“Buğday unundaki ilgili parametrelerin ölçülmesi, değirmencilik sektörü için çok önemlidir. Buğday ve unda hızlı kalite ölçümleri gerçekleştirmek için Yakın Kızılötesi Yansıtma Spektroskopi yönteminin kullanımı, sektörde yerleşmiş bir uygulamadır. NIR analizi, geleneksel test prosedürlerine göre daha hızlı, basit ve kolaydır. Ayrıca birçok bileşen eşzamanlı olarak ölçülebilmektedir. NIR analiz cihazları, tam buğday ve durum buğdayında temel ticari parametreler olarak protein ve nem oranını ölçer. Donanımların sağlam olması ve analiz cihazlarının neredeyse hiç bakım gerektirmeden ve başında herhangi bir operatör olmadan uzun süre çalışabilmesi sayesinde, NIR teknolojisi üretim hattına bağlı olarak da çalışabilmektedir.”

İnsanlar, protein ihtiyaçlarını et, yumurta, balık, kuruyemiş, baklagiller, meyve, sebze ve tahıllardan karşılar. Dünyanın büyük bölümünde, protein alımının önemli bir kısmı tahıl tüketimiyle olur. Ekmek, makarna, bisküvi, kek, erişte ve pasta-börek gibi ürünlerin yapımında kullanılan buğday ununda protein oranı yüzde 8 ila 15 arasında değişir. Undaki proteinin yapısı ve oranı, undan elde edilen hamur ve elde edilen unlu mamulün sahip olacağı özellikler açısından belirleyicidir. Un elde edilecek buğdayın tipi ve çeşidi, unun nasıl kullanılacağını da belirler. Buğdaydaki protein, başlıca kalite unsurudur ve hamurun dayanıklılığını ve dolayısıyla da undan nasıl yararlanılacağının göstergesidir. Nişasta ve su içeriği de, unun kullanım şeklini etkiler. Bu yüzden, buğday unundaki ilgili parametrelerin ölçülmesi, değirmencilik sektörü için çok önemlidir. Bu makale, buğday ve unda hızlı kalite ölçümleri gerçekleştirmek için kullanılan Yakın Kızılötesi Yansıtma Spektroskopi (NIRS) yöntemini açıklayacaktır.

Yakın Kızılötesi Yansıtma Spektroskopisi (NIR) 1960’ların ortalarında, Amerikan Tarım Bakanlığı’nda görevli bir ziraat mühendisi olan Karl Norris’e; soya fasulyelerindeki protein, yağ ve su oranının hızlı bir şekilde ölçülmesi için bir yöntem geliştirmek gibi zorlu bir görev verildi. Yakın Kızılötesi Yansıtma tayflarını, öğütülmüş soya fasulyelerinin protein, nem ve yağ oranlarının belirlenmesinde kullanılması için matematiksel modeller geliştirmek üzere çok sayıda lineer regresyon analizi kullanan ilk kişi olan Norris, NIR teknolojisinin babası olarak adlandırılır. Aradan geçen 50 küsur yılda Yakın Kızılötesi Yansıtma Spektroskopisi daha da gelişti ve birçok gıda ve tarım ürün için başlıca ölçüm yöntemi haline geldi. Dünyada ticareti yapılan buğday, mısır, arpa, pirinç, baklagiller, yulaf, çavdar, sorgum gibi ürünlerde protein ve nem oranı; kanola, soya fasulyesi, ay çekirdeği, aspir, keten tohumu ve benzer ürünlerde ise yağ ve nem oranını tespit etmek için NIR analizleri yapılır.

Şekil 1, un ve tam buğday spektrumu oluşturmak için NIR analizi cihazlarında kullanılan temel optik düzeneği göstermektedir. Bu düzenekte, tungsten halojen bir lambadan gelen ışık, un ya da tam buğday numunelerinin içinden geçirilir. Enerji; protein, su, yağ ve karbonhidrat bileşiklerini bir arada tutan bağlar tarafından belirli oranlarda emilir. Optik Ağ adı verilen bir optik unsur, ışığı 720 ila 1100 nm arasında farklı frekanslara ayırır. Dağıtılan ışık, tıpkı bir lazer yazıcıda olduğu gibi silikon bir fotodiyot dizisi tarafından tespit edilir. Numune tarafından; protein, nem, yağ ve karbonhidrata karşılık gelen rezonans frekanslarında emilen ışık miktarı, numune içeriğiyle doğru orantılıdır. Şekil 2 ise buğday, durum, un ve irmikteki NIT spektrumunu göstermektedir.

Un ve Buğday Değirmenciliği Sektöründe NIR Spektroskopisi Uygulamaları Un ve irmik üretiminin başlangıç noktası buğday ve durum buğdayıdır. NIR analiz cihazları, tam buğday ve durum buğdayında temel ticari parametreler olarak protein ve nem oranını ölçer. Ancak değirmenciler için; gluten, düşme sayısı (falling number), sertlik, tortullaşma ve Zeleny gibi parametreler de önemlidir. Buğdayda bulunan başlıca protein grubu, glutendir. Gluten, genellikle Glutenin ve Gliadin olmak üzere iki protein türünden oluşur. Peki, NIR spektrumları, analiz cihazının toplam proteinin bir parçası olan gluteni ölçmesine yarayacak spesifik bilgiye sahip midir? Burada cevap olumsuzdur. Buğday tanelerinin spektrumları, N-H bağlarıyla ilgili olan birkaç geniş soğurma bandından oluşur ve bu özellik tüm proteinler için geçerlidir. Gluten ve toplam protein arasındaki korelasyon genellikle yüksektir ve bu yüzden de NIR kullanılarak yapılan gluten ölçümü oransal bir ilişkiyi gösterir. Yine de değirmencilik sektörüne satılan NIR analiz cihazlarında genellikle gluten ölçümü için ayarlamalar da mevcuttur. Aynı şekilde; düşme sayısı, sertlik, tortullaşma ve Zeleny gibi fiziksel parametreler de NIR spektrumlarıyla doğrudan ölçülemezler ancak protein, nem, yağ ve karbonhidratlardaki bir ya da birden fazla kimyasal parametreyle kıyaslanarak dolaylı olarak belirlenebilirler. Tam buğdayda bu tür fiziksel parametrelerin NIR yöntemiyle belirlenmesi genellikle etkili sonuçlar vermez. Tahılların toz haline getirilmesinin ardından 1000 ila 2500 nm’lik spektrumlara tabi tutulması durumda doğruluk oranı artacaktır. Toz zerreciklerinin boyutu, genellikle sertlik, tortullaşma ve Zeleny ölçümleriyle doğru orantılıdır. Bu da NIR Yansıtma analizi cihazlarının niçin NIR iletim analizi cihazlarından daha iyi performans gösterdiğini açıklamaktadır.

Düşme Sayısı, bir tohumdaki çimlenme miktarını ifade eder. 250 saniyenin altını ifade eden Düşük Düşme Sayısı, Amilaz enziminin bırakıldığı ve endospermdeki nişastanın ayrıştırılmaya başlandığı çimlenme olayının yüksek olduğunu gösterir. NIR spektroskopisi, toplam nişasta miktarını ölçer ve bu sayede de Düşme Sayısı ölçümü için de kullanılabilir. Ancak Düşme Sayısı, nişastanın ayrıştırılmasından dolayı viskozitenin azalmasına dayanan bir viskozite analiz tekniğidir. NIR tarafından ölçülen nişasta içeriği, viskozite ölçümüyle orantısal bir bağlantıya sahip değildir ve en iyi ihtimalle Düşme Sayısı değerinin kabaca tahmin edilmesi için kullanılabilir.

Buğday ve durum buğdayının tohumlarında, yüksek nişasta içeriği sebebiyle beyaz ya da sarı noktacıklar ortaya çıkabilir. Durum buğdayında, tohumların şeffaflığını ölçen yöntem, camsılık testi olarak adlandırılır. Tohumların içindeki nişasta noktacıkları şeffaflığı azaltır ve düşük kaliteyi gösteren bir parametre olarak değerlendirilir. Yüksek camsılık tespiti, sertlikle ilişkilendirilir ve durum buğdayı için irmik bakımından yüksek verimi ifade eder. NIR iletim analizi cihazları, camsılığı ölçebilir. Camsılık, tohumlardaki protein ve nişasta içeriğiyle ilişkili olsa da aslında tohumlardan geçen NIR ışığı şeffaflığı ölçmektedir.

Tam buğdaya göre, un ve irmikte daha fazla kalite parametresi NIR yöntemiyle belirlenebilir. Bunlar; Protein, Nem, Nişasta, Kül, Su Absorpsiyonu, Nişasta Hasarı, Hamur Dayanıklılığı ve Hamur Kuvvetidir. Protein, Nem ve Nişasta, NIR yöntemiyle doğrudan ölçülmektedir. Un içindeki mineralleri ifade eden külün doğrudan bir spektrum bandı söz konusu değildir. Görülebilir spektrum bölgeleri kullanılarak kül dolaylı olarak ölçülebilmektedir. Örneğin 520 nm, undaki buğday bası içeriğini gösterir. Bazı NIR analizi cihazları, 520 nm’yi de kapsayabilmek için daha geniş bir spektrum sunmaktadır. Buğday pası içeriği, NIR bölgesindeki 700-720 nm’de de ölçülebilmektedir. Bu yöntem, 350-680 nm’deki görülebilir spektral bölgedeki kızıl absorpsiyon bantlarının kuyruk kısımlarını ölçmektedir. Kül miktarı, öğütme derecesi ve endosperm harici içeriklerin ayrılmasına yönelik faydalı bir göstergedir. Kül miktarının, unun pişirme kalitesini doğrudan etkilemesi tartışmalı olmakla birlikte, endosperm dışındaki unsurların unda bulunması pişirme kalitesini etkilemektedir. Külle ilgili referans yöntem, numunenin külleme kırınında uzun süre boyunca tutulmasının ardından elde edilen kalıntının ağırlığıyla ölçülür. NIR’e göre yavaş bir yöntem olsa da Külleme Fırını yöntemi çok hasastır ve veriler %0,001’lik hassasiyet oranlarıyla ifade edilir. NIR yönteminde ise hassasiyet sadece %0,01’dir.

Nişasta Hasarı, Su Absorpsiyonu, Hamur Kuvveti ve Hamur Dayanıklılığı ise Farinografi, Ekstensiyografi ve Amilografi yöntemleriyle ölçülür. Bu analizlerin tamamı, bir un-su karışımındaki akışkanlık ve viskozite ölçümüne dayanır. Bu prosedürlerin tamamlanması genellikle 30 dakika sürer ve sadece teker teker yapılabilir. Un değirmencileri, bu verileri hamuru yoğururken ne kadar su ekleneceğini ve karışma performansını gösteren veriler olarak fırıncılara yönerge olarak verir. Bunlar, ilk bakışta NIR analiz cihazlarıyla ölçülmesi beklenmeyen fiziksel özelliklerdir. Ancak, tüm parametrelerle ilgili ayarlamalar, birçok NIR analiz cihazına eklenmiş durumdadır. Zira undaki protein, nişasta ve su içeriği, bu parametreleri etkilemektedir. NIR kemometrik kalibrasyon yazılımının, çok değişkenli lineer regresyon sürecini kullanarak geliştirdiği matematiksel modelleri, gıda ve tarım ürünlerindeki içerikleri belirlemek için kullanabilmektedir. Böylece, söz konusu dört parametre; unun içindeki protein, nem ve nişasta içerisindeki etkileşimler sayesinde mümkün olabilmektedir. Şekil 3 ve 4 Su Absorpsiyonu ve Nişasta Hasarı kalibrasyon grafiklerini, NIR İletim analizi cihazı kullanılarak göstermektedir.

İrmik, makarna yapımında kullanılmaktadır. Protein, Nem ve Külün ölçülmesi, makarna üreticileri için kritik öneme sahiptir. Şekil 5, bir NIR İletim analizi cihazı kullanılarak irmik içerisindeki proteinin tipik bir kalibrasyon grafiğini göstermektedir.

Un Değirmenciliği Sektöründe Hatta Bağlı NIR Ölçümü Donanımların sağlam olması ve analiz cihazlarının neredeyse hiç bakım gerektirmeden ve başında herhangi bir operatör olmadan uzun süre çalışabilmesi sayesinde, NIR teknolojisi üretim hattına bağlı olarak da çalışabilmektedir. Değirmendeki üretim hattına bağlı NIR analiz cihazları; tahılın geldiği, nemlendirildiği, işlemden geçirildiği ya da nihai ürün haline geldiği noktalara yerleştirilebilir.

Hatta bağlanan ölçüm cihazları genellikle protein ve nem ölçümü yapar ancak diğer parametreler de ölçülebilmektedir. Şekil 6, Avustralya’da bir un değirmeninde, tesise alındığı anda buğdaydaki protein ve nem oranını ölçmek üzere üretim hattına yerleştirilmiş olan bir NIR Analiz Cihazını göstermektedir. Şekil 7, hatta bağlanan bir NIR analiz cihazı ile laboratuvardaki bir NIR analiz cihazının Nem ölçümüne dair eğilim grafiğini göstermektedir.

Un değirmenciliğinde NIR kullanımı yerleşmiş bir uygulamadır. NIR analizi, geleneksel test prosedürlerine göre daha hızlı, basit ve kolaydır. Ayrıca birçok bileşen eşzamanlı olarak ölçülebilmektedir.