Buğday fraksiyonlarında lazer indüklü plazma spektroskopisi ile kül ve protein analizi
Ash and protein analysis of wheat fractions by using laser induced breakdown spectroscopy
Yazar: BANU SEZER
Danışman: PROF. DR. İSMAİL HAKKI BOYACI
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Buğday fraksiyonlarında kimyasal kalite parametreleri arasında kül ve protein miktarının tayini ilk sıralarda bulunmaktadır. Hububat ürünlerinde toplam mineral madde miktarının belirlenmesi, besinsel içeriğin etiketlenmesi ve teknolojik özelliklerin belirlenmesi açısından kül analizi kritik öneme sahiptir. Toplam kül içeriğinin belirlenmesinde kullanılan klasik metot oldukça uzun süren (5-6 saat) ve yüksek seviyede enerji israfına sebep olan kuru yakmak metodudur. Protein içeriği ise buğday ürününün beslenme değerinin belirlenmesi açısından oldukça önem taşımaktadır. Toplam protein miktarının belirlenmesinde kullanılan Kjeldahl ve Dumas metotlarında, titrasyona dayalı hataların ve taşıyıcı gaz kullanımına bağlı zorlukların bulunması yöntem dezavantajları arasında yer almaktadır. Bu sebeple hızlı, güvenilir ve çevre dostu analiz yöntemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmanın amacı, lazer indüklü plazma spektroskopisi (LIBS),  kullanılarak buğday fraksiyonlarında kül ve protein tayini için yeni bir yöntem geliştirmektir. LIBS, çoklu element analizine olanak sağlayan, basit ve hızlı, örnek hazırlama prosedürüne ihtiyaç duymayan spektroskopik bir yöntemdir. LIBS ile klasik yöntemlere kıyasla örnek analizi çok hızlı şekilde gerçekleştirilebilmektedir. 
Bu çalışma kapsamında, ekmeklik buğday unu, kırma ve irmik örneklerinde LIBS sistemi kullanılarak kül analizi gerçekleştirilmiş ve elde edilen spektrumlar en küçük kısmi kareler yöntemi (PLS) kullanılarak klasik yöntem (kuru yakma) sonuçları ile ilişkilendirilmiştir. Ayrıca, ekmeklik buğday unu ve kırma örneklerinde LIBS sistemi kullanılarak protein analizi gerçekleştirilmiş ve elde edilen spektrumlar PLS yöntemi kullanılarak Dumas metodu sonuçları ile korele edilmiştir. Geniş bir kül ve protein aralığına sahip olan örneklerde kalibrasyon grafikleri oldukça yüksek bir doğrusallık göstermektedir. Yöntemin hassasiyet ve kesinliğinin saptanması amacıyla, yapılan her çalışma için belirleme katsayısı (R2), tespit limiti (LOD), ölçüm limiti (LOQ), tahmin değerlerinin bağıl hatası (REP) ve bağıl standart sapma (RSD) değerleri hesaplanmıştır. LIBS kullanılarak gerçekleştirilen kül analizinde ekmeklik buğday unu, kırma ve irmik örneklerinin birarada bulunduğu ve kuru maddede toplam kül değeri % 0,42-2,44 arasında değişen 94 farklı örnek için kullanılan kalibrasyon modeli 0,997 belirleme katsayısı (R2) ile yüksek doğrusallık göstermektedir. Ayrıca analize ait LOD, LOQ, RSD ve REP değerleri sırasıyla % 0,073, % 0,365, % 8,01 ve % 9,53 olarak hesaplanmıştır. LIBS kullanılarak gerçekleştirilen protein analizinde ise ekmeklik buğday unu ve kırma örneklerinin birarada bulunduğu ve kuru maddede protein değeri % 7,86-20,98 arasında değişen 143 farklı örnek kullanılarak oluşturulan kalibrasyon grafiğine ait belirleme katsayısı (R2) 0,999 olarak tayin edilmiştir. Ayrıca analize ait LOD, LOQ, RSD ve REP değerleri sırasıyla % 0,127, % 0,625, % 3,98 ve % 4,57 olarak hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde LIBS, buğday fraksiyonlarında yüksek hassasiyette kül ve protein analizi için rutin kullanımda umut vaat eden ve güvenilir bir analiz yöntemidir.

Abstract:
Ash and protein content represent the major quality parameters in wheat fractions. Therefore, determination of ash content is of crucial importance for measuring total mineral content, nutritional labelling and processing properties of various cereal products. Totally ash content is determined by conventional dry ash procedure which is time consuming (5-6 hours) and causes power waste. It is also important to determine the protein content in wheat fractions which represent the nutritional value. Protein content is determined conventionally by Kjeldahl and Dumas methods. However, both methods have major drawbacks such as titration mistakes and carrier gas dependence. For this reason, there is an urgent need for rapid, reliable and environmentally friendly technologies for ash and protein analysis. The aim of the study was to develop a new method for ash and protein analysis in wheat fractions by using laser induced breakdown spectroscopy (LIBS). LIBS is a multi elemental, rapid, reliable and simple spectroscopic method which does not require complex sample preparation steps. Unlike conventional methods, it has the potential to analyze a sample in a considerably short time. 
In the present study, wheat fractions such as wheat flour, whole meal and semolina with different ash and protein contents were analyzed by using LIBS. The spectra were evaluated with partial least squares (PLS) method, and the results were correlated with conventional dry ash analysis and Dumas method. Calibration graph showed good linearity for wheat flour, whole meal and semolina with wide range of ash content. Coefficient of determination (R2), limit of detection (LOD), limit of quantitation (LOQ) and relative standard deviation (RSD) for ash and protein analysis in wheat flour, whole meal and semolina were taken into consideration for accuracy and precision. For ash analysis, calibration graph showed good linearity for the combined group which contain totally 94 different wheat fractions (wheat flour, whole meal and semolina together), with an ash content between 0.42-2.44% and coefficient of determination (R2) as 0.997. LOD, LOQ, RSD and REP values of the combined group was calculated as 0.073%, 0.365%, 8.1% and 9.53%, respectively. For protein analysis, calibration graph demonstrate good linearity for the combined group which contain totally 143 different wheat fractions (wheat flour and whole meal together), with a protein content between 7.86-20.98% and R2 as 0.999. LOD, LOQ, RSD and REP values of the combined group was calculated as 0.127%, 0.635%, 3.98% and 4.57%, respectively. The results indicated that LIBS is a promising and reliable method with high sensitivity for routine ash and protein analysis in wheat fractions.