Extraction, characterization and usage of pectin from sugar beet pulp waste
Şeker pancarı posa atığından pektinin kstraksiyonu,karakterizasyonu ve kullanımı
- Tez No: 887099
- Danışmanlar: PROF. DR. MERAL KILIÇ AKYILMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gıda Mühendisliği, Food Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 97
Özet
Dünya genelinde büyük miktarda tarıma dayalı endüstriler tarafından açığa çıkan atık birikimi ciddi ekonomik ve ekolojik sorunlara neden olmaktadır. Bu atıklar, gıda endüstrisinde hammaddelerin işlenmesi sırasında üretilen yan ürünlerdir. Bitkisel gıdaların işlenmesinden elde edilen yan ürünleri değerli fonksiyonel ürünlere dönüştürmek, gıda endüstrisindeki atık sorununu azaltmaya yardımcı olur. Şeker pancarı posası, şeker pancarından şeker çıkarıldıktan sonra kalan artık yan üründür. Şeker pancarı posası şu anda hayvan yemi veya biyorafineri tesislerinde hammadde olarak kullanılan yetersiz düzeyde değerlendirilen bir atıktır. Şeker pancarı pektini, şeker pancarı posasından türetilen potansiyeli yüksek bir pektin çeşididir. Türkiye 2021 yılında yaklaşık 676.000 kilogram pektin ithal etmiştir. Türk gıda endüstrisinde yaygın uygulamaları göz önüne alındığında, bu ithalat hacminin önümüzdeki yıllarda artması beklenmektedir. Türkiye, dünyanın beşinci büyük şeker pancarı üreticisidir, ancak büyük potansiyeline rağmen henüz pektin üretmemektedir. Pektin, 1,4 pozisyonunda bağlanmış α-D-galakturonik asit birimlerinden oluşan ve 1,5 bağlı α-L-arabinoz ve 1,4 bağlı β-D-galaktoz gibi nötr şekerlerin ek yan zincirlerine sahip olan bir heteropolisakkarittir. Pektin, bitkilerde hücre duvarlarının orta lamelinde bulunur ve selüloz ve hemiselüloz ile birlikte yapısal destek ve koruma sağlar. Pektin, metilasyon derecesine (DM) göre iki türe ayrılır, metoksil derecesi %50'den az olan düşük metoksil pektin (LMP) ve metoksil derecesi %50'den fazla olan yüksek metoksil pektin (HMP) şeklinde sınıflandırılır. Pektin, gıda endüstrisinde yaygın olarak kullanılmakta olup, başlıca reçel, marmelat ve şekerli şekerlemelerde jelleştirici ve koyulaştırıcı ve süt ve meyve ürünlerinde stabilizör olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada, şeker pancarı posası atığından pektin, geleneksel ekstraksiyon (CE), ultrason-destekli ekstraksiyon (UAE) ve mikrodalga-destekli ekstraksiyon (MAE) yöntemleri kullanılarak ekstrakte edilmiştir. Çalışmadaki amaç, farklı ekstraksiyon yöntemlerinin pektinin fizikokimyasal özelliklerine ve fermente süt içeceğindeki performansına etkisini belirlemektir. Ekstraksiyon için şeker pancarı posa atığının sitrik asitle asitlendirilmiş bir sulu çözeltisi hazırlanmıştır. CE, çözeltiyi bir su banyosunda 85°C'ye ısıtarak gerçekleştirilmiştir. UAE için maksimum gücü 400 W olan ve 24 kHz frekansta çalışan bir ultrason ünitesi kullanılmıştır. Sonikasyonda %50 güç ve 15 dk süre uygulanarak örneğin sıcaklığının CE'de olduğu gibi 85°C'ye gelmesi sağlanmıştır. MAE için, maksimum gücü 1400 W ve frekansı 2450 MHz olan bir mikrodalga ünitesi kullanılmıştır. Karışıma diğerleriyle aynı sıcaklığa gelmesi için, 15 dk boyunca 420 W gücünde mikrodalga uygulanmıştır. Elde edilen ısıtılmış çözeltiler 60 dk karıştırılmış ve homojenize edilmiştir. Soğutma yapılarak çöken parçacıklar ayrıldıktan sonra kalan çözeltideki pektin etanol kullanılarak ayrılmıştır. Çöken pektin diyaliz membranı kullanılarak küçük moleküllerin ayrılması sağlanarak saflaştırılmış ve kurutulmuştur. MAE, CE VE UAE yöntemleri ile elde edilen pektinlerin karakterizasyonu için, galakturonik asit içeriği, esterifikasyon derecesi, protein içeriği ve FTIR analizleri yapılmıştır. Pektinlerin teknolojik performansları emülsiyon ve fermente süt içeceğinde kullanılarak değerlendirilmiştir. Pektinin emülsiyon stabilitesine olan etkisi belirlenmiştir. Fermente süt içeceğinde ise, stabilizör olarak kıvama ve serum ayrılmasına olan etkileri belirlenmiştir. Elde edilen pektin örneklerinin özellikleri, ticari narenciye pektini ile karşılaştırılmıştır. Pektin örneklerindeki galakturonik asit miktarının belirlenmesinde spekstroskopik analiz yöntemi kullanılmıştır. Kalibrasyon eğrisi, değişen konsantrasyonlarda galakturonik asit standart çözeltileri kullanılarak hazırlanmıştır. Esterifikasyon derecesi titrimetrik yöntem kullanılarak belirlenmiştir. Protein içeriği, Bradford testi uygulanarak saptanmıştır. Kalibrasyon eğrisi sığır serum albümini kullanılarak hazırlanan standart çözeltiler ile oluşturulmuştur. Ayrıca pektin örneklerinin 650-4000 cm-1 dalga sayısı aralığında FTIR spektrumları çekilmiş ve yapıları incelenmiştir. Pektin örnekleri bir su ve ayçiçek yağı (hacimce 3:1) emülsiyon modelinde %1 oranında kullanılarak emülsiyon stabilitesine olan etkileri belirlenmiştir. Elde edilen emülsiyonda emülsiyon tabakasının hacmi 24 saat sonra ölçülmüştür. Buna ilaveten, pektin örnekleri fermente süt içeceğinde %1 oranında kullanılmış ve içeceklerin reolojik özellikleri ve depolama sırasında serum ayrılması düzeyleri belirlenmiştir. İçeceklerin reolojik özelliklerinin belirlenmesinde koni-plaka sensörü kullanılmış ve kayma hızına bağlı kayma stresi değerleri ölçülmüştür. İçeceklerin kıvam indeksi ve akış davranış indeksi değerleri üslü yasa modeline göre belirlenmiştir. Farklı ekstraksiyon yöntemleri ile elde edilen pektin verimleri, %5,3 ile %10,3 arasında değişmiştir. CE ile benzer bir verime ulaşmak 35 dk sürerken, MAE ve UAE yöntemlerinde eşdeğer miktarda pektin ekstrakte etmek sadece 15 dk almıştır. Dikkat çekici şekilde, UAE yöntemiyle elde edilen pektin örneğinde protein içeriği daha yüksek bulunmuştur (%8,6). Bu oran CE ile %6,6 ve MAE ile %6,2 olarak bulunmuştur. Daha düşük protein içeriği daha yüksek pektin saflığını göstermektedir. UAE, MAE ve CE ile ekstrakte edilen pektin örnekleri benzer esterleşme dereceleri (DE) göstermiştir, sırasıyla %75,8 %72,7 ve %72,3. Tüm ekstraksiyon yöntemleri %50'nin üzerinde DE değerleri üretmiş olup, bu da pektini yüksek metoksil pektin (HMP) olarak nitelendirmektedir. Örneklerin GalA içeriği %56,8 ile %61,3 arasında değişmiştir ve örnekler arasında ekstraksiyon metodu açısından önemli düzeyde bir farklılık bulunmamıştır. Örneklerin FTIR spektrumları benzer dalga sayılarında pikler göstermiştir. Tüm pektin örnekleri (UAE, MAE ve CE), sırasıyla metil-esterleştirilmiş karboksil gruplarının ve karboksilat iyonlarının C=O gerilmesine atfedilen 1643,57 cm⁻¹, 1732,69 cm⁻¹ ve 1729,18 cm⁻¹'de absorbans pikleri sergilemiştir. FTIR analizi, farklı ekstraksiyon yöntemlerinin pektinin kimyasal yapısı üzerinde minimal etkisi olduğunu ortaya koymuştur. UAE, MAE ve CE ile ekstrakte edilen pektinler ve ticari pektin içeren fermente süt içeceklerinde, katkısız kontrol örneğine göre görünür viskozite, akış davranış indeksi ve kıvam katsayısı değerlerinde önemli düzeyde bir artış gözlenmiştir. Tüm fermente süt içecekleri psödoplastik davranış sergilemiştir. Tüm pektin içeren içeceklerin yedi gün depolama sonrasındaki serum ayrılması düzeyi kontrol örneğindeki serum ayrılması düzeyinden (%13,6) daha düşük bulunmuştur. Ticari narenciye pektini içeren örnek diğer örneklerden daha düşük serum ayrılması düzeyi göstermiştir. Bunlara ilaveten, UAE ve MAE ile elde edilen pektinler, CE ve ticari pektine göre daha yüksek emülsiyon stabilitesi sağlamışlardır. Bu sonuçlar, şeker pancarı pektininin gıda bileşeni olarak kullanılma potansiyelini ortaya koymuştur. Bu çalışmada, UAE, MAE ve CE uygulamaları ile, genel olarak benzer özelliklerde ve fermente süt içeceği ve emülsiyonlarda kullanımda benzer performansta pektin elde edilmiştir. Bununla birlikte, UAE ve MAE yöntemleri ekstaksiyon süresinin kısaltılması açısından tercih edilebilir. UAE pektinde protein içeriğinin artırılmasının istendiği durumlarda özellikle faydalı olabilir. Şeker pancarı posasından pektin ekstraksiyonu, sürdürülebilir gıda sistemleri kapsamında bu değerli atığın ileri dönüşümü için kullanılabilecek bir yol sunabilir.
Özet (Çeviri)
The worldwide accumulation of substantial agro-industrial waste causes serious economic and ecological problems. Agro-industrial wastes are the byproducts produced during the processing of crops in the food industry. Converting by-products from the processing of plant foods into valuable functional products helps mitigate the waste problem in the food industry. Sugar beet pulp is the residual by-product after sugar is extracted from sugar beets. It is an underutilized waste currently used for animal feed or as feedstock in biorefinery facilities. Sugar beet pectin is a promising variant of pectin derived from sugar beet pulp. In 2021, Turkey imported approximately 676,000 kilograms of pectin. Given its extensive applications in the Turkish food industry, this import volume is expected to increase in the coming years. Turkey is the world's fifth-largest sugar beet producer, but despite the great potential, currently there is no facility producing pectin. Pectin is a heteropolysaccharide made up of α-D-galacturonic acid units connected at the 1,4 position, with additional side chains of neutral sugars including 1,5-linked αL-arabinose and 1,4-linked β-D-galactose. Pectin is found in the middle lamella of plant cell walls providing structural support and protection with cellulose and hemicellulose. Pectin is classified into two types based on its degree of methylation (DM): Low methoxy pectin (LMP) with a DE of less than 50%, and high methoxy pectin (HMP) with a DE greater than 50%. Pectin is widely utilized in the food industry, mainly serving as a gelling and thickening agent in jams, marmalades, and sugar confectionery, and a stabilizer in milk and fruit products. In this study, pectin was extracted from sugar beet pulp waste using conventional extraction (CE), ultrasound-assisted extraction (UAE), and microwave-assisted extraction (MAE) methods. The objective was to determine the effect of extraction methods on its physicochemical properties and performance in fermented milk beverage. An aqueous solution of homogenized sugar beet pulp waste acidified with citric acid was prepared for extraction. CE involved heating the solution to 85°C in a water bath. For UAE, an ultrasonic processor with maximum power of 400 W and a frequency of 24 kHz was used. A sonication amplitude of 50% was applied to the solution for 15 minutes to heat to the same temperature as in CE. MAE was performed using a microwave unit with a maximum power of 1400 W and a frequency of 2450 MHz was used. The sample solution was subjected to a power of 420 W for 15 min to reach the same temperature as others. Heated solutions were mixed for 60 min and homogenized. After cooling and removing sedimented particles, pectin was separated from the remaining solution by using ethanol. Obtained precipitate was then purified by dialysis to remove small molecules and then dried. The extraction yield, degree of esterification (DE) and galacturonic acid content (GalA) of pectin extracts were determined. Pectin extracts were also analyzed using FTIR spectroscopy for structural elucidation in the wavenumber range of 650-4000 cm-1 . Dried pectin was used in a fermented milk beverage and rheological properties and serum separation level of the beverages were measured. Pectins were also used in an emulsion model for determining their effect on emulsion stability. The properties of the extracted pectin samples were compared with those of commercial citrus pectin. Pectin yields ranged from 5.3% to 10.3%, with the highest yield of 10.3% achieved by UAE. The CE took 35 minutes to reach a comparable yield, while MAE and UAE required only 15 minutes. Notably, the protein content in the pectin sample from UAE was 8.6%, significantly higher than those from CE at 6.6% and MAE at 6.2%. It is important to emphasis that lower protein content is indicative of higher sample purity. Pectin samples extracted via UAE, MAE, and CE showed similar degrees of esterification, 75.8%, 72.7%, and 72.3%, respectively. All extraction methods produced DE values above 50%, qualifying that the pectin was high methoxyl pectin (HMP). GalA content in pectin samples ranged from 56.8% to 61.3% with no significant difference among the value in terms of extraction method. FTIR spectra of sugar beet pectin samples showed peaks at similar wave numbers. All pectin samples exhibited absorbance peaks at 1643.57 cm⁻¹, 1732.69 cm⁻¹, and 1729.18 cm⁻¹, which are attributed to the C=O stretching of methyl-esterified carboxyl groups and carboxylate ions, respectively. FTIR analysis revealed that the different extraction methods had minimal impact on the chemical structure of pectin. In fermented milk beverages prepared with pectin from UAE, MAE, and CE, as well as commercial pectin, significant increases in apparent viscosity, flow behavior index and consistency coefficient values were observed compared to those of the control sample without any additive. All fermented milk beverages showed pseudoplastic behavior. The serum separation levels in the pectin containing beverage samples were lower than that of the control sample (13.6%) after 7 days of storage. The sample with commercial citrus pectin had a lower serum separation level than those of the other samples. In addition, pectins obtained with UAE and MAE provided a higher stability in emulsion compared to pectin from CE and commercial citrus pectin. These results showed that the sugar beet pectin had a potential for use as a food ingredient. In this study, UAE, MAE, and CE generally yielded sugar beet pectin with similar properties and performance in fermented milk beverage and emulsion. However, UAE and MAE can be preferred to reduce extraction time significantly compared to CE. UAE can also be beneficial to increase protein content in the pectin in some cases. Pectin extraction from sugar beet pulp can be a way to upcycle this valuable waste in a sustainable food production system.
Benzer Tezler
- Nar kabuğundan enzim ve ultrason destekli ekstraksiyon yöntemi ile fenolik madde ve pektin elde edilmesi
Enzyme and ultrasound-assisted extraction of phenolic compounds and pectin from pomegranate peel
ZEYNEP MERVE KAHVECİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA KAHVECİ KARINCAOĞLU
- Makroalglerden saflaştırılan ade inhibitör peptitlerin karakterizasyonu ve nanoenkapsülasyonu: Biyoaktivitelerinin ve stabilitelerinin araştırılması
Characterization and nanoencapsulation of ace inhibitor peptides purified from macroalgae: İnvestigation of their bioactivity and stability
EDA ŞENSU DEMİR
Doktora
Türkçe
2024
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK
DOÇ. DR. AYSUN YÜCETEPE
- Bab-ı Seraskeri Hastanesi (İstanbul Üniversitesi Siyasal Bilgiler Fakültesi) yapısında kullanılan farklı dönem tuğlalarının karakterizasyonu ve koruma önerileri
The characterization of bricks used in the construction of Bab-i Seraskeri Hospital (IU Faculty of Political Sciences) and proposals for their conservation
GÜLCE ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. IŞIL POLAT PEKMEZCİ
- Locusta migratoria'dan farklı fraksiyonların ekstraksiyonunun optimizasyonu, karakterizasyonu ve gıda sisteminde kullanımının araştırılması
Optimization of extraction of different fractions from Locusta migratoria, characterization and investigation of usage in food system
DERYA DENİZ ŞİRİNYILDIZ
Doktora
Türkçe
2024
Gıda MühendisliğiAydın Adnan Menderes ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ASLI YORULMAZ
- Characterization and applications of eutectic freeze crystallization
Ötektik donma kristalizasyonun özellikleri ve uygulamaları
MOHAMMADREZA AKBARKERMANI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATMA ELİF GENCELİ GÜNER