GIDA KALİTE KONTROLÜNDE ELEKTRONİK BURUNUN KULLANIMI HAZIRLAYANLAR Damla ÖZDAMAR Kadir Tuncer ÖZYÜREK DANIŞMAN PROF.DR.Akif KUNDAKÇI

ELEKTRONİK BURUN NEDİR? Elektronik burun yapısında kimyasal sensör dizisi bulunduran ve insan burnunun algılayamadığı seviyelerdeki kokular üzerinde hassas ölçüm yapabilen cihazdır. Bir kokuyu algılayıp tanımlayabilmenin yanı sıra ölçüm yapılan madde içinde her bir kokudan ne oranda bulunduğunu, aynı zamanda kokuların hangi sınıflara dahil olduğunu belirler.

ELEKTRONİK BURUN TARİHÇESİ Elektronik Burun’la ilgili ilk araştırmalar 1970 yılında İngiltere’de Warwick Üniversitesinde başlamıştır. Bu üniversitede başlayan araştırma ve bir burun taklidi makine icadı çalışmaları tüm dünyada devam etmiş ve Elektronik Burun terimi literatüre ilk olarak 1990’da girmiştir. İlk prototip sistemler 1993’de, ilk ticari sistemler ise 1994’de piyasaya sürülmüştür.

Elektronik Burunlar insan beynindeki algılama yöntemine benzer bir yöntem kullanılarak tasarlanmıştır. Memeliler bir kokuyu kokladığında nefesle çekilen havayla birlikte burna giren koku molekülleri koku algılayıcıları tarafından tutulmakta ve bağlanmaktadır. Bu sinyal koklama soğanına iletilmekte ve tanıma işlemi beynin koku merkezinde bir eğitim ile öğrenmeye bağlı olarak gerçekleşmektedir.

Elektronik Burun’da, koku algılayıcılarının yerini kimyasal sensörler, koklama soğanının yerini yapay sinir ağları almaktadır. Koku molekülleri muhtelif yöntemlerle kimyasal sensör dizisine gönderilir. Bu alıcılar her biri değişik kokuları algılayacak biçimde tasarlanmıştır.

Kimyasal Sensör Dizisi Elektronik Burun ve İnsan Koku Alma Duyusu İnsan Koku Alma Duyusu Olfactory receptor cells Koku algılayıcılar Olfactory bulb Koklama Soğanı Brain Beyin Kahve Kimyasal Sensör Dizisi Chemical sensor array Yapay Sinir Ağları Preprocessor Pattern recognition engine Örüntü Tanıma Birimi Elektronik Burun

Sensörlerin çevreden topladıkları sinyaller elektronik sistemler ile bilgisayara gönderilmektedir. Gönderilen bu elektriksel sinyaller ile koku tanısı gerçekleştirilir.

Elektronik Burunlar tekrarlanabilen sonuçlar verir. Hassasiyetleri insan burnuna göre oldukça yüksektir.

ELEKTRONİK BURUNDA KULLANILAN SENSÖRLER Sensörler; çeşitli fiziksel ve kimyasal büyüklükleri algılayıp bunlardan ölçülebilir çıktılar üreten elemanlardır. Bir kimyasal sensör sistemi 4 birimden oluşmaktadır.

Algılama birimi Dönüştürücü (transdüşer) birimi Elektronik birim Örüntü Tanıma birimi

Algılama Birimi: Ortamda bulunan ve algılanmak istenen kimyasal maddeyle etkileşerek gerekli sinyalin oluşmasına neden olan kimyasal ara yüzeydir. Dönüştürücü (transdüşer) Birimi: Kimyasal sensör tasarımında algılama biriminin niteliklerine göre dönüştürücü teknolojisini üretmek gerekmektedir. Bu teknolojiler iletkenlik, potansiyel, kapasite, ısı, kütle ve optik gibi özelliklerin kimyasal etkileşim sonucu değişimine uygun olarak seçilmektedir.

Elektronik Birim: Dönüştürücülerin elektrik sinyali üretmesi için gerekli devrelerdir. Örüntü Tanıma Birimi: Bir mikrokontrol ünitesi ve bilgisayarı ile algılanan kokuların sinyal seviyeleri ve değerler topluluğunu yapay sinir ağları, temel birleşen analizi gibi muhtelif örüntü tanıma teknikleriyle işleyen birimdir.

PİYASADA MEVCUT OLAN SENSÖR TİPLERİ Sensörlerin seçimi büyük öneme sahiptir. Örnekler içindeki bileşenler oranının tespiti, farklı tip sensörler kullanılarak elde edilebilir. (Panigrahi ve diğerleri, 2006) Zamanla sensör örneklerinin değişik yanıtları büyük problem olabilir ve sensörler bir kalibrasyon maddesi veya periyodik olarak ölçülen standart solüsyon kullanımıyla oluşan sapmaların minimize edilmesi sağlanabilir. (Kent ve diğerleri, 2004)

İletken Polimer (CP) Sensörler Bu sensörler geniş bir kullanım alanına sahiptir. İyi bir hassasiyet, kısa zamanda yanıt, sıcak ve soğuk ortamda çalışabilme ve kararlılık gibi avantajlara sahipken, neme karşı duyarlı olması en büyük dezavantajıdır.

Metal Oksit Yarı iletken (MOS) Sensörler Kimyasal kararlılık, yüksek hassasiyet, kolay imalat ve düşük maliyet gibi avantajları vardır. Yüksek ısıda yüzeyde moleküllerin reaksiyonlarının saptanmasında kullanılır. MOS sensörleri, suyla etkileşimden kaçınarak 300 – 500oC arasında çalışır. Hızlı yanıt ve kurtarma zamanına yardımcı olur.

Metal Oksit Yarıiletken Alan Etkili Transistörler (MOSFET) Sensörleri MOS sensörlerine benzer ama çıkış sinyali, katalitik yüzeyde uçucu bileşik reaksiyonu olduğunda potansiyel değişimden oluşur. Bunlar MOS sensörleriyle karşılaştırıldığında düşük işletim sıcaklıklarına (100 – 200oC) sahiptir.

Yüzey Akustik Dalga (SAW) Sensörleri Yüksek hassasiyet, hızlı yanıt zamanı, seçicilik, iyi türeyebilirlik gibi avantajlara sahipken, ısı ve rutubete karşı hassasiyeti dezavantajıdır. 100 MHz ve 1GHz arasında bir frekansla bir yüzey dalgası üretilir. Sistem hassasiyeti frekansla kontrol edilir, frekans değişimi sensör yanıtını oluşturur.

Yığın Akustik Dalga (BAW) Cihazları Kuvars Kristal Mikrobalans (QCM) olarak da adlandırılırlar. Cihazın titreşim frekansı 5 – 20 MHz arasındadır. Bu cihazla elde edilen ölçümler; sensör yüzeyinde emilmiş moleküllerin kütle ölçümleridir. Oda sıcaklığında çalışırlar ve zamanla yüksek kararlılığa sahip olurlar.

Elektrokimyasal Sensörler Elektrotlar ve bir elektrolit içerir. Uçucu bileşikler, oksitlenir veya çalışan elektrotta azalır. Elektrotlar arasındaki voltaj ölçümüyle sonuca gidilir. Uzun dönem kararlılığa sahiptir. Rutubete karşı hassas değildir.

Koklama-Görme Sensörleri Rutubete karşı hassas değildirler ve görsel koku saptanması sağlarlar. Renk değişimleri kullanarak kokuyu saptarlar. Bazı koku sensörleri toksik gazların bazılarını saptamaz.

Gaz Kromatografi (GC) ve Kütle Spektrofotometre (MS) Temelli Sensörler Son zamanlarda elektronik burun temelli gaz kromotografisi veya kütle spektrofotometresi klasik temelli enstrümanlara bir alternatif olarak geliştirilmiştir.

Ticari Elektronik Burunlar Metal oksit, İletken polimer, SAW sensörleri Fransa

Ticari Elektronik Burunlar… İletken polimer sensör İngiltere

Ticari Elektronik Burunlar… İletken polimer sensör ve metal oksit sensör İngiltere

Ticari Elektronik Burunlar… İletken polimer sensörler İngiltere Metal oksit sensörler Almanya

GIDA ENDÜSTRİSİNDE ELEKTRONİK BURUN KULLANIMI

Gıda Endüstrisinde Elektronik Burun Kullanımı Elektronik burun ile gıdalar üzerinde yapılan araştırmalar, mikrobiyolojik ve kimyasal kalite üzerindeki değişimleri saptar. Gıda hilelerini belirlemek için son yıllarda kullanılan etkin bir yöntem haline gelmiştir. Gıda kalitesinin saptanmasında elektronik burnun kullanıldığı yerlerin hepsini anlatmak mümkün değildir.

Gıda Endüstrisinde Elektronik Burun Kullanımı 1) Süt ve Süt Ürünleri Süt ve süt ürünlerinde elektronik burun kalite ve raf ömrünü saptamak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Mikrobiyal yükün belirlenmesinde de kullanılmaktadır. GC/MS ve MOS sensörleri ile çeşitli çalışmalar yapılmaktadır.

Gıda Endüstrisinde Elektronik Burun Kullanımı 2) Hububat Ürünleri Nemli depolama koşulları; Penicillium, Aspergillus, Fusarium türleri gibi fungusların gelişmesine yol açar. Bunlar canlı organizmaya verildiklerinde zararlı mikotoksinler üretirler.

Gıda Endüstrisinde Elektronik Burun Kullanımı Hububat içinde mayaların gelişmesi, bunların besin değerinin azalmasına, üretimde azalmaya ve ekonomik kayıplara neden olur. Küf kontaminasyonunu belirlemek için kullanılan yöntemler oldukça zahmetli ve zaman alıcı olduğundan, depolanmış hububatlarda elektronik burun ile analizler hızlı ve doğru sonuç verir. Polar bileşenlere karşı duyarlı oldukları için İletken polimer (CP) sensörler kullanılmaktadır.

Gıda Endüstrisinde Elektronik Burun Kullanımı 3)Meyve ve Sebzeler Meyve olgunluğu meyvelerde olgunlaşma süresinde aromatik uçucuların birikimiyle birlikte olduğu için, elektronik burun sistemleri meyve endüstrisinde büyük potansiyele sahiptir.

Gıda Endüstrisinde Elektronik Burun Kullanımı Koku üretim kapasitesi uzun süreli depolamadan sonra azalır. 200 uçucu bileşen içerisinden elmanın koku maddeleri tanımlandıktan sonra spektrofotometre temelli elektronik burun ile elmanın raf ömrü değerlendirilir.

Gıda Endüstrisinde Elektronik Burun Kullanımı Çileğin lezzeti; ester,aldehit alkoller ve kükürtün karışımından meydana gelir. Çileği, osmotik dehidrasyonu sırasında değerlendirmek için GC ve MS yapılır.Fakat analiz süreci uzun sürdüğü için elektronik burun kullanımı son yıllarda tercih edilmektedir.Böylece meyve olgunluğu ve depolama sırasındaki kalitesi kolay bir şekilde ölçülmüş olur.

Sofralık yeşil zeytinlerde ise; Gıda Endüstrisinde Elektronik Burun Kullanımı Sofralık yeşil zeytinlerde ise; Düşük fiyat, hızlı ve yok edici olmayan analitik prosedürün potansiyelini araştırmak için batılı dünyada en popüler sebzelerden biri olan sofralık yeşil zeytinlerin sınıflandırılması ve kalite değerlendirilmesinde kullanılır. Laktik asit mayalanmasında, pH’yı düşürür,lezzet bileşenlerini oluşturan dokuda enzimatik faaliyetleri azaltır.Bunun yanı sıra mayalanma sırasında ucucu bileşenlerin fazlalığını mikroorganizmalar kullanırlar.

Çayın Aromasını Değerlendirmek İçin Elektronik Burun Kullanımı Optimum bir sınıra kadar fermantasyon işlemi süresince kimyasal dönüşümler ve reaksiyonların sınırlandırılması yüksek kaliteli çay üretimi için hayatidir. Bu nedenle, yaprak içerisindeki kompleks kimyasal değişim serilerini sadece istenilen limitlerde tutmaya yetecek kadar yaprakların fermantasyonuna izin vermek en uygun değeri sağlamak için kritiktir. Geleneksel olarak, fermantasyonun uzunluğu koklama ve görme gücü gibi insani duygular yoluyla öznel olarak belirlenir. Fermantasyon esnasında yapraklarda oluşan otsu kokunun, çiçeksi kokuya dönüşümünü uzman insanlar algılayabilirler.

Bununla birlikte koku, birinci burun ve ikinci burun olarak adlandırılan dönüşümler içinden geçerek yayılır. Renk esasına bağlı olarak fermantasyon bitiş zamanını belirleyen kolorimetrik bir yöntemde ayrıca kullanılmıştır. Özel olarak dizayn edilmiş bir elektronik burunla, geçen zaman üzerinden fermantasyon işlemindeki uçucu emisyonunu izleyen bir model başarı ile kullanılmıştır. Farklı klonlar, farklı iklim ve fermantasyon yöntemleri ile uzun süredir devam eden denemelerde elektronik burunun defalarca kullanımı ile, fermantasyon süresince tespit edilen koku değişimlerinin güvenilir olduğu bulunmuştur.

Gıda Endüstrisinde Elektronik Burun Kullanımı 4) Et ve Et Ürünleri Panigrahi göstermiştir ki; İletkenli – polimer bazlı elektronik burun sistemleri taze sığır etini mikrobiyolojik yıkıma göre bozulmuş ve bozulmamış olarak ayırabilmektedir.

Gıda Endüstrisinde Elektronik Burun Kullanımı Modifiye atmosfer (MA) paketleme genellikle kümes hayvanlarının raf ömrünü uzatmayı içeren çeşitli taze ürünlerde uygulanmıştır. MA paketlerde ham salamuralanmamış paket tavuk bacaklarıyla ilgili, uçucu bileşenlerde farklı depolama ve paketleme faktörlerinin etkileri saptanmıştır. (Filamo, Kinnunen, latya – Kala ve Ahvenainen,1998) Bu çalışmanın amacı; MA paketli kümes hayvanı ürünlerinin duyusal kalitesi veya elektronik burun sonuçları ve gözlemlenmiş mikrobiyoloji arasındaki muhtemel ilişkinin belirlenmesidir.

SONUÇ Diğer bütün teknolojiler gibi elektronik burun teknolojisi de bütün problemlere cevap veremez. Elektronik burunun en iyi kullanım şekli, örneğin 100 tane maddeden 90 tanesinin iyi olduğunu, geri kalanına da tam cevap veremeyeceğini söylemesidir. Yani “tarama” yapar. O zaman o 10 tane madde için başka metotlar kullanılır.

SONUÇ Elektronik burunun avantajı hızlı çalışmasıdır. Elektronik burun uçucu bileşikleri baz almaz, bütün uçucu bileşiklerin bir “parmak izini” alır. İnsan burnunda olduğu gibi maddeleri tek tek ayıramaz, fakat bütün bir izlenim verir. Bütün metotlarda olduğu gibi yanlış pozitif ve yanlış negatif sonuçlar verebilir.

Eğer yeni bir bilim bulmak için çok hırslı iseniz; kokuyu ölçünüz Eğer yeni bir bilim bulmak için çok hırslı iseniz; kokuyu ölçünüz. (Alexander Graham Bell, 1914)