Αξιοποίηση όξινου ορού γιαουρτιού για παραγωγή γαλακτοολιγοσακχαριτών με χρήση βιοκαταλυτών

Τσίκα, Έλενα; Tsika, Elena

dc.contributor.author	Τσίκα, Έλενα	el
dc.contributor.author	Tsika, Elena	en
dc.date.accessioned	2019-07-23T11:23:37Z
dc.date.available	2019-07-23T11:23:37Z
dc.date.issued	2019-07-23
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49131
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16783
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Όξινος ορός	el
dc.subject	Γαλακτοολιγοσακχαρίτες	el
dc.subject	β-γαλακτοζιδάση	el
dc.subject	Λακτόζη	el
dc.subject	Τρανσγαλακτοζυλίωση	el
dc.subject	Acid whey	en
dc.subject	Galacto-oligosaccharides	en
dc.subject	b-galactosidase	en
dc.subject	Lactose	en
dc.subject	Transgalactosylation	en
dc.title	Αξιοποίηση όξινου ορού γιαουρτιού για παραγωγή γαλακτοολιγοσακχαριτών με χρήση βιοκαταλυτών	el
dc.title	Valorization of yoghurt acid whey for the production of galactooligosaccharides with the use of biocatalysts	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Επιστήμη και μηχανική τροφίμων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-02-25
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο τη μελέτη της αξιοποίησης του όξινου ορού γιαουρτιού, μέσω της παραγωγής γαλακτοολιγοσακχαρίτών (Galactooligosaccharides, GOS) από την περιεχόμενη σε αυτόν λακτόζη. Ως βιοκαταλύτης χρησιμοποιήθηκε το ένζυμο β-γαλακτοζιδάση από τον μικροοργανισμό Kluyveromyces lactis. Αρχικά υπολογίστηκε η ενζυμική ενεργότητα της β-γαλακτοζιδάσης από τον μικροοργανισμό K. lactis, η οποία βρέθηκε ίση προς 13,15 (±0,57) U/mL. Η ποσοτικοποίηση των αποτελεσμάτων των ενζυμικών αντιδράσεων πραγματοποιήθηκε με ανάλυση των δειγμάτων με υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης με ανιχνευτή δείκτη διάθλασης (High Performance Liquid Chromatography-RI detector, HPLC-RI). Λόγω της χαμηλής διαχωριστικής ικανότητας του συστήματος HPLC στην ανάλυση μορίων ίδιου βαθμού πολυμερισμού με διαφορετικούς μονοσακχαρίτες ή/και γλυκοζιτικούς δεσμούς, ορισμένα από τα δείγματα αναλύθηκαν με χρωματογραφία ανιονεναλλαγής υψηλής απόδοσης με παλμικό αμπερομετρικό ανιχνευτή (High Performance Anion-Exchange Chromatography - Pulsed Amperometric Detection, HPAEC-PAD), όπου ήταν εφικτός ο πλήρης διαχωρισμός όλων των μονοσακχαριτών, δισακχαριτών και παραγόμενων ολιγοσακχαριτών. Βασικό αντικείμενο μελέτης, αποτέλεσε ο προσδιορισμός της επίδρασης της περιεκτικότητας σε λακτόζη του υποστρώματος και της ενεργότητας του ενζύμου στο βαθμό απόδοσης σε GOS. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκε όξινος ορός περιεκτικότητας σε λακτόζη 3,5%, 9%, 14% και 17% κ.ό. και ενζυμική ενεργότητα 0,013, 0,026 και 0,052 U/mL, στις βέλτιστες συνθήκες δράσης του χρησιμοποιούμενου ενζύμου (pH 7,0 και θερμοκρασία 37°C) με βάση τη βιβλιογραφία, σε δώδεκα (12) σειρές ενζυμικών αντιδράσεων. Κατά τη μελέτη της επίδρασης της περιεκτικότητας του υποστρώματος σε λακτόζη, παρατηρήθηκε ότι για τιμή ενζυμικής ενεργότητας ίση με 0,013 και 0,052 U/mL ο βαθμός απόδοσης σε GOS αυξάνεται όσο αυξάνεται η περιεκτικότητα του υποστρώματος σε λακτόζη, μέχρι και την περιεκτικότητα σε λακτόζη 14% κ.ό., ενώ σε υπόστρωμα με περιεκτικότητα σε λακτόζη 17% κ.ό., ο βαθμός απόδοσης μειώνεται εμφανίζοντας παρόμοια τιμή με αυτή για περιεκτικότητα σε λακτόζη 9% κ.ό. Για τιμή ενεργότητας ενζύμου ίση με 0,026 U/mL παρατηρήθηκε ότι με αύξηση της περιεκτικότητας υποστρώματος σε λακτόζη, ο μέγιστος βαθμός απόδοσης σε GOS μειώνεται. Η μέγιστη απόδοση σε GOS επιτεύχθηκε με χρήση β-γαλακτοζιδάσης ενζυμικής ενεργότητας 0,052 U/mL για κάθε τιμή περιεκτικότητας ορού σε λακτόζη, εκτός από την περίπτωση 3,5 % κ.ό., για την οποία παρατηρείται μέγιστος βαθμός απόδοσης σε GOS για ενεργότητα ενζύμου 0,026 U/mL (23,7±3,05). Ακόμη, για περιεκτικότητα του υποστρώματος σε λακτόζη ίση με 9 και 17% κ.ό., παρατηρήθηκε ότι η σχέση μεταξύ της ενεργότητας του ενζύμου και του χρόνου επίτευξης του μέγιστου βαθμού απόδοσης ήταν αντιστρόφως ανάλογη. Στη συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση της τιμής pH του υποστρώματος στο βαθμό απόδοσης της ενζυμικής αντίδρασης σε GOS, σε ένα εύρος τιμών pH του υποστρώματος από 4,0 έως 7,0 και για περιεκτικότητα του υποστρώματος σε λακτόζη 3,5% κ.ό., ενζυμική ενεργότητα 0,026 U/mL, η οποία και επιλέχθηκε ως μέση τιμή ενζυμικής ενεργότητας, δεδομένου ότι σε ενζυμική ενεργότητα 0,013 U/mL δεν παρατηρήθηκε σημαντική απόδοση της ενζυμικής αντίδρασης. Τα αποτελέσματα στο μελετώμενο εύρος τιμών pH του υποστρώματος επιβεβαίωσαν τη βιβλιογραφικά βέλτιστη τιμή pH δράσης του ενζύμου (7,0) εμφανίζοντας μέγιστο βαθμό απόδοσης σε GOS 23,7±3,05% μετά από 90 min, ενώ για τιμή pH κοντά στο 4,0 το ένζυμο δεν δύναται να καταλύσει καμία από τις δύο αντιδράσεις, δηλαδή την υδρόλυση ή την τρανσγαλακτοζυλίωση. Από τη μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας της ενζυμικής αντίδρασης στο βαθμό απόδοσης σε GOS, στο εύρος θερμοκρασιών από 37 έως 55°C, για περιεκτικότητα του υποστρώματος σε λακτόζη 14% κ.ό., τιμή pH 7,0 και ενζυμική ενεργότητα 0,052 U/mL, επιβεβαιώθηκε ότι, στους 37°C εμφανίζεται ο μέγιστος βαθμός απόδοσης σε GOS (37,0±1,06% μετά από 120 min), ενώ στη θερμοκρασία των 45°C το ένζυμο τείνει να καταλύει περισσότερο αντιδράσεις υδρόλυσης παρά ολιγομερισμού (τελική συγκέντρωση μονοσακχαριτών 10,1±0,42%, 12,9±0,45% και 3,51±0,1% κ.ό. για τους 37,45 και 55°C, αντίστοιχα). Στους 55°C, παρατηρήθηκε μικρότερη τιμή του μέγιστου βαθμού απόδοσης σε GOS σε σχέση με την αντίστοιχη τιμή για τους 37°C, υποδηλώνοντας ότι το ένζυμο σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από τους 45°C εμφανίζει μειωμένη δραστικότητα και θερμοσταθερότητα. Τέλος, μελετήθηκε η επίδραση της παρουσίας των λοιπών συστατικών του υποστρώματος πλέον της λακτόζης (πρωτεΐνες-άλατα) στην απόδοση της ενζυμικής αντίδρασης. Παρατηρήθηκε ότι η παρουσία αλάτων στο μελετώμενο σύστημα δρα ως υποκινητής για τη δράση του χρησιμοποιούμενου ενζύμου, αφού σημειώθηκαν μέγιστοι βαθμοί απόδοσης σε GOS 37,0±1,06% και 18,7±0,88% για τις περιπτώσεις όπου χρησιμοποιήθηκε ανεπεξέργαστος ορός και πρότυπο διάλυμα λακτόζης, αντίστοιχα. Η παρουσία των πρωτεϊνών ορού στο αντιδρών σύστημα φάνηκε να έχει θετική επίδραση στη δράση του ενζύμου, γεγονός που χρήζει περαιτέρω μελέτης αφού δεν υπάρχει καμία σχετική βιβλιογραφική αναφορά. Με βάση τα παραπάνω πειράματα προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες για την αντίδραση παραγωγής GOS από λακτόζη του όξινου ορού μέσω βιοκατάλυσης με β-γαλακτοζιδάση από τον K. Lactis. Ο μέγιστος βαθμός απόδοσης σε GOS (37,0±1,06%, σε 120 min) επιτεύχθηκε σε υπόστρωμα όξινου ορού περιεκτικότητας 14% κ.ό. σε λακτόζη και τιμή pH 7,0, σε θερμοκρασία 37°C και ενεργότητα ενζύμου 0,052 U/mL. Στη συνέχεια, επιλέχθηκε η περαιτέρω ανάλυση ορισμένων δειγμάτων σε σύστημα HPAEC-PAD. Για κάθε ένα από τα μελετώμενα δείγματα επιβεβαιώθηκε η ύπαρξη γαλακτόζης και γλυκόζης, ως των μόνων μονοσακχαριτών του αντιδρώντος συστήματος, των δισακχαριτών 6-γαλακτοβιόζης και λακτόζης, ενώ παράλληλα ανιχνεύθηκαν από τρεις έως τέσσερις άγνωστες κορυφές που αντιστοιχούν σε ολιγοσακχαρίτες με βαθμό πολυμερισμού 2 ή 3. Τα αποτελέσματα της παρούσας διπλωματικής εργασίας ολοκληρώθηκαν με σύγκρισή τους με προηγούμενα πειραματικά δεδομένα που αφορούσαν στη μελέτη της επίδρασης αντίστοιχων παραγόντων στη ενζυμική μετατροπή της λακτόζης του όξινου ορού σε GOS με χρήση β-γαλακτοζιδάσης από τον μικροοργανισμό Aspergillus oryzae. Από την παραπάνω σύγκριση συμπεραίνεται ότι, με χρήση του ενζύμου από τον K. lactis επιτυγχάνεται αύξηση του μέγιστου βαθμού απόδοσης σε GOS κατά 15 ποσοστιαίες μονάδες (60% αύξηση), μείωση του απαιτούμενου χρόνου επίτευξής του κατά 4 ώρες, ενώ παράλληλα απαιτείται και χαμηλότερη ενεργότητα ενζύμου για την επίτευξη της μέγιστης απόδοσης σε GOS, χωρίς όμως αυτό να συνεπάγεται και μείωση του κόστους της διεργασίας λόγω της διαφορετικού τρόπου παραγωγής του εκάστοτε ενζύμου (ενδο- και εξωκυτταρικά) που δύναται να αυξήσει την τελική τιμή του ενζυμικού παρασκευάσματος.	el
heal.advisorName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Κυρανούδης, Χρήστος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Χημείας και Τεχνολογίας Τροφίμων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	108 σ.
heal.fullTextAvailability	true