Bitkisel ve hayvansal protein kaynaklarının termodinamik analizi: Kinoa ve sığır eti örneği
Thermodynamic analyses of animal and vegetable sources: Quinoa and beef examples
Yazar: BUKET AVCİ
Danışman: PROF. DR. MEHMET YEKTA GÖKSUNGUR ; DOÇ. DR. SEDA GENÇ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Termodinamik analizler, proseslerin fizibilitesini test etmek ve enerji veya ekserji verimliliğini tahmin etmek için yapılır. Termodinamik analiz tıpkı kimyasal sistemler gibi biyokimyasal sistemlere uygulanır. Biyolojik sistemler için termodinamik analizler, belirli bir dizi reaksiyonun veya sürecin sistem için faydalı olup olmadığını, yani enerjiye değip değmediğini değerlendirmek için kullanılır. Biyolojik enerji kaynakları üzerine yapılan çalışmaların çoğu karbonhidratlar üzerinde yapılmıştır. 
Bu çalışmada, yaygın olarak tüketilen sekiz gıda üzerinde iki yöntemle termodinamik analizi yapılmıştır. Seçilen gıdalardan dördü bitkisel iken dördü hayvansal gıdalardır. Seçilen bitkisel gıdalar bezelye, kinoa, mantar ve yulaf iken; hayvansal gıdalar balık, sığır eti, tavuk ve yumurtadır. Termodinamik analizler için uygulanan ilk yöntemde gıdaların sadece protein içerikleri ele alınmış, içerdikleri amino asitlerin tamamının oksidasyona uğradığı ve ATP üretiminin gerçekleştiği kabul edilmiş, metabolik ekserji kaybı her gıda için ayrı ayrı hesaplanmıştır. Bu yöntemi uygulamak için öncelikle 20 amino asidin oksidasyon reaksiyonları sadeleştirilmiş ve reaksiyonların ekserji kayıpları hesaplanmıştır. Her amino asidin oksidasyon reaksiyonlarının termodinamik analizi ilk kez bu çalışmada yapılmıştır. Yapılan hesaplama sonucunda bitkisel kaynaklı gıdalardan mantarın metabolik ekserji kaybının 0.993 MJ/kg ile en düşük iken; kinoanın metabolik ekserji kaybı ise 2.308 MJ/kg ile en yüksektir. Hayvansal kaynaklılar ise en düşük metabolik ekserji kaybına uğrayan gıda 11,169 MJ/kg ile yumurta iken, diğer üç gıdanın ekserji kaybının birbirlerine daha yakın olduğu görülmüştür. Bu grupta en fazla ekserji kaybına uğrayan gıda 25,239 MJ/kg ile sığır eti olmuştur.
Gıdaların termodinamik analizlerinin yapıldığı ikinci yöntemde ise gıdanın barındırdığı tüm enerji kaynakları ele alınmıştır. Burada kullanılan termodinamik değerler glikoz ve yağ asitleri için literatürdeki benzer yöntemle hesaplamalar yapılan çalışmalardan edinilmiştir. Proteinler için literatürde ayrıntılı bir değer bulunmadığı için 20 amino asidin eşit miktarda bulunduğu bir peptit zinciri ele alınmıştır ve çalışma kapsamında hesaplanan değerler kullanılmıştır. Bu hesaplamalar sonucunda hayvansal ve bitkisel kaynaklı gıdalar için ilk yöntemle paralel sonuçlar elde edildiği görülmüştür.  Her iki gıda grubunda da en yüksek ekserji kaybına uğrayan gıdalar ile en düşük ekserji kaybına uğrayan gıdaların değişmediği görülmüştür.
Yapılan çalışma sonucunda bitkisel kaynaklı gıdaların ekserji kayıpları hayvansal kaynaklı gıdaların ekserji kayıplarına göre oldukça düşük çıkmıştır. Bu durum, kıyaslanan gıdalardan bitkisel kaynaklı olanların metabolik işe yararlılığının enerji açısından daha verimli olduğunu göstermiştir.
Anahtar sözcükler: Termodinamik analizler, ekserji analizi, metabolik ekserji kaybı, amino asitlerin oksidasyonu, bitkisel kaynaklı gıdalar, hayvansal kaynaklı gıdalar, sığır eti, kinoa.

Abstract:
Thermodynamic analyses are performed to test the feasibility of processes and to estimate energy or exergy efficiency. The thermodynamic analysis is applied to biochemical systems just like chemical systems. Thermodynamic analyses for biological systems are used to assess whether a particular set of reactions or processes are beneficial to the system, ie, whether it is worth the energy. Most of the studies on biological energy sources have been done on carbohydrates.
In this study, the thermodynamic analysis was performed on eight commonly consumed foods by two methods. Four of the selected foods are vegetable and four are animal foods. The selected vegetable foods were peas, quinoa, mushrooms, and oats; animal foods are fish, meat, chicken, and eggs. In the first method applied for thermodynamic analysis, only protein contents of foods were considered, all of the amino acids contained were oxidized and ATP production was realized and metabolic exergy loss was calculated separately for each food. To apply this method, oxidation reactions of 20 amino acids were simplified and exergy losses of the reactions were calculated. The thermodynamic analysis of the oxidation reactions of each amino acid was made for the first time in this study. As a result of the calculation, the fungal metabolic exergy loss of plant-derived foods was the lowest with 0.993 MJ / kg; metabolic exergy loss of quinoa is highest with 2,308 MJ / kg. On the other hand, while the food with the lowest metabolic exergy loss was 11,169 MJ / kg, it was seen that the exergy loss of the other three foods was closer to each other. In this group, the highest exergy loss was meat with 25,239 MJ / kg.
In the second method in which thermodynamic analysis of food is carried out, all energy sources of food are discussed. The thermodynamic values used here are derived from the studies performed by a similar method in the literature for glucose and fatty acids. Since there is no detailed value in the literature for proteins, a peptide chain with equal amounts of 20 amino acids is considered and the values calculated in the study are used. As a result of these calculations, it was seen that parallel results were obtained with the first method for animal and vegetable origin foods. It was observed that the foods with the highest exergy loss and the foods with the lowest exergy loss did not change in both food groups.
As a result of the study, exergy losses of plant-derived foods were considerably lower than those of animal-derived foods. This showed that the metabolic usefulness of plant-derived foods compared to foods was more energy efficient.
Keywords: Thermodynamic analysis, exergy analysis, metabolic exergy loss, oxidation of amino acids, foods of plant origin, foods of animal origin, meat, quinoa.