Balıkta tazeliğin belirlenmesine yönelik biyosensör tasarımı
A new biosensor design for determination of fish meat freshness
Yazar: PELİN ÖZKAYA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVAL DAĞBAĞLI
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Teknolojisi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology

Özet:
Kaliteli gıdaya ulaşmak, modern insanın en büyük gereksinimlerinden biri olmakla beraber kalite kavramı, içerisinde pek çok kriteri barındırmaktadır. Özellikle de et, süt ürünleri, deniz ürünleri gibi gıdalar, zengin besin içerikleri nedeniyle çabuk bozulduğu için tazelik, bu gıdaların tüketilebilirliği açısından en önemli kalite kriteri konumundadır. Tazeliğin belirlenmesi ise geçen zamana, balığın çeşitli özelliklerine ve maruz kaldığı koşullara paralel olarak gerçekleşen reaksiyon ve değişimler neticesinde oluşan bazı indikatörlerin tespitiyle mümkün olmaktadır. Bu maddeler içerisinde balığın ölümünü izleyen süreçteki ATP yıkım reaksiyonlarıyla oluşan ksantin, hipoksantin, ürik asit miktarları, en kritik parametrelerden sayılmaktadır. Söz konusu indikatör maddelerin geleneksel analiz yöntemleriyle (spektrofotometrik, kromatografik yöntemler vb.) tayin edilmesinin genellikle zaman alması, özel bir donanım, kalifiye işgücü ve yoğun kimyasal kullanımı gerektirmesi nedeniyle, biyosensör teknolojisinin bu dezavantajları giderebilecek bir alternatif olmasından yola çıkılarak bu tez çalışmasında balığın tazelik kriterlerinden olan ksantin, hipoksantin ve ürik asidin eş zamanlı tayinine yönelik bir biyosensör tasarımı gerçekleştirilmiştir. Biyosensör kısaca, hedef analit ile reaksiyona giren ve oluşan yanıtı ölçülebilir fiziksel sinyallere dönüştüren analitik cihaz olarak tanımlanmakta olup, bu çalışma kapsamındaki biyosensör tasarımında düşük maliyetli ve bol bulunan malzemelerin kullanımı esas alınmak suretiyle kalem ucu (PGE) elektrotlar üzerine poliakrilonitril (PAN) polimerinin elektroeğirilmesine dayalı bir elektrokimyasal sensör tasarımı yapılmıştır. Bu tasarım ile elektrokatalitik özelliği yüksek, adsorpsiyon kapasitesi artırılarak analit etkileşimi iyileştirilmiş ve geniş reaksiyon yüzeyi sağlanmış nanomodifiye elektrot yüzeylerinin elde edilmesi hedeflenmiştir. Sensör elektrotlarının üretiminde yararlanılan elektroeğirme işleminde optimum uygulama parametreleri ve çözelti formülasyonu deneysel olarak belirlenmiş, polipirol kullanılmadan hazırlanan % 8'lik PAN çözeltisi ile 13 cm mesafe, 5 µl/dk debi ve 18 kV voltaj uygulanarak ortalama 137 nm çapında nanoliflerle kaplanan modifiye PGE elektrot yüzeyleri elde edilmiştir. Sensörün hipoksantin, ksantin ve ürik asidi eş zamanlı olarak tayin edebilme yeteneği, ksantin oksidaz enzimi ile gerçekleştirilen kontrollü bozunma çalışmaları ile ortaya konmuştur. Bu tasarım ile elde edilen nanomodifiye yüzeyler ile hipoksantin için 0,74 µM, ksantin için 1,28 µM ve ürik asit için 1,32 µM'lık tespit limitlerine (LOD) ulaşılmıştır. Böylece, literatürde daha önce hiç yapılmamış olan, ilk kez hipoksantin, ksantin ve ürik asitin eş zamanlı tayinine yönelik olarak elektroeğrilmiş PAN nanolif modifikasyonu ile PGE elektrot üretimine dayalı özgün bir elektrokimyasal (voltametrik) sensör tasarımı gerçekleştirilmiştir.  Söz konusu sensör elektrotlarının 4°C ve 25 °C'de 30 günlük muhafazası sonrasındaki ölçüm performansı da değerlendirilmiş ve 4°C'de depolamanın ölçümlerdeki sapma oranını azaltarak daha uygun bir muhafaza koşulu olduğu sonucuna varılmıştır. Geliştirilen sensör elektrotları, İzmir'de satılan standart boyutlardaki çiftlik çipura balıklarının tazeliğini belirlemede kullanılmış, sonuçlar mikrobiyolojik analizler ve pH ölçümleriyle desteklenmiştir. Balığın buzdolabı koşullarında depolandığı 5. gün itibariyle kabul edilemez duruma geldiği kritik hipoksantin, ksantin ve ürik asit konsantrasyonları sırasıyla 1,53 µM 9,41 µM ve 1,41 µM olarak bulunmuştur.

Anahtar Kelimeler: Balıkta tazelik, Elektrokimyasal biyosensör, Elektroeğirme, PAN nanolifler, Hipoksantin, Ksantin, Ürik asit

Abstract:
Access to quality food is one of the biggest requirements of modern people, but the concept of quality includes many criteria. Freshness is the most important quality criterion in terms of the consumability of these foods, especially since foods such as meat, dairy products and seafood spoil quickly due to their rich nutrient content. Determination of freshness is possible by detecting some indicators that occur as a result of reactions and changes that occur in parallel with the elapsed time, various properties of the fish and the conditions to which it is exposed. Among these substances, the amounts of xanthine, hypoxanthine, uric acid, which are formed by ATP breakdown reactions in the process following the death of the fish, are considered among the most critical parameters. Since the determination of these indicator substances by conventional analysis methods (spectrophotometric, chromatographic methods, etc.) is generally time-consuming, requires special equipment, skilled labor and intensive use of chemicals, biosensor technology is an alternative that can eliminate these disadvantages, and a biosensor was designed for the simultaneous determination of xanthine, hypoxanthine and uric acid, which are among the freshness criteria of fish. A biosensor is briefly defined as an analytical device that reacts with the target analyte and converts the response into measurable physical signals. In the biosensor design in this study, an electrochemical sensor design based on the electrowinning of polyacrylonitrile (PAN) polymer on pencil lead (PGE) electrodes was made based on the use of low-cost and abundant materials. With this design, it is aimed to obtain nanomodified electrode surfaces with high electrocatalytic properties, improved analyte interaction by increasing adsorption capacity and large reaction surface. The optimum application parameters and solution formulation in the electrospinning process used in the production of sensor electrodes were determined experimentally. Modified PGE electrode surfaces coated with nanofibers with an average diameter of 137 nm were obtained by applying 8% PAN solution with a distance of 13 cm, a flow rate of 5 µl/min and a voltage of 18 kV. The ability of the sensor to simultaneously determine hypoxanthine, xanthine and uric acid was demonstrated by controlled degradation studies with xanthine oxidase enzyme. With the nanomodified surfaces obtained with this design, limits of detection (LOD) of 0.74 µM for hypoxanthine, 1.28 µM for xanthine and 1.32 µM for uric acid were achieved. Thus, a novel electrochemical (voltammetric) sensor design based on the production of PGE electrodes by modification of electrospun PAN nanofibers for the simultaneous determination of hypoxanthine, xanthine and uric acid was realized for the first time, which has never been done before in the literature.  The measurement performance of these sensor electrodes after 30 days of storage at 4 °C and 25 °C was also evaluated. The ratio of deviation in the measurements is reduced at 4 °C, concluding that the electrodes should be kept at 4 °C for a better preservation. The developed sensor electrodes were used to determine the freshness of standard sized farmed sea bream fish sold in Izmir and the results were supported by microbiological parameters and the pH measurements. By the fith day of storage at refrigerator that the fish became unacceptable, the critical hypoxanthine, xanthine and uric acid concentrations found to be 1,53 µM 9,41 µM and 1,41 µM respectively. 


Keywords: Fish freshness, electrochemical biosensor, electrospinning, PAN nanofibers, hypoxanthine, xanthine, uric acid