The analysis of food additives and inorganic anions in bread by ion chormatographic method with conductivity detector

Abstract

In this thesis, preservative food additives such as benzoate, formate, propionate, sorbate, ascorbate, and lactate used in bread and inorganic anions such as chloride, nitrite, nitrate, and sulfate transmitted by environmental factors were simultaneously determined by ion chromatographic system. Nutrition is one of the most basic needs of human beings to sustain their lives. Bread, which is so important for human health, is the food that people consume most regardless of their income and status, ethnic and age groups. Bread is a basic foodstuff because of its simple production technology, being cheaper and easier to provide than other foodstuffs, high nutritious and satisfying properties. Bread is the leading grain consumption in our country. 400 - 450 g of bread is consumed per person per day and 50 % of daily energy is supplied from bread and cereal products. According to the report, while 1 out of every 10 bread waste produced in Turkey, economic loss is reported to amount to $ 700 million annually. The report says that the most important factor in the disposal of bread is stale, and as a reason for stale was not stored in appropriate conditions. In the production of bread, the use of various additives is becoming more and more widespread in order to eliminate defects arising from raw materials and processes, to improve bread qualities, to delay staling and to save time. Today there are over 8000 food additives. The number of food additives approved by the FDA to date is around 2800. In the European Union, the number of permitted food additives is 297. As the consumption of these substances increases, there is also evidence of links to certain disorders. The most common diseases are eczema, asthma, headache, allergic itching, gastric disorders, diarrhea, hyperactivity, and hypersensitivity. The number of preservatives that are allowed to be used in bread is limited and these additives are expressed in food packages with E codes. Lactic, propionic, formic, sorbic, benzoic and ascorbic acids are the most commonly used bread preservatives. And the inorganic anions such as chloride, nitrite, nitrate, sulfate are contaminated from the environment. According to the World Health Organization (WHO) data, in 2018, 18.1 million people were diagnosed with cancer, while 9.9 million people died of cancer. In another study conducted by WHO, it was found that 15% of cancer formation was caused by genetic factors, 35% by nutrition and 50% by environmental factors. Prevention of this disease, which is so common, is only possible by eliminating the factors that cause it. Therefore, food inspections need to be made more stringent. Gas chromatography, high performance liquid chromatography, capillary electrophoresis, and ion chromatography are the most frequently used methods for these inspections. Ion chromatography is the development of ion-exchange chromatography that arose during the Manhattan project, which was developed to separate rare earth cations that are very similar to each other with cation exchange resins. This study, which provides theoretical foundations for ion-exchange separations, It was expanded after World War II to be applied to many other items. Nowadays, ion chromatography is widely used in many areas such as food and beverage analysis, separation and purification of charged molecules, quality assurance and control, sample purity determination, quantitative analysis of ions. There are many studies in the literature for the determination of food additives. Analytical techniques most commonly used in determining additives in foods; gas chromatography (GC), high performance liquid chromatography (HPLC), capillary electrophoresis (CE) and ion chromatography (IC). But each method has its advantages and disadvantages. Compared to other methods, ion chromatography has many advantages such as sensitive results at mg / L level, nature friendly, high selectivity in complex matrix samples, ion species analysis, In this work, the ion chromatography method was used for the analysis of organic acid anions of these preservatives and inorganic anions. As the first stage of sample preparation, the bread samples collected from various markets were cut into small pieces (approximately 15 mm) and then, dried in the oven at 45 centigrade degrees for one day. The bread samples were weighed and then, diluted 100 times with water. The sonication process was applied to the diluted bread samples for 15 minutes. Then, this was centrifuged at 13500 rpm for 5 minutes to separate from its solid parts. To eliminate organic substances, the supernatants were passed through the C18 SPE cartridges. Finally, the solutions were filtered with PES filters prior to IC analyses. The separation of these analytes from bread samples were accomplished by using an anion exchange column with an optimized multistep gradient eluent program that utilized 3 mM to 32 mM NaOH. Ten analytes were completely separated within 35 minutes. All the calibration curves showed good linearity (r2 ≥ 0.999) within the calibration ranges. Under optimized conditions, device's the limits of detection (LODs) were between 0.0087 and 0.215 μg L−1. To evaluate the recovery test, three different concentrations of standard solutions were added to a bread sample and the average recoveries found between 95.34 and 101.37 %. Precision (RSD%) was evaluated by continuously performing three replicates each day within 3 days for the determination of the samples. The relative standard deviations (RSDs) were less than 5.69 %. The results indicated that this method was simple, rapid, sensitive, and accurate for the simultaneous determination of lactate, propionate, formate, sorbate, benzoate, ascorbate, chloride, nitrite, nitrate, and sulfate in various bread samples. In 1473, Paracelsus stated the importance of the dose, saying that "All substances are poison, no non-toxic substances. It is the dose that separates the drug from poison." As Paracelsus says, it is very important to quantify the amount of food additives used. A variety of techniques have been tried in the literature for this. However, there are no studies analyzing 10 analytes simultaneously. In this project, a new method was developed for the analysis of bread additives with the IC using conductivity detector for simultaneous and short time analysis without any derivatization. Thus, it is aimed to develop a method that can be applied easily and quickly in the routine analysis of bread, which is one of the most consumed food items, and can analyze all additives at once and at once.

Bu çalışmada, ekmekte kullanılan benzoat, format, sorbat, propiyonat, askorbat ve laktat gibi koruyucu gıda katkı maddelerinin ve çevre faktörlerinden bulaşan klorür, nitrit, nitrat ve sülfat gibi inorganik iyonların iyon kromatografik sistemle tayini yapılmıştır. Beslenme, insanın hayatını idame ettirebilmesi için en temel ihtiyaçlarından biridir. İnsan sağlığı için çok önemli bir gıda olan ekmek, insanların gelir düzeyi, etnik ve yaş gruplarına bakılmaksızın en çok tükettiği besindir. Ekmek, diğer gıda maddelerine göre basit üretim teknolojisi, daha ucuz ve kolay ulaşılabilir olması ve besleyici etkileri nedeniyle temel besin maddesidir. Ekmek ülkemizde ki tahıl tüketiminin başında gelmektedir. Günlük kişi başına 400-450 g ekmek tüketilirken, enerji ihtiyacımızın %50'si ekmek ve tahıl ürünlerinden sağlanmaktadır. Yayınlanan raporlara göre, Türkiyede her 10 ekmekten 1'i israf olurken, bu durum ülke ekonomisinde yıllık 700 milyon dolar kayıp anlamına gelmektedir. Ayrıca raporda, ekmeklerin atılmasındaki en önemli faktörün ekmeğin bayatlaması olduğu ve bayatlamasının en temel nedenin ise ekmeğin uygun koşullarda saklanmadığı olarak belirtiliyor. Ekmek üretiminde, hammaddelerin ve işlemlerin neden olduğu kusurları ortadan kaldırmak, ekmek kalitelerini iyileştirmek, bayatlamayı geciktirmek ve zaman kazanmak için çeşitli katkı maddelerinin kullanımı gittikçe yaygınlaşmaktadır. Bugün 8000'den fazla gıda katkı maddesi bulunmaktadır. FDA tarafından onaylanan gıda katkı maddesi sayısı 2800 iken, Avrupa Birliğinde kullanımına izin verilen gıda katkı sayısı 297' dir. Bu maddelerin tüketimi arttıkça, bazı sağlık sorunlarının da arttığına dair kanıtlar vardır. En sık görülen hastalıklar egzama, astım, baş ağrısı, alerjik kaşıntı, mide rahatsızlıkları, ishal, hiperaktivite ve aşırı duyarlılıktır. Ekmekte kullanılmasına izin verilen koruyucuların sayısı sınırlıdır ve bu katkı maddeleri E kodlu gıda ambalajlarında ifade edilmektedir. Laktik, propiyonik, formik, sorbik, benzoik ve askorbik asitler en yaygın kullanılan ekmek koruyuculardır. klorür, nitrit, nitrat, sülfat gibi inorganik anyonlar ise çevreden bulaşır. Dünya Sağlık Örgütü'nün (WHO) paylaştığı verilere göre, 2018 yılında, 18,1 milyon insana kanser teşhisi konulurken, 9,9 milyon kişi kanserden hayatını kaybetmiştir. Yine WHO tarafından yapılan bir araştırmada kanser oluşumunun % 15'i genetik faktörlerden, %35'i beslenmeden, %50'si çevresel faktörlerden kaynaklandığı bulunmuştur. Bu kadar yaygın olan bu hastalığın önlenmesi ancak ona neden olan faktörlerin giderilmesi ile mümkündür. Bu sebeple gıda denetimlerinin daha sıkı yapılması gerekmektedir. Gaz kromatografisi, yüksek performanlı sıvı kromatografisi, kapiler elektroforez ve iyon kromatografisi bu denetimler için en sık kullanılan metodlardır. İyon kromatografi, nadir toprak katyonlarının katyon değiştirici reçineler kullanılarak ayrılması için geliştirilen Manhattan projesi sırasında ortaya çıkmış ve zaman içerisinde gelişmiştir. Çalışma alanı, II. Dünya savaşından sonra, başka pek çok maddelere de uygulanabilecek şekilde genişletilmiştir. Günümüzde, iyon kromatografisi, yiyecek ve içecek analizi, yüklü moleküllerin ayrılması ve saflaştırılması, kalite güvencesi ve kontrolü, örnek saflık tayini, iyonların kantitatif analizi gibi birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Gıdalardaki katkı maddelerinin belirlenmesinde en çok kullanılan analitik teknikler; gaz kromatografisi (GC), yüksek performanslı sıvı kromatografisi (HPLC), kapiler elektroforez (CE) ve iyon kromatografisidir (IC). Fakat her yöntemin avantajları ve dezavantajları vardır. Diğer yöntemlerle kıyaslandığında iyon kromatografisinin mg/L seviyesinde hassas sonuçlar vermesi, doğa dostu oluşu, karmaşık matris örneklerinde yüksek seçicilik sağlaması, iyon türlerinin analizi, ayırıcı kolonların stabilitesi, hızlı sonuçlar vermesi, az miktarda örnek ile çalışılabilmesi gibi birçok avantajı vardır. Bu tez kapsamında, gıda katkı maddelerinin ve inorganik anyonların analizi için iyon kromatografi yöntemi kullanılmıştır. Örnek hazırlamanın ilk aşaması olarak, çeşitli marketlerden toplanan ekmek örnekleri küçük parçalar halinde (yaklaşık 15 mm) kesilmiş ve 1 gün boyunca 45 santigrat derecede fırında kurumaya bırakılmıştır. Ekmek örnekleri 1:100 oranında su ile seyreltilmiştir. Sonikasyon işlemi, seyreltilmiş ekmek örneklerine 15 dakika boyunca uygulanmıştır. Daha sonra analitlerin katı kısımdan ayrılması için 13500 rpm'de 5 dakika santrifüjlenmiştir. Son olarak, numune, C18 kolonu ve PES filtresinden geçtikten sonra kolona verilmiştir. Bu analitlerin ekmekten ayrılması, 3 mM ila 32 mM NaOH arasında kullanılan optimize edilmiş çok aşamalı gradyanlı eluent programı olan bir anyon değiştirme kolonu kullanılarak gerçekleştirildi. On analit 35 dakika içinde tamamen ayrıldı. Tüm eğriler kalibrasyon aralıklarında iyi doğrusallık (r2 ≥ 0.999) gösterdi. Optimize edilmiş koşullar altında, saptama sınırları (LOD'lar) 0,0087 ila 0,215 μg L− 1 arasında bulundu. Geri kazanım testini değerlendirmek için üç farklı standart çözelti konsantrasyonu numuneye ilave edildi ve ortalama geri kazanımlar % 95.34 ila 101.37 arasında bulundu. Hassasiyet (RSD), numunelerin tespiti için 3 gün içinde her gün sürekli üç tekrar yapılarak değerlendirildi. Göreceli standart sapmalar (RSD'ler) % 5.69' dan az bulundu. Sonuçlar, bu yöntemin, çeşitli ekmek örneklerinde laktat, propiyonat, format, sorbat, benzoat, askorbat, klorür, nitrit, nitrat ve sülfatın aynı anda belirlenmesi için basit, hızlı, duyarlı ve doğru olduğunu gösterdi. Paracelcius 1473 yılında 'Tüm maddeler zehirdir, zehir olmayan madde yoktur. Zehir ile ilacı ayıran dozdur.' diyerek dozun önemini belirtmiştir. Paracelsus'un da dediği gibi, kullanılan gıda katkı maddelerinin miktarını ölçmek çok önemlidir. Bunun için literatürde çeşitli teknikler denenmiştir. Ancak, aynı anda 10 analiti analiz eden hiçbir çalışma yoktur. Bu projede ekmek katkı maddelerinin türevlendirme gerektirmeden, aynı anda ve kısa sürede analizleri için, iletkenlik dedektörü kullanarak IC ile analizi için yeni bir yöntem geliştirilecektir. Böylece en çok tüketilen gıda maddelerinin başında gelen ekmeğin rutin analizinde kolaylıkla ve hızlı bir şekilde uygulanabilecek ve bütün katkı maddelerinin aynı anda ve tek seferde analizleyebilecek bir yöntem geliştirmek hedeflenmiştir.