ÜZÜM ÇEKİRDEĞİ YAĞININ BASINÇLI ÇÖZÜCÜ EKSTRAKSİYONU VE EKSTRAKSİYON PARAMETRELERİNİN CEVAP YÜZEY YÖNTEMİ İLE OPTİMİZASYONU Emir Zafer HOŞGÜN, Berrin BOZAN* Anadolu Üniversitesi, Mühendislik mimarlık Fakültesi, Kimya Mühendisliği bölümü,eskişehir, 26000 * Berrin Bozan:Anadolu Üniversitesi,Eskişehir, 26000, bozan@anadolu.edu.tr Özet - Bu çalışmada, basınçlı sıvı ekstraksiyon parametrelerinin, kırmızı üzüm (Vitis vinifera L.) çekirdeğinden yağ ekstraksiyonu üzerine etkileri incelenmiştir. Bu amaçla, çözücü olarak hekzanın kullanıldığı çalışmada, partikül boyutu, sıcaklık ve zaman bağımsız değişkenleri kullanılarak 2 3 düzeyinde Cevap Yüzey Yöntemi (RSM) ile merkezi tümleşik (Central Composite) deney tasarımı yapılmış ve çalışılan parametrelerin üzüm çekirdeği yağı verimi üzerine etkileri gözlenerek %95 güven aralığında model eşitliği geliştirilmiştir. Ekstraksiyon sonucunda kuru baz üzerinden hesaplanan yağ verimleri %4,81-%,78 arasında değişmiştir. Beklendiği üzere, sıcaklığın ve ekstraksiyon zamanının artması ve partikül büyüklüğünün azalmasıyla yağ verimi artmıştır. Çalışılan parametreler sonucunda en yüksek yağ verimi %,78 ile 60 o C, 0,33 mm ortalama partikül boyutu ve 20 dk da elde edilmiştir. Yağ verimleri sıcaklık, zaman ile doğrusal, partikül boyutunun da doğrusala ilaveten karesi ile etkilendiği görülmüştür. Modelin cevap için olabilirlik değeri p<0,0001 bulunmuş, model eşitliğinin cevapları %99,3 oranında açıkladığı gözlenmiş ve modelden sapmanın önemsiz (p>0,05) olduğu gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Basınçlı Çözücü Ekstraksiyonu, Üzüm Çekirdeği yağı, Cevap Yüzey Metodu GİRİŞ Şarap endüstrisinin yan ürünü olan üzüm çekirdeği yağına olan ilgi son yıllarda gıda, ilaç ve kozmetik alanlarında sıkça kullanılmasından dolayı hızla artmaktadır. Şarap üretiminden elde edilen üzüm çekirdekleri genel olarak yağ üreticilerine satılmaktadır. Zengin bir antioksidan kaynağı olan üzüm çekirdekleri kozmetik ve ilaç sektöründe hammadde olarak kullanılmaktadırlar. Ayrıca kolestrol üzerine çok fazla olumlu etkiye sahiptirler [5]. Son yıllarda omega-3 çoklu doymamış yağ asitlerince (PUFA) zengin bitkisel yağların sağlık üzerinde olumlu etkilerinin görülmesiyle bu ürünlere tüketici talebi artmış, talebe paralel olarak da doğal ürünlerin elde edilmesi, etkilerinin belirlenmesi, etkili bileşenlerin analizleri üzerine çalışmalarda artış gözlenmiştir. Şarap ve meyve suyu endüstrisinin önemli bir yan ürünü olan üzüm çekirdeğinden elde edilen yüksek oranda linoleik asit ve vitamin E içeriği bakımından zengin yağ, gıda, kozmetik ve ilaç endüstrisin önemli hammaddelerinden birisidir [1,2]. Geleneksel olarak yağlı tohumlardan endüstriyel yağ üretimi çözücü ekstraksiyonu ile gerçekleşmektedir, ancak önemli bir miktar yağ tohumda ekstre edilmeden kalmaktadır. Son yıllarda doymamış yağ asitlerince zengin özel yağların üretiminde süperkritik CO 2 ekstraksiyonu yöntemi ile başarı ile uygulanmaktadır [3]. Henüz endüstriyel uygulaması bulunmayan, yüksek sıcaklık ve basınçlarda çözücünün katı matrise daha iyi penetre olma avantajına sahip ekstraksiyon tekniği olan basınçlı sıvı ekstraksiyonu yöntemi ise özellikle laboratuar ölçekte içerik ve kompozisyon belirleme çalışmalarında geleneksel Soxhlet ekstraksiyon yöntemine alternatif olarak kullanılmaktadır [4]. Basınçlı çözücü ekstraksiyonu yeni bir ekstraksiyon tekniği olarak sayılabilir. Bu yöntemde katı hammadde ekstraksiyon hücresine yerleştirilir ve yüksek basınç (1500 psi) ve kaynama noktasının üzerindeki bir sıcaklık altında ekstre edilir. Basınçlı çözücü ekstraksiyonunun yüksek performansı aşağıdaki parametrelere bağlanmaktadır. Bu parametreler;
yüksek sıcaklıklarda çözücünün yüksek çözme gücüne sahip olması, yüksek sıcaklık ve çözücü çözünen etkileşiminden dolayı yüksek difüzyon hızına sahip olmalarıdır [6]. Bu çalışmanın amacını yüzey yanıt deney tasarım yöntemi ile basınçlı ekstraksiyon parametrelerinin üzüm çekirdeği yağ verimi üzerine etkilerinin belirlenmesi oluşturmaktadır. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Çalışmalar ASE 0 (Dionex) marka basınçlı sıvı ekstraksiyonu sistemi ile sabit 1700 psi basınç altında ml lik ekstraksiyon hücresi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çözücü olarak hekzanın kullanıldığı, tek kademede ikişer kez tekrarlanan deneylerden elde edilen verimlerin ortalama değerleri kullanılmıştır. Ekstraksiyon işlemi tamamlandıktan sonra hammadde ekstraktör hacminin %60 ı olacak şekilde ekstraksiyon çözücüsü ile yıkanmış ve ekstre çözeltilerinden hekzan 40 o C da vakum altında döner buharlaştırıcıda (Heidolph Laborota 4000) uzaklaştırılmıştır. Yağ verimleri kuru temel üzerinden % olarak hesaplanmıştır. Basınçlı ekstraksiyon parametrelerinin üzüm çekirdeği yağ verimi üzerine etkilerini incelemek ve en yüksek verimin elde edildiği koşulları belirlemek için gerekli deney planının oluşturulması amacıyla Cevap Yüzey deney tasarım yöntemi kullanılmıştır. Bağımsız değişkenlerin yağ verimine etkisi tasarım değişken sayısı (n) =3 olmak üzere, 8 faktöriyel nokta (2 n ), 6 eksenel nokta (2n) ve merkez noktada 3 tekrar deneyi ile toplam 17 deneyden oluşmaktadır. Bağımsız değişken olarak sıcaklık, (T; 40-80 o C), ortalama partikül boyutu (P; 0,52 1,05 mm) ve zaman (Z; 30 dk) faktörleri seçilmiştir. Yağ verimi (%) bağımsız değişkenlerin fonksiyonu olarak aşağıda verilen ikinci derece polinom eşitliği kullanılarak belirlenmiştir. Y = β + βt + β P+ β Z + β T + β P + β Z + β TP+ β TZ + β ZP 2 2 2 0 1 2 3 11 22 33 12 13 23 Bu eşitlikte Y, yağ verimi (%); β 0, sabit; β i, β ii ve β ij sırası ile doğrusal, ikinci derece ve etkileşim katsayılarıdır. Model %95 güven aralığında oluşturulmuş ve cevap yüzeyi tasarımındaki katsayılar Minitab 14 istatistik programı ile belirlenmiştir. SONUÇLAR ve TARTIŞMA Ekstraksiyon sonucunda kuru baz üzerinden hesaplanan yağ verimleri %4,81-%,78 arasında değişmiştir. Sıcaklığın ve ekstraksiyon zamanının artması ile yağ verimi artmıştır. Ancak verim artışına etki eden en önemli parametrenin partikül büyüklüğünün olduğu gözlenmiştir. 60 o C de, 20 dk ekstraksiyon zamanda 1,05-0,52 partikül boyutu aralığında, verim %5-6 iken bu oran 0.33 mm de %,78 e çıkmıştır. 0,78 mm ortalama partikül boyutu ile 8 saat Soxhlet ekstraksiyonu sonucunda % 7,76 verimle yağ elde edilirken, aynı partikül boyutuna sahip hammaddeden 60 o C ve 20 dk da elde edilen yağ verimi % 6,09 (Soxhlet veriminin %78 i), olarak bulunmuştur. Cevap yüzey deney tasarımında kullanılan bağımsız değişkenlerin değerleri ve bu noktalarda yapılan deneylerden elde edilen elde edilen yağ verimleri (%) Çizelge 1 de verilmiştir. Yağ verimleri sıcaklık ve zaman ile doğrusal, partikül boyutu ile de doğrusala ilaveten karesi ile etkilendiği görülmüştür. Etkili olmayan parametrelerin modelden çıkartılmasıyla oluşturulan model eşitliği aşağıda verilmiştir. % yağ verimi= 8,6083 + 0,0701 T -12,9741 P+0,1941 Z+8,9447 P 2-0,0647 TxP-0,1860 PxZ
Modelin cevap için olabilirlik değeri p<0,0001 bulunmuş, model eşitliğinin cevabı %98,9 oranında açıkladığı ve modelden sapmanın önemsiz (p>0,05) olduğu gözlenmiştir. Çizelge 1. Cevap yüzey yöntemi ile oluşturulan deney tasarımı ve yağ verimleri (%) T ( o C) P (mm) Z (dak) Yağ verimi (%) 40 0,52 6,74 80 0,52 8,27 40 1,05 4,81 80 1,05 5,07 40 0,52 30 8,76 80 0,52 30,53 40 1,05 30 0,33 80 1,05 30 5,21 26 0,78 20 5,69 93 0,78 20 6,60 60 0,33 20,78 60 1,23 20 4,86 60 0,78 3 5,31 60 0,78 36 6,56 60 0,78 20 6,09 60 0,78 20 5,97 60 0,78 20 6,03 Çalışılan parametrelerin uygulanan modele göre yağ verimi üzerine etkisini gösteren üç boyutlu grafikleri Şekil 1, 2, 3 de verilmiştir. Yağ verimi ekstraksiyon zamanı ve sıcaklık ile doğrusal artar iken, partikül boyutu arttıkça ile ikinci dereceden polinom etkisi ile yağ verimi azalmaktadır. 12 9 Verim (%) 6 3 0,50 0,75 1,00 20 P 1,25 40 60 80 T Şekil 1. Uygulanan model eşitliğine göre partikül boyutu(p) ve Sıcaklığın(T) yağ verimi (%) ve birbirleri üzerine etkisi (zaman 20 dakika)
7 Verim (%) 6 5 4 20 40 60 80 T 30 20 z 0 Şekil 2. Uygulanan model eşitliğine göre zaman (Z) ve Sıcaklığın (T) yağ verimi (%) ve birbirleri üzerine etkisi (partikül boyutu 0,7813) 15 Verim (%) 5 0 0 0,50 0,75 20 z 1,00 P 30 1,25 Şekil 3. Uygulanan model eşitliğine göre zaman (Z) ve partikül boyutu (P) yağ verimi (%) ve birbirleri üzerine etkisi (sıcaklık 60 0 C)
Kaynaklar 1. Simopoulos, A.P., Omega-3 Fatty Acids in Growth and Development, Omega-3 Fatty Acids in Health and Disease, Editörler: R.S. Lees and M. Karel, Marcel Dekker, New York, 115, 1990. 2. Papas, A.M., Antioxidant Status, Diet, Nutrition, and Health, CRC Press, Boca Raton, FL, 672,1998. 3. Rizvi. S.S.H., Supercritical fluid processing of food and biomaterials, Gaithersburg, Md., Aspen Publication, 257s, 1999. 4. Majors, R.E., Modern techniques for the extraction of solid materials, LG-GC Europe, Feb 07, 76, 2007. 5. Fiori, L., Grape seed oil supercritical extraction kinetic and solubility data: Critical approach and modeling J. Of Superciriticsl fluids, 43, 43-54, 2007. 6. Jacques, R., A., Dariva, C., Oliveira, J., V., Caramão, E., B., Pressurized liquid extraction of mate tea leaves, Analytica Chimica Acta 625, 70 76, 2008.