Geri Dön

Electrophoretic Separation Strategies for Gentle Fractionation of Rapeseed

Kolza Tohumunun Hassas Fraksiyonlanması İçin Elektroforetik Ayırma Stratejileri

  1. Tez No: 909910
  2. Yazar: KÜBRA AYAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. REMKO M. BOOM, DOÇ. DR. COSTAS NİKİFORİDİS
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Gıda Mühendisliği, Food Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Wagenıngen Unıversıteıt
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Yağlı tohumlar, yüksek yıllık üretim hacmi ve zengin yağ ile protein içerikleriyle değerli tarım ürünleridir ve gıda endüstrisinde kritik bir rol oynarlar. Bu ürünlerden etkin bir şekilde faydalanmak için hem yağların hem de proteinlerin geri kazanımı büyük önem taşır. Mevcut endüstriyel uygulamalar, yağ çıkarma verimini artırmada başarılı olsa da, yüksek sıcaklık ve organik çözücülere olan gereksinim nedeniyle tamamen sürdürülebilir değildir. Bu durum, kalan proteinlerin denatüre olmasına yol açmakta ve bunların çıkarılmasını zorlaştırmaktadır. Bu nedenle, hem yağların hem de proteinlerin yağlı tohumlardan nazik yöntemlerle çıkarılmasını sağlayacak yeni yaklaşımlara ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez, nazik, eksiksiz ve verimli bir fraksiyonlama süreci geliştirmek amacıyla elektroforetik tekniklerin keşfine odaklanmaktadır. Amaç, model bir yağlı tohum olan kanoladan doğal yağ depolama organelleri (oleozomlar) ve fenol içermeyen proteinler elde etmektir. Hipotez, oleozomların, proteinlerin ve fenollerin farklı elektroforetik hareketlilikler sergilediği ve bu farklılıkların elektroforetik ayrımını mümkün kıldığı üzerine kuruludur. İlk inceleme, oleozomların ve proteinlerin elektro-ayrımına odaklanmıştır. 2. Bölüm'de, oleozomlar ile kanola proteinleri (cruciferinler ve napinler) arasındaki elektroforetik hareketlilik farklılıkları çeşitli pH değerlerinde analiz edilerek optimal pH değeri belirlenmiştir. Ayrım, elektroferez ile karşı akımlı hidrodinamik akışın birleştirilmesiyle sağlanmıştır. Bu süreçte, oleozomlar (daha yüksek elektroforetik hareketlilik) elektrik alan altında tutulmuş, proteinler (daha düşük elektroforetik hareketlilik) ise çözücü akışıyla birlikte pH 8,0'de geçirgen hale gelmiştir. Süreç, Nernst – Planck denklemi kullanılarak nicel olarak değerlendirilmiş ve bir mikroakışkan kanalında mikroskop altında gösterilmiştir. Önerilen elektroforetik ayırma süreci ilkesi, 3. Bölüm'de, ayrım kanallarının sayısını artırarak ve gözenekli bir yapı kullanarak ölçeklendirilmiştir. Sabit bir ters paralel çözücü akış hızı altında artan elektrik alanın oleozomlar ve proteinlerin geçirgenlik akışı ve ayrım seçiciliği üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Artan elektrik alan, oleozomların ve proteinlerin geçirgenlik akışını 50 V/cm'ye kadar, onların elektroforetik hareketliliklerine dayalı olarak azaltmıştır. Ancak, oleozomların proteinlerden tam ayrımı, elektroforetik hareketlilik dağılımlarının örtüşmesi, membran kirliliği ve Faradaik reaksiyonlar nedeniyle ayrım kanalında (gözenekli ortam) pH gradyanının oluşması nedeniyle engellenmiştir. Oleozomlar ve proteinlerin ayrım seçiciliğini artırmak için şu stratejiler önerilmiştir: (i) protein agregasyonunu önleyerek, tampon tipi ve iyonik gücü değiştirerek elektroforetik hareketlilik farklarını artırmak, (ii) elektrotları ayrım kanalından ayırmak ve (iii) pH değişimini önlemek. Oleozomlar ve proteinlerin elektroforetik ayrımına ek olarak, 4. ve 5. Bölümler, sinapik asit (SA) gibi fenolik bileşiklerin elektroforetik uzaklaştırılmasını incelemek için bir elektrodiyaliz sistemi kullanmıştır. SA, yalnızca SA'nın elektro-göçüne izin veren ancak daha büyük boyutları nedeniyle proteinleri tutan bir membran kullanılarak proteinlerden uzaklaştırılmıştır. Bu tez kapsamında, yağlı tohum fraksiyonlama süreçlerine yenilikçi alternatifler sunan iki farklı elektroforetik ayırma yöntemi araştırılmıştır. 6. Bölüm, ana bulguları değerlendirmenin yanı sıra, elektroforetik fraksiyonlama sürecini diğer geleneksel olmayan yaklaşımlarla karşılaştırarak bağlamsal bir perspektif sunmaktadır. Elektroforetik fraksiyonlama süreci, farklı bileşikleri yük ve/veya boyut temelinde ayırmada ölçeklenebilir ve uyarlanabilir bir potansiyele sahiptir. Bu potansiyeli hayata geçirmek için, mevcut sınırlamaları aşmak ve ayrım seçiciliği ile verimliliğini artırmak amacıyla gelecekte yapılacak araştırma yönleri özetlenmiştir. Böylece, bu çalışma, nazik ve verimli fraksiyonlama süreçlerinin geliştirilmesi için gelecekteki ilerlemelere zemin hazırlamaktadır.

Özet (Çeviri)

Oilseeds, valuable crops with substantial annual production and rich oil and protein content, play a crucial role in the food industry. To efficiently utilize these crops, it is essential to recover both oils and proteins. Current industrial practices, while successful in increasing oil extraction yield, are not fully sustainable due to the need for elevated temperatures and organic solvents. This not only denatures the remaining proteins but also makes their extraction challenging. Therefore, there is a pressing need for gentler methods to extract both oils and proteins from oilseeds. This thesis delves into the exploration of electrophoretic techniques, a novel approach, to develop a complete, gentle and efficient fractionation process. The goal is to deliver natural oil-storing organelles (oleosomes) and phenolic-free proteins from rapeseed, a model oilseed. The hypothesis is that distinct sizes of oleosomes, proteins, and phenolics exhibit different electrophoretic mobilities, enabling their electrophoretic separation. The initial investigation focused on the electro-separation of oleosomes and proteins. In Chapter 2, the electrophoretic mobility differences between oleosomes and rapeseed proteins (cruciferins and napins) at various pH values were analyzed to identify the optimal pH value for their separation. Separation was achieved by combining electrophoresis and counter–current hydrodynamic flow. This retained the oleosomes (higher electrophoretic mobility) under an electric field but permeated the proteins (lower electrophoretic mobility) together with the solvent flow at pH 8.0. The process was quantified using the Nernst – Planck equation and demonstrated using a microfluidic channel under a microscope. The proposed electrophoretic separation process principle was scaled up in Chapter 3 by increasing the number of the separation channels, using a porous frit. The effect of an increasing electric field under a constant anti-parallel solvent flow rate on oleosomes and protein permeation flux and separation selectivity was investigated. The increasing electric field reduced the permeation flux of oleosomes and proteins based on their electrophoretic mobilities until 50 V/cm, where a separation selectivity of up to 9.84 was achieved. However, complete separation of oleosomes from proteins was hindered by the overlap in their electrophoretic mobility distributions, by membrane fouling and by pH gradient formation in the separation channel (porous medium) due to Faradaic reactions. To improve the electrophoretic oleosome and protein separation selectivity, the following strategies were recommended: (i) increasing their electrophoretic mobility differences by preventing protein aggregation, changing buffer type and ionic strength, (ii) separating the electrodes from the separation channel and (iii) preventing pH change. Next to the electrophoretic separation of oleosomes and proteins, Chapters 4 and 5 investigated the electrophoretic removal of phenolic compounds, such as sinapic acid (SA), employing an electrodialysis system. Here, SA was removed from the proteins using a membrane that permits only SA electro-migration but retains the proteins due to their larger size. In Chapter 4, the effects of pore size and surface charge of membranes on SA removal were tested using both below and above limiting current densities (LCD) using positively charged anion exchange (AEM) and negatively charged ultrafiltration (UFM) membranes. Below the LCD, an AEM provided higher SA removal due to the synergistic effect of co-current electrophoretic and electrostatic attraction forces. SA removal was limited by electrostatic repulsion forces when a UFM was used. Above the LCD, the use of AEM and UFM showed similar SA removal; however, SA permeation was much higher when the UFM was used due to the suppressed electrostatic repulsion force by the enhanced electrophoretic force. The lower permeation in the AEM is related to the accelerated salt transport through the membrane when employing an over-potential, decreasing the SA transport number, and/ or the enhanced electrostatic interaction between SA and the fixed charge groups of the membrane. The different surface charges of the membranes and operating conditions also affected the protein loss. The combined effect of electrophoresis and electrostatic attraction forces led to significant protein loss when the AEM membrane was used above the LCD. Operation with the AEM below the LCD was optimal for SA removal, maintaining stable pH and protein content in the feed solution. However, the SA removal was just around 30 wt%. Five-fold enlargement of the membrane surface area then yielded 90.3 wt% SA removal. The separation in Chapter 4 was conducted in a dilute environment, which does not match the concentrations of natural oilseed protein extracts. To assess the effects of ionic strength on SA removal, Chapter 5 investigated the use of different buffer concentrations from 5 to 40 mM. The SA removal decreased with increasing ionic concentration due to the reduced electrophoretic mobility caused by SA charge screening and the average electric field strength. A natural rapeseed extract was then used to demonstrate the practical feasibility of electrodialysis-based phenolic removal. Here, 30.3 ± 4.1 wt% of SA and 14.9 ± 2.8 wt% of other phenolic compounds were removed when using five AEMs. Within this thesis, two different electrophoretic separation processes have been explored, presenting innovative alternatives for oilseed fractionation. Chapter 6 not only reflects on the main findings but also contextualizes the electrophoretic fractionation process by comparing it with other non-conventional approaches. The electrophoretic fractionation process, being scalable and adaptable to separate various compounds based on their charge and/or size, holds great potential for the fractionation of other biomass. To pave the way for this, Chapter 6 finalizes by outlining the future research directions to overcome the existing limitations and enhance separation selectivity and efficiency. Thus, this work sets the stage for future advancements in the development of gentler and efficient fractionation processes.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    363684

    Optimization and use of DNA sequencing by capillary electrophoresis for comparative yeast genotype analysis

    Kapiler elektroforezine dayalı DNA dizileme yönteminin optimizasyonu ve mayada karşılaştırmalı genotip analizi için kullanılması

    CİHAN ERDİNÇ GÜLSEV

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Genetikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)

    PROF. DR. ZEYNEP PETEK ÇAKAR

  2. Tez No

    510690

    Melittin, a major component of bee venom: Determination by capillary electrophoretic methods

    Kapiler elektroforetik yöntemlerle arı zehrindeki major bileşen melittinin analizi

    MELDA AKAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA BEDİA BERKER

  3. Tez No

    362592

    Lantani̇t metal i̇yonlarinin i̇letkenli̇k dedektörü kullanılarak kapi̇ler elektroforez yöntemi̇ i̇le ayrilmasi

    Separation of lanthanides ions by capillary electrophoresis with contactless conductivity dedection

    HAYRİYE ECEM YELKENCİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Bölümü

    DOÇ. DR. NEVİN ÖZTEKİN

  4. Tez No

    557476

    Microcystis aeruginosa toksik peptidlerinin kromatografik analizi ve epitel hücreleri üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi

    Chromatographic analysis of Microcystis aeruginosa toxic peptides and evaluation of effects on epithelial cells

    SEDA KUŞOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Biyolojiİstanbul Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİNE ŞEKÜRE NAZLI ARDA

  5. Tez No

    39674

    Bor minerallerinin elektrostatik ve elektrokinetik özellikleri

    Electrostatic and electrokinetic properties of boron minerals

    EMRE YAŞAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. YALÇIN KAYTAZ

Geri Dön