Phenolic and carotenoid profiles of tomatoes collected from different parts of Turkey and antioxidant properties of dried tomatoes

thumbnail.default.alt
Tarih
2021-02-18
Yazarlar
Bakır, Sena
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Graduate School
Özet
Tomatoes, which are the indispensable part of the Mediterranean diet, have attracted the attention of several researchers due to being one of the most consumed fruit all around the world. Tomato may be consumed as fresh and also in forms of processed products including paste, sauce, juice, etc. Tomato consumption is associated with reducing the risk of cardiovascular diseases, blood sugar, obesity, and also decreasing the carcinogenic cells in the human body which has been attributed to their high phenolic and carotenoid contents. Considering the health effects of tomato bioactives, phenolic and carotenoid profiling of tomatoes using diverse methods have taken the attraction of scientists. The objectives of this Ph.D. thesis were (i) to evaluate the phenolic and carotenoid profiles of some selected Turkish tomato varieties; (ii) to determine the effect of different drying techniques on the phenolic profile of tomatoes and monitoring the bioaccessibility of key phenolic components after simulated in vitro digestion; and (iii) to investigate the phenolic and carotenoid contents of a new functional food by enriching with tomato powder and to elucidate the interactions between these bioactives with proteins. Regarding these aims, first a comprehensive review was prepared on the functional properties of tomato and tomato by-products and their possible applications in foods (Chapter 2). In this part, phenolic profiling methods and their applications have been summarized. On the other hand, use of tomatoes and tomato by-products in different foods as functional ingredients was discussed. In the experimental part, firstly tomato landraces of Turkey were investigated, and 77 Turkish labelled tomato seed samples were collected. The obtained seed samples were planted in open fields for two harvest years, but only 50 of them were used for further analyzes. Harvested samples of both years were analyzed for their phenolic profile (Chapter 3), as well as carotenoids and other health-related compounds (Chapter 4). In order to evaluate the effect of drying on tomato bioactives, various drying treatments were applied and also some commercial dried samples were provided to evaluate the changes in their phenolic and carotenoid contents; moreover, bioaccessibility of phenolic compounds after drying was investigated by using a simulated in vitro bioaccessibility protocol (Chapter 5). Finally, a new functional food was produced using tomato powder, and investigated in terms of their phenolics, carotenoids, their interactions with proteins, and in vitro bioaccessibility (Chapter 6). In Chapter 3, the semi-polar metabolite profiling was aimed for Turkish tomato accessions. Tomato seeds were planted in an open field to accomplish this goal. Harvested samples were firstly evaluated for their colour and pH values. Subsequently, samples were ground under liquid nitrogen and dried with a lyophilizator which was followed by storing at -20⁰C for further analysis. Methanol extracts were prepared were phenolic profile determination. LC-MS equipment was used for the research, and outcomes of this analysis were evaluated with PCA and HCA diagrams. Results indicated that the phenolic content of landraces diverse mostly based on the fruit size on the PCA diagram. On the other hand, geographical area of seed samples where they were collected, did not directly affect the semi-polar metabolite content of tomato fruits. In Chapter 4, the biodiversity of potential health-beneficial compounds within a 50 tomato fruit accessions which were collected throughout Turkey, was assessed. The contents of phenolics, carotenoids, ascorbic acid and tocopherols, as well as their antioxidant capacities were investigated for each sample. By using complementary spectrophotometric assays, the antioxidant capacity of both hydrophilic and lipophilic extracts were determined after individual antioxidants were detected by HPLC using an on-line antioxidant detection method. Using HPLC with a photodiode array and fluorescence detection, phenolic acids, flavonoids, carotenoids and vitamins C and E were quantified. The results showed that concerning their hydrophilic and lipophilic antioxidants, there is a large variety within this set of samples. In Chapter 5, sun-dried, freeze-dried, semi oven-dried and oven-dried (at 60, 80, 100 and 120⁰C) tomato samples were compared with each other to monitor the influence of drying on phenolic and carotenoid contents, and also on some vitamins. Semi-polar metabolite profile of fruits was determined with LC-MS analysis. Sugar profile of samples was evaluated with RI-HPLC analysis. Individual phenolics and carotenoids were determined with HPLC coupled with PDA and fluorescence detectors, respectively. Despite of these, ergosterol content of smaples were measured with HPLC system. Moreover, in vitro bioaccessibility protocol was applied to understand the changes in phenolics during digestion. Metabolite diversity analysis indicated that semi-polar components in freeze-dried and semi-dried samples were close to each other, while the sun-dried samples were all located together on the PCA diagram as well as the oven-dried ones. These results were in accordance with the data obtained after HCA analysis. In Chapter 6, sun-dried tomato powder was added to simit dough at different concentrations to produce functional simit samples. Phenolic-protein and carotenoid-protein interactions as well as the content of lipophilic and hydrophilic antioxidants were investigated by using flours with different protein contents. For this purpose, 10.4, 11.5 and 13.1% protein containing flours were used to prepare simit doughs and flours in samples were replaced with 2, 4 and 8% tomato powder for the preparation of functional simit samples. The semi-polar metabolite contents of samples were analyzed by LC-MS and lipophilic compounds were determined with HPLC-PDA coupled with fluorescence detector. Metabolite profiles of samples prepared with 11.5% and 13.1% protein containing flour were found to be close to each other while 10.4% protein containing flour showed a different trend. The difference in t-lycopene content between samples were found to be statistically significant, having the highest levels in samples containing the highest levels of protein flour, whereas this difference was not significant in the case of β-carotene. According to the results of hydrophilic compounds, chlorogenic acid content in 13.1% protein flour and 8% tomato powder containing simit samples were found to be 4.7 times higher compared to its counterpart prepared with 2% tomato powder. According to the in vitro bioaccessibility results, the highest recovery value for chlorogenic acid was obtained with 13.1% protein flour and 4% tomato powder containing simit sample (44%) covered with sesame. In Chapter 7, the final part, all results obtained within this work were evaluated together, conclusions and recommendations for future research are provided. The main conclusions derived in each section were summarized including the changes in phenolic and carotenoid profiles of tomato samples, effect of simulated gastrointestinal digestion on the bioactives of tomatoes, changes in tomato bioactives during drying with different methods, and interaction of phenolics and carotenoids with proteins observed in a traditional bakery product. Finally, suggestions on the potential future work were provided.
Akdeniz diyetinin ayrılmaz bir parçası olan domates, dünya çapında çok fazla tüketilen meyveler arasında olmasından dolayı pek çok araştırmacının ve araştırma konusunun ilgi odağında olmuştur. Sofralarda taze olarak tüketilmek üzere kendisine kolaylıkla yer bulabilen domates; salça, sos, püre gibi işlenmiş ürünler halinde de sıklıkla beğenilerek tüketilmektedir. Domates tüketimi, insanlarda genellikle sağlıklı bir diyetin olmazsa olmazları arasında değerlendirilir. Yapılan araştırmalarda domates tüketiminin kardiyovasküler hastalıklara yakalanma riskini azalttığı, kan şekerini düşürdüğünü, obezite riskini azalttığını ayrıca karsinojenik hücrelerde de küçültme etkisi olduğunu göstermiştir. Domateslerin sağlık üzerine sebep olduğu bu olumlu etkiler büyük çoğunlukla içeriklerinde bulunan fenolik ve karotenoid maddelerle ilişkilendirilmektedir. Bununla birlikte endüstriyel domates atıklarında da diğer tüm domates ve domates ürünlerinde olduğu gibi yüksek miktarda fenolik ve karotenoid bulunması sebebiyle, son yıllarda bu atıkların yeniden değerlendirmesi amacıyla literatürde yapılmış çalışmalar bulunmaktadır. Yukarıda sıralanan özellikler göz önüne alınarak domateslerde bulunan fenolik ve karotenoid maddelerin belirlenmesi için bu çalışma tasarlanmıştır ve bu doktora tezinin amaçları arasında (i) Türkiye menşei olan domateslerde bulunan fenolik ve karotenoid madde profillerinin belirlenmesi, (ii) farklı kurutma yöntemleri uygulanmış domateslerde bulunan fenolik ve karotenoid maddelerde meydana gelen değişimlerin gözlemlenmesi ve son olarak da (iii) kurutulmuş domates tozu ile zenginleştirme yapılmış bir üründe biyoaktif maddelerdeki değişimlerin takip edilmesi bulunmaktadır. Çalışma hedefleri düşünüldüğünde öncelikli olarak domates ve domates yan ürünlerinin fonksiyonel özelliklerinin incelendiği kapsamlı bir derleme çalışması yapılmıştır (Bölüm 2). Buna ilaveten çeşitli gıdalarda bulunan fenolik maddelerin profillerinin belirlenmesinde kullanılan yöntemler ve bunların uygulanış şekilleri özetlenmiştir. Bunlardan ayrı olarak da domates ve domates yan ürünlerinin fonksiyonel katkı maddesi olarak farklı gıdalarda kullanımları ile ilişkili olarak literatürde bulunan örnekler bir araya getirilmiştir. Çalışmada kullanılmak üzere; yetkililerle görüşülerek Türkiye'ye özgü domates çeşitleri araştırılmış ve toplamda 77 farklı domates tohumu temin edilmiştir. Toplanan bu 77 yerel domates tohumu açık bir araziye 2 sene üst üste ekilmiştir ve ekilenler içerisinde sadece 50 tanesi çalışmada kullanılmıştır. İki seneye ait domateslerde fenolik maddelerin belirlenmesi için LC-MS ile yarıpolar bileşenlerin untargetted (hedeflenmemiş) analizi yapılmış ve yarıpolar madde profilleri belirlenmiştir (Bölüm 3). Yerel domateslerde bulunan sağlığa yararlı etkisi olduğu bilinen diğer bileşenler (fenolikler, karotenoidler, E vitamini, C vitamini) ve yerel domateslerin antioksidan süpürme etkinlikleri ile antioksidan kapasiteleri de ayrıca araştırılmıştır (Bölüm 4). İlaveten, farklı domates işleme tekniklerinin domateslerde bulunan fenolik ve karotenoid maddelere etkisinin incelenmesi amacıyla domateslere farklı kurutma teknikleri uygulayan firmalar ile iletişime geçilmiş ve bu firmalardan hem taze domates hem de kurutulmuş örnekler talep edilerek kurutulan ürünlerde bulunan fenoliklerin ve karotenoidlerin belirlenmesine ek olarak sindirim sisteminin taklit edilmesi ile, bu maddelerin in vitro olarak biyoerişilebilirliği tespit edilmiştir (Bölüm 5). Son olarak da güneşte kurutulmuş domateslerden elde edilen domates tozlarının simit hamuruna belirli oranlarla karıştırılması ile yeni bir fonksiyonel ürün üretilmek istenmiş ve üründeki fenolik ve karotenoidler ile bunların biyoerişebilirliği test edilmiştir (Bölüm 6). Belirtildiği üzere; Bölüm 2'de domates ve domates atıklarının fonksiyonel özellikleri üzerine kapsamlı bir literatür taraması yapılmış, bahsi geçen ürünlerin gıda sistemlerinde muhtemel kullanımı ile ilgili çalışmalar incelenmiş ve ayrıca farklı gıdalarda bulunan fenolik maddelerin belirlenmesinin önemi araştırılmıştır. Bölüm 3'te Türkiye'ye özgü yerel domateslerde bulunan yarıpolar bileşen profillerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amacı gerçekleştirmek için temin edilen domates tohumları açık bir araziye ekilmiş ve tek seferde yapılabilecek en fazla hasatın yapılması sağlanmıştır. Bu şekilde 50 farklı domates çeşidi hasat edilmiştir. Hasat edilen numunelerin öncelikle pH ve renk değerleri ölçülmüş, sonrasında da sıvı azot ile öğütülerek toz haline getirilmişler ve dondurarak kurutma işlemi uygulanmasını takiben ileriki analizlere kadar -20⁰C'de depolanmıştır. Toz hale getirilen numunelerden metanollü hidrofilik ekstraktlar hazırlanmış ve bunlar LC-MS ile analizlenerek fenolik maddeler analiz edilmiştir. Elde edilen analiz sonuçları PCA ve HCA ile değerlendirilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, yerel domateslerde bulunan fenolik maddelerin, domateslerin coğrafi menşeilerinden çok meyve ebatına bağlı olduğu görülmüştür. Bölüm 4'te hasat edilen 50 farklı yerel domates çeşidinde bulunan sağlığa yararlı olduğu iddia edilen bileşenlerin biyoçeşitliliği araştırılmıştır. Bu bağlamda, fenolik bileşenlerin, karotenoidlerin, C ve E vitaminlerinin miktar analizleri yapılmıştır. Spektrofotometrik analizler ile de domateslerde bulunan hem hidrofilik hem de lipofilik maddelerin toplam antioksidan kapasite ölçümleri yapılmıştır. Ayrıca HPLC sistemine bağlanan bir çift-dalga absorbans detektör yardımıyla numunelerde bulunan fenolik maddelerin birbirinden ayrı olarak bireysel antioksidan kapasite değerlerinin de enstrümantal olarak ölçülmesi sağlanmıştır. Analiz sonuçları incelendiğinde, meyvelerde araştırılan bileşenlerin çeşitlilik gösterdiği görülmüş, numuneden numuneye farklı bileşenlerin değişen miktarlarda olduğu gözlenmiştir. Bölüm 5'te güneşte, dondurarak ve fırında yarı kurutulmuş domatesler ile fırında farklı sıcaklık derecelerinde (60, 80, 100 ve 120⁰C) tamamen kurutulmuş domates örnekleri hazırlanmıştır. Farklı kurutma tekniklerinin ve uygulama sıcaklıklarının domateslerde bulunan fenolik ve karotenoid maddeler ile vitaminler üzerine etkisi incelenmiştir. Bu amaçla örneklerdeki yarıpolar bileşenlerin LC-MS ile analizlenmesi sağlanmış, ürünlerde bulunan fenolik ve karotenoid maddeler ile C ve E vitaminleri kantitatif olarak HPLC analizi ile belirlenmiştir. Bunlardan ayrı olarak da ürünlerde mevcut olan ergosterol miktarları ölçülmüştür. Ayrıca ürünlerde bulunan şekerler de RI-HPLC ile analizlenmiştir. Bir önceki bölümlerde uygulanmış analizlere ek olarak in vitro biyoerişebilirlik analizleri uygulanarak, ürünlerde bulunan fenolik özelikteki maddelerin ne kadarının vücut tarafından kullanılabilir olduğu görülmüştür. Yarıpolar metabolitlerin incelendiği kısımda özellikle güneşte kurutulmuş materyallerin bir arada gruplandığı, fırında kurutulmuş materyallerin bir araya gelerek başka bir grup oluşturduğu tespit edilmiştir. Buna ilaveten fırında yarı kurutulmuş materyallerin yarıpolar madde profillerinin, dondurarak kurutulmuş materyallerden elde edilen profillere benzerlik gösterdiği farkedilmiştir. Bu sonuçlar HCA analizleri ile de desteklenmiştir. Bölüm 6'da güneşte kurutulmuş domateslerden elde edilen tozlar, simit hamurlarına farklı oranlarda eklenerek pişmiş ürünlerde meydana gelen protein-fenolik ve protein-karotenoid etkileşimlerinin gözlenmesi istenmiştir. Bu amaçla %10,4, 11,5 ve 13,1 oranında protein içeren unlar ile simit hamurları hazırlanırken içerlerine 7, 14 ve 28 g olacak şekilde kuru domates tozları katılmıştır. Kontrol örneği olarak ise domates tozu içermeyen simit numuneleri hazırlanmıştır. Diğer bölümlerde olduğu gibi örneklerde olan yarıpolar bileşenler LC-MS ile analizlenmiştir. Simitlere domates ilavesi ile ürünlerde bulunan fenolik maddelerdeki değişimler ve bu maddelerin sindirim sistemindeki davranışları HPLC-PDA ile izlenmiştir. Genel olarak, LC-MS analizleri ile elde edilen PCA diagramında %10,4 protein içeren unlar ile hazırlanan simitlerdeki yarıpolar metabolit madde profillerinin diğer unlardan ayrıştığı görülmüştür. Öte yandan, hazırlanan simit örneklerinde fenolik ve karotenoid madde miktarları, genelde simitlere katılan domates miktarları ile orantısal olacak şekilde değişim göstermiştir. En yüksek protein içeren örneklerde 7 g'dan 28 g'a kadar domates tozu eklemenin klorojenik asit geri kazanım oranına etkisi 4,7 kat iken, en düşük protein içeren unla üretilen simitlerde bu oran 3,4 kat olarak hesaplanmıştır. Son bölümde, Bölüm 7'de, tüm çalışma boyunca elde edilen veriler, üretilen datalar bir arada incelenmiş ve hepsi birlikte son bir kez yorumlanmış ve sonuçları aktarılmıştır. Bu çalışmada Türkiye'ye özgü yerel domatesler kullanılmış ve bu domateslerin fenolik ve karotenoid madde içerikleri tespit edilerek daha sonra yerel ürün üretimi ile alakalı olabilecek çalışmalarda temel oluşturmak hedeflenmiştir. Ayrıca çalışma kapsamında domateslerde bulunan fenolik ve karotenoid maddelerin, seçilen ürün işleme teknikleri ile nasıl şekillendiğini görmek için bir deney planı oluşturulmuş ve bu kapsamda kurutma prosesi seçilmiştir. Bu amaçla, faklı kurutma teknikleri uygulanmış domateslerde bulunması muhtemel ve sağlıkla ilişkili olabilecek maddeler kantitatif olarak belirlenmiştir. Son aşamada kurutulmuş domates tozu ilavesiyle üretilen simitler ürünlerinde fenolik ve karotenoid maddelerin ürünlerde bulunan protein ile etkileşimi incelenmek istenmiştir. LC-MS ile yapılan analizlerde sonuçların yorumlanması için çok değişkenli istatistiksel analizler uygulanmıştır. Ayrıca ürünlerdeki fenolik maddelerin biyoerişebilirliği sindirim sisteminin taklit edilmesi ile takip edilmek istenmiştir. Bu doğrultuda hem kurutulmuş örneklere hem de simit örneklerine in vitro biyoerişebilirlik protokolü uygulanmış ve hazırlanan numuneler HPLC-PDA ile analizlenmiştir.
Açıklama
Thesis (Ph.D.) -- Istanbul Technical University, Graduate School, 2021
Anahtar kelimeler
beta carotene, beta karoten, plant phenolics, bitki fenolikleri, natural food, doğal gıda, functional foods, fonksiyonel gıdalar, dried foods, kurutulmuş gıdalar, processing tomato, sanayi domatesi
Alıntı