BUĞDAY TARLASI ATIKLARINDAN ALKALİ HİDROLİZ İLE
FENOLİK MADDELERİN ÜRETİMİ VE ÜRETİM KOŞULLARININ OPTİMİZASYONU
Gülsen USAL Yüksek Lisans Tezi Gıda Mühendisliği Anabilim Dalı
Doç. Dr. Özlem AKPINAR 2014
T.C.
GAZİOSMANPAŞA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
GIDA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
YÜKSEK LİSANS TEZİ
BUĞDAY TARLASI ATIKLARINDAN ALKALİ HİDROLİZ İLE
FENOLİK MADDELERİN ÜRETİMİ VE ÜRETİM KOŞULLARININ
OPTİMİZASYONU
Gülsen USAL
2014 TOKAT
Qzlenp AKPINA
Uye: uye:
danrgmanh[mda, Giilsen USAL tarafrndan agagdaki
jiiri
tarafindan oybirlifi
ile Gns Tezi olarak kabul edilmigtir.
ulcrrrdaki sonucu onavlanm.
haztlanan
na uylr uygu4
TEZ BEYAI\I
olarak hazrrlanan bu tezin
eserlerinden v
ldulunu, tezin igerdigi yenil
verrilerde herhangi bir tahrifat bagka bir iiniversitedeki bagka
ÖZET
Yüksek Lisans Tezi
BUĞDAY TARLASI ATIKLARINDAN ALKALİ HİDROLİZ İLE
FENOLİK BİLEŞİKLERİN ÜRETİMİ VE ÜRETİM KOŞULLARININ
OPTİMİZASYONU
Gülsen USAL Gaziosmanpaşa ÜniversitesiFen Bilimleri Enstitüsü Gıda Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Doç. Dr. Özlem AKPINAR
Lignin parçalanma ürünleri; gıda, ilaç ve kozmetik sanayisinde kullanılan fenolik bileşiklerin üretimi için potansiyel bir kaynaktır. Fenolik bileşikler, özellikle insan sağlığına olumlu etkilerinden dolayı son yıllarda oldukça popüler olmuştur. Bu çalışmada, hasat sonrası ortaya çıkan buğday tarlası atıklarının değerlendirilmesi amacıyla, buğday sapları asit ve alkali işlemlerle parçalanmış ve ferulik ve p-kumarik asit gibi fenolik bileşikler üretilmiştir. Buğday saplarında bulunan hemiselülozu uzaklaştırmak amacıyla, önce asit ve sonrasında geride kalan lignin ve selülozu birbirinden ayırmak için de alkali hidrolizi yapılmıştır. Asit hidrolizasyonu ile hemiselüloz kendini oluşturan şekerlere parçalanmış, alkali hidrolizasyonu ile de lignin, fenolik bileşikler halinde çözünür hale geçirilmiştir. Buğday saplarından fenolik bileşiklerin üretimi üzerine sıcaklık, süre ve alkali konsantrasyonunun etkisi araştırılmış ve yüksek miktarda fenolik bileşik üretimi için koşullar tepki yüzey metodu kullanılarak optimize edilmiştir. Optimum koşullar olarak 2,3 M NaOH konsantrasyonunda 120 ºC sıcaklıkta 90 dakika hidrolizasyon süresi bulunmuş ve bu koşullarda yapılan hidrolizasyonda da, 1 g buğday sapından 0,79 mg ferulik asit ve 2,40 mg kumarik asit, 0,55 mg şiringik asit, 0,32 mg vanilik asit, 0,14 mg vanilin, 0,03 mg 3,4-dihidroksibenzaldehit, 0,03 mg p-hidroksibenzoik asit ve 0,002 mg gallik asit üretilmiştir. Optimum koşullardaki antioksidan aktivitesi ölçüldüğünde ise FRAP aktivitesi 1,11 mmol TE/l, TEAC aktivitesi 1,66 mmol TE/l, DPPH aktivitesi de 0,35 mmol TE/l olarak bulunmuştur. Sonuçlar buğday tarlası atıklarından ekonomik ve endüstriyel değeri olan yüksek antioksidan aktiviteye sahip fenolik bileşiklerin üretilebileceğini göstermiştir.
2014, 85 sayfa
ABSTRACT
M. Sc. Thesis
PRODUCTION OF PHENOLIC MATERIALS FROM WHEAT FIELD WASTE BY ALKALINE HYDROLYSIS AND OPTIMIZATION OF THE PRODUCTION
CONDITIONS
Gülsen USAL Gaziosmanpaşa University
Graduate School of Natural and Applied Science Department of Food Engineering
Supervisor: Prof. Dr. Özlem AKPINAR
Lignin degradation products can be used to produce phenolic compounds for food, cosmetic and pharmaceutical industries. Phenolic compounds, due to their positive effect on human health, have become popular products in recent years. In this study, to utilize the wheat field waste, wheat straw was treated with acid and alkaline to produce phenolic acid such as ferulic and coumaric acid. To remove hemicellulose, wheat straw was treated with acid, followed by alkaline to seperate lignin and cellulose from each other. With acid hydrolysis, hemicellulose was hydrolyzed to sugars and with alkaline hydrolysis, lignin was solubilized as phenolic compounds. Alkaline treatment was carried out to determine the effect of alkaline concentration, temperature and time on the production of phenolic compounds and alkaline treatment conditions was optimized by using responce surface method to produce the high amount of phenolic compounds. Optimum conditions were determined as 2,3 M NaOH concentration at 120 ºC for 90 minutes and at this conditions from 1 g of wheat straw, 0,79 mg/g ferulic acid, 2,40 mg/g coumaric acid, 0,55 mg/g syringic acid, 0,32 mg/g vanillic acid, 0,14 mg/g vanillin, 0,03 mg/g 3,4-dihydroxybenzaldehyde, 0,03 mg/g p-hydroxybenzoic acid and 0,002 mg/g gallic acid were obtained. Antioxidant activities of the hydrolysate, obtained at the optimimum conditions, were also measured and 1,11 mmol TE/l FRAP, 1,66 mmol TE/l TEAC and 0,35 mmol TE/l DPPH of antioxidant activities were found. The results showed that wheat straw can be used for the production of phenolic compounds with high antioxidant activity that have economic and industrial importance.
2014, 85 pages
ÖNSÖZ
Araştırmanın planlanmasında ve yürütülmesinde emeği olan ve çalışmanın her aşamasında desteğini ve ilgisini hiç esirgemeyen danışman hocam sayın Doç. Dr. Özlem AKPINAR’a, tezimi okuyup değerlendirdikleri için değerli jüri üyelerim Prof. Dr. Sefa TARHAN’a ve Yrd. Doç. Dr. Mehmet TOKATLI’ya, her zaman yanımda olup desteklerini hiç esirgemeyen aileme ve yüksek lisans arkadaşlarım Fatmagül HALICI, Esra TOPALOĞLU, Emel TEMİZ, Burcu SAPCI ve Serdal SABANCI’ya sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
Bu çalışma Gaziosmanpaşa Üniversitesi Bilimsel Projeleri Araştırma Komisyonu (Proje no: 2013/48) tarafından desteklenmiştir.
Gülsen USAL Ocak, 2014
İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET ... i ABSTRACT ... ii ÖNSÖZ ……… iii İÇİNDEKİLER ……… iv KISALTMALAR DİZİNİ ………….………. vi ŞEKİLLER DİZİNİ ... vii ÇİZELGELER DİZİNİ ……… viii 1. GİRİŞ ……….………...……….. 1 2. KAYNAK ÖZETLERİ …..………...……….... 3 2.1. Tarımsal Atıklar ……….……...………... 3 2.2. Lignoselülozik Maddeler ……….. 5
2.2.1. Lignoselülozik Maddelere Uygulanan Ön İşlemler... 6
2.2.2. Selüloz….………... 8 2.2.3. Hemiselüloz...………...……….. 9 2.2.4. Lignin ………..….. 13 2.3. Fenolik Bileşikler...………...………... 20 2.3.1. Antioksidan Maddeler..……….. 21 2.3.2. Ferulik Asit………..………... 23 2.3.3. Kumarik Asit..……… 26
2.3.4. Diğer Fenolik Bileşikler.……… 27
3. MATERYAL ve YÖNTEM... 31 3.1. Materyal ……….... 31 3.2. Yöntem ..………... 31 3.2.1. Asit Hidrolizi……….………. 31 3.2.2. Analitik Yöntem …...………. 31 3.2.3. Alkali Hidrolizi………... 32
3.2.4. Deneysel tasarım ve tepki yüzey metodu (Response Surface Methodology RSM) ile hidrolizasyon koşullarının optimizasyonu...……... 32
3.2.5. İndirgen Şeker Tayini…………..………... 34
3.2.6. Antioksidan Tayini………...……….. 34
3.2.6.1. Troloks Eşdeğeri Antioksidan Kapasitesi - TEAC…..……… 34
3.2.6.2. Demir (III) İndirgeme Antioksidan Gücü - FRAP………...……... 34
3.2.6.3. DPPH Radikal Süpürme Aktivitesi………...……..……… 35
3.2.7. Toplam Fenolik Madde Tayini...……….…………... 35
3.2.8. Ferulik Asit Tayini ……...………...……….. 36
3.2.9. İnce Tabaka Kromotografisi ile Hidrolizatların Kalitatif Analizi…...……... 36
3.2.10. HPLC ile Hidrolizatların Kantitatif Analizi...……….. 36
3.2.11. İstatistiksel Analiz...………. 37
4. BULGULAR ve TARTIŞMALAR…….…..………... 38
4.1. Buğday Sapının Kompozisyonu………… ……...……… 38
5. SONUÇ …….…...………... 65 6. KAYNAKLAR ……….……….. 67 EKLER ………... 74 EK A ……….... 76 EK B ……….... 77 EK C………... 78 EK D………. 79 EK E………. 80 EK F………. 81 EK G………. 82 EK H………. 84 ÖZGEÇMİŞ ………. 85
KISALTMALAR DİZİNİ
Kısaltma Açıklama
AAE Askorbik asit eşdeğeri
ABTS 2,2’-Azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)
AFEX Amonyak Lif Patlaması
BS Buğday Sapı
CCD Merkezi Birleşik Tasarım (Central Composite Design)
DNS Dinitrosalisilik asit
DPPH 2,2 diphenyl-1-picryhydrazyl
FRAP Demir İndirgeme Gücü Antioksidan Kapasitesi
GA Gallik asit eşdeğeri
HPLC TLC
Yüksek Basınçlı Sıvı Kromatografisi İnce Tabaka Kromatografisi
RSM Cevap Yüzey Yöntemi (Response Surface Methodology)
TE Troloks Eşdeğeri
TEAC Troloks Eşdeğeri Antioksidan Kapasitesi
TPTZ 2,4,6-Tris (2-pyridyl)-s-triazine
TUİK Türkiye İstatistik Kurumu
X1 NaOH konsantrasyonu
X2 Süre
X3 Sıcaklık
Y1 Ferulik asit miktarı
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 2.1.
Sayfa
Lignoselülozik materyalin yapısı………. 5
Şekil 2.2. Selülozun molekül yapısı ………...………. 8
Şekil 2.3. Ligninin yapısı………. 14
Şekil 2.4. Ligninin yapısındaki p-kumaril, koniferil ve sinapil alkol……... 15
Şekil 2.5. Lignin/fenolik/karbonhidrat kompleksleri…...……..……….………. 16
Şekil 2.6. Koniferil alkolün radikal çiftlerinden oluşan lignanlar...………. 17
Şekil 2.7. Tarımsal atıkların asit ve alkali hidrolizasyonuyla oluşan parçalanma ürünleri………. 18
Şekil 2.8. Ferulik asidin kimyasal yapısı………...……... 24
Şekil 2.9. p-Kumarik asidin kimyasal yapısı………..………. 27
Şekil 2.10. Vanilinin kimyasal yapısı………. 28
Şekil 2.11. Vanilik asidin kimyasal yapısı………. 29
Şekil 2.12. Şiringik asidin kimyasal yapısı………. 29
Şekil 2.13. Gallik asidin kimyasal yapısı……… 30
Şekil 4.1. Alkali hidrolizasyonu sonrası HPLC ile belirlenen fenolik bileşiklerin miktarları (mg/l hidrolizat)……… 48
Şekil 4.2. Alkali hidrolizasyonu sonrası HPLC ile belirlenen fenolik bileşiklerin miktarları (mg/g Buğday sapı)……….……..… 49
Şekil 4.3. Buğday saplarının alkali hidrolizasyonuyla ferulik asit üretimiyle elde edilen kontur ve yüzey grafikleri. A: 85 ºC sıcaklıkta alkali konsantrasyonu ve sürenin ferulik asit üretimine etkisi. B: 60 dakikada sıcaklık ve konsantrasyon değişiminin ferulik asit üretimine etkisi. C: 2 M NaOH konsantrasyonunda sıcaklık ve süredeki değişimin ferulik asit üretimine etkisi……… 58
Şekil 4.4. Buğday saplarının alkali hidrolizasyonuyla kumarik asit üretimiyle elde edilen kontur ve yüzey grafikleri. A: 85 ºC sıcaklıkta alkali konsantrasyonu ve sürenin kumarik asit üretimine etkisi. B: 60 dakikada sıcaklık ve konsantrasyon değişiminin kumarik asit üretimine etkisi. C: 2 M NaOH konsantrasyonunda sıcaklık ve süredeki değişimin kumarik asit üretimine etkisi………. 59
Şekil 4.5. Optimum koşullarda (2,3 M NaOH, 120 ºC, 90 dk) gerçekleştirilen hidrolizasyonla elde edilen fenolik bileşik miktarları (mg/l lidrolizat) 61 Şekil 4.6. Optimum koşullarda (2,3 M NaOH, 120 ºC, 90 dk) gerçekleştirilen hidrolizasyonla elde edilen fenolik bileşik miktarları (mg/g Buğday sapı)……….. 62
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 2.1.
Sayfa
Türkiye’de üretilen bazı tarım ürünleri ve oluşturdukları atıklar... 4 Çizelge 2.2. Hemiselüloza etki eden enzimler ve etki durumu….………. 11 Çizelge 3.1. Alkali hidrolizasyonunda denenen bağımsız değişkenlerin
değerleri……….. 33
Çizelge 3.2. HPLC’de kullanılan çözgen sistemi..………. 37
Çizelge 4.1. Buğday sapının asit hidrolizasyonu öncesi ve sonrası
kompozisyonu……… 39
Çizelge 4.2. Buğday sapının asit hidrolizasyonu sonrası sıvı kısmın
kompozisyonu……… 40
Çizelge 4.3. Buğday sapının asit (120 ºC‘de %4 H2SO4 ve 30 dakika) ve
farklı koşullarda alkali hidrolizasonu ile elde edilen selüloz,
hemiselüloz ve lignin verimleri ………. 42
Çizelge 4.4. Alkali hidrolizasyonu sonrası toplam fenolik ve ferulik asit
miktarları……… 45
Çizelge 4.5. Alkali hidrolizasyonu sonrası DNS miktarları………... 51 Çizelge 4.6. Alkali hidrolizasyonu sonrası antioksidan aktiviteleri…………... 52 Çizelge 4.7. Deneysel tasarım ve ön işlem görmüş buğday sapının alkali ile
hidrolizasyonu sonucu elde edilen değerler………... 55 Çizelge 4.8. Buğday saplarının asit ve alkali hidrolizasyonu sonrasında elde
edilen ferulik asit için ANOVA Çizelgesi……….. 56
Çizelge 4.9. Buğday saplarının asit ve alkali hidrolizasyonu sonrasında elde
edilen kumarik asit için ANOVA Çizelgesi.……….. 56
Çizelge 4.10. Buğday saplarından alkali hidrolizasyonuyla ferulik ve kumarik asit üretiminin optimizasyonu için kullanılan istatistik programı (Design Expert) tarafından önerilen optimum koşulları ve
program tarafından tahmin edilen değerler……… 60
Çizelge 4.11. Optimum koşullarda gerçekleştirilen alkali hidrolizasyonun toplam fenolik, FRAP, TEAC, DPPH ve DNS sonuçları……….. 64
1. GİRİŞ
Türkiye zengin tarımsal potansiyele sahip bir ülkedir. Geniş tarım alanlarından dolayı da yüksek oranda tarımsal atık açığa çıkmaktadır. Tarımdan daha fazla gelir sağlamak, çevreyi ve doğayı korumak hatta sosyo-ekonomik gelişmeyi sağlayabilmek için bu tarımsal atıkların değerlendirilmesi gerekmektedir. Amerika ve Kanada’da "bitkinin bütünsel olarak değerlendirilmesi" yaklaşımı benimsenmiştir (Alkaya ve ark., 2010). Ancak ülkemizde bu yaklaşım yaygın bir uygulama değildir.
Ülkemizde yıllık ortaya çıkan tarımsal atıklar verimli bir şekilde değerlendirilememektedir. Bu atıkların toplanması ve imha edilmesi ek maliyetler yaratmakta ve ekonomik bir değere sahip ürüne dönüştürülememekte ve genellikle hayvan yemi olarak kullanılmaktadırlar. Bu kullanımın dışında kalan tarımsal atıklar ise çoğunlukla ya tarlada yakılmakta ya da çürümeye bırakılmaktadır. Atıkların yakılmasıyla ekosistem zarar görmekte, çürümeye bırakılan atıkları da belli parazitler kışları konukçu olarak kullanmakta ve gelecek yıllardaki üretime hastalık taşımaktadırlar (Anonim, 2012a).
Tarımsal atıkların geri dönüşümü, karbon döngüsü ve atıkların aşırı birikiminin önlenmesi için önemlidir (Salgado ve ark, 2012). Bu atıklar, fosil kökenli kaynaklar yerine kullanılarak yüksek katma değerli biyoürünlerin üretiminde kullanılabilecek potansiyele sahip maddelerdir. Petrol rafinerilerinin bir benzeri olan biyorafinerileri ile petrol yerine tarımsal atıklar da dahil olmak üzere çeşitli kaynaklar kullanılarak organik asitler, çözücü maddeler, esterler, monomerler, polimerler gibi pek çok kimyasal madde, gübre, lif, biyoplastikler gibi değerli ürünler ve biyogaz, biyodizel, hidrojen, etanol gibi yenilenebilir enerji üretimi son yıllarda hız kazanmıştır (Alkaya ve ark., 2010).
Lignoselülozik yapıya sahip tarımsal atıklar selüloz, hemiselüloz ve lignin gibi önemli polimer kaynağıdır ve yapılarında bulundurdukları aromatik bileşikler ve birçok fonksiyonel grup sayesinde çeşitli kimyasalların ve ürünlerin üretimine imkan sağlamaktadır. Lignoselülozik yapılı atıklardan çeşitli şekerler, tatlandırıcılar, fenolik maddeler, etanol, biyodizel, yapıştırıcılar, kozmetik maddeler, kağıt hamuru, çeşitli
polimerler, temizleyiciler, deterjan, biyogaz, yapı malzemesi olmak üzere çeşitli maddeler elde edilebilmektedir.
Lignoselülozik materyalleri kullanılabilir hale getirmek için, öncelikle bu yapının parçalanması gerekmektedir. Bu amaçla son yıllarda, hemiselülozu uzaklaştırmak için asit ve geride kalan lignin ve selülozu ayırmak için de alkali uygulaması en çok kullanılan yöntemlerdir (Al Arni ve ark., 2007; Mussatto ve ark., 2007; Torre ve ark., 2008; Max ve ark, 2009). Lignin selülozu çevrelediğinden hidrolizini zorlaştırmaktadır ve bu nedenle lignini çözünür hale geçirebilecek işlemler daha çok tercih edilmektedir (Sun ve ark., 1997). Ligninin büyük bir kısmı asitte bile çözünmezken (klason lignin), küçük bir kısmı asitte çözünebilir (asit çözünür lignin) (Castro, 1994) ve hidrolizasyon esnasında fenolik bileşikleri oluşturmaktadır (Akpınar ve ark., 2012). Geride kalan lignini (klason lignin) kullanılabilir hale getirmek için, uygulanan uzaklaştırma yöntemlerinden birisi de alkali muamelesidir. Alkali muamelesinin lignini çözünür hale geçirmede ve fenolik asitlerin üretiminde oldukça etkili bir yöntem olduğu ispatlanmıştır (Al Arni ve ark., 2007).
Lignoselülozik yapının bir parçası olan lignin parçalanma ürünleri, gıda, ilaç ve kozmetik sanayisinde kullanılan, fenolik bileşiklerin üretimi için potansiyel bir kaynaktır.Bu fenolik bileşikler, günümüzde önemli bir yere sahip oksidasyonu önleyen
ya da geciktiren antioksidan özellik de gösteren maddelerdir ve özellikle insan sağlığına olumlu etkilerinden dolayı son yıllarda oldukça popüler olmuştur (Altuğ, 2009).
Bu tezin amacı, hasat sonrası ortaya çıkan buğday tarlası atıklarının sosyal, ekonomik ve çevresel sürdürülebilirliği sağlayabilecek şekilde değerlendirilmesi ve bu atıkların katma değeri yüksek ürünlere dönüştürülmesidir. Bu çalışmada lignoselülozik doğaya sahip buğday tarlası atığı olan buğday saplarından, önce asit ardından da alkali uygulaması ile lignin çözünür hale geçirilerek fenolik madde üretimi yapılmıştır. Alkali hidrolizasyon koşulları, fenolik asitler arasında yüksek miktarda ferulik ve kumarik asit üretimi için optimize edilmiştir.
2. KAYNAK ÖZETLERİ
2.1. Tarımsal Atıklar
Atık en basit tanımı ile "ihtiyaçlarımızı karşılamak üzere kullandığımız maddelerin, o an için kullanılmayan veya kullanıldıktan sonra atılan kısmıdır" (Anonim, 2011). Bunlar orman ürünleri atıkları, endüstriyel atıklar, tarımsal atıklar ve evsel atıkları içermektedir. Nüfus artışı, kentleşme ve sanayileşmenin ivme kazanması, çevreye gelişigüzel bırakılan atıkların miktarında ve türünde artışa sebep olmuş, böylece katı atıklar günümüzün en önemli çevre sorunlarından biri haline gelmiştir. Tarımsal alanlarda, yoğun bir emek ve yüksek maliyetler ile yetiştirilen bir bitkinin sadece tüketilen kısmının alınıp geri kalanının atılması, emeğin ve girdilerin de çöpe atılması anlamına geldiğinden (Alkaya ve ark., 2010) atıkların değerlendirilmesi konumuzun önemli alanlarından birini içerir.
Buğday, pirinç, arpa, mısır, yulaf gibi tahıllardan ve diğer bitkilerden sap, saman, kavuz, kepek, kabuk, küspe gibi tarımsal atıklar oluşmaktadır. Bu ürünler, biyokütle atıklarının toplam yıllık üretiminin önemli bir kısmını oluşturmaktadırlar (Pasha ve ark., 2013).
Türkiye’de yılda yaklaşık 50 milyon tondan fazla tarımsal atık açığa çıkmaktadır. Çizelge 2.1’de çeşitli tarım ürünlerinin üretimi ve oluşturdukları atık miktarı görülmektedir. Bu verilere bakıldığında ürünlerin üretim miktarlarına oranla oluşan tarım atıklarının oldukça fazla olduğu dikkat çeken bir durumdur (Alkaya ve ark., 2010). Tarım ürünlerinin tamamı düşünüldüğünde, önemli oranda biyokütlenin atık olarak kaldığı söylenebilir.
Buğday, ülkemizde en fazla üretilen üründür ve başta İç Anadolu Bölgesi olmak üzere hemen hemen her bölgede yetişebilen, toplam tahıl alanları içinde en fazla ekimi yapılan üründür. Toplam tahıl üretiminde en büyük paya sahip olan buğdayda, yeterlilik derecesi (Yeterlilik derecesi=Standart değer/Gerçekleşen değer (Anonim, 2013a)) %102,2 olarak, tahıl ürünleri arasında birinci sıradadır (Anonim, 2013b). Türkiye İstatistik Kurumu (TUİK) verilerine göre 2012 yılında 75 296 394 dekar alanda ekimi yapılan buğday 20 100 000 ton üretimle birinci sıradadır. Buğday, çalışmanın yürütüldüğü Tokat ilinde de üretilen tarla ürünleri arasında 89 905 hektar alandan ekilen
alanların %35’ini oluşturarak birinci sıradadır (Anonim, 2013b). Üretilen buğday ise, yaklaşık 368 000 tonla (Sabancı, 2012) tarla ürünlerin %58’ini oluşturmakta ve yine ilk sırada gelmektedir (Anonim, 2013b).
Çizelge 2.1. Türkiye‘de üretilen bazı tarım ürünleri ve oluşturdukları atıklar (Anonim, 2007; Anonim,
2012b; Halıcı, 2013).
Ürünler Atık Üretim
(ton) Alan (ha) Toplam Atık (ton) Referans
Buğday Saman 20 100 000 75 296 394 26 130 000* Anonim,
2012b
Arpa Saman 7 100 000 27 487 664 8 519 999* Anonim,
2012b
Mısır Sap, Koçan 4 600 000 622 609 12 307 538*
241 999*
Anonim, 2012b Pamuk Sap, Çırçır atığı 2 320 000 4 884 963 6 391 599 *
487 199*
Anonim, 2012b
Ayçiçeği Sap 1 370 000 604 616 3 836 001* Anonim,
2012b Pirinç Saman, Kabuk 331 563 59 879 582 555 88 527 Anonim, 2007
Yulaf Saman 322 830 150 459 419 678 Anonim,
2007
Çavdar Saman 253 243 145 907 405 188 Anonim,
2007
Tütün Sap 181 382 222 691 362 763 Anonim,
2007
Yer fıstığı Saman, Kabuk 55 241 25 167 127 054
27 621
Anonim, 2007
Soya Saman 28 795 15 064 60 468 Anonim,
2007
*Anonim 2007 ‘de belirtilen rakamlara göre teorik olarak hesaplanmıştır
Buğday işlenmesi sırasında yan ürün olarak önemli miktarda buğday sapı oluşmaktadır. Buğday sapı, bitkinin %60’ını oluşturmakta (Pasha ve ark., 2013) ve 1 kg buğdaydan yaklaşık 1,3-1,4 kg buğday sapı elde edilmektedir (Montane ve ark., 1998). Günümüzde genellikle hayvan yemi olarak kullanılmaktadır ve buğdayın ekonomik
bırakılmaktadır. Günümüzde artan çevresel endişeler, araştırmacıların bu tip tarımsal atıkların gıda ve gıda dışı amaçlar için kullanılarak değerlendirilmesi üzerine odaklanmasına sebep olmuştur.
2.2. Lignoselülozik Maddeler
Lignoselülozik kütle, yakıt veya kimyasallara dönüştürülebilen polimerlerin yaygın, yenilenebilir ve ucuz bir kaynağıdır (Hasyierah ve ark., 2008). Bu materyaller kaynağına bağlı olarak dört gruba ayrılabilir. Bunlar; orman atıkları, katı atıklar, atık kağıt ve hasat sonrası kalan atıklardır (Balat, 2011).
Lignoselülozik kaynakların fiziksel ve mekanik özellikleri gibi kimyasal kompozisyonları da özeldir. Bu materyaller Şekil 2.1’de de gösterildiği gibi başlıca lignin, hemiselüloz ve selülozdan oluşan kompleks bir yapıya sahiptir. Bitkilerdeki kompozisyonları değişebilse de, temel bileşen selüloz %35-50, hemiselüloz %20-35, lignin %25 oranında bulunmaktadır (Hasyierah ve ark., 2008) ve kuru ağırlığın yaklaşık %90’ını oluşturmaktadır (Balat, 2011). Proteinler, yağlar ve kül lignoselülozik kütlenin geri kalan fraksiyonunu oluşturmaktadır (Hasyierah ve ark., 2008).
Selüloz Hemiselüloz Lignin Hemiselüloz Selüloz
2.2.1. Lignoselülozik Maddelere Uygulanan Ön işlemler
Lignoselülozik materyallerin yapısı çok karmaşıktır ve genellikle enzimatik hidrolizasyona dirençlidir. Enzimatik hidroliz öncesi, biyokütleye uygulanan ön işlemler çok önemlidir (Saha, 2003). Lignoselülozik materyallerden selüloz, hemiselüloz ve lignin bileşenlerini, birbirinden ayırmak, çözündürmek ve hidrolize etmek için çeşitli ön işlemler vardır (Saha, 2003; Hasyierah ve ark., 2008). Bu ön işlemler fiziksel, fizikokimyasal, kimyasal ve biyolojik olabilir (Saha, 2003). Lignoselülozik materyallere uygulanan ön işlemlerin etkisi uzun zamandır bilinmektedir. Farklı ön işlemlerle, biyokütlenin boyutu küçültülür, fiziksel yapısı açılır, lignin ve hemiselüloz biyokütleden uzaştırılır, selülozun kristalliği azaltılır ve gözenekli yapı artırılır (Hasyierah ve ark., 2008).
Fiziksel işlemler; mekanik olarak parçalara ayırma ya da pirolizdir. Lignoselülozik materyallerin fiziksel parçalanmasına uygulanan kuvvet en sonunda istenen parçacık büyüklüğüne ve atık lignoselüzik biyokütlenin karakteristiğine bağlıdır. Piroliz işlemleri ise 300 °C’den yüksek sıcaklıklarda hammaddenin oksijensiz ortamda yakılmasıdır (Hasyierah ve ark., 2008).
Fizikokimyasal ön işlemler üç temel gruba ayrılmaktadır. Bunlar; buhar patlaması (hidroliz), amonyak lif patlaması (AFEX) ve CO2 patlamasıdır. Buhar
patlaması en yaygın kullanılan yöntemdir. Genellikle enzimatik hidrolizin etkinliğini artırmak, inhibitör bileşiklerin üretimini azaltmak ve hemiselülozun tam parçalanmasını sağlamak için H2SO4 ya da CO2ile birlikte kullanılmaktadır. Bu yöntemde parçalanmış
biyokütle, yüksek basınçta buharla doyurulur ve sonra basınç hızlıca düşürülerek materyalde bir patlama etkisi yaratılmaktadır. AFEX, buhar patlamasıyla çok benzerdir. Buhar patlamasından tek farkı, buhar yerine sıvı amonyak kullanılmasıdır. Bu yöntem birçok lignoselülozik materyalde ön işlem olarak uygulanmaktadır; ancak yüksek lignin içerikli materyallerde fazla etkili değildir. Uygulamadan sonra sıvı amonyağın geri dönüşümünün pahalı olması ve çevreye zarar vermesi bu yöntemin dezavantajıdır. CO2
patlaması amonyak patlamasına göre daha ucuzdur ayrıca buhar patlamasında olduğu gibi inhibitör bileşik oluşmasına neden olmamaktadır (Hasyierah ve ark., 2008). Süper
Kimyasal ön işlemler beş gruba ayrılmaktadır. Bunlar; ozonlama, asit hidrolizi, alkali hidrolizi, oksidatif delignifikasyon ve organosolvent uygulamalardır. Ozonlama uygulamalarının birçok avantajı vardır. Lignini uzaklaştırması, toksik bileşikler üretmemesi, ozonlama reaksiyonunun oda sıcaklığında ve basıncında gerçekleşebilmesi gibi; ancak fazla miktarda ozon kullanılması, uygulamayı pahalı kılmaktadır (Hasyierah ve ark., 2008). Asit hidrolizinde genellikle, H2SO4 ve HCl gibi asitler kullanılmaktadır.
İki türlü asit uygulaması vardır. Bunlar: yüksek sıcaklık seyreltik asit veya düşük sıcaklık konsantre asit uygulamasıdır; ancak konsantre asitler toksik, korozif etkiye sahiptir ve tehlikelidir. Ayrıca reaksiyon sonrasında korozyona neden olan kalıntılar bırakabilmektedir ve asit hidrolizinden sonra enzimatik hidroliz ya da fermantasyon uygulamaları için, ortamın nötralize edilmesi gereklidir (Hasyierah ve ark., 2008). Yüksek sıcaklıkta seyreltik asit uygulamasında; hemiselüloz, ksiloz, arabinoz ve diğer suda çözünür şekerlere hidrolize olurken, selüloz ve ligninin büyük çoğunluğu ise olduğu gibi kalmaktadır (Saha, 2003). Alkali hidrolizinde ise, kullanılan alkaliler lignoselülozik materyalin şişmesine neden olarak, iç yüzey alanında artış sağlamakta, lignin ve karbonhidratlar arasındaki güçlü bağları parçalayarak, ligninin yapısını bozmakta ve polimerlerin polimerizasyon derecesini ve kristalliğini azaltmaktadır. Genellikle alkali olarak seyreltik sodyum hidroksit (NaOH) çözeltisi kullanılmaktadır; ancak bu yöntem %10-18 gibi düşük oranda lignin içeren materyallerde etkilidir. %26’dan fazla oranda lignin içeren materyallerde etkili değildir (Hasyierah ve ark., 2008, Torre ve ark., 2008). Oksidatif delignifikasyon ise, hidrojen peroksit (H2O2) ile
gerçekleştirilmektedir. Ligninin yaklaşık %50’si ve hemiselülozun büyük kısmı, %2 H2O2’de 30 °C sıcaklıkta 8 saatte çözünür hale gelmektedir. Organosolvent
uygulamalarında, HCl ya da H2SO4 gibi inorganik asitlerle organik çözücü karışımı,
hemiselüloz ve ligninin iç bağlarını kırmak için kullanılır. Bu uygulamada kullanılan organik çözücüler, metanol, aseton, etilen glikol, trietilen glikol ve tetrahidrofurfiril alkoldür; ancak ön işlemden sonra organik çözücüler mikroorganizmalara inhibitör etki gösterdiği için uzaklaştırılması gerekmektedir (Hasyierah ve ark., 2008).
Biyolojik ön işlem uygulamalarında; hemiselüloz ve lignini parçalayabilen mikroorganizmalardan yararlanılmaktadır. Phanerochaete chrysosporium gibi beyaz çürükçül küfler lignoselülozik materyallerin biyolojik ön işlemleri için en etkili mikroorganizmadır. Bu mikroorganizma, lignin parçalayıcı enzimler üreterek lignin
polimerlerini parçalayıp vanilya, vanilik asit, ferulik asit, koniferil aldehit, gualiasilglikol gibi bileşikler oluşturmaktadır (Hasyierah ve ark., 2008). Bu yöntemin en büyük avantajı, işlemin ılımlı koşullarda gerçekleşmesi ve yüksek enerji girdisine ihtiyaç duymamasıdır; ancak yöntem diğerlerine göre çok daha yavaş ilerlemektedir ve pahalıdır (Sun ve Cheng, 2002).
2.2.2. Selüloz
Selüloz, yüksek derecede kristalimsi özellik gösteren β -1,4 bağıyla bağlı D-glikozların düz zincirli polimerleridir (Hasyierah ve ark., 2008). Ana zinciri 10 000’den fazla, kaynağına göre 7 000 ve 15 000 arasında glikoz içermektedir. Glikoz üniteleri sandalye formunda (4C1) bulunmaktadır. Her glikoz ünitesi komşusuna 180º açıyla
bakmaktadır. Bu nedenle polimerin tekrarlanan ünitesi glikoz olarak değil sellobiyoz olarak adlandırılmaktadır (Şekil 2.2) (Akpınar, 2003; Palonen, 2004).
Sellobiyoz Glikoz İndirgen Uç
Şekil 2.2. Selülozun molekül yapısı
β-1,4 glikozidik bağıyla D-glikopriranoz monomerlerinden oluşan düz şerit formundaki molekül, molekül içi ve moleküller arası hidrojen bağları ile birbirine bağlıdır (Shelton ve Lee, 2000). Selüloz zincirindeki fonksiyonel grup olan hidroksil grupları birbirleriyle ya da O-, N- ve S- gruplarına hidrojen bağı yaparak etkileşime
güçlü hidrojen bağlarıyla stabilizedir. Bitki kaynaklı doğal selülozda zincir, hidrojen bağlarıyla yüksek kristal mikrofibriller oluşturur ve bir tek selüloz kristali paralel yönde onlarca selüloz zinciri içerir (Palonen, 2004).
Doğal selüloz, düzenli kristal yapıyla beraber kristal olmayan (amorf) bölgelerden de oluşmuştur (Shelton ve Lee, 2000). Selüloz için; Iα, Iβ, II, IIII, IIIII, IVI
ve IVII olarak yedi kristal polimorf tanımlanmıştır. Doğada selülozun Iα ve Iβ formları
en fazla görülen kristal formlarıdır (Palonen, 2004). Amorf selüloz, suyu hızlı bir şekilde absorbe edebilmektedir. Böylece bitkiye yapısal dayanıklılık ve kırılmalara karşı direnç sağlar. Selüloz, nem çekici bir materyaldir. Suda çözünmez; su, zayıf asit ve birçok çözücüde şişebilir (Shelton ve Lee, 2000).
Selüloz dünyada en yaygın bulunan organik polimerdir (Sun ve ark., 1997). Tekstil, kağıt, mobilya, ilaç, kozmetik ve gıda sanayinde kullanılmaktadır. Toz formda dolgu maddesi olarak, diyet gıdalar ve tıbbi tabletlerde bağlayıcı, jel formda viskoziteyi düzenleyici, pasta ve krema gibi ürünlerde emülsifiye edici olarak kullanılmaktadır (Laka ve Chernyavskaya, 2007). Ayrıca selüloz, glikoza hidrolize edilerek mikrobiyal veya kimyasal yöntemlerle çeşitli ürünlere dönüştürülebilmektedir. Bu ürünlere başta etanol olmak üzere bütanol, organik asitler, aseton ve gliserol örnek verilebilir (Howard ve ark., 2003; Sasaki ve ark., 2012). Son dönemlerde selülozdan tuvalet kağıdı üretiminin yapıldığı da görülmektedir (Ruiken ve ark., 2012).
2.2.3. Hemiselüloz
Hemiselüloz doğada en yaygın bulunan ikinci polisakkarittir (Saha, 2003; Pasha ve ark., 2013). D-ksiloz ve L-arabinoz gibi pentozlar; D-mannoz, D-glikoz, D-galaktoz gibi hekzozlar ve üronik asitler içeren dallanmış yapılı polimerdir (Saha, 2003; Hasyierah ve ark., 2008). Kimyasal yapısı selüloz gibi homojen değildir (Ramos, 2003; Saha, 2003). Hemiselüloz çeşitli şeker üniteleri (L-arabinoz, galaktoz, ksiloz, D-glikoz, D-mannoz, 4-O-metil-D-glikuronik asit, D-glikuronik asit ve galaktronik asit) içermesi, daha kısa molekül zincirleri ve asetil ve metil gibi yan gruplar içermesinden dolayı selülozdan farklıdır. Hemiselülozlar suyla etkileşime girerler ve fonksiyonel özellikleri, onların moleküler ağırlıkları ve dallanma dereceleriyle son derece ilgilidir
(Pasha ve ark., 2013). Çoğunlukla diğer polisakkaritlere, protein ya da ligninlerle ilişkili ya da çapraz bağlıdır. Çözünürlüğü selülozdan daha fazla olduğundan dolayı, ekstraksiyonla odunsu yapılardan izole edilebilir ve ortalama polimerizasyon derecesi türe bağlı olarak 70 ve 200 Da arasında değişir (Palonen, 2004).
Hemiselülozun yapısı bitki tipine bağlı olarak (sert odunsu ve yumuşak odunsu bitkiler) değişmektedir ve kaynağına göre glikomannan ya da ksilan yapısında bulunmaktadır. (Fengel ve Wegener, 1989; Pasha ve ark., 2013). Sert odunsu bitkilerin hemiselülozları çoğunlukla ksilanları içerirken, yumuşak odunsu bitkilerin yapısında bulunan hemiselülozlar çoğunlukla mannanları içermektedir (Saha, 2003).
Mannan tipli polisakkaritleri, glikomannan ve galaktomannanlar oluşturur. Yumuşak odunsu galaktoglikomannalar, β -D-glikopiranozil ve β-D-mannopiranozil üniteleriyle birbirlerine β-1-4 bağlı bir omurga oluşturmaktadır. Bu omurgaya D-galaktopiranoz birimleri α-1,6 glukozidik bağı ile bağlanmıştır. Galaktoglikomannanlar suda ve alkalide çözünebilir olarak ikiye ayrılabilir (Palonen, 2004; Girio ve ark., 2010; Peng ve ark., 2012).
Ksilanlar heteroksilan ve homoksilan şeklinde ikiye ayrılmaktadır. Homoksilanın β -1,3 veya β-1,3;1,4 glikozidik bağı ile birbirine bağlanmış D-ksilopiranoz ünitelerinden oluşan iskelet kısmı vardır ve sadece deniz yosunlarında görülmektedir (Girio ve ark., 2010). Heteroksilan yapılarında ksiloz, arabinoz, glikuronik asit veya onun 4-O-metil eteri, asetik, ferulik ve p-kumarik asitler ve az da olsa glikomannan bulunmaktadır. Bu yapıların sıklık ve kompozisyonu ksilan kaynağına bağlıdır (Ramos, 2003; Saha, 2003). Yumuşak odunsu ksilanlar asetilleşmeyen arabino-4-O-metilglikoronoksilanlardan oluşmuştur. Sert odunsu ksilanlar ise 4-O-metil-α-D-glikuronik asit ve asetil grupları içeren β -D-ksilopronozil ünitelerinden oluşmuştur (Palonen, 2004). 4-O-metilglikuronik asit, ksilan omurgasına O-(1→2) glikozidik bağla bağlıdır ve asetik asit, C-2 ve/veya C-3 hidroksil grubuna esterleşmiştir (Palonen, 2004). Heteroksilanlar, yapısında bulundurduğu şekerlere bağlı olarak glikuronoksilan, arabinoglikuronoksilan ve glikuronoarabinoksilan olarak adlandırılır. Arabinoglikuronoksilan ve glikuronoarabinoksilan ksiloz ana iskeletinin 2. larına sırasıyla 4-O-metil-D-glikuronik asit ve α-L-arabinofuranozun
halde de bulunabilir. Her iki yapı birbirine benzer olmasına rağmen glikuronoarabinoksilan yaklaşık on kat daha fazla arabinoz içermektedir. Arabinoglikuronoksilan yapısı daha çok iğne yapraklı bitkilerde görülmektedir ve mısır koçanı ve buğday saplarından elde edilmektedir. Glikuronoarabinoksilan yapısı, mısır, buğday, pirinç kepeği ve tahıl tanelerinin endosperm dışındaki dokularında bulunmaktadır (Girio ve ark., 2010; Peng ve ark., 2012).
Enzimler ve çeşitli kimyasallar, hemiselülozları parçalar. Hemiselülozun enzimatik hidrolizi ön işlem, ayırma ve sonrasında nötralizasyon gerektirmeyen bir yöntemdir (Pasha ve ark., 2013). Bununla beraber kompleks yapısından dolayı tamamen hidrolizasyonu için, sinerjist etkide çalışan birkaç enzime ihtiyaç duyulur (Palonen, 2004). Bunlar; endo-β-1,4-ksilanaz, β-ksilosidaz ve l-arabinofuranosidaz, α-glikuronidaz, asetilksilan esteraz, ferulik asit esteraz ve p-kumarik asit esteraz enzimleridir (Saha, 2003) (Çizelge 2.2). Çizelge 2.2’de bu enzimlerin hidroliz ettiği substratlar ve bağlar listelenmiştir.
Çizelge 2.2. Hemiselüloza etki eden enzimler ve etki durumu (Saha, 2003)
Enzim Etki durumu
Endoksilanaz Ksilan omurgasındaki β -1,4 ksiloz bağlarını rastgele hidroliz eder
Ekzoksilanaz β-1,4 ksiloz bağlarını uçlardan başlayarak hidroliz eder
β-ksilosidaz Ksilobiyozdan ve kısa zicirli ksilooligosakkaritlerden ksiloz açığa çıkarır
α-arabinofuranosidaz Arabinoksilanlardaki α-arabinofuranozu serbest hale geçirir α-glukuronidaz Glikuronoksilanlardan glikuronik asit açığa çıkarır
Asetilan esteraz Asetil ksilanlarda asetil ester bağlarını hidroliz eder Ferulik asit esteraz Ksilanlardaki feruloil ester bağlarını hidroliz eder
p-kumarik asit esteraz Ksilanlardaki p-kumaril ester bağlarını hidroliz eder
Hemiselüloz biyoetanol, gıda endüstri ürünleri (prebiyotik ksilooligosakkaritler, ksilitol, laktik asit…), biyopolimerler ve aktif madde, yapıştırıcılar ve ilaçlar gibi diğer kimyasalların üretiminde kullanılabilmektedir (Pasha ve ark., 2013). Son yıllarda
delignifikasyonu, hayvan yeminin sindirilebilirliğinde artış, meyve suyu klarifikasyonu, bira kıvamının gelişimi gibi çeşitli sanayi uygulamalarında kullanımından dolayı dikkat çekmektedir. Hemiselülozu parçalayan ya da parçalanmaya yardım eden enzimler, ağartıcı özelliklerinden dolayı kağıt ve pulp endüstrisinin ilgi alanındadır (Saha, 2003).
Hemiselüloz, biyobozunur bir polimerdir. Bu özelliğinden dolayı çevre dostu plastiklerin üretimi için uygun olduğu düşünülmektedir. Hemiselülozdan üretilen filmler, oksijen geçirebilir yapıda olmasından dolayı gıda ambalajlanmasında ve alışveriş poşetleri yapımında kullanılabilir (Göksu ve ark., 2007; Hansen ve Plackett, 2008; Bahçegül, 2011).
Hemiselülozun parçalanması sonucu ksiloz, arabinoz, glikoz, galaktoz, arabinoz, mannoz gibi şekerler açığa çıkmakta ve etil alkol, ksilitol, laktik asit, 2,3-bütilen glikol gibi ürünlerin üretiminde kullanılanılmaktadırlar. Pek çok mikroorganizma, hemiselülozik şekerleri bu ürünlere fermente edebilir. Mikroorganizmalar ortamdaki glikozu çabuk ve etkili şekilde kullanırken, diğer şekerleri kolay kullanamazlar; ancak ksiloz, arabinoz, mannoz gibi hemisellülozik şekerleri de kullanan mikroorganizmalar vardır. Pachysolen tannophilus, Pichia stipitis, Candida shehatae gibi bazı mayalar hemiselülozdaki ksilozu etanole fermente edebilir (Saha, 2003). Hemiselülozun parçalanmasıyla açığa çıkan şekerleri (özellikle ksiloz, mannoz, galaktoz) Lactobacillus
rhamnosus, Lactobacillus pentosus ve Debaryomyces hansenii, laktik asit ve ksilitole
fermente edebilir (Max ve ark., 2010). Rhizopus oryzae gibi mayalar da ksilozdan laktik asit üretebilme yeteneğine sahiptir (Saito ve ark., 2012). Corynebacterium ve Enterobacter gibi bazı bakteriler (Parajó ve ark., 1998), Candida guilliermondii ve Candida tropicalis (Sabancı, 2012; Sapcı, 2012) gibi mayalar da ksilozdan ksilitol üretebilen
mikroorganizmalardır.
Hemiselülozun bir diğer parçalanma ürünü olan ksilooligosakkaritler, ksiloz üniteleri içeren ve prebiyotik etkiye sahip oligomerlerdir. Bu özelliğinden dolayı ksilooligosakkaritler fonksiyonel gıdaların üretiminde kullanılmaktadır (Akpınar ve ark., 2009; Peng ve ark, 2012).
2.2.4. Lignin
Lignin, doğal bir polimer olarak tüm bitkilerde bulunur (Lu ve Ralph, 2012) ve bitki hücre duvarlarında fazla bulunan doğal kaynaklardan biridir. Selüloz ve hemiselülozdan sonra en yaygın bulunan üçüncü doğal polimerdir (Buranov ve Mazza, 2008) ve önemli bir miktarı da kağıt yapımının bir yan ürünü olarak elde edilmektedir (Zhang ve ark., 2012).
Lignin, hücre duvarına dirençlilik ve sağlamlık katan yapısal materyaldir ve biyolojik saldırılara selüloz ve diğer yapısal polisakkaritlerden daha fazla dirençlidir. Bitkilerde; bitki gelişimindeki fonksiyonu, bitkiye mekanik güç sağlaması, degradasyondan koruması gibi farklı alanlarda anahtar bir öneme sahiptir. Temel bir hücre duvarı bileşeni olarak lignin; sertlik, su ve besinlerin iç dolaşımını ve mikroorganizma saldırılarına karşı dayanıklılık sağlamaktadır (Buranov ve Mazza, 2008; Hasyierah ve ark., 2008; Ghaffar ve Fan, 2013).
Lignin uzun zincirli, alifatik ve aromatik karboksilik asit gruplarına sahip, çoğunlukla fenilpropan ünitelerinden oluşan heterojenik bir polimerdir (Şekil 2.3) (Hasyierah ve ark., 2008; Zhang ve ark., 2012). Fenilpropanoid yapı birimleri birbirine β-O-4, β-5, β-β gibi bağlarla bağlıdır (Lu ve Ralph, 2012). Dallanmış halde bulunan lignin, hücre duvarı bileşenlerine çapraz bağlanmıştır (Lu ve Ralph, 2012) ve selüloz ve hemiselüloz matriksine gömülmüş halde bulunmaktadır (Hasyierah ve ark., 2008). Hidrofobik ve partükül yapıda bir polimedir, globüler formda yapılar ve amorf bölgeler içerir (Palonen, 2004). Hidroksil ve metoksil grupları, ligninin hidrofobik karakterine rağmen selüloz mikrofibrilleriyle etkileşime girebilir. Optikçe aktif değildir (Lu ve Ralph, 2012) ve yapısında fenolik gruplar bulundurduğundan antioksidan aktiviteye sahiptir (Silva ve ark., 2013).
Şekil 2.3. Lignininin yapısı (Anonim, 2014a)
Ligninin, hücre duvarında üç boyutlu ağ yapısını, trans-p-kumaril alkol, guasil (koniferil) alkol ve şiringil (sinapil) alkol (Şekil 2.4) olarak adlandırılan üç temel aromatik alkol (monolignol) birimi oluşturmaktadır. Bu aromatik yapılı birimler çeşitli ester, eter ve karbon-karbon bağlarıyla birbirine bağlıdır. En baskın bulunan bağlantı β-O-4 bağlantısıdır. (Castro, 1994; Ghaffar ve Fan, 2013; Pasha ve ark., 2013).
Şekil 2.4. Ligninin yapısındaki p-kumaril, koniferil ve sinapil alkol (Anonim, 2014b)
Lignin yapısı homojen değildir (Şekil 2.3 ve 2.4) ve yapısının karmaşıklığı ligninin kimyasal ve fiziksel yapısı için belirli bir modelin kabul edilmesini zorlaştırmaktadır (Palonen, 2004), izolasyonu ise zor olsa da mümkündür. Ligninin bileşimi ve yapısı türler arasında önemli ölçüde farklılık göstermektedir (Max ve ark., 2010) ve gymnosperm (yumuşak odunsu), angiosperm (sert odunsu) ve çimensi lignin (odunsuz ya da otsu ürünler) olarak lignin üç gruba ayrılmıştır. Sonrasında, bu sınıflandırmanın tüm bitkilerdeki lignin yapısını kapsamadığından yetersiz kaldığı tespit edilmiştir. Bazı araştırmacılara göre ligninin guasil lignin ve guasil-şiringil lignin olmak üzere iki sınıfa ayrılması gerektiği önerilmiştir (Sun ve ark., 1997; Palonen, 2004; Ghaffar ve Fan, 2013). Yumuşak odunsu bikilerin ligninleri sadece guasil birimlerden, sert odunsu ligninler çoğunlukla guasil ve şiringil ünitelerden oluşmuştur (Sun ve ark., 1997; Palonen, 2004; Sabancı, 2012). Guasil ligninler, koniferil alkol üniteleri, guasil-şiringil ligninler ise guasil ve guasil-şiringil yapıları ile beraber az miktarda da p-hidroksifenil üniteleri içerir (Palonen, 2004). Tüm ligninler genellikle p-kumaril alkol içermektedir; fakat çimensi lignindeki p-kumaril alkol miktarı, sert odunsu bitkilerideki ligninden daha fazladır (Ghaffar ve Fan, 2013).
Lignin yapısında fenolik asitler, hidroksisinamik ve hidroksibenzoik türevleri halinde bulunmaktadır. Hidroksisinamik asitler, hem alkali çözünür (ester) hem de asit çözünür (eter) bağlarla lignoselülozik maddelerde bulunmaktadır. Lignin her zaman hemiselülozla kompleks haldedir (Şekil 2.5). Sadece fiziksel olarak değil, aynı zamanda kovalent bağlarla da bağlıdır (Buranov ve Mazza, 2008). Baskın hidroksisinamik asitlerinden ferulik asit lignine eter ve ester, polisakkaritlere ise ester bağlarıyla; p-kumarik asit ise lignine ve polisakkaritlere ester bağlarıyla bağlıdır (Sun ve ark., 1997). Lignin ve polisakkaritler arasındaki bağlantıda lignin, temel olarak ksilan yan zincirindeki arabinoza ester bağıyla bağlıdır (Şekil 2.5) (Sun ve ark., 1997; Buranov ve Mazza, 2008; Ghaffar ve Fan, 2013).
Şekil 2.5. Lignin/fenolik/karbonhidrat kompleksleri (Buranov ve Mazza, 2008)
Monolignollerin (p-kumaril, koniferil ve sinapil alkol) dimerleşmeşiyle lignanlar (Şekil 2.6) oluşmaktadır. Lignanlar bitkilerde doğal savucular olarak dağılmışlardır. Ligninin aksine lignanlar optikçe aktiftir. Antibakteriyel ve antioksidan aktivite gibi çeşitli biyolojik aktivitelere sahiptirler. 7-hidroksimatairesinol ve şiringaresinol baskın iki tahıl lignanınıdır. Keten tohumu ve susam lignanların en zengin kaynağıdır (Buranov ve Mazza, 2008).
Şekil 2.6. Koniferil alkolün radikal çiftlerinden oluşan lignanlar (Buranov ve Mazza, 2008)
Biyokütlenin kullanımındaki temel engel, lignin-karbonhidrat kompleksidir. Biyokütlenin biyoürün ve biyoyakıt üretimi için enzimatik parçalanabilirliği çoğunlukla lignin miktarına bağlıdır; bu nedenle lignin, dünyada biyobazlı ekonomi için ürünlerin üretiminde önemli bir rol oynamaktadır (Buranov ve Mazza, 2008). Ligninin aromatik yapısından dolayı, ligninden pek çok kimyasal üretilebilmektedir. Yüksek molekül ağırlıklı lignin; karbon lifler, polimer tamamlayıcı, yapıştırıcı ve reçine üretiminde kullanılabilir (Silva ve ark., 2013). Parçalanma ürünleri ise gıda, ilaç, kozmetik sanayisinde kullanılan fenolik bileşiklerin üretimi için potansiyel bir kaynaktır. Fenolik bileşikler özellikle insan sağlığına olumlu etkilerinden dolayı son yıllarda oldukça popüler olmuştur (Buranov ve Mazza, 2008). Bütün bu özelliklere rağmen, bu polimer yeterli düzeyde kullanılmamaktadır (Silva ve ark., 2013).
Lignoselülozik yapının parçalanması ve kendini oluşturan bileşenlere (lignin, selüloz ve hemiselüloz) ayrılması için son yıllarda en çok kullanılan yöntemlerden birisi asit ve bunu takiben alkali uygulamasıdır (Al Arni ve ark., 2007; Mussatto ve ark., 2007; Torre ve ark., 2008; Max ve ark, 2009). Böylece lignin, hemiselüloz ve selüloz polimerlerinin birbirinden ayrılması sağlanır. Seyreltik asit uygulaması lignoselülozik materyallerde bulunan hemiselülozu monosakkaritlerine parçalayarak çözünür hale geçirirken, selüloz ve ligninin büyük bir kısmını olduğu gibi bırakır (Şekil 2.7). Asit hidrolizi ile parçalanan hemiselüloz, yapısında barındırdığı şekerlerden dolayı ksilooligosakkarit, ksiloz, ksilitol gibi gıda amaçlı çeşitli kimyasalların üretiminde kullanılmaktadır (Akpınar ve ark, 2011a, 2011b, 2012). Selülozu ise kendini oluşturan
fermantasyon ile farklı ürünler oluşturabilmek (etanol, laktik asit) için öncelikle ligninin uzaklaştırılması gerekmektedir. Bu amaçla lignini çözünür hale geçirebilecek işlemler, daha çok tercih edilmektedir. Ligninin büyük bir kısmı asitte bile çözünmezken (klason lignin), küçük bir kısmı asitte çözünebilir (asit çözünür lignin) (Castro, 1994) ve hidrolizasyon esnasında fenolik bileşikleri oluşturur (Akpınar ve ark., 2012); ancak büyük bir kısmı çözünmeden geride kalır (klason lignin). Geride kalan lignini uzaklaştırma yöntemlerinden birisi de alkali muamelesidir. Alkali muamelesinin lignini çözünür hale geçirmede ve fenolik asitlerin üretiminde oldukça etkili bir yöntem olduğu ispatlanmıştır (Al Arni ve ark., 2007). Şekil 2.7’de lignoselülozik materyalin asit ve alkali hidrolizi sonucu parçalanma ürünleri şematik olarak gösterilmiştir.
Şekil 2.7. Tarımsal atıkların asit ve alkali hidrolizasyonuyla oluşan parçalanma ürünleri
Literatürde şimdiye kadar yapılan çalışmalarda çeşitli lignoselülozik materyallerden farklı yöntemlerle lignin çözünür hale geçirilmeye çalışılmış ve fenolik bileşikler elde edilmiştir. Akpınar ve ark. (2010, 2012), lignoselülozik materyalin asitle muamelesi sonucu ligninin asitte çözünen kısmından az da olsa
Katma değeri yüksek ürünler üretmek için lignin yapısında bulunan bağların parçalanması gerekmektedir. Permanganat oksidasyonu, alkali-nitrobenzen oksidayonu, alkali muamelesi ve thioasidoliz gibi yöntemlerle lignin kendini oluşturan birimlere parçalanabilir. Ticari olarak ligninin alkali reaksiyonuna dayalı lignin parçalama yöntemi, daha çok tercih edilmektedir. Genellikle bu amaçla sodyum hidroksit kullanılmaktadır (Buranov ve Mazza, 2008). Alkali hidrolizasyonundan önce, lignindeki eter bağları otohidroliz veya asit hidroliz yöntemleri ile parçalanır daha sonra da alkali ile ester bağları parçalanır. Otohidroliz, hidrolitik ajan olarak kimyasalların kullanıldığı işlemlerden daha fazla çevre dostudur ve reaksiyon sonunda alkoller, aldehitler, ketonlar, benzoik asitler ve sinamik asitler ortaya çıkan başlıca fenolik bileşiklerdir. Otohidroliz yönteminin uygulandığı tarımsal atıklarla ilgili çalışmalar (arpa kavuzu, çam, zeytin ağacı budama atıkları) literatürde bulunmaktadır (Conde ve ark., 2011). Otohidroliz yöntemi ile Felizon ve ark. (2000) zeytin atıklarından, Garrote ve ark. (2003) okaliptüs ve mısır koçanından, Moure ve ark. (2005) çam odunundan, Amendola ve ark. (2011) asma sürgünlerinin budanmasıyla açığa çıkan asma dallarından, Egüés ve ark. (2012) mısır atıklarından; asit hidroliz yöntemi ile Li ve ark. (2008) pirinç kepeğinden, Gonzalez ve ark. (2004) okaliptüs odunundan, Akpınar ve ark. (2012) buğday saplarından, lignindeki eter bağlarını parçalayarak ligninin asitte çözünen kısmından, fenolik bileşikler üretmişlerdir. Alkali hidroliz yöntemi ile de Sun ve ark. (2001) buğday, pirinç, çavdar ve arpa saplarından, mısır gövdesinden, kavak odunundan, Kim ve ark. (2006) buğday kepeğinden, Mussato ve ark. (2007) bira maltından, Ou ve ark. (2009) şeker kamışı küspesinden, Max ve ark. (2009) ve Mohd Salleh ve ark. (2011) çeltik sapından ferulik/kumarik asit gibi fenolik bileşikler üretmişlerdir.
Biyolojik işlemler, çevreye zarar veren kimyasal yöntemlere alternatif lignoselülozun sakkarafiyasyonu için kullanılan cazip bir alternatiftir (Sarangi ve Sahoo, 2010). Biyolojik uygulamalar ligninin lignoselülozdan ayrılmasında daha güvenlidir ve daha az çevreye zararlıdır; ancak diğer yöntemlere göre oldukça uzun zaman gerektirir ve pahalıdır. Bitki hücre duvarlarının, mikroorganizmalar tarafından üretilen ferulolil esteraz ile parçalanması ve ferulik asit üretimi ile ilgili çeşitli araştırmalar literatürde bulunmaktadır. Ferulolil esterazlar, esterleşmiş ferulik asit gerçekleştirebilen
karboksilesterazların bir alt grubudur. Bu enzimler Aspergillus niger, Pycnoporus
cinnabarinus, Streptomyces avermitilis, Clostridium thermocellum, Basillus spp, Lactobacilli, Pseudomanas fluorences ve Brettanomyces anomalus gibi bakteri, maya
ve küfler tarafından salgılanır. Ferulik asit üretitiminde, sıcaklık ve pH gibi enzimlerin karakteristiğini ve stabilitelerini etkileyen faktörler, enzim üretimindeki çeşitli faktörlerin (karbon, azot kaynağı) etkisi ve enzim saflaştırılması araştırılmış ve çalışılmıştır (Hasyierah ve ark., 2008).
2.3. Fenolik Bileşikler
Fenolik bileşikler (polifenoller) doğal antioksidanlar olup bitkilerin önemli sekonder aromatik metabolitleridir (Acar ve Gökmen, 2005). Fenolik bileşikler, tüm bitkilerde büyük oranda dağılmıştır. Bu yüzden insan beslenmesinin, tamamlayıcı bir bölümüdür. Yapıları genel olarak bir ya da daha fazla hidroksil grubu içeren ve en azından bir aromatik halkaya sahip bileşiklerden oluşmuştur. Şimdiye kadar, birçok bitkisel fenolik bileşik izole edilip tanımlanmıştır. Fenolik bileşikler fenolik asitler ve flavonoidler olmak üzere iki gruba ayrılmaktadır (Cemeroğlu, 2009).
Diyetlerimizde yer alan mikrobesin ögesi olarak kabul edilen fenolik bileşiklerin sağlık açısından önemi gün geçtikçe artmaktadır (Cemeroğlu, 2009). Gıda fenoliklerine olan ilgi, onların antioksidan özellikleri ve serbest radikalleri temizleme yeteneği sayesinde insan sağlığı üzerindeki potansiyel etkisinden dolayı artmıştır. Fenoliklerin antioksidan aktivesinin yanında, metal iyonlarını şelatlama, detoksifiye enzimleri uyararak tümor gelişimini başlatan ve destekleyen transkripsiyon faktörlerini inhibe etme yetenekleri vardır (Verma ve ark., 2009). Bu bileşikler; dejenaratif hastalıkları önleyici, antialerjenik, anti-inflamatuvar, antimikrobiyal, antioksidan, antitrombotik, kardioproktif ve vasodilatuvar ajan olarak görev yapmaktadır (Cemeroğlu, 2009). Aynı zamanda bitkileri UV ışınlarından korumada, patojenleri inhibe etmede ve hücre duvarında yapısal bütünlüğü sağlamada başlıca rol oynar (Verma ve ark., 2009).
hidrolizatlarında p-hidroksibenzoik asit, ferulik asit, vanilik asit, şiringik asit, kumarik asit, gallik asit, şiringaldehit, p-hidroksibenzaldehit, vanilin, benzoik asit, kafeik asit, protokateşuik asit, hidroksimetoksibenzoik asit, m-hidroksibenzoik asit, sinamik asit, ferulik veya kumarik asitle esterleşmiş oligosakkaritler, 4-hidroksibenzaldehit, fenol, sinnamaldehit, p-hidroksisinnamaldehit, tirosol, hidroksitirosol guayakol, şiringol ve kateşol tespit edilen fenolik bileşiklerdir (Garrote ve ark., 2004; Kim ve ark., 2006; Mussato ve ark., 2007; Salgado ve ark., 2012). Özellikle bu bileşikler arasında ferulik ve kumarik asit büyük ilgi görmektedir.
2.3.1. Antioksidan Maddeler
Birçok gıdada, gıda bileşeni ile serbest oksijen arasında kendiliğinden ortaya çıkan ve otooksidasyon adı verilen tepkimeler oluşur. Bazı oksidasyon tepkimeleri gıdalarda istenirken, pek çoğu istenmemektedir. Bu istenmeyen tepkimeler vitamin kayıplarına, renk değişmelerine, yağ bozulmasına, besin değerinin azalmasına, istenmeyen tat-kokuya neden olmaktadır (Anonim, 2013c).
Antioksidan madde, okside olan substrattan daha düşük konsantrasyonda bile bulunsa substratın okside olmasını geciktiren ya da inhibe eden ve buna bağlı olarak oluşan istenmeyen reaksiyon ürünlerinin oluşumunu engelleyebilen bileşiktir (Anonim, 2013c). Antioksidanlar genel olarak aromatik halka yapılarındaki hidroksil grupları sayesinde hidrojen vererek serbest radikalleri yok edebilirler. Çoklu doymamış bağlardan oluşan yapılarıyla, stabil bir delokalizasyon sistemi oluştururlar. Reaktif oksijen türlerini temizlemek etki mekanizmalarından biridir. Diğerleri ise metal bağlayıcı ya da enzim inhibisyonuyla serbest oksijen türlerinin önlemesidir. Antioksidanlar kademeli olarak serbest radikal yayılmasını önler ve oksidasyon ürünlerini daha az zararlı bileşiklere dönüştürür (Matkowski, 2008).
Antioksidanlar oksidatif süreci azaltmak için hem gıda sistemlerinde hem de insan vücudunda hayati bir rol oynarlar (Samaranayaka ve ark., 2011). İnsan vücudunda serbest radikal oluşumu, endojen ve ekzojen faktörlerden etkilenmektedir. Metabolik enerji üretiminde, elektron transfer zinciri sırasında reaktif oksijen ve nitrojen çeşitleri ortaya çıkmaktadır. Ultraviyole ışık, hava kirliliği ve sigara dumanı
gibi ekzojen faktörler de, insan vücuduna zarar veren serbest radikal üretimini arttırmaktadır. Üretilen bu radikaller proteinlere, lipitlere ve DNA’ya zarar verebilir. Normalde, insan vücudu bu radikallerin zararlı etkilerini önlemek için süperoksit dismutaz, glutatatyon peroksidaz ve katalaz enzimleri ve selenyum gibi endojen antioksidanlar içermektedir. Normal şartlar altında vücut, endojen antioksidanlarla üretilen serbest radikallere karşı durumu dengede tutabilir ve hidroksil radikalleri (‘OH), peroksil radikalleri (‘OOR), süperoksit anyonları (O2) ve peroksi nitrit (ONOO-)
gibi reaktif oksijen ve reaktif nitrojen türlerinin neden olduğu oksidatif zararlardan doku ve organları korur. İnsan vücudundaki antioksidan dengesi yaş ilerlemesi ve çevre kirliliği, yorgunluk, aşırı kalori alımı ve yüksek yağlı diyetler gibi diğer faktörler nedeniyle değişebilmektedir. İlerleyen yaşla plazma ve hücresel antioksidan potansiyeli yavaş yavaş azalmaktadır. Canlılarda oksidan/antioksidan dengesinin antioksidan aleyhine bozulması, oksidatif stres gelişimine neden olmaktadır. Son yıllarda yapılan çalışmalar oksidatif stresin yaşlanma başta olmak üzere bazı kanser türleri, kalp-damar rahatsızlıkları, katarakt, parkinson, alzheimer ve diyabet gibi kronik hastalıkların oluşumunda önemli rol oynadığını ortaya koymaktadır. Dolayısıyla vücut fenolikler, karotenoidler, E ve C vitaminleri gibi eksojen antioksidanlara ihtiyaç duyar (Samaranayaka ve ark., 2011). Bu maddeler, canlılarda serbest radikalleri nötralize ederek, hücrelerin onlardan etkilenmesini engeller, hücre zararını ve tümör gelişimini önlerler; böylece sağlıklı ve yaşlılık etkilerinin minimum olduğu kaliteli bir yaşam sağlarlar. Aynı zamanda cilde elastikiyet kazandırmakta ve sağlıklı bir görünüm vermektedir. Herpes simplex virüsünün yol açtığı deri yaralarını da bir ölçüde önleyerek deri kanserine karşı da koruyucu etki gösterebilmektedir (Baysal ve Yıldız, 2003).
Doğal ve sentetik yüzlerce bileşik, antioksidan özelliklere sahiptir. Sentetik antioksidanlar gıda işlemlerinde geniş bir kullanıma sahip olmasına rağmen, bozunmaları sırasında olası toksik ve kanserojen bileşiklere dönüşmesinden dolayı (Yen ve Chang, 2003), son yıllarda ilgi doğal antioksidanlar üzerinde yoğunlaşmıştır ve çoğunluğu bitkisel kaynaklı olan yüzlerce maddenin gıdalarda antioksidan olarak kullanılabilirliği test edilmiştir. Doğal antioksidanlar içinde transferrin, ferritin,
E-tarafından yüzlerce yıldır tüketilmektedir veya gıdalara karıştırılmaktadır. Bu nedenle tüketiciler tarafından güvenilir olarak görülmektedirler (Turhan ve Üstün, 2006).
Lignoselülozik materyallerin hidrolizasyonu sırasında, antioksidan özelliğe sahip fenolik bileşikler gibi birçok bileşik açığa çıkmaktadır. Son yıllarda ferulik, kafeik, p-kumarik, sinapik asit gibi hidroksisinamiklerin ve onların konjugatlarının potansiyel sağlık yararlarının ve biyoaktivitelerinin farkındalığı artmış ve iyi birer antioksidan olduğu ortaya çıkmıştır (Kim ve ark., 2006; Torre ve ark., 2008; Verma ve ark., 2009; Conde ve ark., 2011; Vázquez ve ark., 2011; Salgado ve ark., 2012).
2.3.2. Ferulik Asit
Ferulik asit (4-hidroksi-3-metoksi sinamik asit), fenolik bileşenlerin başlıcalarından bir tanesidir (Şekil 2.8) ve bitki hücre duvarlarında bulunur. Molekül formülü C10H10O4, molekül ağırlığı 194,18 g/mol’dür. Erime noktası 168-172 ºC
arasındadır (Anonim, 2013d).
Bitkilerde en bol bulunan hidroksisinamik asit türevi olan ferulik asit, tahılların hücre duvarında lignine eter ve ester bağlarıyla bağlı (Sarangi ve Sahoo, 2010) polisakkaritlere ise ester bağıyla bağlıdır (Hasyierah ve ark., 2008). Bitkilerde serbest ve konguje olmak üzere iki formda bulunmaktadır. Bazı sebzelerde, toplam ferulik asit miktarının %50-90’ını serbest ferulik asit oluşturmaktadır; ancak tahıllardaki serbest ferulik asit miktarı sadece %0,1–0,5 oranındadır (Zhao ve Moghadasian, 2008). Ferulik asit, hemiselülozları çapraz bağlayarak hücre duvarının yapısını sert ve güçlü hale getirmektedir (Hasyierah ve ark., 2008). Bu da hücre zarını patojenik mikroorganizmalardan ve mikrobiyal bozulmalardan korumaktadır (Du, 2008; Torre ve ark., 2008).
Şekil 2.8. Ferulik asidin kimyasal yapısı (Anonim, 2013d)
Potansiyel ferulik asit kaynağı, çeşitli tarım ürünleridir (Min ve ark., 2006). Lignoselülozik yapıdaki bu ürünlerin atıkları da, iyi birer ferulik asit kaynağı olabilmektedir (Max ve ark., 2009). En fazla tahıl kepeklerinde, meyve kabuklarında, sebzelerin köklerinde ve kabuklarında bulunmaktadır (Zhao ve Moghadasian, 2008). Tahıllarda, ferulik asidin tohum kabuğu ve aleuron hücre duvarında, endosperm hücre duvarına göre 40 kat daha fazla bulunduğu ortaya çıkmıştır (Klepacka ve Fornal, 2006). Birçok meyve ve sebzede ferulik asit, kuinik asit (kahvede, lahana, kereviz, havuç), glukarik ve galakarik asit (turunçgillerde), tartarik asit (üzümde) gibi hidroksil asitlerle ya da glikoz, digalaktoz, gentiobiyoz gibi mono ve disakkaritlerle konjuge formda bulunur. Ferulik asit başlıca pektik ya da hemiselülotik polisakkaritlerde dimerler şeklinde ve/veya arabinoz ve galaktoz parçaları ile esterleşmiş şekilde görülmektedir. Bazı tahıllarda ise ferulik asit aynı zamanda sterollerle de esterleşebilmektedir. Bunun en bilinen örneği de ferulik asit-orizanoldur (Zhao ve Moghadasian, 2008).
Ferulik asit ester ve eter bağları ile lignin ve polisakkaritlere bağlı olduğundan, bu bağların farklı stabilitelerinden dolayı, lignoselülozik materyallerden asit ya da alkali ekstraksiyonu ile üretilmektedir. Bunların yanında, enzimatik üretimi de söz konusudur (Karamac ve ark., 2007). Ferulik asit ve diğer hidroksisinamik asitler çeşitli atıklardan
olarak; sağlık açısından antioksidan, antimikrobiyal ve anti-inflamatuvar olarak ve kozmetik sanayinde de koruyucu ajan olarak uygulama alanına sahiptir. Hidrojen peroksit, süperoksit, hidroksil radikali ve nitrojen dioksit serbest radikallerini temizleme etkisine sahip olduğu gibi, serbest radikal temizlenmesi için ve serbest radikal üretimini katalizleyen enzimleri inhibe eden enzim aktivitesini de arttırmaktadır. Ferulik asit, anti-inflamatuvar olarak kullanılan ilaçlarda, aktif bileşiklerdir. Aynı zamanda, geniş bir antimikrobiyal aktivite spektrumu göstermektedir. Gram pozitif, gram negatif ve mayalara karşı antimikrobiyal aktivite göstermektedir. Yapılan çalışmalarda,
Escherichia coli, Klebsiella pneumonia, Enterobacter aerogenes, Citrobacter koseri,
Pseudomanas aeruginosa, Helicobacter pylori ve Shigella gelişimini inhibe ettiği
gösterilmiştir. Ayrıca influenza virüsü, respiratuar sinsisyal virüsü ve AIDS gibi bazı virüslerin gelişmesi ve çoğalmasında inhibitör aktivitesi olduğu tespit edilmiştir (Ou ve Kwok, 2004).
Ferulik asit; insanları kanser, kemik erimesi, menopozal semptomlardan ve kalp hastalıklarından korumaktadır. Serum ve karaciğerdeki LDL kolesterol ve trigiliserit konsantrasyonunu dolayısıyla kalp krizi riskini düşürücü etki gösterirken, plazmada HDL kolesterol miktarını da arttırmaktadır (Ou ve Kwok, 2004; Mussatto ve ark., 2007). Ayrıca yapılan çalışmalarda ferulik asidin tromboz ve aterosklerozu önleyici etkisi olduğu bulunmuştur (Ou ve Kwok, 2004). Aynı zamanda sperm kalitesini de arttırmakta (Mussatto ve ark., 2007), kan şekeri ve kan basıncını düşürmekte, öğrenme yeteneğini ve hafızayı da güçlendirmektedir (Anonim, 2009). Son yıllarda ferulik asidin ağız kanserinde ve kalın bağırsak kanserinde, kanser önleyici etkisi ortaya çıkmıştır (Ou ve Kwok, 2004).
Ferulik asidin yüksek oranda konjuge doymamış yapısı cilde rahatlıkla nüfuz etmesi nedeniyle, ferulik asit cilt ve güneş kremlerinde fotokoruyucu olarak kullanılır ve aynı zamanda cilt tümörlerinin inhibisyonunu sağlar. UV ışınlarının cilde zarar vermesini engeller ve cildi serbest radikallere karşı korur. Bu gibi özelliklerinden dolayı ferulik asit yaşlanmayı engelleyen ürünlerin içeriğinde de yer alır (Ou ve Kwok, 2004).
Ferulik asidin aromatik mikrobiyal metabolitleri bira, şarap, soya sosu ve meyve sularında önemli lezzet bileşenleridir (Hasyierah ve ark., 2008). Aynı zamanda çeşitli lezzet bileşiklerine dönüştürülebilmektedir. En önemli lezzet ve koku bileşenleri vanilin
Vanilinin gıdalarda lezzet verici, içecek, kozmetik ve farmakolojik endüstride geniş kullanım alanının olması, vanilya tohumundan vanilya aroması ekstraktının pahalı olması ve müşteri taleplerinin doğal ürünlerden yana olmasından dolayı ferulik asidin doğal vaniline dönüşümü ile ilgili çeşitli çalışmalar yapılmıştır (Saulnier ve ark., 2000; Li ve ark., 2008). Yapılan çalışmalarda ferulik asidin vanilyaya biyotransformasyonunu birçok bakteri (Vanilla planifolia, Capsicum frutencens (Ou ve Kwok, 2004) ve rekombinant Escherichia coli (Li ve ark., 2008)), maya ve küfler yapabilmektedir. Bu mikroorganizmalar tarafından salgılanan enzimlerin kullanımı, mikroorganizmaların direkt kullanımı yerine ferulik asitten vanilya üretimi için daha tercih edilebilecek bir yöntem olduğu bildirilmiştir. Çünkü vanilya birçok mikroorganizma için toksiktir (Ou ve Kwok, 2004).
Ferulik asit polisakkaritleri birbirine çapraz bağlamasıyla bilinmektedir. Pektin ve arabinoksilanlar gibi polisakkaritler, jelleştirme ve vizkozite artırıcı ajan olarak kullanılır. Gıda uygulamalarında düşük vizkositeye ve zayıf jel formu kapasitesine sahip polisakkaritlerin kullanımı, ferulik asit sayesinde mümkün olmaktadır. Ferulik asit, proteinlerin tirozin, lisin, sistein gibi amino asitleri ile de tepkimeye girer ve arabinoksilanlar ile köprü oluşturur. Bu özelliğinden dolayı protein bazlı yenilenebilir filmlerin özelliklerini geliştirmek için çapraz bağlayıcı ajan olarak kullanılabilmektedir (Ou ve Kwok, 2004). Ferulik asit, özellikle pentozan ve proteinleri birbirine bağlaması hamur oluşumunda önemli rol oynar (Klepacka ve Fornal, 2006; Min ve ark., 2006).
Ferulik asit pH değişimlerine klorojenik, kafeik, gallik asit gibi diğer fenolik bileşiklere göre daha az etkilidir. Ayrıca ferulik asidin glikozidaz esterleri de güçlü antioksidan aktiviteye sahiptir. Yapılan bir çalışma ferulik asit esterlerinin antioksidan aktivitesinin daha fazla olduğunu göstermiştir (Ou ve Kwok, 2004; Min ve ark., 2006).
2.3.3. p-Kumarik Asit
Kumarik asit (3-hidroksisinamik asit), sinamik asitten türemiş organik bir bileşiktir (Şekil 2.9). Kumarik asidin yapısındaki hidroksi grubunun yerine bağlı olarak
Şekil 2.9. p-Kumarik asidin kimyasal yapısı (Akkan, 2008)
Ferulik asit ve p-kumarik asidin ikisi de cis ve trans formda bulunmaktadır. Fakat trans formu daha baskındır (Sun ve ark., 1997). p-Kumarik asit ferulik asitle beraber, mısır sapı, buğday sapı ve çimen gibi otsu bitkilerde hücre duvarında bulunan temel hidroksisinamik asitlerdir (Xu ve ark., 2005). Ferulik asit hemiselüloza esterleşmesi, lignine ise esterleşmesi ve eterleşmesiyle bilinir; ancak p-kumarik asit yaygın olarak lignine ve hücre duvarı polisakkaritlerine esterleşmiştir (Du, 2008).
p-Kumarik asit de gıda sanayinde antioksidan olarak kullanımı bulunan yenilenebilir aromatik bileşiklerdir (Xu ve ark., 2005). Ferulik asit gibi, kumarik asit de antimikrobiyal ajan olarak mikrobiyal gelişmeyi engelleyebilir ve ferulik asitten daha etkilidir. Her ikisi de, bitkileri güneş UV ışınlarından ve diğer radyasyon zararlarından korur (Du, 2008). Kumarik asidin strese karşı koruma sağladığı rapor edilmiştir. Tümör hücrelerini öldürme yeteneği vardır ve özellikle mide kanserine karşı koruyucu özelliğe sahiptir; ancak yüksek miktarda alındığı zaman toksik etki gösterebilmektedir (Akkan, 2008).
2.3.4. Diğer Fenolik Bileşikler
Ferulik ve p-kumarik asitin yanında lignin parçalanması ile yaygın olarak ortaya çıkan diğer hidrobenzoik ve hidroksisinamik fenolik asitler ve türevleri, vanilik asit ve vanillin, şiringik asit, gallik asit ve 4-hidroksibenzoik asittir. Bu asitlerin gıda, sağlık, kozmetik ve farmakolojik endüstrideki uygulamalarından dolayı, bu asitlere ilgi artmaktadır (Max ve ark., 2010).
Bir hidroksibenzoik asit aldehidi olan vanilin (4-hidroksi-3-metoksibenzaldehit) tüm dünyada en yaygın kullanım alanına sahip önemli bir lezzet maddesi olan doğal vanilyanın temel bileşenidir (Şekil 2.10). Molekül formülü C8H8O3, moleküler ağırlığı
125 g/mol’dür (Anonim, 2013e). Vanilyanın kaynağı tropikal vanilya orkidesinin tane ya da köküdür. Yılda 12 000 tondan fazla vanilya üretilmesine rağmen bunun %1’den daha azı vaniline dönüştürülebilmektedir. Çünkü kimyasal proseslerle, çok daha ucuza vanilin sentezi yapılmaktadır. Vanilya kozalarından vanilya üretiminin 1 kg için maliyeti 1 200 $-4 000 $ iken, sentetik vanilin için 15 $ civarındadır. Diğer düşük molekül ağırlıklı fenolik bileşiklerde olduğu gibi vanilin de antioksidan ve antimikrobiyal özellik göstermektedir ve bu nedenle gıda koruyucusu olarak kullanım potansiyeline sahiptir (Walton ve ark., 2003).
Şekil 2.10. Vanilinin kimyasal yapısı (Anonim, 2013e)
Vanilik asit (4-hidroksi-3 metoksibenzoik asit) çoğunlukla lezzet ajanı olarak kullanılan dihidroksibenzoik asit türevidir (Şekil 2.11). Vanilinin okside olmuş formudur. Aynı zamanda ferulik asitten vanilin üretiminde ara üründür. Molekül formülü C8H8O4, moleküler ağırlığı 168,14 g/mol, erime noktası 210-213 ºC’dir
