H2 BİYOTEK FERMANTASYON İÇİN ŞEKER KAYNAĞI OLARAK KULLANILMAK ÜZERE MEYVE KABUKLARININ VE DİĞER LİGNOSELÜLOZİK BİYOKÜTLELERİN ENZİMATİK HİDROLİZİ Pelin Poçan 1,2, Erinç Bahçegul 1, Mecit Halil Öztop 1, Haluk Hamamcı 1,2 1 Gıda Mühendisliği Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara 2 H2Biyotek, ODTÜ Teknokent, Ankara 3 Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi, Konya Gıda ve Tarım Üniversitesi, Konya
TASLAK Giriş Gereç ve yöntemler Sonuçlar ve tartışma
Giriş Lignoselülozik materyallerin karakteristik özellikleri: Selüloz Hemiselüloz Lignin Pektin Lignoselüloz bileşenleri (Rosgaard,2007)
NEDEN LİGNOSELÜLOZİK BİYOKÜTLE? Temiz Enerji Ucuz organik asit üretimi Yan ürünlerin endüstride değerlendirilmesi
Lignoselülozik biyokütleler: Yüksek lignin içeriğine sahip biyokütleler: Mısır koçanı, ay çekirdeği kabuğu, talaş Düşük lignin içeriğine sahip biyokütleler : Meyve kabukları (Portakal kabukları,nar kabukları)
Yüksek lignin içeriğine sahip olan biyokütleler için ön işlem metotları : Lignin yapısını bozmak Enzim ulaşılabilirliğini kolaylaştırmak Ön işlemin lignoselülosik biyokütle üzerindeki etkisi (Perruzza, 2010)
ÇALIŞMANIN AMACI Alkali ön işlemin mısır koçanlarının enzimatik hidroliz verimi üzerine etkisini incelemek Farklı enzim miktarlarının ve farklı enzim türlerinin (selülaz ve β-glukosidaz) sinerjistik etkilerinin alkali ön işlem görmüş mısır koçanlarının hidroliz verimine olan etkisini incelemek Selülolitik ve pektinolitik enzimlerin portakal kabuğu ve nar kabuğu gibi meyve atıklarının hidroliz verimine olan etkisini incelemek
GEREÇ VE YÖNTEMLER
ENZİMATİK HİDROLİZDE KULLANILAN BİYOKÜTLELER Mısır koçanları Portakal kabukları Nar kabukları
ALKALİ ÖN İŞLEM 121 ºC de 1 saat boyunca %2 lik NaOH çözeltisi kullanarak otoklavlama Mısır koçanları Alkali ön işlem görmüş mısır koçanları
Limonen Ekstraksiyonu Kaynayan su ile limonen uzaklaştırılması Portakal kabukları kurutma işlemi öncesi (95 ºC) de 24 saat boyunca su banyosunda bekletilmiştir. Limonen ekstraksiyonu yapılıp kurutulmuş olan portakal kabukları Kurutulmuş portakal Kabukları
intestinal fluid and glass transition temperatures were investigated. ENZİMATİK HİDROLİZ Selülolitik enzimler: -Novozymes Celluclast 1.5L(Danimarka) (Selülaz,ksilanaz) -Novozymes 188 (Danimarka) (sellobiyaz) -ASA Biogazyme x2(almanya) (Selülaz,ksilanaz,sellobiyaz) Pektinolitik enzimler : -Novozymes Pectinex Ultra SP-L(Danimarka) (Pektinaz)
ENZİMATİK HİDROLİZ Hidrolitik enizmler için gerekli optimum koşullar: 50 º C, 150 rpm, ph=4.8(sodyum sitrat tampon çözeltisi)
ŞEKER TAYİN METOTLARI Toplam indirgen şeker miktarı : DNS (Dinitrosalisilik asit ) Metodu Glikoz miktarı : Kan şeker ölçüm cihazı
DNS Mısır koçanları (Lignin içeriği yüksek biyokütleler) Öğütme& Alkali ön işlem Öğütülmüş mısır koçanları Alkali ön işlem Görmüş mısır koçanları Enzimatik hidroliz (Selülaz& β- glukosidaz) Kan şeker Ölçüm cihazı DNS Portakal ve Nar kabukları (Lignin içeriği düşük biyokütleler) Öğütme Enzimatik hidroliz (Selülaz, β- glukosidaz ve Pektinaz Kan şeker Ölçüm cihazı
SONUÇLAR VE TARTIŞMA
1.BÖLÜM: YÜKSEK LİGNİN İÇERİĞİNE SAHİP BİYOKÜTLELERİN(MISIR KOÇANLARININ)ENZİMATİK HİDROLİZİ
ŞEKER VERİMİ(%) ALKALİ ÖN İŞLEMİN MISIR KOÇANLARININ ENZİMATİK HİDROLİZİ ÜZERİNE ETKİSİ 40 35 a 30 25 b 20 15 10 5 0 d c 1 2 Şekil 1: Kontrol(ön işlem görmemiş) ve alkali ön işleme maruz kalmış mısır koçanlarının Glikoz verimi (%) ve toplam indirgen şeker verimi (%)( ) (1: Ön işlem görmemiş, 2:alkali ön işlem görmüş)
ŞEKER VERİMİ(%) SELLOBİYAZ (β- GLUKOSİDAZ) IN ÖN İŞLEM GÖRMÜŞ MISIR KOÇANLARININ ENZİMATİK HİDROLİZ VERİMİNE OLAN ETKİSİ 40 35 30 d 25 20 c b 15 10 a 5 0 1 2 Şekil 2: Alkali ön işlem görmüş mısır koçanlarının glikoz verimi (%) toplam indirgen şeker verimi (%) değerleri ( ) (1: sellobiyaz olamadan, 2: sellobiyaz eklenerek). ve
ŞEKER VERİMİ(%) MISIR KOÇANLARININ ENZİMATİK HİDROLİZİNDE SELÜLAZ MİKTARININ ETKİSİ 45 40 35 b b b b 30 25 20 a a a a 15 10 5 0 1 2 3 4 Şekil 3: Sabit miktarda sellobiyaz(200ul) ve farklı miktarda selülaz kullanarak hidroliz edilen ön işlem görmüş mısır koçanlarının Glucose verimi (%) ( ) ve toplam indirgen şeker verimi (%) değerleri ( ) of alkali pretreated corn cobs (1: 600 ul selülaz, 2: 300 ul selülaz, 3: 200 ul selülaz, 4:150 ul selülaz
2.BÖLÜM:DÜŞÜK LİGNİN İÇERİĞİNE SAHİP OLAN BİYOKÜTLELERİN ENZİMATİK HİDROLİZİ
ŞEKER KONSANTRASYONU(G/L)) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 d g Portakal Kabuklarının Hidrolizinde Farklı Konsantrasyonda Pektinaz ve Selülaz Enzimlerinin Etkisi c d f g e f g e f g e f g b c d b c d a b c 1 2 3 4 5 6 7 8 Şekil 4: Farklı miktarda pektinaz ve selülaz kullanarak hidroliz edilen portakal kabuklarının glikoz dönüşümü (%) ( ) ve toplam indirgen şeker dönüşümü(%) değerleri ( ) a b e f a e a e 1 0.25 g selülaz 2 0.25 g selülaz+ 250 ul pektinaz 3 0.25 g selülaz+500 ul pektinaz 4 0.25 g selülaz+1000 ul pektinaz 5 0.5 g selülaz 6 0.5 g selülaz+250 ul pektinaz 7 0.5 g selülaz+500 ul pektinaz 8 0.5 g selülaz+ 100 ul pektinaz Selülaz:ASA Biogazymex2
ŞEKER KONSANTRASYONU(G/Ll) Limonen Uzaklaştırılmasında Kullanılan Kaynar Su Ekstraksiyon Metodunun Portakal Kabuklarının Enzimatik Hidrolizine Etkisi 80 70 60 a a 50 40 30 20 10 0 b 1 2 b Şekil 5: Kontrol (limonen ön işlemi olmadan) ve kaynar su ekstraksiyonu görmüş portakal kabuklarının glikoz dönüşümü (%) ( ) ve toplam indirgen şeker dönüşümü(%) değerleri ( )
ŞEKER KONSANTRASYONU(G/L) Nar Kabuklarının Hidrolizinde Farklı Konsantrasyonda Pektinaz ve Selülaz Enzimlerinin Etkisi 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 d j c h i j d i j c g h d 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Şekil 6: Farklı miktarda pektinaz ve selülaz kullanarak hidroliz edilen nar kabuklarının glikoz dönüşümü (%) ( ) ve i j c f g g h i toplam indirgen şeker dönüşümü(%) değerleri ( ) d b e c e f a e 1 0.03 g selülaz 2 0.03 g selülaz+ 250 ul pektinnaz 3 0.06 g selülaz 4 0.06 g selülaz+250 ul pektinaz 5 0.12 g selülaz 6 0.12 g selülaz +250 ul pektinaz 7 0.25 g selülaz 8 0.25 g selülaz+ 250 ul pektinaz 9 0.5 g selülaz 10 0.5 g selülaz+ 250 ul pektinaz Selülaz:ASA Biogazymex2
SONUÇLAR
Hidroliz sonucunda alkali ön işlem görmüş mısır koçanlarının glikoz veriminin %7 den %22 ye, toplam indirgen şeker veriminin ise %14 den %34 e yükseldiği gözlenmiştir Hidrolizatlara sellobiyaz eklendiğinde ise glikoz veriminin %11 den %20 ye, toplam indirgen şeker veriminin ise %21 den %34 e yükseldiği görülmüştür. Portakal kabukları için 0.25 gram ve 0.5 gram selülolitik enzim kullanıldığında sırasıyla %13 ve %31 glikoz dönüşümü, %40 ve %59 toplam indirgen şeker dönüşümü elde edilmiştir.
Pektinaz miktarı artırıldığında glikoz ve toplam indirgen şeker veriminin de arttığı görülmüştür. Portakal kabuklarında enzimatik hidroliz öncesi limoneni uzaklaştırmak için ekstraksiyonunun uygulanması şeker verimini etkilememiştir. Nar kabuklarının hidrolizi için ise 0.03 gram selülolitik enzim kullanıldığında, glikoz dönüşümü %12, toplam indirgen şeker dönüşümü ise %20 olarak bulunmuştur. 0.03 gram selülotik enzimle beraber 250 ul pektinaz kullanıldığında ise glikoz dönüşümünün %18 e, toplam indirgen şeker dönüşümünün ise %24 e çıktığı gözlenmiştir.
Mısır koçanlarının hidrolizi için selülaz ve sellobiyaz enzimlerinin sinerjistik etkisi gerekli iken meye kabuklarının hidrolizinde selülaz,sellobiyaz ve pektinaz enzimlerinin sinerjistik etkilerinin gerekli olduğu sonucuna ulaşılmıştır.
KAYNAKÇA Abdel-Rahman, M.A., Tashiro, Y., Sonomoto, K., 2010. Lactic acid production from lignocellulosederived sugars using lactic acid bacteria: Overview and limits. J. Biotechnol. 156, 286 301. doi:10.1016/j.jbiotec.2011.06.017 Alaa, I. 2013. Utilization of pomegranate waste in the production of Pan bread. Master's thesis, Zagazig University, Egypt. Retrieved from http://www.publications.zu.edu.eg/pages/pubshow.aspx?id=9371&pubid=19 Aslan, Y., Tanriseven, A., 2007. Immobilization of Pectinex Ultra SP-L to produce galactooligosaccharides. J. Mol. Catal. B Enzym. 45, 73 77. doi:10.1016/j.molcatb.2006.12.005 Bahçegül E., 2013. Effect of biomass pretreatment conditions on the glucose and biodegradable film production from lignocellulosic wates. Doctoral thesis, Middle East Technical University,Ankara,Turkey. Bahcegul, E., Akinalan, B., Toraman, H.E., Erdemir, D., Ozkan, N., Bakir, U., 2013. Extrusion of xylans extracted from corn cobs into biodegradable polymeric materials. Bioresour. Technol. 149, 582 585. doi:10.1016/j.biortech.2013.09.097 Bahcegul, E., Tatli, E., Haykir, N.I., Apaydin, S., Bakir, U., 2011. Selecting the right blood glucose monitor for the determination of glucose during the enzymatic hydrolysis of corncob pretreated with different methods. Bioresour. Technol. 102, 9646 9652. doi:10.1016/j.biortech.2011.07.116
TEŞEKKÜRLER