Meyve bazlı ürünlerde α-dikarbonil bileşiklerinin oluşumunun incelenmesi

α-Dikarbonil bileşikleri ve 5-hidroksimetil-2-furfural (HMF) meyve ürünlerinin işleme ve depolamaları sırasında, meyvelerin şeker açısından zengin ve asidik yapıları nedeniyle şekerlerden kolayca oluşabilirler. Maillard reaksiyonu ve karamelizasyon, meyve ürünlerinde bu reaktif ara maddelerin oluşumundan esas olarak sorumlu olan reaksiyonlardır. α-Dikarbonil bileşikleri, aroma ve esmerleşme gelişiminde önemli ara bileşenlerdir. Diğer taraftan, α-dikarbonil bileşikleri, çeşitli dejeneratif ve kronik hastalıklarla bağlantılı olan ileri glikasyon ürünleri (AGE), furan, akrilamid gibi toksik bileşiklerin de önemli öncüleridir. α-Dikarbonil bileşiklerinin oluşumu sırasında amino asit kaybı ve vitamin degredasyonu meyve ürünlerinin besin değerinde kayıplara neden olur. Bu nedenle, meyve prosesi ve depolanması sırasında bu anahtar ara maddelerin kontrolü, kalite ve güvenlik sorunları için çok önemlidir. Bu çerçevede, bu tez, meyve ürünlerinde depolama ve proses boyunca α-dikarbonil bileşiklerinin kimyasını derinlemesine araştırmayı amaçlamaktadır. Bu amaca ulaşmak için, öncelikle meyve bazlı ürünlerde α-dikarbonil bileşiklerinin seviyeleri belirlenmiştir. İkinci olarak, bunların oluşum mekanizmalarının anlaşılmasına odaklanılmış, ve son olarak meyve ürünlerinde bunların oluşumlarına etki eden faktörler araştırılmıştır. Ayrıca, HMF bugüne kadar işlenmiş gıdalarda bir kalite belirteci olarak kabul edilmiştir, ancak α-dikarbonil bileşiklerinin kalite ve güvenlik belirteçleri olarak önemini anlamak için HMF ile birlikte α-dikarbonil bileşikleri de değerlendirilmiştir. Bu çalışmanın başlangıcında, kuru meyveler, meyve suları, meyve suyu konsantreleri, meyve püre konsantreleri ve meyve püreleri gibi çok sayıda farklı meyve ürününde (n=184) α-dikarbonil bileşikleri ve HMF içeriği araştırılmıştır. α-Dikarbonil bileşikleri arasından, 3-deoksiglukozon (3-DG), glukozon, 1-deoksiglukozon, 3-deoksipentozon, threozon, diasetil, metilglioksal ve glioksal izlenmiştir. Bu çalışma ilk kez, meyve sularında ana α-dikarbonil bileşiğinin glukozon (tespit edilemeyen ile 25.7 mg/L aralığında) olduğunu bildirmektedir. Orta ve düşük neme sahip diğer meyve ürünlerinde ise 3-DG'nun baskın olarak bulunmaktadır. α-Dikarbonil bileşiklerinin ve HMF'nin en yüksek konsantrasyonları ana olarak kuru meyvelerde endişe verici seviyelerde bulunmuştur. Kuru meyvelerdeki 3-DG konsantrasyonu 21.9 mg/kg ile 4117.0 mg/kg arasında değişirken, HMF tespit edilemeyen seviye ile 2400.9 mg/kg arasında değişmektedir. Genel olarak, α-dikarbonil bileşiklerinin konsantrasyonları HMF seviyelerinden önemli ölçüde (p < 0.05) yüksektir. Risk değerlendirmesi yapabilmek için, meyve ürünlerinden günlük α-dikarbonil bileşikleri ve HMF alım seviyeleri de hesaplanmıştır. Diyetle alım hesaplamaları, meyve sularının kuru meyvelere kıyasla daha düşük konsantrasyonda α-dikarbonil bileşikleri ve HMF içermesine rağmen, meyve suyu ürünlerinin de yüksek maruziyet ile risk oluşturduğunu göstermiştir. Bu çalışma, meyve ürünlerinin depolanması ve işlenmesi sırasında HMF ile birlikte α-dikarbonil bileşiklerinin daha ayrıntılı olarak araştırılmasının gerekli olduğunu ortaya çıkarmıştır. Meyve ürünlerinin depolanması sırasında α-dikarbonil bileşiklerinin oluşum mekanizması ve oluşumuna etki eden faktörler sonraki bölümlerde incelenmiştir. Bu bağlamda, çok yanıtlı kinetik modelleme yaklaşımı kullanılarak reaktanların (şekerler, amino asitler) ve ürünlerin (α-dikarbonil bileşikleri ve HMF) konsantrasyonlarındaki değişimleri bunların oluşum mekanizmaları ile birlikte değerlendirilmiştir. Bu yaklaşım, farklı sıcaklıklarda, 24 haftalık süre ile depolanan elma suları, portakal suları ve şeftali nektarlarına uygulanmıştır. α-Dikarbonil bileşiklerinden, glukozon, 3-DG, threozon, metilglioksal ve glioksal izlenmiştir. Önceki bulgularla uyumlu olarak, depolama sırasında elma ve portakal sularında ana dikarbonil, 0.2 mg/L ile 683.5 mg/L aralığında değişen miktarda glukozon olarak bulunmuştur. Bununla birlikte meyve suyu örneklerinde HMF düzeylerinin α-dikarbonil bileşiklere göre daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Verilerden ortaya çıkan çarpıcı bir sonuç da serbest amino asitlerin depolama sırasında önemli (p > 0.05) bir değişiklik göstermemesidir. Bu nedenle, depolama sırasında meyve sularında α-dikarbonil bileşikleri ve HMF oluşumundan Maillard reaksiyonu yolundan ziyade şeker ayrışma yolunun sorumlu olduğu ilk olarak varsayılmıştır. Çok yanıtlı kinetik modelleme yaklaşımının kullanılması, model diskriminasyonu yaparak ve reaksiyon hızı sabitlerini tahmin ederek meyve sularında şeker bozunma reaksiyonlarının en olası yolunun daha iyi anlaşılmasını sağlamıştır. Buna göre, şeftali nektarındaki (sukroz katkılı içecek) α-dikarbonil bileşiklerinin oluşum hızları, elma ve portakal sularındakinden (ilave şekersiz meyve suları) daha düşüktür. Depolanan meyve suyu örneklerinde 1,2-enolizasyon yoluyla glukoz ve fruktozun izomerizasyonu kinetik olarak önemli bir reaksiyon adımı olarak bulunmuştur. HMF esas olarak 3-DG dehidrasyonundan ziyade fruktofuranozil katyonunun dehidrasyonu yoluyla oluşturulmuştur. Üç farklı meyve suyu için tek bir kinetik modelin oluşturulması, genel olarak asidik, şeker açısından zengin, sulu gıda sistemlerinde α-dikarbonil bileşiklerinin ve HMF'nin oluşum mekanizmasının anlaşılmasını kolaylaştırmaktadır. Üçüncü kısımda, depolama sırasında orta ve düşük nem içeriğine sahip merve ürünlerinde α-dikarbonil bileşiklerinin ve HMF'nin oluşumuna başlangıç reaktan konsantrasyonu, pH gibi faktörlerin nasıl etki ettiği araştırılmıştır. Bu amaçla, farklı başlangıç reanktant konsantrasyon seviyelerine sahip meyve (elma, nar) suyu konsantreleri ve farklı pH seviyelerine sahip kuru meyvelerde (hurma, üzüm, yaban mersini), reaktanların (şeker, amino asit) ve ürünlerin (α-dikarbonil bileşikleri ve HMF) konsantrasyonlarındaki değişimler 37 °C'deki 20 haftalık depolama süresince izlenmiştir. Depolanan örneklerde α-dikarbonil bileşikleri arasında, glukozon, 3-DG, threozon, 3-deoksithreozon, 3,4-dideoksiglukozon-3-ene, diasetil, metilglioksal ve glioksal izlenmiştir. Önceki bulgulara benzer şekilde, 30 °Bx meyve suyu konsantrelerinde glukozon baskındı. Öte yandan, depolama süresince 50 °Bx ve 70 °Bx meyve suyu konsantrelerinde ve tüm kuru meyvelerde 3-deoksiglukozon baskın olandı. Depolama sırasında önceki bulguları destekler şekilde HMF seviyeleri de baskın α-dikarbonil bileşiklerinin konsantrasyonlarından önemli ölçüde daha düşüktü. Ayrıca, sonuçlar meyve suyu konsantrelerinde başlangıç reaktan konsantrasyonu 30 °Bx'den 70/65 °Bx'e yükseldiğinde serbest amino asit konsantrasyonundaki azalış oranının % 34'den % 77'ye yükseldiğini ortaya koymuştur. Benzer şekilde, depolama sırasında kuru meyvelerde pH seviyesi yüksek-asidikten (2.6) nötre (6.6) değiştiğinde serbest amino asit kaybı artmıştır. Serbest amino asit kaybındaki artışla birlikte bütün meyve ürünlerinde α-dikarbonil bileşiklerinin ve HMF'nin konsantrasyonları artmıştır. Nispeten yüksek pH seviyesine (6.6) sahip kuru hurmadaki 3-DG'nun maksimum seviyesi 7251 ± 896 mg/kg olarak bulunmuştur ki bu şimdiye kadar literatürde bildirilen en yüksek α-dikarbonil bileşiği seviyesidir. Depolama sırasında meyve ürünlerinde Maillard reaksiyonunun rolünü anlamak için yüksek çözünürlüklü kütle spektrometrisi kullanılarak α-dikarbonil bileşiklerinin ve HMF'nin amino asit eklentileri doğrulandı. Sonuçlara göre, α-dikarbonil bileşiklerinin ve HMF'nin amino asit eklentilerinin genel olarak yüksek kütle doğruluğu (Δ < 2 ppm) ile doğrulanması, meyve ürünlerindeki enzimatik olmayan reaksiyonlara Maillard reaksiyonunun katkısını kanıtlamıştır. Sonuçta, meyve ürünlerinin depolanması sırasında şeker degredasyon reaksiyonlarının sulu meyve ürünlerinde α-dikarbonil bileşiklerinin ve HMF'nin oluşumuna esas olarak katkıda bulunduğu saptanırken orta/düşük nemli meyve ürünlerinde ise Maillard reaksiyonunun enzimatik olmayan reaksiyonlarda önemli rol oynadığı ortaya çıkmıştır. Son bölümde ise meyve sularının farklı proses aşamalarının α-dikarbonil bileşikleri ve HMF oluşumuna etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla, endüstriyel üretim sırasında enzim muamelesi, pastörizasyon, konsantrasyon gibi kritik proses aşamalarından temin edilmiş elma suyu konsantresi, portakal suyu ve şeftali püresi örneklerinde reaktanların (şeker, amino asit) ve ürünlerin (α-dikarbonil bileşikleri ve HMF) konsantrasyonlarındaki değişimler izlenmiştir. α-Dikarbonil bileşikleri arasında, glukozon, 3-DG, 3-deoksipentozon, threozon, diasetil, metilglioksal ve glioksal izlenmiştir. Proses sırasında şekerlerin ve serbest amino asitlerin konsantrasyonları önemli (p > 0.05) bir değişim göstermemiştir. Proses sonunda 17.47 ± 0.16 mg/L maksimum konsantrasyonuna sahip glukozon, elma suyu prosesi sırasında tüm örnekleme noktalarında ana dikarbonil olmuştur. Buna karşılık, sırasıyla 18.24 ± 0.86 mg/L and 29.71 ± 1.56 mg/kg maksimum konsantrasyonları ile 3-DG, portakal suyu ve şeftali püresi örneklerinde baskın olmuştur. Bu, hava çıkarma gibi farklı proses türlerinin meyve ürünlerinde oluşan ana α-dikarbonil bileşiğin tipinde değişime sebep olduğunu göstermiştir. Bu bulgu literatürde ilk kez rapor edilmiştir. Bununla birlikte, proses sırasında α-dikarbonil bileşikleri konsantrasyonlarındaki artış, 100 °C'nin altındaki kesintisiz ılıman sıcaklık koşullarının bile sulu meyve ürünlerinde α-dikarbonil bileşiklerinin birikimine neden olabileceğini ortaya koymuştur. Moleküler oksijenin varlığı, proses sıcaklığı ve proses süresi dikarbonil oluşumunu etkileyen dikkate değer proses parametreleri olarak belirlenmiştir. Son ama en az diğerleri kadar önemli olarak, proses sırasında tüm örneklerde HMF konsantrasyonu α-dikarbonil bileşiklerinin seviyesinden oldukça düşük bulunmuştur. Bu bulgu, sulu asidik meyvelerde yüksek α-dikarbonil bileşiikleri seviyelerine rağmen oldukça düşük veya saptanamayan düzeyde HMF seviyelerinin bulunduğu bu tez çalışmasındaki önceki bulguları desteklemektedir. Bu sebeple, işlenmiş meyve ürünlerinin kalite ve güvenliğinin güvenilir bir şekilde değerlendirilmesi için sadece HMF'nin değil aynı zamanda α-dikarbonil bileşiklerinin de birlikte değerlendirilmesi önerilmektedir.