MAYA

Mayalar; tek hücreli, vejetatif çoğalmalarını tomurcuklanma ve ikiye bölünme şeklinde gerçekleştiren ökaryotik canlılardır. Dıştan içe hücre zarı, sitoplazma, organeller ve çekirdekten meydana gelen mayaların hücre duvarı çoğunlukla ''glukan-mannan'' dan oluşmaktadır. Eşeyli çoğalan türleri'de bulunur ve genelde karyogami ve plazmogami'yi tercih ederler. 

Mayalar yeterli su bulunmayan koşullar altında 13 yıl kadar yaşayabilmektedirler. Mayaların başlıca karbon kaynağını karbohidratlar oluşturmaktadır. Ancak mayalar pentoz şekerlerini fermente edemezler sadece özümleyebilirler. Heksoz şekerlerini ( Glikoz-Fruktoz-Mannoz) hem fermente edebilirler hem de özümleyebilirler.

Bazı mayalar ise karbon kaynağı olarak bazı alkollerden ve hidrokarbonlardan yararlanabilirler. Aynı zamanda mayaların bir çoğu  beslenmek için hem organik hem de anorganik azot kaynaklarını değerlendirebilirler (aminoasit, amid, amonyak, peptid). Ayrıca ''Amonyum Sülfat'' ve ''Fosfat tuzları'' tüm mayalar için çok iyi birer azot kaynağıdır.

''Fosfor, Potasyum, Magnezyum, Kükürt ve Kalsiyum'' mayalar için makro elementlere, iki değerlikli elementlerden ''Bakır, Çinko, Kobalt'' iz elementlere  teşkil eder. Ayrıca Potasyum mayaların karbohidrat metabolizmalarında önemli bir yere sahiptir.

Mayalar en iyi 25-30 derece'de en iyi şekilde gelişim gösterirler aynı zamanda güneş ışınlarına 10 sn maruz kalmaları bir maya katliamına sebebiyet verir.

Saccharomyces cerevisiae

MAYA ENDÜSTRİSİ 

Maya endüstrisinin hizmet ettiği alanların başında gıda ve içki sektörü gelmektedir. Başlıca üretilen gıdaları ve üretici organizmaları sıralarsak;

• Ekmek Mayası: Saccharomyces cerevisiae                  optimum 28-30 derecede yaşar ve fermentasyon çıktıları CO2 ve etil alkoldür.
• İspirto Mayası : Saccharomyces cerevisiae                  optimum 25-28 derecede yaşar.
• Şarap Mayası:  Optimum 20 derecede yaşarlar. Şarap mayaları ''glikoz, fruktoz, sakkaroz, maltoz ve rafinoz fermente edebilirler.

Aynı zamanda mayalar çok iyi birer protein kaynağı olup, protein miktarları soyaya eştir.  Maya özütü'de bu endüstrinin en iyi gelir kapılarından biridir. Maya özütü gıdalarda MSG (monosodyum glutamat) yerine tat ve kıvam verici olarak kullanılır. Maya özütü eldesi ise mayalara labarotuvar koşulları altında otoliz işleminin gerçekleştirilmesi ile elde edilir. Maya özütü eldesin yan ürün olarak glukan, mannan, kitin ve protein oluşur.

Mayalardan elde edilen bir diğer ticari öneme sahip ürün ise ''İnvertaz'' enzimidir. Bu enzim mayaların hücre zarı ve hücre duvarı arasında periplazmik boşlukta ihtiva eder. Yine kullanım alanı gıda'da şekerlemecilik ve pasta üretimi içindir. 

Yine mayalardan elde edilen ''Astaxanthin'' pigmenti boyar madde olarak kimya sektöründe kullanılır. 

Mayanın en önemli kullanım alanlarından bir diğeri ise ''Ergesterol, İnsülin, İnterferon, Hepatit-B aşısı'' gibi üretimlerin yapıldığı medikal alanlardır.

ALT FERMANTASYON :  Mayalanma sıcaklığı 8-12 derece civarıdır. Bu yöntemde fermantasyon sona erdikten sonra maya dibe çöker. Mayalanma süresi bu yöntemde uzun ve yavaştır (8-10 gün). Bu yöntem Almanya'da bira sanayisinde kullanılır.

ÜST FERMANTASYON: Mayalanma sıcaklığı 18-20 derece, işlem sonunda maya üstte toplanır. Biranın oluşumu 3-6 günde tamamlanır. Bu biranın diğer yöntemle elde edilene göre daha acı ve koyu bir tadı olduğu bildirilmiş. Yoğunlukla İngiltere ve Kuzey Almanya'da bira sanayilerinde kullanılır.

İnsan beyninin nasıl çalıştığı ve fonksiyonları uzun yıllar araştırılmıştır. Beyin fonksiyonları konusunda bilgi veren ilk eser 1890 yılında yayınlanmıştır. 1940 yılından önceyse Helmholtz, Pavlov, Poincare gibi bazı bilim adamlarının YSA kavramı üzerinde çalıştıkları bilinmektedir. Fakat bu çalışmaların mühendislik değeri olduğu söylenemez (Öztemel, 2006, 37). Yapay sinir ağlarının ilk temelleri 1940’ların başında araştırmalara 

başlayan nöropsikolojist olan McCullogh ile matematikçi olan Pitts’in 1943 yılında yayınladıkları bir makaleyle atılmıştır. McCullog ve Pitts, biyolojik nöronun basit matematiksel gösterimi biçiminde bir modelleme yapmışlardır (Zurada, 1992, 30). Böylece insan beyninin hesaplama yeteneğinden esinlenerek ilk nöron modeli veya basit bir sinir ağı modellenerek, yapay sinir sisteminin ilk matematiksel modeli geliştirilmiştir. Hücrelerin birbirleri ile paralel çalıştığını ortaya koyarak öğrenme kurallarını belirlemeye çalışmışlardır (McCullog ve Pitts, 1943, 118).

1949 yılında McGill Üniversitesi’nde bir psikolog olan Donald Hebb, “The Organization of Behaviour” isimli kitabında, yapay hücrelerden oluşan bir YSA’nın ağırlık değerlerini geliştiren bir öğrenme kuralını açıklamıştır (Hebb, 1949, 60-78). Hebb Öğrenme Kuralı denilen bu kural, günümüzde de birçok öğrenme kuralının temelini oluşturmaktadır (Öztemel, 2006, 37). Farely ve Clark tarafından 1954 yılında rassal ağlar ile adaptif tepki üretme kavramı ortaya atılmıştır (Anderson ve McNeill, 1992, 17). Bu kavram, 1958 yılında Rosenblatt ve 1961 yılında Caianiello tarafından geliştirilmiştir. Özellikle Rosenblatt tarafından geliştirilen algılayıcı (perceptron) model, daha sonraları geliştirilerek yapay sinir ağlarında devrim niteliğinde olan çok katmanlı algılayıcıların temelini oluşturmuştur (Zurada, 1992, 19).

1950’li yıllarda bilgisayarların gelişmesiyle birlikte, insanın düşünce yapısıyla ilgili teorilerin temellerinin modellenmesi olanaklı hale gelmiştir. IBM araştırma laboratuarları araştırmacılarından Nathanial Rochester, bir sinir ağı simülasyonu oluşturma çabalarına öncülük etmiştir. İlk girişim başarısız olmasına rağmen sonraki girişimler başarılı olmuştur. Bu aşamadan sonra, geleneksel hesaplama yöntemlerinin araştırılması yerini sinirsel hesaplama yöntemlerinin araştırılmasına bırakmıştır (Anderson ve McNeill, 1992, 17). Rochester ve ekibi, o zamana kadar “düşünen makineleri” kendi çalışmalarını kanıt göstererek savunmaktaydılar. 1956 yılında yapılan ve daha sonraları Yapay Zeka (YZ) ve YSA (Yapay Sinir Ağları) üzerine konuşmaların ve dolayısıyla kanıtların artmasını sağlamış olan “Yapay Zeka Dartmouth Yaz Araştırma Projesi” yapılmıştır. Bu araştırmanın sonuçlarından biri, hem YZ ve hem de YSA araştırmalarına ilgi gösterilmesini teşvik etmesidir (Anderson ve McNeill, 1992, 17).

1957 yılında, Cornell Üniversitesinde bir nörobiyolog olan Frank Rosenblatt ise YSA çalışmalarının hem gelişiminde hem de duraklamasında önemli bir paya sahip olacak Basit Algılayıcı Modeli (Perceptron)’ni geliştirmiştir. Rosenblatt, bir sineğin göz işlemleriyle ilgilenmiştir. Bir sineğe kaçmasını söyleyen işlemlerin çoğunun sineğin beyni yerine gözünün 

içinde yapıldığından esinlenerek, Algılayıcı diye adlandırılan, bir donanım kurulmuş ve günümüzün en eski YSA modeli olan ağ yapısını geliştirmiştir (Anderson ve McNeill, 1992, 17). Rosenblatt tarafından geliştirilen Algılayıcı, YSA tarihinde önemli bir gelişmeye öncülük etmiştir. Çünkü bu model, daha sonraları geliştirilecek ve YSA’larında devrim niteliğinde olacak olan Çok Katmanlı Algılayıcı (ÇKA)’ların temelini oluşturmaktadır ve oluşturulan bu basit algılayıcı model günümüzde de hala kullanılmaktadır (Zurada, 1992, 19).

1959 yılında Stanford Üniversitesi’nden Bernard Widrow ve öğrencisi Marcian Hoff, ADALINE (Adaptive Linear Elements) ve MADALINE (Multiple Adaptive Linear Elements) olarak isimlendirdikleri Algılayıcıya benzeyen iki model geliştirmişlerdir (Anderson ve McNeill, 1992, 17-18). Bu sistemde en küçük ortalama kareler (LMS, Least Mean Squares) öğrenme kuralı kullanılmıştır (Öztemel, 2006, 38).

Marvin Minsky ve Seymour Papert tarafından 1969 yılında yapılan çalışmalar “Perceptrons (Algılayıcılar)” isimli kitaba dönüşmüştür. Bu kitapta yazarlar özellikle, yapay sinir ağlarına dayalı algılayıcıların bilimsel bir değerinin olmadığını ve doğrusal olmayan problemlere çözüm üretemediğini iddia etmişler, tezlerini kanıtlamak için de XOR* mantık probleminin çözülmemesini örnek göstermişlerdir. Bu durum yapılan yapay sinir ağları çalışmalarının duraklama dönemine girmesine neden olmuştur. Çalışmaların 1969 yılında sekteye uğramasına ve gerekli finansal desteklerin kesilmesine rağmen bazı bilim adamları çalışmalarına devam etmişlerdir. Özellikle Shun-Ichi Amari, Stephen Grossberg, Gail A. Carpenter, Teuvo Kohonen ve James A. Anderson gibi araştırmacıların çalışmaları 1980’li yıllara gelindiğinde meyvelerini vermiş ve YSA’lara ilişkin yeni çalışmalar ortaya koyulmaya başlanmıştır. 1976 yılında Grossberg ve Carpenter tarafından geliştirilen, Adaptif Rezonans Teorisi (ART), öğretmensiz öğrenme konusunda zamanın geliştirilmiş en karmaşık yapay sinir ağı olmuştur (Zurada, 1992, 19; Öztemel, 2003, 39).

1982 ve 1984 yılında Hopfield tarafından yapılan çalışmalar, yapay sinir ağlarının genelleştirilebileceği ve özellikle geleneksel bilgisayar programlama ile çözülmesi zor olan problemlere çözüm üretebileceğini göstermiştir. Hopfield, 1972 yılında farklı disiplinlerde çalışan elektrik mühendisi Kohonen ve nöropsikolojist Anderson’un birbirinden habersiz oluşturdukları benzer çalışmaları kullanmıştır. Yaptığı çalışmalarla optimizasyon gibi teknik problemleri çözmek için doğrusal olmayan dinamik Hopfield ağını ve Kohonen eğiticisiz öğrenen bir ağ olan “Kendiliğinden Organize Olabilen Nitelik Haritaları (SOM, Self- 

Organizing Feature Maps)” ağını geliştirmiştir (Hopfield, 1982, 2554-3092). Hopfield, bu çalışmalarda ayrıca YSA’ların matematiksel temellerini ortaya koymuştur (Anderson ve McNeill, 1992, 18). Bu çalışmalar, daha sonraları geliştirilecek olan danışmansız öğrenme kurallarının temelini oluşturmuştur.

1986 yılında David Rumelhart ve James McClelland, “Paralel Distrubuted Processing” adlı eserlerinde ileri beslemeli modellerde yeni öğrenme modeli olan hatanın Geriye Yayılma Algoritmasını (Back Propogation Algorithm) geliştirerek bu konuda daha önce iddia edilen aksaklıkların aşılabileceğini göstermişlerdir. Çünkü tek katmanlı algılayıcının çözemediği XOR problemi, çok katmanlı algılayıcıların bulunmasıyla çözülmüştür. Bugün birçok alanda bu öğrenme yönteminin farklı sürümleri kullanılmaktadır (Rumelhart ve McClelland, 1986, 283). Halen en çok kullanılan eğitim algoritmalarından biri olan bu algoritmanın geliştirilmesi YSA alanında çığır açmıştır (Zurada, 1992, 20). Bu gelişmeler YSA’larına olan ilginin artmasına neden olmuştur.

YSA’lara olan ilginin artması sonucunda bu konuyla ilgili olarak çeşitli konferanslar düzenlenmiştir. Bu konferanslardan biri de Kyoto’da Japon ve Amerikalı katılımcılar tarafından düzenlenen “US-Japan Joint Conference on Cooperative/Competitive Neural Networks” konferansıdır. Konferans boyunca Japonlar beşinci nesil araştırmalarını sunmuşlardır. Bunun üzerine Amerikalılar arasında Japonya’nın gerisinde kalındığı korkusu oluşmuştur. Bu korku nedeniyle ABD’de kısa bir sürede, fonlar yeniden YSA araştırmalarına aktarılarak, YSA’ların belirli aralıklarla geliştirilmesi söz konusu olmuştur (Anderson ve McNeill, 1992, 18).

1985 yılına gelindiğinde, Amerikan Fizik Enstitüsü “Bilgi İşleme İçin Yapay Sinir Ağları (Neural Networks for Computing)” konulu yıllık toplantılar düzenlemeye başlamıştır (Anderson ve McNeill, 1992, 18). 1987 yılında Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü (IEEE) tarafından yapılan 1. Uluslar arası Yapay Sinir Ağları Konferansı (1. International Conference on Neural Networks) ile YSA alandaki çalışmalar tüm dünyada yaygınlaşmaya başlamıştır.

1988 yılında çok katmanlı algılayıcılara alternatif olarak, Broomhead ve Lowe, Radyal tabanlı fonksiyonlar (Radial Basis Funcitons, RBF) modelini geliştirmişler ve özellikle filtreleme problemlerine oldukça başarılı sonuçlar üretmişlerdir. Daha sonra Specht, bu ağların daha gelişmiş şekli olan Parabolistik Ağlar (PNN) ve Genel Regresyon Ağları (GRNN) geliştirmiştir. 1987 yılından bu yana da değişik sempozyum ve konferanslarla YSA tartışılmakta yeni öğrenme teknikleri ve modeller ortaya atılmaktadır (Öztemel, 2006, 40).

YSA 1950’li yıllarda ortaya çıkmalarına rağmen, ancak 1980’li yılların ortalarında genel amaçlı kullanım için yeterli seviyeye gelmişlerdir.

Günümüzde, bilgisayarların boyutlarının küçülüp kapasitelerinin artmasıyla birlikte, YSA teorik ve laboratuar çalışmaları olmaktan çıkıp günlük hayatta kullanılan sistemler oluşturmaya ve pratik olarak insanlara faydalı olmaya başlamıştır (Öztemel, 2003, 40).

YSA’nın finans alanında kullanımının yaygınlaşması ise Rumelhart ve McClelland’ın geri yayılım algoritmasını geliştirmeleriyle paralellik göstermektedir. Finansal problemlerin doğrusal yapının yanı sıra doğrusal olmayan bir yapıyı da içermeleri nedeniyle, finansal problemlerin çözümünde çok katmanlı ağlara ihtiyaç duyulmuştur. Daha önceleri geliştirilmiş olan çok katmanlı ağlar olmasına rağmen bu ağların eğitiminin yapılamaması söz konusu olmuştur. Ancak Rumelhart ve McClelland’ın geliştirmiş olduğu bu algoritma ile bu sorunun üstesinden gelinerek YSA’nın finans alanında büyük ilgi görmesi sağlanmıştır. Bugün YSA, finansal endekslerin öngörüsü, hisse senedi fiyatlarının öngörüsü, portföy çeşitlendirmesi, tahvil değerleme, kredilerin geri ödenme oranlarının öngörüsü, gayrimenkul fiyatlarının öngörüsü ve işletmelerin iflas öngörüsü gibi finansal öngörülerin yapılmasında etkin şekilde uygulanmaktadır.

* XOR (Executive OR) mantık problemi, birim hiperküpteki noktaların sınıflandırılması probleminin özel bir durumu olarak tanımlanabilir. Hiperküpteki her bir nokta, 1 ya da 0 sınıflarından birine aittir. Ayrıntılı bilgi için bkz. (Zurada, 1992).

YSA, insan beyninin çalışma mekanizmasını taklit ederek beynin öğrenme, hatırlama, genelleme yapma yolu ile yeni bilgiler türetebilme gibi temel işlevlerini gerçekleştirmek üzere geliştirilen mantıksal bir yazılımdır (Yazıcı ve Diğ., 2007, 65).

Yapay Sinir Ağları, teknik detaya girilmeksizin en kısa ve basit şekilde, bir örnekler kümesi yardımıyla parametrelerin uyarlanabilmesini sağlayacak bir matematiksel formül için yazılan bilgisayar programı olarak tanımlanabilir. (Anderson ve McNeill, 1992, 4).

Yapay sinir ağı, özünde insan beyninin çalışma biçimini taklit eden, basit bir işlem elemanı olan nöronların değişik şekillerde birbirine bağlanmasıyla oluşan bir sistemdir. Her bir nöron diğer nöronlardan veya dışarıdan gelen sinyalleri alır, bunları birleştirir, dönüştürür ve sayısal sonuç ortaya çıkarır (Zhang, Patuwo ve Hu, 1998, 37; Indro ve Diğ., 1999, 374). İnsan beyninin biyolojik çalışma sisteminden esinlenerek geliştirilen bu model, süreç ve örnekleri tanımlayan bir bilgi işlem modelidir. YSA, katmanlar içinde birbirine yüksek derecede bağlı ve organize olan nöronların birleşmesinden oluşan bir ağdır (Zhang, 2004, 3).

Yapay sinir ağı literatüründe çok tanınan Kohonen’nin yaptığı yapay sinir ağı tanımına göre, “Yapay sinir ağları, paralel olarak bağlantılı ve çok sayıda basit elemanın, gerçek dünyanın nesneleriyle biyolojik sinir sisteminin benzeri yolla etkileşim kuran, hiyerarşik bir organizasyondur (Kohonen, 2001, 71-72; http: // books.google.com.tr./ Erişim Tarihi:18.03.2009).

Yapay sinir ağları Darpa tarafından ise şu şekilde tanımlanmıştır: “Bir YSA, birbirlerine paralel olarak çalışan birçok basit işlem elemanından oluşan ve fonksiyonu, ağın yapısı, bağlantı ağırlıkları ve elemanlarda gerçekleştirilen işlemler tarafından belirlenen bir sistemdir.” Her bir nöron, dışarıdan veya diğer nöronlardan gelen sinyallere karşılık verir ve belli bir fonksiyon ile bu sinyalleri çıktıya dönüştürür (ECB, Working Paper Series, No.571, 2006, 1).

YSA, ağırlıklandırılmış biçimde, tek yönlü sinyal kanalları ile birbirlerine bağlanmış birçok basit işlem elemanından oluşan, paralel ve dağınık, tek veya çok katmalı bilgi işlem sistemidir (Kamruzzman, Beggand ve Saker, 2006, 3). Yapay sinir ağı dışarıdan gelen girdilere dinamik olarak yanıt oluşturma yoluyla bilgi işleyen, birbiriyle bağlantılı nöronlardan oluşan bilgi işlem sistemidir (Sahoo ve Hathy, 2007, 5).

Haykin tarafından 1998 yılında yapılan daha kapsamlı ve genel kabul gören bir tanım ise “Bir sinir ağı, basit işlem birimlerinden oluşan, deneyimsel bilgileri biriktirmeye yönelik doğal bir eğilimi olan ve bunların kullanılmasını sağlayan yoğun bir şekilde paralel dağıtılmış bir işlemcidir (Haykin ve Diğ., 2001, 1-2; http://books.google.com.tr., Erişim Tarihi:18.03.2009)”. Bu işlemci iki şekilde beyin ile benzerlik göstermektedir:

·       Bilgi, ağ tarafından bir öğrenme süreciyle çevreden elde edilir.

·       Elde edilen bilgileri biriktirmek için sinaptik ağırlıklar olarak da bilinen nöronlar arası bağlantı güçleri kullanılır.

İnsanın düşünme yapısını anlamak ve bunun benzerini ortaya çıkaracak bilgisayar işlemlerini geliştirmeye çalışmak olarak tanımlanan yapay zeka, aslında programlanmış bilgisayarlara düşünme yeteneği sağlama girişimidir. İnsan gibi düşünen ve davranan sistemlerin geliştirilmesine yönelik olarak 1950’li yıllardan beri süren yapay zeka çalışmaları, bir noktada insanı taklit etmeye yönelik olduğundan mühendislik, nöroloji ve psikoloji gibi alanlara da yayılmıştır. İnsan gibi düşünebilen ve davranabilen sistemlerin geliştirilmesi için yapılan çalışmalarda bugün gelinen nokta, henüz yapay zekanın tam olarak geliştirilememiş olmasıdır. Yapay zekanın mümkün olabilirliği tartışmaları bir yana bırakılırsa bu konudaki çalışmalar bu alanı destekleyen farklı alanlardaki çalışmalarla birlikte devam etmektedir.

Yapay zeka çalışmaları kapsamında ortaya çıkan ve bir noktada yapay zeka çalışmalarına destek sağlamakta olan farklı alanlardan bir tanesi de Yapay Sinir Ağları Teknolojisi’dir.  Dolayısıyla, yapay zeka alanının bir alt dalını oluşturan YSA teknolojisi öğrenebilen sistemlerin temelini oluşturmaktadır. İnsan beyninin temel işlem elemanı olan nöronu (neuron) şekilsel ve işlevsel olarak basit bir şekilde taklit eden YSA’lar, bu yolla biyolojik sinir sisteminin basit bir simülasyonu için oluşturulan programlardır. Bu şekilde, insanoğluna özgü deneyerek (yaşayarak) öğrenme yeteneğini bilgisayar ortamına taşıyabildiği düşünülen YSA teknolojisi bir bilgisayar sistemine inanılmaz bir “girdi veriden öğrenme” kapasitesi sağlamakta ve birçok avantajlar sunmaktadır. Çeşitli avantajlar sunan ve gün geçtikçe gelişen bu teknolojiden, günümüzde pek çok alanda olduğu gibi ekonomi ve istatistik alanlarında da faydalanılmaktadır. Özellikle, “Evrensel Fonksiyon Yakınsayıcı Yöntem (Universal Function Approximators)” olarak tanınmalarından dolayı tahmin ve öngörü gibi verinin içerdiği yapının tanımlanmasını gerektiren alanlarda sıkça kullanılmaktadırlar (Yurtoğlu, 2005, 4).

Teknik olarak bir yapay sinir ağının en temel görevi, kendisine gösterilen bir girdi setine karşılık gelebilecek bir çıktı seti belirlemektir. Bunu yapabilmesi için ağ, ilgili olayın örnekleri ile eğitilerek genelleme yapabilecek yeteneğe kavuşturulur. Yapay sinir ağları, bağıntılı ağlar, paralel dağıtılmış ağlar ve nuromorfik sistemler olarak da adlandırılmaktadır (Öztemel, 2006, 30).

Önemli İşlem Aşamaları Şu Şekilde Sıralanabilir;

1.       Serum proteinlerin ultra filtrasyon ile ayrılması

2.       Kalsiyum karbonat ilavesi ile fermantasyonun nötralize edilmesi

3.       Hücre yönlendirilmesi ile filtrasyon

4.       Sülfirikasit ilavesi ile kalsiyum laktattan laktik asidin çökeltilmesi

5.       Kalsiyum sülfatın vasıtası ile filtrasyon

6.       Saf olmayan laktik asidin konsantrasyonu

7.       Pres filtrasyonla aktif kömür uygulaması

8.       İki kez ekstasyonla (çözücü vasıtanın ilave edilmesinden sonra)kalıntıların uzaklaştırılması

Peynir üretiminde: Buzağıların midelerinden elde edilen kimozin enzimi kullanılmaktadır. Bu enzim bugün gen teknolojisi ile mikroorganizmalardan da saf olarak elde edilmektedir. Peynir olgunlaşmasının hızlandırılmasında ve peynire özgü aromanın oluşumunda keza değişik enzimler proteazlar, lipazlar, laktozlar ve esterazlar gibi kullanılmaktadır. Yine peynirlerde yanlış fermantasyon ve istenmeyen delik oluşumu gibi (özellikle dilimlenebilir sert peynirlerde), tat oluşumunu sınırlayan bozukluklar lisozin enzimi ile önlenmeye çalışılır. Bu enzim yumurta akından klasik olarak elde edildiği gibi gen tekniği olarak değiştirilmiş mikroorganizma vasıtasıyla da üretilebilir.

                Endoproteanizlar  gibi enzimler kazeinden acı tada neden olan hidrofob peptitlerin elde edilmesi için bir kaynak oluşturmaktadır. Yine laktozun parçalanmasında B galaksidaz enzimi kullanılmaktadır. Diğer gıda alanlarında ise yine enzimlerden geniş ölçüde yararlanılabilmektedir. Örneğin; et ve balık ürünlerinde proteazlar eti daha olgun hale getirebilmektedir. katalazlar yağ oksidasyonuna karşı etki gösterirler. Yumurta tozu üretiminde glukozoksidaz enzimi glikozun eleminasyonu ile yumurtanın pastörizasyonu ve kurutulmasında mayloik reaksiyonunun renk kaybını engelemektedir. katalaz enzimiyle ise reaksiyon ürünü olarak hidrojen peroksit uzaklaştırılabilir. Buğday ve fırıncılık ürünlerinde amilazlar, proteazlar, oksidazlar, fosfotazlar, glikozidazlar, pentonazlar bu tip ürünlerde hamurun su bağlama kapasitesinin artması, reolijik niteliklerin iyileşmesi ve dayanımının artması amacıyla kullanılırlar meyve sularında ise berraklaşma ve filtrasyonu pektinazlar sağlar. Daha iyi bir hücre açılımı ve daha yüksek bir randıman özgül enzim prepatlarının kullanılmasıyla elde edilebilir. Alkollü içeceklerin üretiminde ise mayşe enzimleriyle işlenmektedir. Amilazlar ve selülozlar substratı açarlar bu bağlamda pektinazlar hücre bağlarını çözer ve şeker maya fermantasyonuna uğrar. Pektinazlar ve proteinazlar ile içecekteki asıltı halindeki maddeler ve protein içerikli tortular parçalanarak daha iyi bir filtrasyon sağlarlar.

Süt Teknolojisinde peynir altı suyu çeşitleri aşağıdaki gibidir;

1. Peynir mayasıyla(kimozin) işlenen peynirlerden alınan maya veya tatlı peynir altı suyu
2. Asitlenmiş sütten elde edilen asit peynir altı suyu
3. Peynir üretim hattında alınan teknik peynir altı suyu
4. Yağsız süt veya peynir altı suyunun ultrafiltre edilmesiyle(protein içermeyen) elde edilen permeat(filtrat)

Maya ve asit peynir altı suyu bileşimi genel olarak şu şekilde verilebilir.

Ø  Yağsız süttozu veya yağsız inek sütü

Ø  115 ⁰C de 15 dakika – 90-95 ⁰C 1 saat ısıl işlem

Ø  İnkübasyon sıcaklığına soğutma

Ø  Sıvı, liyofilize veya dondurulmuş kültür ilave edilir.

Ø  İnkübasyon

Ø  Oda sıcaklığında 30 dakika bekletme

Ø  10⁰C  altında saklama

2) Ara stok hazırlanması

Yağsız süttozundan hazırlanan süt

Ø  İnek sütü

Ø  115 ⁰C de 15 dakika – 90-95 ⁰C 1 saat

Ø  İnkübasyon sıcaklığına soğutma

Ø  Ara stoktan %2,5 oranında aşılama( genelde bir gün önce hazırlanmış ana stok kullanılır)

Ø  İnkübasyon

Ø  Soğutma

Ø  10⁰C  altında bekletme

3)İşletme Kültürü Hazırlanması

Ø  Yağsız inek sütü veya yağsız süttozundan hazırlanan süt

Ø  115 ⁰C de 15 dakika – 90-95 ⁰C 1 saat

Ø  İnkübasyon sıcaklığına soğutma

Ø  Ara kültürden %2,5 oranında aşılama

Ø  İnkübasyon

Ø  Soğutma

Ø  40⁰C  altında bekletme

Sütü ısıtmaya yarayan aletler, cihazlar (su banyosu, etüv, otoklav, cam malzemeler)

• İnkübasyon odaları
• Viskübatör
• Etüv

2.      Mekanik olarak korunmuş sistemler

Tamamen kapalı hava almayan ortamlarda ısıtma sağlanır ve inkübasyon derecesine soğutulur.

• Levis sistemi
• Alpha-Laval
• Jaras
• Terlet-Zuphter

Lewis Sistemi

Ana stok à  Ara stok à  İşletme kültürü

Özellikleri;

·         İzoleli dış tank içerisinde su mevcuttur. Süt  burada ısıtılır. İnkübasyon sıcaklığına soğutulur ve herhangi bir bulaşma olmadan aşılanır.

·         Tüm aşamalarda bulaşmayı önlicek şekilde klorlu su engeli geliştirilmiştir.

·         İnkübasyon sırasında hava kontaminasyonunu önleyecekcek şekilde sistem vardır.

Alpha- Laval Sistemi

İnkübasyon tankının her bir yüzünde hidrofobik kağıtlı özel filtreler bulunur. Filtre ünitesinin tamamı koruyucu bir kasa ile kaplıdır. Sütün ısıtılması sırasında filtreden hava çıkar. Soğutulması sırasında içeriye sterilize edilmiş hava girer. Özel olarak viskübatöre bağlanabiliyor. Böylece hazırlanan ara kültür aseptik bir şekilde tanka gelir.

1)      İşletmeye alınan sıvı, normal liyofilize veya dondurulmuş kültürlerden önce ana stok hazırlanır. Ana stoktan ara stok ve ara stoktan işletme kültürü hazırlanır.

2)      Konsantre liyofilize yada konsantre dondurulmuş ürünler kullanılarakdoğrudan işletme kültürü hazırlanır.

Bakteriyofaj içermeyen saf aktif kültürlerin çoğaltılması temel amaçtır.

A-    Duraklama Dönemi (lag fazı) : Bu dönem de bakteriler ortama adapte olur. Yavaş aktivite gösterirler. Bakteri hücreleri gerekli olan enzimlerin yapılmasını sağlayacak olan RNA’yı meydana getiriler.

B-   Logaritmik Dönem (log faz): Hücrelerin düzenli bir şekilde bölünmeye başladığı ve çoğalmaya başladığı dönemdir. Hücreler bu dönemde maksimum aktivite gösterir.

C-    Sabit Dönem: Besin maddeleri azalır. Süt asidi gibi metabolizma artıklarının miktarı artar. Yaşlı hücre sayısı artar. Yani bu dönemde hücre çoğalması ile ölümü arasında bir denge vardır.

D-    Azalma veya Ölme Dönemi: Ölü mikroorganizma sayısı canlı mikroorganizma sayısından fazla olur. Gelişme koşulları kötüleşir. Canlı hücre sayısı azalır.

1)      Pıhtı oluşumundan itibaren peynirlerde asitliği arttırmak

2)      Peynir suyu çıkışını ( sinerez) hızlandırmak

3)      Salamurada tuz alımını azaltmak

4)      Peynir suyuna kaçan yağ ve protein miktarını azaltmak

5)      Peynirde zararlı mikroorganizmaların gelişmesini önlemek

6)      Olgunlaştırma sırasında tat ve aroma meydana getirmek

7)      Peynirde olgunlaşmayı hızlandırmak

v  Tereyağı üretimde saf kültür kullanmanın yararları

      Tereyağ tatlı ve asit (ekşi) krema olmak üzere 2 şekilde üretilebilir. Tereyağ kültürü ile krema olgunlaştırılır ve öylece yayıklanarak tereyağına işlenir. Starter kültürdeki bakteriler tereyağının karakteristik aroma maddesi diasetili asetoini ve aroma bileşenleriyle laktik asiti oluşturmaktadır. İkinci önemli yarar ise; tereyağına dayanıklılık kazandırmaktır. Buda bakterilerin oluşturduğu laktik asitin istenmeyen mikroorganizmaların gelişme ve çoğalmasını inhibe etmesiyle mümkündür.

v  Yoğurt üretiminde saf kültür kullanmanın yararları (S. thermophilus ve L. bulgaricus)

·         Saf kültür kullanılarak elde edilen yoğurtlar birkaç hafta muhafaza edilebilir, asitlikte önemli bir değişme olmadığı için.

Yine diğer ürünlerde olduğu gibi yoğurtta da ürüne özgü tat ve aroma ile yapı oluşmasını sağlar.

Kültürlerin temel işlevleri şu şekilde işlenebilir;

1)      Laktik Asit (süt asidi) Üretimi

Süt endüstrisinde kullanılan saf kültür mikroorganizmaların büyük çoğunluğunu süt asidi bakterileri oluşturur. Hemen hemen tüm fermente süt ürünlerindeki kültürlerde süt asidi bakterileri bulunmaktadır. Bu bakterilerin en önemli özelliği çıkardıkları laktaz (β –galaktozidaz) enzimi ile süt şekerini parçalayıp süt asidi oluşturmalarıdır. Saf kültürde yer alan laktik asit bakterileri laktozu fermente edebilmelerine göre homofermentatif ve heterofermentatif olmak üzere 2 grupta toplanır. Genel olarak homofermentatif laktik asit bakterileri %99 oranında laktik asit, %1 oranında diğer maddeleri meydana getirir. Heterofermentatif laktik asit bakterileri ise, %70 oranında laktik asit %30 oranında  CO₂, C₂H₅OH (etanol) ve CH₃COOH (asetik asit) meydana getirir. Laktozun fermentasyonuyla oluşan laktik asit, yoğurt ve diğer fermente süt ürünlerinin oluşumu için gerekli. Süt, saf kültürlerde yer alan bakterilerin oluşturduğu süt asidi sayesinde yoğurt haline gelir.

Süt asidinin ışığı sağa veya sola çevirme durumlarına göre 3 tipi bulunmaktadır.

• Işığı sağa çevirenler;  L(+) laktik asit fermentasyonu
• Işığı sola çevirenler;   D(-) laktik asit fermentasyonu
• Işığı sağa veya sola çevirme açısından inaktif olanlar;DL laktik asit fermentasyonu

L(+) laktaz insan vücudunda çok çabuk parçalanıp yok olduğundan beslenme yönünden büyük öneme sahiptir. Oysa D(-) laktaz yetrsiz ve yavaş şekilde parçalanmaktadır. Özellikle bebeklerin ve küçük çocukların gıdalarında D(-) süt asidi bulunması istenmez. 

2)      Etil Alkol Üretimi

Kefir, kımız ve diğer fermente süt ürünlerinde bulunan çok az veya iz halindeki etil alkol, Saccharomyces kefir ve  Kluyveromyces lactis gibi mayalar tarafından süt şekerinden (laktoz) oluşturulur. Etil alkol bu tip ürünlerin doğal bileşenidir. Ama çok az miktarda laktozun etil alkole fermentasyonu diğer şekerler kadar kolay olmamaktadır. Mayalar laktozu önce monosakkaritleri olan glikoz ve galaktoza parçalar ve 1 molekül glikoz veya galaktozdan 2 molekül etil alkol ve CO₂ meydana getirir

3)   Proteoliz

Proteoliz, mikroorganizmaların çıkardıkları proteolizik enzimlerle proteinlerin parçalanmasıdır. Kültürlerde yer alan suşların en önemli görevlerinden biri proteoliz olaynı gerçekleştirmeleridir. Bazı mikroorganizmaların gelişmeleri için ortamda serbest aminoasit ve peptidler gibi doğrudan doğruya özümlenebilecek azotlu madde bulunması gerekir. Bunlar salgıladıkları proteaz enzimleri ile kazeini peptidlere kadar parçalar. Oluşan peptidler hücre içine alınarak yine peptidaz enzimleri ile bileşenleri olan aminoasitlere hidrolize olur. Proteoliz, peynir olgunlaşması için olması gereken en önemli olaydır. Bu fermentasyon mikroorganizmaların salgıladıkları enzimler (ektoenzimler) yanında mikroorganizma içerisinde olup dışarıya çıkabilen enzimler (endoenzimler) ve çok az pıhtılaştırıcı enzimler (kimozin gibi) yardımıyla proteinler aminoasitlere hatta amonyağa kadar parçalanabilirler ve peynirin karakteristik koku, yapı, tat ve aroması ortaya çıkar.

Lipoliz

 Lipolitik enzimlerin etkisiyle süt yağının yapı taşları olan gliserin ve yağ asitlerine parçalanmasıdır. Süt yağı % 97-98 ‘i olan trigliseridler lipolitik bir enzim olan lipaz enzimi vasıtasıyla gliserin ve yağ asitlerine parçalanırlar. Mikroorganizmaların hemen hemen hepsi lipaz enzimi oluşturmaktadır. Özellikle küf ve mayalar ile bakterilerdir. Genelde pek istenmeyen lipoliz olayı bazı peynirlerin olgunlaşması için gereklidir. Örneğin: Camambert, Roquefort, Gorgonzola gibi küflü peynirlerle küflerin oluşturduğu lipaz enzimiyle süt yağı lipolize uğramaktadır. Lipoliz sonunda ortaya çıkan maddeler bu peynirlerin özgün tad, koku ve aromasını oluşturur.

Patojen ve Diğer Zararlı Bakterilerin İnhibisyonu

Saf kültürlerde bulunan bazı mikroorganizmalar bu tip patojen ve zararlı bakterilerin faaliyetlerini inhibe ederek fermentasyonu arzulanan şekilde olmasını sağlar. Örneğin yoğurttaki patojenlerin 48 saat içerisinde veya olgun peynirlerde olgunlaşma sonuna doğru patojenlerin inhibisyonu böyle bir biyoteknolojik etki oluşturur.

Tat ve Aroma Oluşumu

Saf kültürlerde bulunan mikroorganizmaların önemli görevi süt ürünlerinin istenen tat ve aromalarını oluşturmalarıdır. Örneğin tereyağı kültüründe yer alan Streptococcus diacetilactis ve Leuconostoc  bakterileri laktozu fermente ederek süt asidi yanında tereyağının karakteristik aroma maddesi diasetili oluştururlar. Süt ürünlerinde diasetil, ortamda bulunan sitratın metabolizması sonucu oluşmaktadır. Örneğin yoğurtta yoğurt bakterilerinin oluşturduğu asetaldehit, süt asidi bakterilerinin birçoğu tarafından sütte ve diğer besi ortamlarında küçük miktarlarda oluşturulmaktadır.

Asetaldehit, karbonhidrat metabolizması sonucunda pirüvatın doğrudan dekarboksilasyonu veya asetata dönüşümünden sonra veya aminoasitlerin katabolizması yoluyla meydana gelmektedir. Yoğurtta istenilen bir madde olan asetaldehit bazı peynirlerde bozukluklara neden olabilmektedir.

Bakteriyofajların engellenmesinde alınacak önlemler;

Ø  İki veya daha fazla suş içeren starter kültürlerin seçimi

Ø  Rotasyon şeklinde aynı suşları içeren starter kültürlerin farklı çeşitlere göre girmesi

Ø  Steril çalışmak ve dezenfeksiyon önlemlerinin alınması

Ø  Yüksek sıcaklıklarda uygun tutma sürelerine mevcut fajların in aktivasyonu. Örneğin, 92°C’de 10dk kültür sütünün pastörizasyonu faj inaktivasyonunu sağlayabilmektedir. Çünkü bakteriyofajların sıcaklığa dayanıklığı oldukça yüksektir. Klasik 73°C 10sn pastörizasyon yöntemi bakteriyofaj için yeterli olmayabilir. Sütte bulunan streptokok bakteriyofajların inaktivasyonu için daha yüksek sıcaklığa çıkılması gerekir. Genellikle süt mikrobiyolojisindeki fajların çoğalabilmeleri 8-46°C ve 6,8-7,4 pH koşulları gerekmektedir.

Süt ürünlerindeki starter kültürler

Süt ürünlerinin üretiminde yüksek miktarda kullanılan mikroorganizmalar bakteriler, mayalar ve küf mantarlarıdır. Bunlar saf veya karışık kültür olarak kullanılırlar.

Süt ürünlerinde starter kültür olarak kullanılan mikroorganizmalar;

1.         Fermente süt ürünleri

Lactococcus lactis spp. cremoris,

Lactococcus lactis spp. lactis,

Lactococcus lactis spp. lactis var diacetylactis,

Leuconostoc mesenteroides spp. cremoris,

Leuconostoc mesenteroides spp. dextranicum,

Streptococcus thermophilus,

Lactobacillus acidophilus,

Bifidobacterium bifidum

2.         Yoğurt:

Streptococcus thermophilus,

Lactobacillus delbrueckii spp. bulgaricus,

Lactobacillus helveticus

3.         Kefir:

Lactococcus lactis spp. cremoris,

Lactococcus lactis spp. lactis,

Lactococcus lactis spp. lactis var diacetylactis,

Leuconostoc mesenteroides spp. dextranicum,

Leuconostoc paramesenteroides,

Leuconostoc mesenteroides spp. cremoris,

Lactobacillus kefir,

Lactobacillus acidophilus,

Kluyveromyces marxianus var.lactis (synonym: Candida kefir,

Saccharomyces unisporus

4.         Peynir:

Lactobacillus helveticus,

Lactobacillus delbrueckii spp. lactis,

Lactobacillus delbrueckii spp. bulgaricus,

Lactobacillus casei spp. casei,

Brevibacterium linens,

Geotrichum candidum,

Propionibacterium petersonii,

Penicillium roqueforti,

Penicillium caseicolum (synonym: P. Candidum)

Besi Ortamı; Starter kültür üretiminde süt teknolojisinde çoğunlukla yağsız sütten yararlanılır. Ancak bu sütün kesinlikle inhibitör maddeler içermemelidir. Bunun için test edilmelidir. Pastörize yağsız süt iyice yıkanmış ve steril hale getirilmiş aparatlarla 95-98°C’de (15-30 dk) ısıtılamalıdır.Ardından bakterinin inkübasyon sıcaklığına soğutulmalı bakteri enjekte edilmeli inkübe edilmeli ve inkübasyon sonunda optimum pH değerine soğutulmalıdır.

        Ana,ara,işletme kültürlerinin üretiminde Starter kültür firmaları kültürlere özgü özel besi ortamları geliştirmişlerdir.Bu besi ortamları genellikle inhibitör madde içermeyen yağsız süt tozu, tatlı peyniraltı suyu tozu, laktoz tozundan meydana gelebilir. Bunun dışında bu besi ortamları bilinen büyüme akvivatörlerini aminoasitler, pankreas ekstratları, dekstrin, ekstoz, vitaminler, farklı iz elementler gibi aktivatörleri içermektedir. Bu besi ortamları işletme kültürünün asitlenebilirlik yeteneğini sağlayabilmelidir. Bunun yanında besi ortamında aşırı asitlendirmeyi engellemek için buffer madde olarak tuz bileşiklerini de içermektedir. İyi bir asitlenme yoğunluğu bakteri aktivitesi elde edilmesinde katkıda bulunur. Fosfatların özel karışımının besi ortamına ilave edilmesiyle bakteri fajlardan da korunabilirler.

Simbiyotik kültürler

Bu tip kültürlerde nötralismus (karşılıklı etkilenmeden birlikte yaşayabilen), antogonismus (yaşam şeklinde değişim etkisi olmadan bir arada bulunan), bunların yanında mikroorganizmalar simbiyo olarakta bulunabilmektedir. Bu tek yönlü veya karşılıklı taleplerin olabildiği ortak bir yaşamdır. Örneğin, yoğurt kültüründe olduğu gibi her iki yoğurt bakterisi sorunsuz ve sırası ile bir arada fermentasyonu gerçekleştirirler. Bu fermentasyonda Lactobacillus delbrueckii spp. bulgaricus ve Streptococcus thermophilus için gerekli olan valin aminoasidini fermentasyon sırasında üretmektedir. Valin, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus için uygun, karınca asidi ve diğer metabolizma ürünlerini üretir.

                Bunların başında pratik olarak hızlı bir asitlendirme gelmektedir. Bakteri iyi bir asitlik gelişi gösterebilmektedir. Uzun bir gelişim fazında önemli bir risk yabancı kökenli bir bakterinin veya suşun kontaminasyonudur. Bu nedenle kültürlerin kültür hazırlanmasında gelişim fazlarının (Başlangıç-geçiş-isyoner(durağan) ) bilinmesi ve hedef noktadan sonra stabiliteye geçmesi gerekir.

ÇOĞALTMANIN AŞAMALARI

1. Kök Kültür; Genelde 8-10 gün arasında bir süreçte bu saf hücre özel laboratuarlarda elde edilmekte ve daha sonraki aşamalar için kök olmaktadır.
2. Ana Kültür; Bu işletme laboratuarlarında 100-150ml miktarında üretilmekte haftalık 1-3 kez kullanılmakta sonra ki ara kültür üretiminde enjekte edilmektedir. Ancak uygun koşullarda (derin dondurucu da) muhafaza edilmektedir.
3. Ara Kültür; Laboratuarlarda üretilen 1-30lt arasındaki miktarlarda üretilir ve sonra ki işletme kültüründe enjekte edilir.
4. İşletme Kültür;(Proses Kültürü, Bulk Kültürü) Doğrudan doğruya yoğurt sütü,peynir sütü vb. materyallere inoküle edilir.Kontominasyondan kaçınmak için mutlaka separe edilmiş (kültür odalarında) işletme kültürlerinin üretilmesi gerekir.

Biyokimyasal olarak kuvvetli bir etkiye sahip olan bu bakteri fermantasyon düzensizliklerine de neden olabilmektedir.

Çok hücreli kültürler; Daha fazla aynı türün alt türlerini içerirler. Örneğin; derişik Lactococcus lactis spp cremoris bunlar mikrobiyolojik olarak çok spatildirler. Genetik olarak uyum yeteneği gösterirler.

Karışık kültürler; Çeşitli bakteri cins ve sujlarını bir arada bulunduran kültürlerdir. Örneğin;        

               Streptococcus thermophilus –Yoğurt

               Lactobacillus delbrueckii spp bulgaricus –Yoğurt

               Streptococcus thermophilus –Emmental kültür

               Lactobacillus helveticus–Emmental kültür

               Lactococcus lactis spp. lactis –Tereyağı, yayık altı kültürü

               Lactococcus lactis spp. lactis var. diacetylactis –Tereyağı, yayık altı kültürü

               Lactococcus lactis spp. cremoris  –Tereyağı, yayık altı kültürü

               Leuconostoc mesenteroides ssp. Cremoris

Kültür çoğaltma aşamaları; Bakteri kültürlerinin optimum bir verimliliğini elde edebilmek için her bakteri suşuna ait gelişme kurvesinin iyi bilinmesi gerekir.

                Bunların başında pratik olarak hızlı bir asitlendirme gelmektedir. Bakteri iyi bir asitlik gelişi gösterebilmektedir. Uzun bir gelişim fazında önemli bir risk yabancı kökenli bir bakterinin veya suşun kontaminasyonudur. Bu nedenle kültürlerin kültür hazırlanmasında gelişim fazlarının (Başlangıç-geçiş-isyoner(durağan) ) bilinmesi ve hedef noktadan sonra stabiliteye geçmesi gerekir.

Yapısı; Apoenzim + Koenzim(Vitamin)                                                                                                                                                    

             (Protein)+  Kofaktör(Mineral maddeler Mg+2,Cl-2) = HOLOENZİM

            (Büyük moleküllü)

              Basit enzim: Pepsin, tripsin, kimotripsin

Enzimlerin Çalışmasını Engelleyen Faktörler:

1. Sıcaklık
2. pH
3. Substrat miktarı
4. Reaksiyon süresi
5. Enzim miktarı
6. Koenzim varlığı
7. İnhibitör ve aktivatör varlığı

Enzim İnhibitörleri: Enzim aktivitesini inhibe edici maddelerdir.(Ağır metaller, bakır, civa, siyanür)

ENZİMLERİN SINIFLANDIRILMASI

1.       Oksiredüktazlar

2.       Transferazlar

3.       Hidrolazlar

4.       Lipazlar

5.       Ligazlar

6.       İzomerazlar

1)Oksiredüktazlar: Redoks tepkimelerini katabolize eder. Örneğin; peroksidaz, katalaz

2)Transferazlar: Hidrojen dışında atom gruplarının transferini gerçekleştirir. Örneğin;         -COOH,-NH2

3)Hidrolazlar: Bazı makro moleküllerin bağlarını çözer. Örneğin; Reaksiyona su sokarak işlem yapılır.

4)Liyazlar: Aminoasitlerin dekarboksilasyonuna neden olurlar (Karboksil grubu uzaklaştırılır.)

5)Ligazlar: Yeni bir ürün sentezler, birleştirici enzimlerdir.

6)İzomerazlar: Molekülde iç değişikliğe neden olur. Molekülün dizilişini değiştirir.(izomer form oluşturur.)

ENZİM KAYNAKLARI

1.       Bitki: Proteoz, amiloz, lipoksigenoz

2.       Hayvan: Rennin, pankreaktik tripsin, Lipazlar

3.       Mikroorganizma

Bitki ve Hayvanlardan Elde Edilen Enzimlerin Özellikleri;

1.       Mevsimlere göre değişiklik gösterirler,

2.       Düşük konsantrasyonlarda bulunurlar,

3.       Enzimin hazırlanması pahalıdır ve sınırlıdır.

Mikrobiyel Enzimler;

1.       Enzimler mikroorganizmalardan izole edilir.

2.       Saflaştırılır.

3.       Daha sonra kullanılır.

Mikrobiyel Enzimin Avantajları;

1.       Kullanımının kolay olması

2.       Aktivite ve özgül özelliklerinin yüksek

Enzim üretimi için seçilecek mikroorganizmaların özellikleri;

1. Sürekli olmalı (devamlı)
2. Stabil olmalı (kararlı)
3. Ucuz besi ortamlarında üreyebilmeli
4. Toksik madde oluşturmamalıdır
5. Aktivite göstermemelidir

Bazı Mikrobiyel Enzimlerin Kaynakları ve Kullanım Alanları

Mikrobiyel Enzimlerin Verimini Artırmak İçin Kullanılan Faktörler

1. Mutasyon veya rekombinant DNA teknolojisi (genetik yapı değişimi )
2. Organizmanın gelişme şartlarının iyileştirilmesi

Enzim Üretiminin Kontrolü

1. İndüksiyon; Reaksiyona katılan bir enzimin üretim miktarını veya hızının artırılmasına indüklenebilen enzim denir.
2. Represyon; Reaksiyona katılan bir enzimin üretiminin yavaşlamasıdır. İkiye ayrılır

a)      Katabolik Represyon; E.coli gelişen besi ortamında önce sorbitonun parçaladıktan sonra glikozu parçalar. Buda represyon olarak kullanılır.

Önlemek için ;  Represyona daha dayanıklı mutant kullanılması,baskılayıcı karbon kaynakların kullanılması.

b)      Son Ürün Represyonu; Metabolizmanın son ürünleri metabolizmalarla ilgili olan enzimlerin oluşumunu engeller. E.coli arjinin biyosentezini gerçekleştirir. Ortama arjinin konulduğu zaman reaksiyon yavaşlar.

Mikroorganizmaların, bir bileşiği yapısal yönde kendisine benzeyen başka bir bileşiğe dönüştürmeleri olayına biyo-dönüşüm denir

Biyo-dönüşüme en klasik örnek olarak etil alkolden asetik asit üretimi gösterilebilir.

Fermentasyonla üretilen bazı kimyasal maddeler;

Bazı biyodönüşüm reaksiyonları

            Fermantasyon işleminin yapıldığı makineler fermentör olarak tanımlanır. Fermantasyon ortamının sterilizasyonu termik, steril fermantasyon veya kimyasal olarak yapılabilir. Termik sterilizasyon en yaygın olarak kullanılan teknik olup 2 şekli vardır. Direkt ve indirekttir.

Direkte substrata doğrudan buhar verilir. İndirekte içinden buharın geçtiği serpantin borularından ısı transferiyle ve genelde 120°C civarında uygulanmaktadır. Sterilizasyon yöntemi ve tekniğinin seçilmesinde substratların suda çözünüp çözünmediğine önemli rol oynar. Mikroorganizma öldürülmesinde yabancı mikroorganizma aktivitesinin düşürüleceği dezenfeksiyon, pastörizasyon ve sterilizasyon gibi teknik uygulamalar kullanılır.

Fermantasyon teknikleri ve biyoreaktörler

            Enzimler veya hücreler tarafından katalizlenen biyokimyasal reaksiyonların gerçekleştiği reaktörle klasik kimyasal reaksiyonlar gerçekleştiği reaktörler arasında reaktörle verimini etki eden parametreler açısından önemli farklılık vardır.

            Biyoreaktör hücre çoğalması ve büyümesi keza metobolik üretimini garantileyecek ph, oksijen, tuz substrat temini gibi koşullara sahip olmalıdır. Biyoreaktör; içinde kontrollü yöntemlerle organizma veya ürün üretimi için organizmaların geliştirdiği veya bazı özel durumlarda özgül reaksiyonların yapıldığı tanklardır.

Sağlık ilaç ve sanayi alanındaki tartışmalar tarımsal alandaki kadar çok fazla değildir. Dünyada ciddi anlamda açlık sorunu çekilebilmekte ve gelişmemiş ülkelerde ciddi bir sorun bilinmektedir. Gelişmemiş ülkelerde özellikle Afrika ve Güney Doğu Asya ülkelerinde evrensel bir sorundur. Bu biyoteknolojik tarımsal faaliyetlerin önemli bir gerekçesi olmaktadır. Bu bağlamda genetiği değiştirilmiş organizmaların tarımsal üretimde kullanılmasının yararları ve riskleri tartışmaya götürmektedir.Örneğin; yararları arasında pestisit kullanımının azalmasının toprak ve suyun korunması, kirli toprakların temizlenmesi ürün kalitesinin artırılması verimliliğin artırılması olarak sıralanabilir.Yine ürün kalitesinin ve besin değerinin artmasıda önemli yararlarındandır.

Bitkilerin kalitesini ve besin içeriğini artırmak genetiği değiştirmiş gıdaların insan sağlığına en önemli katkısı olacaktır. Örneğin; biyoteknolojik çalışmalarla elde edilen A vitamini ve demir içeriği yüksek çeltik çeşidinin (altın çeltik) pirince dayalı beslenmede ortaya çıkan bozukluğun giderilmesinde kullanılabileceği ön görülmüştür.

Tarımsal biyoteknolojinin bir diğer uygulama alanı ise gıda enzimlerinin üretilmesidir. Bu uygulamayla %60 daha sert peynir yapımını sağlayacak peynir maya üretimine çalışılmıştır. Sebze ve meyvelerde raf ömrünün uzatılması özellikle domateste başarılı olmuştur. Bu alandaki benzer çalışmalar ise hala çeşitli meyvelerde sürdürülmektedir.

Tarımsal biyoteknolojinin zararlı olduğunu savunanlar ekolojik etkilerinden, insan ve hayvan sağlığına etkilerinden ve sosyo ekonomik yapıya etkileri açısından zararlarını dile getirmektedirler. Özellikle transgenik bitkilerin insan ve hayvan sağlığı açısından taşıdığı riskler; alerji, toksisite, kanser, besin kalitesinde bozulma, yatay gen geçişi ve çalışmayan genlerin çalışmaya başlaması şeklinde sıralanmaktadır.

Biyoteknoloji uygulamaları asıl olarak, J.Watson ve F.Crick isimli araştırıcıların canlılardaki karakterlerin dölden döle aktarılmasında rol oynayan DNA molekülünün yapısını belirlemeleriyle hayata geçmiştir. Bu molekülün yapısındaki değişmelerle canlılardaki karakterlerin farklılaştığının anlaşılması, istenilen özellikte bitki ve hayvan elde edilmesini planlayan gen mühendisliği bilim dalının doğmasına neden olmuştur.

Biyoteknolojik uygulamalarla daha bol, ucuz, kaliteli, güvenli ve besleyici özelliği yüksek gıda maddeleri bugün olduğu gibi gelecekte de elde edilebilecektir. Biyoteknolojinin ortaya çıkmasındaki en önemli  faktör, hücrenin yapısı ve kimyasal, fiziksel vb. sinyallere tepki verme biçimleri hakkında artan bilgi birikimleridir.

Sağlıklı bir ürünün iyi ve kaliteli ham maddelerle elde edileceği düşünülürse, tarımda biyoteknolojik yöntemlerle yetiştirilen sıcağa, soğuğa, kuraklığa ve fazla tuza dayanıklı bitkisel ürünlerin hem üretim kaybı en aza indirilecek hem de tüketicinin istediğine dönük gıdanın elde edilmesi sağlanacaktır. Söz gelişi Dünya nüfusunun çoğunun temel gıda maddesi olarak kullandığı patatesin protein oranının artması yapay bir DNA parçası aktararak sağlanmıştır, yine benzer uygulamalarla hastalık ve zararlılara dayanıklı patates bitkisi elde edilmiştir.

Günümüzde kuş gribi, deli dana hastalıkları gibi hastalıklar nedeniyle  tonlarca hayvansal gıdalar çöpe gitmiştir. Biyoteknolojik yöntemlerle geliştirilen tedavi edici yöntemler bu hastalıkların önüne geçmiştir. Bir başka örnekte; embriyosuna gelişmeyi artırıcı genin aktarıldığı sazan balıklarının ağırlıkları atalarına göre % 30 artmıştır.

Yakıt alkol üretimi için şeker kamışı ve mısır gibi bitkilerin devreye sokulması, biyogazların üretilmesiyle petrol kaybının engellenmesi mikroorganizma vasıtasıyla  gerçekleşmektedir. Ancak biyoteknolojik uygulamalar ve genetik mühendisliği sakıncalı ve tehlikeli amaçlar için kullanılmamalıdır.

Türkiye’de biyoteknoloji ve genetik mühendisliği son 15-20 yıl içerisinde oldukça aktüel bir hale gelmiştir. Türkiye biyoçeşitlilik açısından dünyada ender ülkelerden biridir. Ancak buna rağmen doğal veya kültüre alınmış canlı türlerinin genetik özelliklerinin araştırılması şöyle dursun tam bir envanteri ve dağılım haritası yapılmış değildir. Tarımsal biyoteknolojinin ham maddesi biyo ise ürünü de teknoloji olarak tanımlanır.

Çiftçilerin önemli sorunlarından birisi ürünlerine yüksek oranda zarar veren bitkilerle mücadelesidir. Bunun için en uygun kullanım tarımsal ilaçtır. Bu ilaçların uzun süreli kullanımı ise çevre kirliliği, insan sağlığını tehdit ve böceklerde direnç kazanma gibi sorunlara yol açmaktadır. Bu nedenle doğal yolla mücadele yöntemleri günümüzde öz plana çıkmaktadır. Örneğin; Bir bakteri türünden elde edilen toksin 48 saat içinde kelebek larvalarında ölüme neden olmaktadır toksini oluşturan gen bakteri plazmidine sokularak bu bakteri kanalıyla dirençli domates, tütün ve pamuk gibi transgenik bitkiler elde edilmektedir.

Çiftçiler için ikinci büyük sorun ise yabani otlardır ve onlarla mücadele herbisitlerle sağlanmaktadır. Genellikle kimyasal bu ilaçlar akrabalık ilişkilerinden dolayı ürünüde yok etmekte milyarlarca liralık zarara neden olmaktadır. Herbisitler, bakteri orijinlidir. Otlarda metabololik veya fizyolojik reaksiyonları engelleyici enzimler, proteinler vb. maddeler vardır. Dolayısıyla bu maddeleri sentezleyen genlerin bitkilere aktarılmasıyla bitkiler 4-5 kat dirençli hale getirilebilmektedir. Örneğin; Avustralyalı araştırıcılar yoncaya aminoasit sentezine yardımcı olan bir gen aktarılarak bitkinin protein değerini yükseltme yoluna gitmiştir. Böylece yem bitkisi olan yonca Avustralya koyunları için zenginleştirilmiştir.

Gen mühendisliği ile bazı transgenik böcekler, yuvarlak solucanlar, omurgalı hayvanlar başarıyla üretilmiştir. Örneğin; bir grup araştırıcı alabalıktan aldıkları büyüme hormonu genini sazan balığına aktarmıştır ve çok hızlı büyüyen ve normalden daha büyük balık elde etmişlerdir.

              İlaç ve sağlık alanında kullanımı

              Yukarıda ifade edildiği gibi ilaç sanayinde rekombinant DNA teknolojisiyle antibiyotiklerin, aşıların, enzimlerin büyük miktarda üretileceği yeni yöntemler geliştirilmiştir. Biyoteknolojinin ilaç ve sağlık alanında kullanımı seksenli yıllarda hızlanan insan genlerinin haritasının çıkarılmasına ilişkin çalışmalara paralel olarak yoğunlaşmıştır. İki binli yıllardan sonra  gelişen teknolojiler aracılığıyla genlerdeki mutasyonların kanser, kalp hastalıkları vb. gibi çeşitli genetik hastalıkların tedavisinde kullanılması olanaklı olabilir. Biyoteknolojinin bir diğer sağlık alanındaki kullanımlarından biri de klinik uygulamalardır. Örneğin; hepatit B aşısı geliştirilmiştir son yıllarda da rekombinant DNA tekniklerinin kullanılması ile HIV aşısının geliştirilmesi yönünde adımlar atılmaktadır.

              Enerji ve askeri alanlarda kullanım

              Dünyada enerji kaynaklarının gittikçe azalması ve enerji sıkıntısı nedeniyle biyoteknolojinin yeni yakıt görevi görebilecek madde üretiminde kullanılmasının yanı sıra biyolojik silahlarla birlikte askeri alandaki ileri teknolojik gelişmelerde kullanımı yönünde gelişmeler kaydedilmektedir. Ancak sonuçları net olarak bilinmediğinden biyoteknolojinin bu alandaki kullanımı da diğer alandaki kullanımı gibi insanları hem heyecanlandırmakta hem de kaygılandırmaktadır.

             Tarım ve hayvancılık alanında kullanımı

             Bitkisel üretimde biyoteknoloji bitki ıslahı çalışmalarıyla başlamıştır. Bitki ıslahının başlangıcı insanlık tarihi kadar eskidir. İnsanların göçebe yaşamından yerleşik döneme geçilmesiyle bitkisel üretim başlamış ve tarımın gelişmesiyle yüksek verimli bitki türleri ekilmiş ve ıslah edilmişlerdir. Ancak Dünya nüfusunun artması ve diğer taraftan ekili alanların  azalması gibi nedenlerle ıslah çalışmaları daha bir biyoteknoloji çatısı altında toplanmıştır. Buna bağlı olarak son 50 yılda ciddi bir tarımsal verim artışı gerek bitkisel üretimde gerekse hayvansal üretimde sağlanmıştır. 

            Gıda sanayinde ve diğer sanayi alanında kullanımı       

            Biyoteknolojinin gıda sanayinde kullanımı biraz daha sınırlı amaçlar çerçevesinde olmaktadır. Ağırlıkla raf ömrü uzun, besleyici değeri daha yüksek olan ve daha ucuz gıda ürünlerine duyulan gereksinim biyoteknolojinin gıda sektöründeki kullanımını daha da artırır.

             Gıda dışında biyoteknolojinin önemli kullanım alanlarından biri  de;  Türkiye’de önemli bir sektör olan tekstil sektörüdür. Bu alanda dokuma sırasında kumaşın zarar görmesini engelleyici enzimlerden yararlanılmaktadır. Bu enzimlerin kullanımı geleneksel üretime göre daha çevreci, daha temiz, güvenilir ve ekonomik olarak değerlendirilmektedir.

Biyoteknolojik uygulamalar arasında aşağıda yazılı olanlar ilk sıralarda yer almaktadır;

1. İnsan sağlığına yönelik olarak proteinlerin üretilmesi
2. Bazı hormon, antikor, vitamin, antibiyotik üretilmesi
3. Çok zor şartlara sahip çevrelerde (sıcaklık, kuraklık, tuzluluk vb.) yaşayan organizmaların enzimlerini ve biyomoleküllerinin saflaştırılarak bunların sanayide kullanılması
4. Yeni sebze, meyve üretimi
5. İnsanlardaki zararlı genlerin elemine edilmesi
6. Aşı, pestisit, tıbbi bitki üretimi

Önceleri birkaç araştırmayla başlayan biyoteknoloji bugün artık sektör olmuş durumdadır. Başlangıçta kalıtsal materyalin rastgele değişimlerinin arasında amaca uygun olanlar deneme yanılma yoluyla seçilmektedir. Ellili yıllarda DNA’nın keşfi ve işlevi aydınlanınca biyoteknolojik uygulama amaca dönük yapılmaya başlamıştır. Seksenlerde ise DNA’daki baz sırasının bir kısmını değiştirmek, bir kısım bazları çıkarmak veya DNA’ya yeni bir baz dizilimi eklemek yeni değişen teknikler sayesinde olmuştur. Örneğin DNA’daki genlerin nerede olduğunun saptanması insana nasıl bir yarar sağlar ? Gen diziliminin bilinmesiyle çeşitli kalıtsal hastalıklara neden olan bir takım genler bu sayede DNA’dan çıkarılır ve yeni neslin daha sağlıklı olması sağlanır. Bir diğer örnekte; doğum öncesi ve sonrası oluşabilecek başka hastalıklara neden olan genler zararsız hale getirilebilir veya söz gelimi zeka üzerine etki eden genler iyileştirilirse Einstein gibi üstün zekaya sahip bilim insanlarının ortaya çıkışı sağlanabilir.

Şu ana kadar verilen örnekler iyimserdir. Ancak benzer bilimsel çalışmalarda kötümser şekilde mutant canlılar da meydana gelebilir. Örneğin daha uzun boylu insanlar, daha saldırgan insanlar, dev fareler, zararlı büyük böcekler, zararlı kalıtsal hastalıklar görülebilir.

Biyoteknoloji kavramı ilk kez 1919 yılında Ereky tarafından bulunmuştur. Tarihsel gelişime baktığımız zaman; birinci dönemdeki geleneksel biyoteknoloji 1919-1930’lu yılları kapsamaktadır ve bu dönemde biyolojik sistemler herhangi bir değişime tabi tutulmadan ekmek, peynir, yoğurt, alkol gibi maddelerin üretimi sağlanmıştır. 1940-1973 yılları arası ikinci dönem olarak ifade edilen bir ara dönemdir. Bu ara dönemde genomlarda önemli bir değişiklik yapılmadan biyolojik sistemler endüstride kullanılmıştır. Yani antibiyotik, enzim, protein gibi benzeri maddelerin üretimi geliştirilmiştir. Yetmişli yıllardan itibaren ise üçüncü dönem ise modern biyoteknoloji dönemidir  ki, gelişmiş ve modern tekniklerin biyolojik sistemlerde uygulanmasına ilişkin çalışmaları kapsayan dönemdir.

Biraz geniş tanımıyla biyoteknoloji; biyokimya, fizyoloji, mikrobiyoloji, genetik, moleküler biyoloji, hücre ve doku biyolojisi kültürü gibi doğa bilimlerinin yanında, mühendislik ve bilgisayar mühendisliğinden yararlanarak DNA teknolojisiyle mikroorganizma, bitki ve hayvan geliştirmek, doğal olarak var olmayan veya ihtiyacımız kadar üretilemeyen yani az bulunan maddeleri elde etmek amacıyla kullanılan teknolojilerin tümüdür.

Biyoteknoloji, temel bilim buluşlarını kısa sürede yararlı ticari ürünlere dönüştürebilmesiyle bir anlamda kendi talebini de yaratabilmektedir. Bu yönüyle biyoteknoloji diğer teknolojilerden ayrılır. Örneğin; sıcak su kaynaklarında yaşayan bakteriden elde edilen yüksek sıcaklığa dayanıklı bir enzim, günümüzde temel ve uygulamalı biyoteknolojik çalışmaların ayrılmaz bir parçası olan PCR (Polimeraze Chain Reaction: Polimeraz Zincir Reaksiyonu)’nin önemli bir girdisidir.        

Daha geniş tanımıyla biyoteknoloji; yukarıda anılan birçok temel mühendislik bilim dallarından yararlanarak Rekombinant DNA teknolojisiyle mikroorganizma, bitki ve hayvan geliştirmek ve biyolojik ürünleri elde etmek için kullanılan bilim konularının tümüdür. Diğer bir değişle biyoteknoloji birçok bilimsel disiplinle karşılıklı ilişkiler içinde gelişir.