Kırgızistanda üretilen bazı gıda maddelerinin özelliklerinin floresans spektroskopisi ve istatistik kemometri yöntemleriyle araştırılması

Abstract

Kırgızistan Orta Asya'da hayvancılık ve tarım ürünlerinin üretiminde gelenekselbir lider konumuna sahiptir. Doğal iklim koşulları, gerçekleşen hayvancılık ve tarımürünleri üretimi ülke için sosyo-ekonomik gelişimin, ihracat-ithalat dengesi ve gıdaüretim güvenliğinin durumunu belirleyen stratejik öneme sahiptir. Gıda üretiminingelişimindeki düzensizliğe ve sürekli tüketici talebindeki artışın sonucu hayvancılık vetarım ürünleri ülkenin uluslararası ticaretinin ihracat ve ithalatındaki önemli nesnesiolarak kalmaktadır. Gıda maddeleri ve ürünleri karmaşık bir kompozisyona sahipolduğundan, içeriğini ve bileşimini belirlemek zorluklar yaratmaktadır. Günümüzdekiyüksek seviyede gelişen modern analitik yöntemlere ve araçlara rağmen, birçok gıdaanalizlerinde çözülmeyen problemler vardır. Gıda teknolojilerinin bundan sonrakigelişimi ham ve hazır gıda maddelerin hızlı ve ucuz kontrölünü sağlayan yeni analiz vesensörleri gerektirir. Birçok analitik araçlar yüksek fiyatı nedeniyle erişilemez halegelmektedir. Bazı analizleri yapmak zordur ve o yönde çok iyi yetişen nitelikli uzmanınemeğini talep eder. Bazı metodların yapılması çok uzun zaman harcamayı gerektirir.Günümüzde gıda üretim hattında sürekli kontröl ve analiz yapmayı sağlayan araçlaratalep artmaktadır.Son yıllarda, floresansa dayalı analitik metodlar birçok alanda; bioloji, kimya, tıp,denizcilik, ziraat, mineroloji, mühendislik ve jeolojinin çeşitli nitel ve nicelanalizlerinde en çok uygulanan metodlar haline gelmiştir. Spektroskopi dallarından olanfloresans spektroskopisi madde üzerine gelen elektromanyetik ışıma ile uyarılması vetemel haldeki elektronların uyarılmış enerji düzeyine geçmesi ve sonra bu halde kararlıkalamadıklarından tekrar temel enerji düzeyine geri dönerken ortama verdiği ışımanınölçülmesi ilkesine dayanmaktadır. Floresans özelliğine sahip olan her bir molekül onu viçevreleyen ortamın içeriği ve özelliklerine (sıcaklık, pH, iyonların konsantrasyonu)bağlıdır. Bu yüzden fluoroforların davranışı, çeşitli teknolojik faktörlere bağlı olan gıdasistemi hakkında bilgi verir.Floresans spektroskopisinden alınan bulgular, kompleks ve çok boyutludur yanibirçok değişkenlere bağımlıdır. Bu yüzden, çok değişkenli analitik verilerdenmaksimum kimyasal bilgi elde edebilmek için çok boyutlu istatistik işleme metodları yada kemometrik metodlar kullanılır. Son yıllarda kemometri alanındaki gelişmelerkompleks sistemlerin çözümü için çok değişkenli kalibrasyonların gelişmesine yolaçmıştır. Çok değişkenli kalibrasyon yöntemleri ile birden fazla bileşen içerennumunelerdeki bileşenler çok sayıdaki dalga boylarını kullanarak kantitatif olarak tayinedilebilmektedir. Analitik çalışmalarda iki veya daha fazla aktif bileşiği içerenkompleks karışımların analizinde kemometrik kalibrasyonlar son derece başarılısonuçlar vermektedir. Kemometride, çok değişkenli kalibrasyonlar için çeşitlimatematiksel algoritmalar kullanılmaktadır. Bu bağlamda, bunlardan yaygın olarakkullanılan temel bileşenler analizi (TBA) (principal component analysis – PCA), kısmien küçük karelere regresyon (KEKKR) (partial least squares regression – PLSR), kısmien küçük karelere diskriminasyon analizi (KEKKDA) (partial least squares discriminantanalysis - PLSDA) ve faktöryel diskriminant analizi (FDA) (factorial discriminantanalysis – FDA).Tez çalışmasının amacı, hızlı, tam, basit ve de geniş uygulama alanına sahip olan,ürünü bozmayan, yüksek duyarlılık ve seçicilik özellikleriyle üstün olan floresansspektroskopisi metoduyla çok boyutlu istatistik kemometrik metodları kullanarakülkemizde üretilen bazı gıda maddelerinin özelliklerinin araştırılmasıdır. Bu amaçla,araştırılan gıda maddesi olarak 1. grupta ülkemizin dağlık rayonu Narın bölgesindeyetiştirilen aynı yaş (2-2,5 yaşında) ve aynı cinsiyetteki (dişi) inek, yak ve kısrağın etlerive bu etlerinin yağları araştırılmıştır. Araştırılan her hayvan etinden GM (Gluteusmedius) - gluteas kasları, LD (Longissimus dorsi) - sırtın uzun kası veST(Semitendinosus muscle) - semitendinosus kasından örnekler alınmıştır. Etörneklerinin nem, protein, yağ ve kül içeriği belirlenmiştir. Araştırılan et örneklerininaminoasit değerleri Yüksek Performanslı Sıvı Kromatografisi (HPLC AgilentTechnologies 1200, Santa Clara, CA) ve yağ asit bileşimleri Gaz Kromatografisinde(Agilent 7890 , Wilmington, ABD ) tayin edilmiştir. Ayrıca, araştırılan etin yağının viiyağ asit içeriği de belirlenmiştir. Triptofan, riboflavin ve A vitamini floresans özellikleriFluoromax-4 spektrofluorimetre (Horiba Jobin Yvon, ABD) yardımıyla alınmıştır.Bütün deneysel analizlerden alınan verilere MatLab (The MathWorks Inc., BD)programının yardımıyla TBA, KEKKR, KEKKDA ve FDA gibi kemometrik analizleruygulanmıştır.2. grupta araştırma için ülkemizin Oş ve Batken bölgelerinde üretilen ve satılanpirincin 17 çeşidi alınmıştır. Pirinç örneklerinin nem içeriği ve su aktivitesi standartmetodlarla tayin edilmiştir. Pirinç örneklerinin floresans özellikleri triptofan, riboflavin(2 vitamini) ve tokoferol 305-600, 340-540, 410-700 nm diyapazonlarında veuyandırma dalga boyu 290, 295 ve 370 nm seviyelerinde alınmıştır. Pirinç örneklerininbütün deneysel verileri istatistik kemometrik yöntemlerle işlenilip sonuçları alınmıştır.3. grupta ülkemizin Isık göl bölgesindeki `Dairy Spring` fabrikasının 3 değişikyağ yüzdesine sahip (%20, %45 ve %55) Tilzit peyniri alınmıştır. Peynir örneklerininnem, kuru madde, protein ve yağ içeriği belirlenmiştir. Reolojik analizinde ise her birpeynir örneğinin 3 reolojik bölgesindeki (Yield Stress, flow stress and LVE-range(Limited Viscous-Elastic) elastik (G'), viskoz (G`) mödülleri ve kayma gerilimi (τ)değerleri MCR-302 Modüler Kompakt Reometrede (Anton Paar, Almanya) aynısıcaklık aralıklarında (25-70 °C) ölçülmüştür. Ayrıca peynirlerin erime sıcaklıkları dabelirlenmiştir. Üç değişik yağ yüzdesine sahip peynirin triptofan emisyon spektrumları,A vitamin emisyon ve eksitasyon spektrumları 25-70 °C sıcaklık aralığında alınmıştır.Peynir örneklerinin floresans spektrumları, reolojik ve kimyasal analiz sonuçlarıistatistik kemometrik yöntemlerle işlenilmiştir.Yapılan analizlerin ışığında; et örneklerinin riboflavin, triptofan ve A vitaminspektrumları onların kimyasal içeriğinin tespitinin mümkün olabileceğini göstermiştir.Riboflavin emisyon spektrumları et örneklerinin protein içeriğini 8 değişken sayısı ilegenel değişikliğin % 89.9'unu, yağı 10 değişken sayısı ile genel değişikliğin % 95.1'inive nemi ise 10 değişken sayısı ile genel değişikliğin % 93.8'i açıklayıp tahmin etmiştir.Triptofan emisyon spektrumları et örneklerinin protein içeriğini R2=0.87 korelasyonkatsayısıyla öngörebilmiştir. A vitamini spektrumları yardımıyla et örneklerini proteiniçeriği R2=0.709, yağ içeriği R2=0.917 ve nem içeriği R2=0.893 regresyon katsayısıylatahmin edilmiştir. Örneklerin içerdiği suyun oranı yükselince yağ içeriği azaldığından,A vitamini spektrumu nem içeriğinin de tahmininde son derece başarılı olmuştur.

The objective of this study was to investigate the properties of some foods produced inKyrgyzstan, by fast, accurate, highly sensitive and selective fluorescence spectroscopyin conjunction with statistical chemometrics. In accordance with the object of the Thesissamples of beef, yak meat and horse meat, semi-hard cheese with three different fatcontents and 17 rice varieties were taken. Chemical compositions (moisture, fat andprotein content) of meat and cheese samples were measured. The amino acid and fattyacid compositions of meat samples were determined. Rheological characteristics ofcheeses such as yield stress (L), flow stress (F), storage modulus (G') and lossmodulus (G`) were measured at linear-viscoelastic, yield stress and flow stressoscillation regions. The fluorescence spectra (tryptophan, riboflavin, vitamin A andtocopherol emission spectra) of all the samples were recorded. The experimental datawere processed by statistical chemometric methods. Observed differences in thefluorescence spectra, indicated the possibility of predicting the chemical composition ofmeat. Melting temperatures and chemical composition of the semi-hard cheeses werealso predicted with R2=0.98 using fluorescence spectra. L and F were predicted withR2=0.90 from vitamin A emission and excitation spectra, respectively. The moisturecontent and water activity in rice were predicted with R2 = 0.93 and R2 = 0.92 fromriboflavin and tryptophan emission spectra, respectively. The results showedpossibilities of fluorescence spectra to characterize, classify and predict chemicalcomposition and physical properties of the food products. Thus, fluorescencespectroscopy in conjuction with chemometric methods has great potential as a tool forrapid and precise characterization and prediction of the chemical composition, physicalproperties and quality of food products.Keywords: meat of cow, yak and horse, foods of Kyrgyzstan, fluorescencespectroscopy, statistical chemometric methods.