PAMUK SAPLARINDAN ANTİOKSİDAN VE KSİLİTOL ÜRETİMİ Burcu SAPCI Yüksek Lisans Tezi Gıda Mühendisliği Anabilim Dalı
Doç. Dr. Özlem AKPINAR 2012
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ GIDA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
YÜKSEK LİSANS TEZİ
PAMUK SAPLARINDAN ANTİOKSİDAN VE
KSİLİTOL ÜRETİMİ
BURCU SAPCI
TOKAT 2012
Tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu tezin yazılmasında bilimsel ahlak kurallarına uyulduğunu, başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunulduğunu, tezin içerdiği yenilik ve sonuçların başka bir yerden alınmadığını, kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapılmadığını, tezin herhangi bir kısmının bu üniversite veya başka bir üniversitedeki başka bir tez çalışması olarak sunulmadığını beyan ederim.
i
Yüksek Lisans Tezi
PAMUK SAPLARINDAN ANTİOKSİDAN VE KSİLİTOL ÜRETİMİ Burcu SAPCI
Gaziosmanpaşa Üniversitesi Fen Bilimler Enstitüsü Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı Danışman: Doç. Dr. Özlem AKPINAR
Lignoselülozik materyaller yenilenebilir doğal kaynaklar olması sebebiyle oldukça önemli bir hammaddedir. Lignoselülozik bir atık olan pamuk sapı içerdiği ksiloz ve fenolik bileşiklerden dolayı ksilitol ve antioksidan maddeler gibi katma değeri yüksek ürünlerin üretiminde hammadde olarak kullanılabilir. Bu çalışmada öncelikle pamuk sapları seyreltik asitle muamele edilerek ksiloz üretilmiştir ve bu esnada hidrolizasyon esnasında ligninin parçalanması ile ortaya çıkan fenolik bileşiklerin antioksidan aktivitelerini incelenmiştir. Hidrolizasyon sonucunda toplam fenolik madde miktarı 1209,43 mg/l GAE olarak bulunmuştur. Daha sonra üretilen ksiloz biyoteknolojik yöntem ile Candida tropicallis kullanılarak ksilitole fermente edilmiştir ve fermantasyon şartları optimize edilmiştir. Optimizasyonda Cevap Yüzey Yöntemi kullanılmıştır. Ksilitol üretimi üzerine (6-20 g/l) ksiloz konsantrasyonu, (0,5-1,5 g/l) maya konsantrasyonu, (0,5-1,5 vvm) oksijen miktarının etkileri incelenmiştir. Optimum koşullar olarak bulunan 10,41 g/l ksiloz, 0,99 g/l maya hücresi konsantrasyonunda ve 1,02 vvm’de yapılan fermantasyon denemelerinde, ksilitol verimi %36 ve volumetrik ksilitol üretim hızı ise 0,06 g/l-sa olarak bulunmuştur. Toplam fenolik madde miktarının ise optimum koşullardaki fermantasyon sonucunda 3,91 mg/l GAE olduğu belirlenmiştir.
2012,81 sayfa
ii
PRODUCTION OF XYLITOL AND ANTIOKSIDANT FROM COTTON STALK Burcu SAPCI
Gaziosmanpaşa University
Graduate Scholl of Natural and Applied Sciences Depatment of Food Engineering
Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Özlem AKPINAR
Lignocellulosic materials are very important source as they are renewable natural sources. Due to the high xylose and phenolic content of cotton stalks, these wastes can be used for the production of high added value materials such as xylitol and antioksidant compounds. In this study, firstly, cotton stalk was converted to xylose with dilute acid treatment and in the meantime antioxidant activities of phenolic compounds, generated from lignin, were determined. At the end of the hydrolysation, the amount of total phenolics was found as 1209,43 mg/l GAE. Afterward, xylose was fermented to xylitol through biotechnological methods by using the Candida tropicalis and the fermentation conditions were optimized. Response Surface Methodology was used for optimization process. The effects of xylose concentration (6-20 g/l), amount of yeast (0,5-1,5 g/l) and oxygen (0,5-1,5 vvm) were investigated for the production of xylitol. The optimum xylose, yeast concentration and air flow rate for cotton stalk hydrolysate were found as 10,41 g/l, 0,99 g/l, 1,02 vvm, respectively and under these conditions xylitol yield and volumetric xylitol production rate were obtained as 36% and 0,06 g/l-sa, respectively. At the end of the fermantation, done under optimum conditions, the amount of total phenolics was found as 3,91 mg/l GAE.
2012,81 pages
iii
Araştırmanın planlanmasında ve yürütülmesinde emeği olan ve çalışmanın her aşamasında desteğini ve ilgisini hiç esirgemeyen danışman Hocam Doç. Dr. Özlem AKPINAR’a, yüksek lisans arkadaşlarım R.Selin UYSAL’a, Serdal SABANCI’ya ve Gülsen USAL’a, tezimi okuyup değerlendirdikleri için değerli jüri üyelerime, her zaman yanımda olup bana destek veren değerli aileme ve özellikle Zerrin DABAK ve Ahsen DİNÇER olmak üzere tüm arkadaşlarıma sonsuz teşekkür ederim. Çalışmamızı destekleyen Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumuna (TUBİTAK) teşekkürlerimi sunarım.
Burcu SAPCI
iv ÖZET... i ABSTRACT... ÖNSÖZ………... ii iii İÇİNDEKİLER... iv SİMGELER ve KISALTMA DİZİNİ... vi ŞEKİLLER DİZİNİ... vii ÇİZELGE DİZİNİ... viii 1. GİRİŞ... 1 2. KAYNAK ÖZETLERİ... 4 2.1. Tarımsal Atıklar... 4 2.2. Lignoselülozik Maddeler... 6 2.2.1. Selüloz... 7 2.2.2. Hemiselüloz... 8
2.2.2.1. Hemiselülozlara Uygulanan Ön İşlemler... 10
2.2.2.2. Hemiselülozların Kullanım Alanları... 11
2.2.3. Lignin... 13
2.3. Ksilitol ………... 16
2.3.1. Ksilitolün Özellikleri………....………... 17
2.3.2. Ksilitolün Sağlık Açısından Önemi………... 19
2.3.3. Ksilitolün Kullanım Alanları... 20
2.3.4. Ksilitol Üretimi... 21
2.4. Fenolik Bileşikler ………...………... 24
2.4.1. Lignoselulozik Materyallerden Fenolik Bileşiklerin Üretimi ve Saflaştırılma Yöntemleri……….………... 24
2.4.2. Fenolik Bileşiklerin Antioksidan Özellikleri ve Sağlık Üzerine Etkileri... 27
3. MATERYAL VE YÖNTEM 30 3.1. Materyal………... 30
3.2. Yöntem………... 30
3.2.1. Pamuk Saplarından Ksiloz Üretimi………... 30
3.2.2. Ksilozun Fermantasyon İçin Hazırlanması……… 30
3.2.3. Fermantasyon………... 31
3.2.4. Hücre Ağırlığının Belirlenmesi………... 32
3.2.5. Fermantasyon Koşullarının Optimizasyonu………... 32
3.2.6. Deneysel Tasarım ve Cevap Yüzey Metodu (Response Surface Methodology RSM)………... 32
3.2.7. Antioksidan Tayini………... 34
3.2.7.1. Troloks Eşdeğeri Antioksidan Kapasitesi (TEAC)………... 34
3.2.7.2. Demir (III) İndirgeme Antioksidan Gücü (FRAP)………... 34
3.2.7.3. Toplam Fenolik Madde Tayini………... 34
3.2.7.4. Ferulik Asit Tayini………... 35
3.2.8. İndirgen Şeker………... 35
3.2.9. İnce Tabaka Kromatografisi ile Fermantasyon Ürünlerinin Kalitatif Tayini……….. 36
3.2.10. Yüksek Basınçlı Sıvı Kromatografisi ile Hidrolizasyon ve Fermantasyon Ürünlerinin Kantitatif Tayini……….. 36
v
4.1. Pamuk Sapının Kompozisyonu………... 37
4.2. Pamuk Sapının Hidrolizasyonu………... 38
4.3. Üretilen Ksilozun Fermantasyon İçin Hazırlanması………... 40
4.4. Hidrolizatın Antioksidan Kapasitesi………..……….…….. 4.5. Elde Edilen Ksilozdan Ksilitol Üretimi………... 41 43 4.5.1. Fermantasyon………... 43
4.5.2. Fermantasyon ortamında meydana gelen değişimler………... 47
4.6. İstatiksiksel Modelleme………... 51 4.7. Optimizasyon………... 57 5. SONUÇ………... 63 KAYNAKLAR………... 65 EKLER……… EK.1………. EK.2………. EK.3………. EK.4………. EK.5………. EK.6………. ÖZGEÇMİŞ ………..………... 74 75 76 77 78 79 80 81
vi Simgeler Açıklamalar ˚ Derece g Gram cal Kalori J Joule l Litre M Molar mol Mol sa Saat
vvm Volumetrik hava akış hızı
Kısaltmalar Açıklama
AGK Arabinoglukoronoksilan
AK Arabinoksilan
CCD Merkezi bileşik tasarım
DNS Dinitrosalisilik asit
DO Çözünür oksijen miktarı
FA Ferulik asit
GAE Gallik asit eşdeğeri GAK Glukurono arabinoksilan GK Glukuronoksilan HMF Hidroksimetilfurfural KDH Ksiloz dehidrogenaz KR Ksiloz reduktaz MGK 4-O-metil-D-glukurono-D-ksilan PS Pamuk sapı
RSM Cevap yüzey yöntemi
TE Troloks eşdeğeri
vii
Şekil 2.1. Selülozun kimyasal yapısı………... Şekil 2.2. Değişik kaynaklardan elde edilen hemiselülozların yapısı. A: O-asetil-4-O metilglikoronoksilan (sert odunsu bitkiler); B: Arabinoksilan (buğday kepeği); C:Arobinoksilan (çimen); D: Arabino-4-O metilglukuronoksilan (yumuşak odunsu
bitkiler)………... 10
Şekil 2.3. Lignoselülozik materyallerin parçalanması ve ksilitolün üretim aşamaları……….……….... 12
Şekil 2.4. p-kumaril alkol, koniferil alkol ve sinapil alkolün kimyasal yapısı...……….………... 14
Şekil 2.5. Ligninin yapısı……… 16
Şekil 2.6. Ksilitolün kimyasal yapısı………... 17
Şekil 2.7. Ksilitolün kimyasal üretiminin genel prensibi……… 22
Şekil 2.8. Mayalarda ksiloz metabolizmasının şematik gösterimi……….. 23
Şekil 4.1. Pamuk sapı hidrolizatından elde edilen ksilozun farklı koşullarda fermantasyonu sonucu elde edilen ksilitol verimi, volumetrik ksilitol üretim hızı, spesifik ksiloz tüketim hızı, hücre ağırlığındaki artış, fermantasyon esnasındaki üretilen etil alkol miktarı (Sol taraftaki y ekseni ksilitol verimine ve spesifik ksiloz tüketim hızına; sağ taraftaki y ekseni ise volumetrik ksilitol üretim hızı ile hücre ağırlığında ki artışa aittir)……….………... 45
Şekil 4.2. Pamuk sapı hidrolizatının fermantasyonu sırasında, farklı zaman aralıklarındaki fermantasyon ortamındaki değişimler. Ksiloz: 20 g/l; hava: 1,5 vvm; hücre: 0,5 g/l………... 49
Şekil 4.3. Pamuk sapları asit hidrolizatından elde edilen ksilozun C. tropicalis ile ksilitole fermantasyonu. A: Volumetrik hava akış hızı 1 vvm alındığında ksiloz ve maya hücresi konsantrasyonunun ksilitol verimine etkisi; B: Maya hücresi konsantrasyonu 1 g/l alındığında ksiloz ve volumetrik hava akış hızının ksilitol verimine etkisi; C: Ksiloz konsantrasyonu 13 g/l alındığında maya hücresi konsantrasyonu ve volumetrik hava akış hızının ksilitol verimine etkisi……….... 55
Şekil 4.4. Pamuk sapları asit hidrolizatından elde edilen ksilozun C. tropicalis ile ksilitole fermantasyonu. A: Volumetrik hava akış hızı 1 vvm alındığında ksiloz ve maya hücresi konsantrasyonunun volumetrik ksilitol üretim hızına etkisi; B: Maya hücresi konsantrasyonu 1 g/l alındığında ksiloz ve volumetrik hava akış hızının volumetrik ksilitol üretim hızına etkisi; C: Ksiloz konsantrasyonu 13 g/l alındığında maya hücresi konsantrasyonu ve volumetrik hava akış hızının volumetrik ksilitol üretim hızına etkisi………... 56
Şekil 4.5. Pamuk sapı hidrolizatının optimum koşullardaki fermantasyonu. Ksiloz: 10,41 g/l; hava; 1.02 vvm; hücre: 0,99 g/l………... 61
viii
Çizelge 2.1. Türkiye’de üretilen tarımsal atıklar ve miktarları………...
Çizelge 2.2. Lignoselülozik biyokütleye uygulanan ön işlemler………. 11 Çizelge 2.3. Ksilitolün fiziksel ve kimyasal özellikleri………... 18 Çizelge 3.1. Ksilozun ksilitole fermantasyonu esnasında denenen bağımsız
değişkenlerin değerleri……….………... 33 Çizelge 4.1. Pamuk sapının (PS) kuru ağırlık temelinde yüzde olarak kimyasal
kompozisyonu…………...……… 37
Çizelge 4.2. Pamuk saplarının optimum hidrolizasyon koşullarında üretilen
hidrolizatın kompozisyonu………... 39 Çizelge 4.3. Pamuk sapı (PS) hidrolizatına uygulanan işlemler ile furfural
miktarındaki değişim………... 41
Çizelge 4.4. Pamuk sapına uygulanan işlemler ile toplam fenolik madde
miktarlarının gallik asit eşdeğeri (GAE) cinsinden gösterimi…… 42 Çizelge 4.5. Pamuk sapına uygulanan işlemler ile antioksidan kapasitelerinin
troloks eşdeğeri (TE) cinsinden gösterimi……….. 42 Çizelge 4.6. Pamuk sapına uygulanan işlemler ile serbest ve bağlı ferulik asit
miktarlarının (µmol/l) cinsinden gösterimi……… 42 Çizelge 4.7. 1. Deneydeki belirli zaman aralıklarında alınan örneklerin
antioksidan kapasitelerinin troloks eşdeğeri (TE) cinsinden; toplam fenolik madde miktarlarının gallik asit eşdeğeri (GAE); serbest ve bağlı ferulik asit içeriklerinin (µmol/l) cinsinden
gösterimi….……….... 50
Çizelge 4.8. Deneysel tasarım ve pamuk sapları asit hidrolizatından elde edilen ksilozun ksilitole fermantasyonu sonucu elde edilen
değerler………... 52
Çizelge 4.9. Pamuk saplarının asit hidrolizatından elde edilen ksilozun ksilitole fermantasyonu sonucu elde edilen ksilitol verimi ve volumetrik ksilitol üretim hızı için ANOVA
çizelgesi………..……… 53
Çizelge 4.10. Pamuk sapları hidrolizatının ksilitole fermantasyonunun optimizasyonu için kullanılan istatistik programı (Design Expert) tarafından önerilen optimum fermantasyon koşulları……… 57 Çizelge 4.11. Optimizasyon deneyinde belirli zaman aralıklarında alınan
örneklerin antioksidan kapasitelerinin troloks eşdeğeri (TE) cinsinden; toplam fenolik madde miktarlarının gallik asit eşdeğeri (GAE); serbest ve bağlı ferulik asit içeriklerinin (µmol/l) cinsinden gösterimi………..……… 62
1. GİRİŞ
Türkiye’deki 50 milyon ton dan fazla atık, tarımsal ürünlerden oluşmaktadır (Öztürk ve Başçetinçelik, 2006). Elde edilen tarımsal atıklar, çoğunlukla yakılmakta ya da tarlalarda çürümeye bırakılmaktadır. Her ikisinin de çevre ve ekosistem için zararları bulunmaktadır. Günümüzdeki artan çevresel endişeler nedeniyle araştırmacılar bu tip tarımsal atıkların gıda ve gıda dışı amaçlar için kullanımı üzerine odaklanmışlardır (Anonim, 2011). Lignoselülozik doğaya sahip olan pamuk sapları içerdikleri ksilan ve fenolik bileşikler nedeniyle çeşitli kimyasalların ve antioksidan maddelerin üretimi için yenilebilir bir kaynak olarak kullanılabilirler.
Pamuk ekim alanı yönünden Türkiye, Dünya’da yedinci, pamuk lifi üretimi yönünden ise altıncı sırada yer almaktadır. Pamuk, her bir dekara 300–700 kg kuru sap bırakmaktadır ve her yıl ekim alanlarına yenilenebilir olması nedeniyle önemli oranda atık bırakmaktadır. Üretim alanları dikkate alındığında, yaklaşık yılda 2,5 milyon ton pamuk sapı yan ürün olarak elde edilmektedir. Pamuk sapları yakacak olarak kullanılabilmektedir; ancak bu kullanımın uygulaması sınırlıdır ve çok önemli bir ekonomik değeri yoktur. Araştırıcılar pamuk saplarının hasattan hemen sonra ekim alanlarından temizlenmesini önermektedir. Aksi durumda, bazı parazitler bu sapları kışları konukçu olarak kullanmakta ve gelecek yıllardaki üretime hastalık taşımaktadır. Pamuk sapı atıklarının hasat sonrası tarlalardan uzaklaştırılması ve değerlendirilmesi, pamuk hastalık ve zararlarına karşı kültürel mücadele oluşturarak üretim artışını sağlamakta ve kimyasal mücadele için ilaç kullanımını azaltma yönünde etkisi olmaktadır (Anonim, 2011). Ayrıca bu önemli yan ürünün değerlendirilmesi hem çiftçiye ek bir gelir sunar, hem de kırsal alanlarda iş imkanı yaratır.
Lignoselülozik doğaya sahip tarımsal atıklar lignin, hemiselüloz ve selülozdan oluşan kompleks bir yapıya sahiptir. Hücre duvarında hemiselüloz, lignin ve selülozla birleşik halde bulunduğundan; bu yapının birbirinden ayrılıp lignoselülozik materyallerin kullanılabilir hale gelebilmesi için bazı ön işlemler gerekmektedir Lignoselülozik materyallerin hemiselülozik kısmını monosakkaritlere dönüştürmede yaygın olarak seyreltik asit yöntemi kullanılmaktadır. Hemiselülozun en yaygın bileşeni, ksiloz ana zincirinden oluşan bir heteropolisakkarit olan ksilandır. Yapısında barındırdığı
şekerlerden dolayı ksilan, ksiloz ve ksilitol gibi gıda amaçlı çeşitli kimyasalların üretiminde kullanılmaktadır (Saha, 2003).
Ksilitol birçok alanda kullanılabilmesinden insan sağlığı üzerindeki olumlu etkilerinden dolayı günümüzde oldukça önemli ve yararlı bir bileşen haline gelmiş, son yıllarda oldukça ilgi odağı olmuş ve büyüyen bir pazar payına sahip olmuştur. Ksilitol vücuda alındıktan sonra, diğer şekerlere göre daha yavaş emilir ve metabolizması insülinden bağımsız olduğundan sükroz ve glikoza kıyasla kan şekerinde ani artışa neden olmaz (Winkelhausen ve Kuzmanova, 1998). Bu sebeple şeker hastaları için önerilen bir tatlandırıcıdır (Emodi, 1978). Ksilitol aminoasitlerle reaksiyona girmediğinden dolayı damar içi beslenmede (Beutler, 1984) ve lipit metabolizması bozukluklarının tedavisinde de kullanılmaktadır (Aguirre-Zero ve ark., 1993). Araştırmalar ksilitolün, Ca absorpsiyonunu artırarak osteoporoz riskini azaltabileceğini, ayrıca düzenli olarak tüketildiğinde ise obezite riskini azalttığı göstermiştir (Mattila, 1999). Ksilitol içeren sakızların diş çürümelerini önlediği ve çocuklarda kulak enfeksiyonunu azalttığı ispatlanmıştır (Uhari ve ark., 1996).
Lignoselülozik materyallere uygulanan asit ile hidroliziyle aynı zamanda ligninde bulunan β-1-4 alkilaril bağ parçalanarak çözünür fenolik bileşikler oluşmaktadır (Garrote ve ark., 2004, Nabarlatz ve ark., 2007). Lignin, karbon-karbon ve ester bağlarıyla birbirine bağlı fenilpropan ünitelerinden oluşmuş üç boyutlu, hidrofobik bir polimerdir. Lignin polisakkaritleri bir arada tutarak bitkiye yapısal sertliği vermektir ve büyük bir kısmı asitte çözünmezken (klason lignin), küçük bir kısmı asitte çözünebilir (Castro, 1994). Asit hidrolizasyonuyla ligninin çözünen kısmı fenolik bileşikleri oluşturmaktadır. Yan ürün olarak oluşan bu fenolik bileşikler antioksidan aktiviteye sahiptir ve gıda katkı maddesi olarak kullanılabilme özelliği bulunmaktadır (Moure ve ark., 2007). Fenolik bileşikler insan sağlığına yararlı olmaları, antimikrobiyal ve antioksidan etki göstermeleri ve gıdalarda tat, renk ve koku oluşumundaki etkileri gibi birçok açıdan önem taşımaktadır. p-hidroksibenzoik asit, ferulik asit, vanilik asit, siringik asit, kumarik asit, siringaldehit, p-hidroksibenzaldehit ve vanilin en iyi bilinen lignin parçalanma ürünleridir (Garrote ve ark., 2004). Özellikle bu fenolik bileşiklerin arasında, ferulik asit sağlık alanındaki antioksidan, antimikrobiyal ve anti-inflamatuvar
etkileri ve gıda alanındaki tat belirteci ve jel formundaki özelliklerinden dolayı büyük ilgi görmektedir (Barberousse ve ark., 2009).
Pamuk saplarının ksiloz, ksilooligosakkarit, etanol, biyofilm, biyo-yağ ve yonga üretimi gibi birçok alanda değerlendirilmesi ile ilgili çalışmalar yapılmıştır; ancak ksilitol üretimi ve antioksidan özellikleri ile ilgili herhangi bir çalışmaya rastlanmamıştır. Bu çalışmada, öncelikle pamuk sapları seyreltik asit ile hidrolize edilmiş ve hidrolizasyonu sonucu elde edilen ksiloz, glikoz, arabinoz gibi şekerler ve antioksidan aktiviteye sahip diğer parçalanma ürünleri incelenmiştir. Hidrolizasyon sonucu elde edilen ksiloz çözeltisinde ksilozun yanında ksilitol fermantasyonunu olumlu ya da olumsuz etkileyen hammaddeden ileri gelen parçalanma ürünleri de olduğundan, ksilozun ksilitole fermantasyon koşulları optimize edilmiştir.
2. KAYNAK ÖZETLERİ
2.1. Tarımsal Atıklar
Tarımsal atıklar bitkisel ve hayvansal ürünlerin elde edilmesi ve işlenmesi sonucunda meydana gelmekte; tarım ürünlerine uygulanan hasat, soyma, öğütme, ayıklama ve kurutma gibi işlemler sonucu ortaya çıkmaktadır. Bunlar sap, saman, kabuk, çekirdek gibi kullanımı fazla veya ekonomik olmayan atıklardır. Üretilen katı atıkların miktarı ve kompozisyonu toplumların beslenme alışkanlıklarından, geleneklerinden, ekonomik durumlarından, coğrafya ve iklim gibi değişik şartlarına bağımlıdır (Öztürk ve Başçetinçelik, 2006).
Ülkemizin tarımsal potansiyelinin yüksek olmasından dolayı, temel tarım alanını oluşturan buğday, arpa, ayçiçeği, tütün, pamuk, pirinç gibi ekinlerin tipi ve miktarı büyük oranda tarımsal atıkların oluşumuna neden olmaktadır (Öztürk ve Başçetinçelik, 2006). Lignoselülozik doğaya sahip bu atıklar, çoğu zaman değerlendirilememekte ve çevre temizliği açısından da büyük sorun teşkil etmektedir (Garipoğlu, 2004). Bu atıkların önemli ekonomik değeri de yoktur; genellikle yakacak veya hayvan yemi olarak kullanılabilmektedir (Öztürk ve Başçetinçelik, 2006). Türkiye’deki en fazla atık bırakan tarımsal ürünler, üretim miktarlarına bağlı olarak Çizelge 2.1 de gösterildiği gibi buğday, arpa, mısır, pamuk ve ayçiçeğidir.
Çizelge 2.1. Türkiye’de üretilen tarımsal atıklar ve miktarları (Öztürk ve Başçetinçelik, 2006)
Ürünler Atıklar Üretim(ton) Alan(ha) Atık(ton)
Buğday Saman 22 439 042 9 265 785 23 433 811 Arpa Saman 8 327 457 3 732 992 8 963 012 Çavdar Saman 253 243 145 907 358 040 Yulaf Saman 322 830 150 459 321 938 Mısır Sap Koçan 2 209 601 565 109 4 964 802 1 905 027 Çeltik Saman Kabuk 331 563 59 879 209 532 77 747 Tütün Sap 181 382 222 691 410 487 Pamuk Sap Çırçır atığı 2 292 988 680 177 2 520 281 732 220 Ayçiçeği Sap 836 269 545 963 2 280 098 Yer fıstığı Saman Kabuk 55 241 25 167 0 28 628
Soya fasulyesi Saman 28 795 15 064 22 214
Lignoselülozik doğaya sahip atıklar artıklar iki ana gruba ayrılmaktadır: 1) Lignoselülozik artıkların temel karbon (C) kaynağı olduğu artıklar, 2) Lignoselülozik artıklara ilaveten önemli düzeyde mono ve disakkaritler gibi basit karbonhidratları içeren artıklar. Birinci gruba tahıllardan ve orman işleme endüstrisinden elde edilen tarımsal ve endüstriyel artıklar, ikinci gruba ise meyve işleme endüstrisinden elde edilen
artıklar girmektedir (Villas-Boas ve ark., 2002). Pamuk bitkisi atıkları da C kaynağı olmaları nedeniyle birinci gruba dahildir.
Yıllık bir bitki olan pamuk fazla miktarda atık bırakmakta ve bu atıkların yakacak amacıyla kullanılabilme potansiyeli bulunsa da çoğu zaman hasat sonrası tarlalarda yakılmaktadır. Sudan'da pamuk sapları ya tamamen tarladan uzaklaştırılmakta ya da pestisit kontrolü için yakılmaktadır, Brezilya'da pamuğun kökleri ile beraber kül haline gelene kadar yakılması gerekmektedir; ABD'de pamuk saplarının depolanması büyük bir problem olduğundan böcek hastalığına karşı da diğer ülkelerde olduğu gibi son yıllarda saplar yakılmaktadır. Güney Kalifornia'da parçalamanın böcek zararlılarını öldürdüğü düşünüldüğünden, hasat sonrası saplar parçalanmakta ve pullukla toprağa gömülmektedir. Türkiye'de ise, 1993 yılından itibaren anız yakılması devlet tarafından yasaklanmıştır. Çiftçinin pamuk sapları ile ilgili yapmakta olduğu uygulama ise ağırlıklı olarak sapların evlerde depolanması ve yakacak olarak tandırlarda ekmek yapımında kullanılması şeklindedir. Ancak bu uygulamanın çok önemli bir ekonomik değerinin olmaması nedeniyle, çoğu zaman yasağa rağmen pamuk sapları tarlalarda kaçak olarak yakılmaktadır (Boztepe, 2009). Bu da hem insan sağlığına hem de ekosisteme ciddi zararlar vermektedir (Öztürk ve Başçetinçelik, 2006).
2.2. Lignoselülozik Materyaller
Lignoselülozik materyaller çeşitli bitkisel ve hayvansal ürünlere uygulanan hasat, soyma, öğütme, ayıklama ve kurutma gibi işlemler sonucunda elde edilen tarımsal atıklar, kentsel katı atıklar, kağıt ve pulp endüstrisi atıkları ile otsu ve odunsu bitkilerden oluşmaktadır (Saha, 2003; Öztürk ve Başçetinçelik, 2006). Bu materyaller genel olarak selüloz (%35-50), hemiselüloz (%20-35) ve lignin (%10-25)’den oluşmaktadır.
2.2.1. Selüloz
Selüloz, yeryüzünde en fazla bulunan doğal polimerdir ve genel olarak bitki ve bakterilere tarafından üretilen bir polimerdir (Fengel ve Wegener, 1984). Selüloz en fazla ve saf halde yaklaşık %95 oranında pamuk bitkisinde bulunmaktadır. Ağaç, ot gibi bitkilerde lignin ve hemiselüloz %30-70 oranında; yosun, alg gibi bitkilerde ise toplam %10-40 oranında bulunmaktadır (Şahin, 2002). Selüloz sebzeler ve tahıl ürünleri gibi lifli gıdaların ise kuru ağırlığının %20-50’sini oluşturur (Ramirez, 2008).
Selüloz, glikoz ünitelerinin ß-1,4 bağlarının bağlanmasıyla meydana gelmektedir (Şekil 2.1). Moleküller arası bağlar selüloz zincirlerini bir araya getirerek kristal yapıyı oluşturur. Genellikle doğal selüloz %70 kristallik derecesine sahiptir. Kristallik derecesi en fazla olan Valonia selüloz, kristallik derecesi en az olan ise asitle muamele edilmiş selülozdur. Kristal bölgeler birbirinden daha az kristal, amorf bölgelerle ayrılmıştır (Akpınar, 2003). Amorf selüloz suyu hızlı bir şekilde absorbe ettiğinden bitkiye yapısal dayanıklılık, esneklikte artış ve kırılmalara karşı direnç sağlar. Selüloz, higroskopik (nem çekici) bir materyaldir. Suda çözünmez; su, zayıf asit ve birçok çözücülerde şişebilir (Shelton ve Lee, 2000).
Şekil 2.1. Selülozun kimyasal yapısı (Ljungdahl ve Eriksson, 1985)
Selülozun farmakoloji, kozmetik ve gıda sanayi gibi yaygın bir kullanım alanı vardır. Toz formda dolgu maddesi, diyet amaçlı gıda ve tıbbi tabletlerde bağlayıcı, jel formda viskoziteyi düzenleyici, pasta ve krema gibi ürünlerde emülsifiye edici olarak kullanılmaktadır (Laka ve Chernyavskaya, 2007). Kimyasal olarak modifiye edilmiş
selüloz türevleri gıdaların yapısını, hidrofilik özelliklerini ve fonksiyonel kalitesini olumlu etkilediğinde ve gıda endüstrisinde katkı maddesi olarak kullanılmaktadır (Köksel, 1998). Ayrıca selüloz, glikoza hidrolize edilerek etanol, bütanol ve organik asitler, aseton veya gliserol gibi çeşitli ürünlerin üretiminde kullanılmaktadır (Howard ve ark., 2003).
2.2.2. Hemiselüloz
Lignoselülozik materyallerinin %20-35’ini oluşturan hemiselüloz doğada en çok bulunan ikinci polisakkarittir. Hemiselüloz pentoz şekerlerden (ksiloz, arabinoz), heksoz şekerlerden (mannoz, glikoz, galaktoz) ve şeker asitlerden (üronik asit, ferulik asit ve kumarik asit) oluşan heterojen bir polimerdir (Girio ve ark., 2010). Genellikle hücre duvarlarından alkali ile ekstrakte edilen polisakkarit olarak tanımlanmaktadır (Burdurlu, 2003).
Hemiselülozun yapısı bitki tipine bağlı olarak sert odunsu ve yumuşak odunsu bitkilerde önemli farklılıklar gösterirler ve kaynağına göre ya glukomannan ya da ksilan yapısında bulunmaktadır (Fengel ve Wegener, 1989). Ksilan genellikle tarımsal atıklar ve orman atıklarında büyük miktarda mevcuttur. Ksilan, hemiselülozun çoğunluğunu oluşturmaktadır ve hücre duvarının yapısal bütünlüğünde önemli rol oynamaktadır. Bitki hücre duvarında ksilan veya hemiselüloz, lignin ve selüloz arasındadır (Beg ve ark., 2001; Saha, 2003 ve 2005).
ß-1,4 bağı ile birbirine bağlanmış şekerlerden oluşan hemiselüloz, ß-1,2, ß-1,3, ß-1,6 noktalarında dallanma göstermektedir ve yapısında içerdiği glukomannan, glukuronoksilan, arabinoksilan, galaktoglukomannan gibi şekerlere göre isimlendirilmektedir (Şekil 2.2) (Obembe ve ark., 2006).
Glukuronoksilanlar (GK) sert odunsu bitki hemiselülozunun ana bileşenidir ve kuru ağırlığın %15-30’unu oluşturmaktadır. Glukuronoksilanlar, ana zinciri oluşturan D-ksilopiranozların 2. pozisyonundaki hidroksil grubuna 4-O-metil-α-D-glukopiranozil
üronik asitin (MeGlcA) bağlanmasıyla oluşmaktadır ve bu yapı 4-O-metil-D-glukurono-D-ksilan (MGK) olarak isimlendirilmektedir (Ebringerová ve ark., 2005).
Arabinoksilan (AK), buğday, çavdar, arpa, yulaf, pirinç, mısır gibi tahıl tanelerinde hücre duvarlarının, nişastalı endosperm (un) kısmında ve dış katmanında (kepek) başlıca hemiselüloz bileşeni olarak bulunmaktadır. Arabinoksilan ksilozdan oluşan lineer iskelet yapısı ve ksiloz ünitelerinin 2. ve/veya 3. pozisyona α-L-arabinofüranozun bağlanması ile oluşmaktadır. Bazı α-L-arabinofüranozların hidroksil grupları ferulik ve kumarik gibi fenolik asitlerle esterleşmiş olarak da bulunabilmektedir (Ebringerová ve ark., 2005).
Arabinoglukoronoksilan veya arabino-4-O-metilglükonoksilan (AGK) β-(1-4) glükozidik bağı ile bağlanmış ksiloz ünitelerinden oluşmakta ve tarımsal kaynaklı tahılların en önemli bileşenidir, az miktarada yumuşak odunsu bitkilerde bulunmaktadır (Timell, 1965; Woodward, 1984). Bir bitki türü olan sisalden, mısır koçanından ve çeşitli buğday türlerinin sapından elde edilmektedir (Ebringerová ve ark., 2005).
Şekil 2.2. Değişik kaynaklardan elde edilen hemiselülozların yapısı. A: O-asetil-4-O metilglikoronoksilan (sert odunsu bitkiler); B: Arabinoksilan (buğday kepeği); C: Arobinoksilan (çimen); D: Arabino-4-O-metilglukuronoksilan (yumuşak odunsu bitkiler) (Vazquez ve ark., 2000).
2.2.2.1. Hemiselüloza Uygulanan Ön İşlemler
Lignoselülozik materyallere lignini, hemiselülozu ve selülozu birbirinden ayırmak, selülozlun kristallenme derecesini azaltmak ve bu materyallerden elde edilebilecek ürünlerin işlenmesini kolaylaştırmak amacıyla çeşitli ön işlemler uygulanmaktadır
(Hasyierah ve ark., 2008). Lignoselülozik maddelerin bileşimine göre ön işlemlerde farklılaşmaktadır. Uygulanan ön işlemler Çizelge 2.2. de gösterilmiştir (Saha, 2003).
Çizelge 2.2. Lignoselülozik biyokütleye uygulanan ön işlemler (Saha, 2003)
Yöntem Örnek
Fiziksel işlemler Öğütme, kesme, ekstrüder
Oto hidroliz Buhar basıncı, su buharı, süperkritik karbondioksit
Asit uygulaması Seyreltik asit (H2SO4, HCI), konsantre
asit (H2SO4, HCI)
Alkali uygulaması Sodyum hidroksit, amonyum, alkali hidrojen peroksit
Organik çözücü uygulaması Metanol, etanol, butanol, fenol
Hemiselülozların bileşenlerine kolaylıkla ve verimli bir şekilde ayrılması amacıyla en yaygın kullanılan ön işlem seyreltik asit yöntemidir (Saha, 2003). Genel olarak seyreltik asit uygulaması (%2,5-5 aralığında) H2SO4 veya HCl gibi asitlerle
yürütülmektedir (Sun ve Cheng, 2002). Seyreltik asit yöntemi ile hemiselülozun ksiloz, glikoz, arabinoz gibi bileşenlerine ayrılması sağlanırken, selüloz ve lignin ise olduğu gibi bırakılmaktadır (Saha, 2003). Seyreltik asit ile hidroliz ucuz, kolay ve verimli olmasına rağmen, sıcaklık ve asitlerin etkisi ile furfural, hidroksimetilfurfural (HMF) gibi istenmeyen bileşikler oluşması gibi dezavantajları da vardır (Parajo ve ark., 1998c).
2.2.2.2. Hemiselülozun Kullanım Alanları
Lignoselülozik doğaya sahip tarımsal atıklar, endüstriyel değere sahip önemli bir hammaddedir (Şekil 2.3). Atıkların parçalanmasıyla elde edilen ksiloz, arabinoz, glikoz, galaktoz, mannoz gibi şekerlerin; etanol, ksilitol, laktik asit ve ferulik asit gibi endüstriyel değere sahip ürünlerin üretim kaynağıdır (Saha, 2003). Şekil 2.3’te gösterildiği gibi lignoselülozik materyallerden etil alkol, laktik asit, ksilooligosakkarit, ksiloz veya ksilitol üretiminde yararlanılmaktadır.
Şekil 2.3. Lignoselülozik materyallerin parçalanması ve ksilitolün üretim aşamaları (Parajo ve ark., 2008)
Tarımsal atıklardan etanol üretimi son yıllarda önem kazanmış bir konudur. Bunun yanında Pachysolen tannophilus, Pichia stipitis, Candida shehatae gibi bazı mayalar glikozun yanından hemiselülozdaki ksilozu etanole fermente edebilmektedirler (Schneider ve ark., 1981, Saha ve Bothast, 1997). Arabinoz ve diğer pentoz şekerler hemiselülozdan elde edilse de bunları etanole fermente eden maya yok denecek kadar azdır (Saha ve Bothast 1996).
Hemiselüloz biyobozunur bir polimer olduğundan çevre dostu plastiklerin üretimi için uygun bir aday olarak görülmektedir ve hemiselülozun ambalaj materyali, alışveriş poşeti gibi uygulamalarda kullanılabilecek plastik filmlerin yapımında kullanılabilme potansiyelide bulunmaktadır. Çeşitli tarımsal atıklar kullanılarak üretilen plastik filmlere bilimsel yayınlarda rastlanmaktadır. Hemiselüloz temelli plastik filmlerin oksijene karşı çok iyi bir bariyer oluşturmaları, gıda ambalalajı alanında en önemli
Fenolik Maddeler Sıvı-sıvı ekstraksiyonu Filtrasyon Hidrotermal Ön İşlemler Lignoselülozik Materyaller Enzimatik veya asidik hidroliz Etil alkol Laktik asit Ksilooligosakkaritler Asit hidrolizi Fermantasyon Ksilitol Fermantasyon
özelliklerinde biridir; çünkü oksijen mikroorganizmaların çoğalmasını da teşvik eden bir faktör olduğundan varlığı gıdanın raf ömrünün kısalmasına neden olur. Günümüzde gıda ambalajlarında oksijen geçirgenliğini düşürmek ve gıdaların tazeliğini daha uzun süre muhafaza etmek amacıyla etilen vinil alkol ya da alüminyum folyo gibi yüksek oksijen bariyeri özelliği bulunan malzemeler kullanılmaktadır. Hemiselüloz temelli plastik filmlerin oksijen bariyeri özelliği olması aynı zamanda bu malzemelere biyobozunur ve doğal bir alternatif olmasından dolayı, hemiselüloz temelli filmlerin önemini artırmaktadır (Bahçegül, 2011).
Hemiselulozlarda bulunan ksilozun indirgenmesiyle elde edilen ksilitol, birçok meyve sebzede bulunan doğal bir şeker alkolüdür (Schneider ve ark.,1981). Lignoselülozik materyaller ksilitol üretimi için uygun hammaddelerdir. Bu konu ilerde daha detaylı olarak tartışılmıştır.
Hemiselülozun bir diğer kullanım alanı ise insan sağlığı açısından işlevleri, tat, koku ve renk oluşumundaki etkileri, antimikrobiyel ve antioksidan etki göstermeleri gibi birçok açıdan önem taşıyan fenolik bileşiklerin üretimidir (Saldamlı, 2005). Hemiselüloz genellikle önemli bir fenolik asit olan ferulik asit üretiminde kullanılmaktadır. Antioksidan özelliği bakımından oldukça önemli olan ferulik asit bitki hücre duvarlarında bulunan bir sinamik asittir. Ferulik asit bitki hücre duvarını patojen bakterilere karşı korur ve hücre duvarının genişlemesinde önemli rol oynar. Ayrıca insan sağlığı açısından antioksidan ve kan damarlarını koruyucu etkisi vardır (Fry, 1982).
2.2.3. Lignin
Lignin, bitki hücre duvarında en çok bulunan üçüncü bileşiktir. Selüloz ve hemiselüloz matriksine gömülmüş halde bulunmaktadır (Palonen, 2004; Das and Singh, 2004). Fenolik yapıda bir polimer olup yapısının büyük kısmını sinapil, p-kumaril ve koniferil alkoller oluşturmaktadır (Şekil 2.4). Bu yapıtaşlarındaki, hidroksil gruplarının reaksiyonu ile üç boyutlu kompleks bir fenilpropan polimeri olan lignin molekülünü oluşturmaktadır (Fengel ve Wegener, 1984; Sjostrom, 1993). Bir başka tanımlama ile;
lignin bir aromatik çekirdek ile bir propan zincirinden oluşmaktadır (Guiraud ve ark., 1998) ve fenil propan olarak adlandırılmaktadır (Adosinda ve ark., 2001). Lignin hidroksil grupları gibi metoksil gruplarıda içeren, karmaşık yapıya sahip bir polimerdir (Akmaz, 2001). Lignin içerdiği karbonhidrat olmayan fenolik maddeler sayesinde bitkiye mekanik destek ve mikrobiyal parçalanmalara karşı direnç gibi özellikler sağlar (Hamelinck ve ark., 2005). Hücre duvarında yapıştırıcı özelliğinden dolayı selüloz liflerini bir arada tutar (Fengel ve Wegener, 1984; Sjostrom, 1993).
Ligninin kimyasal olarak polisakkaritlerle bağlı bulunduğu ortaya çıkmıştır. Ligninin izolasyonu aşamasında maddenin doğasının bozulmasının bozulmasından dolayı yapılan birçok çalışmaya rağmen lignin hakkında yeterli bilgi elde edilememiştir. Bu yüzden lignin doğada bulunduğu biçimiyle elde edilememiş, asıl madde yerine türevlerini incelenmiştir (Kireçci, 2006). Ligninin polimerik yapısının büyük kısmını oluşturan sinapil, p-kumaril ve koniferil alkoller Şekil 2.4’te gösterilmiştir. Bileşimindeki alkoller içinde esas bileşen olan koniferil alkol, kozalaklı ağaçların lignininde %90, yayvan yapraklı ağaçların lignininde ise %50 oranında bulunur (Chrestini ve ark., 1998).
Şekil 2.4. p-kumaril alkol, koniferil alkol ve sinapil alkolün kimyasal yapısı
Lignin yapısal özelliklerine göre 2 sınıfa ayrılmaktadır. Yumuşak odunsu bitkilerde bulunan ve yapısında sinapil alkol olan ‘guasil lignin’ ve sert odunsu bitkilerde bulunan yapısında koniferil alkol ve sinapil alkol bulunduran ‘guasil-siringil’ olarak ayrılmaktadır (Novaes ve ark., 2010).
Lignin asitlerle hidroliz olmayan, hidrofobik (su sevmeyen) bir polimerdir. Bu sebeple polimer farklı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir. Lignin, kimyasal ve enzimatik parçalamalara karşı doğadaki en dirençli polimerlerden birisidir ve %72 (w/w) sülfürik asitte bile çözünmez. Ligninin kompleks yapısında güçlü kovalent bağlar vardır. C-C ve eter bağları lignini hidrolitik olaylara karşı dirençli yapar. Bu bağ, alkali, ılımlı oksidasyon, nitrobenzen oksidasyonu gibi işlemlerle kırılır. Lignin; kağıt üretiminde kükürtdioksit, sodyum sülfit ya da sodyum hidroksit gibi maddeler yardımı ile lignoselulozik materyallerden ayrılır (Kireçci, 2006). Aynı zamanda bitki hücre duvarındaki veya mikroorganizmalarla üretilen peroksidazlar ya da lakkazlar bu monomerleri okside ederek lignini parçalayabilirler (Castro, 1994).
Ligninin biyolojik olarak parçalanabilmesi oldukça güç olup, hücre duvarının diğer kısımlarının kullanılabilirliğini azaltmaktadır. Şimdiye kadar lignini tek karbon kaynağı olarak kullanabilen hiçbir organizma bulunamamıştır. Ligninin tek karbon/enerji kaynağı olarak mikroorganizmalar tarafından kullanılamaması standart zenginleştirme yöntemleri ile lignini parçalayan mikroorganizmaların izolasyonunu güçleştirmektedir. Ligninin mikroorganizmalarca degradasyonu Actinomycetes’ler (özellikle Streptomyces spp., Streptomyces viridoendosporus ve Streptomyces setonii) ve Basidiomicetes’ler kullanılarak çalışılmıştır (Kireçci, 2006; Sfountoulakis ve ark., 2002). Basidiomicetes’ler beyaz-çürükçül mantarların olup kompleks ekstraselüler enzim sistemleri ile selektif olarak lignin polimerini uzaklaştırarak selülozun elde edilmesine olanak sağlar (Michizoe ve Okazaki 2001).
Şekil 2.5. Ligninin yapısı
Ligninin kimyasal yapısının karmaşık olması bu maddeden yararlanmayı zorlaştırdığı için daha çok yakıt olarak kullanılır. Bununla beraber ligninin birçok alternatif kullanımı mevcuttur. Bu kullanımlara; kimyasal dönüşüm ürünleri (vanilin, dimetilsülfit, fenoller, benzen türevleri gibi), çeşitli makromoleküler (emülsiyon stabilizatörü, pıhtılaştırıcı ve çökeltici maddeler, vs.), karbonlaştırma, pirolizleştirme (aktif karbon, karbon veya grafit lifleri ve köpükler), toprak ve gübre uygulamaları örnek gösterilebilir (Alma, 1999). Ayrıca küçük bir kısmından yapıştırıcı ve kaplama olarak yararlanılmaktadır (Akmaz, 2001).
2.3. Ksilitol
Ksilitol meyve ve sebzelerde bulunan beş karbonlu doğal bir şeker alkolüdür (Aminoff ve ark., 1978). Ksilozun, ksilitole indirgenmesi ile meydana gelmektedir (Saha, 2003).
Ayrıca memelilerde karbonhidrat metabolizmasında endojen olarak üretilen doğal bir ara üründür ve yetişkin insanlarda günlük ortalama 5-15 g üretilmektedir (Bässler, 1978). Ksilitol doğada ilk defa alg ve mayalardan elde edilmiştir. Ksilitol birçok meyve ve sebzede bulunmakla birlikte miktarı çok düşüktür (Artık ve ark, 1993). En çok %1 oranında kayısıda, %0,35 oranında çilekte, %0,3 oranında marulda, %0,25 kırmızı böğürtlende bulunmaktadır (Aminoff ve ark., 1978).
2.3.1. Ksilitolün Özellikleri
Ksilitol (C5H12O5) doğal, beş karbonlu bir şeker alkolüdür ve kimyasal yapısı Şekil
2.6’da gösterilmektedir. Ksilitol doğal bir tatlandırıcıdır ve diğer tatlandırıcılarla kıyaslandığında, sukrozla eş değer tatlılık derecesine sahiptir. Suda kolay çözünür, sorbitolden 2 kat, mannitolden de yaklaşık 3 kat daha fazla tatlıdır ve özellikleri sukroza benzemesine rağmen kalorisi sukrozdan %40 daha azdır (Aminoff ve ark., 1978; Pepper ve Olinger, 1988).
Şekil 2.6. Ksilitolün kimyasal yapısı
Ksilitolun çözünmesi endotermik bir reaksiyon olduğundan, ksilitol ağıza alındığında ferahlık hissi verir (Aminoff ve ark., 1978). Sıcaklıkla birlikte ksilitol viskozitesi azalmaktadır. Çözünürlüğü ise sukroza benzer (Apel ve Rossler, 1959). Ksilitolün fiziksel ve kimyasal özellikleri Çizelge 2.3’te verilmiştir.
Çizelge 2.3. Ksilitolün fiziksel ve kimyasal özellikleri (Bar, 1991) Özellik Ksilitol Formül C5H12O5 Molekül Ağırlığı 152,15 20°C deki çözünürlük 169 g/100 g H2O Sulu çözeltisindeki pH (1 g/10 ml) 5-7 Erime Noktası (°C) 93-94,5 Kaynama Noktası (760 mmHg) 216 Yoğunluk (15°C) 1,50 g/l
Kalori değeri 4,06 cal/g (16,88 J/g)
Nem Absorpsiyonu (20-22°C 4gün) %60 Bağıl nemde 0,05 %92 Bağıl nemde 90 Çözünürlük ısısı Endotermik, 36,61 cal/g (153,76 J/g) Viskozite (cP 20°C) %10 1,23 %40 4,18 %50 8,04 %60 20,63
Tatlılık Sukroz ile aynı, mannitol ve
sorbitolden daha tatlı Polarize ışığı çevirme açısı Optik olarak aktif değil
Ksilitol, aldo ve keto gruplarını içermediğinden dolayı Maillard reaksiyonlarına katılmamakta ve sıcaklığın yükselmesi ile karamelize olmamaktadır. Ksilitolün bu özelliği de diğer şekerlere göre daha avantajlı bir gıda bileşeni olduğunu göstermektedir (Parajó ve ark., 1998a).
2.3.2. Ksilitolün Sağlık Açısından Önemi
Ksilitolün doğal tatlandırıcı olarak kullanılmasının yanında sağlık açısından da önemli yararları olduğu bilinmektedir. Sindirim sistemi tarafından emiliminin tamamen gerçekleşmemesi, enerjisinin düşük olması nedeniyle obezite riskini azaltmaktadır. Mideye alınan ksilitolün büyük miktarı kalınbağırsağa geçer ve burada, bakteriler tarafından metabolize edilerek son ürün olarak asetat, propiyonat, butirat gibi yağ asitleri üretilir (Beaugerie ve ark., 1990; Würsch ve ark., 1990).
Ksilitol diyabetikler için uygun bir tatlandırıcıdır; çünkü insülinden bağımsız olarak karaciğerde metabolize olmaktadır. Karaciğerde ksilitol, glikoz-6-fosfata dönüştürülür ve kan şekerinde ani bir artışa neden olmaz (Hassinger ve ark., 1981; Emodi, 1978). Kan şekerinde diğer şekerlere (glikoz, sukroz) göre hızlı değişime neden olmaması ve aminoasitler reaksiyona girmemesinden dolayı damar içi beslenme kullanılmaktadır (Förster, 1974). Ayrıca ameliyat ve travma sonrası oldukça fazla olan insülin direnci vücudun glikoz kullanımını önlediğinden, bu durumlarda ksilitolun kullanımı daha uygundur. Böylece ksilitolden oluşan tüm glikoz kan dolaşımına hemen katılmamakta ve şeker hastalarında glikojen olarak depo edilmektedir (Bässler ve Heesen, 1963; Förster, 1974).
Ksilitol diş sağlığını negatif yönde etkilemeyen en iyi tatlandırıcıdır. Ksilitol bakteri plağında bulunan önemli mikroorganizmalar tarafından fermente edilemediği için non-karyojenik olarak kabul edilmektedir. Ksilitol içeren sakızların kullanılması esnasında plak ve tükürük pH’sı artmakta, oluşmakta olan çürüklerin iyileşmesini sağlanırken, tükürükte bulunan Streptococcus mutans sayısını azaltmaktadır (Toors, 1992). Ksilitolün bakteri hücrelerinde ksilitol 5-fosfata dönüşmesi ve ksilitol 5 fosfatında şeker metabolizmasında bulunan enzimleri inhibe etmesiyle, ksilitollü ortamda Streptococcus mutans’ ların glikozdan asit üretimi engellenmektedir. Hatta ortamda diğer şekerlerin (glikoz, mannoz, laktoz, mannitol ve sorbitol gibi) bulunduğu ortamlarda bile, ksilitol Streptococcus mutans gelişimini önlemektedir (Vadeboncoeur ve ark., 1983; Trahan, 1995). Ksilitolün düzenli kullanımı diş plağının asidojenik potansiyelini düşürmekte ve mineral içeriğini arttırmaktadır. Ayrıca ksilitollü sakızların
ağız kuruluğu kaynaklı yüksek çürük riski olan hastalarda kullanımının, çürüğü önleyici etkisinin olduğu saptanmıştır (Toors, 1992).
Yapılan araştırmalarda sonucunda ksilitolün mineral emilimini artırdığını ve kemikleri güçlendirdiği böylelikle de osteoporoz riskini azalttığı gözlemlenmiştir (Mattila ve ark., 1998). Çocuklarda kulak enfeksiyonuna neden olan Streptococcus pneumoniae’nın adlı bakteri gelişimininin ksilitol kullanımı ile engellendiğini ve bu şekilde orta kulak iltihabınının önlendiği belirlenmiştir (Uhari ve ark., 1996).
Ksilitolün kanıtlanmış herhangi bir toksisitesi olmasa da, aşırı tüketimi vücutta tamamen sindirilemediğinden laksatif etkiye neden olur. Bu sebeple bağırsaklarda şişkinliğe, gaz ve ishal gibi rahatsızlıklara neden olmaktadır (Winkelhausen ve Kuzmanova, 1998).
2.3.3. Ksilitolun Kullanım Alanları
Ksilitol; bebekler ve diyabetikler için uygun olan düşük enerjili veya şekersiz birçok gıdalardada tatlandırıcı amacıyla kullanılmaktadır (Winkelhausen ve Kuzmanova, 1998).
Ksilitolun en yaygın kullanım alanı, antikaryojenik özelliğinden dolayı sakız ve şekerleme ürünleridir (Bässler ve Heesen, 1963; Förster, 1974). Aynı zamanda eczacılık ürünlerinden vitaminlere ve balgam söktürücülere yaygın olarak kullanılmaktadır (Forester, 1988).
Reçellerde ksilitolün kullanılması reçelin uzun süre dayanıklı olmasını sağlamaktadır. Sakaroz ile üretilen reçellerin aksine, ksilitol ile üretilen çilek reçelinde renk korunmuş ve renk değişimi gözlenmemiştir (Hyvönen ve Törmä, 1981). Ksilitol mayalar, küfler ve bakteriler tarafından fermente edilemez ve çok düşük konsantrasyonlarda bile yüksek ozmotik basınç oluşturur. Ksilitol düşük metoksilli pektinler ile iyi jel oluşturmakta; ancak oluşan jel sakaroz ile elde edilen jele oranla daha yumuşak olmaktadır (Parajo ve ark., 1998a).
Ksilitol mikroorganizmaların çoğu tarafından fermente edilmediğinde hamura ksilitol ilave edildiğinde fermantasyon hızı azalmaktadır. Aynı şekilde ksilitol ilave edilmiş sütlerden yoğurt üretiminde fermantasyon süresi uzamaktadır (Hyvönen ve Slotte, 1981). Ayrıca ksilitol, proteinleri doğal mebranlardan ekstrakte etmek için stabilize edici ajan olarak kullanılmaktadır. Böylece proteinlerin denatürasyonu önlenmektedir (Parajo ve ark., 1998a).
2.3.4. Ksilitol Üretimi
Ksilitol üretimi yüksek maliyetinden dolayı birçok faydasına rağmen kısıtlı üretilmektedir. Maliyeti düşürmek için pek çok çalışmalar yapılmıştır (Affleck, 2000). Ksilitol üretimi 3 yöntemle üretilmektedir (Parajó ve ark., 1998a).
1-) Katı-sıvı ekstraksiyon 2-) Kimyasal üretim 3-) Biyoteknolojik üretim
Ksilitol meyvelerde, sebzelerde, mayada, deniz yosununda ve mantarda bulunmaktadır. Ksilitol yukarda belirtilen kaynaklardan katı-sıvı ekstraksiyon yöntemiyle elde edilebilir (Pepper ve Olinger, 1988); ancak yöntemin pahalı olması ve elde edilen ksilitol veriminin az olması nedeniyle tercih edilmemektedir (Hyvönen ve ark., 1982).
Ksilitol üretimi her ne şekilde olursa olsun ekstraksiyon yöntemi hariç diğer bütün yöntemlerde lignoselülozik materyaller asit hidrolizine tabi tutulur. Ksilozun kimyasal olarak üretilmesi için de asitle muamele edilen ksilozun oldukça saf olması gerekmektedir. Bu işlem iyon değiştirme teknikleri, kromatografi teknikleri, okzalik asit ile muamele ve tuzla muamele yöntemleri gibi pahalı saflaştırma teknikleriyle yapılır (Artık ve ark., 1993). Ayrıca kimyasal üretimde açığa çıkan atıkların zararlı olması sebebiyle de yönteme alternatif yöntemler araştırılmaktadır.
Şekil 2.7. Ksilitolün kimyasal üretiminin genel prensibi (Artık ve ark., 1993)
Kimyasal yöntemde olduğu gibi biyoteknolojik yöntemle ksilitol üretiminde de, lignoselülozik materyaller asit hidrolizasyonuna tabi tutulmaktadır. Hidrolizasyon sonucu elde edilen hidrolizattan saf enzim veya bu enzimlerin doğal üreticileri olan mikroorganizmalarca ksilitol üretimi sağlanmaktadır. Biyoteknolojik yöntemler, diğer yöntemlere göre maliyeti daha düşüktür, aynı zamanda güvenilir ve çevre kirliliğine neden olmayan bir yöntemdir (Hasyierah ve ark., 2008).
Bakteriler ile ksilitol üretimi mümkün olmasına rağmen, üretim veriminin düşük olmasından dolayı kullanılmamaktadır (Winkelhausen ve Kuzmanova, 1998). Corynebacterium ve Enterobacter gibi bazı bakteriler ksilozu ksilitole dönüştüren reduksiyon enzimlerine sahiptir. Ksiloz ilk olarak bu oksidasyon-redüksiyon enzimleriyle ksilitole indirgenir, daha sonra da ksilitolün oksidasyonuyla ksiluloz elde edilmektedir (Parajó ve ark., 1998a). Küfler arasında ise, en önemli ksilitol üreticisinin Petromyces albertentis olduğu gözlenmiştir (Aminoff ve ark., 1978).
Genellikle mikroorganizmalar arasında, mayalar ksilitolün en iyi üreticileri olarak bilinir; özellikle Candida cinsi mayalar C. guilliermondii ve C. tropicalis en iyi üreticileridir. Mayalar içerdikleri ksiloz reduktaz (KR) ve ksiloz dehidrogenaz (KDH) enzimleri sayesinde, indirgenme yükseltgenme reaksiyonları ile birlikte ksilozu ksilitole
dönüştürmektedir. Bu enzimler kofaktörlere (KR için NADH veya NADPH ve KDH için NAD veya NADP) ihtiyaç duymaktadır. Ksilitol üretiminin maksimum olmasını sağlamak için ortamda ya yüksek miktar KR enzimi ya da az miktarda KDH enziminin bulunması gerekmektedir (Parajó ve ark., 1998a).
Ksiloz, öncelikle ksiloz reduktaz (KR) enzimi ile NADH ve/veya NADPH varlığında, ksilitole indirgenmektedir (Şekil 2.8). Elde edilen ksilitol hücreden salgılandığı gibi, ksiloz dehidrogenaz (KDH) enzimi ile NAD veya NADP’a bağlı ksiluloza da yükseltgenebilir. Daha sonra ksiluloz, ksiluloz kinaz enzimleri ile ksililoz-5-fosfata; ksilüloz 5 fosfat da, pentoz fosfat yolunun oksidatif olmayan yolu ile gliseraldehit 3-fosfata; gliseraldehit 3-fosfat ise Embden-Meyerhof-Parnas yolu ile pirüvata dönüşmektedir. Pirüvat indirgenerek etanole dönüşmekte veya trikarboksilik asit döngüsüne girmektedir (Winkelhausen ve Kuzmanova, 1998). Ksilitol üretim akış şeması da Şekil 2.8’de gösterilmektedir.
Şekil 2.8. Mayalarda ksiloz metabolizmasının şematik gösterimi (Winkelhausen ve Kuzmanova, 1998).
2.4. Fenolik Bileşikler
Tüm dünyada olduğu gibi, ülkemizde de insan sağlığı açısından büyük öneme sahip, antioksidan içeriği yüksek ürünlere ilgi gün geçtikçe artmaktadır (Scheerens, 2001). Lignoselülozik materyallerde, antioksidan aktiviteye sahip fenolik bileşiklerin üretilmesinde kullanılan önemli ham materyallerdir. Düşük maliyetleri, bol bulunmaları ve yenilenebilir olmaları nedeniyle bu materyallerden antioksidan üretimine ilgi her geçen gün artmaktadır (Akpınar ve ark., 2012).
Lignoselülozik materyallerden elde edilen fenolikler, antioksidan özellikleriyle gıda katkı maddesi olarak, sağlık alanında ve kozmetik ürünlerinde kullanılabilmektedir. Şimdiye kadar yapılan çalışmalarda, çeşitli lignoselülozik materyal hidrolizatlarında p-hidroksibenzoik asit, ferulik asit, vanilik asit, siringik asit, kumarik asit, siringaldehit, p-hidroksibenzaldehit, vanilin, benzoik asit, kafeik asit, protokatekuik asit, hidroksimetoksibenzoik asit, m-hidroksibenzoik asit, sinnamik asit, ferulik veya kumarik asitle esterleşmiş oligosakkaritler4-hidroksibenzaldehit, fenol, sinnamaldehit, p-hidroksisinnamaldehit, tyrosol, hidroksitirosol guaiacol, syringol ve katekol tespit edilen fenolik bileşiklerdir (Garrote ve ark., 2004). Özellikle bu fenolik bileşiklerin arasında, ferulik asit sağlık alanındaki antioksidan, antimikrobiyal ve anti-inflamatuvar etkileri ve gıda alanındaki koruyucu ajan, tat belirteci ve jel formundaki özelliklerinden dolayı büyük ilgi görmektedir (Barberousse et al., 2009). Zirai sanayide çok bulunan bir yan ürün olan buğday kepeğinde, ferulik asit arabinoksilazın bazı arabinoz ünitelerinin hidroksil gruplarına esterleşmiş halde bulunur ve kuru maddenin %7 kadarını teşkil eder (Barberousse ve ark., 2009).
2.4.1. Lignoselulozik Materyallerden Fenolik Bileşiklerin Üretimi ve Saflaştırılma Yöntemleri
Lignoselülozik materyallere fiziko-kimyasal, kimyasal ve biyolojik işlemler uygulanarak fenolik bileşikler elde edilmektedir (Hasyierah ve ark., 2008).
Lignoselülozik maddelerin kimyasal işleminde en sık kullanılan yöntem asit hidrolizi yöntemidir. Asit hidrolizinde H₂SO₄ ve HCl gibi asitler kullanılmaktadır. Seyreltik sülfürik asit uygulaması en yaygın kullanılan yöntemdir ve yüksek oranda parçalanma ürünü elde edilmektedir (Hasyierah ve ark., 2008). Seyreltik asit yöntemi ile hemiselüloz bileşenlerine (ksiloz, glikoz, arabinoz) ayrılması sağlanırken, lignindeki β-1-4-alkil-aril bağlarının ve lignin-hemiselüloz bağlarının kırılması sağlanarak çözünmüş fenolik bileşikler elde edilmektedir (Garrote ve ark., 2004, Saha, 2003). Seyreltik asit yöntemi ile fenolik bileşiklerin üretimi hakkında literatürde pek çok çalışma vardır. Farklı sıcaklık, süre ve asit konsantrasyonları kullanılarak, farklı lignoselülozik materyallerden farklı miktarlarda fenolik bileşikler üretilmiştir.
Akpınar ve ark. (2012) buğday saplarını 120°C’de 45 dakika %4,7 H2SO4 ile muamele
ederek asit hidrolizi yöntemi uygulamış ve buğday saplarının fenolik verimini 0,014g GAE/g olarak bulmuşlardır. Fernandez-Bolanos ve ark. (1998) zeytin çekirdeği kabuklarını %0-0,1 H2SO4 ile 215-229°C’de 2-3 dakika muamele ederek vanillik asit,
vanilin, siringik asit gibi fenolik bileşikleri tanımlamışlardır. Martin ve ark. (2002)’da şekerkamışı posasını %1 H2SO4 ile 205°C’de 10 dakika muamele ederek, posanın
içerdiği fenolik maddeleri belirlemişlerdir.
Lignoselülozik materyallerden biyolojik işlemlerle fenolik bileşikler üretilmektedir. Çeşitli mikroorganizmalar lignin peroksidaz, manganez gibi enzimler üretip lignini vanilin, vanilik asit ve ferulik asite parçalayarak fenolik bileşikler üretir. Biyolojik işlem lignoselülozdan lignin uzaklaştırılması için güvenli ve çevreci bir metot olarak önceden rapor edilmiştir (Hasyierah ve ark., 2008). Lignin ve hemiselülozun kolay bozunması, yüksek ürün verimi, ihtiyaç duyulan enerji miktarının düşük olması ve yöntemin ortam koşullarına uygun olması avantaj sağlarken, hidroliz oranının çok düşük olması ve daha uzun sürede gereksinimi biyolojik işlemde dezavantajdır (Kumar ve ark., 2009).
Fiziko-kimyasal işlemlerde ise en sık kullanılan yöntem buhar patlaması yöntemidir ve genellikle bir sonraki enzimatik hidroliz işlemini kolaylaştırmak, inhibitör bileşiklerin üretimi azaltmak ve hemiselüloz daha az kayıpla elde etmek için H₂SO₄ (SO2) veya
işlemiyle kütle parçalanmaktadır. Daha sonra materyale uygulanan basınç hızlı bir şekilde düşürülür. Materyali atmosfer basıncına maruz bırakmadan önce birkaç dakika 160-260ºC’de tutulur. Yüksek sıcaklık hemiselülozun bozulmasına ve lignin transformasyonuna sebep olmaktadır. Böylece selüloz hidrolizi artmaktadır. Buhar patlaması işlemini etkileyen faktörler süre, sıcaklık, parçalanma boyutu ve nem içeriğidir. Optimum hemiselüloz çözünürlüğü ve hidrolizi ya yüksek sıcaklık ve kısa sürede (270ºC, 1 dakika) ya da düşük sıcaklık uzun sürede (190ºC, 10 dakika) gerçekleşmektedir. Yapılan son çalışmalarda ise düşük sıcaklık ve uzun sürenin daha uygun olduğu tespit edilmiştir (Hasyierah ve ark., 2008).
Lignoselülozik materyallerden fenolik bileşiklerin saflaştırılmasında en yaygın olarak kullanılan yöntem ekstraksiyon yöntemidir. Fenolik maddelerin saflaştırılması için klasik çözücü ile ekstraksiyon yönteminin yanında, ultrason destekli ekstraksiyon, süper kritik akışkan ekstraksiyonu ve süper kritik akışkan ekstraksiyonunun bir türevi olan basınçlı düşük polariteli su ekstraksiyonu gibi saflaştırma yöntemleri bulunmaktadır.
Ultrason destekli ekstraksiyon yüksek verim, daha kısa sürede ve düşük sıcaklıkta ekstraksiyon ve az miktarda çözücü kullanımı gibi avantajları nedeniyle klasik çözücü ekstraksiyonu ve Soxhlet ekstraksiyonuna alternatif olabilecek yöntemler arasındadır. Bu metod yardımı ile ekstraksiyonun veriminin artması, ultrasona bağlı olarak hücre duvarlarının parçalanmasına ve kütle aktarımının teşvik edilmesine bağlanmaktadır (Paniwnyk ve ark., 2001). Bunun yanı sıra, ekstraksiyon sırasında katı madde ile ultrasona tabi tutulan çözelti arasındaki sıcaklık ve basıncın yükselmesine bağlı olarak ekstraksiyon veriminin arttığı belirtilmiştir. Ancak örneğin ultrasona çok uzun süre tabi tutulmasının, fenolik maddelerin bozulmasına da yol açabileceği bildirilmiştir (Luque-Garcia ve Luque de Castro, 2003). Literarürde yapılan bazı çalışmalar da ultrason destekli ekstraksiyonunu diğer ekstraksion yöntemleri (katı-sıvı ekstraksiyonu, süper kritik su ekstraksiyonu, mikrodalga destekli ekstraksiyon) ile karşılaştırılmış ve ultrason destekli ekstraksiyonun bu yöntemlere göre çok daha hızlı olduğunu, daha az parçalanmaya sebep olduğunu ve ultrason uygulamasının ekstraksiyon kinetiğini ve ekstrakt kalitesini artırdığını belirtmişlerdir. Wang ve ark. (2008) tarafından yapılan bir çalışmada buğday kepeğinden fenolik bileşikler %64’lük etanolle 60 ºC’de 25 dakika
gibi kısa bir sürede elde edilmiştir. Diğer bir çalışmada hindistan cevizi kabuğu tozuna ultrason destekli ekstraksiyon uygulanarak fenolik bileşikler saflaştırılmış ve ultrason destekli ekstraksiyonun diğer ekstraksiyonlara göre daha hızlı olduğu belirtilmiştir (Tavman ve ark., 2009).
Süper kritik akışkan ekstraksiyonu saf bir çözücünün kritik basınç ve sıcaklık değerleri üzerindeki basınç ve sıcaklık değerlerinde yürütülen ekstraksiyon işlemidir. Yüksek ekstraksiyon basıncı genellikle süper kritik akışkanın yoğunluğunu yükseltir ve bu da ekstrakte edilecek maddenin çözünürlüğünü artırır. Sıcaklığın artması buhar basıncını artırır ve bu akışkan yoğunluğundaki azalmadan daha etkili olup, ekstraksiyon verimini artırır (Akkaş, 2011). Arlorio ve ark. (2005) tarafından yapılan bir çalışmada kakao ağacı kabuğundaki fenolik pigmentlerin antioksidan özellikleri ve biyolojik aktivitelerinin tespiti amacıyla bu yöntem kullanılmıştır ve yöntemin fenolik madde ekstraksiyonuna oldukça uygun olduğu tespit edilmiştir. Fadel ve ark. (1999) Eucalpytus bitkisinin fenolik maddelerinin hidrodestilaston ve süper kritik akışkan ekstraksiyonu konusunda çalışmışlardır. Süper kritk sıvı ekstraktının daha yüksek antioksidant aktivite gösterdiğini belirlemişlerdir.
Basınçlı düşük polariteli su ekstraksiyonunda ise su 100ºC’nin üzerindeki sıcaklıklarda ve yüksek basınçta sıvı formda tutularak. suyun ekstraksiyon kapasitesi artırılmaktadır. Bu yöntemin hızlı olma, yüksek seçicilik, düşük maliyet ve enerji tasarrufu gibi avantajları bulunmaktadır. Buranov ve Mazza (2009) buğday ve mısır kepeğinde bu yöntemi kullanarak fenolik bileşikleri ekstrakte etmiştir. Buğday kepeğindeki ferulik asit miktarını 180ºC sıcaklıkta 97 mg/100 g, 220ºC sıcaklıkta 63 mg/100 g olarak; mısır kepeğinde ise 180ºC sıcaklıkta 404 mg/100 g, 220ºC sıcaklıkta 334 mg/100 g olarak tespit etmişlerdir.
2.4.2. Fenolik Bileşiklerin Antioksidan Özellikleri ve Sağlık Üzerine Etkileri
İnsan vücudunda gıda maddelerinin oksidasyonu ile metabolik enerji üretilir. Elektron transfer zinciri sırasında reaktif oksijen ve nitrojen çeşitleri (serbest radikaller) sürekli üretilmektedir. Hava kirliliği ve radyasyon gibi çevresel faktörler de serbest radikalleri
oluşturabilir. Üretilen bu radikaller lipid, protein ve nükleik asitlere karşı oksidatif hasar yapmakta, hücre içindeki yapıları bozarak ve DNA yapısındaki biyokimyasal bileşiklerde bozulmalara yol açarak birçok farklı hastalığa yol açabileceği ifade edilmektedir. Serbest radikaller, kanser, kalp hastalıkları, akciğer hastalıkları, katarakt gibi pek çok hastalığa neden olmaktadır (Pehluvan ve Güleryüz, 2004).
Çeşitli etkenler sonucu ortaya çıkan serbest radikallerin neden olduğu reaksiyonu durduran, oksidasyona neden olan oksijeni ve metalleri bağlayarak oksidasyonun neden olduğu zararlanmaları engelleyen maddelere “antioksidan maddeler” denir. İnsan vücudu serbest radikallerin zararlı etkileri önlemek için superoksit dismutaz-SOD, katalaz-CAT, glutationperoksidaz-GP, glutation redüktaz, sitokrom-C-oksidaz, hidroksiperoksidaz gibi enzimleri içeren endojen antioksidanlar olarak adlandırılan kendi savunma mekanizmasına sahiptir (Gökpınar ve ark., 2006). Bu enzimler, normal şartlarda canlılardaki serbest radikalleri nötralize ederek hücrelerin serbest radikallerden etkilenmelerini önlemekte ve böylece oksidan/antioksidan dengesini sağlamaktadır. Canlılarda oksidan/antioksidan dengesinin antioksidan aleyhine bozulması oksidatif stres gelişimine neden olmaktadır. Son yıllarda yapılan çalışmalar oksidatif stresin erken yaşlanmada ile beraber birçok hastagın gelişiminde önemli rol oynadığını ortaya koymaktadır. Vücut endojen antioksidanların yetmediği durumlarda fenolik bileşikler, karatenoidler, C ve E vitaminleri gibi eksojen antioksidanlara ihtiyaç duymaktadır (Oğuz, 2008).
Fenolik bileşikler doğal antioksidanlar olup, serbest radikalleri bağlamaları, metallerle şelat oluşturmaları ve lipoksigenaz enzimini inaktive etmeleri nedeniyle antioksidan etki göstermektedirler (Barberousse ve ark., 2009). Bu bileşikler bitkilerin önemli sekonder aromatik metabolitleridir ve antioksidan özelliklerinin yanında meyve, sebze ve bitkisel gıdalarda bulunan, ağızda acılık ve burukluk gibi önemli tat unsurunun oluşmasında etkili olan maddelerdir (Nizamlıoğlu ve Nas, 2010).
Fenolik bileşikler, fenolik asitler ve flavonoidler olmak üzere iki gruba ayrılmaktadır (Demirbaş, 2008). Fenolik asitler, C6-C3 iskeletine dayanan sinamik asitlerle, C6-C1 iskeletine dayanan benzoik asitlerden oluşmaktadır. Flavonoidler ise C6-C3-C6
iskeletine dayanan difenilpropan yapısındadırlar (Serteser ve Gök, 2003). Fenolik asitler hidroksibenzoik ve hidroksisinamik asitler olarak iki gruba ayrılırlar. Fenolik asitlerin büyük bir kısmı bitkilerde organik asitler veya şekerler ile esterleşmiş halde bulunurlar. Yaygın bulunan fenolik asitler; kafeik asit, ferulik asit, p-kumarik asit ve o-kumarik asitlerdir (Saldamlı, 2005).
Fenolik bileşiklerin sağlık açısından birçok yararı bulunmaktadır. Bu bileşiklerin antialerjik, antienflamatuar, antidiyabetik, antimikrobiyal, antipatojenik, antiviral ve antirombotik etkiye sahip olduğu yapılan pek çok araştırma ile tespit edilmiştir (Aras, 2006). Aynı zamanda kanser, kalp hastalıkları, katarakt, göz hastalıkları ve alzheimer gibi hastalıkları engellemektedirler (Pehluvan ve Güleryüz, 2004). Bazı fenolik maddelerin hücre zarı çoklu doymamış yağ asitlerinin peroksidasyona duyarlılığını azalttığını ve kansere karşı koruyucu etki gösterdiklerini bildirmiştir. Kanser, kalp hastalıkları ve beyin damarlarına bağlı hastalıklarda ölüm oranı ve tümör oluşumu, kan basıncı diyetteki fenoliklerin miktarıyla ilgili olduğu belirtilmiştir (Baysal ve Yıldız, 2003). Fareler üzerinde yapılan bir çalışmada ferulik asit gibi fenolik bileşiklerin toplam kolestrol miktarını düşürücü etkisinin olduğu saptanmıştır. Ferulik asit LDL kolesterol konsantrasyonunu düşürücü, HDL kolesterol konsantrasyonunu da artırıcı etki göstermiştir (Ou ve Kwok, 2004). Antioksidan maddeler aynı zamanda cilt sağlığı açısından da önemlidir. Bu maddeler cilde elastikiyet kazandırıp, parlak, renkli ve sağlıklı bir görünüm vermekte, Herpes simplex virüsünün yol açtığı deri yaralarını da bir ölçüde önlemektedir. Böylece bir yerde deri kanserine karşı da koruyucu etki göstermektedir (Baysal ve Yıldız, 2003).
Son zamanlarda ilaç sanayiinde fenolik maddelerin özellikle antimikrobiyal özelliklerinden yararlanılmaktadır. Bazı fenoliklerin (gallik asit, p-hidroksibenzoik asit gibi) Clostridium botulinum’un A ve B tiplerinin sporlarına karşı etkili olduğu, bu sporların oranı azaldıkça fenolik maddelerin aktivitelerinin de arttığı bildirilmiştir (Baysal ve Yıldız, 2003).
3. MATERYAL VE YÖNTEM
3.1. Materyal
Araştırma için gerekli olan pamuk sapları Antalya ilindeki yerel üreticilerden tedarik edilmiştir. Hasat sonrası tarlada kalan pamuk sapları toplanmış, kurutularak, 5-10 mm uzunluğunda öğütülüp deneyler için hazır hale getirilmiştir.
Alüminyum silika jel 60 TLC (ince tabaka plakaları), Merck (Germany) firmasından temin edilmiştir. Ksiloz, glikoz, arabinoz ve ksilitol ile diğer kullanılan bütün kimyasallar Sigma (Sigma Chemical Company, MO, ABD) ya da Merk (Merck KGaA, Darmstadt, Almanya) firmalarından temin edilmiştir. Aminex HPX87H kolonu Biorad’dan (Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA, ABD) alınmıştır.
Candida tropicalis, KUKEN 1022-Mikroorganizmalar Kültür Koleksiyonu Araştırma ve Uygulama Merkezi İstanbul Üniversitesi Tıp Fakültesi Mikrobiyoloji Bölümü’nden temin edilmiştir.
3.2. Yöntem
3.2.1. Pamuk Saplarından Ksiloz Üretimi
Pamuk sapları 10:1 (ml asit/g atık) oranında %6 H2SO4 ile karıştırılarak 140°C de 15 dk
hidrolizasyona tabi tutulmuştur. Hidrolizasyon sonucu oluşan ksiloz miktarı DNS (Dinitrosalisilik asit) indirgen şeker metodu (Miller, 1959) ve HPLC de analiz edilmiştir (Akpinar ve ark., 2011a).
3.2.2. Ksilozun Fermantasyon İçin Hazırlanması
Yukarıda açıklandığı biçimde hazırlanan hidrolizatlar, CaCO3 ile nötralize edildikten
