FERMANTASYON ETKİSİ

FERMANTASYON ETKİSİ İLE BAZI BİTKİSEL GIDALARIN ANTİOKSIDAN ÖZELLİKLERINDE MEYDANA GELEN DEĞİŞİMLER

Fermantasyon sırasında gıdaların yapısında pek çok biyokimyasal olay gerçekleşmekte ve bunların sonucu olarak ürünün biyoaktivite ve sindirilebilirlik gibi çeşitli özellikleri değişmektedir.

Fermantasyon işlemi ile birlikte fitokimyasallarda meydana gelen yapısal değişiklikler, gıdaların fenolik içeriğinde artışa neden olmakta ve buna bağlı olarak antioksidan aktivesi artmaktadır.

Bu konuda yapılan pek çok çalışma, fermantasyon etkisi ile hücrelerde ve gıdalarda bulunan serbest radikallerin yok edilmesi için gerekli olan antioksidanların kapasitesinin arttığını ya da olumsuz etkilenmediğini ifade etmektedir.

Bu çalışma kapsamında; gıdaların besin içeriklerini ve duyusal özelliklerini korumak, değiştirmek ve ürünün raf ömrünü arttırmak için kullanılan bir yöntem olan fermantasyonun, bazı bitkisel gıdaların antioksidan kapasitelerindeki etkisi ele alınmıştır.

1. Giriş

Bitkisel gıdaların yapısında doğal olarak bulunan fitokimyasallar genellikle bağlı yapıdadır ve biyoyararlılıkları serbest halde olan fitokimyasallara göre daha düşüktür. Bu nedenle, fermantasyon gibi biyo-işlemlerle bitkisel gıdaların besin değerlerinin artırılması hedeflenmiştir [1].

Fermantasyon, gıdaların besin içeriklerini ve duyusal özelliklerini korumak, değiştirmek ve ürünün raf ömrünü artırmak için kullanılan bir yöntemdir [2].

Fermantasyon sırasında, gıdaların kompozisyonunda meydana gelen değişimler de dahil olmak üzere pek çok biyokimyasal olay gerçekleşmekte ve ürünün biyoaktivite ve sindirilebilirlik gibi özellikleri etkilenmektedir [3].

Ayrıca, fermantasyon ile birlikte bitkinin biyoaktif bileşenlerinde meydana gelen değişimlerin yanı sıra, gıdanın doku ve duyusal özelliklerinde de değişimler gerçekleşmektedir [1].

Fermantasyon ile karbonhidratları metabolize eden pek çok enzim fenolik glikozitleri hidroliz etmekte ve yüksek antioksidan aktiviteye sahip olan serbest aglikonların salımı ağlamaktadır [4].

Ayrıca, fermantasyon etkisi ile birlikte tahılların hücre duvarı parçalanmakta ve çeşitli biyoaktif bileşenlerin salımı ya da sentezi gerçekleşmektedir [5]. Fermantasyon sonucu bitkisel ürünlerin antioksidan özelliklerinin artmasındaki bir diğer mekanizma ise fitokimyasallarda meydana gelen yapısal değişiklikler ile açıklanmaktadır [6].

Fermantasyon sonrası gıdaların fenolik içeriğinde de artış görülmekte ve buna bağlı olarak antioksidan aktivite de artmaktadır [7]. Tüm bu nedenlerden dolayı, fermantasyon işleminin gıda maddelerinin antioksidan aktivitelerini geliştirmek için kullanılabilecek yöntemlerden biri olup olamayacağı tartışılmaktadır.

Antioksidan aktivite, hücrelerde ve gıdalarda bulunan serbest radikallerin yok edilmesi için gerekli olan antioksidanların toplam kapasitesini ifade etmektedir. Gıda kökenli antioksidanlar; C Vitamini, tokoferoller, karotenoidler, lipoik asit ve bitkilerde yaygın şekilde bulunan çeşitli fitonutrientlerdir [9].

Fenolik maddeler benzen halkalarında bulunan 3’-4’ dihidroksi grubu nedeniyle yüksek oranda indirgen ajan, hidrojen transferi ve singlet oksijeni bağlama özelliği göstermektedirler [10].

Benzer şekilde, flavonoidler de C (piren) halkalarındaki galloil ester grupları nedeniyle etkili bir şekilde hidroksil ve peroksil radikalleri uzaklaştırma, metallerle kompleks oluşturma ve lipid oksidasyonunu önleme özellikleri göstermektedir.

Tokoferollerin antioksidan etkileri ise hidrojen atomu transferi, singlet oksijeni ve diğer reaktif türlerini süpürücü etkilerinden kaynaklanmaktadır. Diğer taraftan, askorbik asit düşük elektron indirgeme potansiyeli ile oldukça iyi bir elektron donörüdür.

Askorbik asidin antioksidan mekanizması lipid radikallerine hidrojen transferi, singlet oksijeni bağlama ve moleküler oksijeni uzaklaştırma özelliklerinden kaynaklanmaktadır [11]. Bu çalışma kapsamında, çeşitli bitkisel gıdaların antioksidan özellikleri üzerine fermantasyon işleminin etkisi ele alınmıştır.

2. Bazı Bitkisel Gıdaların Antioksidan Özelliklerinde Meydana Gelen Değişimler

Meyve ve sebzeler, kanser, kalp-damar ve şeker hastalığı gibi çeşitli kronik hastalıkları engellemedeki etkileri ortaya konmuş antioksidatif bileşenlerce zengin gıda maddeleridir.

Yapılan çalışmalar, meyve ve sebzelerin antioksidan özelliklerini geliştirmek için uygulanabilecek yöntemlerden birinin de fermantasyon olduğunu göstermektedir.

Bu kapsamda elma küspesi, ginseng, çilek, zeytin, kuşburnu, yaban mersini, üzüm ve lahana gibi gıdaların fermantasyon etkisi ile antioksidan özelliklerinde meydana gelen değişimlerin incelendiği çeşitli çalışmalar bulunmaktadır (Tablo 1).

Ginseng çekirdeğinin Bacillus subtilis, Lactobacillus gasseri ve Pediococcus pentosaceus ile kesikli sistemde 30°C’de 24 saatlik fermantasyonunun gerçekleştirildiği çalışmada, örneklerin antioksidan aktiviteleri ABTS 2, 2’-azinobis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) ve süperoksit dismutaz (SOD) enzim aktivitesi yöntemleri ile belirlenmiştir.

Fermente edilmiş ginseng örneklerinin antioksidan aktivitesinin, fermente edilmeyen ürüne göre daha yüksek olduğu tespit edilmiştir.

Ayrıca; B. subtilis ile fermente edilen örneklerin, L. gasseri ve P. pentosaceus ile fermente edilen örneklere göre daha yüksek ABTS radikali süpürücü etkiye sahip olduğu; SOD enzim aktivitesinin ise L. gasseri ve P. pentosaceus ile fermente edilmiş örneklerde daha yüksek bulunduğu belirlenmiştir [12].

Elma küspesinin Phanerocheate chrysosporium ile katı hal fermantasyonu sonucu fenolik madde miktarının 4.6 mg (gallik asit eşdeğeri) GAE/g’dan 16.12 mg GAE/g kuru ağırlığa arttığı ve buna bağlı olarak fermente edilmiş elma küspelerinden elde edilen fenolik ekstraktların daha yüksek DPPH (2, 2-diphenyl-1- picrylhydrazyl) radikal süpürücü özelliğe sahip olduğu bulunmuştur [13].

Glukonik asit fermantasyonunun uygulandığı bir çalışmada, Gluconobacter japonicus kullanılarak çileğin fermente diyabetik içecek üretimine uygunluğu araştırılmıştır. Glukonik asit fermantasyonu ile çileğin yapısında bulunan glukoz, glukonik aside dönüştürülmüştür.

Fermente edilmeyen çilek ile fermente edilmiş ürünün antioksidan özellikleri ORAC ve DPPH yöntemleri kullanılarak karşılaştırılmıştır.

Elde edilen bulgulara göre, fermantasyonla elde edilen ürünün antioksidan özelliklerinde herhangi bir değişimin olmadığı, ürünün antioksidan özelliklerinin korunduğu ve glukonik asit fermantasyonunun çilekten fermente içecek üretimi için uygun olduğu sonucuna varılmıştır [14].

Lactobacillus plantarum ile zeytinin doğal ve kontrollü fermantasyonunda, zeytinin toplam fenolik madde içeriğinde %32-58 oranında; ABTS radikalı süpürücü etkisinde ise %50-72 oranında azalma görülmüştür.

Bunun yanı sıra kontrollü fermantasyon ile elde edilen zeytinlerin, doğal fermantasyonla üretilen zeytinlere göre antioksidan aktivitelerinin daha yüksek olduğu belirlenmiştir [6].

Yapılan diğer bir çalışmada ise beyaz lahanadan, L. plantarum, Leuconostoc mesenteroides ve bu iki mikroorganizmanın 1:1 oranında karışımı ile 3 farklı turşu elde edilmiştir. Fermantasyon sonrası elde edilen turşuların, fermente edilmeyen lahanaya göre ORAC değerleri 2 kat artmıştır.

En yüksek ORAC değeri L. mesenteroides ile fermente edilen turşu örneğinde 164 mmol Troloks/g kuru ağırlık olarak tespit edilmiştir [15]. Meyve ve sebzelerde olduğu gibi tahıl ve baklagil ürünlerinin de antioksidan özelliklerinin fermantasyon etkisiyle değiştiği yapılan çalışmalarla tespit edilmiştir.

Örneğin, soya, nohut, kolza tohumu, buğday, arpa, çavdar ve darı gibi gıdaların fermantasyon etkisi ile birlikte antioksidan özelliklerinin incelendiği çeşitli çalışmalar bulunmaktadır (Tablo 1).

Soya fasülyesinin B. subtilis ile 24 saatlik kesikli fermantasyonu sonucu elde edilen ürünün DPPH ve süperoksit radikal süpürücü etkisi, fermente olmayan soya fasulyesine göre sırasıyla 3,1 ve 24 kat artmıştır.

Bu durumun fermantasyon boyunca, soya fasulyesindeki proteinlerin hidroliz derecelerinin yükselmesi sonucu serbest fenolik ve aminoasit miktarının artmasından kaynaklandığı bildirilmiştir [16].

Benzer şekilde, siyah soya fasulyesinin B. subtilis ile katı faz fermantasyonunun incelendiği bir çalışmada, fermantasyon sonucu elde edilen ürünlerin fermente edilmeyen örneklere göre daha yüksek antioksidan aktiviteye sahip olduğu belirlenmiştir.

Ayrıca, fermente edilmeyen siyah soya fasulyesinde en yüksek DPPH radikal süpürücü aktivite ile demir şelatlama etkisini su ile ekstrakte edilen örnekler gösterirken; fermantasyon sonrası en yüksek DPPH radikal süpürücü etki ile demir şelatlama etkisi aseton ve metanol ile ekstrakte edilen örneklerde görülmüştür [17].

Soya proteininin L. plantarum ile 24 saatlik kesikli fermantasyonu sonucu elde edilen ürünün, fermente edilmeyen soya proteinine göre ABTS radikali süpürücü etkisi, demir (III) indirgeme antioksidan gücü (FRAP) ile hidroksil ve süperoksit radikalleri indirgeme gücü daha yüksek bulunmuştur [18].

Nohudun Cordyceps militaris ile katı hal fermantasyonu sonucu, fermente edilmeyen nohuda göre daha yüksek DPPH radikal süpürücü etki gösterdiği tespit edilmiştir.

DPPH radikal süpürücü etki fermente edilmemiş nohut örneklerinde, metanol ile yapılan ekstraksiyonda %21,7; etanol ile yapılan ekstraksiyonda %21,7; su ile yapılan ekstraksiyonda 17,7; fermente nohutta ise bu değerler sırasıyla %76,4; 71,8 ve 30,8 olarak belirlenmiştir.

Benzer şekilde ABTS radikal süpürücü etki ile FRAP değerleri de fermente edilmiş nohutta, fermente edilmeyen nohuda göre daha yüksek bulunmuştur [19].

Antioksidan özellikte peptit üretimi amacıyla, kolza tohumu B. subtilis ile 32°C sıcaklıkta ve %85 mutlak rutubette 6 gün süre ile katı hal fermantasyon işlemine tabi tutulmuştur. Fermantasyonun 2. gününde kolza tohumundaki peptitlerin miktarında hızlı bir artış görülmüştür.

Fermantasyon sonucu elde edilen peptitlerin, konsantrasyona bağlı olarak DPPH serbest radikal süpürücü aktivitesinin, demir bağlama kapasitesinin ve lipit peroksidasyonunu önleme aktivitelerinin yüksek olduğu tespit edilmiştir [20].

Diğer taraftan, fermantasyon işleminin karabuğday, buğday, arpa ve çavdarın antioksidan özellikleri üzerindeki etkisinin belirlenmesi amacıyla Lactobacillus rhamnosus ve S. cerevisiae ile 24 saatlik kesikli fermantasyon işlemi gerçekleştirilmiştir.

Fermantasyon işlemi sonunda L. rhamnosus ile fermente edilen tahılların, S. cerevisiae ile fermente edilen tahıllara göre daha yüksek DPPH radikal süpürücü aktivite ile FRAP değerlerine sahip olduğu; ayrıca en yüksek antioksidan kapasitesine sahip tahılın karabuğday olduğu sonuçlarına varılmıştır [21].

Tablo 1. Fermantasyon ile birlikte bazı bitkisel gıdaların antioksidan aktivitelerindeki değişimler

3. Sonuç

Gıdaların antioksidan özelliklerini geliştirmek için uygulanabilecek yöntemlerden biri de fermantasyondur. Mevcut çalışmalar incelendiğinde, meyve-sebzeler ile tahıl ve baklagil ürünlerinin antioksidan özellikleri üzerine; fermantasyonda kullanılan hammadde, hammaddenin başlangıç antioksidan kapasitesi, fermantasyon için kullanılan mikroorganizma türü, fermantasyon koşulları, ekstraksiyonda kullanılan çözgen ve antioksidan aktivite tayininde kullanılan yöntem gibi birçok faktörün etkili olduğu görülmektedir.

Gelecekte yapılacak çalışmalar; fermantasyon ile farklı gıdaların antioksidan özelliklerinde meydana gelen değişimlerin takip edilmesi, ayrıca fermantasyonun antioksidan kapasiteyi artırmasında rol oynayan mekanizmanın aydınlatılmasında faydalı olacaktır.

Araştırma Görevlisi
Gülay Özkan
İstanbul Teknik Üniversitesi
Kimya-Metalürji Fakültesi
Gıda Mühendisliği Bölümü

Doçent Doktor
Funda Karbancıoğlu Güler
İstanbul Teknik Üniversitesi
Kimya-Metalürji Fakültesi
Gıda Mühendisliği Bölümü

Doçent Doktor
Esra Çapanoğlu Güven
İstanbul Teknik Üniversitesi
Kimya-Metalürji Fakültesi
Gıda Mühendisliği Bölümü

Kaynaklar
[1] Yeo, S., & Ewe, J. (2015). Effect of fermentation on the phytochemical contents and antioxidant properties of plant foods. Advances in Fermented Foods and Beverages , 107–122.
[2] Frias, J., Miranda, M. L., Doblado, R., & Vidal-Valverde, C. (2005). Effect of germination and fermentation on the antioxidant vitamin content and antioxidant capacity of Lupinus albus L. var. Multolupa. Food Chemistry , 92 (2), 211-220.
[3] Zhang, Z., Lv, G., Pan, H., Fan, L., Soccol, C. R., & Pandey, A. (2012). Production of powerful antioxidant supplements via solid-state fermentatin of wheat (Triticum aestivum Linn.) by cordyceps militaris. Food Technology and Bİotechnology , 50 (1), 32-39.
[4] Vattem, D. A., & Shetty, K. (2003). Ellagic acid production and phenolic antioxidant activity in cranberry pomace (Vaccinium macrocarpon) mediated by Lentinus edodes using a solid-state system. Process Biochemistry , 39 (3), 367–379.
[5] Katina, K., Laitila, A., Juvonen, R., Liukkonen, K. H., Kariluoto, S., Piironen, V., et al. (2007). Bran fermentation as a means to enhance technological properties and bioactivity of rye. Food Microbiology , 24 (2), 175–186.
[6] Othman, N. B., Roblain, D., Chammen, N., Thonart, P., & Hamdi, M. (2009). Antioxidant phenolic compounds loss during the fermentation of Chétoui olives. Food Chemistry , 116 (3), 662–669.
[7] Ng, C., Wang, C., Wang, Y., Tzeng, W., & Shyu, Y. (2011). Lactic acid bacterial fermentation on the production of functional antioxidant herbal Anoectochilus formosanus Hayata. Journal of Bioscience and Bioengineering , 111 (3), 289–293.
[8] Vecchia, C., Altieri, A., & Tavani, A. (2001). Vegetables, fruit , antioxidants and cancer: A Review of Italian Studies. European Journal of Nutrition , 40, 261-267.
[9] Miller, N., & Rice-Evans, C. (1997). Factors influencing the antioxidant activity determined by the ABTS’+ radical cation assay. Free Radical Research , 26 (3), 195–199.
[10] Lee, J., Koo, N., & Min, D. (2004). Reactive oxygen species, aging, and antioxidative nutraceuticals. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety , 3 (1), 21-33.
[11] Lee, M., Lee, Y., Kim, S., Hong, H., & Kim, H. (2015). Quality and antioxidant activity of ginseng seed processed by fermentation strains. Journal of Ginseng Research , 39, 178-182.
[12] Ajila, C., Brar, S., Verma, M., Tyagi, R., & Valéro, J. (2011). Solid-state fermentation of apple pomace using Phanerocheate chrysosporium – Liberation and extraction of phenolic antioxidants. Food Chemistry , 126, 1071–1080.
[13] Álvarez-Fernández, M., Hornedo-Ortega, R., & Cerezo, A. (2014). Non-anthocyanin phenolic compounds and antioxidant activity of beverages obtained by gluconic fermentation of strawberry. Innovative Food Science and Emerging Technologies , 26.
[14] Martinez-Villaluenga, C., Peñas, E., Sidro, B., Ullate, M., Frías, J., & Vidal-Valverde, C. (2012). White cabbage fermentation improves ascorbigen content, antioxidant and nitric oxide production inhibitory activity in LPS-induced macrophages. LWT-Food Science and Technology, 46(1), 77-83.
[15] Sanjukta, S., Rai, A., Muhammed, A., Jeyaram, K., & Talukdar, N. (2015). Enhancement of antioxidant properties of two soybean varieties of Sikkim Himalayan region by proteolytic Bacillus subtilis fermentation. Journal of Functional Foods , 14, 650–658.
[16] Juan, M., & Chou, C. (2010). Enhancement of antioxidant activity, total phenolic and flavonoid content of black soybeans by solid state fermentation with Bacillus subtilis BCRC 14715. Food Microbiology , 27, 586-591.
[17] Xiao, Y., Wang, L., Rui, X., Li, W., Chen, X., Jiang, M., et al. (2015). Enhancement of the antioxidant capacity of soy whey by fermentation with Lactobacillus plantarum B1–6. Journal of Functional Foods , 12, 33–44.
[18] Xiao, Y., Xing, G., Rui, X., Li, W., Chen, X., & Jiang, M. (2014). Enhancement of the antioxidant capacity of chickpeas by solid state fermentation with Cordyceps militaris SN-18. Journal of Functional Foods , 10, 210–222.
[19] He, R., Ju, X., Yuan, J., Wang, L., Girgih, A., & Aluko, R. (2012). Antioxidant activities of rapeseed peptides produced by solid state fermentation. Food Research International , 40, 432–438.
[20] Dordevic, T., Siiler-Marinkovic, S., & Dimitrijevic-Brankovic, S. (2010). Effect of fermentation on antioxidant properties of some cereals and pseudo cereals. Food Chemistry , 119, 957–963.