Susam Tohumuna Uygulanan Ön İşlemlerin Kalite Özellikleri Ve Yağ Verimine Etkisi

Abstract

Son 30 yıldır bitkisel yağların insan sağlığına olan pozitif etkilerinden dolayı, tüketicilerin bu yağlara olan talebi artmıştır. Bitkisel yağlar yüksek miktarda yararlı bileşenler içermektedir; bunlara örnek olarak antioksidanlar, esansiyel yağlar, mineraller ve vitaminler verilebilir. Fakat tüketici talebinin karşılanması için endüstriyel üretimlerde rafinasyon uygulamalarına sık sık karşılaşılmaktadır. Bu durum da bitkisel yağların biyoaktif bileşenlerinin zarar görmesine neden olmaktadır. Günümüzde popüler üretim metodu rafinasyon yapmadan veya yüksek sıcaklık kullanmadan bitkisel yağ elde etmektir. Bu üretim tekniği ile elde edilen yağlar genellikle “soğuk pres yağı, rafine edilmemiş yağ veya virjin yağ” olarak tanımlanmaktadır. Aslında bu konuda tüketiciler arasında bir yanlış anlama söz konusu olmuştur. Çünkü virjin yağlar, soğuk pres yağı anlamına gelmez ya da aynı şekilde soğuk pres yağı demek virjin yağ demek değildir. Genel anlamda, soğuk pres yağları yağın doğasını değiştirmeden elde edilen, sadece mekanik yollarla (presleme gibi) işlenen bitkisel yağları tanımlar. Bu yağlar sadece suyla, filtrelemeyle ya da santrifüjleme ile saflaştırılabilir. Bu yüzden de yararlı bileşenlerini korumuş olurlar. Endüstriyel ölçekli üretimlerde yüksek verim ile yağ elde etmek için genellikle ısı uygulaması yapılır. Kavurma ve mikrodalga uygulaması buna örnek olarak gösterilebilir. Diğer yandan, sıcaklık uygulandığı için tohumdaki yararlı bileşenleri kaybetme riski doğmaktadır. Bu yüzden, iki uygulamada da problemi çözmek gerekmektedir. Ultrasonik uygulama son birkaç yılda öne çıkan ve GRAS özellikteki çözücüleri kullanarak yüksek kalitede ve verimlilikte yağ eldesinde kullanılan önemli bir metottur. Çözücü tohumun hücre duvarlarına zarar verme etkisi ile ısı gibi davranır ve bu şekilde yağ ekstrakte edilir. Soya yağı, ayçiçek yağı ve zeytinyağı gibi bitkisel yağlarda yüksek verim elde etmek için çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Bu yağların dışında Türkiye’de de büyük öneme, yüksek yağ verimliliğine ve yüksek biyoaktif bileşenlere sahip olan fındık ve susam yağının da çalışılması gerekmektedir. Susam mucizevi yararlı bileşenlere sahiptir, ne yazık ki Dünya bunu henüz çok fazla bilmemektedir. Susam yüksek miktarlarda yağ, protein, mineral, ve fenolik bileşenlere vb. sahiptir. Susam tohumunun sahip olduğu bu bileşenler kadar, elde edilen susam yağı, susam küspesi ve kabukları da bir o kadar bu bileşenlerce yüksek içeriğe sahiptir. Literatürde hiçbir yararlı bileşeni kaybetmeden susam yağında yüksek verimlilik elde etmek için çok fazla çalışma yapılmamıştır. Bu yüzden tez çalışmasında Türk tipi susam tohumu kullanılarak yüksek verim ve kalitede susam yağı elde edilmesi amaçlanmıştır. Deneysel çalışmalarda, konvansiyonel uygulama (kavurma), mikrodalga uygulaması ve ultrasonik destekli alkollü uygulama seçilmiştir. Her bir susam tohumu numunelerine bu işlemler uygulanmış ve hidrolik pres ile preslenerek yağ ve küspe elde edilmiştir. İlk olarak ham susam tohumunda ön işlem ve pres yapılmadan önce kalite parametreleri belirlenmiştir. Nem miktarı, refraktif indeks, kül miktarı, protein miktarı, serbest yağ asidi içeriği, peroksit sayısı, ve oksidasyon stabilitesi, analizleri susam tohumları için yapılmıştır. Diğer kısımlarda, susam tohumu kavurma, mikrodalga ile ön işlem ve ultrasonik destekli alkollü ön işleme maruz bırakılmıştır. Her bir uygulama için kalite parametreleri ve yağ verimliliği belirlenmiştir. Deneylerde şu etkiler incelenmiştir: kavurma için süre, sıcaklık, ve başlangıç nem içerikleri; mikrodalga uygulaması için ön işlem süresinin etkisi ve mikrodalga gücü; ultrasonik destekli alkollü ön işlem için ise alkolün su içeriği, tohum/alkol oranı, ön işlem süresi ve ultrasonik enerji gücü. Deneyler sonucunda elde edilen sonuçlar aşağıdaki gibi özetlenmiştir: Sonuçlara göre nem içeriği 165°C kavurma ile; %5.1±0.03’dan %2.20±0.05’e, 210°C kavurma ile; %0.9±0.00’e düşürülmüştür. Farklı derinliklerde ve mikrodalga gücünde uygulanmış örneklerde ise nem içeriği %1.5-3.5 arasında azaltılmıştır. 1 cm derinlikteki yüksek enerjili mikrodalga uygulaması %1.2±0.25 ile en iyi sonucu vermiştir. Ultrasonik uygulama bu işlemler kadar etkili olmasa da %1-1.5 arasında nem içeriğinde bir azalmaya sebep olmuştur. Refraktif indeks değerlerinde uygulamaların hiçbirinde önemli ölçüde değişiklik görülmemiştir. Serbest yağ asitleri (SYA) içeriği en fazla kavurma ile; küspedeki yağda %2.5±0.26’dan %6.3±0.01’e ve pres yağında %15.7±1.21’e, mikrodalga uygulaması ile; küspedeki yağda %11.6±0.55’e ve pres yağında %6.7±0.26’a, ultrasonik uygulama ile de; küspedeki yağda %15.8±0.52’e ve pres yağında %8.0±0.32’e yükselmiştir. Sonuçlar karşılaştırıldığında, SYA’nın ön işlemlerle azalmadığı gözlemlenmiştir. Uygulamaları birbirleri ile karşılaştıracak olursak, öğütülmemiş tohumda uygulanan yüksek güçlü mikrodalga uygulaması ve öğütülmemiş tohumda 210°C’deki kavurma belirli oranda düşük SYA içeriği elde etmek için kullanılabilir. Susam tohumlarının yağ miktarları Soxhelet ekstraksiyonu ile belirlenmiştir. Yağ miktarı en fazla 210°C kavurma ile %48.7±3.19’dan %56.6±3.55’e, mikrodalga uygulamada 1 cm derinlikte orta derecedeki güçte %63.3±3.12’e, katı/sıvı:1/10 ultrasonik uygulamada ise %62.5±2.20‘e yükselmiştir. Peroksit değeri, 3.41±0.272 meq/kg yağ’dan 10.0±0.10 meq/kg yağ’a yükselmiştir. Diğer uygulamalar için 20 ve 30 gün boyunca yağlar karanlıkta depo edilmiş ve peroksit değerindeki değişimler bulunmuştur. 20 gün muhafaza edilen ham susam yağı peroksit değeri 9.2±0.59 meq/kg yağ’dan 165°C kavurma ile 7.7±0.56’e, yüksek derecedeki güçlü mikrodalga uygulaması ile de 4.6±0.54’e düşürülmüştür. 30 günün sonunda elde edilen verilen 20 günün sonunda elde edilen veriler ile benzerlik göstermiştir. Yüksek güç kaynaklı mikrodalga uygulaması ve kavurma sonucunda elde edilen yağın peroksit sayısı daha düşük bulunmuştur, bu durum ürünün oksidasyonunun daha düşük olduğunu göstermektedir. Susam tohumu, susam yağı ve küspede elde edilen en yüksek toplam fenolik madde miktarları sırasıyla şu şekildedir: 210°C kavurma için 63.7±3.00, yüksek güç kaynaklı mikrodalga uygulaması için 108.9±5.47 ve 185.3±10.14 mg gallik asit/mL’dir. Ultrasonik uygulama ise toplam fenolik madde miktarının artmasında etkili olmamıştır. Bu durumun aksine, toplam antioksidan aktivitesi ısıl ön işlem uygulamalarının gösterdiği etki göstermiştir. Fakat en etkili uygulama her üç güç uygulaması ile birlikte mikrodalga uygulaması olmuştur. Mikrodalgalar tohumun yüzeyinde ve içinde yayılarak fazla miktarda antioksidan maddenin ekstrakte edilmesini sağlamıştır. NMR analizinde susam yağları için T2 Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) deneyleri düzenlenmiş olup, her 3 uygulama için sonuç alınmıştır. Orta güçteki mikrodalga ve kavurma uygulamaları için, T2 ve her bir bölüm için bağlı alanlarda herhangi önemli bir farklılık gözlenmemiştir. Bu beklenildiği gibi bir durumdur. Ultrasonik uygulama sonunda tepe noktalarının sayısı azalmıştır. Ancak tepe noktalarındaki T2 değerleri kavurma ve mikrodalga uygulamalarından farklı bulunmamıştır %90 genlik ve %96 etanolle uygulanan deneylerde, sonikasyon süresi ikiye katlandığı için T2 değerlerinde düşüş gözlenmiştir. Bu sonuç etanolün yüksek sonikasyon sürelerinde daha fazla yağ ile etkileşimde olduğunu göstermiştir. Oksidasyon stabilitesi Rancimat metoduyla belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, 210°C’de kavurma ve yüksek güç kaynaklı mikrodalga uygulanmış yağlaren yüksek indüksiyon zamanına sahip olmuştur. Ultrasonik uygulama bu uygulamalar kadar etkili olmamıştır. İndüksiyon zamanı sırasıyla; işlem görmemiş susam yağı için 14.9±1.56 sa., 210°C kavurma için 14.5±0.55 sa., yüksek güç kaynaklı mikrodalga uygulaması için 13.53±1.85 sa., orta güç kaynaklı mikrodalga uygulaması için 11.8±0.73 sa. ve %90 genlikteki ultrasonik uygulama için 11.5±1.10 sa. olarak kaydedilmiştir. Toplam fenolik madde ve toplam antioksidan aktivitesi ile oksidasyon stabilite analizi sonuçlarının paralellik göstermiştir Bundan dolayı yüksek oksidasyon stabilitesine sahip susam yağı yüksek miktarda antioksidan ve tokoferol içeriğine katkıda bulunmuştur. Bu çalışmanın amacı öncelikle uygulamalardan sonraki yağ verimini tespit etmektir. Yağ verimi hem öğütülen hem de öğütülmemiş susam tohumlarında incelenmiştir. Kütle denkliği yardımıyla pres yağı ve küspedeki yağ miktarları kullanılarak yağ verimi hesaplanmıştır. Öğütülmüş susam tohumlarında yağ verimi sırasıyla %38.8’den %56.0’a (kavurmalar), %68.8’e (orta güçteki mikrodalga uygulaması), %70.0’a (yüksek güçteki mikrodalga uygulaması) ve %63.8’e (%96 etanollü ultrasonik uygulama) yükselmiştir. Sonuç olarak, herbir uygulama kendi içinde yağ verimi ve kalite parametreleri bakımından etkilere sahip olmuştur. Mesela ultrasonik uygulama için etanol konsantrasyonu, süre, enerji gücü ve katı/sıvı oranı kendi içerisinde farklı sonuçlar vermiştir. Fakat açıkça görülmektedir ki kavurma ve mikrodalga uygulaması hem verim hem de diğer özellikler açısından en iyi sonuçları vermiştir. Endüstriyel ölçekte orta/yüksek güçteki mikrodalga uygulaması veya kavurma uygulanarak yüksek verimde ve fonsiyonel özellikte kalitede ürünler elde edilebilir.

In the last 30 years, vegetable oil especially the pressed oil consumption increased because of effects on human health. They have high amount of beneficial compounds such as antioxidants, essential oils, minerals, and vitamins. However, in order to produce the amount of consumers’ demand, industry has been applying refining for years. This situation causes decrease in bioactive compounds present in vegetable oils. Nowadays, popular oilseed production method is pressing without refining process. These oils are generally defined as “cold-pressed oils, virgin oils or unrefined oils”. Indeed, there is a misundersting about these terms between consumers. Virgin oil does not mean cold-pressed oil, and vice versa. Cold-pressed oils are vegetable oils obtained without altering the nature of the oil, by mechanical procedures such as expelling or pressing. They may have been purified by washing with water, settling, filtering and centrifuging only. Therefore, they maintain their beneficial compounds. Heat treatments are used to increase high oil yield in industrial applications. Roasting and microwave treatments are the most popular methods applied as pre-treatments. On the other hand, there becomes a risk in loosing beneficial compounds present in the seeds. Therefore, it is needed to solve the problems in both heat treatments. Ultrasonic treatments have emerged in the last few years that are used to increase oil yield with GRAS solvents. In this method, solvent behaves like heat to disrupt cell walls of seeds and so oil is produced. Research studies were performed for increasing oil yield and quality of vegetable oils such as soybean, sunflower, olive oil, and rapeseed. Apart from these seeds, there are many types of other seeds that have high oil and high bioactive content such as hazelnuts and sesame seeds. Sesame seeds have magical beneficial compounds but unfortunately World doesn’t perfectly know about them yet. They have high amount of oil, protein, antioxidants, phenolic compounds, minerals and etc. Sesame seeds themselves, oil, cake, and hulls have separately these magical compounds. There is lack of information about how sesame oil can be obtained in high yield without loosing quality. Therefore, in this thesis, Turkish type sesame seeds were treated by different pretreatments to have high oil yield and quality characteristics. In the experimental studies, three treatments were chosen which were conventional treatment (roasting), microwave treatment (MWT), and ultrasonic assisted ethanolic (UAE) treatment. Each treatment was applied before hydraulic pressing and obtained press oil and sesame cake were analysed for various parameters. In the experimental studies, firstly, the quality characteristics of sesame seeds were determined before pretreatments and pressing. Moisture content, refractive index, ash content, oil content, protein content, fatty acid composition, free fatty acid content, peroxide value, and oxidation stabilities were analysed and compared for control samples and treatments. In the next steps, sesame seeds were roasted, treated with microwave, and treated with ultrasound. For each treatment, oil yield and quality characteristics were determined. In experiments, following effects were searched: for roasting; duration, temperature, and starting moisture content, for microwave treatment; energy power level and duration, for ultrasonic treatment; alcohol-water concentration, solid/liquid content, duration, and amplitude. Findings that are obtained from this experiment can be summarized as follows: According to the results, moisture content was decreased from 5.1±0.03% to 2.2±0.05% by 165 °C roasting and 0.9±0.002% by 220 °C roasting. By applying microwave treatment with different depth and power level, moisture content was decreased by 1.5-3.5%. High power level at 1 cm depth provided the best result in 1.2% moisture content. Ultrasonic treatments didn’t have effect on moisture content as much as heat treatments. But moisture content was decreased by 1.0-1.5%. Refractive index for non-treated and treated samples didn’t change in a great deal. Therefore, ultrasonic effect wasn’t studied. Free fatty acid (FFA) content increased from 2.5±0.26% to maximum 6.3±0.1% in sesame cake oil and 15.7±1.21% in press oil by roasting, 11.6±0.55% in sesame cake oil and 6.7±0.26% in press oil by microwave treatment, 15.8±0.52% in sesame cake oil and 8.0±0.32% in press oil by ultrasonic treatment. When the results were compared, it was clearly seen that treatments didn’t decrease FFA content. When treatments were compared with each other, high level microwave in non-grinded samples and 210°C roasting in non-grinded samples can be acceptable for having low FFA content. Oil content of sesame seeds were determined by Soxhlet extraction. According to the results, oil content increased from 48.7±3.18% to maximum 56.6±3.55% by 210 °C roasting in grinded seeds, 63.3±3.12% by medium power level of microwave at 1 cm depth, and 62.5±2.20% by solid/liquid:1/10 ultrasonic treatment. High oil content was obtained at by medium power level of microwave treatment and by solid/liquid:1/10 ultrasonic treatment. Peroxide value (PV) increased from 3.4±0.27 meq/kg oil to 10.0±0.10 meq/kg oil after ultrasonic treatment during 20 days of storage. After 20 days of storage, PV of raw sesame seeds decreased from 9.2±0.59 meq/kg oil to 7.7±0.56 meq/kg oil after 165°C roasting, 4.6±0.54 meq/kg oil after high level microwave treatment. For 30 days of torage, results were similar to that of 20 days storage. Again high level microwave and 165°C roasting gave us low PV meaning that we can obtain longer shelflife for sesame oil. Maximum total phenolic content (TPC) of sesame seeds, sesame oil, and sesame cake were found as 63.7±3.00, 108.9±5.47, and 185.3±10.14 mg gallic acid/mL for 210°C roasted samples, high level microwave treated samples, respectively. Ultrasonic treatment couldn’t be effective for obtaining high amount of TPC. In contrast, AOX results showed that ultrasonic treatment was effective as heat treatments. However, three power level microwave treatments were the most effective for obtaining high antioxidant activity. In NMR analysis, T2 (relaxation time) Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) experiments were conducted for oils which were obtained in MWT, UAET, and roasting treatments. For T2-CPMG experiments, there was no significant difference found between the T2 values and relative areas of each compartment for MWT and roasting treatments. This result was expected, as exchange times are very slow in the absence of gradients. For UAET, that is a homogenization technique, the number of peaks decreased to three after the treatments. T2 values of the peaks were not different from the microwave and high temperature ones. At 90% amplitude for the 96% EtOH samples, sonication time was doubled and resulted a decrease in the T2 values. This showed that ethanol interacted with oil more at higher sonication times. Oxidation stability was determined by Rancimat method. According to the results, induction time was longer in 210 °C roasting and high MWT when it was compared to non-treated one. Ultrasound treatment was not effective as roasting and MWT. Induction time was recorded as 14.9±1.56 h for non-treated sesame oil, 14.5±0.55 h for 210 ̊C roasted sesame oil, 13.53±1.85 h for high MWT, 11.85±0.73 h for medium MWT, and 11.55±1.10 h for 90% amplitude UAET. Looking at the TPC and TEAC results, oxidation stability went through in the same order. Therefore, higher oxidation stability values of sesame oil could be attributed to higher antioxidants (lignans) together with tocopherol.. The first aim of this study was to find oil yield after treatments. Oil yield was found in both grinded and non-grinded sesame seeds. Oil yield was calculated bu applying mass balance by taking into consideration of press oil and sesame cake oil. In grinded sesame seeds, oil yield increased from 38.8% to 56.0%, 68.8%, 70.0%, and 63.8% by roastings, medium level at 1 cm depth, high level at 1 cm depth, and ultrasonic treatment with 96% ethanol concentration, respectively. As it was concluded that each treatment had effects on oil yield and quality characteristics of sesame oil. But it is clearly seen that microwave treatment and roasting gave the best results. For ultrasonic treatment, ethanol concentration, time, amplitude, and solid/liquid were important and showed different results to compare in itself. However, when it was compared with heat treatments, more study is needed. In industrial scale, medium/high level of microwave or roasting can be used to have high oil yield with high functional properties and oil quality for sesame seeds.