Derin ötektik çözücüler ile fındık küspesinden protein ekstraksiyonu ve fındık proteinlerinin karakterizasyonu
Protein extraction from hazelnut meal and characterization of hazelnut protein
- Tez No: 952783
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜLŞAH KARABULUT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gıda Mühendisliği, Food Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
Küresel nüfus artışı, iklim değişikliği ve doğal kaynakların hızla tükenmesi, dünyada sürdürülebilir ve işlevsel protein kaynaklarına yönelik yeni arayışları zorunlu kılmaktadır. Hayvansal protein kaynakları; yüksek sera gazı emisyonu, yoğun su ve arazi kullanımı gibi çevresel etkilerinin yanı sıra etik ve sağlıkla ilgili endişeler nedeniyle eleştirilmektedir. Bu durum, bitki bazlı ve çevre dostu protein kaynaklarına olan ilgiyi artırmış; özellikle tarım ve gıda sanayisinin yan ürünleri gibi yeterince değerlendirilmeyen agro-endüstriyel atıkların besin değeri ve fonksiyonel özellikleri açısından yeniden değerlendirilmesini gündeme getirmiştir. Türkiye'nin dünya lideri olduğu fındık üretiminde, yağ çıkarıldıktan sonra geriye kalan küspe, kuru maddede yaklaşık %54'e varan protein içeriğiyle zengin ve yüksek potansiyele sahip bir yan üründür. Ancak geleneksel alkali ekstraksiyon yöntemleri, bu yan ürünün gıda endüstrisinde işlevsel olarak kullanılmasını kısıtlamaktadır. Alkali çözücülerle yapılan ekstraksiyon işlemleri her ne kadar yüksek protein verimi sağlasa da protein yapısında denatürasyona yol açarak fonksiyonel özellikleri azaltmakta ve çevreye zarar verebilmektedir. Bu nedenle, yeşil kimya ilkelerine uygun, çevresel etkileri minimum düzeyde olan yeni çözücülere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez çalışmasında, fındık küspesinden protein ekstraksiyonu amacıyla üç farklı Doğal Derin Ötektik Çözücü (NADES) sistemi hazırlanmıştır. Bu çözücüler kolin klorür (ChCl) tabanında gliserol (DES-GLY), sorbitol (DES-SOR) ve glukozdan (DES-GLU) oluşturulmuştur. Ekstraksiyon işlemleri hem ultrases destekli hem de desteksiz olarak gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar pH 8,0, 9,0 ve 10,0'da uygulanan geleneksel alkali ekstraksiyon yöntemleriyle karşılaştırılmıştır. Sabit katı/sıvı oranı (1:20, a/h) kullanılarak yapılan bu işlemler sonucunda elde edilen protein izolatları; protein verimi, çözünürlük, emülsifiye ve köpürme özellikleri, partikül boyutu, zeta potansiyeli, yapısal analizler (FTIR, SDS-PAGE, içsel floresan emisyonu) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntülemeleriyle kapsamlı bir şekilde değerlendirilmiştir. Elde edilen bulgulara göre, alkali ekstraksiyon yöntemleri DES ekstraksiyondan daha yüksek protein ve ekstraksiyon verimi göstermiştir. Örneğin; pH 10'da yapılan alkali ekstraksiyon yöntemi (ALK10) yaklaşık 260 mg/g protein ve %63 ekstraksiyon verimliliği sağlamıştır. Buna karşılık, DES-GLY ve DES-SOR sistemleri daha düşük protein (~200–220 mg/g) ve ekstraksiyon verimliliği (%50–55) göstermiştir. DES sistemlerinde bu durumun, uygun yöntemlerle proteinlerin çöktürülmesi ve süreç optimizasyonu ile giderilebileceği düşünülmektedir. DES sistemleriyle ekstrakte edilen fındık proteinlerinin çözünürlüğü (%70–76), alkali ekstrakte edilen proteinlere kıyasla (%58–63) daha yüksek bulunmuştur. Ayrıca DES-GLY ve DES-SOR örnekleri, emülsiyon kapasitesi açısından öne çıkmıştır. DES-GLY örneğinde emülsiyon aktivite indeksi (EAI) 15 m²/g'ye kadar yükselirken, DES-SOR örneğinde emülsiyon stabilitesi yaklaşık 60 dakika korunmuştur. Ancak köpük kapasitesi açısından alkali sistemler (%37–50), DES sistemlerine (%10–25) göre daha yüksek değerler göstermiştir. FTIR ve içsel floresan emisyon analizleri, alkali ekstraksiyon işlemi sırasında protein yapısında açılma ve sekonder yapı değişikliklerinin meydana geldiğini göstermektedir. SDS-PAGE analizlerinde ise DES ve alkali yöntemlerle ekstrakte edilen proteinlerin indirgen koşullar altında elde edilen bant desenleri ve bant yoğunlukları arasında belirgin bir fark gözlenmemiştir. SEM görüntülerinde, alkali ekstraksiyonla elde edilen proteinlerin daha kompakt ve düzgün yüzey yapısına sahip olduğu; DES ile ekstrakte edilen proteinlerin ise gözenekli ve düzensiz morfolojiler sergilediği görülmüştür. Zeta potansiyel analizleri ise alkali örneklerde (−45 ila −47 mV) daha yüksek yüzey yükü değerleri ölçülürken, DES örneklerinde bu değerlerin −29 ila −35 mV aralığında olduğu belirlenmiştir. Bu tez çalışması, NADES sistemlerinin bitkisel protein ekstraksiyonunda sürdürülebilir ve işlevsel bir alternatif sunduğunu ortaya koymaktadır. Alkali ekstraksiyon yöntemi yüksek verim ve çözünürlük sağlarken, NADES sistemleri emülsifiye edici özellikleri, yapısal esnekliği ve çevre dostu profili ile öne çıkmaktadır. Gliserol ve sorbitol bazlı NADES sistemleri, protein-protein etkileşimlerini zayıflatarak yüzey aktivitesini artırmakta ve gıda uygulamaları için avantajlı yapılar oluşturmaktadır. Ayrıca ultrases destekli ekstraksiyonun, NADES sistemlerinin etkinliğini artırdığı ve kütle transferini hızlandırdığı belirlenmiştir. Sonuç olarak, bu çalışma fındık küspesi gibi agro-endüstriyel atıkların değerli protein kaynakları olarak geri kazanılabileceğini ortaya koymakta ve NADES tabanlı ekstraksiyon sistemlerinin gıda endüstrisinde sürdürülebilir, temiz etiketli ve işlevsel ürün geliştirilmesine katkı sağlayabileceğini göstermektedir. Gelecekte, NADES sistemlerinin çözünürlük ve biyoyararlılık açısından moleküler düzeyde optimize edilmesi ve sindirilebilirlik analizleriyle desteklenmesi önerilmektedir
Özet (Çeviri)
Global population growth, climate change, and the accelerated depletion of natural resources have dramatically increased the urgency of identifying sustainable and functional protein sources to meet future food security demands. According to FAO projections, by 2050, the world population will surpass 9 billion, placing unprecedented pressure on existing food systems. Animal-based proteins, while nutritionally valuable, are increasingly criticized for their environmental impacts, including high greenhouse gas emissions, extensive land and water use, and contribution to biodiversity loss. In addition, ethical considerations regarding animal welfare and health concerns over red meat consumption have strengthened the drive toward alternative protein sources. This context has led to growing interest in plant-based proteins, especially those derived from underutilized agro-industrial byproducts. Valorizing such side streams aligns with circular economy principles and reduces food waste while creating valueadded ingredients for the food industry. Oilseed meals (press cakes) are particularly promising due to their high protein content, but they are often underexploited or used primarily as low-value animal feed. Türkiye is the world's largest producer of hazelnuts, accounting for over 60% of global supply. After oil extraction, hazelnut press cake remains as a protein-rich byproduct, with protein contents reaching approximately 54% on a dry basis. Despite this high nutritional potential, its utilization in human food systems is limited, primarily due to challenges in extracting functionally intact proteins. Conventional alkaline extraction methods are widely used because they effectively solubilize proteins and deliver high yields. However, they also cause significant denaturation, altering secondary and tertiary structures. This structural damage can diminish solubility, emulsifying capacity, and foaming properties, making the resulting isolates less suitable for many food applications. Moreover, the use of strong alkalis raises environmental concerns due to wastewater treatment requirements and chemical hazards. To address these issues, there is growing interest in developing green extraction techniques that minimize environmental impacts and preserve protein functionality. One such approach involves the use of Natural Deep Eutectic Solvents (NADES). NADES are mixtures of natural components (e.g., sugars, organic acids, amino acids, and polyols) that form eutectic systems through hydrogen bonding. They have emerged as promising green solvents due to their biodegradability, low toxicity, tunable physicochemical properties, and ability to disrupt plant cell walls and solubilize biomolecules without harsh conditions. In this thesis, three different NADES systems were designed for the extraction of proteins from hazelnut press cake. These systems were based on choline chloride (ChCl) combined with glycerol (DES-GLY), sorbitol (DES-SOR), or glucose (DESGLU), all of which are food-grade, biodegradable, and relatively inexpensive. Extraction experiments were conducted both with and without ultrasonic assistance. Ultrasound is a well-known green intensification technique that enhances mass transfer, disrupts plant matrices, and can reduce extraction times and solvent consumption. For comparison, conventional alkaline extractions were also performed at pH 8.0, 9.0, and 10.0, using a fixed solid-to-liquid ratio (1:20 w/v). The resulting protein isolates were analyzed comprehensively for yield, solubility, emulsifying and foaming properties, particle size, zeta potential, and structural characteristics using FTIR spectroscopy, SDS-PAGE electrophoresis, intrinsic fluorescence spectroscopy, and scanning electron microscopy (SEM). Key findings of this study revealed nuanced trade-offs between yield and functional quality. The highest protein yield was observed for alkaline extraction at pH 10 (ALK10), achieving approximately 260 mg/g with 63% extraction efficiency. DESGLY and DES-SOR systems produced somewhat lower yields (~200–220 mg/g) and extraction efficiencies (50–55%). This difference is expected, given that strong alkalis solubilize proteins more aggressively. However, it is hypothesized that the lower yields in DES systems can be mitigated through process optimization—such as fine-tuning solvent composition, applying controlled pH shifts for protein precipitation, or integrating sequential extraction steps. In terms of solubility, a crucial functional property for food applications, DESextracted proteins significantly outperformed alkaline-extracted proteins. Solubility values ranged between 70–76% for DES isolates versus 58–63% for alkali isolates. This superior solubility is attributed to the milder extraction conditions of NADES systems, which reduce protein denaturation and aggregation. High solubility is essential for applications in beverages, dairy analogues, and other liquid foods. Emulsifying properties were also improved in DES-extracted proteins. For example, the emulsion activity index (EAI) reached up to 15 m²/g for DES-GLY extracts, while DES-SOR maintained emulsion stability for approximately 60 minutes. These results align with previous studies showing that NADES extraction can improve protein surface activity by preserving flexible, partially unfolded conformations conducive to interface adsorption. Such properties are valuable in designing plantbased creams, dressings, and meat analogues.In contrast, foaming capacity was higher for alkaline-extracted proteins (37–50%) compared to DES-extracted proteins (10–25%). Alkaline extraction can induce partial unfolding and exposure of hydrophobic residues, which can stabilize air– water interfaces during whipping. While this may be advantageous in certain bakery or confectionery applications, it comes at the cost of other functional properties and environmental sustainability. Structural analyses supported these functional findings. FTIR and intrinsic fluorescence spectroscopy indicated more extensive unfolding and secondary structure disruption in alkali-extracted proteins. SDS-PAGE analyses under reducing conditions revealed similar band patterns between DES and alkaline extracts, suggesting that polypeptide subunit composition remained broadly conserved despite extraction method. SEM imaging highlighted morphological differences: alkaline-extracted proteins exhibited compact and smooth surfaces, while DES-extracted proteins showed porous, irregular structures—a feature that may promote better water binding and hydration behavior in food matrices. Zeta potential analyses indicated that alkaline extracts had higher negative surface charges (−45 to −47 mV) compared to DES extracts (−29 to −35 mV), which may influence colloidal stability in formulations. Overall, this thesis demonstrates that NADES systems represent a sustainable and functional alternative to conventional alkaline extraction for valorizing hazelnut press cake proteins. While alkaline methods excel in yield and foaming capacity, NADES systems deliver superior solubility and emulsifying properties, along with a greener, more environmentally friendly process profile. Glycerol- and sorbitol-based NADES systems, in particular, appear to weaken protein–protein interactions and enhance surface activity, creating protein ingredients well-suited for diverse food applications. Ultrasound-assisted extraction further improved NADES performance by enhancing mass transfer and extraction efficiency. This aligns with broader trends in green process intensification, supporting more efficient and scalable extraction solutions. Future research directions should focus on: • Optimizing NADES formulations at the molecular level to maximize extraction yield while preserving or enhancing functional properties. • Investigating the digestibility and bioavailability of NADES-extracted proteins using in vitro and in vivo models. • Evaluating sensory properties and consumer acceptance of foods formulated with NADES-extracted proteins. • Assessing economic feasibility and life cycle impacts of NADES-based extraction at industrial scale. In conclusion, valorizing hazelnut press cake as a high-value protein source using NADES systems can support more sustainable, circular, and clean-label food production, aligning with both industry goals and global sustainability targets.
Benzer Tezler
- Derin ötektik çözücüler ile modifiye nanofibril selüloz eldesi ve kağıt üretimi üzerine etkilerinin araştırılması
Modified nanofibrillated cellulose production via deep eutectic solvents and investigation of their impact on papermaking
HAKAN FİDAN
Doktora
Türkçe
2024
Ormancılık ve Orman Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi ÜniversitesiBiyokompozit Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİHAT SAMİ ÇETİN
- Derin ötektik çözücüler ile ceviz kabuklarından fenolikbileşenlerin eldesi
Ultrasound-assisted deep eutectic solvent extraction of phenolic compounds from walnut shell waste
AYŞENUR ERDEM
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Gıda MühendisliğiBursa Uludağ ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SENEM KAMİLOĞLU BEŞTEPE
- Doğal derin ötektik çözücüler ile kuşburnu meyve, çekirdek ve atığından biyoaktif bileşiklerin ekstraksiyon ve mikroenkapsülasyonunun yanıt yüzey yöntemi ile optimizasyonu
Optimization by response surface method the extraction and microencapsulation of bioactive compounds from rosehip fruit, seed and waste with natural deep eutectic solvents
EMRAH KARAKAVUK
Doktora
Türkçe
2020
Gıda MühendisliğiMunzur ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OLCAY KAPLAN İNCE
PROF. DR. İHSAN GÜNGÖR ŞAT
- Doğal derin ötektik çözücüler ile propolis ekstraksiyonu ve ekstraktın in situ antifungal etkisinin incelenmesi
Propolis extraction with natural deep eutectic solvents and investigation of the in situ antifungal effect of the extract
UFUK ALPAT
Doktora
Türkçe
2024
Gıda MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN SAĞDIÇ
- Böğürtlen (Rubus L.) meyvesinden derin ötektik çözücüler ile antosiyaninlerin ekstraksiyonunun optimizasyonu ve saflaştırılması
Optimization and purification of anthocyanins extracted with deep eutectic solvents from blackberry (Rubus L.) fruit
OSCAR ZANNOU
Doktora
Türkçe
2022
Gıda MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLKAY KOCA