KARİDES ATIKLARINDAN KİTİN VE KİTOSAN ÜRETİMİ: OPTİMİZASYON VE KARAKTERİZASYON Kader TOKATLI Aslıhan DEMİRDÖVEN Gaziosmanpaşa Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi Gıda Mühendisliği Bölümü TOKAT
SUNUM İÇERİĞİ Neden karides atıkları? Kitin - Kitosan nedir? Kitosan nasıl elde edilir? Çalışmanın amacı Materyal Metod Bulgular Kitin Üretiminin optimizasyonu Kitosan Üretiminin optimizasyonu Kitosan karakterizasyonu Sonuç
Neden Karides Atıkları? Deniz kabuklularının %20 si yenilebilir kısım %80 atık Değerlendirilmelerine ilişkin herhangi bir veri yok Karides atıklarının uygun bir şekilde ortadan kalkması sağlanabilir Katma değeri daha yüksek bir ürüne dönüştürülerek ülke ekonomisine katkı sağlanabilir
Neden Karides Atıkları? TÜİK (Türkiye İstatistik Kurumu) 2013 verilerine göre; 43.879,0 ton deniz kabuklusu 4.027,6 tonu Karides 2.056,6 tonu Marmara bölgesinde
KİTOSAN Doğada en çok bulunan ikinci polisakkarit olan kitinin deasetilasyonuyla elde edilen doğal bir karbonhidrat polimeridir.
Kitin poli-[β-(1,4)-2-asetamid-2-deoksi-β-d-glukopiranoz] Kitosan poli-[β-(1,4)-2-amino-2-deoksi-β-d-glukopiranoz]
Günümüzde endüstriyel kitinin temel kaynağını karides, yengeç ve ıstakoz gibi deniz kabuklularının atıkları oluşturmaktadır. Atıklar: mineral (%20-50) protein (%20-50) kitin (%5-40)
Kitosan Üretim Yöntemleri Deminerilizasyon Deproteinizasyon Deasetilasyon Kimyasal HCI NaOH KOH NaOH Enzimatik Proteazlar, Papain, Pepsin, Tripsin Kitin deasetilaz Mikrobiyal Rhizopus oryzae Lactococcus lactis Lactobacillus plantarum Teredinobacter turnirae Lactobacillus plantarum Mucor rouxii Aspergillus niger Rhizopus oryzae
ÇALIŞMANIN AMACI Hiçbir ticari değeri olmayan karides atıklarından kimyasal üretim basamaklarını kullanarak Katma değeri yüksek bir ürün olan kitosan üretmek için Karides atıklarından maksimum verimle kitin üretim koşullarının optimizasyonu Optimum noktada üretilen kitinden kitosan üretim koşullarının optimizasyonu Optimum noktada üretilen kitosanların karakterizasyonu
MATERYAL Çalışmada kullanılan karides atıkları Marmara Denizi nde avlanan karideslerden temin edilmiştir.
METOD Yıkama-Kurutma Boyut Küçültme Blender Deminerilizasyon HCI Deproteinizasyon NaOH Dekolorizasyon H 2 O 2 Deasetilasyon NaOH
KİTOSANIN KARAKTERİZASYONU Analiz Mineral Madde Protein Tayini Yöntem Toplam Kül Tayini Biüret Yöntemi Renk (Beyazlık İndeksi) Hsu, Chen, Weng, & Tseng, 2003 Deasetilasyon Derecesinin (%DD) Belirlenmesi Molekül Ağırlığı Viskozite SEM Görüntüleri Titrimetrik (Jia ve Shen, 2002) Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi Ubbelohde Viskozimetresi Viskozimetre Taramalı Elektron Mikroskobu
İSTATİSTİKSEL ANALİZ Optimizasyon modellerinin oluşturulması ve değerlendirilmesinde Cevap yüzey yöntemi kullanılmıştır. Box Benken deneme planı izlenmiştir.
KİTİN ÜRETİMİNİN OPTİMİZASYONU
Kitin Üretim Optimizasyon Koşulları Aşama Deminerilizasyon Deproteinizasyon Bağımsız Değişkenler Değişken Seviyeleri Süre (saat) 0,5-24 HCl konsantrasyonu (M) 0,5-1,5 Sıcaklık ( C) 60-100 Süre (saat) 0,5-24 NaOH konsantrasyonu (M) 0,5-1,25
Kitin Üretim Optimizasyon Yanıtları Kitin Optimizasyonu Maksimum Kitin Verimi Yapılabilirlik Fonksiyonu Minimum Protein Minimum Mineral Madde
Kitin Üretimi Deminerilizasyon aşaması Hidroklorik asit (HCl) çözeltisi Optimizasyon için: süre (0,5-24 saat) ve çözelti konsantrasyonu (0,5-1,25M) HCI 100mL Karides atıkları 10g Demineralize örnek
Kitin Üretimi Deproteinizasyon aşaması Sodyum hidroksit (NaOH) çözeltisi Optimizasyon için: süre (0,5-24 saat), sıcaklık (60-100⁰C) ve çözelti konsantrasyonu (0,5-1,25M) NaOH 100mL Deminerilize örnek Demineralize-Deproteinize örnek KİTİN
Kitin Üretimi Dekolorizasyon aşaması %35 lik hidrojen peroksit (H 2 O 2 ) çözeltisi Kitin Dekolorize kitin H 2 O 2
Kitin Üretiminin Deneysel Yanıt Değerleri Run Factor 1 A:DM süresi dakika Factor 2 B:DM HCI k. Molar Factor 3 C:DP Sıcaklık C Factor 4 D:DP süresi dakika Factor 5 E:DP NaOH k. Molar Response % Kitin Verimi 1 735 1 80 30 0.5 10.2960 2 30 1.5 80 735 0.88 8.1431 3 30 1 60 735 0.88 8.5461 4 735 1.5 80 735 1.25 7.9081 5 735 1 80 735 0.88 7.5000 6 1440 1 100 735 0.88 8.4939 7 735 0.5 80 735 1.25 8.3512 8 30 1 80 735 0.5 8.3225 9 735 1.5 80 30 0.88 8.5729 10 735 0.5 80 1440 0.88 7.2025 11 735 1.5 80 735 0.5 8.2831 12 1440 1.5 80 735 0.88 8.2357 13 30 1 80 1440 0.88 6.7503 14 735 1 100 735 0.5 8.3045 15 735 1 60 30 0.88 9.7996 16 735 0.5 80 735 0.5 8.1960 17 735 1 60 735 1.25 8.4923 18 30 0.5 80 735 0.88 8.9953 19 735 0.5 60 735 0.88 8.9228 20 30 1 80 30 0.88 9.5115 21 735 1 80 735 0.88 7.7838 22 735 1.5 100 735 0.88 8.2661 23 1440 1 80 735 1.25 8.4647
Deneysel Yanıt Değerleri devam Run Factor 1 A:DM süresi dakika Factor 2 B:DM HCI k. Molar Factor 3 C:DP Sıcaklık C Factor 4 D:DP süresi dakika Factor 5 E:DP NaOH k. Molar Response % Kitin Verimi 24 735 1 80 1440 0.5 7.3081 25 735 1 100 30 0.88 8.5197 26 735 1 80 735 0.88 7.7838 27 1440 1 60 735 0.88 8.5987 28 735 1 80 735 0.88 7.7838 29 735 1 60 735 0.5 9.1924 30 735 1.5 80 1440 0.88 7.3340 31 735 1 100 1440 0.88 7.6157 32 1440 0.5 80 735 0.88 8.1658 33 735 1 80 30 1.25 8.4678 34 735 1 80 1440 1.25 7.2322 35 735 0.5 100 735 0.88 8.2143 36 1440 1 80 1440 0.88 7.0623 37 735 1 60 1440 0.88 7.5791 38 735 1.5 60 1440 0.88 8.3463 39 30 1 80 1440 1.25 8.2728 40 735 0.5 80 30 0.88 8.9017 41 735 1 80 735 0.88 7.7838 42 30 1 100 735 0.88 7.9803 43 1440 1 80 735 0.5 8.2736 44 735 1 100 735 1.25 8.2398 45 1440 1 80 30 0.88 8.8004
Kitin için ANOVA tablosu Kareler Serbestlik Kareler F p-değeri Source Toplamı Derecesi Ortalaması değeri Prob >F Model 19.66 20 0.98 13.27 < 0.0001 significant A-DM-süresi 0.011 1 0.011 0.15 0.6986 B-DM-HCl konsan. 0.22 1 0.22 2.92 0.1005 C-DP-Sicaklik 0.92 1 0.92 12.45 0.0017 D-DP-süre 13.66 1 13.66 184.35 < 0.0001 E-DP-NaOH kons. 0.47 1 0.47 6.36 0.0187 AB 0.21 1 0.21 2.87 0.1033 AC 0.053 1 0.053 0.72 0.4056 AD 0.26 1 0.26 3.53 0.0724 AE 0.015 1 0.015 0.20 0.6622 BC 0.099 1 0.099 1.33 0.2598 BD 0.053 1 0.053 0.71 0.4062 BE 0.070 1 0.070 0.95 0.3398 CD 0.43 1 0.43 5.85 0.0236 CE 0.10 1 0.10 1.36 0.2546 DE 0.77 1 0.77 10.36 0.0037 A2 0.58 1 0.58 7.87 0.0098 B2 0.39 1 0.39 5.30 0.0304 C2 1.84 1 1.84 24.84 < 0.0001 D2 0.14 1 0.14 1.83 0.1883 E2 1.00 1 1.00 13.46 0.0012 Residual 1.78 24 0.074 Lack of Fit 1.71 20 0.08 5.32 0.0581 not significant Pure Error 0.064 4 0.016 Cor Total 21.44 44 Std. Dev. 0.27 Mean 8.24 C.V. % 3.30 PRESS 6.96 R-Squared 0.9170 Adj R-Squared 0.8479 Pred R-Squared 0.6755 Yeterli kesinlik 15.349
Çoklu Regresyon Eşitliği KİTİN VERİMİ (%) = 7.73-0.027A - 0.12B - 0.24C - 0.92D - 0.17E + 0.23AB + 0.12AC + 0.26AD + 0.060AE + 0.16BC + 0.12BD - 0.13BE + 0.33CD + 0.16CE + 0.44DE + 0.27A 2 + 0.22B 2 + 0.48C 2 + 0.13D 2 + 0.35E 2 A : DM Süresi B : DM-HCI konsantrasyonu C : DP-Sıcaklık D : DP-Süre E : DP-NaOH konsantrasyonu
%95 güven sınırları Model Üzerine Etkisi Olan Değişkenler deproteinizasyon sıcaklığı deproteinizasyon süresi deproteinizasyon çözelti konsantrasyonu Lineer deproteinizasyon süre-sıcaklık deproteinizasyon sıcaklık-çözelti konsantrasyonu İnteraksiyon deminerilizasyon süresi deminerilizasyon sıcaklığı deproteinizasyon sıcaklığı deproteinizasyon çözelti konsantrasyonunun Quadratik
Yapılabilirlik Fonksiyonuna Ait Değişkenler ve Yanıtlar Run DM süresi dakika DM HCI k. Molar DP Sıcaklık C DP süresi dakika DP NaOH k. Molar Yapılabilirlik Kitin Verimi % Beklenen Kitin Verimi % Hesaplanan Protein % Mineral Madde % 1 36.23 0.99 60.02 37.83 0.96 100 10.3061 9.6845 7.67 1.35 2 209.58 1.15 63.05 57.91 0.60 100 10.6144 10.0497 8.65 1.37 3 184.40 0.54 87.72 33.04 0.50 100 10.2969 9.6413 4.61 6.74 4 132.61 0.73 60.49 75.65 0.95 100 10.4473 10.1336 6.71 1.29 5 67.71 0.69 74.13 50.04 0.60 100 10.5266 9.9463 8.29 2.13 6 98.23 0.89 62.35 78.34 0.69 100 10.704 9.9372 7.89 1.27
Kitin Üretimi için Optimum Nokta 133 dakika Deminerilizasyon süresi 0.73M Deminerilizasyonda kullanılan HCI konsantrasyonu 60.50±1 C Deproteinizasyon sıcaklığı 76 dakika Deproteinizasyon süresi 0.95M Deproteinizasyonda kullanılan NaOH konsantrasyonunu
KİTOSAN ÜRETİMİNİN OPTİMİZASYONU
Kitosan Üretim Optimizasyon Koşulları Aşama Deasetilasyon Bağımsız Değişkenler Değişken Seviyeleri Sıcaklık ( C) 100-120 Süre (saat) 1-12 NaOH konsantrasyonu (%) 40-50
Kitosan Üretim Optimizasyon Yanıtları Kitosan Optimizasyonu Maksimum Kitosan Verimi Yapılabilirlik Fonksiyonu 2 farklı deasetilasyon derecesine sahip kitosan
Kitosan Üretimi Deasetilasyon aşaması Sodyum hidroksit (NaOH) çözeltisi Optimizasyon için: süre (1-12 saat), sıcaklık (100-120 C) ve çözelti konsantrasyonu (%40-50) NaOH 20mL Kitin 1g Kitosan
Kitosan Üretiminin Deneysel Yanıt Değerleri Run Factor 1 A:Sıcaklık C Factor 2 B:Süre dakika Factor 3 C:NaOH kon. % 1 110 390 45 76.7961 2 120 60 45 76.8800 3 120 390 40 76.7506 4 110 390 45 73.8973 5 110 390 45 73.8973 6 100 60 45 80.1055 7 120 390 50 71.7428 Response Kitosan Verimi % 8 120 720 45 66.8517 9 110 720 40 76.3852 10 100 390 50 80.9281 11 110 60 40 84.6300 12 110 390 45 73.8973 13 110 720 50 76.5534 14 100 390 40 84.5400 15 100 720 45 78.7806 16 110 390 45 73.8973 17 110 60 50 73.5600
Kitosan İçin Anova Tablosu Kaynak Kareler Serbestlik Kareler F p-değeri Toplamı Derecesi Ortalaması Değeri Prob > F Model 307.87 9 34.21 19.25 0.0004 significant A-Sıcaklık 129.03 1 129.03 72.60 < 0.0001 B-Süre 34.46 1 34.46 19.39 0.0031 C-NaOH kon 47.64 1 47.64 26.80 0.0013 AB 18.94 1 18.94 10.65 0.0138 AC 0.49 1 0.49 0.27 0.6168 BC 31.57 1 31.57 17.76 0.0040 A 2 3.74 1 3.74 2.11 0.1900 B 2 0.23 1 0.23 0.13 0.7287 C 2 39.70 1 39.70 22.33 0.0021 Residual 12.44 7 1.78 Lack of Fit 5.72 3 1.91 1.13 0.4357 not significant Pure Error 6.72 4 1.68 Cor Total 320.31 16 Std. Dev. 1.13 Mean 76.48 C.V. % 1.74 PRESS 102.01 R-Squared 0.9612 Adj R-Squared 0.9112 Pred R-Squared 0.6815 Yeterli kesinlik 17.331
Çoklu Regresyon Eşitliği KİTOSAN VERİMİ (%) = 74.48 4.02A 2.08B 2.44C 2.18AB 0.35AC + 2.81BC + 0.94A 2 + 0.23B 2 + 3.07C 2 A : Deasetilasyon - Sıcaklık B : Deasetilasyon - Süre C : Deasetilasyon NaOH konsantrasyonu
%95 güven sınırları Model Üzerine Etkisi Olan Değişkenler Deasetilasyon sıcaklığı Deasetilasyon süresi Deasetilasyon çözelti konsantrasyonu Lineer Deasetilasyon sıcaklık süre Deasetilasyon süre- çözelti konsantrasyonu İnteraksiyon Deasetilasyon çözelti konsantrasyonu Quadratik
Yapılabilirlik Fonksiyonuna Ait Değişkenler ve Yanıtlar Run DA süresi dakika DA sıcaklığı C DA NaOH kon. % Yapılabilirlik Kitosan Verimi % Beklenen Kitosan Verimi % Hesaplanan Deasetilasyon Derecesi 1 300 120 40 83.1 79.1385 77.15 66,05 2 300 100 40 98 84.270 83.91 28.03 3 720 100 50 97.5 84.1911 74.01 80,06
Kitosan Üretimi için Optimum Noktalar %40 Deasetilasyonda kullanılan NaOH konsantrasyonu %50 120⁰C Deasetilasyon sıcaklığı 100⁰C 300 dakika Deasetilasyon süresi 720 dakika KİTOSAN-1 KİTOSAN-2
KİTOSANIN KARAKTERİZASYONU
Protein (%) 47,45 4,46 4,86 Karides atığı Kitosan-1 Kitosan-2
Mineral Madde (%) 23,27 1,22 1,25 Karides atığı Kitosan-1 Kitosan-2
Beyazlık İndeksi 71,57 62,94 Kitosan-1 Kitosan-2
Deasetilasyon Derecesi 66,05 78,2 80,06 84,95 Kitosan-1 Kitosan-2 Titrimetrik yöntem FTIR
Moleküler Ağırlık-Viskozite Kitosan-1 Moleküler ağırlık 182kDa 150cP Viskozite Moleküler ağırlık 127kDa 40cP Viskozite Kitosan-2
SEM görüntüleri Kitosan-1 Kitosan-2
SONUÇ Bu çalışmada kimyasal üretim basamakları kullanılarak ticari olarak hiçbir önemi olmayan karides atığından, kitin ve kitosan üretim koşullarının optimizasyonu ve optimum noktalarda üretilen kitosanların karakterizasyonu yapılmıştır.
Sonuç Karides atıklarından % 10.13 verimle Kitin %8.05 verimle Kitosan-1 %7.72 verimle Kitosan-2 üretilmiştir.
Sonuç Çalışmada hiçbir ticari değeri olmayan karides atıkları katma değeri yüksek bir ürün olan kitosana kimyasal üretim basamakları kullanılarak başarılı bir şekilde dönüştürülmüştür. Bununla birlikte çalışmanın ana hedeflerinden biri olan atık değerlendirme Marmara denizinde avlanan karides atıkları kullanılarak etkili bir şekilde başarılmıştır. Ancak ileriki çalışmalarda karides atıklarının içerdiği yüksek proteinin ve renk pigmenti astaksantinin de geri kazanımı ile sıfıra yakın atık yaklaşımı sağlanarak ülkemiz ekonomisine daha fazla yarar sağlayacağı düşünülmektedir.
Sonuç Üretilmiş olan kitosanların etkinlikleri, yapılmış olan Kitosanlardan elde edilen yenilebilir film kaplamanın kirazların raf ömrüne etkisi Kitosanların bazı kültür bitkilerinde antifungal etkinlikleri 2 farklı çalışma ile test edilmiş ve oldukça başarılı sonuçlar elde edilmiştir.
TEŞEKKÜR EDERİM aslihan.demirdoven@gop.edu.tr kader.tokatli@gop.edu.tr Bu araştırma Gaziosmanpaşa Üniversitesi BAP birimi tarafından 2014/60 proje numarası ile desteklenmiştir.