Optimization of ultrasound assisted beta-glucan extraction from barley and its application in a model food

Abstract

Bu çalışmada, arpanın fonksiyonel bir bileşeni olan β-glukan, ultrason destekli ekstraksiyon (UDE) ile elde edilmiş, proses parametreleri β-glukan geri kazanımını ve indirgenmiş viskoziteyi maksimize etmek için Response Surface Methodology (RSM) Box Behnken yaklaşımı kullanılarak optimize edilmiştir. Proses değişkenleri; ultrason şiddeti (%50-90), ekstraksiyon süresi (4-20 dakika) ve un/çözücü oranı (0.05-0.20) olarak belirlenmiştir. Buna göre, %90 ultrason şiddeti, 6 dakika ekstraksiyon süresi ve 0.05 un/su oranı optimum noktalar olarak belirlenmiş ve β-glukan geri kazanımı %38.15, indirgenmiş viskozite 5388 ml/g olarak hesaplanmıştır. Sonuçlar, ultrason şiddeti ve süresi artıkça β-glukan geri kazanımının arttığını ancak indirgenmiş viskozitenin azaldığını göstermiştir. Bu çalışmada ayrıca arpa ununa uygulanan ön işlemin etkisi araştırılmış ve β-glukan geri kazanımı, indirgenmiş viskozite ve verim üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu belirlenmiştir. Bunun yanında UDE, geleneksel ekstraksiyon yöntemi ile fizikokimyasal, reolojik, moleküler ve yapısal özelliklerin yanı sıra enerji ve zaman gereksinimleri açısından karşılaştırılmıştır. UDE işlemi, geleneksel yöntemle (3 saat, 55 °C ve 1000 rpm) elde edilene kıyasla β-glukan geri kazanımını, verimi ve suda çözünürlüğü önemli ölçüde iyileştirmiştir. Ayrıca işlem süresini ve enerji tüketimini de azaltmıştır (3 saate karşı 3 dakika ve 8910 kJ/L'ye karşı 169 kJ/L). Bununla birlikte, indirgenmiş viskozite ve moleküler ağırlığı, ultrasonun moleküler bozunma etkisinden dolayı UDE işleminde önemli ölçüde daha düşük bulunmuştur. Son olarak β-glukan, simit formülasyonuna eklenmiş ve son ürün, duyusal ve fiziksel özelliklere ve ayrıca nişasta hidroliz indeksi, tahmini glisemik indeks ve diyet lifi içeriğine göre karakterize edilmiştir. Sonuçlar, ürün formülasyonuna β-glukan eklenmesinin diyet lif içeriğini arttırdığını, nişasta hidroliz indeksi ve glisemik indeksi düşürdüğünü göstermiştir. Ancak, simit örneklerinin fiziksel ve duyusal açıdan kabul edilebilir olduğu görülse de, duyusal özelliklerin iyileştirilmesine ihtiyaç olduğu sonucuna varılmıştır.

In this study, β-glucan, a functional component of barley, was obtained by ultrasound assisted extraction (UAE) and the process parameters were optimized to maximize both β-glucan recovery and reduced viscosity using Response Surface Methodology (RSM) Box Behnken approach. The selected process variables were ultrasound amplitude (50-90%), extraction time (4-20 min) and flour/solvent ratio (0.05-0.20, w/w). The optimum points were determined as 90% of amplitude, 6 min of extraction time and 0.05 (w/w) of flour/water ratio (F/W) which resulted a β-glucan recovery of 38.15 % and a reduced viscosity of 5388 ml/g. The findings revealed that β-glucan recovery increased and the reduced viscosity decreased with increasing amplitude and time. The effect of pretreatment applied to barley flour was also investigated and found to have a considerable effect on β-glucan recovery, reduced viscosity and gum yield. In addition, UAE were compared with conventional extraction (CE) in terms of physicochemical, rheological, molecular and structural properties as well as energy and time requirements in a detailed characterization study. The UAE process significantly improved the β-glucan recovery, gum yield and water solubility compared to that obtained in CE (3 h, 55 °C and 1000 rpm). It also reduced the process time and energy consumption (6 min versus 3 h and 169 kJ/L versus 8910 kJ/L). However, reduced viscosity and molecular weight (MW) were considerably lower in UAE due to the molecular degradation effect of ultrasound. Lastly, β-glucan was incorporated into simit (a bagel-like product) and the final product was characterized based on the sensorial and physical properties along with starch hydrolyze index (HI), predicted glycemic index (pGI) and dietary fiber content. The results indicated that incorporation of β-glucan in the product formulation improved the dietary fiber proportion and lowered the hydrolyze index and glycemic index. Although simit samples were considered acceptable in terms of physical and sensory properties, it is concluded that there is a need for further improvement of sensory attributes.