Akademik Veri Yönetim Sistemi
BEK A. (Yürütücü), TAŞGIN M. E., ATAÇ MOGOL B., GÖKMEN V.
TÜBİTAK - AB COST Projesi , 2024 - 2027
Akrilamid molekülü Uluslararası Kanser Araştırmaları Ajansı (IARC) tarafından Grup 2A "insanlar için olası kanserojen olarak" sınıflandırılmıştır. Gıdalarda akrilamid varlığının 2002 yılında keşfinden bu yana hem akademik hem de endüstriyel gruplar tarafından akrilamid seviyelerinin düşürülmesine yönelik araştırma ve teknolojik geliştirme çalışmaları yapılmıştır.
Gıdalarda akrilamid oluşumunun Maillard reaksiyonu ve asparajin amino asiti ile ilişkili olduğu bulunmuştur. Asparajin amino asidi akrilamid yapısının iskeletini oluşturduğundan akrilamidin öncülüdür. Akrilamid 120°C'den yüksek sıcaklıkta ve düşük nemde gıdalarda ısıl işleme sırasında asparajin içeren gıda ürünlerinde indirgen şekerle birlikte Maillard reaksiyonu sonucu doğal olarak oluşmaktadır. Bu nedenle işlenmemiş hammaddedeki asparajin varlığının ve miktarının tespiti, işleme sonrası son üründe ortaya çıkabilecek akrilamid varlığı ve miktarı için bir indikatördür.
“CA21149 - Reducing Acrylamide Exposure of Consumers by a Cereals Supply-Chain Approach Targeting Asparagine (ACRYRED)” başlıklı COST aksiyonu “3. Çalışma Grubu” üyeliği kapsamında önerilen bu projede buğday, çavdar ve yulaf tahıllarında asparajin, ve bu tahıllardan üretilen ürünlerde akrilamid tespitine yönelik Raman spektroskopisi tabanlı taşınabilir bir tespit sistemi geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Aksiyon (memorandum of understanding – MoU) metni doğrultusunda tarladan üretim hatlarına yerinde tespiti için yüzey artırımlı Raman saçılması (surface enhanced Raman Scattering, SERS) yöntemi ile moleküler spektroskopik izler kullanarak tahıllarda asparajin ve tahıl ürünlerinde akrilamid varlığının yüksek hassasiyet ve seçicilikle oransal miktarının tespit hedeflenmektedir. Bu kapsamda tahıllardaki asparajinin yerinde tespitinin yapılabilmesi amacı ile yerli ve milli bir taşınabilir yüzey artırımlı Raman spektrometresi (SERS tabanlı TRS) geliştirilmesi amaçlanmaktadır. SERS yüzey artırım alttaşının tasarımında hesaplamalı yöntemler ile optimize edilmiş elemental ve alaşım metal nanoparçacık (MNP) sistemleri kullanılacaktır. Tespit alt sınırının düşürülebilmesi için veri analizinde derin öğrenme tabanlı yapay zeka yaklaşımlarından yararlanılacaktır. Tahıl ürünlerinde asparajin tespitine yönelik SERS tekniğine dayalı optik, mekanik, elektronik ve veri işleme alt birimlerden oluşan TRS üretilmesi için gereken ön prototip geliştirilerek performans analizleri laboratuvar ortamında gerçekleştirilecektir.
İlk olarak asparajin ve akrilamid tespiti amacıyla hassas SERS alttaş ve TRS tasarlanması, geliştirilmesi ve kontrollü laboratuvar koşullarında asparajin ve akrilamid tespit limitlerinin belirlenmesi hedeflenmektedir. İlerleyen safhada ise TRS’in tarlada ve üretim bandında tahıllarda bulunan asparajinin hızlı tespiti ve ölçümünde kullanılabilirliğinin gösterimi planlanmaktadır. Edinilen bilgi birikimi ve ilgili proje üyelerinin geçmiş tecrübeleri ışığında tasarlanan sistem ile tahıllarda ve ürünlerinde düşük miktarda bulunan asparajin ve akrilamid kimyasallarının tespitine yarayacak pratik ve ticarileşebilir bir cihaz ortaya konabilecektir. Tespit Raman tayfında moleküllerin sahip oldukları parmak izi bantlara dayanmaktadır. Ancak ticari olarak kullanılan SERS sistemlerinden sadece mikroskop optiğine sahip kapsamlı spektrometrelerin hassasiyeti eser miktardaki kimyasalların tayfının toplanmasına imkan sağlamaktadır. Ne var ki bu sistemlerin üretim bantlarında kullanılması taşınabilir olmamaları, maliyet ve çevresel şartlara uyumsuzlukları gibi nedenlerle şu an için mümkün değildir. Bunun yanında ticari TRS’leri ise SERS tabanlı olmamaları ya da yetersiz hassasiyetleri nedeniyle maalesef çiğ tahıl ürünlerinde asparajin kimyasalının düşük miktarda ölçümlerine olanak vermemektedir. Bu amaçla proje iş paketlerinin en önemli kısımlarından biri yerli Raman spektrometre sisteminin geliştirilebilmesi için gerekli tecrübenin toplanması ve yeterli hassasiyete sahip taşınabilir bir SERS cihazının geliştirilmesidir. Sistemde “lazer, optik elemanlar, optomekanik elemanlar; elektrik güç kaynağı, elektronik veri okuyucu, aktarıcı; veri işleyici; SERS altlık tutucu” bileşenlerden oluşan dört ana alt birim bulunacaktır. Bunlar: 1- ışık kaynağı, 2-örnek tutucuyla entegre uyarıcı ve ışık toplayıcı optik kafa, 3-spektrometre ve 4-elektronik/dijital aksamdır. Proje önerimiz, çoğunluk çalışmalardan farklı olarak, simülasyon ve teori desteği (geri beslemesi) ile yürütülecektir. İlk olarak SERS için gerekli yüzey artırımını gerçekleştiren MNP ve alaşım MNP’ler simüle edilecek, sonuçlara bakarak yeni boyut/malzeme çeşitleri önerilecek, sentezlenme olasılığı olan MNP’ler için tekrar gerekli hesaplar yapılacaktır. Bu şekilde deneme/yanılma tipi çalışmalarda sıklıkla yaşanan gereksiz malzeme harcanması engellenecek ve optimum sonuca makul sürede ulaşılabilecektir. Diğer hesaplardan farklı olarak, alaşım MNP’lerde iki atomun hibridizasyonunu ele alan DLS modeli uygulanacaktır. Ayrıca Raman spektral izlerinden 1 boyutlu vektör yardımıyla derin öğrenme algoritmaları koşturularak ölçüm hassasiyeti ve tespit sınırının (Limit of Detection - LoD) iyileştirilmesi sağlanacaktır. Projenin özgün yönleri 1) taşınabilir ve asparajin tespitine uygun bir SERS cihazı tasarım, üretim ve doğrulaması gerçekleştirilmesi, 2) taşınabilir ve akrilamid tespitine uygun bir SERS cihazı tasarım, üretim ve doğrulaması gerçekleştirilmesi 3) kullanılacak SERS alttaşlarında ilk defa hesaplamayla optimize edilecek alaşım metallerden yararlanılacak olması ve 4) spektral tayin limitinin düşürülebilmesi için yapay zeka kullanılacak olmasıdır.