Bütünleşik omik yaklaşımı ile geleneksel tarhana fermantasyonu mikrobiyomunun araştırılması
Integrated omics approaches to investigate the microbiome of fermentation of traditional tarhana
Yazar: ÖZLEM IŞIK DOĞAN
Danışman: PROF. DR. REMZİYE YILMAZ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Tarhana tahıllar, süt ürünleri, çeşitli sebzeler ve baharatların karıştırılması ve ardından elde edilen hamurun laktik ve alkolik fermantasyonu ile hazırlanan geleneksel bir üründür. Ticari olarak ya da çoğunlukla hanelerde bölgelere göre değişen geleneksel bileşenler, fermantasyon, kurutma ve öğütme aşamaları ile üretilen tarhana, farklılaşan tariflere bağlı olarak çeşide özgü özelliklere sahiptir. Bu çalışmada, Isparta, Maraş, Bursa, Kastamonu ve Uşak illerine ait reçetelerle hazırlanan tarhana hamurlarının fermantasyon süreçleri sırasında alınan 19 adet farklı örneğe kimyasal, mikrobiyolojik, metagenomik ve metabolomik analizler uygulanarak bu tarhana çeşitlerinin mikrobiyotaları ve oluşan metabolitler arasındaki ilişkiler değerlendirilmiştir. Yapılan kimyasal analizler ile çalışmaya konu olan tarhana çeşitlerinin pH, toplam asitlik, toplam yağ, protein, kül ve kuru madde miktarları belirlenmiş, tarhana fermantasyon prosesinin doğru olarak ilerlemesi kontrol edilmiştir. Klasik kültürel yöntemler kullanılarak gerçekleştirilen mikrobiyolojik analizler sonucu fermantasyon süreçlerinde mikroorganizma yükleri belirlenmiş ve saf kültürler izole edilmiştir. İzole edilen saf kültürler Matris Destekli Lazer Desorpsiyon İyonizasyon Uçuş Süresi (MALDI-TOF) teknolojisini kullanan otomatik bir kütle spektrometresi ile tanımlanmıştır. Ayrıca örneklerin bakteriyel ve fungal mikrobiyotası yüksek çıktılı dizileme analizleri ile ortaya konmuştur. Tarhana hamurlarının fermantasyon süreci boyunca içerdiği laktik, süksinik, asetik, sitrik, pirüvik, ürik, okzalik ve formik asit miktarları bir DAD dedektör (Agilent, G1315A, Santa Clara, California, ABD) ve bir InertSustain AQ-C18 (3 µM, 4.0x 150 mm (UP)) kolona sahip yüksek performanslı sıvı kromatografisi cihazında (HPLC) cihazında tespit edilmiştir. Tarhana hamurlarında bulunan etanol miktarının fermantasyon süresince değişimi ise DB-624, 30m x 0,53mm kolon kullanılarak FID dedektör ile gaz kromatografisi (GC) cihazında belirlenmiştir. Tarhana türüne ve üretim farklılığına göre dağılımını ortaya çıkarmak üzere tüm tarhana örneklerinin mikrobiyotaları ve metabolitleri arasındaki ilişkiler temel bileşen analizleri, ısı haritaları ve korelasyon analizleri ile değerlendirilmiştir. Fermantasyon başlangıcında (pH 5,41) ve sonunda (pH 4,72) en yüksek pH değerlerine Bursa çeşidi sahipken; en düşük başlangıç (pH 4,02) ve bitiş (pH 3,86) pH değerlerine Kastamonu tarhanası sahiptir. Metagenomik analizler sonucunda ise, Bursa tarhanasında en yüksek bağıl varlıkta Pediococcus acidilactici, Kastamonu tarhanasında Lactiplantibacillus plantarum, Uşak tarhanasında Levilactobacillus namurensis ve Levilactobacillus zymae tespit edilmiştir. Fungal mikrobiyotada ise, Isparta ve Maraş çeşitlerinde Kluyveromyces, Bursa tarhanasında Saccharomyces ve Kastamonu çeşidinde Issatchenkia cinslerinin en yüksek bağıl varlıkta bulunduğu belirlenmiştir. Uşak tarhanası, diğer çeşitlere kıyasla daha yüksek miktarda laktik, süksinik ve asetik asit içerirken; bu üç organik asit sırasıyla tüm çeşitler için majör organik asitlerdir. Uygulanan bütünleşik analizler de tarhana tipine ve üretim prosesi farklılıklarına göre tarhana çeşitlerinin biyoçeşitliliğinin belirgin şekilde kümeler oluşturduğunu göstermiştir. Bu çalışmada fermantasyon süresi ve tarhana çeşidine bağlı olarak Isparta, Maraş, Bursa, Kastamonu ve Uşak tarhana çeşitlerinin temel kimyasal analiz profillerinin yanı sıra hem mikrobiyel açıdan hem de metabolik açısından biyokimyasal parmak izi ortaya konmuştur. Çalışma sonunda yapılan istatistiksel karşılaştırmalar ile her çeşit tarhana için fermentasyon süresine bağlı olarak kendine özgü nitelik ve nicelikler bütünleşik omik teknolojileri ile tanımlanmıştır.

Abstract:
Tarhana is a traditional product prepared by mixing cereals, dairy products, various vegetables, and spices, followed by the lactic and alcoholic fermentation of the resulting dough. Commercially or mostly in households, traditional ingredients varying by region, along with fermentation, drying, and grinding stages, result in tarhana with specific characteristics depending on the recipe. In this study, 19 different samples obtained during the fermentation process of tarhana doughs prepared with recipes from the provinces of Isparta, Maraş, Bursa, Kastamonu, and Uşak were evaluated for their microbiota and relationships between metabolites using chemical, microbiological, metagenomic, and metabolomic analyses. Chemical analyses determined pH, total acidity, total fat, protein, ash, and dry matter amounts for the tarhana varieties under investigation, ensuring the correct progression of the tarhana fermentation process. Microbiological analyses, conducted using classical cultural methods, identified microbial loads during fermentation processes, and pure cultures were isolated. The isolated pure cultures were identified using Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry (MALDI-TOF) technology. Additionally, high-throughput sequencing analyses revealed the bacterial and fungal microbiota of the samples. The amounts of lactic, succinic, acetic, citric, pyruvic, uric, oxalic, and formic acids in tarhana doughs during the fermentation process were detected using a high-performance liquid chromatography device (HPLC) with a Diode Array Detector (DAD) and an InertSustain AQ-C18 column (3 µM, 4.0x 150 mm (UP)). The change in ethanol content in tarhana doughs during fermentation was determined by gas chromatography (GC) using a DB-624, 30m x 0.53mm column with a Flame Ionization Detector (FID). To reveal the distribution based on tarhana type and production differences, relationships between the microbiota and metabolites of all tarhana samples were evaluated using principal component analyses, heatmaps, and correlation analyses. Bursa variety had the highest pH values at the beginning (pH 5.41) and end (pH 4.72) of fermentation, while Kastamonu tarhana had the lowest initial (pH 4.02) and final (pH 3.86) pH values. Metagenomic analyses indicated the highest relative abundance of Pediococcus acidilactici in Bursa tarhana, Lactiplantibacillus plantarum in Kastamonu tarhana, Levilactobacillus namurensis, and Levilactobacillus zymae in Uşak tarhana. In the fungal microbiota, Kluyveromyces in Isparta and Maraş varieties, Saccharomyces in Bursa tarhana, and Issatchenkia in Kastamonu variety were found to have the highest relative abundance. Uşak tarhana contained higher amounts of lactic, succinic, and acetic acids compared to other varieties, with these three organic acids being major organic acids for all varieties, respectively. Integrated analyses also demonstrated that tarhana varieties formed distinct clusters based on the type and production process differences. In this study, the biocultural fingerprints of Isparta, Maraş, Bursa, Kastamonu, and Uşak tarhana varieties were revealed both microbiologically and metabolically, depending on fermentation time and tarhana type. Statistical comparisons at the end of the study identified unique qualitative and quantitative characteristics for each type of tarhana based on fermentation time, utilizing integrated omic technologies.