Transglutaminaz Enziminin

Transkript

1 Transglutaminaz Enziminin Püskürtmeli-Dondurarak Kurutulması Hilal İşleroğlu, İzzet Türker, Mehmet Tokatlı, Banu Koç2 Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Gıda Mühendisliği Bölümü, Tokat 2Gaziantep Üniversitesi Güzel Sanatlar Fakültesi Gastronomi ve Mutfak Sanatları Bölümü, Gaziantep

2 İçerik Biyolojik Materyallerin Kurutulması Püskürtmeli-Dondurarak Kurutma Tekniği Deneysel Tasarım Analizler Sonuçlar 2

3 Biyolojik Materyallerin Kurutulması Kurutma, gıdaların ve biyolojik materyallerin korunması adına en eski ve en etkili yöntemlerden biridir. Kurutmada amaç, materyallerin nem içeriğinin düşürülerek raf ömrünün artırılması, depolama ve taşıma kolaylığının sağlanmasıdır (Koç ve ark., 2008). Kurutma işleminde ısı-kütle transferi, nemin hızlı bir şekilde evaporasyonu, kabuk oluşumu ve kimyasal-biyokimyasal reaksiyonların meydana gelmesi gibi birçok parametre aynı anda gerçekleştiğinden, bu işlem oldukça karmaşık, dinamik, doğrusal olarak ilerlemeyen ve beklenmeyen durumlarla karşılaşılma olasılığı yüksek bir işlemdir. Kurutulacak materyalin heterojen yapısı arttıkça prosesin karmaşıklığı da artar. Bu durum gıda endüstrisi için oldukça önemli bir sorun teşkil etmektedir (Ratti, 200). 3

4 Çeşitli kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip gıdaların, proteinlerin, enzimler gibi protein kökenli materyallerin ve biyolojik materyallerin kurutulmasında yüksek kaliteli ürün elde edilebilmesi için doğru metodun seçilebilmesi gerekmektedir (Jangam, 20; Ratti, 200). Püskürtmeli kurutma ve dondurarak kurutma işlemleri günümüzde en yaygın olarak kullanılan kurutma teknikleridir. Biyolojik materyallerin ve enzimlerin toz formlarının üretilmesinde diğer yöntemlere göre daha ucuz olan ve daha kısa sürelerde tamamlanan püskürtmeli kurutma yöntemi tercih edilmesine rağmen, işlemin yüksek sıcaklıklarda gerçekleşmesi nedeniyle enzim gibi sıcaklığa oldukça duyarlı bileşenler için zararlı olabilmektedir (Knorr, 998). 4

5 Enzimlerin ve biyoaktif bileşenlerin korunması amacıyla kullanılan en yaygın yöntemlerden bir diğeri dondurarak kurutma işlemidir (Capela ve ark., 2006). Dondurarak kurutma işlemi ile yüksek kalitede ürün elde edilebilmektedir ancak; Enzimlerin yapısını bozabilecek dehidrasyon stresi gibi durumlar gözlemlenebilir (Amid ve ark., 204). Kurumanın sağlanabilmesi için oldukça uzun süreler gerekmektedir ve diğer kurutma işlemleri ile kıyaslandığında oldukça pahalı bir yöntemdir (Ratti, 200).

6 Püskürtmeli-Dondurarak Kurutma Tekniği Enzimler gibi hassas biyolojik materyallerin toz formlarının üretilmesi için püskürtmeli-dondurarak kurutma tekniği (PDK) yeni bir metot olarak kullanılabilmektedir. Püskürtmeli-dondurarak kurutma (PDK), püskürtmeli kurutma ve dondurarak kurutma işlemlerini kombine eden özgün bir kurutma tekniğidir (Sadıkoğlu ve ark., 200). 6

7 PDK yönteminde uygulanan atomizasyon işlemi sonucunda küçük çapta damlacıklar elde edilerek materyalin daha hızlı donması sağlanabilmektedir. Spesifik yüzey alanındaki artışa bağlı olarak kütle transfer hızı artar ve toplam kuruma süresi geleneksel dondurarak kurutmaya göre kısalır (Anandharamakrishnan ve ark., 20; Her ve ark., 200). Elde edilen partiküllerin düzgün küresel ve porlu yapıları toz ürünün rehidrasyon kapasitesini artırmaktadır. Şekil. PDK ile kurutulan peynir altı suyu izolatının elektron mikroskopu görüntüsü (Anandharamakrishnan ve 7 ark., 20)

8 PDK aşamaları: Sıvı çözeltinin püskürtülmesi, Damlacıkların dondurulması Dondurulmuş materyalin süblimasyon ile kurutulması (Lamprect ve ark., 20). Şekil 2. PDK işleminin (Sadıkoğlu, 200) şematik gösterimi 8

9 Püskürtmeli-Dondurarak Kurutma Yöntemleri Buhar içine püskürterek-dondurarak kurutma (SFV), Sıvı üzerinde bulunan buhar üzerine püskürterek-dondurarak kurutma (SFV/L), Sıvı içine püskürterek-dondurarak kurutma (SFL) (Anandharamakrishnan ve ark., 204). Şekil 3. SFV/L yöntemi Şekil 4. SFL yöntemi 9

10 Prosesin atomizasyon aşaması için kullanılan nozullar da farklılık göstermektedir (Kumar ve ark., 204). Atomizasyon aşaması, donma stabilitesini direkt olarak etkileyeceğinden nozul seçimi oldukça önemli bir konudur. PDK tekniği ile yapılan çalışmalarda çoğunlukla tek akışkanlı veya çift akışkanlı nozullar kullanılmıştır (Al-Hahim ve ark., 2006). Son yıllarda yapılan çalışmalarda ise dört akışkanlı ve ultrasonik nozullar kullanılmaya başlanmıştır (Ishiwarya ve ark., 20). 0

11 Amaç Çalışmada PDK işlemi ile ticari mikrobiyal transglutaminaz enziminin kurutulması ve işlem değişkenlerinin (Plaka sıcaklığı, Besleme Debisi, Nozul Frekansı) enzim aktivitesi ve toz ürünün fiziksel özellikleri üzerine etkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır.

12 Materyal Toz formda ticari Mikrobiyal Transglutaminaz (mtg) (Benosen Tegen 20X) enziminin %20 lik sulu çözeltisi kullanılmıştır. Proteinler arası kovalent çapraz bağlanmayı katalizleyen, ticari anlamda uygun tek enzim transglutaminazdır. Gıda endüstrisinde bu enzimin kullanımıyla düşük viskoziteli protein çözeltileri ya da dispersiyonlarından jel benzeri yeni ağ yapıların oluşumunda yararlanılmaktadır (Motoki ve Seguro, 998). Et ve deniz ürünlerinde, süt ürünlerinde, soya ürünlerinde ve unlu mamullerde kullanılmaktadır (Zhu ve ark., 996). 2

13 Püskürtmeli Dondurarak Kurutma İşlemi %20 lik mtg çözeltisinin hazırlanması (besleme çözeltisi) Besleme çözeltisinin pompa ile nozullara beslenmesi Sıvı azot içerisine püskürtme Püskürtülmüş ve dondurulmuş partiküllerin dondurarak kurutucuya taşınması İlk kurutma Final kurutma- 2, 3 ve 4 C Şekil. Püskürtme ve dondurma işlemlerinin şematik gösterimi Şekil 6. Dondurarak kurutucu şematik gösterimi 3

14 Analizler 4

15 Nem Tayini İnfrared nem tayini Yığın Özellikleri Yığın Yoğunluk (ρb) ve Sıkıştırılmış Yoğunluk (ρb) (Bhandari ve ark., 999) Porozite (Koç ve ark., 20) Akabilirlik Carr Index (CI) = ((ρt - ρb)/ ρt) x00 (Carr, 96) Hausner oranı (HR)= ρt / ρb (Hausner, 967) Partikül Yoğunluğu (ρpar) Diğer Fiziksel Özellikler Dağılabilirlik (Barbosa-Canovas ve ark., 200) Islanabilirlik (Jinapong ve ark., 2008) Çözünebilirlik (Cano-Chauca ve ark., 200) Kekleşme (Jaya ve Das,2004)

16 Tablo. Deneysel tasarım BD (ml/dak) PS ( C) NF (khz) Run (x) (x2) (x3) Deneysel Tasarım Kurutma işlemi sonrasında işlem etkinliğinin en yüksek olduğu koşul optimum nokta olarak saptanmıştır. İşlem değişkenlerinin yanıt üzerindeki etkisi Design Expert Version 7.0 (Statease Inc.) paket programı kullanılarak varyans analizi (ANOVA) tablosundan belirlenmiştir. Optimizasyon çalışmasında Desirability fonksiyonu yaklaşımı uygulanmıştır. Ayrıca PDK işleminin işlem etkinliği ve son ürün fiziksel özellikleri bakımından geleneksel dondurarak kurutma işlemi ile karşılaştırılması amacıyla, püskürtme işlemi yapılmaksızın, besleme çözeltisi sıvı azot kullanılarak dondurulmuş ve aynı koşullarda dondurarak kurutma işlemi gerçekleştirilmiştir. Besleme debisi: 2, ve 8 ml/dak Nozul frekansı: ve khz Plaka sıcaklıkları: 2, 3 ve 4 C 6

17 Sonuçlar Tablo 2. İşlem değişkenlerinin aktivite üzerine etkisi Nozul frekansı (khz) Plaka Sıcaklığı ( C) Besleme debisi (ml/dak) İşlem etkinliği (oran) İşlem etkinliği (oran) (±0.03).0 (±0.0).04 (±0.04).03 (±0.00).23 (±0.22) 0.80 (±0.02) 0.9 (±0.00).2 (±0.00).06 (±0.00) 0.88 (±0.0).09 (±0.00) 0.76 (±0.0) 0.93 (±0.0).3 (±0.) 0.87 (±0.0).22 (±0.03).2 (±0.0) 0.82 (±0.00) 7

18 Tablo 3. İşlem etkinliği için ANOVA tablosu Kaynağı SD İşlem etkinliği Kareler Toplamı p-değeri Model X.6E X X3.74E X x 2.46E X x X2 x X X22 4.8E Kalıntı Saf Hata Toplam Model Uygunsuzluğu.3 İşlem Değişkenleri BD =.00 PS = 3.00 NF = X: Besleme Debisi X2: Plaka Sıcaklığı X3: Nozul Frekansı.7 İşlem Etkinliği Varyasyon B A B.03 A Referans noktasından sapma Şekil 7. İşlem etkinliği için karışıklık (pertürbasyon) grafiği ( khz) 8

19 Design-Expert Software Design-Expert Software İşlem Etkinliği.3079 İşlem Etkinliği X =BD X2 = PS X = BD X2 = PS İşlem Etkinliği NF =.0 NF = İşlem Etkinliği PS BD 2.00 Şekil 8. İşlem etkinliği için yanıt yüzey grafiği ve izohips eğrisi ( khz) PS BD 2.00 Şekil 9. İşlem etkinliği için yanıt yüzey grafiği ve izohips eğrisi ( khz) 9 sıcaklığı Optimizasyon sonucunda khz için optimum nokta.87 ml/dak akış hızı, 36 C plaka ve khz nozul için optimum nokta 3.09 ml/dak akış hızı, 4 C plaka sıcaklığı olarak tespit edilmiştir.

20 Tablo 4. Optimum noktada ortalama deneysel değerlerin modelden tahminlenen değerler ile karşılaştırılması Yanıt Tahminlenen Değer Ortalama Deneysel Sonuç Standart Hata Fark p-değeri khz için İşlem etkinliği..3 (±0.02) khz için İşlem etkinliği.7.4 (±0.0) Tablo. Optimum noktada PDK ve geleneksel dondurarak kurutma (GDK) işlemlerinin karşılaştırılması PDK NF: khz, PS: 36 C, BD:.87 ml/dak GDK PS: 36 C PDK NF: khz, PS: 4 C, BD: 3.09 ml/dak GDK PS: 4 C.3 (±0.0) 0.82 (±0.00).4 (±0.0) 0.87 (±0.03) 20

21 Tablo 6. PDK yöntemi ile kurutulmuş ticari enzimin fiziksel özellikleri NF (khz) PS ( C) BD (ml/dk) Nem (%) Yığın Yoğunluğu (kg/m 3 ) Sıkıştırılmış Yoğunluk (kg/m 3 ) Partikül Yoğunluğu (kg/m 3 ) Porozite Dağılabilirlik Çözünebilirlik (%) ıslanabilirlik (s) Kekleşme CI Akabilirlik HR

22 Tablo 7. Fiziksel analiz sonuçları için elde edilen ANOVA tablosu Varyasyon Kaynağı SD Nem (%) Yığın Yoğunluğu (kg/m3) Sıkıştırılmış Yoğunluk (kg/m3) Partikül Yoğunluğu (kg/m3) Porozite Dağılabilirlik Çözünebilirlik (%) Islanabilirlik (s) Kekleşme Akabilirlik CI HR p değeri Model X (BD) X2 (PS) X3 (NF) X x X x X2 x X x 2 x Kalıntı 8 Model Uygunsuzluğu Saf Hata 8 Toplam 2 22

23 Tablo 8. Optimum noktada yapılan fiziksel analiz sonuçları Plaka Nozul sıcaklığı Frekansı(kHz) ( C) Besleme Debisi (ml/dak) Geleneksel Dondurarak Kurutma Nem (%) Yığın Yoğunluğu (kg/m3) Sıkıştırılmış Partikül Yoğunluk Yoğunluğu Porozite (kg/m3) (kg/m3) Dağılabilirlik Akabilirlik Çözünebilirlik (%) Islanabilirlik (s) Kekleşme CI HR (±0.0) (±7.42) (±6.33) (±09.42) (±0.03) (±7.36) (±0.06) (±0.) (±0.33) (±.2) (±0.02) (±0.04) (±0.30) (±9.23) (±3.04) (±0.03) (±4.88) (±0.42) (±0.6) (±3.09) (±2.60) (±0.04) (±0.09) (±9.9) (±6.0) (±307.96) (±0.08) (±4.) (±0.9) (±0.02) (±2.) (±0.) (±0.0) (±0.03) (±0.4) (±0.) (±7.62) (±0.0) (±2.) (±0.02) (±0.2) (±.64) (±0.00) (±0.00) 23

24 Sonuç PDK işlemi, kurutma sonrasında enzim aktivitesinin düşüşüne sebep olmamış, aksine örneğin püskürtülmesi aşamasında spesifik yüzey alanın artırılması sayesinde kurutma süresini kısaltıp aynı zamanda enzim aktivitesinde artış sağlayabilmiştir. PDK ile elde edilen toz ürünlerin nem içeriği, geleneksel dondurarak kurutma ile elde edilen toz ürünlerin nem içeriğinden daha düşüktür. Aynı kurutma sürelerinde PDK işlemi ile geleneksel dondurarak kurutmaya göre daha düşük nem içeriğine ulaşılması, daha hızlı kurutma yapıldığını göstermektedir. PDK yöntemi ile örneklerin daha hızlı kurumaları, büyük ölçeklere uygulandığında enerji masraflarının azaltılmasını sağlayabilir. 24

25 Bu çalışma, Mikrobiyal Transglutaminaz Enziminin Ultrasonik Püskürtmeli-Dondurarak Kurutulması İşleminin Optimizasyonu ve Depolama Stabilitesinin Belirlenmesi adlı TUBİTAK (Proje no: O 26) projesinin bir parçasıdır. 2

26 Kaynaklar. Al-Hahim K., Wigley G., Stapley A.G.F. (2006). Phase Doppler Anemometry Studies Of Spray Freezing. Chemical Engineering Research and Design, 84(2), Amid, M., Manap, Y., Zohdi, K. N. (204). Microencapsulation of purified amylase enzyme from pitaya (hylocereus polyrhizus) peel in arabic gum-chitosan using freeze drying. Molecules 204, 9, Anandharamakrishnan, C., Ishwarya, P. (20). Spray-Freeze-Drying approach for soluble coffe processing and its effect on quality characteristics. Journal of Food Engineering 49, Barbosa-Canovas, G.V., Ortega-Rivas, E., Juliano, P., Yan, H. (200). Food Powders: Physical Properties, Processing, and Functionality, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York.. Bourneow, C., Benjakul, S., Sumpavapol, P., Hıkıttıkun, A. (202).Isolation and Cultivation of Transglutaminase-Producing Bacteria from Seafood Processing Factories, Innovative Romanian Food Biotechnology, 0, Bradford, M.M. (976).A Rapid and Sensitive Method for The Quantitation of Microgram Quantities of Protein Utilizing The Principle of Protein-Dye Bindin, Analytical Biochemistry, 72, Cano-Chauca, M., Stringheta, P.C., Ramos, A.M., Cal-Vidal, J. (200). Effect of the Carriers on the Microstructure of Mango Powder Spray Drying and Its Functional Characterization, Innovative Food Science and Emerging Technologies, 6, Capela, P., Hay, T.K.C., Shah, N.P., (2006). Effect of cryoprotectants, prebiotics and microencapsulation on survival of probiotic organisms in yoghurt and freezedried yoghurt. Food Res. Int. 39, Carr, R.L. (96). Evaluating Flow Properties of Solids, Chemical Engineering, 72, Her, J.Y., Song, C.S., Lee, S.J., Lee, K.G., (200). Preparation of kanamycin powder by an optimized spray freeze-drying method. Powder Technol. 99, 9 64 Estevinho, B.N., Damas, A.M., Martins, P., Rocha, F. (204). Microencapsulation of Β-Galactosidase with Different Biopolymers by a Spray-Drying Process, Food Research International, 64, Hunter, R.S. (97). Scales for The Measurements of Color Difference, In The Measurement of Appearance, John Wiley & Sons, New York. 26

27 Kaynaklar 3.Ishiwarya S.P., Anandharamakrishnan, C., Stapley A.G.F (20). Spray-freezedrying - A novel process for the drying of foods and bioproducts. Trends in Food Science & Technology 4, Jangam S.V. (20). An Overview of Recent Developments and Some R&D Challenges Related to Drying of Foods. Drying Technology, 29, Jaya, S., Das, H. (2004). Effect of Maltodextrin, Glycerol Monostearate and Tricalcium Phosphate on Vacuum Dried Mango Powder Properties, Journal of Food Engineering, 63, Jinapong, N., Suphantharika, M., Jamnong, P. (2008). Production of Instant Soymilk Powders by Ultrafiltration, Spray Drying and Fluidized Bed Agglomeration, Journal of Food Engineering, 84, Knorr, D. (998). Technology aspects related to microorganisms in functional foods. Trends in Food Science & Technology 9, Koç B., Yılmazer M.S., Balkır P., Kaymak-Ertekin, F. (200). Moisture Sorption Isotherms and Storage Stability of Spray-Dried Yogurt Powder. Drying Technology, 28, Kumar, R., Kar. A. (204). Microencapsulation of nutraceuticals using spray freeze drying method: a brief review. Indo Global Journal of Pharmaceutical Sciences, 4(2): Lamprecht, A., Wanning, S., Süverkrüp, R. (20). Pharmaceutical spray freeze drying. International Journal of Pharmaceutics 8, MacLeod, C., McKittrick, J., Hindmarsh, J., Johns, M., Wilson, D., (2006). Fundamentals of spray freezing of instant coffee. J. Food Eng. 74 (4), Motoki M, Seguro K. (998). Transglutaminase and Its Use For Food Processing. Trends in Food Science and Technology, 9, Ratti, C. (200). Hot air and freeze-drying of high-value foods: a review, Journal of Food Engineering, 49, Sadikoglu, H. (200). Spray freeze drying - Volume, Ed. Woo, M.W., Mujumdar, A.S. and Daud, W.R.W., 200, ISBN , Published in Singapore, pp Zhu, Y., Rinzema, A., Tramper, J., Boll J. (996). Medium Design Based on Stoichiometric Analysis of Microbial Transglutaminase Production by Streptoverticillium mobaraense, Biotechnology and Bioengineering, 0,

28 28