek bir morfoloji sunmaktadır. AFM analizleri ise levanın üç boyutlu yüzey topografisini ortaya koymuş; yüzeyde farklı yüksekliklere sahip bölgelerin bulunduğu ve homojen olmayan bir dağılım sergilendiği belirlenmiştir. Bu morfolojik özellikler, levanın su ile etkileşimi ve reolojik davranışı açısından önem taşımaktadır. Polimerin yapısının kristal ya da amorf olup olmadığıının değerlendirilmesi amacıyla X-ışını Kırınımı (XRD) analizi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen difraktogramlarda keskin ve belirgin kristalin piklerin gözlenmemesi, ATT06 levanının büyük ölçüde amorf bir yapıya sahip olduğunu göstermiştir. Amorf yapı, polisakkaritlerin çözünürlük özelliklerini ve gıda matrisleri içerisindeki dağılımını etkileyen önemli bir faktör olup, bu durum polimerin teknolojik uygulamalardaki davranışını belirleyebilmektedir. Levan ATT06'nın termal özellikleri Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC), Termogravimetrik Analiz (TGA), Türevsel Termogravimetrik Analiz (DTG) ve Diferansiyel Termal Analiz (DTA) yöntemleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Termal analizler sonucunda, EPS'nin düşük sıcaklıklarda yapısal bütünlüğünü koruduğu ve ana termal bozunma aşamasının yaklaşık 250–300 °C sıcaklık aralığında gerçekleştiği belirlenmiştir. Bu sonuçlar, elde edilen levanın belirli bir termal stabiliteye sahip olduğunu ve ısıl işlem içeren gıda proseslerinde değerlendirilebileceğini düşündürmektedir. Bunun yanı sıra, L. fermentum ATT06 suşunun genom dizisi in silico yöntemler kullanılarak analiz edilmiş ve ekzopolisakkarit biyosentezi ile ilişkili genetik özellikleri değerlendirilmiştir. Genom anotasyonu sonucunda, fruktan sentezinde görev alan ve levan biyosentezinden sorumlu olduğu bilinen levansucrase (EC 2.4.1.10) enzimini kodlayan genin L. fermentum ATT06 genomunda yer aldığı belirlenmiştir. Söz konusu genin tespiti, fermantasyon denemeleri sırasında elde edilen levan üretim bulgularını moleküler düzeyde desteklemektedir.. Literatürde L. fermentum türüne ait suşların farklı tiplerde ekzopolisakkaritler üretebildiği bildirilmiş olmakla birlikte, levan tipi homopolisakkaritlerin ayrıntılı yapısal ve fizikokimyasal özelliklerinin incelendiği çalışmaların sınırlı olduğu görülmektedir. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında şalgam içeceğinden izole edilen L. fermentum ATT06 suşu tarafından üretilen levanın üretimi, saflaştırılması ve yapısal ile fizikokimyasal özellikleri kapsamlı bir şekilde değerlendirilmiştir. Elde edilen bulgular, bu ekzopolisakkaritin fonksiyonel gıda bileşeni, prebiyotik katkı maddesi veya biyopolimer temelli uygulamalar açısından değerlendirilebilecek özellikler taşıdığını düşündürmektedir. Ayrıca, geleneksel fermente ürünlerin yerel laktik asit bakterileri açısından önemli bir biyolojik kaynak sunduğu ve bu mikroorganizmaların doğal kökenli biyopolimerlerin araştırılmasında değerlendirilebileceği bu çalışma kapsamında ortaya konulmuştur.

Özet (Çeviri)

In this study, the production, purification, and structural and physicochemical properties of levan-type exopolysaccharide (EPS) synthesized by the Limosilactobacillus (L.) fermentum ATT06 strain isolated from shalgam beverage, a beverage produced through lactic acid fermentation and traditionally consumed in Turkey, were investigated in detail. Shalgam beverage is a traditional product obtained as a result of the fermentation of raw materials such as black carrot, bulgur flour, salt, and water, during which a rich microbial ecosystem develops. Lactic acid bacteria, which become dominant during this fermentation process, produce organic acids, aroma compounds, and various polysaccharides through carbohydrate metabolism; these metabolites determine the chemical composition, sensory properties, and microbiological stability of the product. In this respect, shalgam beverage is considered not only a traditional beverage but also a source of functional components. Exopolysaccharides are high molecular weight polysaccharides secreted extracellularly by bacteria and play a role in protecting the microorganism against environmental stress conditions. In food systems, these compounds can affect the technological properties of products such as viscosity, texture, water-holding capacity, and stability. Exopolysaccharides are classified as homopolysaccharides and heteropolysaccharides according to their structural properties. Homopolysaccharides consist of a single type of monomer unit, and fructans, which belong to this group, have received increasing attention in recent years. Levan and inulin, which are among the fructans, consist of fructose units but differ in terms of bonding types and degree of branching. Levan is a fructan formed by the linkage of fructose units mostly with β-(2→6) glycosidic bonds, and can be synthesized by bacteria and some plants. Levans of microbial origin can exhibit different molecular weights, degrees of branching, and physical properties depending on the producing microorganism and fermentation conditions. Potential applications of levan in food and biotechnology have been reported due to its solubility properties, high water-holding capacity despite low viscosity, and its ability to form gel-like structures in some cases. However, these properties of levan can vary depending on the type of microorganism producing it, the carbon source used, and the fermentation parameters. Therefore, detailed characterization of levans produced by lactic acid bacteria isolated from different natural sources allows for a more accurate evaluation of the technological and functional properties of these polysaccharides. In this thesis, the ability of the L. fermentum ATT06 strain isolated from shalgam beverage to produce levan was investigated, and the structural and physicochemical properties of the produced polymer were examined in detail. For exopolysaccharide production, a modified Brain Heart Infusion (BHI) medium enriched with sucrose was used to limit the formation of yeast-derived glucans and support bacterial EPS production. The L. fermentum ATT06 strain was incubated under the specified temperature and time conditions, and the extracellular polysaccharides accumulated in the culture supernatant at the end of the fermentation period were evaluated. The supernatant obtained at the end of fermentation was separated from cellular residues and then processed for the isolation of the exopolysaccharide. The isolation of the exopolysaccharide was carried out by precipitation and centrifugation steps using cold ethanol. During this process, cold ethanol was added to the supernatant in specific proportions to allow the polysaccharide to precipitate, and then the precipitate was collected by centrifugation. The resulting precipitate was dissolved in distilled water, and the same precipitation process was repeated multiple times to increase purity. These successive precipitation steps contributed to the removal of low molecular weight impurities. In the final stage, the obtained EPS samples were dried by lyophilization and stored under appropriate conditions until the analyses were performed. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) analyses were performed to determine the structural properties of the purified EPS. The chemical shifts and signal patterns observed in the NMR spectra showed that the basic building blocks of the polymer are fructose units, and these units are mainly linked to each other via β-(2→6) glycosidic bonds. The obtained spectral data were found to be consistent with the structure of levans when compared with previous reports in the literature regarding levans obtained from different microorganisms. This supports the conclusion that the EPS produced by the ATT06 strain is a levan-type fructan. Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) analyses were also performed to support the structural characterization. In the FTIR spectra, broad bands belonging to hydroxyl groups specific to the polysaccharide structure and characteristic peaks corresponding to C–O and C–O–C stretching vibrations were detected. The presence of these bands indicates a polysaccharide structure composed of fructose units. In line with the results obtained from FTIR and NMR analyses, it was concluded that the exopolysaccharide synthesized by the ATT06 strain has a levan structure. The morphological properties of levan ATT06 were examined using Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM). SEM images revealed that the polymer has an irregular and heterogeneous surface morphology, with scattered granular structures and dense polymer networks. This structure presents a morphology that may be related to the interactions and branching degree between the polymer chains. AFM analyses revealed the three-dimensional surface topography of the levan; it was determined that there are regions with different heights on the surface and that it exhibits a non-homogeneous distribution. These morphological features are important in terms of the interaction of the levan with water and its rheological behavior. X-ray Diffraction (XRD) analysis was performed to evaluate whether the polymer structure is crystalline or amorphous. The absence of sharp and distinct crystalline peaks in the obtained diffractograms indicated that ATT06 levan has a largely amorphous structure. Amorphous structure is an important factor affecting the solubility properties of polysaccharides and their distribution in food matrices, and this can determine the behavior of the polymer in technological applications. The thermal properties of levan ATT06 were evaluated using Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetric Analysis (TGA), Derivative Thermogravimetric Analysis (DTG), and Differential Thermal Analysis (DTA) methods. Thermal analyses revealed that EPS maintains its structural integrity at low temperatures, and the main thermal degradation stage occurs in the temperature range of approximately 250–300 °C. These results suggest that the obtained levan possesses a certain thermal stability and can be utilized in food processing involving heat treatment. Furthermore, the genome sequence of the L. fermentum ATT06 strain was analyzed using in silico methods, and its genetic characteristics related to exopolysaccharide biosynthesis were evaluated. Genome annotation revealed that the gene encoding the levansucrase (EC 2.4.1.10) enzyme, known to be involved in fructan synthesis and responsible for levan biosynthesis, is located in the L. fermentum ATT06 genome. The identification of this gene supports the levan production findings obtained during fermentation experiments at the molecular level. Although the literature reports that strains of L. fermentum can produce different types of exopolysaccharides, studies examining the detailed structural and physicochemical properties of levan-type homopolysaccharides appear to be limited. In conclusion, this thesis comprehensively evaluates the production, purification, and structural and physicochemical properties of levan produced by the L. fermentum ATT06 strain isolated from shalgam beverage. The findings suggest that this exopolysaccharide possesses properties that can be evaluated in terms of functional food components, prebiotic additives, or biopolymer-based applications. Furthermore, this study demonstrates that traditional fermented products offer a significant biological resource in terms of local lactic acid bacteria and that these microorganisms can be utilized in the investigation of naturally occurring biopolymers.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    377222

    Purification and characterization of levansucrase by Halomonas smyrnensis AAD6T

    Halomonas smyrnensis AAD6T'den izole edilen levansukraz enziminin saflaştirilmasi ve karakterizasyonu

    BESTE ÇALIMLIOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    BiyomühendislikMarmara Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. KAZIM YALÇIN ARĞA

  2. Tez No

    892991

    Synthesis of oleuropein loaded levan nanoparticles for the healing of gastrointestinal system wounds

    Gastrointestinal sistem yara iyileşmesine yönelik oleuropein yüklü levan nanopartiküllerinin sentezlenmesi

    BERKAY GÖKTUĞ AVCI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    BiyomühendislikMarmara Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EBRU TOKSOY ÖNER

  3. Tez No

    837180

    Fruktanojenik starter kültürlerden paraprobiyotik ve postbiyotiklerin üretilmesi ve karakterizasyon çalışmaları

    Production and characterization of paraprobiotics and postbiotics from fructanogenic starter cultures

    RÜYA GİRAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    BiyolojiMarmara Üniversitesi

    Biyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EBRU TOKSOY ÖNER

  4. Tez No

    527190

    Tekirdağ'da zeytin dal kanseri hastalığı etmeni Pseudomonas savastanoi pv. Savastanoi' nin tanısı ve bakteriyel antagonistlerle biyolojik mücadelesi

    Identification of bacterial knot disease agent Pseudomonassavastanoi Pv. Savastanoi and biological control of disease byAntagonistic bacteria in Tekirdag

    ECE SANCAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    ZiraatTekirdağ Namık Kemal Üniversitesi

    Bitki Koruma Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA MİRİK

  5. Tez No

    488025

    Microbial strain improvement strategies for levan production

    Levan üretimi için suş iyileştirme stratejileri

    BURAK ADNAN ERKORKMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    BiyoteknolojiMarmara Üniversitesi

    Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EBRU TOKSOY ÖNER

Geri Dön