KONVEKTİF, MİKRODALGA VE GÜNEŞTE KURUTMA PROSESLERİ İLE KIZILCIK (Cornus mas L.) MEYVESİNİN KURUMA KİNETİĞİNİN İNCELENMESİ VE MATEMATİK MODELLENMESİ

Transkript

1 KONVEKTİF, MİKRODALGA VE GÜNEŞTE KURUTMA PROSESLERİ İLE KIZILCIK (Cornus mas L.) MEYVESİNİN KURUMA KİNETİĞİNİN İNCELENMESİ VE MATEMATİK MODELLENMESİ Bilgehan POLATOĞLU a, * Ayşe Vildan BEŞE b a * Atatürk Üniversitesi Hınıs Meslek Yüksekolulu, 25600, Erzurum, bilgehanpolatoglu@atauni.edu.tr b Atatürk ÜniversitesiMühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü, 25240, Erzurum, ÖZET Bu çalışmada, önemli askorbik asit (C vitamini) kaynağı olan, ilaç ve gıda endüstrisi ile insan beslenmesi ve sağlığı açılarından üstün nitelikli kızılcık (Cornus mas L.) meyvesinin, kalite özelliklerini en az kaybedecek şekilde muhafaza edilebilmesi için en uygun koşulun tespiti amacıyla farklı kurutma prosesleri ile kurutulması işlemleri gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla kızılcığın, konvektif tip kurutucuda; 50, 60 ve 70⁰C hava sıcaklıklarında ve 0,4 0,7 ve 1m/s hava hızlarında, mikrodalga kurutucuda 90 W gücünde ve güneşte doğal kurutma proseleri süresince kuruma davranışı incelenmiştir. Ağırlık azalmaları, zamana bağlı olarak belirlenmiştir. Kurutulma işlemleri sırasında önemli bazı parametrelerinin (hava sıcaklığı ve hava hızı) kurutmaya etkisi de tespit edilmiştir. En etkin kuruma 117 dakika ile mikrodalga kurutma ile elde edilmiştir. Bunu sırası ile konvektif kurutucuda; 70⁰C de 1 m/s (26 saat), 70⁰C de 0,7 m/s (31 saat), 70⁰C de 0,4 m/s (35 saat), 60⁰C de 1 m/s (45 saat), 60⁰C de 0,7 m/s (50 saat), 60⁰C de 0,4 m/s (55 saat), 50⁰C de 1 m/s (63 saat), 50⁰C de 0,7 m/s (74 saat), 50⁰C de 0,4 m/s (83 saat) takip etmiştir. En uzun kuruma periyodu ise 17 gün ile güneşte kurutmada gözlemlenmiştir. Konvektif, mikrodalga ve güneşte kurutma prosesleri sonucu elde edilen deneysel veriler, kuruma kinetiğini ifade etmek için literatürde bulunan 12 farklı matematiksel model ile modellenmiştir. Matematiksel modellere ait istatistikî bulgulardan en yüksek R 2, en düşük χ2, RSS ve SEE değerleri dikkate alınarak; konvektif tip kurutucuda kızılcığın kurutulmasını tanımlayan en uygun modelin Modifiye Henderson ve Pabis, mikrodalga kurutucuda Logaritmik ve güneşte kurutmada ise Difüzyon Yaklaşımı olduğu belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Konvektif kurutma, Matematik modelleme, Mikrodalga, Kızılcık, Gıda kalitesi 1. GİRİŞ Günümüzde bağışıklık sistemini güçlendirerek çağdaş tıp tedavilerine bir nevi destek görevi gören ve alternatif tıp olarak adlandırılan tedavi revaçtadır. Sentetik ilaçların yan etkileri, bitkisel ilaç üretimini gerekli kılmaktadır. Fitoterapide doğal bir antioksidan olan kızılcık meyvesinin yeri önemlidir. Etiyolojiye bakıldığında insanları, bütün hastalıklardan koruyabilecek olan bağışıklık sisteminin (immün sistem) büyük bir öneme haiz olduğu anlaşılmaktadır. İmmün sistem, vücudu koruyan ve sağlığı iyileştiren bir yapıdır ve çağımızın olumsuz koşullarının sebep olduğu stres, hareketsizlik, malnütrisyon (kötü beslenme), yoğun iş temposu, enfektif ve ruhi hastalıklar, kirli hava, radyasyon gibi birçok faktör nedeniyle gücünü kaybetmektedir. Kızılcık meyvesinin; ilaç ve gıda endüstrileri ile insan beslenmesi ve sağlığı alanlarında bozulmadan saklanabilmesi için bünyesindeki suyun belli bir düzeye kadar uzaklaştırılması gerekmektedir. Gıdaların kurutulması, gıda maddelerinden nemin uzaklaştırılması olarak tanımlanmaktadır [1]. Bu amaçla pek çok farklı kurutma sistemleri bulunmaktadır. Meyvelerin işlenmesinde kurutma önemli aynı zamanda da kalite ve enerji ihtiyacı açısından hassas bir süreçtir [2]. Ülkemiz, kızılcık meyvesinin anavatanıdır ve bu meyve kanseri önleme, yaşlanmayı geciktirme, C vitaminini yüksek oranda içerme, doğal katkı

2 maddesi olarak pek çok ürüne işlenebilme, bitkisel ilaç kaynağı olma vasıflarıyla; sağlığımıza, ekonomimize ve gıda sanayimize pek çok katkı sağlayacağından, kızılcık üzerinde bilimsel çalışmaların yapılması gerekliliği aşikârdır. 2. DENEYSEL YÖNTEM Bu araştırmada materyal olarak, Yukarı Çoruh Vadisi nde yer alan Erzurum İli ne bağlı Tortum İlçesi nin Şenyurt Köyü nden Eylül 2011 de alınan kızılcık meyvesi kullanılmıştır. Meyve, kurutma analizleri tamamlanıncaya kadar polietilen torbalar içinde havası alınmış olarak önce şoklanmış ve daha sonra -18 C de derin dondurucuda (Arçelik 2536 A++D) muhafaza edilmiştir. Araştırmada kullanılan meyvelerin ortalama aynı boyut ve ağırlığa sahip olmaları hususunda hassasiyet gösterilmiştir. Konvektif tip kurutucu, hızı kontrol edebilen bir fan ve sıcaklığı kontrol edebilen bir ısıtıcıdan oluşmaktadır ve 20x20x220 cm boyutlarındadır. Kurutma işlemine başlanmadan önce havanın kuru ve yaş termometre sıcaklıkları okunmuş, kurutma havası hızı da tünel çıkışında dijital bir (HALT-08) anemometre yardımıyla kontrol edilmiştir. Sistem kararlı hale gelene kadar beklenmiştir. Meyveler, darası bilinen elek üzerine tek sıra halinde dizilmiştir. Birer saat ara ile materyal kurutucudan çıkartılıp, dijital terazi ile tartılarak ağırlık kayıpları belirlenmiştir. Cihazdan alınarak yapılan tartım işlemi çok kısa sürede gerçekleştirilmiştir. İki tartım arasındaki farkın en az olduğu noktada kurutma işlemi tamamlanmıştır. Araştırmada konvektif kurutma parametresi olarak; kurutma hava sıcaklığı ve kurutma hava hızı seçilmiştir. Konvektif tip bir kurutucuda kurutulmada; üç farklı sıcaklık (50, 60 ve 70⁰C) ve üç farklı hava hızı (0,4 0,7 ve 1m/s) kullanılmıştır. Ev tipi mikrodalga kurutucuda (Arçelik MD 554) ise denemeler neticesinde en uygun kurutma gücü olan 90 W gücü kullanılmış ve tartım işlemi bir dakika ara ile gerçekleştirilmiştir. Güneşte kurutma işlemi de havanın güneşli olduğu günler dâhilinde gerçekleştirilmiş olup, tüm kurutma düzenekleri Şekil 1 de gösterilmiştir. (a) (b) (c) Şekil 1. Konvektif (a), mikrodalga (b) ve güneşte kurutma (c) düzenekleri 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Kalite özelliklerini minimum kayıplarla koruyabilmesi amacıyla kurutulan (konvektif, mikrodalga ve güneşte kurutma) kızılcık meyvesinin kuruma davranışı incelenmiştir. Kuru madde tayini ile meyvenin nem içeriği; %75,40 olarak tespit edilmiştir. Ağırlık azalmaları, zamana bağlı olarak belirlenmiştir. Bu veriler doğrultusunda, hesaplanan nem içerikleri, boyutsuz nem içeriğine dönüştürülerek, farklı parametreler için zamana karşı grafik edilmiştir. MR= M t -M e /M 0 -M e (MR: Boyutsuz nem oranı, M t : Herhangi bir t anındaki nem içeriği g su/g kuru katı, M e : Denge anında nem içeriği g su/g kuru katı ve M 0 : Başlangıç anında yani t=0 da denge nem içeriği g su/g kuru katı) [3]. Kuruma kinetiğini ifade etmek için literatürde bulunan 12 farklı matematiksel model deneysel verilere uygulanmıştır. 2

3 3.1 Kurutma Havası Sıcaklığının Konvektif Kurutmaya Etkisi Kurutma havası sıcaklığının kurumaya etkisini incelemek amacıyla hava sıcaklıkları; 50, 60 ve 70ºC olarak seçilmiştir. Yapılan denemelerde 0,4-0,7 ve 1 m/s hava hızları için sıcaklığın kurumaya etkisi incelenmiştir. Şekil 2 de konvektif kurutucuda kurutulan kızılcık (Cornus mas L.) meyvesi için kurutma havası sıcaklığının kurumaya etkisi 0,4-0,7 ve 1 m/s m/s hava hızları için grafik edilmiştir. Kuruma eğrileri, boyutsuz nem içeriğine karşı kurutma süresi olarak grafik edilmiştir. Şekillerden de görüldüğü gibi kurutma havası sıcaklığı kuruma üzerinde oldukça etkilidir. Sıcaklığın artması, kuruma süresini kısaltmıştır. 0,4 m/s hava hızında yapılan denemelerde 50ºC de en uzun kurutma süresi gözlenmiştir. 50ºC de denge nemine yaklaşık 4980 dakikada ulaşılırken, 60ºC de 3300 dakikada, 70ºC de ise 2100 dakikada ulaşılmıştır. Şekil 2. Kurutma havası sıcaklığının kurumaya etkisi (V=0,4-0,7 ve 1 m/s) Hava hızı 0,7 m/s için yapılan kurutma deneylerinde; kurutma havası sıcaklığının etkisi, 50ºC, 60ºC ve 70ºC sıcaklıklarda incelenmiştir. 0,7 m/s için yapılan deneylerde de hava sıcaklığının kurumaya etkisinin fazla olduğu gözlenmektedir. Kurutma süresi, sıcaklığın artışı ile azalmaktadır. Diğer hava hızların olduğu gibi 1 m/s hava hızında da kuruma havası sıcaklığının etkisinin oldukça fazla olduğu gözlenmektedir. Gıda maddelerinin kurutulmasında; kuruma hızını birçok faktör etkilemektedir. Fakat kuruma hızına direkt etki eden en önemli faktör, sıcaklıktır. Hava nemi ve hızı ise, sıcaklığa nazaran daha az etkilidir [4]. Kurutma havası sıcaklığının, kurutma hızını etkileyen en etkin faktör olduğu açıktır. 3.2 Kurutma Havası Hızının Konvektif Kurutmaya Etkisi Kurutma havası hızının kurumaya etkisini incelemek amacıyla hava hızları 0,4-0,7 ve 1 m/s olarak seçilmiştir. Yapılan denemelerde 50, 60 ve 70ºC hava sıcaklıklarında; kurutma havası hızının, kurumaya etkisi incelenmiştir. Şekil 3 te konvektif kurutucuda kurutulan kızılcık (Cornus mas L.) meyvesi için kurutma havası hızının kurumaya etkisi 50ºC, 60ºC ve 70ºC hava sıcaklığı için aşağıda gösterilmiştir. Şekil 3. Kurutma hava hızının kurumaya etkisi (50ºC, 60ºC ve 70ºC) 3

4 Şekil 3 ten de görüldüğü üzere; 50ºC, 60ºC ve 70ºC de yapılan denemelerde en düşük kurutma hızı 0,4 m/s hava hızında gerçekleşmiştir. Bunu 0,7 ve 1 m/s hava hızları takip etse de hava hızının etkisinin oldukça az olduğu anlaşılmaktadır. Yine 50ºC, 60ºC ve 70ºC de hava hızının azalmasının, kuruma süresinde uzamaya neden olduğu da ifade edilebilir. Bütün sıcaklıklarda yapılan denemeler sonucunda hava hızının etkisi ihmal edilebilir. Kurutma hava hızı, sıcaklığın etkisi ile kıyaslandığında; hava hızının kuruma üzerine etkisinin oldukça az olduğu ve katı içi nem difüzyonunun etkili olduğu söylenebilir [5]. Şekil 4 te mikrodalga kurutucuda kurutulan kızılcık meyvesi için mikrodalga gücünün kurumaya etkisi 90 W mikrodalga gücü için gösterilmiştir. Kuruma eğrisi, boyutsuz nem içeriğine karşı kurutma süresi olarak grafik edilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi mikrodalga gücü, kuruma üzerinde oldukça etkilidir ve kuruma süresini de oldukça azaltmıştır. Denge nemine yaklaşık 117 dakikada ulaşılmıştır. Güneşin kurutmaya etkisi ise Şekil 5 te gösterilmiştir. Grafiğe bakıldığında kuruma süresinin oldukça uzun olduğu görülmektedir. Denge nemine yaklaşık dakikada ulaşılmıştır. Şekil 4.Mikrodalga gücünün kurumaya etkisi (90 W) Şekil 5. Güneşin kurumaya etkisi ( ) Şekil 6. Konvektif tip kurutucu (50, 60 ve 70⁰C hava sıcaklıkları & 0,4 0,7 ve 1m/s hava hızları), mikrodalga kurutucu (90 W) ve güneşte doğal kurutma ( etkilerinin karşılaştırılması ) proselerinin kurumaya Şekil 6 ya bakıldığında kurumanın, pek çok meyve ve sebzenin kurutulmasında olduğu gibi azalan hız bölgesinde gerçekleşmiş olduğu görülmektedir [6]. En etkin kuruma, 117 dakika ile mikrodalga kurutucuda elde edilmiştir. Bunu sırası ile konvektif kurutucuda; 70⁰C de 1 m/s (26 saat), 70⁰C de 0,7 m/s (31 saat), 70⁰C de 0,4 m/s (35 saat), 60⁰C de 1 m/s (45 saat), 60⁰C de 0,7 m/s (50 saat), 60⁰C de 0,4 m/s (55 saat), 50⁰C de 1 m/s (63 saat), 50⁰C de 0,7 m/s (74 saat), 50⁰C de 0,4 m/s (83 saat) takip etmiştir. En uzun kuruma periyodu ise 17 gün ile güneşte kurutmada gözlemlenmiştir. Güneşte kurutmada; kontaminasyon (kirlenme, bulaşma), besinsel ve olumsuz hava koşulları ile karşılaşma sonucu oluşan kayıplar, uzun kuruma zamanı, standart olmayan ürün gibi pek çok sorunla karşılaşılmaktadır. Bu nedenle kurutma işlemlerinin kontrollü şartlarda yapılması gerekmektedir. Hem enerjinin etkin kullanımı hem de kaliteli son ürün eldesi, uygun kurutma teknolojisinin seçimi ile mümkün olmaktadır. Kurutma denemelerine 4

5 bakıldığında; sıcak hava ve güneşte kurutma yöntemlerine nazaran mikrodalga kurutmanın daha etkin bir sonuç verdiği açıktır Kuruma Hızı Konvektif tip kurutucuda kurutulan kızılcık meyvesinin sabit kuruma 0,4-0,7ve 1 m/s sabit kurutma havası hızlarında; kurutma havası sıcaklıkları için kuruma hızı eğrileri sırasıyla Şekil 7 de verilmiştir. Kurutma hızı eğrileri kurutma hızına karşı kurutma süresi olarak grafik edilmiştir. Grafiklerden de anlaşıldığı gibi kurumanın, azalan hız bölgesinde gerçekleşmiş olduğu görülmektedir [6]; Azalan hızda kuruma bölgesinde; zamanla nem oranı azaldıkça, kuruma hızı da azalmaktadır. Bu da kurumanın katı içinden nem difüzyonu ile gerçekleştiğini göstermektedir [7]. Şekil 7. Konvektif tip kurutucuda kurutma hızları (V=0,4-0,7 ve 1 m/s) Şekil 8.Mikrodalga kurutucuda kurutma hızı (90 W) Şekil 9. Güneşte kurutma hızı ( ) 3.4. Kuruma Kinetiğine Ait Model Çalışmaları Kurutma işleminde; zamanla boyutsuz nemin değişiminin tahmini amacıyla birçok farklı matematiksel model geliştirilmiştir. Konvektif, mikrodalga ve güneşte kurutma prosesleri sonucu elde edilen deneysel veriler, kuruma kinetiğini ifade etmek için literatürde bulunan 12 farklı matematiksel model ile Statistica 7.0 Programı kullanılarak modellenmiştir. Matematiksel modellere ait istatistiki bulgulardan; en yüksek regresyon katsayısı (R 2 ), en düşük Khi-kare (χ2), [6], kalanların kareleri toplamı (RSS) ve tahminin standart hatası (SEE) [8] değerleri dikkate alınarak; konvektif tip kurutucuda kızılcığın kurutulmasını tanımlayan en uygun modelin Modifiye Henderson ve Pabis, mikrodalga kurutucuda Logaritmik ve güneşte kurutmada ise Difüzyon Yaklaşımı olduğu belirlenmiştir. 5

6 Tablo 1. Kuruma eğrilerinin matematiksel modellerini veren denklemler No Model Adı Model Referans 1 Page MR= exp(-kt n ) [7] 2 Newton MR= exp(-kt) [6] 3 Logistic MR= b/(1+a exp(kt)) [9] 4 Two-term MR= a exp(-k 0 t)+b exp(-k 1 t) [6] 5 Verma ve ark. MR= a exp(-kt)+(1-a)exp(-gt) [6] 6 Midilli ve ark. MR= a exp(-kt n )+bt [9] 7 Logarithmic MR= a exp(-kt)+c [7] 8 Wang ve Singh MR= 1+at+bt 2 [7] 9 Diffusion approach MR= a exp(-kt)+(1-a)exp(-kbt) [6] 10 Henderson ve Pabis MR= a exp(-kt) [7] 11 Two-term exponential MR= a exp(-kt)+(1-a)exp(-kat) [6] 12 Modifiye Henderson ve Pabis MR= a exp(-kt)+b exp(-gt)+c exp(-ht) [6] KAYNAKLAR [1] F. Us, Meyve ve Sebzelerin Kurutularak Muhafazası, Meyve ve Sebze İşleme Teknolojisi Cilt 2, Editör: J. Acar, V. Gökmen, F. Us, Hacettepe Üniversitesi Yayınları, Anakara, (2006), [2] H. Kocabıyık, B.S. Demirtürk, Nane Yapraklarının İnfrared Radyasyonla Kurutulması, Journal of Tekirdag Agricultural Faculty (Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi), 5 (2008), [3] S. Erenturk, M.S. Gulaboglu, S. Gultekin, The thin-layer drying characteristics of rosehip, Journal of Food Engineering, 89 (2004), [4] M.K. Krokida, V.T. Karathanos, Z.B. Maroulis, D. Marinos-Kouris, Drying kinetics of some vegetables, Journal of Food Engineering, 59 (2003), [5] A. Maskan, S. Kaya, M. Maskan, Hot air and sun drying of grape leather (pestil), Journal of Food Engineering, 54 (2002), [6] İ.T. Toğrul, D. Pehlivan,. Modelling of thin layer drying kinetics of some fruits under openair sun drying process, Journal of Food Engineering, 65 (2004), [7] İ. Doymaz, Convective drying kineticsof strawberry, Chemical Engineering and Processing, 47 (2008), [8] S. Karaaslan, Sebze endüstrisi bitkilerinin mikrodalgayla kurutulması üzerine çalışmalar, Doktora Tezi, (2008). [9] Y. Sosyal, S. Öztekin, Ö. Eren, Microwave drying of parsley: modelling, kinetics, and energy aspects. Biosystems Engineering, 93 (2006),