HEMİSELÜLOZUN BİYOLOJİK OLARAK DÖNÜŞÜMÜ VE KULLANIM ALANLARI Hazırlayan Şeyda BOSTANCI Danışman Yrd.Doç.Dr. Özlem AKPINAR

Ksilooligosakkaritler Gıda Harici Uygulamaları KSİLAN Ksilooligosakkaritler Gıda Harici Uygulamaları Gıda Uygulamaları Ksilan hemiselülozun başlıca bileşenidir.(9)Yenilenebilen bu kaynaktan bugün gıda ve yem sanayi çeşitli şekillerde yararlanırken kağıt sanayi ve ayrıca atık arıtım ve değerlendirme proseslerinde de ksilana yönelik uygulamalar bulunmaktadır. ilaç Fonksiyonel Gıda hayvan beslenmesi ziraat

Hemiselülozun Yapısı Hemiselüloz, 5 C’lu pentoz şekerler (ksiloz, arabinoz gibi ) ile 6 C’lu heksoz şekerler (mannoz, glukoz, galaktoz gibi ) ve şeker asitlerinden oluşmuş heterojen polimerdir.

Hemiselülozun Yapısı Selülozun aksine kimyasal bakımdan homojen yapı göstermez. Genel olarak bitkilerde hemiselülozun polimerleşme derecesi selülozdan düşüktür. Selüloz

Hemiselülozun Yapısı…devamı Sert odun hemiselülozu daha çok ksilan içerirken yumuşak odun hemiselülozu daha çok glukomannan içermektedir. Dallanma tekrarı ve kompozisyonu ksilanın kaynağına bağlıdır.Değişik kaynaklardaki ksilanların kompozisyonları farklılık gösterir. Hemiseluloz, sert odunsu hemiselulozu ve yumuşak odunsu hemiselulozu olmak üzere 2’ye ayrılır. Yumuşak odunsu bitkilerin hemiselulozu daha çok glukomannan içerirken, sert odunsu bitkilerin hemiselulozu daha çok ksilan yapısındadır. Dallanma oranı ve şeker kompozisyonu ksilanın kaynağına bağlıdır (Obembe ve ark., 2006). Ksilan yapısında değişik grupları da barındırabilen, fakat ana yapısı D-ksiloz monomerlerinin -(1-4) glukozidik bağlarıyla bağlanmasıyla oluşan bir karbonhidrattır (Chen ve ark., 1997; Saha, 2003). Sert odunsu bitkilerin yapısında ksiloz birimlerinin %60-70’i asetilleşmiştir. Genel olarak bitkilerde hemiselulozun polimerleşme derecesi selulozdan düşüktür. Sert odunsu bitkilerde ksilanın polimerizasyon derecesi (150-200), yumuşak odunsu bitkilerdeki ksilanın polimerizasyon derecesinden (70-130) daha yüksektir (Saha, 2003; Ebringerova ve ark., 2005).

Selüloz ve hemiselülozun şematik yapısı

Hemiselülozun Yapısı…devamı Ana şekerleri D-ksilopiranoz, D-glukopiranoz, D-galaktopiranoz, L-arabinofuranoz, D-mannopiranoz ve D- glukopiranosiluronik asit ile iz miktarlarda diğer şekerlerdir. Ayrıca asetil ve metil alt gruplarını da içerir.β-1,4 bağı ile bağlanarak tekrar eden şekerler β-1,2,β-1,3 ve β-1,6 noktalarında dallanma gösterir.

Farklı Kaynaklardaki Lignoselülozik Biyokütlenin Kompozisyonu Selüloz Hemiselüloz Lignin Mısır lifi 15 35 8 Mısır koçanı 45 35 15 Pirinç sapı 35 25 12 Buğday sapı 30 50 20 Şekerkamışı posası 40 24 25

Hemiselüloza Uygulanan Ön İşlemler Lignoselülozik biyokütle, çeşitli zirai atıklar (saman,sap,kabuk gibi), kozalaklı ağaçlar,kentsel katı atıklar,kağıt ve pulp endüstri atıkları ile ot cinsi enerji ürünlerinden oluşur. Bu maddelerin kompozisyonu değişir. Bunlarda ana bileşen selülozdur (% 35-50) bunu hemiselüloz (% 20-35) ve lignin (% 10-25) izler.

Hemiselüloza Uygulanan Ön İşlemler…devamı Lignoselülozik biyokütleye enzimatik hidrolizden önce ön işlem uygulanması önemlidir. Selüloz, hemiselüloz ve lignin bileşenlerini ayırmada organik çözücü, sıcak su, buhar, amonyak, hidrojen peroksit, alkali, konsantre asit, sulu asit, SO2, CO2, kireç gibi çeşitli ön işlem metodları seçilerek uygulanabilir.

Lignoselülozik biyokütleye uygulanan ön işlem metodları METOD ÖRNEK Mekanik-Sıcaklık Öğütme,kırpma,ezme Otohidroliz Basınçlı buhar Süperkritik karbondioksit Asit uygulaması Sulu asit (H2SO4,HCI) Konsantre asit (H2SO4,HCI) Alkali uygulaması NaOH,amonyak,alkali H2O2 Organik çözücü uygulaması Metanol,etanol,bütanol,fenol

Hemiselülozun Enzimlerle Parçalanması Ksilanın tamamen parçalanması endo-β-1,4-ksilanaz, β-ksilozidaz ve α-L-arabinofuranozidaz, α-glukouronizidaz, asetilksilan esteraz, ferulik asit esteraz ve p-kumarik asit esteraz gibi ksilanın çeşitli birimlere hidrolizi için gerekli yardımcı enzimleri gerektirir.

Ksilooligosakkaritlerin Üretimi: Enzimatik Hidroliz

Hemiselülozun Enzimlerle Parçalanması…devamı Endo-ksilanaz ksilanın ana zincirine saldırır ve β-ksilozidaz ksilooligosakkaritleri ksiloza hidrolize eder.Arabinoz ve 4-O-metil glukouronik asit birimlerini sırası ile α-arabinofuranozidaz ve α-glukouronidaz ksilan iskeletinden uzaklaştırır.

Hemiselülozun Enzimlerle Parçalanması…devamı Esterazlar,asetik asit (asetilksilan esteraz) ve ksilanın ksiloz birimleri veya ferulik asit (ferulik asit esteraz) ve p-kumarik asit (p-kumarik asit esteraz) gibi fenolik asitlerle arabinoz yan zincir birimleri arasındaki ester bağını hidrolize eder. Penicillium capsulatum ve Talaromyces emersonii gibi birçok mikroorganizma, ksilanı tamamen parçalayabilen enzim sistemine sahiptir.

Karmaşık yapılı heteroksilanın hidrolizinde rol alan enzimler ENZİM ÇALIŞMA ŞEKLİ Endo-ksilanaz Çoğunlukla ksilan iskeletinin β- 1,4-ksiloz iç zincirini hidrolize eder. Ekzo-ksilanaz β-1,4-ksiloz birimlerini hidrolize eder, ksilobiyoz oluşturur. β-ksilozidaz Ksilozdan ksilobiyoz ve kısa zincirli ksilooligosakkarit oluşturur. α-arabinofuranozidaz Arabinoksilandan α-arabinofuranoz hidrolize eder. α-glukouronidaz Glukouronoksilandan glukouronik asit oluşturur. Asetilksilan esteraz Asetilester bağını asetil ksilana hidrolizler. Ferulik asit esteraz Feruloester bağını ksilana hidrolizler. p-kumarik asit esteraz p-kumaril ester bağını ksilana hidrolizler.

Ksilooligosakkarit Üretimi Ksilooligosakkaritler (KO) β-1,4 bağı ile bağlı ksiloz ünitelerine sahip şeker oligomerleridir. Doğal olarak meyve,sebze,bambu filizi,bal ve sütte bulunurlar. Ksilooligosakkaritler ksiloz ünitelerine sahip şeker oligomerleridir. Doğal olarak meyveler, sebzeler, bambu filizleri, bal ve sütte bulunurlar. Endüstriyel olarak da ksilanca zengin lignoselülozik materyallerden üretilirler (Vazquez ve ark., 2000). Lignoselüloz bitki hücre duvarının büyük bir kısmını oluşturur. Bu materyaller fenolik doğaya sahip lignin, β-(1-4) bağıyla bağlı glukoz ünitelerinden oluşan düz zincirli polimer olan seluloz ve ksiloz, arabinoz, mannoz, glukoz, ramnoz glukoronik asit gibi monosakkaritlerden oluşan dallanmış hemiselulozdan oluşur.

Ksilooligosakkaritler KO β-(1-4) bağı ile bağlı ksiloz ünitelerine sahip şeker oligomerleridir. Bu oligosakkaritlere ilgi teknolojik özellikleri yanında sağlık üzerinde de prebiyotik etkilerinden dolayı son yıllarda artmıştır. Ksilooligosakkaritler sindirilemeyen oligosakkaritler olarak sınıflandırılmaktadır. Bunlar ksiloz monomerleri arasındaki bağın β konfigürasyonunda olmasından dolayı insan sindirim enzimleri (amilaz, α-glukozidaz, maltaz, sukraz) tarafından hidrolizasyona dayanıklıdır. Prebiotik olarak nitelendirilen ksilooligosakkaritler, bağırsaktaki yararlı Bifidobakteriler ve Laktik asit bakterilerine substratlık yapar. Yararlı bakterilerin artmasına zararlı bakterilerin oluşan asitlikle azalmasına neden olur. Bu bakteriler bağırsak mukozasının fonksiyonunu artırarak, patojenik mikrofloranın buraya bağlanarak çoğalmasını engellemektedirler. Bunlar aynı zamanda laktosin, helvetisin, laktasin, nisin ve bifidosin gibi doğal antimikrobiyal maddeler salgılar ve bağışıklık sistemini uyarırlar. Bu antimikrobiyal maddeler, Clostridium ssp., Bacteroides, E.coli, Salmonella gibi patojenlerin üremesini engellemektedirler (Fooks ve ark., 1999). Ayrıca, bu oligosakkaritler minerallerin (özellikle Ca ve Mg’un) biyolojik olarak kullanımını arttırırlar. LDL kolesterol düzeyini düşürerek kalp- damar hastalıklarına karşı korurlar ve en önemlisi bağırsak kanserinden korurlar (Ebringerova ve Heinze., 2000; Vazquez ve ark., 2000; Moure ve ark., 2006).

Ksilooligosakkarit Üretimi…devamı Endüstriyel olarak ksilanca zengin lignoselülozik maddelerden üretilirler. Elde edilen ksilan enzim,asit ve ısıl işlemle hidrolize edilerek KO üretilir. KO’in tatlılık derecesi düşüktür, molekül ağırlıkları arttıkça viskoziteleri de artar ağızda doygunluk hissi verirler. Kan şekerini etkilemediği için diyabetik ürünlerde şeker ikamesi olarak kullanılır. Ağızda sindirilemediği için diş çürümesini önleyicidir bu açıdan sakız ve diş macunlarında tercih edilir (Vazquez ve ark., 2000).

Ksilooligosakkaritlerin Üretimi Lignoselülozik materyal Alkali ekstraksiyon Otohidroliz ksilooligosakkarit ksilan Uygun bir lignoselulozik materyalden elde edilen ksilan, enzim, asit ve ısı ile hidroliz edilerek ksilooligosakkarit üretilebilir. Enzimatik hidroliz Asit hidroliz ksilooligosakkarit ksilooligosakkarit

Ksilooligosakkarit Üretimi…devamı Asitle hidrolizi sonucunda furfural gibi istenmeyen yan ürünler oluşabilir.Bunun yanında kullanılan fazla asiti bazla nötürleme işlemi maliyeti artırır.Kullanılan asitler sülfürik veya hidroklorik asitlerdir. Isı ile hidrolizinde ksilanca zengin lignoselülozik maddeler sulu ortamda ısı ile kendiliğinden hidrolize olur.Ancak hidrolizin ileri giderek furfural gibi istenmeyen bileşiklerin oluşma ihtimali burada da vardır.

Ksilooligosakkaritlerin Üretimi: Asit Hidroliz Sülfürik asit Ksilan Hidroklorik asit Trifluora asetik asit Ksilan hidrolizi Baz Ksilan, sülfürik yada hidroklorik asit ile ksilooligosakkaritlere hidroliz edilebilir (Sun ve ark., 2002). Ancak bu yöntemde ksilooligosakkaritlerin yanında furfural gibi istenmeyen bileşiklerin de elde edilmesi söz konusudur. Ayrıca fazla asit, bazla nötralize edileceğinden nötralizasyon ürünlerinin uygun bir şekilde uzaklaştırılması gerektiğinden, üretim maliyetlerini artırmaktadır (Vazquez ve ark., 2002; Erdoğan, 2007). Nötralizasyon Tuz Ksilooligosakkaritler

Ksilooligosakkaritlerin Üretimi: Otohidroliz Lignoselülozik materyaller Isı Sulu ortam Isı ile hidrolizde (otohidroliz) ise ksilooligosakkaritler, ksilan elde edilmesine ihtiyaç duyulmadan, direkt olarak lignosellülozik materyallerden üretilmektedir. Materyal, ısı ve sulu ortamda kendiliğinden hidroliz olmaktadır. Lignoselülozik materyallere sulu ortamda 130-230ºC sıcaklık uygulandığında, suyun otoiyonizasyonundan ve hammaddede bulunan asidik türlerin (üronik asit, asetik asit) iyonizasyonundan meydana gelen hidronyum iyonları, hemiselülozu depolimerize ederek çözünür oligomerlere, şekerlere ve şeker parçalanma ürünlerine (furfural ve hidroksimetilfurfural) dönüşümünü katalizler (Garrote ve ark., 2002; 2003). Ancak bu yöntem, hidroliz olayını daha ileriye sürükler ve furfural gibi istenmeyen maddeler oluşturur. Ksilooligosakkaritler

Ksilooligosakkarit Üretimi…devamı Enzimle hidrolizde korozif kimyasallara gerek duyulmadığı gibi furfural gibi yan ürünlerde oluşmaz.Enerji ihtiyacı da düşüktür.Ancak bu yöntemde enzim üretimi zahmetli,zaman alıcı ve pahalıdır. Enzimatik hidrolizde ksilanazlar ksilanın β-1,4 bağını parçalarlar.Ksilanın tamamen ksiloza hidrolizi için 3 tane enzime ihtiyaç vardır: Endoksilanaz β-D ksilanaz Esterazlar

Ksilooligosakkaritlerin Üretimi: Enzimatik Hidroliz Ksilan ksilanaz endoksilanaz β-ksilozidaz esteraz Ksilan hidrolizi Enzimle hidroliz daha spesifik ve ılımlı koşullarda gerçekleştiği için ksilanın enzimatik hidrolizi asit ve ısı ile hidrolizine tercih edilmektedir. Enzimatik hidroliz ksilanazlar tarafından gerçekleştirilir. Ksilanazlar ksilanın b-(1-4) bağını parçalayarak, ksilanı ksiloza hidroliz ederler. Ksilanın kompleks yapısından dolayı, tamamen parçalanması endo-β-(1,4)-ksilanaz, β-ksilozidaz ve α-L-arabinofuranozidaz, α-glukouronidaz, asetilksilan esteraz, ferulik asit esteraz ve p-kumarik asit esteraz gibi enzimleri gerektirir. Endo-β-(1,4)-ksilanaz ksilanı rastgele parçalar, β-ksilozidaz ksilooligosakkaritleri ksiloza hidrolize eder, α-arabinofuranozidaz ve α-glukouronidaz enzimleri arabinoz ve 4-O-metil glukuronik asit birimlerini ksilan iskeletinden uzaklaştırır, asetik asit (asetilksilan esteraz), ferulik asit (ferulik asit esteraz) ve p-kumarik asit (p-kumarik asit esteraz) gibi bileşikler ise esterazlarla parçalanır (Bakır, 2002; Saha, 2003). Ksilooligosakkaritler

Ksilooligosakkarit Üretimi…devamı KO üretimi için öncelikle uygun lignoselülozik madde (tarımsal atıklar, saman, mısır koçanı, odunsu bitkiler) seçilir ve bundan ksilan izole edilir. Hemiselülozun büyük bir kısmı ksilandır.Daha sonra elde edilen ksilan uygun bir yöntemle parçalanarak KO üretilir.

Ksilooligosakkarit Üretimi…devamı KO’lere ilgi teknolojik özellikleri yanında sağlık üzerinde de prebiyotik etkilerinden dolayı son yıllarda artmıştır. KO ksiloz birimleri arasındaki bağın β bağı olması nedeni ile sindirilemeyen oligosakkaritler arasına girer. Bağırsaktaki yararlı Bifidobakteriler ve Laktobakterilere substratlık yapar. Yararlı bakterilerin artmasına zararlı bakterilerin oluşan asitlikle azalmasına neden olur.

Ksilooligosakkarit Üretimi…devamı KO’lerin tatlılık derecesi düşüktür, molekül ağırlıkları arttıkça viskoziteleri de artar ağızda doygunluk hissi verirler. Kan şekerini etkilemediği için diyabetik ürünlerde şeker ikamesi olarak kullanılır.

Ksilooligosakkarit Üretimi…devamı Ağızda sindirilemediği için diş çürümesini önleyicidir bu açıdan sakız ve diş macunlarında tercih edilir. Minerallerin biyolojik olarak kullanımını arttırırlar özellikle Ca ve Mg absorbsyonunu.LDL kolesterol düzeyini düşürerek kalp damar hastalıklarına karşı korurlar.Ve en önemlisi bağırsak kanserinden korurlar.

Ksilitol Üretimi Ksilitol, 5 karbonlu şeker alkolü, çoğunlukla alkali ortamda odun hidrolizasyonundan elde edilen ksilozun kimyasal yolla indirgenmesi ile üretilir. Yumuşak içecekler,dondurma,sakız ve şekerlemeler gibi çeşitli ürünlerde ksilitol kullanılmaktadır. Ksilitol, bir çok meyvede doğal olarak bulunan bir tatlandırıcıdır.

Ksilitol Üretimi…devamı Sebzeler ve insan vücudu doğal olarak ksilitol üretir. Hemiselüloz hidrolize edilerek D-ksiloz üretilir. D-ksilozda hidrojenize edilerek ksilitol elde edilir.

Ksilitol Üretimi….devamı Ksilitol beyaz kristal şeklinde olup nane gibi serinleten hoş bir tadı vardır. Huş ağacı, böğürtlen, çilek, yeşil salata, karnabahar, erik, fıstık, muz ve mantarda da bulunur.

Ksilitol Üretimi….devamı Japonya, Finlandiya, İskandinav ülkeleri ve Sovyetler Birliği’nde diyabetik ürünlerde, Almanya’daysa damar içi beslenme ürünlerinde sıklıkla kullanılmaktadır. Fermente edilebilen tüm şekerlerin yerine tatlandırıcı kullanıldığında çürük oluşmadığı ve şekerlemelerde, sakızlarda, alkolsüz içeceklerde, çeşitli ilaçlarda, pastillerde sukrozun yerine ksilitol kullanılmasının çürük riskini azaltıcı olduğu ifade edilmektedir.

Etanol Üretimi Etanol, hem enerji kaynağı, hem de çeşitli kimyasal maddelerin üretiminde hammadde olarak kullanılması nedeniyle önem kazanmıştır. Lignoselüloz içeren az miktar hemiselüloz enzimatik hidrolizle birlikte veya yalnız ön uygulama sonrasında karışık şekerlerden oluşur.

Etanol Üretimi…devamı Lignoselülozik maddelerin yakıt etanole dönüşümünde hemiselülozik şekerlerden yararlanılır. Kaynağına göre kombinasyonlarda şeker karışımı ksiloz, arabinoz, glukoz, galaktoz, mannoz, fruktoz ve ramnoz içerebilir.

Etanol Üretimi…devamı Etanol, biyoyakıt olarak petrolün yerini alabilecek önemli bir endüstriyel üründür, ayrıca çevreye olan zararlı etkisi çok az olduğundan, büyük önem taşımaktadır ve oksijenli yakıtların üretiminde katkı maddesi olarak da kullanılabilmektedir. Biyolojik yolla etanol üretimi, daha çok tarımsal esaslı ürünlerden yapıldığı için, atmosferik karbon döngüsünü de arttırmaktadır.

2,3-Bütandiol Üretimi Bakterilerce üretilen fermentasyon ana ürünü 2,3-BD’dir. Endüstriyel ölçekte pulp,kağıt ve gıda endüstrisi atıkları gibi çeşitli zirai atıklardan 2,3-BD üretimine ilgi vardır.

Diğer Kullanım Yerleri Laktik asit üretimi; laktik asit,gıda, eczacılık ve kozmetik endüstrisinde kullanılmaktadır. Ferulik asit üretimi; ferulik asit,çeşitli bitki hücre duvarlarında bulunan büyük bir sinamik asittir.Mısır lifi yaklaşık % 3 ferulik asit içerir.Buğday kepeği diğer bir ferulik asit kaynağıdır(0.5-1%).

SONUÇ Lignoselülozik tarımsal atıklardan, yapılarında yer alan hemiselülozun fermente şekerlere biyodönüşümü ile etanol, ksilitol gibi yararlı ve yenilenebilir ürünler elde edilebilmektedir. Araştırmacılar hemiselülozik kütleyi basit fermente şekerlere parçalamanın hızlı,ucuz ve en etkili yollarını aramaktadırlar.

SONUÇ Gelecekte fosil yakıt rezervlerinin azalması ve çevreye olan olumsuz etkileri gözönüne alınırsa alternatif enerji kaynaklarına gerekli önem verilmeli ve bu konuda ciddi adımlar atılmalıdır. ABD, İngiltere, Brezilya, İsveç ve İspanya gibi birçok ülkede  olduğu gibi ülkemizde de biyoyakıt üretimi tesislerin kurulması gerekmektedir. 

SONUÇ Ülkemizde biyoatık kaynaklarının güçlendirilerek çevre ve ekonomi açısından geleceğin temiz enerji kaynakları olan biyoenerji üretimine kazandırılması gerekmektedir.