Geri Dön

Potential of lactic acid bacteria fermentation as a strategy for valorisation and biotransformation of mushrooms

Mantarların biyotransformasyonu ve atık mantarların değerlendirilmesi amacıyla laktik asit fermantasyonunun stratejik kullanım potansiyeli

PDF İndir

  1. Tez No: 892311
  2. Yazar: EDA NUR AYAR SÜMER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Gıda Mühendisliği, Food Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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: 198

Özet

Sağlıklı beslenmenin öneminin giderek daha fazla fark edilmeye başlamasının yanı sıra insanlar potansiyel sağlık faydaları sebebiyle mantarları diyetlerine eklemektedirler. Zengin besin profili ile bilinen mantarlar, gerekli vitaminler, mineraller, lif ve antioksidanlar sağlayan değerli bitki bazlı gıda kaynaklarıdır. Ayrıca, anti-enflamatuar, antioksidan, antitümör, antiviral ve antimikrobiyal özellikler içeren biyoaktif bileşikler açısından zengindirler, bu bileşikler sağlığı teşvik eder ve insan vücudunda hastalık riskini azaltır. Mantarların çeşitli biyoaktif bileşenleri arasında, özellikle fenolik bileşikler dikkat çeker. Bu bileşikler, mantarlarda önemli ikincil metabolitler olarak kabul edilir ve gıda matrislerinde hem serbest hem de bağlı formlarda bulunurlar. Ancak, bağlı fenolik bileşikler hücre duvarı matrisleriyle kovalent bağlarla bağlandığından, ince bağırsakta emilemezler ve serbest fenolik bileşiklere kıyasla daha düşük biyoyararlanıma sahiptirler. Mantar üretimi sırasında çeşitli yan ürünler ve atıklar oluşur, bunların yönetimi hem çevresel hem de mali zorluklar yaratır. Fenolik bileşiklerin biyoyararlanımını artırmak, mantar yan ürünlerine ve atıklarlarına değer katmak için yenilikçi işleme teknikleri uygulanabilmektedir. Bu bağlamda, laktik asit bakterileri (LAB) ile fermentasyon, etkili bir yöntem olarak öne çıkar. LAB fermentasyonu sadece raf ömrünü uzatıp duyusal özellikleri iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda karbonhidratlar ve proteinler gibi makro besin öğelerini parçalar. Bu, gıdanın besin kompozisyonunu değiştirir ve bağlı fenolik bileşiklerin, serbest fenolikler gibi daha biyoyararlanabilir formlara dönüşümünü sağlar. LAB fermentasyonu ile makro besin öğeleri dönüştürülür, antioksidatif peptitler salınır ve fenolik bileşikler modifiye edilir. Bu süreç, mantarların sağlık faydalarını artırarak, mantar fenoliklerinin biyoyararlanımını artırır ve böylece vücut tarafından emilim ve kullanım için daha erişilebilir hale getirir. Dolayısıyla, bu tür fermentasyon tekniklerini kullanmak, mantarların ve yan ürünlerinin kullanımını ve sağlık faydalarını önemli ölçüde iyileştirebilir. Verilen bu bilgilerin ışığında, bu doktora tezinin temel amacı, endüstriyel mantar atıklarının ve belirli bileşenlerin ekstraksiyonu sonrası oluşan mantar atıklarının yanı sıra, kısa raf ömrü nedeniyle potansiyel olarak atık haline gelebilecek Lentinula edodes ve Lactarius deliciosus mantarlarının modifikasyonunu incelemektir. Araştırma planı, laktik asit fermentasyonu kullanarak hem mantar atıklarının hem de mantarların modifikasyonu üzerine kurulmuştur. Bu doktora tezi hedefleri (i) biyoaktif madde ekstraksiyonu sonucu oluşan mantar atığının karakterizasyonu, yapısının ve besin değeri/kompozisyonunun değiştirilmesi amacıyla laktik asit bakterileri ile fermente edilmesi; (ii) fermente edilen mantarlardan fenolik bileşiklerin L. edodes ve La. deliciosus mantarlarının yapısını değiştirerek, bağlı formdaki fenolik bileşenlerin serbest forma geçişini sağlamak amacıyla laktik asit bakterileri ile fermentasyonu; (iii) bu fenolik bileşenlerin biyotransformasyonunu inceleyebilmek için tanımlama analizlerinin uygulanması; (iv) laktik asit fermentasyonunun mantar fenoliklerinin biyoerişilebilirliği ve bağırsak taşınımı üzerindeki etkilerini in vitro mide-bağırsak sindirim modelini kullanarak araştırmaktır. Bu tez kapsamında belirlenen hedeflere ulaşmak üzere üç farklı deneysel çalışma (Bölüm 3-5) yürütülmüştür. İlk çalışma, suda çözünebilen polisakkaritlerin ekstraksiyonu sonucu oluşan L. edodes mantar atığının L. edodes ile kıyaslanarak laktik asit bakterileri ile fermentasyonu üzerine odaklanmıştır. Bu aşamada, mantar atığının değisen yapısı ve besin kompozisyonu fonksiyonel özellikleri incelenmiştir (Bölüm 3). İkinci çalışma, fermente edilen L.edodes ve La. deliciosus mantarlarının fenolik bileşenlerindeki değişimler, diğer metabolitlerle olan etkileşimleri ve fenolik madde profillerinin tanımlanması üzerine kurulmuştur (Bölüm 4). Üçüncü çalışmada ise, bir önceki bölümden elde edilen bulgular ışığında, fenolik bileşenlerin in vitro mide-bağırsak sindirim modelindeki biyoerişilebilirliği ve antioksidan aktivite trendleri incelenmiştir. Bu çalışmalar, fermente edilmeyen mantarların da dahil edildiği bir kıyaslama ile fermentasyon işlem basamaklarının etkisini değerlendirerek, fermente edilen ve edilmeyen mantarların fenolik bileşenlerinin in vitro mide-bağırsak sindirim modelindeki biyoerişilebilirliği ve metabolit farklılıkları ortaya konulmuştur (Bölüm 5). Bu doktora tezinin birinci bölümünde, araştırmanın kapsamı ve hedefleri tanımlanmıştır. İkinci bölümde ise, mantarlar ve fermentasyonun fonksiyonel özellikler ile biyoaktif maddeler üzerine etkilerine dair detaylı bir literatür derlemesi sunulmuştur. Araştırma, öncelikle mantarların ve mantar atıklarının değişken kompozisyonlarına odaklanmış, bioaktif bileşenlerin ekstraksiyonu ve modifikasyonu için kullanılan teknolojiler incelenmiştir. Ayrıca, bu tezde kullanılan L. edodes ve La. deliciosus mantarlarının biyoaktif bileşenlerinin ve ekstrelerinin biyoaktif mekanizmaları detaylı bir şekilde irdelenmiştir. Fenolik bileşenlerin yapıları, serbest veya bağlı formdaki farklılıkları, bağlı formdakilerin ekstraksiyon yöntemleri ve fenolik maddelerin tandem kütle spektrometrisi ile tanımlanması açıklanmıştır. Son olarak, gıdalarda laktik asit bakteri fermentasyonunun fenolik maddeler üzerine etkisi ve laktik asit fermentasyonunun mantarlarda kullanımı ve etkileri ele alınmıştır. Bu bölümler, tezin ana hatlarını oluşturmakta ve konular arasındaki bağlantıları vurgulamaktadır. Üçüncü bölümde, L. edodes mantar atıklarının laktik asit bakterileri ile fermente edilmesi sonucunda yapısal, besinsel, antioksidan aktiviteleri ve bazı teknofonksiyonel özelliklerindeki değişiklikler incelenmiştir. Başlangıçta, mantarlardan suda çözünebilen polisakkaritler ekstrakte edilmiş, ardından kalan atıklar (LER) ve mantarlar (LE) Lactiplantibacillus plantarum ile fermente edilmiştir. Her 24 saatte bir örnekler alınmış ve toplam 72 saat süresince fermantasyon devam ettirilmiştir. Bu süreçte, L.edodes'in doğal bileşenleri olan proteinler, polisakkaritler ve fenolik maddelerde meydana gelen değişiklikler araştırılmıştır. Fermantasyon sırasında, serbest şekerlerin azaldığı ve organik asitlerin arttığı gözlemlenmiş, bu durum pH'taki düşüşle desteklenmiştir. Fermantasyon sırasında proteinlerin degredasyonu, serbest amino gruplarında artışa ve yüksek molekül ağırlıklı proteinlerin daha düşük molekül ağırlıklarına dönüşümüne neden olmuştur, bu değişimler SDS-PAGE ile doğrulanmıştır. Bu parçalanma, yağ ve su tutma kapasiteleri gibi teknofonksiyonel özellikleri etkilemiştir. Öte yandan, LER'de fermantasyon boyunca peptit bağlarının kırılması sonucu antioksidan özelliklere sahip daha küçük peptitlerin ve serbest amino asitlerin salınımıyla serbest amino gruplarında artış gözlemlenmiştir. Her iki fraksiyon da fermantasyonun ilk 24 saatinde toplam fenolik madde miktari (TPC) artışı göstermiş, ancak sonrasında önemli bir değişiklik olmamıştır (p > 0.05). Fenolik maddeler ve proteinlerdeki bu değişimler, hem LE hem de LER'in antioksidan aktivitesini, özellikle 24 saatlik fermantasyon sonrasında artırmıştır. Bu çalışma, mantar atıklarının laktik asit fermantasyonu ile değerlendirilmesinin, bazı fonksiyonel ve yapısal özellikleri nasıl iyileştirdiğini ilk kez göstermiştir. Dördüncü bölümde, L. edodes ve La. deliciosus mantarlarının 72 saat boyunca Lb. plantarum ile fermentasyonu ve bu işlemin bağlı ve serbest fenolik bileşikler üzerindeki etkileri incelenmiştir. Serbest ve bağlı fenolik fraksiyonlar (sırasıyla FPs ve BPs) açısından TPC, fenolik profil ve antioksidan aktiviteler değerlendirilmiştir. Her iki mantar türünde de, bağlı fenoliklerin toplam fenolik içeriği, serbest fenoliklere göre daha yüksek bulunmuş ve yüksek DPPH ve ABTS radikal süpürme kapasiteleri göstermiştir. Lb. plantarum'un fermentasyonu, özellikle 24 saat sonunda L. edodes ve La. deliciosus'taki serbest fenoliklerin toplam fenolik içeriğini önemli ölçüde artırmıştır (%28.48 ve %27.29). Fermentasyon sırasında mantarlardaki bağlı fenoliklerin toplam fenolik mikrarı azalmış, bu da fenoliklerin mantar matrisinden serbest bırakıldığını göstermiştir. Ayrıca, UPLC-Q-TOF-MS/MS kullanılarak 30 biyoaktif bileşen molekül formülleri ile tanımlanmış, ppm düzeyindeki hatalar (

Özet (Çeviri)

Consumers increasingly recognise the importance of healthy eating and the potential benefits of incorporating mushrooms into their diets. Known for their rich nutritional profile, mushrooms provide essential vitamins, minerals, fibre, and antioxidants, making them valuable plant-based food sources. They are also rich in bioactive compounds with anti-inflammatory, antioxidant, antitumor, antiviral, and antimicrobial properties, promoting health and reducing disease risks in humans. Among various bioactive components in mushrooms, phenolic compounds are particularly noteworthy. These compounds are considered significant secondary metabolites in mushrooms and are found in free and bound forms within food matrices. However, the bioaccessibility and bioavailability of bound phenolic compounds are lower than that of free phenolic compounds due to their covalent bonds to cell wall matrices, which prevent absorption in the small intestine. Additionally, mushroom production generates various by-products, which pose environmental and financial challenges due to their disposal. Innovative processing techniques are required to enhance the bioavailability of phenolic compounds and add value to mushroom by-products. Fermentation with lactic acid bacteria (LAB) is effective in this context. LAB fermentation not only extends the shelf life and improves sensory properties but also breaks down macronutrients such as carbohydrates and proteins. This alters the nutritional composition of the food and facilitates the transformation of bound phenolic compounds into more bioavailable forms, similar to free phenolic compounds. Through LAB fermentation, macronutrients are transformed, antioxidative peptides are released, and phenolic compounds are modified. This process enhances the health benefits of mushrooms by increasing the bioavailability of mushroom phenolics, making them more accessible for absorption and use by the body. Therefore, fermentation techniques can significantly improve mushrooms' use, health benefits, and by-products. Given this information, a research framework for this doctoral thesis explores modifying industrial mushroom wastes and specific extracted components, as well as mushrooms like L. edodes and La. deliciosus, which may become waste due to their short shelf life. The research plan is based on processing mushroom waste and mushrooms through LAB fermentation. The objectives of this doctoral thesis are: (i) to valorise the mushroom waste generated from bioactive substance extraction, modifying its structure and nutritional composition through fermentation with lactic acid bacteria; (ii) to ferment the mushrooms with lactic acid bacteria to facilitate the transition of phenolic compounds from bound to free form, altering the structure of L. edodes and La. deliciosus; (iii) to determine biotransformation of these phenolic compounds use analytical identification; (iv) to investigate the effects of LAB fermentation on the bioaccessibility and intestinal transport of mushroom phenolics using an in vitro gastrointestinal digestion model. To achieve these objectives, three different experimental studies (Chapters 3-5) were conducted within the scope of this thesis. The first study focused on the fermentation of L. edodes mushroom waste, L. edodes residue (LER), with lactic acid bacteria compared to L. edodes itself (LE), examining changes in its structure and nutritional composition for functional properties (Chapter 3). The second study was based on the changes in phenolic components, interactions with other metabolites, and the profiling of phenolic substances in fermented L. edodes and La. deliciosus (Chapter 4). Based on the previous chapter's findings, the third study examined phenolic components' bioaccessibility and antioxidant activity trends in an in vitro gastrointestinal digestion model. These studies included a comparison with unfermented mushrooms to assess the impact of fermentation process steps, presenting the bioaccessibility and metabolite differences of phenolic components in both fermented and unfermented mushrooms in the in vitro gastrointestinal digestion model (Chapter 5). In Chapter 1, the scope and objectives of the research were defined. In Chapter 2, a detailed literature review on the functional properties and effects of mushrooms and fermentation on bioactive substances was presented. The study primarily focused on the variable compositions of mushrooms and mushroom by-products, as well as the technologies used to extract and modify bioactive components. Additionally, the bioactive components and extracts of L. edodes and La. deliciosus used in this thesis were thoroughly examined for their bioactive mechanisms. The structures of phenolic compounds, the differences between their free and bound forms, the extraction methods for bound forms, and the identification of phenolic substances through tandem mass spectrometry were explained. Finally, the effects of lactic acid bacteria fermentation on phenolic substances in foods and the usage and impacts of lactic acid fermentation in mushrooms were discussed. These sections outlined the main framework of the thesis and highlighted the connections between topics. In Chapter 3, the structural, nutritional, antioxidant activities, and some technofunctional properties of L. edodes mushroom by-products fermented with lactic acid bacteria were investigated. Initially, water-soluble polysaccharides were extracted from the mushrooms, after which the remaining by-products (LER) and mushrooms (LE) were fermented with Lactiplantibacillus plantarum. Samples were collected every 24 hours, and fermentation was continued for a total of 72 hours. Changes in L. edodes natural components, such as proteins, polysaccharides, and phenolic substances, were studied during this process. It was observed that free sugars decreased and organic acids increased during fermentation, supported by a pH decrease. The degradation of proteins during fermentation led to increased free amino groups and the conversion of high molecular weight proteins to lower molecular weights, as confirmed by SDS-PAGE. This degradation affected technofunctional properties such as oil and water-holding capacities. On the other hand, in LER, the breakdown of peptide bonds during fermentation led to the release of smaller peptides and free amino acids with antioxidant properties, increasing free amino groups. Both fractions showed an increase in total phenolic content (TPC) during the first 24 hours of fermentation but no significant changes after that (p > 0.05). These changes in phenolic substances and proteins enhanced the antioxidant activity of both LE and LER, particularly after 24 hours of fermentation. This study has demonstrated for the first time how the valorisation of mushroom by-products through lactic acid fermentation can improve specific functional and structural properties. In Chapter 4, the fermentation of L. edodes and La. deliciosus mushrooms with Lb. plantarum for 72 hours and the effects of this process on bound and free phenolic compounds were examined. The TPC, phenolic profile, and antioxidant activities of the free and bound phenolic fractions (FPs and BPs, respectively) are evaluated. In both types of mushrooms, the TPC of BPs was higher than that of FPs and showed high DPPH and ABTS radical scavenging capabilities. The fermentation by Lb. plantarum significantly increased the TPC in the FPs of L. edodes and La. deliciosus, particularly after 24 hours (%28.48 and %27.29, respectively). During fermentation, the TPC of BPs in mushrooms decreased, indicating their release from the matrix. Additionally, 30 bioactive compounds were tentatively identified using UPLC-Q-TOF-MS/MS, considering molecule formulas, errors in ppm (

Benzer Tezler

  1. Tez No

    542816

    Evolutionary engineering of polyphenol resistance in lactic acid bacteria

    Laktik asit bakterilerinin polifenol direncinin evrimsel mühendislik ile geliştirilmesi

    TARIK ÖZTÜRK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEYNEP PETEK ÇAKAR

  2. Tez No

    884263

    Characterization of glucansucrase from Leuconostoc mesenteroides YTU-40 and production of different oligosaccharides by acceptor reactions

    Leuconostoc mesenteroides YTU-40'tan glukansükrazın karakterizasyonu ve akseptör reaksiyonları ile farklı oligosakkaritlerin üretimi

    SEVDA DERE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Gıda MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OSMAN SAĞDIÇ

    PROF. DR. ENES DERTLİ

  3. Tez No

    782927

    Kurutulmuş Trabzon hurması, keçiboynuzu ve iğdeden üretilen su kefirlerinin fizikokimyasal, duyusal ve mikrobiyolojik özelliklerinin belirlenmesi

    Determination of physiochemical, sensory and microbiological properties of water kefir produced from dried persimmon, carob and oleaster

    MELTEM ŞENTÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Gıda MühendisliğiBursa Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AYCAN YİĞİT ÇINAR

  4. Tez No

    304551

    Ağız mikrobiyotasından izole edilen bakterilerin laktik asit üretim yeteneklerinin araştırılması

    Investigation of lactic acid production abilities of bacteria isolated from oral microbiota

    YAĞMUR TOPTAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    BiyolojiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Biyoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AHMET ÇABUK

    ÖĞR. GÖR. GÜLÇİN AKCA

  5. Tez No

    900671

    Süt ürünlerinden izole edilen laktik asit bakterilerinin probiyotik özellikleri ve starter kültür olarak kullanım potansiyelleri

    Probiotic properties of lactic acid bacteria isolated from dairy products and their potential for use as a starter culture

    AYŞE ÖĞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    MikrobiyolojiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Biyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BUKET KUNDUHOĞLU

Geri Dön