Giresun tombul fındığının coğrafi orijininin belirlenmesine yönelik spektroskopik ve kemometrik yöntemlerin geliştirilmesi
Development of spectroscopic and chemometric methods for determining the geographical origin of Giresun tombul hazelnut
Yazar: EMEL ÖNDER FIRAT
Danışman: PROF. DR. MUHAMMET ARICI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Fındık yağı = Hazelnut oil ; Infrared spektroskopi =   ; Raman spektroskopisi = Raman spectroscopy

Özet:
Çalışmanın amacı, farklı spektroskopik (FT-NIR, FT-IR, RAMAN, LF-NMR), kromatografik (GC, HPLC) ve fiziksel ölçümlerle elde edilen biyokimyasal ve fiziksel parametrelere ait verilerin kemometrik tekniklerle incelenerek Giresun Tombul Fındığının coğrafi kökeninin belirlenmesinde kullanılabilecek objektif test yöntemlerinin geliştirilmesidir. Belirlenen temel hedefe ulaşmak için Giresun Tombul Fındığı Coğrafi İşaret Bölgesi ve bu bölge dışındaki diğer fındık üretimi yapılan bölgelerden 2021 ve 2022 hasat sezonlarında toplam 118 fındık örneği analize alınmıştır. FT-NIR ve Raman sprektroskopisi sonuçları, fındık numunelerinin, spektroskopi tekniği ve numune türü (kabuk veya iç) fark etmeksizin, hasat sezonuna dayalı belirgin gruplaşma eğilimleri sergilediğini göstermiştir. FT-NIR ve Raman spektrumları kullanılarak fındık kabukları için oluşturulan PLS-DA(Kısmı En Küçük Kareler Diskriminant Analizi) modelleri, doğrulama numunelerinin sırasıyla %81,7 ve %88,3'ünü doğru bir şekilde tanımlamıştır. SVM-C (Support Vector Machine Classifier) modelleri ise sırasıyla %90,9 ve %86,3 oranında doğru tanımlama yapmıştır. FT-NIR ve Raman spektroskopisinin "Giresun Tombul" fındıklarının kabuk özelliklerine dayanarak coğrafi orijinini belirlemede başarılı ayrım modelleri oluşturma konusundaki etkinliğini göstermiştir. Bu spektroskopik teknikler fındık içleri üzerinde uygulandığında coğrafi orijini ayırt etmede aynı derecede etkili olmamıştır. Hasat sezonu farklılıklarının fındık yağının FT-NIR, Raman ve 1H LF-NMR spektrumları üzerinde bir etkisinin olduğu görülmekle birlikte, coğrafi orijin ve hasat tarihi açısından herhangi bir ayrışma ve gruplaşma etkisinin olmadığı belirlenmiştir. FT-IR analizleri sonuçları değerlendirildiğinde, fındık yağlarının FT-IR spektrumları açısından mevsimsel (hasat yılı), coğrafi orijin ve hasat gününe bağlı herhangi bir kümeleme eğilimi sergilememişlerdir. 
Fındık yağında yapılan analizler, yağ asitleri ve tokoferol bileşimlerinin coğrafi orijinden önemli ölçüde etkilendiği, özellikle oleik asit, doymuş yağ asitleri (SFA), tekli doymamış yağ asitleri (MUFA) ve α-tokoferol üzerinde belirgin etkiler gösterdiği tespit edilmiştir. Coğrafi işaret bölgesi (PDO) içindeki fındıklarda daha yüksek palmitik, stearik, linoleik ve α-linolenik asit içerikleri gözlemlenirken, oleik ve eikoseneik asit içerikleri coğrafi işaret bölgesi dışındaki (non-PDO) fındıklara kıyasla daha düşük bulunmuştur (p<0,05). Δ5-avenasterol ve Δ7-stigmastenol dışında, sterol bileşiminin genel olarak coğrafi orijinden etkilenmediği belirlenmiştir. Yağ asidi (linoleik asit hariç), sterol (kamperesterol, sitostanol ve Δ7-stigmastenol hariç) ve tokoferol bileşimleri hasat yılından önemli ölçüde etkilenmiştir. İlk hasat (2021) yılındaki numunelerin, 2022 numunelerine göre daha yüksek seviyelerde palmitik, stearik ve araşidik asit içerdiği, ancak daha düşük seviyelerde oleik, linoleik ve eikosenik asit içerdiği kaydedilmiştir. Ayrıca, 2022 numunelerindeki tüm tokoferol bileşenlerinin 2021 numunelerine göre önemli ölçüde daha yüksek olduğu (p<0,05) tespit edilmiştir. Tokol bileşenleri arasında en dikkat çekici farkın δ tokoferol içeriğinde olduğu belirlenmiştir. δ-tokoferol 2021 yılı örneklerinde hiç tespit edilmemişken 2022 örneklerinde ortalama 4.1 ± 3.4 mg.kg-1 düzeyinde δ-tocoferol tespit edilmiştir. Rakımın, yağ asitlerinin bileşimini, özellikle SFA bileşimini etkilediği, ancak sterol (kamperesterol hariç) ve tokoferol bileşimleri üzerinde minimal etkiler gösterdiği belirlenmiştir. Rakım arttıkça doymuş yağ asitlerinin (palmitik, stearik ve araşidik asitler) içeriklerinde azalma, çoklu doymamış yağ asitlerinin (linoleik ve α-linolenik asitler) içeriklerinde ise artış görülmüştür. 
Yapılan çalışmalar, mevsimsel etki ve buna bağlı fındık olgunluğundaki farklılıkların fındıkların coğrafi orijinlerinden kaynaklı ayırt edici özellikleri maskeleyebilecek düzeyde olduğunu dolayısıyla, bu çalışmanın takip eden yıllar içinde de tekrarlanması ve mevsimsel etkilerin analiz edilen parametreler üzerindeki etkilerinin belirlenmesi gerektiğini ortaya koymaktadır. 
Bu çalışma, FT-NIR ve Raman spektroskopisinin kemometrik analiz ile entegrasyonunun, Giresun Tombul fındıklarının coğrafi orijinini belirlemede tahribatsız, hızlı ve kolay bir yöntem olarak kullanılabileceği ve fındık değer zinciri boyunca doğrulama için değerli bir araç sunacağını göstermektedir. İleriye dönük olarak, fındıkların lignin ve selüloz bileşimini coğrafi orijin, çeşit, hasat sezonu ve olgunlaşma gibi çeşitli faktörleri göz önünde bulundurarak daha ayrıntılı bir şekilde incelenmesi ile fındık özellikleri ve kalitesi hakkında daha derinlemesine bilgiler elde edilebilir. Fındık kabuğunun ligno-selülozik içeriğinin fındık çeşitleri, olgunluk ve coğrafi orijine bağlı değişimleri ile ilgili literatürde bildirilmiş bir çalışma yoktur ve araştırılmaya açık bir konu olarak görülmektedir.

Abstract:
The aim of the study is to investigate the development of objective test methods for determining the geographical origin of Giresun Tombul hazelnuts by analyzing biochemical and physical parameters obtained through various spectroscopic (FT-NIR, FT-IR, RAMAN, LF-NMR), chromatographic (GC, HPLC), and physical measurements using chemometric techniques. To achieve this primary objective, a total of 118 hazelnut samples from the Giresun Tombul Hazelnut Protected Designation of Origin and other hazelnut-producing regions outside this area were analyzed during the 2021 and 2022 harvest seasons. The results of FT-NIR, Raman spectroscopy indicated that hazelnut samples exhibited distinct grouping tendencies based on the harvest season, regardless of the spectroscopic technique and sample type (shell or kernel). The PLS-DA models established using FT-NIR and Raman spectra for hazelnut shells correctly identified 81.7% and 88.3% of the validation samples, respectively, while the SVM-C models correctly identified 90.9% and 86.3%, respectively. FT-NIR and Raman spectroscopy demonstrated the effectiveness of forming successful discrimination models based on the shell characteristics for determining the geographical origin of Giresun Tombul hazelnuts. However, these spectroscopic techniques were not as effective when applied to hazelnut kernels for discriminating geographical origin. Although differences in harvest seasons were observed to have an impact on the FT-NIR, Raman and 1H LF-NMR spectra of the hazelnut oils, no significant effect was found in terms of geographical origin and harvest date. When evaluating the FT-IR analysis results, the hazelnut oil samples did not exhibit any clustering tendencies based on the season (harvest year), geographical origin, or harvest date according to their FT-IR spectra. 
The compositions of fatty acids and tocopherols were found to be significantly influenced by geographical origin, notably affecting oleic acid, saturated fatty acids (SFA), monounsaturated fatty acids (MUFA), and α-tocopherol. Higher contents of palmitic, stearic, linoleic, and α-linolenic acids were observed in PDO hazelnuts, while oleic and eicoceneic acid contents were lower, compared to non-PDO samples (p<0.05). Except for Δ5-avenasterol and Δ7-stigmastenol, the sterol composition was generally not affected by the geographical origin. The fatty acid (excluding linoleic acid), sterol (excluding campesterol, sitostanol, and Δ7-Stigmastenol), and tocopherol composition were substantially influenced by the harvest year. It was noted that samples from 2021 contained higher levels of palmitic, stearic, and arachidic acids, but lower levels of oleic, linoleic, and eicoseneic acids than 2022 samples. Furthermore, all tocopherol components in the 2022 samples were significantly higher (p<0.05) than 2021 samples. It has been determined that the most noticeable difference among tocopherol components is in the δ-tocopherol content. While δ-tocopherol was not detected in samples from 2021, it was found at an average level of 4.1 ± 3.4 mg/kg in samples from 2022.  Altitude was primarily seen to influence the composition of fatty acids, particularly SFA composition, while it had minimal effects on sterol (except for campesterol) and tocopherol compositions. An increase in altitude resulted in a decrease in the contents of saturated fatty acids (palmitic, stearic, and arachidic acids), and an increase in the contents of polyunsaturated fatty acids (linoleic and α-linolenic acids).
Studies indicate that the seasonal effects and the resulting differences in hazelnut ripening can mask the distinctive characteristics stemming from the geographical origins of the hazelnuts. Therefore, this study should be repeated in subsequent years to determine the effects of seasonal influences on the analyzed parameters.
This study demonstrates that the integration of FT-NIR and Raman spectroscopy with chemometric analysis can be used as a non-destructive, rapid, and easy method for determining the geographical origin of Giresun Tombul hazelnuts. This method offers a valuable tool for verification throughout the hazelnut value chain. Looking ahead, more detailed examination of the lignin and cellulose composition of hazelnuts, considering various factors such as geographical origin, variety, harvest season, and ripening, could provide deeper insights into the characteristics and quality of hazelnuts. There is no study reported in the literature on the variations in the ligno-cellulosic content of hazelnut shells depending on hazelnut varieties, ripeness, and geographical origin, and it is seen as a topic open to research.