Modifiye demir oksit manyetik nanotaşıyıcılara pektinaz enziminin immobilizasyonu, karakterizasyonu ve meyve suyu berraklaştırılmasında kullanımı

Abstract

Meyvelerde bulunan pektik maddeler meyve sularının bulanık ve yoğun olmasından sorumludur. Tüketiciler, düşük viskoziteli, berrak ve yüksek besin içeriğine sahip meyve sularını tercih eder. Bu nedenle, pektin bileşiklerinin işlenmesi pazarlama açısından mutlak bir gerekliliktir. Pektinaz enzimi kullanımı, pektin bileşiklerini parçalayarak berrak meyve suyu eldesinde önemli bir rol oynar. Ancak, serbest pektinazın nihai üründen ayrılması zordur. Bu sorunu çözmek için, son ürünün termal inaktivasyonu gerçekleştirilir. Termal inaktivasyon adımının enerji tüketimi yüksektir ve temel doğal bileşiklerin yapısını bozarak ürün kalitesini düşürür. Ayrıca, pahalı pektinaz enziminin geri kazanımı ve tekrar kullanılabilirliğindeki zorluklar, süreci ekonomik olmaktan çıkarır. Bunun yanında enzimlerin çevresel koşullardan (pH ve sıcaklık vb.) etkilendiği unutulmamalıdır. Bütün bunlar stabilitesinin ve yeniden kullanılabilir potansiyelinin artırılmasıyla enzimlerin biyoteknolojik kullanımı açısından önem arz etmektedir. Enzimi bir destek malzemesi üzerinde immobilize etmek bu sorunları aşmaya yardımcı olur. Bu çalışma, pektinaz enzimini modifiye edilmiş manyetik nanopartiküllere (MNP) immobilize ederek stabilitesinin artırılması ve yeniden kullanılabilirliğini sağlayarak daha uygun maliyetli çözüm üretmeyi amaçlamaktadır. Bunun için tetra etil orto silikat (TEOS) ve 3-amino propil tri-etoksi silan (APTES) ile fonksiyonelleştirildikten sonra glutaraldehit ile aktive edilen manyetik nanopartiküller (Fe3O4) üzerine pektinaz enzimi kovalent olarak immobilize edildi. Enzim immobilizasyonunu doğrulamak için immobilizasyondan önce ve sonra taramalı elektron mikroskobu (SEM-EDX) ve Fourier dönüşümlü kızılötesi (FT-IR) spektroskopisi teknikleri ile karakterizasyonu gerçekleştirildi. Hem serbest hem de immobilize enzim için optimum pH (pH 5.0) ve sıcaklık (50 oC) aynı bulundu. Serbest ve immobilize pektinaz için Vmax sırasıyla 0.28 ve 0.19 U/ml, Km değeri ise sırasıyla 3.32 ve 3.94 mg/mL olarak belirlendi. Termal stabilite, pH stabilite ve depolama stabilitesi bakımında immobilize enzim, serbest enzime göre daha iyi bir katalitik performans sergiledi. İmmobilize pektinazın 20 kez yeniden kullanımı sonucunda kalan aktivite %81’in üzerinde tespit edildi. Son olarak, gerçek gıda uygulamasında immobilize pektinazın üzüm suyunu berraklaştırma potansiyeli değerlendirildi. Anahtar Kelimeler: Pektinaz, Manyetik Nanopartiküller, İmmobilizasyon, Stabilite, Berraklaştırma.The pectic compounds found in fruits are responsible for the cloudy and thick consistency of fruit juices. Consumers prefer fruit juices that are low in viscosity, clear, and high in nutritional content. For this reason, the processing of pectin compounds is an absolute necessity from a marketing perspective. The use of pectinase enzymes plays a significant role in producing clear fruit juice by breaking down pectin compounds. However, separating free pectinase from the final product is difficult. To solve this problem, thermal inactivation of the final product is performed. The thermal inactivation step has high energy consumption and reduces product quality by destroying essential natural compounds. Additionally, the failure to recover and reuse the expensive pectinase enzyme makes the process economically unfeasible. Furthermore, it should not be forgotten that enzymes are affected by environmental conditions (pH and temperature, etc.). All of these factors highlight the need to enhance the enzymatic processing step. Immobilizing the enzyme on a support material helps overcome these issues. This study aims to produce a more cost-effective solution by immobilizing the pectinase enzyme on magnetic nanoparticles (MNP) to enhance its stability and ensure its reusability. To this end, the pectinase enzyme was covalently immobilized onto magnetic nanoparticles (Fe₃O₄) that were functionalized with tetraethyl orthosilicate (TEOS) and 3-aminopropyl triethoxysilane (APTES) and subsequently activated with glutaraldehyde. To verify the success of immobilization, characterization was performed using scanning electron microscopy (SEM- EDX) and Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy techniques before and after immobilization. The optimal pH (pH 5.0) and temperature (50 °C) were found to be the same for both the free and immobilized enzymes. The Vmax values for the free and immobilized pectinase were determined to be 0.28 and 0.19 U/mL, respectively, while the Km values were 3.32 and 3.94 mg/mL, respectively. In terms of thermal stability, pH stability, and storage stability, the immobilized enzyme exhibited better catalytic performance compared to the free enzyme. Following 20 reuses of the immobilized pectinase, the remaining activity was found to be over 81%. Finally, the potential of the immobilized pectinase to clarify fruit juice was evaluated in a real-food application. Keywords: Pectinase, Magnetic Nanoparticles, Immobilization, Stability, Clarification.