Geri Dön

Investigating the valorisation potential of hazelnut by-products: Transforming waste into functional food ingredients

Fındık yan ürünlerinin potansiyel katma değerinin incelenmesi: Atık konumundan fonksiyonel gıda bileşenine dönüşüm

PDF İndir

  1. Tez No: 791902
  2. Yazar: FATMA DUYGU CEYLAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ESRA ÇAPANOĞLU GÜVEN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Gıda Mühendisliği, Food Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Fındık, dünya çapında en çok tüketilen kuruyemişlerden biridir. Fındığın besin değeri de göz önüne alındığı için, piyasada çok çeşitli fındık bazlı gıda ürünleri mevcuttur. Bununla birlikte, fındığın işlenmesi çok sayıda yan ürün ve atık oluşturmaktadır. Fındık endüstrisinin en değerli yan ürünleri kabuk, zar ve küspedir. Bu yan ürünler, biyoaktif bileşikler, protein, diyet lifi, tekli ve çoklu doymamış yağ asitleri, vitaminler, mineraller, fitosteroller ve skualen açısından zengindir. Fındık yan ürünlerinin mevcut kullanımı, fındık küspesi ve zarının hayvan yemi takviyesi, kabuklar için ise düşük değerli bir ısı kaynağı olarak kullanımı ile sınırlıdır. Bununla birlikte, bu yan ürünlerin bertaraf edilmesi veya düşük değerli bir ısı kaynağı veya hayvan yemi takviyesi olarak kullanılması, besin bileşenleri açısından zengin bir doğal kaynağın önemli ölçüde israfına neden olmaktadır. Sonuç olarak, fındık yan ürünlerinin gıda, eczacılık ve kozmetik gibi farklı alanlarda biyoaktif bileşenler olarak değerlendirilmesi bilim adamları, üreticiler ve tüketiciler arasında ilgi uyandırmaktadır. Bu tez çalışması yukarıdaki bilgiler ışığında, fındık yan ürünlerinin katma değer kazanma potansiyelini araştırılması üzerine kurgulanmıştır. Bu doktora tezinin amaçları sırasıyla (i) fındık küspesine katma değer kazandırmak ve fındık posasından elde edilen protein hidrolizatlarının potansiyel anti-obezite ve antioksidan aktivitelerininin araştırması; (ii) Alkalaz ve Nötraz enzimleri kullanılarak hidroliz stratejisinin (tek veya kombine hidroliz) yanı sıra mikroakışkanlaştırma ön işleminin antioksidan ve anti-obezite aktiviteleri ve protein izolatları ile hidrolizatların fonksiyonel özellikleri üzerindeki etkisini araştırmak; (iii) Fenolik bileşikleri uzaklaştırılmış fındık küspesi protein izolatlarından (dHPI) ve fındık zarı fenolik ekstraktlarından (HSE) protein-polifenol kompleksinin oluşumunun incelenmesi; (iv) protein-polifenol kompleksi oluşumu sonrası fındık proteinlerinin ve polifenollerin biyoerişilebilirliğininin izlenmesi. Bu amaçlar doğrultusunda iki farklı araştırma çalışması (Bölüm 3-4) yapılmıştır. İlk olarak, Alcalase ve Neutrase enzimleri ile elde edilen fındık protein hidrolizatlarının temel olarak fizikokimyasal özellikleri, potansiyel anti-obezite etkileri, antioksidan kapasiteleri ve emülsifiye edici özellikleri incelenmiştir (Bölüm 3). Sonrasında defenolize fındık küspesi protein izolatlarından (dHPI) ve fındık zarı fenolik ekstraktlarından (HSE) oluşan protein-polifenol kompleksleri ve bunların biyoerişilebilirlik üzerindeki etkileri araştırılmıştır (Bölüm 4). İlk bölümde bu doktora tezinin araştırma çerçevesi ve hedefleri tanıtılmıştır. Ardından, ikinci bölümde, başlıca fındık yan ürünleri, bu değerli kaynakların yeni uygulamalarına ilham vermek ve potansiyellerinden tam olarak yararlanmak için kimyasal bileşimlerine odaklanılarak mevcut bilimsel bilgilere genel bir bakış açısı oluşturulmuştur. Ardından, ikinci bölümde, başlıca fındık yan ürünleri ve bunların değerlendirilmesi hakkında mevcut bilimsel bilgilere genel bir bakış, bu değerli kaynakların yeni uygulamalarına ilham vermek ve potansiyellerinden tam olarak yararlanmak için kimyasal bileşimlerine odaklanılarak bahsedilmiştir. Üçüncü bölümde, Alkalaz ve Nötraz enzimleri kullanılarak tek veya kombine hidroliz ile elde edilen fındık küspesi protein hidrolizatlarının temel olarak fizikokimyasal özellikleri (SDS‒PAGE, parçacık boyutu dağılımı, Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR), moleküler ağırlık dağılımı vb.) ve potansiyel anti-obezite etkisi, antioksidan aktivite (DPPH ve ABTS yöntemleri) ve emülsifiye edici özellikleri karakterize edilmiştir. Ayrıca bu özelliklerin üzerine mikroakışkanlaştırma ön işleminin etkisi de araştırılmıştır. Alkalaz'ın Nötraz ile kombinasyonu, boyut dışlama kromatografisi (SEC) ve SDS-PAGE sonuçları ile belirtilmek üzere, en yüksek miktarda düşük moleküler ağırlıklı peptidlere sahip hidrolizatlarla sonuçlanan fındık protein izolatında en yüksek hidroliz derecesine (DH) (%15,57) sahip olduğu rapor edilmiştir. Hidroliz derecesi ile pankreatik lipaz tarafından serbest yağ asitleri salınımının inhibisyonu arasında pozitif bir korelasyon vardır ve ardından Alkalaz hidrolizi ile birlikte mikroakışkanlaştırmanın önemli bir pozitif etkisi olduğu görülmüştür. Mikroakışkanlaştırma, protein izolatlarının ve hidrolizatların emülsiyon aktivite indeksini (EAI) artırmıştır. Nötraz ile elde edilen düşük hidroliz derecesinin EAI üzerinde en iyi etkiye sahip olduğu görülürken (84,32 (NH) ve 88,04 m2/g (MFNH)), emülsiyon stabilite indeksi (ESI) ile DH arasında negatif bir korelasyon gözlenmiştir. Yine, kombine Alkalaz-Nötraz hidrolizatları en yüksek radikal yakalama aktivitelerini göstermiştir (96.63 ± %1.06 DPPH ve %98.31 ± %0.46 ABTS). FTIR sonuçları, mikroakışkanlaştırma ön uygulamasının protein yapısının açılmasına neden olduğunu göstermiştir. Alkalaz ve Nötraz enzimlerinin bireysel veya kombine uygulaması, proteinlerin β-tabaka organizasyonundan α-heliks yapılarına geçişe neden olmuştur. Bu çalışma ile, fındık küspesinin iyi bir biyoaktif ve fonksiyonel peptit kaynağı olabileceği ve mikroakışkanlaştırma gibi uygun bir ön işlemle birlikte enzimatik hidrolizasyonun kontrolünün, en iyi biyoaktiviteyi elde etmek için çok önemli olabileceği sonuçlarına varılmıştır. Dördüncü bölümde, defenolize fındık küspesi protein izolatlarından (dHPI) ve fındık zarı fenolik ekstraktlarından (HSE) protein-polifenol kompleksinin oluşumu ve hem fındık proteinlerinin hem de polifenollerin biyoerişilebilirliği üzerindeki etkisi incelenmiştir. dHPI+HSE komplekslerinin boyutları dikkate değer büyüklükte olduğu görülmüş ve agregasyonun meydana gelmesi nedeniyle HSE konsantrasyonuna bağlı olduğu rapor edilmiştir. Kateşin, HSE'nin ana bileşeni olmasına rağmen, partikül boyutunda hafif bir artış dışında agregasyona neden olmamıştır. Floresan söndürme sonuçlarına göre, fındık proteini-fenolik ekstrakt kompleksi, 0-0.5 mM konsantrasyonları arasında statik söndürmeyi ifade eden doğrusal bir Stern-Volmer grafiğine sahiptir, etkileşim, esas olarak hidrojen bağına ve van der Waals kuvvetlerine (ΔH<0 ve ΔS<) bağlıdır ve reaksiyon kendiliğinden olmuştur (ΔG<0). FTIR sonuçlarına göre, yüksek fenolik ekstrakt konsantrasyonu fındık proteininde düzensiz yapılarda artışa neden olurken, en düşük fenolik konsantrasyon ve kateşin düzenli yapıyı değiştirmiştir. Fındık zarı ekstraktları, defenolize proteinlerin sindirilebilirliğini değiştirmemiştir, ancak defenolizasyon, pankreatin hidrolizi derecesini azaltmıştır. Protein-polifenol kompleksinin oluşumu, fındık zarı polifenollerinin biyolojik olarak erişilebilirliği göz önüne alındığında, ağırlıklı olarak gallokateşin gallat ve epigallokateşin galat gibi kateşinlerin gallatlanmış formu üzerinde yararlı bir etkiye sahip olduğu görülmüştür. Son bölüm, önceki bölümlerde elde edilen veriler dikkate alınarak, genel tartışmalar ve sonuçların yanı sıra fındık yan ürünlerinin değerlendirilmesine ilişkin gelecekteki araştırmalar için tavsiyeler sunmaktadır. Fındık yağı endüstrisinin bir yan ürünü olan fındık küspesi, potansiyel anti-obezite ve antioksidan özelliklerine vurgu yapılarak biyoaktif peptit kaynağı olarak değerlendirilmiştir. İlk olarak, fındık küspesi protein izolatları, hidrolizasyon ve fonksiyonel özelliklerini iyileştirmek için mikro-akışkanlaştırma işlemine tabi tutulmuştur. Daha sonra, protein hidrolizatlarını hazırlamak için Nötraz ve Alkalaz ile kpmbine veya bireysel hidroliz gerçekleştirilmiştir. Alkalaz ve Nötraz hidroliz kombinasyonu ile, en yüksek hidroliz derecesine, pankreatik lipaz tarafından serbest yağ asidi salınımı önleme ve serbest radikal süpürme kapasitesine ulaşılmıştır. Anti-obezite ve antioksidan özellikleri göz önüne alındığında, fındık protein hidrolizatları, fonksiyonel gıda bileşeni olma potansiyele sahiptir. Bu nedenle, amaçlanan uygulamaya bağlı olarak protein işleme sürecini (ön işlem, hidroliz derecesi, vb.) anlamak önemlidir. Protein-polifenol etkileşimleri, fındık kabuğu polifenollerinin, özellikle de gallokateşin gallat (GCG) ve epigallokateşin gallat (EGCG) gibi kateşinlerin gallatlı formlarının biyoerişilebilirliklerini iyileştirmiştir. Son yıllarda araştırmacılar, doğal kaynaklardan izole edilen polifenolik bileşikler ve bitki bazlı proteinler üzerinde yoğunlaşmışlardır. Ancak, protein-fenolik etkileşimlerin polifenol biyoerişilebilirliğini olumlu veya olumsuz etkileyip etkilemediği konusunda fikir birliği yoktur. Sonuç olarak, bu konuda daha fazla araştırma yapılması ve literatürde rapor edilmesi gerekmektedir.

Özet (Çeviri)

Hazelnuts are one of the most widely consumed nuts around the world. Considering the nutritional value of hazelnuts, a wide range of hazelnut-based food products are available in the market. Nevertheless, the processing of hazelnuts generates a large number of by-products and waste. The most valuable by-products of the hazelnut industry are shell, skin, and meal. These by-products are rich in bioactive compounds, protein, dietary fibre, mono- and polyunsaturated fatty acids, vitamins, minerals, phytosterols, and squalene. The current utilisation of hazelnut by-products is mostly limited to animal feed supplementation of hazelnut meal and skin and use as a low-value heat source for the shells. However, disposing of these by-products or using them as a low-value heat source or animal feed supplementation results in significant waste of a natural resource rich in nutritional components. Consequently, valorising hazelnut by-products as bioactive ingredients in diverse fields such as food, pharmaceutics and cosmetics has stimulated interest among scientists, producers, and consumers. In light of the above, a research strategy to investigate the valorisation potential of hazelnut by-products has been developed. The objectives of this Ph.D. dissertation were (i) to valorise hazelnut meal and explore the potential anti-obesity and antioxidant activities of its protein hydrolysates; (ii) to investigate the effect of the hydrolysis strategy (single or sequential hydrolysis) using Alcalase and Neutrase, as well as the application of microfluidization pretreatment on these activities and the functional properties of the protein isolates and hydrolysates; (iii) to examine the formation of the protein-polyphenol complex from dephenolised hazelnut meal protein isolates (dHPI) and hazelnut skin phenolic extracts (HSE); (iv) to monitor the bioaccessibility of hazelnut proteins and polyphenols after protein-polyphenol complexation. Two different research studies (Chapters 3-4) were conducted in line with these purposes. Firstly, hydrolysates of hazelnut proteins obtained with Alcalase and Neutrase were mainly examined for their physicochemical properties, potential anti-obesity effects, antioxidant capacities, and emulsifying properties (Chapter 3). Later on, protein-polyphenol complexes formed from dephenolised hazelnut meal protein isolates (dHPI) and hazelnut skin phenolic extracts (HSE) were investigated as well as their effects on bioaccessibility (Chapter 4). The background and objectives of this Ph.D. dissertation are introduced in the first chapter. Following that, an overview of current scientific knowledge about the main and most valuable hazelnut by-products and their actual valorisation, focusing on their chemical composition to inspire new applications of these valuable resources and fully exploit their potential, has been reviewed in the second part. In the third part, hazelnut meal protein hydrolysates obtained by a single or combined hydrolysis by Alcalase and Neutrase were mainly characterised for their physicochemical properties (SDS‒PAGE, particle size distribution, Fourier transform infrared, molecular weight distribution, etc.) and potential anti-obesity effect (FFA release inhibition), antioxidant activity (DPPH and ABTS methods), and emulsifying properties. The impact of microfluidization pretreatment was also investigated. The combination of Alcalase with Neutrase permitted the highest degree of hydrolysis (DH) (15.57%) of hazelnut protein isolate, which resulted in hydrolysates with the highest amount of low molecular weight peptides, as indicated by size exclusion chromatography (SEC) and SDS‒PAGE. There was a positive correlation between the degree of hydrolysis and the inhibition of FFA release by pancreatic lipase, with a significant positive effect of microfluidization when followed by Alcalase hydrolysis. Microfluidization enhanced the emulsifying activity index (EAI) of protein isolates and hydrolysates. Low hydrolysis by Neutrase had the best effect on the EAI (84.32 (NH) and 88.04 m2/g (MFNH)), while a negative correlation between the emulsifying stability index (ESI) and the DH was observed. Again, the combined Alcalase-Neutrase hydrolysates displayed the highest radical scavenging activities (96.63% DPPH and 98.31% ABTS). FTIR results showed that the application of microfluidization caused the unfolding of the protein structure. The individual or combined application of the Alcalase and Neutrase enzymes caused a switch from the β-sheet organization of the proteins to α-helix structures. In conclusion, hazelnut meal may be a good source of bioactive and functional peptides. The control of its enzymatic hydrolysis, together with an appropriate pretreatment such as microfluidization, may be crucial to achieve the best suitable activity. In the fourth part, the formation of the protein-polyphenol complex from dephenolised hazelnut meal protein isolates (dHPI) and hazelnut skin phenolic extracts (HSE), as well as its effect on the bioaccessibility of both hazelnut proteins and polyphenols, were investigated. The dHPI+HSE complexes were of considerable size and dependent on HSE concentration due to the occurrence of aggregation. Although catechin was the main component of HSE, it did not cause aggregation, except for a slight rise in particle size. According to fluorescence quenching, the hazelnut protein-phenolic extract complex had a linear Stern-Volmer plot expressing static quenching between 0-0.5 mM concentrations, and the interaction was mainly dependent on hydrogen bonding and van der Waals forces (ΔH<0 and ΔS<0) and the reaction was spontaneous (ΔG<0). According to Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy results, higher phenolic extract concentration caused an increase in irregular structures in hazelnut protein, while the lowest phenolic concentration and catechin altered the regular structure. Skin extracts did not alter the digestibility of dephenolised proteins, but dephenolisation reduced the degree of hydrolysis by pancreatin. The formation of the protein-polyphenol complex had a beneficial effect on the bioaccessibility of hazelnut skin polyphenols predominantly on the gallolated form of the catechins such as gallocatechin gallate and epigallocatechin gallate. The final part presents the general discussions and conclusions, as well as future perspectives on the valorisation of hazelnut by-products, based on the findings of the previous chapters. A by-product of the hazelnut oil industry, hazelnut meal, was valorised as a source of bioactive peptides with an emphasis on their potential anti-obesity and antioxidant properties. First, hazelnut meal protein isolates were treated with microfluidization to improve their hydrolysis and functional properties. Then, sequential or individual hydrolysis by Neutrase and Alcalase was performed to prepare the protein hydrolysates. Finally, by combining Alcalase and Neutrase hydrolysis, we achieved the highest degrees of hydrolysis (DH), inhibiting FFA release by pancreatic lipase and scavenging free radicals. Regarding anti-obesity and antioxidant properties, hazelnut protein hydrolysates have the potential as functional food ingredients. Therefore, it is important to understand the process for protein processing (pretreatment, degree of hydrolysis, etc.) based on its intended application. Protein-polyphenol interactions improved the bioavailability of hazelnut skin polyphenols, particularly the gallolated form of catechins like gallocatechin gallate (GCG) and epigallocatechin gallate (EGCG). In recent years, researchers have focused on polyphenolic compounds and plant-based proteins isolated from natural sources. It is essential in vegan formulations such as foam-like products (mousse) or emulsions (mayonnaise), where the functional properties of proteins are crucial. Additionally, there is no consensus on whether protein-phenolic interactions affect polyphenol bioavailability positively or negatively. Consequently, more research needs to be conducted on this subject and reported in the literature.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    465407

    Optimization of Production Parameters for Single Cell Oil and Metabolite Production from Yarrowia lipolytica Strains

    Yarrowia lipolytica Suşlarından Tek Hücre Yağı ve Metabolit Üretim Parametrelerinin Optimizasyonu

    AYŞE SAYGÜN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NEŞE ŞAHİN YEŞİLÇUBUK

    PROF. DR. NECLA ARAN

  2. Tez No

    877027

    Tavuk gübresi işleyen bir biyogaz tesisinin katı fermente ürününden üretilen biyopeletlerin biyoyakıt ve aktif karbon olarak kullanım potansiyelinin araştırılması

    Investigating the potential of utilizing biogas solid digestate pellets of a biogas plant operating on chicken manure as solid biofuels and activated carbon

    MEHMET SOLAK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    ZiraatIsparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi

    Tarım Makineleri ve Teknolojileri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KAMİL EKİNCİ

  3. Tez No

    439690

    Valorization of functional protein from a plant based food waste: Sour cherry kernel, and its physicochemical characteristics

    Bir bitkisel gıda atığı olarak vişne çekirdeğinden elde edilen proteinlerin fizikokimyasal ve fonksiyonel özelliklerinin belirlenmesi

    HATİCE SAADİYE ERYILMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK

    DR. ASLI CAN KARAÇA

  4. Tez No

    663913

    Improving the bioaccessibility of tomato pomace bioactives by excipient emulsion in bread and tomato sauce samples

    Ekmek ve domates sosuna eklenen domates posasındaki biyoaktiflerin biyoerişilebilirliğinin eksipiyan emülsiyon ile arttırılması

    ELİFSU NEMLİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ESRA ÇAPANOĞLU GÜVEN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MERVE TOMAŞ

  5. Tez No

    106280

    Benzin istasyonlarında ve araçlarda benzin buharlarının hava kirlenmesine etkisi ve alınması gereken önlemler

    The Effects of gasoline vapor emissions at gasoline stations and motor vehicles to air pollution and preventive measures

    ŞULE BEKTAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2001

    Çevre MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ÖZTÜRK

Geri Dön