Gıda örneklerine hedefli kapiler elektroforez-lazer indüklenmiş floresans tekniği ile yeni  analiz yöntemleri   geliştirilmesi
Development of novel capillary electrophoresis - laser induced fluorescence techniques for the analysis of food samples
Yazar: FİLİZ TEZCAN TEKELİ
Danışman: PROF. DR. FATMA BEDİA BERKER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Günümüzde, tüketicilerin kullandıkları gıda ürünlerinin kalite ve güvenilirliğine dair artan bilgilendirme talepleri; gıda örneklerine yönelik daha güvenilir daha hassas ve daha hızlı analitik tekniklerin geliştirilmesini ihtiyaç haline getirmiştir. HPLC ve GC gibi klasik kromatografik yöntemlerin yanı sıra Kapiler Elektrofez (CE) bu ihtiyaç doğrultusunda; çok farklı gıda örneklerine başarı ile uygulanabilen alternatif bir ayırma tekniğidir. Analitlerin yüksek bir elektrik alan altında, silika kolon içinde ayrımlarının gerçekleştiği bu yöntemin; yüksek hızda ayırma gücü, ayırma etkinliği ve kullanılan örnek hacminin azlığı başlıca avantajlarındandır. Kapiler Elektroforez sistemlerinde ayrıca sisteme dahil edilebilen çeşitli dedektörler vasıtasıyla türler kolaylıkla tespit edilmektedir. Son yıllarda Kapiler Elektroforez sistemine Lazer İndüklenmiş Floresans (LIF) detektörün bağlanabilmesi floresans özellik gösteren maddelerin çok duyarlı tayinini mümkün kılmıştır. Gerçekleştirilen bu doktora çalışmasında da, gıda ürünlerinin içeriklerinin belirlenmesi amaçlı yeni Kapiler Elektroforez-Lazer İndüklenmiş Floresans teknikleri geliştirilmiştir.
Bilindiği üzere amino asitler, insanlar için besleyici değeri yüksek olan gıda bileşenlerindendir. Uzunca bir süre canlı organizmalarında sadece L- formundaki amino asitlerin varlığına inanılsa da; geliştirilen yeni metotlar  sayesinde bitkilerde, meyvelerde ve hatta insan vücudunda doğası gereği D- formundaki amino asitlerinde var olduğu ortaya çıkmıştır. Bu yaklaşımlar D- formundaki  amino asitlerin biyolojik rollerinin öneminin aydınlatılmasında yeni araştırma kapılarının açılmasına zemin hazırlamıştır. Günlük beslenme zincirinde gerek L- gerekse D- formundaki  amino asitleri içeren gıdalar yer aldığından, bu ürünlerin kiral amino asit içeriklerinin saptanabilmesi amacıyla daha hassas analitik tekniklere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu doktora çalışmasının ilk amacı da; gıda örneklerine yönelik kiral amino asitlerin tespiti için Kapiler Elektroforez- Lazer İndüklenmiş Floresans yöntemi geliştirmek olmuştur.
Çalışmada floresans özellik göstermeyen amino asit moleküllerinin türevlendirici ajanı olarak 488 nm'de uyarılabilen ve 520 nm'de emisyon yapabilen floresein isotiyosiyanat (FITC) molekülü kullanılmıştır. FITC molekülünün floresans şiddetinin pH=9 civarında yüksek olması sebebiyle analizlerde kullanılacak tampon çözelti olarak pH'ı 9,6 olan borat tamponu seçilmiştir.  İlk olarak içeriği bilinen standart amino asit çözeltilerinin floresein isotiyosiyanat ajanı ile birleşme oranı irdelenmiştir. Bu amaçla farklı toplam amino asit derişimi: karışım çözeltisindeki  son FITC derişim oranları denenmiştir. Toplam amino asit derişimi: FITC derişimi oranı 1:20, 1:10, 1:5, 1:2 ve 1:1 olacak şekilde karışımlar hazırlanmıştır. Benzer şekilde farklı sıcaklıklarda ve farklı türevlendirme süreleri irdelenmiştir. Oda sıcaklığı- 30-40-50-60 oC  denenen sıcaklıklar arasında olup 1, 3, 4, 8, 16 saat gibi farklı türevlendirme süreleri test edilmiştir. 
Elde edilen tüm deneme çözeltileri seçilen uygun bir çalışma tamponu içinde gerekli seyreltmeler uygulanarak analiz edilmiştir. Tüm denemeler sonucunda en verimli türevlendirme;  toplam amino asit derişiminin FITC derişimine oranının 1:1 olduğu, 40 oC 'de 4 saat süre ile gerçekleştirilen prosedür olduğu tespit edilmiştir. 
Çalışmanın devamında siklodekstrin (CD) ve türevlerinin kiral moleküllerin ayrımındaki etkileri irdelenmiştir. Bu amaçla α, β, γ-CD, heptakis β-CD ve 2-hydroksipropil-β-CD gibi kiral ayrımı sağlayan çözeltiler 5-20 mM arasında değişen derişimlerde denenmiştir. Kiral çiftlerin en iyi ayrımı β-CD varlığında elde edilmiştir. Detaylandırılan çalışmada bağıl floresans şiddetinin arttırılması için çalışma elektrolitine farklı polimerik çözeltiler ve yüzey aktif maddeler ilave edilerek tampon ilavelerinin türevlendirilmiş amino asitlerin floresans şiddetine etkileri araştırılmıştır. Denenen farklı kombinasyonlar sonucu en yüksek floresans şiddeti Sodyum dodesilbenzen sülfonat (SDBS)  yüzey aktif molekülünün varlığında elde edilmiştir. Standart kiral amino asit karışımının ayrımı sonuç olarak 50 mM borat, 10 mM β-CD ve 5 mM SDBS çözeltileriyle oluşturulan tampon çözelti içinde başarıyla gerçekleştirilmiştir. Tespit edilen bu yöntemin literatürdeki diğer metodlardan farklı olarak iki önemli avantajı bulunmaktadır. Bunlardan ilki; pik yüksekliği diğer sistemlerden farklı olarak yaklaşık 1,5-2 kat arttırılmıştır. Diğer avantaj ise; kiral moleküller için benzer ayrımcılık çok daha düşük derişimdeki β-CD varlığında tespit edilmiştir. 
Bu aşamadan sonra analizi gerçekleştirilen tüm amino asit molekülleri için validasyon çalışmaları yapılmıştır. Her bir standart için ayrı ayrı kalibrasyon denklemleri oluşturulmuş ve en düşük korelasyon sabiti 0,992 olarak hesaplanmıştır. Validasyon çalışmalarının devamında düzeltilmiş alan hesabı (alan/zaman) ile gün içi tekrarlanırlık değerlerinin % bağıl standart sapma değeri %4,63'den daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışmada yapılan hesaplamalar sonucu amino asit standart çözeltilerinin LOD değerleri 0,848-3,99 nM mertebesinde bulunmuştur.
Geliştirilen bu yeni analiz metodu nar sularının amino asit profilinin aydınlatılmasında kullanılmıştır. Şimdiye kadar birçok meyvenin amino asit içeriği aydınlatılmış olsa da; son yıllarda insan sağlığı üzerinde olumlu etkileriyle popüler olan nar (Punica granatum) için bu bilgilerin eksikliği göze çarpmaktadır. Bu çalışma sayesinde ilk kez nar sularının amino asit profilleri oluşturulmuş ve amino asit içerikleri açıkça irdelenmiştir.
Gıda örnekleri olarak üç adet taze sıkılmış nar suyu ile üç adet marketlerden temin edilen %100 ticari nar suları kullanılmıştır. Tespit edilen türevlendirme koşulları örneklere uygulanmıştır. Nar suyunda dokuz farklı L- formunda amino asit tespit edilirken, D- formunda iki farklı amino asit tespit edilmiştir.
Gıda ürünlerindeki  hilelendirme hem kalite hem de insan sağlığı açısından yaygın bir problem haline gelmiştir. Özellikle ticari değeri daha yüksek olan gıdaların üretilmesinde bu durum giderek artan bir problemdir. Bu yüzden;  gerek insan sağlığı gerekse ekonomi açısından herhangi bir olumsuzluğa neden olmaması için gıda içeriklerinin aydınlatılması önemli bir araştırma konusudur. Gıdalarda tespit edilecek olağan dışı herhangi bir kimyasal bileşen bu hilelerin ortaya çıkmasında önemli bir ip ucu olmaktadır.
Nar suyu gerek yoğun talep gerek kısa hasat süresi gerekse üretim alanının darlığı sebebiyle "gıda hilelendirilmesi" ne maruz kalan  bir üründür. Ticari nar suları genellikle daha ucuza ve daha uzun süre temin edilebilen üzüm ve elma sularıyla karıştırılarak hilelendirilmektedir. Bu üç farklı gıda ürününde tespit edilebilecek amino asit farklılığı piyasaya sürülen ticari ürünün aydınlatılmasında önemli bir kanıt olacaktır.
Bu hedefle yola çıkılarak; üç farklı tipteki elma ve yine üç farklı tipteki üzüm suları hazırlanarak, aynı yöntemle amino asit analizleri gerçekleştirilmiştir. Üç farklı tipteki meyve suyunun amino asit profili irdelendiğinde L-Asparajin miktarının elma suyunda nar suyuna göre anlamlı oranda, L-Arjinin'in üzüm suyunda nar suyuna göre anlamlı oranda fazla olduğu tespit edilmiştir. Nar suyunun ortalama amino asit profilinde L-Asparajin artışı elma suyu ilavesini, L-Arjinin artışı üzüm suyu ilavesini tanımlamada kullanılabilecek yöntem olarak önerilmiştir.
Doktora çalışmasının ikinci basamağında yine aynı dedektör sistemiyle bu kez kendiliğinden floresans özelliği olduğu bilinen, suda çözünebilen B2 vitamininin (Riboflavin, RF) analizi gerçekleştirilmiştir.
Riboflavin vücutta sentezlenemediğinden ve de depolanamadığından günlük beslenme zincirinde yer alması gereken bir vitamindir. Gıda örneklerin kompleks matriksi ve B2 vitamininin doğal gıdalardaki az miktarı nedeniyle B2 analizleri güçtür. Bu açıdan doğal floresans özellik gösteren bu vitaminin çok hassas LIF detektörle tayini hedeflenmiştir.
Bazik çözeltilerde negatif yük kazandığı bilinen Riboflavin analizi için denenen borat ve fosfat tamponları sonucunda fosfat tamponu ile devam edilmeye karar verilmiştir. Daha sonraki aşamada floresans şiddetinin pH ve konsantrasyon ile ilişiği irdelenmiştir. 5-12 denenen pH aralığı olup pH=9,9 pik yüksekliği bakımından en iyi neticeyi vermiştir. Benzer şekilde tampon konsantrasyonunun etkisi 15-75 mM arasında araştırılmıştır. Sonuç olarak ayırma ortamı olarak pH değeri 9,9 olan 30 mM fosfat tamponu seçilmiş ve analiz 4 dakika gibi kısa bir sürede tamamlanmıştır. Kalibrasyon eğrisinin doğrusal aralığı 0,01-5 µM aralığında, 0,999 korelasyonla tespit edilmiştir. Çalışılan bu şartlar altında beklenildiği üzere düşük LOD değerine (1,08 ng/mL) ulaşılmıştır. Yapılan tekrarlanırlık çalışmalarının bağıl standart sapma sonuçları pik alanı için gün içi için %2,48 iken günler arası bu değer %4,58 olarak hesaplanmıştır.
Bu yöntem Türk insanının günlük hayatta oldukça sık tükettiği farklı tipteki toplam 14 adet çay numunelerinin B2 içeriğinin tayinine başarı ile uygulanmıştır. Seçilen bir tipteki çay numunesinde RF'nin tamamının ekstrakte edilebilmesi için çeşitli demleme prosedürleri uygulanmıştır. Su banyosu üzerinde bekletilmek suretiyle kaynar su, 80 oC'ye kadar ısıtılmış NaOH ve HCl gibi farklı demleme çözeltileri denenmiştir. Benzer şekilde 5-10-15 dk olmak üzere farklı demleme sürelerinin ekstrakte edilen Riboflavin miktarına etkisi araştırılmıştır.
Sonuç itibariyle, RF'nin tamamının çekilebildiği en etkin demleme reçetesi; kaynar su içinde 5 dk süre ile su banyosunda bekletmek olarak tespit edilmiştir. Bu ön hazırlık haricinde hiçbir türevlendirme işlemi gerektirmeyen çay örnekleri sisteme doğrudan verilmiştir. Bitki çaylarında hesaplana Riboflavin içeriği 0,34-10,36 µg/g olarak tespit edilmiştir.Hesaplanan bu miktarla bitki çaylarının uygun birer B2 vitamini kaynağı olduğunu göstermektedir. Bu yöntem ile literatürde ilk defa siyah çay, adaçayı ve biberiye çaylarının B2 vitamini içeriği aydınlatılmıştır.

Abstract:
Nowadays, increasing consumer demands on being informed on the quality and safety of their food necessitates developments of new more reliable, more sensitive and faster analytical techniques for the analysis of different food samples. Among the classical chromatographic techniques like HPLC and GC, capillary electrophoresis (CE) is a comparatively new alternative separation technique. However this separation method has already been successfully applied to a large variety of food samples. The main advantages of CE are fast separation speed, very small sample consumption and high separation efficiency. CE is based on the separation of analytes inside a silica capillary column under a high electrical field. The separated analytes are detected on-line with a detector coupled with capillary electrophoresis system. Recently the use of laser induced fluorescence (LIF) detectors with CE provided very high sensitivity. In the present study, new CE-LIF methods were developed for the analysis of food ingredients.
Amino acids are one group of food ingredients, which have important nutritional values for humans. It has been long believed that living organisms contain only the L-form of amino acids. The evolution of analytical methods has revealed that D-amino acids are naturally present in many plants and fruits, and also in the human body. The health effects of D- amino acids are a challenging subject and have been highly investigated. Thus, a new research area has been opened on the investigation of the biological roles of D- amino acids. Since both D- and L- amino acids are consumed as part of the normal human diet, a need exists to develop more sensitive analytical techniques that are easily applicable to determine the contents of chiral pairs of amino acids in a large variety of foods. The first goal of this work was to develop a CE-LIF method for the fast and sensitive determination of chiral amino acids.
Since amino acids do not have native fluorescence, it is necessary to derivatize them before performing LIF detection. In the present study, fluorescein isothiocyanate (FITC) has been chosen as a fluorescent label for amino acids because its excitation wavelength matches the 488 nm light of the argon laser of CE instrument in laboratory. Since FITC gives maximum fluorescence intensity around pH 9, borate was selected as separation buffer and pH was set at 9.6. Derivatization conditions of amino acids were optimized. Firstly, optimal derivatization ratio between total amino acid concentration and final concentration of FITC molecule was determined. For this purpose, total amino acids/ FITC concentration ratios as 1:20, 1:10, 1:5, 1:2, 1:1 were tried. Secondly different temperature values, such as 30, 40, 50 and 60 oC were studied in order to get the most favorable derivatization efficiency. Furthermore derivatization time was examined. For this step 1, 3, 4, 8 and 16 hours for derivatization times were studied. 
Considering the most the favorite fluorescence intensity and the shortest derivatization time, optimal derivatization conditions were selected as 1:1 molar ratio of total amino acid concentration to FITC. The mixture was prepared in borate buffer and allowed to stand in the dark at 40 oC for 4 h.
Different chiral selectors were tested to obtain the resolutions of enantiomer pairs namely, α-CD (cyclodextrin), β-CD, γ-CD, heptakis β-CD and hydroxypropyl- β-CD. Chiral selectors were added to the separation buffer in the concentrations changing between 5 and 20 mM. The best resolution of chiral molecules' peaks was achieved by means of β-CD. Then, different buffer additives were studied to enhance the fluorescence intensities of FITC derivatized amino acid molecules. For this purpose, several organic solvents like methanol, buthanol and isobutyl alcohol, several water soluble polymers like sodium alginate, m-OH-propylcellulose and polystyrene and several surfactants like sodium dodecyl sulphate (SDS), sodium dodecyl benzene sulphonate (SDBS) and Brij 35 were tested. Amongst the tested buffer additive, SDBS gave the best result. Consequently, optimal separation electrolyte composition was selected as 50 mM borate, 10 mM β-CD and 5 mM SDBS considering the best peak resolutions and fluorescence intensities of enantiomer pairs. In the present study, SDBS was used first time in the amino acid separation by CE. Comparing separations of chiral amino acid pairs by capillary electrophoretic methods reported in the literature, two main advantages of the SDBS containing separation buffer were observed. The peak heights increased 1.5–2 folds and the same resolutions were obtained with comparatively less β-CD concentration. Low chiral selector consumption in the proposed system allows the test of expensive selectors.
The analysis method was validated in order to find quantitative amounts of amino acids. Good linearity results are obtained by plotting peak areas vs. analyte concentrations, with correlation coefficients larger than 0.992. For the precision of the method, the amino acid mixture was injected five times in one day. The RSD values of peak areas are smaller than 4.63. The limit of detection was calculated as three times the average noise taken for three different baseline areas. The limit of detection values changed between 0.848 and 3.99 nM.
This new analysis method was used to identify the amino acid profile of pomegranate juices. Pomegranate fruit (Punica granatum) has taken great attention for its health benefits in the last years. Though amino acid profiles of many fruit juices has been revealed by now, studies on the amino acid profile of pomegranate juices are essentially nonexistent. With the results of this study, the complete amino acid profiles and contents of pomegranate juices were clearly shown.
Three freshly squeezed pomegranate juices, two commercial juices reconstituted from concentrates, and one commercial juice not from concentrates gave the same electrophoretic pattern. All the commercial juices claimed that they are 100% pomegranate and that they did not contain any additive. Pomegranate juices were derivatized with FITC and injected directly to optimized separation medium. L- forms of nine amino acid species were detected, namely, arginine, tryptopane, leucine, proline, asparagine, serine, alanine, glutamine, and aspartic acid. Moreover, D-proline was detected in all the juices; D-leucine was detected in one of the commercial juices. Dominant amino acids of all the freshly squeezed pomegranate juices were found as serine, proline, and alanine in gradually decreasing order.
Food adulteration is a worldwide problem in terms of food quality and food safety. Foods having high commercial value are targets to be adulterated. With food adulteration, not only consumers are being defrauded, but also economies of regions and countries are adversely affected due to unfair competition. Therefore, in terms of human health and economic points of view, detection of fraudulent foods is important. Finding a specific marker from chemical constituents of food products could be a way to detect the adulteration or authenticity of the food. Fruit juice adulteration occurs generally with diluting a more expensive product with a less expensive juice. Pomegranate juice has been subject of adulteration due to high product demand, high price, short harvest season and shortage of production in some regions. Pomegranates are generally adulterated with the addition of cheap and widely available juices, mostly grape and apple juices. Like these parameters, if the types and contents of some amino acids are significantly different in these fruit juices, amino acids might be candidates for adulteration markers.
For this purpose, apple juices from three different apple species, namely Starking, Golden, and Granny Smith types of apples and grape juices obtained from white, black and pink grapes were prepared. The juices of these fruits were prepared for analysis similarly to pomegranate juices and injected to the same separation electrolyte system.
Asparagine amount in apple juices was found significantly higher compared to pomegranate juices. Thus, asparagine might be proposed as an apple juice adulteration marker for pomegranate juices. Proline and arginine were found as the major amino acids in grape juices and the quantitative amounts of these amino acids in grapes and in pomegranate juices were compared. Arginine was found significantly higher in grape juices compared to pomegranate juices and this amino acid is therefore proposed a possible grape adulteration marker for pomegranate juices.
In the second part of this study, a CE-LIF method was optimized for water soluble Vitamin B2. Chemical name of Vitamin B2 is Riboflavin (RF). RF cannot be synthesized or stored in the body so it has to be taken from foods. RF is generally found in milk and milk products, meat, yeast and also dark-green vegetables.
The analysis of RF in food samples is difficult because of the complex matrix of food and very low content of RF in foodstuff. In that respect, LIF detection of riboflavin in food samples is favorable since RF molecule has native fluorescent, thereby very small amounts of RF in food samples can be detected with this sensitive detector. In the present study, in order to separate RF molecule from food matrix, a capillary electrophoretic method was optimized and RF molecule was determined with LIF detector combined with CE system. The analysis method was applied for the first time to identify the RF contents of tea samples.
Since RF is negatively charged in basic solutions, borate and phosphate buffers were examined in order to find suitable separation electrolyte. After decision of phosphate buffer; different pH values, between pH 5 and 12, and phosphate concentrations between 15 and 75 mM were tested. Considering shortest migration time and higher fluorescence intensity, 30 mM phosphate buffer at pH 9.9 was selected as the optimal separation electrolyte. The calibration curve of RF was linear between 0.01-5 µM concentration ranges.  The calibration equation was calculated as y=0.9544x-0.0375 (R2 = 0.999). The limit of detection (LOD) was calculated as 3 times of the average noise taken for three different baseline areas and found as 1.08 ng/mL. 
The limit of quantification (LOQ) was given as ten times the average noise as 3.58 ng/mL. For the precision of the method, the riboflavin standard solution was injected 5 times in one day. For the day-to-day reproducibility, the same solution was injected five times in three different non-consecutive days. In the same day precision of the corrected peak areas (%RSD) was 2.48. Between days, precision value was 4.58.
With the validated CE-LIF analysis method, riboflavin (Vitamin B2) contents of 14 tea infusions including black, green, sage, and rosemary teas were revealed. RF contents of black tea, sage and rosemary teas were firstly reported with this study.
The extraction of riboflavin from tea leaves were tested with hot water, hot NaOH and hot HCl solutions. The best results were obtained with hot water. The infusion time for the best extraction efficiency was tested as between 5 and 15 min. The volume of extraction solvent was tested for 1 g tea leaves as between 30 and 100 mL. Finally the efficient extraction was achieved for 1g tea sample in 50 mL of boiling water. This solution was incubated on a water bath for 5 minutes. All tea infusions prepared was injected directly to capillary column. Riboflavin values of tea samples were found as between 0.34-10.36 µg/g. The found RF contents of all tea samples suggest that tea infusions are amongst important dietary sources of RF for prevention of diseases caused by Vitamin B2 deficiency. According to our konwledge, although there has been lots of studies about nutritional component of tea infusion, there is a lack of information about Riboflavin content of black tea, sage and rosemary infusions. Hence this study displays a novel, intrinsic  method for food analysis.