PORTAKAL SUYU ÜRETİMİNDE BAZI ELEKTRİKSEL YÖNTEMLERİN VERİM VE KALİTE ÜZERİNE ETKİLERİ

Transkript

1 EGE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ (DOKTORA TEZİ) PORTAKAL SUYU ÜRETİMİNDE BAZI ELEKTRİKSEL YÖNTEMLERİN VERİM VE KALİTE ÜZERİNE ETKİLERİ Aslıhan DEMİRDÖVEN Tez Danışmanı : Prof. Dr. Taner BAYSAL Gıda Mühendisliği Anabilim Dalı Bilim Dalı Kodu : Sunuş Tarihi : Bornova-İZMİR 2009

2 ii

3 iii

4 iv

5 v ÖZET PORTAKAL SUYU ÜRETİMİNDE BAZI ELEKTRİKSEL YÖNTEMLERİN VERİM VE KALİTE ÜZERİNE ETKİLERİ DEMİRDÖVEN, Aslıhan Doktora Tezi, Gıda Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Taner BAYSAL Aralık 2009, 233 sayfa Bu tez çalışmasında verim artışı sağlamak amacıyla ön işlem olarak uygulanan elektroplazmoliz ve PME enzimini inaktive etmek için mikrodalga ve ohmik ısıtma uygulamalarının portakal suyu kalitesi üzerine etkileri incelenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında portakal suyu üretimine uygun optimum elektroplazmoliz, mikrodalga ve ohmik ısıtma koşulları cevap yüzey yöntemi (RSM) ile belirlenmiştir. Elektroplazmoliz optimizasyonunda tek faktörlü, mikrodalga ve ohmik ısıtma uygulamalarında ise merkezi karma tasarım deneme desenin kullanıldığı durumda optimum noktalar; 122 Volt (4.5 cm elektrot açıklığında) elektroplazmoliz; 50 ml/dak-900 Watt mikrodalga ve 42 V/cm-69 ºC ohmik ısıtma olarak saptanmıştır. Elektroplazmoliz uygulaması ile %8 in üzerinde verim artışı; mikrodalga ve ohmik ısıtma uygulamaları ile geleneksel pastörizasyona göre daha ılımlı (~70 ºC) sıcaklık koşullarında %95 den fazla PME inaktivasyonu sağlanmıştır. Tez çalışmasının diğer aşamasında ise belirlenen optimum işlem koşulları kullanılarak portakal suyu üretimleri gerçekleştirilmiştir. Üretimler elektriksel işlem uygulamalarının tek tek ve bir arada kullanılmaları ile altı ayrı deneme grubu ile yürütülmüştür. Elektriksel işlemlerin tek başına kullanımları: mikrodalga (MD), ohmik ısıtma (OH) ve geleneksel pastörizasyon (PAS) uygulamaları şeklinde, bir arada kullanımları ise elektroplazmoliz ve mikrodalga (EP+MD), elektroplazmoliz ve ohmik ısıtma (EP+OH), elektroplazmoliz ve geleneksel pastörizasyon (EP+PAS) grupları olarak belirlenmiştir. Üretimler sonrasında elde edilen portakal suları 6 ay süreyle +4 o C da depolanmış ve 2 aylık periodlarda analiz edilerek

6 vi kalite değişimleri belirlenmeye çalışılmıştır. Depolama başlangıcında kontrol (elektriksel işlem uygulanmamış) ve EP uygulanmış portakal sularında verim ve kabuk yağı değerleri belirlenmiştir. Tüm ısıl işlem gruplarında pulp oranı, viskozite, berraklaşma değeri, formol sayıları, mikrobiyolojik yük (toplam canlı ve toplam koliform) ve duyusal özellikleri saptanmıştır. Depolama aşamasında ise PME aktiviteleri, toplam pektin, C vitamini, toplam karotenoid, toplam fenolik madde, suda çözünür kuru madde, ph, titrasyon asitliği, esmerleşme düzeyi, renk (L*, a*, b*, b/a, E, C, CN) değerleri ile maya-küf yüklerindeki değişim incelenmiştir. Elektriksel yöntem kombinasyonları ile üretilen portakal sularının pektin, C vitamini, toplam fenolik madde gibi kalite özellikleri ile renk korunumu açısından üstün özelliklerde olduğu saptanmıştır. Depolama sonu itibariyle PME aktiviteleri, maya-küf yükü ve C vitamini içerikleri dikkate alındığında; PAS ve EP+PAS gruplarının 4 aydan az, OH ve EP+OH gruplarının 4 aydan fazla, MD ve EP+MD gruplarının ise 6 aydan daha fazla kalite özelliklerini koruduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak portakal suyu üretiminde EP uygulamasıyla verim artışı yanında fonksiyonel özelliklerde de artış olduğu belirlenmiştir. Ayrıca EP ve elektriksel ısıtma uygulamalarının kombinasyonları ile geleneksel pastörizasyona kıyasla kalite özellikleri daha yüksek portakal suyu üretiminin gerçekleştirilebileceği saptanmıştır. Anahtar sözcükler: Portakal suyu, elektroplazmoliz, mikrodalga ısıtma, ohmik ısıtma, verim, kalite.

7 vii ABSTRACT EFFECTS OF SOME ELECTRICAL APPLICATIONS ON YIELD AND QUALITY OF ORANGE JUICE DEMİRDÖVEN, Aslıhan Ph. D in Food Engineering Supervisor: Prof. Dr. Taner BAYSAL December 2009, 233 pages In this thesis; the effects of electroplasmolysis as a pretreatment on yield and quality and the effects of microwave and ohmic heating on PME inactivation and quality of orange juice were investigated. Initially, electroplasmolysis (one-factor design), microwave (centralcomposite design) and ohmic heating (central-composite design) applications were optimized by Response Surface Methodology (RSM). Optimum conditions were found as: 122 Volt for electroplasmolysis; 50 ml/dak-900 Watt for microwave heating and 42 V/cm-69ºC for ohmic heating applications. As a result of electroplasmolysis optimization more than 8% increase in yield was determined. In addition, more than %95 PME inactivation was found in moderate (~70 ºC) temperature conditions for microwave and ohmic heating applications. Production of orange juice was carried out by using optimum conditions for each treatment. Trials were done in six application groups with single electrical treatment and combinations of them. Single treatment application groups were: microwave (MD), ohmic heating (OH) and conventional thermal heating (PAS). Combination groups were: electroplasmolysis and microwave (EP+MD), electroplasmolysis and ohmic heating (EP+OH), electroplasmolysis and conventional thermal heating (EP+PAS). After productions orange juices were stored for 6 months at +4 o C where the analyses were performed in 2 months period. At the beginning of the storage, yield and oil content of peel in control samples were determined and EP groups. After that pulp content, viscosity, clarifying value, formol number, microbial count and sensorial analyses were investigated in all groups

8 viii PME activity, total pectin, vitamin C, total phenolics, total carotenoid, soluble solid, ph, total acidity, browning index, color (L*, a*, b*, b/a, E, C, CN) values and total yeast-mold counts of samples were determined during storage period. The results showed that the highest quality values like total pectin, vitamin C and total phenolic were determined on combined applications of electrical methods. At the end of the storage period the shelf life of orange juices were determined with variation of PME activities, yeast-mold counts and vitamin C contents. The shelf life of samples was found as; shorter than 4 months in PAS and EP+PAS; more than 4 months in OH and EP+OH; more than 6 month in MD and EP+MD groups. The results suggested that juice yield and functional properties were increased by EP applications and EP and electrical heating applications gave better quality results comparing the conventional thermal heating in orange juice production. Keywords: Orange juice, electroplasmolysis, microwave heating, ohmic heating, yield, quality.

9 ix TEŞEKKÜR Tez çalışmam süresince desteğini ve emeğini hiçbir zaman esirgemeyen; çalışmalarımda her zaman yanımda olan; sabırla beni dinleyen, önerileriyle yüreklendiren ve yol gösteren hocam Sayın Prof. Dr. Taner BAYSAL a sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca tez çalışmam süresince değerli katkıları nedeniyle Prof. Dr. Ahmet Yemenicioğlu na ve Yrd. Doç. Dr. Filiz İÇİER e teşekkürlerimi sunarım. Tez çalışmasının yürütülmesinde maddi destek sağlayan Gaziosmanpaşa Üniversitesi BAP Koordinatörlüğü; Tokat ve Meyve Suyu Endüstrisi Derneği; Ankara ile hammadde temini sağlayan Zumdieck Konserve ve Dondurulmuş Gıda Ltd.; Salihli/Manisa Şirketine ve Sayın Dr. Hikmet Güreş e teşekkür ederim. Elektroplazmolizatör tasarımı ve yapımında emeği geçen Dr. Hasan YILDIZ ve Çermak Makine; Manisa yetkililerine; mikrodalga sisteminin sürekli hale getirilmesinde yardımları nedeniyle Öğr. Gör. Varsın KEMAHLIOĞLU na; ohmik ısıtma uygulamalarındaki özverili yardımları ve dostluğu nedeniyle Gıda Yük. Müh. Hayriye BOZKURT ta içtenlikte teşekkür ederim. Üretimler sırasında emeği geçen başta Gıda Müh. Ahsen RAYMAN olmak üzere, İpek İLKSOY, Osman Emre SAYIN, Tuba BALMUMCU ve Ömrüm ACAR a teşekkür ederim. İzmir e alışmamda ve sevmemde büyük desteği olan ve her zaman dostluklarından emin olduğum Dr. Seda ERSUS BİLEK, Ar. Gör. İsmail EREN, Ar. Gör. Haluk ERGEZER ve Yrd. Doç. Dr. Mustafa ÇAM a destekleri ve dostlukları için en içten duygularımla teşekkür ederim. Son olarak hayatımdaki en büyük şansım; annem (Fahriye DEMİRDÖVEN), babam (Yücel DEMİRDÖVEN), kardeşlerim ve Nihan a sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Aslıhan DEMİRDÖVEN İzmir, Aralık 2009

10 x

11 xi İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET.....v ABSTRACT vii TEŞEKKÜR.ix ŞEKİLLER DİZİNİ..xviii ÇİZELGELER DİZİNİ..xx SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ.xxv 1.GİRİŞ LİTERATÜR ÖZETİ GIDALARDA ELEKTRİKSEL İŞLEM UYGULAMALARININ ETKİ MEKANİZMASI Elektroplazmoliz Tekniği ve Uygulamaları Ohmik Isıtma Tekniği ve Uygulamaları Mikrodalga Isıtma ve Uygulamaları Cevap Yüzey Yöntemi MATERYAL VE YÖNTEMLER...35

12 xii İÇİNDEKİLER (devam) Sayfa 3.1 Materyal Yöntemler İşleme yöntemleri Pilot ölçekli iğneli tip elektroplazmolizatör Laboratuar düzeyde sürekli mikrodalga sistemi Laboratuar ölçekli ohmik ısıtma sistemi Pastörizasyon İşlemi Portakal suyu üretimi Analiz yöntemleri Verim Pektin metilesteraz (PME) aktivitesi Pektin tayini Askorbik asit (C vitamini) tayini Toplam Fenolik Madde Toplam Karotenoid Pulp oranı Esmerleşme Düzeyinin Saptanması Berraklaşma testi 45

13 xiii İÇİNDEKİLER (devam) Sayfa Kabuk yağı miktarı tayini ph değeri Titrasyon asitliği Suda çözünür kuru madde miktarı Renk Viskozite Formol Sayısı Mikrobiyolojik Analizler Duyusal Değerlendirme Deneysel Tasarım ve İstatistiksel Analiz Optimum işlem koşullarının belirlenmesinde kullanılan yöntemler Portakal suyu üretiminde kullanılan elektriksel yöntemlerin optimum çalışma koşullarının belirlenmesi Üretim kombinasyonları ve depolama aşamasının istatistiksel değerlendirilmesi SONUÇLAR VE TARTIŞMA Portakal Suyu Üretiminde Elektriksel Yöntem Uygulamalarının Optimizasyonu Ve Kalite Üzerine Etkileri...54

14 xiv İÇİNDEKİLER (devam) Sayfa Portakal Suyu Üretiminde Elektroplazmoliz Uygulamasının Optimizasyonu Elektroplazmoliz ön deneme sonuçları ve çalışma koşullarının belirlenmesi Cevap yüzey yöntemi ile elektroplazmoliz modelinin oluşturulması ve optimizasyonu Optimum koşullarda elektroplazmoliz uygulamasının portakal suyunun kalite özelliklerine etkileri Portakal Suyu Üretiminde Mikrodalga Isıtma Uygulamasının Optimizasyonu Mikrodalga ön deneme sonuçları ve çalışma koşullarının belirlenmesi Cevap yüzey yöntemi ile Mikrodalga uygulaması modelinin oluşturulması ve optimizasyonu Optimum koşullarda mikrodalga uygulamasının portakal suyunun kalite özelliklerine etkileri Portakal Suyu Üretiminde Ohmik Isıtma Uygulamasının Optimizasyonu.80

15 xv İÇİNDEKİLER (devam) Sayfa Ohmik ısıtma ön deneme sonuçları ve çalışma koşullarının belirlenmesi Cevap yüzey yöntemi ile Ohmik ısıtma modelinin oluşturulması ve optimizasyonu Optimum koşullarda Ohmik ısıtma uygulamasının portakal suyunun kalite özelliklerine etkileri ELEKTRİKSEL İŞLEM UYGULAMALARI İLE ÜRETİLEN PORTAKAL SULARININ DEPOLANMALARI SIRASINDA ORTAYA ÇIKAN DEĞİŞİMLER Farklı yöntemlerle üretilen portakal sularının verim ve kalite özellikleri Elektroplazmoliz uygulamasının verim üzerine etkisi Portakal sularında kabuk yağı, pulp oranı, formol sayısı, berraklaşma testi ve viskozite değerlerine farklı elektriksel uygulamaların etkileri Portakal sularının mikrobiyolojik özelliklerine farklı elektriksel uygulamaların etkileri Portakal sularının duyusal özelliklerine farklı elektriksel uygulamaların etkileri..104

16 xvi İÇİNDEKİLER (devam) Sayfa FARKLI ELEKTRİKSEL UYGULAMALARIN PORTAKAL SULARININ ÖZELLİKLERİNE DEPOLAMA SÜRESİNCE ETKİLERİ PME aktivitesi Toplam pektin C vitamini Toplam Karotenoid Toplam fenolik madde Suda çözünür kuru madde ph değeri Titrasyon asitliği Esmerleşme düzeyi Renk değerleri Maya küf yükü GENEL SONUÇ ve ÖNERİLER.152 KAYNAKLAR EKLER EK. 1 Analiz Yöntemlerine Ait Ekler.184

17 xvii İÇİNDEKİLER (devam) Sayfa EK. 2 Elektroplazmoliz Optimizasyonuna Ait Çizelge ve Şekiller EK. 3 Mikrodalga Isıtma Optimizasyonuna Ait Çizelge ve Şekiller..189 EK. 4 Ohmik Isıtma Optimizasyonuna Ait Çizelge ve Şekiller 191 EK.5 Üretim Kombinasyonlarına Ait Ön Deneme Sonuçları 193 EK.6 Depolama Üretim Ve Analizlerine Ait İstatistiksel Veriler 194 ÖZGEÇMİŞ

18 xviii ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil Sayfa Şekil 2.1 Elektropure adı altında satılan sütlere ait 1939 yılında kullanılan tanıtım afişi..7 Şekil 2.2 Elektromanyetik Spektrum.24 Şekil 3.1 İğneli tip elektroplazmolizatör şematik gösterimi..36 Şekil 3.2 İğneli tip elektroplazmolizatör 36 Şekil 3.3 Laboratuar düzeyde sürekli mikrodalga sistemi.37 Şekil 3.4 Laboratuar ölçekli ohmik ısıtma sistemininşematik gösterimi..38 Şekil 3.5 Elektroplazmoliz ve ısıtma yöntemlerinin kombinasyonları 39 Şekil 3.6 Isıtma tekniklerinin bireysel etkileri.40 Şekil 4.1 Farklı voltajlardaki EP uygulaması ile belirlenen verim değerleri.55 Şekil 4.2 Elektroplazmoliz uygulamasının verim (%) üzerine etkisi 60 Şekil 4.3 Mikrodalga ısıtma uygulamasının PME aktivitesi üzerine etkisi..70 Şekil 4.4 Ohmik ısıtma uygulamasının PME aktivitesi üzerine etkisi...85 Şekil 4.5 Portakal sularının depolanmaları sırasında PME aktiviteleri 108 Şekil 4.6 Depolama sırasında toplam pektin içeriğindeki değişimler 112 Şekil 4.7 Depolama sırasında C vitamini içeriğindeki değişimler Şekil 4.8 Depolama sırasında toplam karotenoid içeriğindeki değişimler Şekil 4.9 Depolama sırasında toplam fenolik madde içeriğindeki değişimler 121

19 xix ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa Şekil 4.10 Depolama sırasında SÇKM madde içeriğindeki değişimler Şekil 4.11 Depolama sırasında ph değişimleri 126 Şekil 4.12 Depolama sırasında titrasyon asitliği değişimi..130 Şekil 4.13 Depolama sırasında esmerleşme indeksi değişimleri.132 Şekil 4.14 Depolama sırasında L* değerlerindeki değişimler.134 Şekil 4.15 Depolama sırasında a* değerlerindeki değişimler..137 Şekil 4.16 Depolama sırasında b* değerlerindeki değişimler.139 Şekil 4.17 Depolama sırasında b/a değerlerindeki değişimler.142 Şekil 4.18 Depolama sırasında E değerlerindeki değişimler.144 Şekil 4.19 Depolama sırasında C değerlerindeki değişimler 146 Şekil 4.20 Depolama sırasında CN değerlerindeki değişimler Şekil 4.21 Depolama sırasında maya-küf yüklerinde belirlenen değişimler 151

20 xx ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge Sayfa Çizelge 1.1 Türkiye de yıllara göre portakal suyuna işlenen meyve ve üretilen portakal suyu konsantresi miktarları..1 Çizelge 1.2 Bazı portakal çeşitlerinin meyve suyu açısından nitelikleri..2 Çizelge 1.3 Bazı portakal sularında PME aktivitelerini ve ısıya dirençli enzim fraksiyon oranları.3 Çizelge 3.1 Berraklaşma testi değerlendirme.45 Çizelge 3.2 Üretim kombinasyonları ve depolama aşamasında yürütülen analizler..49 Çizelge 3.3 Elektroplazmoliz tek faktör dizayn için değişkenler ve seviyeleri...50 Çizelge 3.4 Elektroplazmoliz tek faktör dizayn deneme planı.50 Çizelge 3.5 Mikrodalga merkezi karma tasarım değişkenler ve seviyeleri 50 Çizelge 3.6 Mikrodalga merkezi karma tasarım deneme planı.51 Çizelge 3.7 Ohmik ısıtma merkezi karma tasarım dizayn için değişkenler ve seviyeleri..51 Çizelge 3.8 Ohmik ısıtma merkezi karma tasarım deneme planı.52 Çizelge 4.1 Farklı voltajlarda uygulanan EP işlemini ve verim değişimi 56 Çizelge 4.2 Elektroplazmoliz RSM deneysel sonuçlar..57

21 xxi ÇİZELGELER DİZİNİ (devam) Çizelge Sayfa Çizelge 4.3 EP-Yanıt üzerine quadratik terimlerin etkisini gösteren varyans analiz tablosu..58 Çizelge 4.4 EP-Model uygunluğunun test edilmesi...58 Çizelge 4.5 EP-Teorik ve gerçek verim değerleri ve sağlanan verim artışı.61 Çizelge 4.6 EP uygulaması ile belirlenen optimum koşullara ait analiz sonuçları..62 Çizelge 4.7 EP uygulaması ile belirlenen optimum koşullara ait renk değerleri 64 Çizelge 4.8 Farklı debilerde uygulanan mikrodalga ısıtma işleminin PME aktivitesine etkisi 66 Çizelge 4.9 Mikrodalga RSM deneysel sonuçlar 67 Çizelge 4.10 MD-Her bir yanıt üzerine quadratik terimlerin etkisini gösteren varyans analiz tablosu 68 Çizelge 4.11 MD-Model uygunluğunun test edilmesi..69 Çizelge 4.12 MD-Washington navel çeşidine ait PME aktiviteleri..72 Çizelge 4.13 MD -Washington navel çeşidine ait top. pektin, vit. C, SÇKM ve ph değerleri...74 Çizelge 4.14 MD-Washington navel çeşidine ait renk değerleri..75

22 xxii ÇİZELGELER DİZİNİ (devam) Çizelge Sayfa Çizelge 4.15 MD-Valencia çeşidine ait PME aktiviteleri ile pektin içerikleri 77 Çizelge 4.16 MD-Valencia çeşidine ait C vitamini, top. fenolik, SÇKM ve ph değerleri..78 Çizelge 4.17 MD-Valencia çeşidine ait renk değerleri (L*, a*, b*, E)..79 Çizelge 4.18 Ohmik ısıtma uygulaması sonrası PME aktiviteleri.81 Çizelge 4.19 Ohmik ısıtma RSM deneysel sonuçlar 82 Çizelge 4.20 OH-Her bir yanıt üzerine quadratik terimlerin etkisini gösteren varyans analiz tablosu...83 Çizelge 4.21 OH-Model uygunluğunun test edilmesi 84 Çizelge 4.22 OH-Washington navel çeşidine ait PME aktiviteleri..88 Çizelge 4.23 OH-Washington navel çeşidine ait toplam pektin, vit. C, SÇKM ve ph değerleri..89 Çizelge 4.24 OH-Washington navel çeşidine ait renk değerleri..90 Çizelge 4.25 OH-Valencia çeşidine ait PME aktiviteleri ile pektin içerikleri 93 Çizelge 4.26 OH-Valencia çeşidine ait C vitamini, toplam fenolik, SÇKM ve ph değerleri.93 Çizelge 4.27 OH-Valencia çeşidine ait renk değerleri (L*, a*, b*, E)...95 Çizelge 4.28 Elektroplazmoliz uygulamasının verim üzerine etkisi..97

23 xxiii ÇİZELGELER DİZİNİ (devam) Çizelge Sayfa Çizelge 4.29 Kabuk yağı, pulp oranı, formol sayısı, berraklaşma testi ve viskozite değerleri Çizelge 4.30 Toplam canlı ve toplam koliform yükleri..103 Çizelge 4.31 Uygulamalara ait duyusal değerlendirme sonuçları..105 Çizelge 4.32 Üretimler ve depolamalara ait PME aktiviteleri.107 Çizelge 4.33 Üretimler ve depolamalara ait toplam pektin içerikleri 111 Çizelge 4.34 Üretimler ve depolamalara ait C vitamini içerikleri Çizelge 4.35 Üretimler ve depolamalara ait toplam karotenoid içerikleri..117 Çizelge 4.36 Üretimler ve depolamalara ait toplam fenolik madde içerikleri 120 Çizelge 4.37 Üretimler ve depolamalara ait SÇKM içerikleri 122 Çizelge 4.38 Üretimler ve depolamalara ait ph değerleri 126 Çizelge 4.39 Üretimler ve depolamalara ait titrasyon asitliği değerleri.128 Çizelge 4.40 Üretimler ve depolamalara ait esmerleşme düzeyleri.131 Çizelge 4.41 Üretimler ve depolamalara ait L*değerleri.133 Çizelge 4.42 Üretimler ve depolamalara ait a*değerleri..136 Çizelge 4.43 Üretimler ve depolamalara ait b*değerleri..138 Çizelge 4.44 Üretimler ve depolamalara ait b/a değerleri 141 Çizelge 4.45 Üretimler ve depolamalara ait E değerleri...143

24 xxiv ÇİZELGELER DİZİNİ (devam) Çizelge Sayfa Çizelge 4.46 Üretimler ve depolamalara ait C değerleri Çizelge 4.47 Üretimler ve depolamalara ait CN değerleri Çizelge 4.48 Üretimler ve depolamalara ait maya-küf yükleri...149

25 xxv SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler Adj-R 2 Adeq.Precision Anova C.V. Lack of fit PRESS Pre-R 2 Açıklama Düzeltilmiş regresyon katsayısı Yeterli kesinlik Varyans analizi Değişim katsayısı Modelin matematiksel forma uygunluğu Tahminlenmiş hata kareler toplamı Tahminlenmiş çoklu regresyon katsayısı R 2 Regresyon katsayısı Kısaltmalar EP EP+MD EP+OH EP+PAS Açıklama Elektroplazmoliz Elektroplazmoliz ve mikrodalga kombinasyonu Elektroplazmoliz ve ohmik ısıtma kombinasyonu Elektroplazmoliz ve geleneksel pastörizasyon Kombinasyonu MD OH PAS Mikrodalga Ohmik ısıtma Geleneksel pastörizasyon

26 xxvi

27 1 1.GİRİŞ Dünyada meyve suyuna işlenen meyveler arasında ilk sırayı portakal (Citrus sinensis) almaktadır ve üretilen portakalın yaklaşık yarısı (% 49) meyve suyuna işlenerek tüketime sunulmaktadır yılı verilerine göre dünyada ton, Türkiye de ise ton portakal suyu üretilmiştir ve Türkiye dünya üretiminin yaklaşık % 0.5 ini karşılamaktadır. Dünya portakal suyu üretiminde ise ilk iki sırayı Brezilya (%51) ve ABD (%31) almakta ve dünya portakal suyu üretiminin % 82 si bu iki ülke tarafından gerçekleştirilmektedir. Bu ülkeleri sırasıyla Çin, Meksika, İspanya, İtalya, Güney Afrika ve Türkiye (Çizelge 1.1) izlemektedir (Anon, 2007). Çizelge 1.1 Türkiye de yıllara göre portakal suyuna işlenen meyve ve üretilen portakal suyu konsantresi miktarları (Anon, 2007) Miktar (Bin ton) Yıl Portakal suyuna işlenen meyve Üretilen portakal suyu konsantresi (65 o briks) Portakal suyu içerdiği C vitamini, karotenoidler ve fenolik maddeler nedeniyle yoğun olarak tüketilmekte ve tüketici talepleri fonksiyonel özellikleri nedeniyle gün geçtikçe artmaktadır (Nagy and Attaway, 1994). Örneğin 100 g taze portakal suyu günlük C vitamini ihtiyacının % 83 ünü; pastörize edilmiş portakal suyu ise %50 sini karşılamaktadır (Anon, 2009). Portakal suyu üretimi amacıyla Valencia, Shamouti (Yafa) ve Hamlin yoğunlukla kullanılan portakal çeşitleridir. Bunların dışında ülkemizde bu amaçla Dörtyol ve Kozan çeşitleri de kullanılmaktadır. Ülkemizde ve dünyada yetiştirilen bazı portakal çeşitlerinin meyve suyu açısından bazı özellikleri Çizelge 1.2 de verilmiştir.

28 2 Çizelge 1.2 Bazı portakal çeşitlerinin meyve suyu açısından nitelikleri (Altan, 1995) Çeşit Nitelik Valencia Hamlin Magnum bonum Dörtyol Kozan Meyve ağırlığı (g) Meyve suyu verimi (%) SÇKM (%) Titrasyon asitliği (g/100ml) Briks:asit oranı ph Askorbik asit (mg/100 ml) Dünyada başlıca iki şekilde portakal suyu üretimi gerçekleştirilmektedir. İlk yöntemde yıkama, sınıflandırma ön işlemlerinden sonra portakallar ekstraktörden geçirilerek ham portakal suyu elde edilmektedir. Bu amaçla FMC (ABD) ve Brown (İtalya) ekstraktörleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Ekstraktörden alınan portakal ham suyunda, meyve çeşidine, kullanılan ekstraktör tipine ve diğer faktörlere bağlı olarak; dilim zarı parçacıkları, merkezi eksen parçacıkları, kesecikler ve parçacıkları ile çekirdek ve hatta albedo kısmından kopmuş parçacıklardan oluşan pulp bulunmaktadır. Ekstraksiyon tekniğine göre portakal ham suyunda hacim üzerinden pulp miktarı %10-16 (Gründing and List, 1987), hatta %20-25 (Löffler, 1996) düzeyine erişebilmektedir. İri pulp parçacıklarının ve bir kısım küçük parçacıkların biran önce ayrılarak, portakal sularındaki pulp oranının %3-8 e kadar düşürülmesi gerekmektedir. Pulp ayırma amacıyla elek delik çapı mm arasında değişen finisherler kullanılmaktadır. Portakal ham suyundaki pulp miktarının hızla azaltılması, gerek bulanıklık stabilitesi kaybını ve gerekse konsantrede jel oluşumunu önemli

29 3 düzeyde engellesede, ortamda geri kalan pektin metilesteraz (PME) aktivitesi yavaşta olsa sorun oluşturmaya devam etmektedir. Bu nedenle pulp ayırma işlemi sonunda meyve suyuna ısı uygulanarak mevcut PME inaktive edilmelidir. İkinci yöntemde ise yıkama işleminden geçirilen portakallarda üst kabuk rendelenerek uzaklaştırılmakta sonrasında ise preslenerek portakal suyu elde edilmektedir ve yine ilk yöntemde olduğu gibi pulp oranı dengelenmektedir. Her iki yöntemde de elde edilen ham portakal suyu enzim ve mikroorganizma inaktivasyonu amacıyla ısıl işleme tabi tutularak dayanıklı hale getirilmektedir (Cemeroğlu ve Karadeniz, 2001). Portakal sularının pastörizasyonunda hedef, mikroorganizmalardan çok pektin metilesteraz (PME) enziminin inaktivasyonudur. Meyve suları düşük ph dereceleri nedeniyle 75 o C civarında uygulanan ılımlı bir ısıl işlemle mikrobiyolojik açıdan güvenli hale gelebilirken, PME enziminin inaktivasyonu daha yoğun bir ısıl işlem gerektirmektedir. Portakal suyu PME enziminin inaktivasyonunda 90 o C da, D değerinin yaklaşık 1 dakika olduğu ifade edilmektedir (Versteeg et al., 1980). Aslında ısıya dirençli PME aktivitesinin yaklaşık %10 kadarı ısıya dirençli izoenzimlerden oluşmakta ve bu fraksiyonlar +5 o C gibi düşük sıcaklıklarda bile demetoksilasyon etkisini sürdürmektedir (Snir et al., 1996). Buna göre oranı azda olsa inaktivasyonda esas sorunu ısıya dirençli PME izoenzimleri oluşturmaktadır. Aynı Şekilde portakal suları düşük sıcaklıklarda depolansalar bile yine bu fraksiyonlar sorun oluşturmaktadır (Cemeroğlu ve Karadeniz, 2001). Çizelge 1.3 de bazı portakal çeşitlerine ait PME aktiviteleri ve ısıya dirençli enzim fraksiyon oranları verilmiştir. Çizelge 1.3 Bazı portakal çeşitlerinin PME aktiviteleri ve ısıya dirençli enzim fraksiyon oranları (Snir et al., 1996) Portakal çeşidi Toplam PME aktivitesi (µm karboksil grubu, dak -1 ) Isıya dirençli enzim oranı (%) Valencia Washington Navel Hamlin

30 4 PME, pektin zincirindeki esterleşmiş karboksil gruplarındaki metoksil gruplarını ayırarak, pektinin esterleşme derecesini düşürmektedir. Reaksiyon daha ileri düzeye ulaşınca, zincirdeki metoksil grupları temizlenerek pektin, poligalakturonik aside dönüşür. Turunçgillerde PME; kabuk dilim zarı ve kesecik dokularında hücre duvarına bağlı olarak bulunur. Meyve suyunun ekstraksiyonu sırasında meyve suyuna geçen kabuk, dilim zarı gibi parçacıkların taşıdığı PME enzimi, meyve suyundaki çözünmüş pektini hızla deesterifiye etmektedir. Bunun sonucunda viskozite hızla düşmekte tortu oluşarak serum ayrılmaktadır. Bu olayın turunçgil suyu konsantresine yansıması, konsantrenin jel oluşturmasına neden olmaktadır. Ayrıca deesterifiye olmuş pektin, ortamda doğal olarak bulunan kalsiyum iyonları ile Ca-pektat jeli oluşturarak konsantrenin kalitesini önemli düzeyde düşürmektedir. Turunçgil PME enziminin ısıya çok dirençli olması, turunçgil sularının işlenmesinde daha fazla titizlik gösterilmesini gerekmektedir. Ayrıca turunçgillerde PME aktivitesi ve ısıya dirençli enzim oranı farklı dönemlerde büyük değişim göstermektedir (Versteeg et al., 1980; Cemeroğlu ve Karadeniz, 2001). Literatürde geleneksel işleme yöntemleri kullanılarak elde edilen portakal sularında veriminin % oranında olduğu belirtilmektedir (Cemeroğlu ve Karadeniz, 2001). Diğer taraftan ülkemizde portakal suyu veriminin ise % oranında kaldığı bilinmektedir. Portakal suyu üretiminde düşük verim sorunu yanında bir diğer önemli sorunu da enzim inaktivasyonu sağlamak amacıyla yüksek sıcaklıklarda işlem yapılması zorunluluğu oluşturmaktadır. Yüksek sıcaklıklarda çalışılması portakal sularında duyusal kayıplara neden olmanın yanında besin öğesi kayıplarına da yol açmaktadır. En büyük kayıp ise C vitamini içeriğinde görülmektedir (Anon, 2009). Portakal suyu üretiminde söz konusu sorunların çözümü için alternatif tekniklerin kullanılma olanaklarının araştırılması önemli görülmektedir. Günümüzde minimum işlem gören gıdalara tüketici taleplerinin artmasıyla farklı teknolojiklerin kullanımına yönelik alternatif çalışmalar artış göstermektedir. Özellikle elektriksel yöntemler gıdalara uygulanan alternatif teknolojiler arasında önemli yer tutmaya başlamıştır. Bu teknolojiler arasında üzerinde yoğunlukla çalışılan ve ticari uygulamaları bulunan mikrodalga ve ohmik

31 5 ısıtma yöntemleridir (Manvell, 1996). Mikrodalga ve ohmik ısıtma uygulamaları gıda içerisinde hacimsel ısıtma sağlayan sistemlerdir. Mikrodalga ısıtma et, balık ve meyve ürünlerinin çözündürülmesi ve pişirilmesi, tahıl bazlı ürünlerin ve bisküvilerin pişirilmesi amacıyla kullanılırken; ohmik ısıtma sistemlerinde ise % in altındaki katı konsantrasyonuna sahip pompalanabilir gıda karışımları işlenebilmektedir (Tempest, 1996). Ohmik sistemlerin diğer elektro-ısı sistemlerinden farkı kullanılan elektrot sistemlerinin doğrudan gıda ile temas etmesidir (Sastry and Barach, 2000; İçier, 2003). Ohmik ısıtmaya benzer şekilde, elektroplazmoliz tekniği de gıda ile temas eden elektrot sistemine dayanmaktadır. Mikrodalga ve ohmik ısıtma yöntemleri gıda işlemede enzim ve mikroorganizma inaktivasyonu amacıyla geleneksel ısıl işlemlerin yerine kullanılmakta iken; elektroplazmoliz tekniği özellikle meyve ve sebze ürünlerinin işlenmesinde verim artışı sağlamak amacıyla ön işlem olarak kullanılmaktadır. Ayrıca elektriksel yöntemlerin kullanımı ile üretilen ürünler; besin içeriklerinin geleneksel üretim tekniklerine göre daha yüksek olmaları nedeniyle tercih edilmektedirler. Elektroplazmoliz denemeleri ilk olarak Rusya Odesa Teknolojik Enstitüsünde geliştirilmiştir ve 1949 yılında Flaumenbaum ve arkadaşları tarafından başlatılan çalışmalar gıda sanayinde birçok uygulama alanı bulmuştur (Flaumenbaum et al., 1986). Elektroplazmolize ait sanayi uygulamaları yıllarında Ukrayna da bulunan Tirasyol meyve fabrikası ile Buclea konserve fabrikasında yapılmıştır ve halen Ukrayna da faaliyet gösteren bazı firmalarca kullanıldığı ifade edilmektedir (Sandik, 1983; Yıldız, 2004). Elektroplazmoliz işlemi farklı tipte elektroplazmolizatörler kullanılarak gerçekleştirilebilmektedir (Pazır ve Okilov, 1996). Ohmik ısıtma üzerindeki çalışmalara ise son yıllarda ağırlık verilmiş ve endüstriyel uygulamalarına ilk olarak APV nin geliştirmiş olduğu ticari sistemle beraber 1989 yılında geçilmiştir (Fryer, 1995). Ohmik ısıtma sistemleri pompalanabilir gıda hatlarında aseptik işleme sistemlerine adapte edilebilme özelliği taşımakta; ön ısıtma ve pastörizasyon hatlarında kullanılabilmektedir. Tüketime hazır gıdaların ısıtılması ve pişirilmesinde güvenilir bir yöntemdir. Ayrıca ohmik ısıtmanın haşlama, buharlaştırma, kurutma, fermantasyon ve ekstraksiyon işlemlerinde de homojen ısıtma sağlayacak potansiyel bir uygulama

32 6 olabileceği belirtilmektedir (Sastry and Barach, 2000; Butz and Tauscher, 2002; İçier, 2003). Mikrodalga enerjisi ise II. Dünya savaşı sırasında radar telekominokasyonlarında yararlanılan bir yöntemken; 1946 yılında Percy Spencer ın mikrodalga jenerasyon tüpü üzerine çalışmalar yaptığı sırada cebinde bulunan şekerin yumuşadığını fark etmesiyle mikrodalga ısıtma yöntemi bulunmuştur. Tesadüfen bulunan bu ısıtma yöntemi gıda sanayinde birçok uygulama alanı bulmuştur lerde ise ev tipi mikrodalga ekipmanlarının kullanımı yaygınlaşmıştır. Yine 1970 lerde petrol ve doğal gaz krizinin baş göstermesiyle batılı ülkeler ortaya çıkan politik zorunluluk karşısında elektriksel bir ısıtma yöntemi olan mikrodalga ısıtma yöntemini teşvik ederek bu teknolojinin gelişmesine katkıda bulunmuşlardır. Günümüzde ise mikrodalga ısıtma yöntemi sadece gıda sanayinde değil tıbbi ve radyoaktif atıkların yakılmasından, araba lastiği üretimine ve hatta nükleer mühendislikte geniş bir kullanım alanı bulmuştur (Yoshıkawa et al., 2007). Portakal suyu üretiminde yukarıda sözü edilen problemlere çözüm getirmek amacıyla mikrodalga ve ohmik ısıtmanın ayrı ayrı portakal suyu kalitesine etkileri sınırlı sayıdaki araştırmalarda ifade edilmektedir. Ancak elektroplazmoliz uygulamasının etkisi ve üç elektriksel işlem(elektroplazmoliz, mikrodalga, ohmik ısıtma) uygulamasının bir arada kullanıldığı çalışmalar kaynakçalarda bulunmamaktadır. Ayrıca portakal suyu üretiminde iğneli tip elektroplazmolizatörün kullanıldığı başka bir çalışmaya literatürde rastlanmamıştır. Bu tez çalışması çerçevesinde gıdaların işlenmesi sırasında verim artışı sağlamak amacıyla uygulanan elektroplazmoliz; mikroorganizma ve enzim inaktivasyonu amacıyla uygulanan ohmik ısıtma, mikrodalga ve geleneksel pastörizasyon uygulamalarının ayrı ayrı ve birlikte aynı işlem hattında portakal suyu kalitesine etkilerinin kimyasal, fiziksel, mikrobiyolojik ve duyusal yöntemler ile saptanması ve karşılaştırılması amaçlanmıştır.

33 7 2. LİTERATÜR ÖZETİ Bu bölümde tez çalışmasında kullanılan elektroplazmoliz, mikrodalga ve ohmik ısıtma ve diğer yeni teknolojilerinin başta portakal suyu olmak üzere meyve sularının verim, enzim inaktivasyonu ve diğer kalite özellikleri üzerine yapılan çalışmalara yer verilmiştir Gıdalarda Elektriksel İşlem Uygulamalarının Etki Mekanizması Biyolojik hücrelerde elektrik akımının kullanımı neredeyse elektrik enerjisinin ticari olarak kullanımı kadar eskidir. 19. Yüzyılın sonuna doğru doğrusal ve alternatif elektrik akımının bakteriler üzerine etkisi ilk olarak Prochownick ve ark. (1890) tarafından bulunmuştur. Bu çalışmada 300mA elektrik akımı uygulanan örnekler de Staphylococcus aureus inaktivasyonunda anot ve katottan alınan örnekler arasındaki inaktivasyon farkı dikkati çekmiş uygulama sonrası örnek asitliğindeki (ph değerindeki azalmaya bağlı) değişim umut verici olarak kabul edilmiştir lerde ise Elektropure adı verilen pastörizasyon yönteminin Avrupa ve ABD de tanıtımı yapılmıştır (Şekil 2.1) (Beattie and Lewis, 1925; Fetterman, 1928; Moses, 1938). Bu yöntem üzerine ilk ticari uygulamaya süt pastörizasyonunda tüketicilerin sağlığını koruduğu düşüncesiyle geçilmiştir (Töpfl, 2006). Şekil 2.1 Elektropure adı altında satılan sütlere ait 1939 yılında kullanılan tanıtım afişi (Töpfl, 2006).

34 8 Uygulanan bu yöntem elektrik enerjisiyle sütün doğrudan ısıtılmasına dayanan termal bir yöntem olarak tanımlanmıştır. Uygulamada V alternatif akımda, karbon elektrotlar kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ön ısıtma işlemi ile 52 C ye ısıtılmış sütler 71 C ye elektrik enerjisiyle ısıtılmış ve bu sıcaklıkta 15 sn tutulmuştur lere kadar bu üretim şekli yaklaşık 50 fabrikada (günlük tüketiciye hizmet vererek) devam etmiştir. Sonraki yıllarda artan enerji maliyetleri ve ticari rekabet nedeniyle bu yöntem yerini UHT tekniğine bırakmıştır (Reitler, 1990) yılında ise Flaumenbaum meyve ve sebze dokularına elektrik uygulamasının ekstraksiyon veriminde %10 a varan artışa neden olduğunu ifade etmiş ve bu teknik elektroplazmoliz yöntemi olarak literatüre girmiştir (Flaumenbaum, 1949). Yine aynı yıllarda mikrodalga ısıtma tekniğinin ilk endüstriyel uygulamaları patateslerin kurutulması ve kahve kavrulmasında kullanılmıştır (Yoshıkawa et al., 2007) lerde ise endüstriyel olarak ohmik ısıtma uygulamaları yumurta (sıvı) pastörizasyonu ve meyve işleme hatlarında kullanılmaya başlanmıştır (Reznick, 1996; Cousin, 2003; Sensoy and Sastry, 2004; Lebovka et al., 2005; Praporscic et al., 2006). Günümüzde ise bu termal yöntemlerin kullanımı halen devam etmekle birlikte termal olmayan yöntemler arasında yer alan Vurgulu Elektrik Alan (PEF) yöntemi üzerine de yoğun çalışmalar yapılmaktadır. PEF iki elektrot arasında bulunan gıda maddesinin çok kısa süreyle (1-100 µs) yüksek voltaj elektriksel alan (80-10 kv/cm) etkisi altında bırakıldığı bir işlemdir. Mikrobiyolojik ve enzimatik inaktivasyon ile bitkisel dokunun parçalanması amacıyla kullanılmaktadır. Ayrıca düşük sıcaklıklarda çalışılması ürünün fiziksel ve besinsel özelliklerinin koruması açısından da avantaj sağlamaktadır (Heinz et al., 2003). Elektrik enerjisinin etkisiyle canlı dokularında gerçekleşen parçalanmanın nedeninin elektroporasyon olduğu ifade edilmektedir. Elektroporasyonun Gossling (1960) ve Doevenspeck (1960, 1961) tarafından ilk olarak dile

35 9 getirilmesinden sonra 1980 lerde tıp ve genetik mühendisliği alanları elektroporasyona ilgi göstermeye başlamıştır. Biyolojik hücrelerin elektrik enerjisiyle parçalanmasına ait temel kuralların dile getirilmesinden sonra dielektrik parçalanma teorisi Zimmermann ve ark. (1974) ile Neumann ve Rosenheck (1972) tarafından ilk kez kullanılmıştır. Bu teorinin açıklanması amacıyla mikroorganizmalarda olduğu gibi fosfolipit bir zar içeren çift katmanlı bir model sistem oluşturulmuştur (Zimmermann et al.1974; Chernomordik et al. 1987; Chang et al. 1992; Wouters and Smelt 1997; Barsotti et al.,1999; Ho and Mittal, 2000). Fakat bugüne kadar bu mekanizmayı hücresel boyutta açıklayan gerçek bir kanıt bulunamamıştır (Töpfl, 2006). Bütün canlı hücrelerin (prokaryot ve ökaryot) yağ molekülleri ve proteinlerden oluşan bir membran içerdiği bilinmektedir (Alberts et al., 2002). Buna ek olarak prokaryot hücreler hücre duvarı olarak bilinen ikinci bir membran daha içermektedirler. Elektrik enerjisi uygulamasıyla geçirgen özellikteki bu membran üzerinde gözenek açıklıkları oluşmaktadır (Cho et al., 1996). Bu olay elektroporasyon olarak adlandırılır ve elektriksel direnç sayesinde hücre zarının seçici geçirgenliği aşılmaktadır. Hücrenin elektriksel direnci hücre duvarında ve içersinde bulunan lipit içeriği ile ilişkilidir. Oluşan bu gözeneklerin büyüklüğü uygulanan elektriksel etkiye bağlı olarak değişmektedir. Ve daha sonra oluşan bu gözenekler tekrar kapanabilmektedir. Yani elektroporasyon geri dönüşlü ve geri dönüşsüz olarak gerçekleşebilmektedir. Hücrenin elektriksel gerilime aşırı maruz kalması durumunda ise hücre içi bileşenler oluşan gözeneklerden sızmakta ve sonrasında hücre ölmektedir. Bu nedenle elektroporasyonun hücreye yüksek oranda etki ettiği ve geleneksel termal yöntemlerden daha fazla letal etki yarattığı kabul edilmektedir (Lee and Yoon, 1999). 2.2 Elektroplazmoliz Tekniği ve Uygulamaları Elektroplazmoliz işlemi elektrik devresinin gıda tarafından tamamlanması sonucu gıda içerisinden elektrik akımının geçmesi prensibine dayanmaktadır. Elektroplazmoliz (EP) hücre duvarını parçalamayı amaçlayan bir işlemdir ve diğer yöntemlere göre hücreleri en uygun tarzda parçalayan yöntem olarak bilinmektedir (Lazerenko et al., 1977). Bitkisel bir hücrede stoplazmik zar

36 10 hücrenin ikinci kabuğu olarak görev yapmaktadır (Özgüç, 1969) ve yarı geçirgen özellikteki hücre zarı hücre içi sıvıların dışarı çıkmasını engellemektedir. Bu nedenle plazmik zarın sağlamlığı meyve suyu üretimi gibi teknolojilerde verimi etkilemektedir ve bu amaçla elektroplazmoliz tekniğinin kullanımı mümkündür (Flaumenbaum et al., 1986). Elektrik akımı ile hücredeki oluşumlar ve nedenleri üzerine çeşitli teoriler ortaya konulmuştur. İlk teoriye göre protoplazma proteinleri çok az bir etkiyle bile kendilerine özgü özelliklerini değiştirebilmekte ve elektriksel akımın etkisiyle proteinler koagüle olmakta, çözünürlüğü azalmakta, biyolojik aktivite düşmekte, protein çözeltilerinin viskozite ve absorbsiyon özellikleri değişmektedir. Buda stoplazmik zarın geçirgenliğinin artmasına neden olmaktadır (Shcheglov et al., 1967). İkinci teoriye göre ise elektrik akımı hücrelerden geçerken öncelikle direncinin çok yüksek olması nedeniyle hücre duvarını daha sonra hücre içini ısıtmaktadır. Ayrıca elektroliz sonucu su, hidrojen ve oksijene ayrılmaktadır. Pratikte EP işleminde elektrik akımının yoğunluğu A.h dir. 1 A.h miktardaki elektrik yükü sudan 1.08 gram hidrojen ayrılabilmekte ve hacmi 4x10-4 cm 3 olmaktadır. Bir hücrenin büyüklüğü 6x10-3 cm, 1 cm 2 alanda 4x10 4 hücre olduğu düşünülürse EP de yaklaşık 30 saniyelik işlem süresince böyle bir zincirden geçen yük 0.2x10-3 A.h civarında olacaktır. Yani 0.2x10-3 A.h lık yük 0.216x10-9 gram hidrojen ayırabilmektedir. Bu orandaki hidrojen hacmi 4x10-6 cm 3, hücre hacmi ise 2x10-10 cm 3 dür. EP sırasında oluşan gazın hacmi hücre hacminden büyük olduğu için iç basınç artmaktadır. Oluşan gaz ve buhar hücreden çıktığında membran mikro-gözenekli bir yapı almaktadır. Bu durum, EP işleminden hemen sonra difüzyon işleminin artmasına neden olmaktadır. Daha sonraki elektrik akımı ise bitki dokusunun ısınmasına yol açmaktadır. EP ve termoplazmoliz işlemlerinde plazmoliz için kullanılan enerji tüketimi kıyaslandığında, termoplazmolizin EP işlemine göre % 56 daha fazla enerji tükettiği belirtilmektedir. Dolayısı ile EP işleminin, elektriğin ürettiği ısı ile değil, direkt elektrik akımının etkisi ile hücre parçalanmasını sağladığı belirtilmektedir (Zagorulko, 1957; Zagorulko, 1958; Jariko and Krajenko, 1990). Ayrıca EP

37 11 işleminde alternatif akımın (AC) doğrusal akımdan daha etkili olduğu ifade edilmektedir (Dankeviç et al., 1991; Costell et al, 1993; Yıldız, 2004). EP işleminde en etkili faktörler; uygulanan elektrik alan şiddeti ve frekansı, işlem süresi, ürünün elektriksel özellikleri, işlem sıcaklığı ve ürünün parçacık büyüklüğüdür. EP uygulanan ürünün homojen bir yapı göstermesi durumunda üründe elektriksel alan oluşmaktadır. Bu alan şiddeti: E= U/d Bu denklikte E (V/cm) elektrik alan şiddetini; U (V) elektriksel gerilimi, d (cm) ise elektrotlar arası mesafeyi belirtmektedir (Pazır ve Okilov, 1996). Lazarenko et al., (1977) EP işleminde yüksek elektriksel alan ( V/cm) ve düşük elektriksel alan ( V/cm) uygulamalarının yapılabileceğini belirtilmiştir. Shcheglov et al., (1967), EP süresinin elektriksel alan şiddetine bağlı olduğunu elektriksel alan şiddetinin 50 V/cm üzerine çıktığında meyve dokusunda EP işleminin gerçekleştiğini bildirmişlerdir. Bologa et al., (1988) elektriksel alan şiddeti V/cm olduğunda ürünün EP işleminin kısa zamanda gerçekleştiğini belirtmişlerdir. EP uygulamasında işlem süresinin meyve çeşidine bağlı olarak aşağıdaki denkliğe göre değiştiği belirtilmiştir; Γ= Ke / Gr 2 Bu denklikte Γ (s) işlem süresini, Ke (V 2.s/cm 2 ) ürün sabitini (elektrik direnci), Gr (V/cm) ise gradient potansiyelini (elektriksel alan şiddeti) göstermektedir. İşlem süresi elektriksel alan şiddetinin karesi ile ters orantılıdır. Ürünün parçalanma şekli elektriksel direnç üzerine etkilidir. Aynı zamanda ürün sabiti ürünün fizyolojik durumu ve kalitesi gibi özellikleri göstermektedir (Kazadjiy and Flaumenbaım, 1971).

38 12 Ürünün elektriksel iletkenliği sıvı fazda çözünen iyonlara ve maddelere bağlıdır. İşlem süresince parçalanmış hücre sayısı artmakta, hücre içi sıvıların hücre dışına çıkması fazlalaşmakta ve buna bağlı olarak iletkenlik yükselmektedir. Tüm hücreler parçalandığında en yüksek iletkenliğe ulaşılmaktadır ve bu nokta EP işleminin sonu olarak kabul edilmektedir. İşlem süresince ürün sıcaklığında da artış olmaktadır. Buna bağlı olarak EP işlem süresi kontrolünün, sıcaklığın takip edilerek yapılması da mümkün olmaktadır. Sıcaklığın yükselmesi ile ürün protoplazması ve membran geçirgenliği artmakta, ürün yumuşamakta ve dolayısıyla verim artmaktadır (Lazarenko et al., 1977). Ürün partikül büyüklüğü de EP işleminde etkilidir. Bazı elektroplazmolizatörler hariç (iğneli tip), EP işlemi öncesinde ürün parçalanmaktadır. Partikül boyutu çok ince olan mayşeler preslendiğinde verim azalacağından, meyve belli bir partikül büyüklüğüne parçalanmalıdır (Lazarenko ve Reşetko, 1968). Şıra çıkartma, bitkisel ürün hücrelerinin çeşitli ön işlemler yardımıyla parçalanma prosesinden sonra oluşur. Bu ön işlemler mekanik, ısısal, biyolojik işlemlerle elektrofizik metodlar, elektrik, magnetik ve ışın yolu ile yapılan uygulamalarıdır. Mekanik parçalamada bitki dokusu küçük kısımlara ayrılmaktadır. Bu kısımlar canlı dokulardır ve dokunun zedelenmiş yerlerinde protoplazmada önemli değişimler meydana gelmektedir (Shcheglov et al., 1967, Yıldız, 2004). Hücre protaplazma kabuğunu plazmoliz eden elektriğin bitkisel dokudan geçişinde iyon titreşimi söz konusudur. EP hücre duvarını parçalamakta ve bundan dolayı pektik maddelerin şıraya geçmesini engellemektedir. Ayrıca plazmoliz zarları daha büyük kısımlara parçalamakta ve şıra çıkışında hücre duvarından geçememektedir. Bazı araştırıcılar meyveleri parçalamadan EP uygulandığında (elektrizasyon metodu) şıra veriminin arttığı ancak meyvelerde hızlı bir kararmanın görüldüğünü belirtmişlerdir. Bunun nedeninin hücrelerin yaşam fonksiyonlarının kesilmesiyle tanenlerin oksidasyona uğramalarının olduğu tahmin edilmektedir (Shcheglov et al., 1967).

39 13 EP uygulanan ürünün termofizik karakteristikleri yani ısıl iletkenliği, viskozitesi ve özgül termik kapasitesi değişmektedir. Bu değişimlerin nedeni ürünün dehidrotasyon olayıdır ve üründe sonradan yapılacak ısıl işlemlerin kolaylaştırılmasında kullanılabilmektedir. Hidrotasyon olayının sebebi ise su moleküllerinin polar özelliğe sahip olmasıdır. Yani su dipolünün iyon iyon gruplarının katı ve çözülen maddelerin polar gruplarıyla bağlanmasıdır. Bunun dışında su kimi reaksiyonlarda bağlanmakta, biyolojik dokuların porlarında kalmakta, difüzyon ve ozmotik güçlerle (hücre sıvıları) tutulmaktadır. Elektrik etkisiyle protein moleküllerinin elektrokinetik potansiyelinin değişmesiyle ürün ve su moleküllerinin dipol bağları parçalanmaktadır. Bu nedenle üründe elektroplazmolizden sonra bir kısım su serbest kalarak, ürünün termofizik karakteristiği değişmektedir. Böylece EP uygulanan domates pulpu gibi ürünlerin işlem görmeyen domates pulplarına göre ısı iletkenlik katsayıları yükselmekte ve viskoziteleri düşmektedir (Okilov, 1995). EP işleminin şeker pancarından şeker özütleme işleminde (Zagorulko, 1957; Dankeviç et al., 1991), meyve suyu (Flaumenbaum and Al-Saadi; 1966) ve salça üretiminde (Bologa et al., 1988; Yıldız, 2004) kullanımına yönelik çalışmalar yapılmıştır. Turunçgil suları üretiminde valsli tip EP ile meyve suyu veriminde EP uygulanmayan örneklere göre % 10 luk verim artışı olduğu saptanmıştır. EP uygulaması amacıyla limon ve portakalların kabukları soyulduktan sonra albedo ve flavedo katmanları ayrılmış ve meyveler 2-3 dilime ayrılarak EP uygulaması gerçekleştirilmiştir (Flaumenbaum and Al-Saadi, 1966). Okilov (1995) EP uygulaması ve klasik yöntemlerle üretilen Golden Delicious elmalarının meyve suyuna işlenmesiyle pres veriminde % verim artışı yanında toplam şeker miktarında % 0.4, suda çözünür kuru madde içeriğinde % 0.3 ve titrasyon asitliğinde % 0.24 artış olduğunu bulgulamıştır. Ayrıca elde edilen elma sularının renklerinin kontrol grubuna göre daha açık renkli olduğu belirlemiştir. Aynı çalışmanın Starking elma çeşidiyle yürütülmesi sonucunda da benzer sonuçlar elde edilmiştir (Saidov, 1995).

40 14 Elma suyu üretiminde EP yönteminin uygulandığı çalışmada pres veriminin % oranında arttığı bildirilmiştir. Ayrıca preslemenin kolaylaştığı, düşük dispers partiküllerin şıraya daha az geçtiği, dolayısıyla separasyon ve durultma işlemlerinin daha kısa sürede gerçekleştiği ve filtrasyonun hızlandığı belirtilmiştir. Aynı yöntemin üzüm işlemede uygulanması ile ise şıra veriminin % arttığı bildirilmiştir (Sandik, 1983). Benzer Şekilde Flaumenbaum et al., (1986) presleme öncesi EP uygulamasının şıra verimini % arttırdığını belirtmişlerdir. Bir diğer çalışmada ise EP uygulamasının elma suyu kalitesine etkileri incelenmiş ve toplam kuru madde titrasyon asitliği, şeker, C vitamini ve ph değeri açısından önemli farklılık saptanmamış; ancak EP uygulanan örneklerinin renklerinin daha açık olduğu belirlenmiştir. Bu sonuçun polifenoloksidaz enziminin elektrik akımı ve ısı etkisi ile inaktive edilmesine bağlı olabileceği bildirilmiştir (Lazarenko et al., 1977). McLellan et al., (1991) elma suyu üretiminde ısı, EP ve enzim uygulamasının elma suyu verimine ve kalitesine etkilerini araştırmışlardır. EP işlemi kutu tipi elektroplazmolizatörde 240 V elektriksel gerilimde 1.5 saniye süreyle gerçekleştirilmiş; elde edilen şıralar ph, asitlik, renk ve verim açısından karşılaştırılmışlardır. EP işlemi gören örneklerin renkleri daha açık ve daha az oksidasyona uğrayan örnekler olduğunu belirlemişlerdir. Bunun nedeninin, şırada bulunan ve şıra renginin esmerleşmesine neden olan polifenoloksidaz enziminin elektrik akımının etkisiyle inaktive edilmesinden kaynaklandığını belirtmişlerdir. Ayrıca EP uygulanan örneklerin berraklık açısından en iyi ve şıra posa verimlerinin ise en az olduğu saptanmıştır. Üzüm suyu üretiminde EP uygulamasının denendiği bir çalışmada ise EP sırasında üzüm etinin hücre protoplazmosı ile beraber, üzüm kabuğu hücre protoplazmasının da parçalandığı ve bunun sonucu olarakta kabuktaki azotlu ve tanenli maddelerin üzüm suyuna geçtiği belirtilmiştir. Bu çalışma da EP işlemi 3.5 mm elektrot aralığına sahip ve devir/dak hızla dönen iğneli tip elektroplazmolizatörde 220 Volt, saniye süreyle gerçekleştirilmiştir.

41 15 Ayrıca bu çalışmada bir ton üzüm işlenmesi için kw/h enerji harcandığı belirtilmiştir. EP uygulamasıyla üretilen şarapların kalite açısından geleneksel yöntemle üretilenlerden farklı olmadığı ve şarap üretim hattına kolay yerleştirilebilecek bir yöntem olduğu saptanmıştır (Biryukova, 1970). Ayrıca EP uygulamasının mikroorganizma yükünün azaltılması amacıyla da kullanılabileceği belirtilmiştir. Üzüm mayşesine EP uygulamasıyla bakteri ve maya yükünün % 45-58, küf yükünün ise % 80 oranında azaldığı araştırmacılar tarafından ifade edilmektedir (Lazarenko et al., 1977). Elektrik akımın bakteriosid etkisinin akım yoğunluğu, elektrot materyali, ortam sıcaklığı ile mikroorganizmaların elektrik dirençleri, mikroorganizmaların nitelik ve niceliklerine bağlı olduğu bildirilmiştir (Fyodorova and Rogov, 1960). Domates püresi üretiminde borulu tip elektroplazmoliz kullanılarak yapılan çalışmada elektroplazmoliz ve buhar kombinasyonu uygulamasıyla geleneksel yönteme göre % 7 verim artışı sağlanmıştır. Sadece elektroplazmoliz işleminin uygulandığı durumda ise verim artışının % 2.8 olduğu ifade edilmektedir (Yıldız, 2004). Bir başka araştırmacı tarafından yapılan çalışmada ise domates salçası üretiminde % 12 verim artışının sağlandığı belirtilmektedir (Scheglov et al., 1983). Yıldız ve Baysal (2007), elektroplazmoliz, buhar ve buharelektroplazmoliz kombinasyonun domates pulpunun parçalanması üzerine etkilerini araştırmışlardır. 68V/cm de 1.5 saniye süreyle uygulanan EP işleminin diğer parçalama yöntemlerine göre likopen içeriği (273.9 mg/kg) ve renk a/b (2.00) değerlerinin daha yüksek olduğunu saptamışlardır. Son yıllarda yapılan araştırmalarda ise verim artışı sağlamak amacıyla elektroplazmoliz yanında ohmik ısıtma, PEF ve mikrodalga ısıtma yöntemlerinden de faydalanıldığı görülmektedir (Bazhal and Vorobiev; 2000; Wang and Sastry, 2002; Bazhal et al., 2003a; Bazhal et al., 2003b; Praporscic et al., 2006). Aşağıda bu çalışmalara kısaca yer verilmiştir.

42 16 Bazhal ve Vorobiev (2000) iki farklı elektriksel (electro-osmotik ve ılımlı- PEF) uygulamanın elma suyu ekstraksiyon verimine etkilerini belirlemişlerdir. Her iki elektriksel uygulamanın da verim artışına neden olduğunu; ancak enerji tüketiminin ılımlı-pef uygulamasında %50 daha az olduğunu ifade etmişlerdir. Bazhal ve ark. (2003a) tarafından yürütülen çalışmada ise farklı sebze ve meyveler kullanılarak elektroporasyon sağlayan uygun voltaj aralıklarının PEF yöntemiyle belirlenmesi amaçlanmıştır. Armut ve muzda bu aralığın V/cm; elma, havuç, patates ve salatalıkta ise V/cm olduğu belirlenmiştir. Elma dilimlerinde PEF uygulamasının plazmoliz etkisini belirlemek amacıyla yapılan çalışmada PEF uygulaması 1000 V/cm voltaj gradyeninde, 300 mikro-saniyelik pulslar şeklinde, 1 Hz frekansta ve toplam 60 puls olarak gerçekleştirilmiştir. Uygulama sonrası kontrol örneklerine göre PEF uygulanan örneklerde gözenek sayısının % 6 artış gösterdiği ve elektrik uygulaması sonrasındaki gözenek boyutlarının PEF uygulanmayan örneklerinkinden daha küçük olduğu ifade edilmiştir. Ayrıca gözenek yapısının hücre duvarı kalınlığına bağlı olarak değiştiği saptanmıştır. Elektroplazmoliz uygulamasının sadece plazmik zara değil hücre duvarına da etki ettiği belirlenmiştir (Bazhal et al., 2003b). Elma ve patateslere yapılan ohmik ısıtma uygulamasının ekstraksiyon verimi üzerine etkilerinin belirlenmesi amacıyla yapılan araştırmada dokunun parçalanmasının ve ekstraksiyon veriminin elektriksel alan şiddetine, sıcaklığa, uygulama süresine ve bitkisel dokunun yapısına bağlı olarak değiştiği ifade edilmiştir. En yüksek ekstraksiyon verimi ise ılımlı sıcaklıkta (50 o C) elektriksel işlem uygulanan örneklerde belirlenmiştir. Bunun elektriksel ve termal etki kombinasyonuna bağlı oluşan elektroporasyon sonucu ortaya çıktığı ifade edilmiştir (Praporscic et al., 2006). Ohmik ve mikrodalga ısıtma uygulamalarının elma suyu verimine etkilerinin araştırıldığı çalışmada ise o C ye ısıtma işlemi her iki yöntemle yapılmış ve termal ısıtma sıcaklığı arttıkça ekstraksiyon veriminin arttığı belirlenmiştir. Ayrıca en yüksek verimin ohmik ısıtılmış örneklerde belirlendiği

43 17 ve mikrodalga ısıtma da ise ısıtma sıcaklığı düştükçe verimin arttığı bulgulanmıştır. Bunda çalışılan frekans değerinin önemli olduğu ifade edilmiştir. Termal etkideki farklılıkların hücresel nem içeriğine bağlı migrasyonla artığı ifade edilmekte ve ohmik ısıtmanın meyve suyu verimini arttırıcı potansiyelinin olduğu vurgulanmıştır (Wang and Sastry, 2002). 2.3 Ohmik Isıtma Tekniği ve Uygulamaları Akım, voltaj ve direnç arasındaki ilişki ohm kanunu olarak bilinmektedir (I=V/R). Adını ohm kanundan alan ohmik ısıtma literatürde joule ısıtma, elektriksel direnç ısıtma, direkt direnç ısıtma, elektro-ısıtma, elektro-iletim ısıtma gibi isimlerle de anılmaktadır. Bu sistem APV in geliştirmiş olduğu patentli sisteme vermiş olduğu addır ve birçok çalışmada ohmik ısıtma olarak kullanılmaktadır (İçier, 2003). Ohmik ısıtma, gıda maddesi ile temas halinde olan elektrotlardan alternatif akım geçirilmesi ve iletkenlik özelliğine sahip olan gıda maddesinin direnç olarak kullanılması ve gıdanın elektriksel dirence bağlı olarak ısıtılması ilkesine dayanan bir elektriksel ısıtma tekniğidir (Ruan et al., 2001; Baysal ve ark., 2003). Bu sistemde gıda maddesinin elektrik akımına karşı göstermiş olduğu direnç, gıda içerisinde ısı jenerasyonuna yol açarak; elektriksel enerji ısı enerjisine dönüşmektedir (Sastry, 1989). Oluşan homojen ısı jenerasyonu özellikle sıvı gıdalarda homojen ısı ve sıcaklık dağılımına neden olmaktadır ve gıda maddesinden geçen akıma bağlı olarak oldukça hızlı bir ısıtma gerçekleşmektedir. Pratikte frekans değiştiricisine gerek kalmadan, düşük frekanstaki alternatif akım (50 veya 60 Hz) uygulaması ile ısıtma gerçekleştirilebilir (Tempest, 1995). Günümüzde ticari olarak OH ekipmanı üreten iki firma mevcuttur; APV Baker Ltd. (Carwley, UK) ve Raztek Crop. (Sunnyvale, Ca, USA). Bunlardan en çok bilineni APV nin geliştirdiği sistemdir ve düşey eşmerkezli borulardan oluşmaktadır. Bu sistem pek çok gıda maddesinin pastörizasyon ve sterilizasyonunda kullanılmakta ve iyi kalitede ürün elde edilmektedir (Ohlsson

44 18 and Bengtsson, 2002). Genel olarak ohmik ısıtma; haşlama, evaporasyon, kurutma, fermantasyon, ekstraksiyon, mikrobiyolojik ve enzimatik inaktivasyon, amacıyla uygulanmaktadır (Sastry and Barach, 2000). Yapılan çalışmalarda ohmik ısıtmanın meyve suyu ve konsantreleri, uzun ömürlü süt, puding, çorba, sos, sıvı yumurta ürünleri, bira ve şarap a duyusal özellikleri bozmadan uygulanabilecek hızlı, homojen ve etkin bir yöntem olduğu belirtilmektedir Ohmik ısıtma, gıda işleme endüstrisinde; tüketime hazır gıdaların aseptik işlenmesinde, pompalanabilir meyve sebze ürünlerinin pastörizasyonu, sıvı yumurtanın işlenmesi ve konserve sanayinde ön ısıtma olarak kullanılması gibi uygulamalara sahiptir (Vakarchuk, 1992; Sperber, 1993; Wornall, 1994; Stirling and Tempest, 1995; Hong et al. 1998; Perennou, 1998; Reznick, 1998; Farr, 1999; Jamieson and Williamson, 1999; Anonymous, 2000; Reznick, 2000; Tewari and Maurice, 2000; Mermelstein, 2001). Elektriksel yöntemlerin ortak özellikleri sıcaklık ve süreye bağlı olmalarıdır. Ohmik ısıtmada bu faktörlerin yanında sıcaklığı etkileyen başka faktörde bulunmaktadır; gıdanın elektriksel iletkenliği ve bunun sıcaklığa bağlı olarak değişimi, ısıtma sisteminin dizaynı, gıdanın termofiziksel özellikleri, elektriksel alan şiddeti, uygulama süresi, içsel sıvı hareketi vb. (Sastry and Barach, 2000). Bu yöntemde ısınma hızı elektriksel alan şiddetinin karesiyle ve elektriksel iletkenlikle doğru orantılı olarak değişmektedir. Elektriksel alan şiddeti, elektrotlar arası açıklığın ve uygulanan voltajın değiştirilmesiyle ayarlanabilmektedir (Ruan et al., 2001). Ohmik ısıtma yönteminin uygulanabilirliğinin gıda maddesinin elektriksel iletkenliğine bağlı olduğu, ancak pek çok gıda maddesinde çözünmüş tuz iyonları içeren serbest su bulunması nedeniyle gıda maddelerinin bu yöntemle ısıtılmasında iletkenlik açısından bir sorun bulunmadığı belirtilmiştir (Parrott, 1992). Halden et al. (1990) domuz eti ile yağı, patates, patlıcan, çeşitli meyveler ve şeker pancarı dilimlerinin statik hücrede tuzlu çözelti içinde sabit voltaj gradyanı (10.87 V/cm) ile ısıtılmasını incelemişlerdir. Elektriksel iletkenliğin sıcaklıkla doğrusal olarak değiştiğini, gıda maddesinde yapısal bozulmaların gözlendiğini ve nişasta jelleşmesinin ısıtma hızına etkisinin olduğunu saptamışlardır. Şeker pancarının ohmik ısıtılmasında ise çözeltiye geçen renk maddelerinin oranında artış olduğunu belirtilmektedir.

45 19 Ayrıca domates ve portakal sularının ohmik ısıtılması sırasında elektriksel iletkenlik değerlerinin farklı voltaj gradyanları (30-60 V/cm), partikül boyutu ve çözünmeyen katı içeriklerine (% ) bağlı olarak değişimi incelenmiş ve elektriksel iletkenliğin sıcaklığa ve katı içeriğine bağlı olarak değiştiği tespit edilmiştir (Palaniappan and Sastry;1991a). Palaniappan ve Sastry (1991b) diğer çalışmalarında ise katı gıda maddelerinden patates, havuç, tavuk ve az yağlı ete statik ısıtma ünitesinde 60 V/cm voltaj gradyanında ohmik ısıtma uygulamışlardır. Sebze örneklerinde elektriksel işlemin yapısal değişikliklere sebep olduğunu ve doku içi sıvıların hareketinde artışın gözlendiği; et örneklerinde ise elektriksel iletkenliğin sıcaklıkla doğrusal değiştiğini belirlemişlerdir. Ohmik ısıtmanın alışılmış ısıtma sitemlerine göre bazı avantajları mevcuttur; ekipmanların kullanımı pratiktir. Sistem diğer ekipmanlara göre daha az yer kaplamakta ve sessiz çalışmaktadır (Reznick, 2000). Ayrıca ohmik ısıtmayı diğer ısıtma yöntemlerinden ayıran ve tercih edilmesine neden olan pek çok özelliği daha vardır. Ohmik ısıtmada gıda maddesinden geçen elektrik akımı ani olarak ısı oluşumuna sebep olmaktadır. Isıtma hacimsel olarak gerçekleşmekte; ürün içerisinde homojen sıcaklık dağılımı sağlanmaktadır. 1 s den daha az bir süre içinde dahi 55 C lik sıcaklık farkı oluşturulabilmektedir (Reznick, 1996). Bir karışımda bulunan sıvı ve katı, elektriksel iletkenliklerinin aynı olması durumunda, aynı sıcaklığa aynı süre içinde ısıtılabilir. Bunun sonucunda ohmik ısıtma gıdalarda oluşabilecek ısı zararı ve besin kayıplarını da önemli ölçüde azaltabilmektedir. İstenilen doku özelliklerine sahip, parçacık bütünlüğünü koruyan, minimum aroma kaybına sahip güvenilir ürünler işlenmesini sağlamaktadır (Tempest, 1996). Ohmik ısıtma sistemlerinin aseptik ürün hatlarına adapte edilebildiği ifade edilmektedir. Bu nedenle mikrobiyolojik güvenlik açısından daha üstün özelliklere sahip, soğuk zincir donanımı olmaksızın taşınabilen ve daha düşük bozulma riski ile uzun süre rafta kalabilen ürünlerin elde edilebilmesi mümkün olabilmektedir (Biss et al., 1989).

46 20 Geleneksel sterilizasyon yöntemiyle elde edilmiş uzun ömürlü sütlerde bazı tüketiciler tarafından istenmeyen aroma oluşumu belirlenmiştir. Ohmik ısıtma uygulanan sütlerde, HTST ve UHT işlemleri sonucunda oluşan oksidatif ürünlere rastlanmadığı ve taze sütle aynı tat ve kokuya sahip ürün elde edilebildiği bildirilmiştir (Reznick, 1998; Anonymous, 2000). Oldukça yüksek sıcaklıklara daha kısa sürede çıkılabilmesi, Ohmik ısıtmanın farklı alanlarda uygulanmasını sağlamaktadır. Ohmik ısıtma birçok gıda maddesine uygulanabilirliği olan bir ısıtma yöntemidir. Gıda üreticilerine farklı ürün geliştirme ve çok değişik özelliklerde paketleme malzemesi kullanabilme şansı vermektedir (Skudder, 1989; Zoltai and Swearingen, 1996). Katı-sıvı karışımı olan gıda maddelerinde, geleneksel ısıtma yöntemlerinin tersine, Ohmik ısıtma ile elektriksel iletkenlik değerlerine bağlı olarak katıların sıvılardan daha çabuk ısınması mümkün olabilmektedir. Elektriksel iletkenlik değerine bağlı olarak yüksek katı içeriklerinde bile aseptik işlenmesine olanak sağlar (Kim et al., 1996). Ürün içerisinden homojen geçen akım, homojen ısıtmaya neden olmaktadır. Geleneksel ısıtma yöntemlerinde soğuk noktanın ısıtılması özellikle katı sıvı karışımlarında oldukça uzun zaman almaktadır (Parrott 1992; Anderson, 2008). Herhangi bir ısıtma yüzeyi olmaması nedeniyle ısı değiştiricilerdeki birikim ya da yanık tabaka oluşumu sorunu yoktur. Ayrıca sistem günde 24 saat, haftada 7 gün aralıksız çalışabilmektedir (Tempest, 1995; Reznick, 1996) ve karıştırma işlemine gerek kalmadan ısıtma işlemi gerçekleştirilmektedir. Sistemin hareketli parçaları bulunmamaktadır. Özellikle mekanik zararlara hassas olan gıda karışımları için oldukça uygundur (Allen et al., 1996; Tempest, 1996; Reznick, 2000). Bu olumlu özelliklerinin yanı sıra, sistemin iyi elektriksel izolasyona ve kontrol sistemi tasarımına ihtiyacı vardır. Sistemde çalışacak personelin yetişmiş olması ve elektriksel izolasyona sahip çalışma giysisi giymesi gerekmektedir. Sistemin mekanizması hala çalışma ve araştırma safhasındadır. Ürüne göre farklı işlem koşullarının uygulanması gerektiğinden, her ürün için ohmik ısıtma hızını etkileyebilecek tüm değişkenlerin belirlenmesi zorunludur (İçier, 2003).

47 21 Bir diğer problem ise yağ içeriği yüksek gıdaların ohmik ısıtılmasında yaşanmaktadır. Yağ globülleri su ve tuz içeriğine sahip olmamaları nedeniyle bypass edilmekte ve bu tip ürünlerde bulunan patojenik mikroorganizmaların inaktivasyonu sağlanamayabilmektedir (Sastry 1989; Rahman 1999; Anderson, 2008). İlk çalışmalarda ohmik ısıtma yönteminde mikroorganizma inaktivasyonunda esas etkinin sıcaklık artışından kaynaklandığı elektriksel etkinin düşük seviyede olduğu belirtilmiştir (Palaniappan et al., 1992). Fakat sonraki araştırmalar maya ve E. coli inaktivasyonunda bu tekniğin etkili olduğunu göstermiştir. Bunun nedeninin ohmik ısıtma da düşük frekans kullanılmasına bağlı olarak hücre duvarında yük birikmesiyle gözenek oluşumundan kaynaklandığı ifade edilmektedir (Sastry and Barach, 2001). Elektriksel akımın mikroorganizmaların üreme mekanizmaları üzerine zarar verdiği belirlenmiştir. Kan plazmasından elde edilen protein bazlı ürünlerdeki çoğu zararlı bakteri ve virüsün ohmik ısıtma işlemi ile yok edilmesinin mümkün olduğu belirtilmiştir (Palaniappan and Sastry, 1990). Literatürde ohmik ısıtmanın mikroorganizmalar üzerine etkisi ve bu işlemin gıdaların güvenlik limitlerini sağlayabilirliği üzerine yapılan çalışmalar da yer almaktadır (Palaniappan and Sastry, 1990; Parrott, 1992; Sensoy et al., 1995; Kim et al., 1996; Hyung et al., 1996; Larkin and Spinak, 1996; Zoltai and Swearingen, 1996; Tucker, 1999; Mainville et al., 2001). Portakal sularında pektinin deseterifikasyonu sonucu stabil bulanıklığın kaybolmasına ve serum ayrılmasına neden olan PME enziminin ohmik ısıtma uygulamasıyla inaktivasyonu amacıyla yapılan bir çalışmada ohmik ısıtma uygulama sıcaklığının ve süresinin artışıyla enzim inaktivasyon oranının arttığı belirlenmiştir. Ek olarak ohmik ısıtma sırasında PME enziminin % oranında inaktivasyonunun sağlandığı ve kalıntı-pme aktivitesinde ise % 5 azalma olduğu belirtilmiştir (Leizerson and Shimoni, 2005a). Sebzelerde depolama sırasında esmerleşmeye neden olan peroksidaz enziminin inaktivasyonu amacıyla da ohmik ısıtma çalışmaları yapılmıştır. İçier ve ark. (2006) bezelye pürelerinin ohmik haşlanması ile geleneksel suda haşlama

48 22 yöntemini karşılaştırmışlardır. Bezelye pürelerine 20, 30, 40 ve 50 V/cm ohmik haşlama ve 100 o C da suda haşlama işlemi uygulamışlardır. Ohmik haşlamada voltaj gradiyenindeki artışa bağlı olarak haşlama süresinin değiştiğini belirlemişlerdir. Ayrıca ohmik haşlamada sıcaklık dağılımının suda haşlamaya göre daha homojen olduğunu ifade etmişlerdir. 30 V/cm nin altındaki ohmik ısıtma uygulamalarında enerji dağılımının düşük olduğu; bu nedenle enzim inaktivasyonu için 20 V/cm deki uygulamalar için daha uzun uygulama süresi gerektiğini saptamışlardır. 20V/cm nin üzerinde kritik POD (peroksidaz) inaktivasyon süresince yapılan ohmik haşlama işlemlerinde püre renklerinin suda haşlama işlemine göre daha yüksek renk değerleri taşıdığını ve uygulanan voltaj gradiyenin püre rengi üzerine etkili olduğunu belirlemişlerdir. Ek olarak pürelerdeki renk değişiminin birinci dereceden reaksiyon kinetiğine uygun olduğunu ifade etmişlerdir. En yüksek enzim inaktivasyonun ve en iyi renk değerinin 50 V/cm voltaj gradiyeninde 54 saniyelik uygulamada elde edildiği belirtilmiştir. Mizrahi (1996) ise bütün haldeki sebzelerde 2 dakikalık ohmik haşlama işleminin 4 dakikalık suda haşlamaya eşdeğer POD inaktivasyonu sağladığını belirtmiştir. İçier ve ark., (2008) ohmik ısıtmanın üzüm suyunda polifenoloksidaz (PPO) enziminin inaktivasyonunu araştırmışlardır. 70 ve 80 o C lerde yapılan ohmik ısıtma uygulamalarında PPO aktivitesinin 40V/cm de V/cm ye göre önemli oranda düşük olduğunu belirlemişlerdir. Ayrıca V/cm deki elektriksel işlem uygulamalarına göre 40V/cm deki uygulamada enzim inaktivasyonu için daha düşük sıcaklıkların yeterli olduğunu saptamışlardır. Sabit voltaj gradiyeninde yapılan ohmik ısıtma uygulamasında ise işlem süresine bağlı olarak enzim aktivitesinde bir miktar artış belirlenmiştir bu uygulamada enzim inaktivasyonun 60 o C de 15 dakika sonunda başladığı saptanmıştır o C daki PPO enziminin inaktivasyonun ise birinci dereceden reaksiyon kinetiği modeline uygun olduğunu ve bu sıcaklık aralığında aktivasyon enerjisinin 83.5 kj/mol olduğu bulgulanmıştır. Leizerson ve Shimoni (2005b), ohmik ısıtma ve geleneksel pastörizasyon uygulamasının portakal sularının depolanması (+4 o C) sırasındaki C vitamini degradasyonunu incelemiş; ohmik ısıtma ve geleneksel pastörizasyonun C

49 23 vitamini konsantrasyonunda önemli farklılıklar yaratmadığını belirlemişlerdir. Ayrıca elektriksel yöntem ve geleneksel ısıtmanın degradasyon oranları arasında fark yaratmadığını ifade etmişlerdir. Ek olarak C vitamini içeriğine bağlı olarak uygun depolama süresinin her iki uygulama içinde 79 gün olduğunu saptamışlardır. Depolama süresi sonunda C vitamini içeriğindeki azalma geleneksel pastörizasyon da %7-25, ohmik ısıtmada ise %15 azalma belirlemişlerdir. Duyusal raf ömrünün ise Weibull-Hazard metoduyla belirlendiği çalışmada ohmik ısıtılmış örneklerin 100 günden fazla raf ömrüne sahip olduğu ve geleneksel yönteme göre 2 kat daha fazla depolanabildiği belirlenmiştir. Mikrobiyal açıdan ise her iki örnek grubunun 105 gün depolanabileceği saptanmıştır. Leizerson ve Shimoni (2005a) yüksek sıcaklıktaki ohmik ısıtma (90 C de 1.13 saniye; 120 C de 0.85 saniye; 150 C de 0.68 saniye) uygulamalarının ve geleneksel pastörizasyonun (90 C de 50 saniye) portakal sularının kalitesine etkilerini belirlemişlerdir. Bu çalışmada da bir önceki çalışmaya benzer şekilde C vitamini içeriğindeki azalma geleneksel pastörizasyon da % 7-25, ohmik ısıtmada ise % 16 azalma belirlenmiş ve ohmik ısıtma ile geleneksel ısıtmanın degradasyon oranları arasında fark yaratmadığını ifade etmişlerdir. Benzer Şekilde Lima ve ark. (1999) C vitamini degradasyonunda konvansiyonel (90 o C-30 dak) ve ohmik ısıtma arasında farklılık olmadığını her iki uygulamadaki C vitamini kayıplarının % oranında olduğunu saptamışlardır. 2.4 Mikrodalga Isıtma ve Uygulamaları Mikrodalga ısıtma dielektrik ısıtma yöntemleri arasında yer alan elektriksel bir ısıtma yöntemidir. Mikrodalgalar ultraviole ışınları, radyo dalgaları, infrared dalgaları gibi ionize olmayan elektromagnetik enerji formudur ve birbirlerini saran ve beraber ilerleyen elektrik ve magnetik unsurlardan oluşmuşlardır (Schiffman, 1986). Elektromanyetik spektrumda 300 MHz ile 300 GHz arasında değişen dalgalara mikrodalga denilmektedir (Şekil 2.2). Avrupa Topluluğu ülkelerini de içeren pek çok ülkede genellikle 915 MHz ve 2450 MHz frekansları kullanan mikrodalga fırınlar yaygın olarak kullanılmaktadır,

50 24 mikrodalgaların bu frekanslardaki dalga boyları sırasıyla 0.33 m ve 0.12 m dir (Annis, 1980). Genel olarak 2450 MHz frekans ev tipi mikrodalga fırınlarda kullanılırken, 915 MHz endüstriyel fırınlarda kullanılmaktadır (Knutson et al., 1987). Mikrodalgaların haberleşme, radar gibi uygulamalarda da kullanılması nedeniyle ABD Federal Komunikasyon Komitesi, mikrodalgaların endüstriyel, bilimsel ve medikal amaçlarla kullanımını 915, 2450, 5800, MHz ile sınırlamıştır. Uluslararası Telekomunikasyon Birliği de mikrodalgaların endüstriyel, bilimsel ve medikal amaçlarla kullanımına benzer kısıtlamalar getirmiştir (Mudgeet, 1986a). Mikrodalgaların dalga boyu örnek boyutlarına yakın hatta daha küçüktür; bu nedenle mikrodalgalar gıda içerisine yeterince nüfuz edememekte ve bölgesel ısınmalar ile yanıklara neden olabilmektedir (Kolbe et al., 2001). Şekil 2.2 Elektromanyetik Spektrum Biyolojik materyaller elektromanyetik dalganın elektrik alan enerjisini absorbe ederken manyetik alan enerjisini absorbe edemezler. Cam ve ısıya dayanaklı plastik maddeler gibi ambalaj materyalleri genelde mikrodalga frekanslarındaki elektromanyetik dalgaları çok az veya hiç absorbe etmeden geçirirler (Ryynanen, 1994). Fakat alüminyum ve diğer metaller tarafından yansıtılırlar (George and Burnett, 1991). Bu yansıtmanın nedeni metal içerisinde bulunan iyonlardır. Geleneksel ısıtma sistemlerinde gıdaların yüzeyindeki ince bir katman fırın havasından oluşan konveksiyon ve fırın duvarları ve ısıtıcılarından yayılan infrared radyasyonun absorpsiyonu ile ısıtılır ve gıdanın iç kısmının ısıtılması bu ince tabakadan içeriye doğru ısının kondüksiyonu ile olmaktadır (Annis, 1980; Curnutte, 1980).

51 25 Mikrodalgalar magnetron adı verilen özel elektron tüplerinde elektrik enerjisini belli bir dalga boyundaki elektromanyetik radyasyona dönüştürerek elde edilmektedir. Mikrodalgaları üreten sistemlerde elektromanyetik enerjiye dönüşen elektrik enerjisi gıdalar tarafından emilerek iç enerjiye dönüşmektedir (Mudgeet; 1986b). Mikrodalga ısıtma mekanizması mikrodalga frekansındaki elektromanyetik dalganın etkisi, elektromanyetik dalganın elektrik alan bileşeni ile gıdaların kimyasal bileşenlerinin etkileşimi sonucu ortaya çıkmaktadır. Gıdaların termal kondüktiviteleri yüksek olmadığından ısı içe doğru yavaş ilerler ve gıdanın ısıtılması oldukça uzun zaman alır (Curnutte, 1980). Oysa mikrodalga ısıtmada fırın boşluğu soğuk kalır ve magnetrondan yollanılan dalgalar ile oluşan elektrik alanı, üründeki molekülleri hareketlendirir ve moleküllerdeki friksiyona bağlı olarak meydana gelen sürtünme sonucu ısı oluşur, yani ısınma gıdanın kendisinin içerisinde şekillenir (Curnutte, 1980; Heddleson and Doores; 1994). Bu moleküler sürtünme, ya iyonik polarizasyon şeklinde iyonların hareketleriyle ya da dipol dönmesi şeklinde üründeki polar moleküllerin (su gibi) hareketleriyle oluşur (Mermelstein, 1989; Swain, 1995). Dipol Dönmesi: Gıdalar başta su olmak üzere çeşitli polar moleküller içermektedir. Bu moleküller gıda içerisinde gelişi güzel bir şekilde bulunurlar. Elektrik alan uygulandığında gıda içerisindeki elektriksel olarak asimetrik ve polar moleküllerin frekansa bağlı olarak polaritesi hızla değişen elektrik alan nedeniyle dönme eğilimi (dipol dönmesi) göstermektedir. Örneğin 2450 MHz de çalışan ev tipi mikrodalga fırınlar da elektrik alanın yönü saniyede 2.45 milyar kez değişmektedir. Hızla değişen elektrik alanının polaritesine uyum sağlamak için dönen polar moleküllerin, birbirleri ile ve ortamdaki diğer moleküllerle sürtünmeleri nedeniyle ısı açığa çıkmaktadır. Pozitif yükler kısmi olarak hidrojen atomları ve negatif yükler de kısmi olarak oksijen atomu üzerinde toplanırlar. Su polar bir molekül olması nedeniyle elektriksel enerjiyi pek çok molekülden daha iyi absorbe edebilmektedir (Mugeet, 1986a; Buffler, 1993). İyonik polarizasyon: Gıda içerisinde ki çözünmüş tuzların iyonik bileşenleri üzerilerindeki elektriksel yük nedeniyle uygulanan elektrik alanın polaritesine zıt istikamette hızlanarak hareket etmektedirler. İyonların birbirleriyle

52 26 çarpışması hareket eden iyonların kinetik enerjilerinin termal enerjiye dönüşmesine neden olmaktadır (Buffler, 1993; Singh and Heldman, 1993). Mikrodalga frekanslarında dipol dönmesi dielektrik kayıp faktörünün büyük bir kısmını oluştururken iyonik polarizasyon etkisi düşük seviyelerde kalmaktadır. İyonik polarizasyon daha çok diğer bir dielektrik ısıtma yöntemi olan radyo frekans yönteminde etkilidir. Bu nedenle çözünmüş tuz içeren materyaller radyo frekanslı dielektrik ısıtıcılarda daha iyi ısıtılabilmektedir (Vega-Mercado et al., 2001). Mikrodalgaların gıdalara penetrasyon kabiliyeti vardır. Bu penetrasyon kabiliyeti gıdalarda 7.6 cm'ye kadar çıkabilmektedir (Harrison, 1980). Mikrodalga fırın boşluğunun soğuk olması nedeniyle ısınma sırasında yüzeyden evaporasyonla nem kaybı olmakta ve bunun sonucunda da mikrodalgada ısıtılan gıdaların yüzeylerinde ölçülen sıcaklık derecesi yüzeyin hemen altından alınan sıcaklık derecelerinden daha düşük olmaktadır (George and Burnett, 1991). Mikrodalgalar kullanılarak yapılan ısıtmada pek çok faktör gıdanın ısınma performansını etkilemektedir bu faktörlere aşağıda değinilmiştir: Frekans: Elektromanyetik dalganın, gıdaya nüfuz etme miktarı dalganın frekansına ve gıdanın dielektrik özelliklerine bağlıdır. Elektromanyetik dalganın dalga boyu arttıkça yani frekansı azaldıkça elektromanyetik dalganın gıdaya penetrasyon miktarı artmaktadır. Örneğin 2450 MHz deki mikrodalgalar saf suya 2.3 cm derinliğe kadar işleyebilirken 915 MHz deki mikrodalgalar saf suya 20 cm ye derinliğe kadar girmektedir. Gıdanın dengeli bir Şekilde ısıtılabilmesinde büyüklüğüne göre frekans seçimi oldukça önemlidir (Schiffmann, 1986). Güç ve ısıtma hızı: Endüstride kullanılan mikrodalga ısıtma sistemlerinin gücü genellikle kw arasında değişmektedir. Gıdanın su içeriği: Gıdadaki su oranı arttıkça ısınma hızı artacaktır.

53 27 Gıdanın fiziksel şekli: Gıdanın şekli ne kadar düzgün olursa o derece düzgün ısınacaktır. Ayrıca gıdanın ve mikrodalga fırının ilk sıcaklığı; materyal miktarı ve yoğunluğu; materyalin elektriksel ve termal iletkenliği ile materyalin mikrodalga fırın boşluğundaki pozisyonu, paketleme şekli ve materyali oluşturan unsurların boyutu da ısıtma performansını etkileyen faktörler arasında yer almaktadır (Vega- Mercado et al., 2001; Schiffmann, 1986; Mermelstein, 1989; George and Burnett, 1991; Harrison, 1980; Ohlsson, 1993; James, 1993). Gıdalarda mikrodalga ısıtma uygulamalarının hızlı ve homojen ısıtma,seçici ısıtma, verimli çalışma ve kaliteli ürün sağlama gibi avantajları bulunmaktadır (Schiffmann, 1986; Clark, 1997). Mikrodalga makarna, yumurta, soğan, patates, çeşitli sebzeler, pirinç, hayvan yemleri, kahvaltılık tahıl ürünleri ve bisküvilerin kurutulmasında endüstriyel düzeyde kullanılmaktadır. Mikrodalga ve sıcak hava kombinasyonu kullanan kurutucularda kurutulan ürünlerin rehidrasyon özelliklerinin ve aromalarının daha iyi olduğu literatürde bildirilmektedir. Örneğin vakum altında mikrodalga kullanılarak kurutulan muz dilimlerinin dondurularak kurutulmuş örneklerden daha kaliteli oldukları da yine literatür bilgileri arasındadır (Nijhuis et al., 1998). Mikrodalga ısıtma dondurulmuş gıdaların çözündürülmesinde de kullanılabilmektedir. Geleneksel çözündürme metotlarında ısı, gıdanın termal iletkenliğine bağlı olarak farklı hızlarda yüzeyden içe doğru nüfus etmektedir. Gıdanın tazeliğini ve kalitesini korumak amacıyla çözme işlemi 2-4 C civarına ayarlanmış su banyolarında veya soğutucularda gerçekleştirilmektedir. Bu nedenle çözme işlemi oldukça uzun sürmektedir. Mikrodalga ısıtma teknikleri ile gıda kısa bir süre içerisinde çözündürülebilmektedir (Nijhuis et al., 1998). Ayrıca sıvı, emülsiyon ve katı-sıvı karışımı gıdalar mikrodalga yöntemi ile ambalajlı yada ambalajsız olarak pastörize veya sterilize edilebilmektedir. Sıvı veya yarı sıvı gıdaların pastörizasyonunda genellikle ısı değiştiriciler

54 28 kullanılmaktadır. Borusal ısı değiştiricilerde ısı boru yüzeyinden içe doğru transfer olmakta ve boru yüzeyi fazla ısınarak boru cidarına yakın materyalin yanmasına ve boru yüzeyine yapışmasına neden olabilmektedir. Plakalı ısı değiştiriciler kullanılarak bu sorun çözülebilir ise de pahalı olmaları ve viskoz ve katı partikül içeren gıdaların pastörizasyon ve sterilizasyonu için uygun olmamaları gibi problemler taşımaktadırlar. Ayrıca borulu ısı değiştiricilerde ısı yüzeyden ortaya doğru belli bir süre içerisinde transfer olmakta ve bu nedenle boru yeterince uzun olmak zorundadır. Bu sorunlar uygun şekilde dizayn edilmiş mikrodalga ısıtma sistemleri kullanılarak çözülebilmektedir (Schiffmann, 1986; Clark, 1997). Picouet ve ark., (2009) elma püresi üretiminde ön işlem mikrodalga ısıtma (652 W-35 sn) uygulamasının fiziksel, kimyasal ve mikrobiyolojik etkilerini incelemişlerdir. Araştırmada 1 log (E. coli) mikrobiyal azalma olduğu ancak enzim (PPO) inaktivasyonun sağlanamadığı ve C vitamini degradasyonunun önlendiği belirtilmiştir. Ayrıca elma püresi örneklerinin viskozitelerinin ve titrasyon asitliklerinin uygulamadan etkilenmeği ifade edilmiştir. Tajchakavıt ve Ramaswamy (1997) mikrodalga ısıtma uygulamasının portakal sularında PME enziminin desimal azalma süresini belirlemek amacıyla yaptıkları çalışmada; 700 W gücünde çalışan ev tipi bir mikrodalga fırını sürekli hale getirerek kullanmışlardır. PME enziminin mikrodalga uygulanmış portakal sularındaki desimal azalma süreleri 38 sn (55 o C), 12 sn (60 o C), 4sn (65 o C), 1.3 sn (70 o C) olarak bulunmuştur. Geleneksel pastörizasyon işleminde ise PME enziminin desimal azalma süreleri 150 sn (60 o C), 37 sn (70 o C) olarak belirlenmiş ve mikrodalga ısıtma uygulamasının PME inaktivasyonunda daha etkin bir yöntem olduğunu ifade edilmiştir. Nikde ve ark. da (2003) portakal sularında benzer koşullardaki mikrodalga ısıtma uygulamasının PME ve mikrobiyal inaktivasyonda geleneksel pastörizasyon yönteminden daha etkili olduğunu belirlemişlerdir. Elma sularında mikrodalga ısıtma ( W, saniye, 2450 MHz) uygulamasının E.coli inaktivasyonu üzerine etkilerinin belirlendiği bir çalışmada;

55 29 mikrodalga ısıtmada kullanılan güç seviyesinin ( ) ve uygulama süresinin (60-90 saniye) artışına bağlı olarak E.coli populasyonunda 2-4 log azalmaya neden olduğu ifade edilmiştir (Canumir et al., 2002). Vikram ve ark., (2005) mikrodalga ( W), ohmik ısıtma, infrared ve geleneksel ısıtma (50-90 o C) uygulamalarının portakal sularındaki C vitamini degradasyonuna etkilerini araştırdıkları çalışmada en yüksek C vitamini degradasyonun mikrodalga uygulamasında ortaya çıktığını belirlemişler; bunun nedeni olarak da mikrodalga ısıtmadaki kontrolsüz sıcaklık artışını öne sürmüşlerdir. Ohmik ısıtmanın tüm sıcaklık değerlerinde ve çalışılan yöntemler içerisinde en az C vitamin kaybına neden olduğunu saptamışlardır. Çalışmada örneklere ait görsel renk değerini ise karotenoid indeksi ile saptamışlardır. Örneklerin vitamin ve renk değerlerine ait aktivasyon enerjilerini kj/mol olarak belirlemişlerdir. Mikrodalga dışındaki tüm yöntemlerde C vitamini degradasyonu için z değerlerinin o C olduğu ifade edilmiştir. Portakal suyu üretiminde geleneksel ısıl işlem yerine kullanılabilecek elektro-termal (ohmik ısıtma ve mikrodalga ısıtma) uygulamalarının yanında termal olmayan (vurgulu elektrik alan ve yüksek basınç) uygulamalar üzerine çalışmalarda literatürde yer almaktadır. Vurgulu elektrik alan (PEF) iki elektrot arasında bulunan gıda maddesinin çok kısa süreyle (1-100 µs) yüksek voltaj elektriksel alan (80-10 kv/cm) etkisi altında bırakıldığı bir işlemdir. Mikrobiyolojik ve enzimatik inaktivasyon ile bitkisel dokunun parçalanması amacıyla kullanılır. Ayrıca düşük sıcaklıklarda çalışılması ürünün fiziksel ve besinsel özelliklerinin koruması açısından da avantaj sağlamaktadır (Heinz et al., 2003). Renk, tat ve koku kaybını azaltma açısından da diğer tekniklere göre üstünlükleri mevcuttur. Protein denaturasyonunun daha düşük seviyelerde kaldığı ve C vitamini kaybının ise daha az görüldüğü belirtilmektedir (Jia et al., 1999). Jia ve ark. (1999), 30 kv/cm ve ms de gerçekleştirdikleri PEF ve geleneksel pastörizasyon (90 o C, 1 dak) işlemlerinin portakal suyunun aroma ve mikrobiyolojik özellikleri üzerine etkilerini araştırmışlardır. Portakal sularındaki

56 30 aroma kayıpları 240, 480 ms PEF ve pastörizasyon için sırasıyla % 3.0, %9.0 ve %22.0 olarak belirlenmiştir. Maya ve küf yükü miktarları ise kontrol, 240, 480 ms PEF ve pastörizasyon için sırasıyla 2800, 15, 9 ve 4 kob/ml olarak saptanmıştır. Rivas ve ark., (2006) yine portakal suyunu materyal olarak kullandıkları çalışmada 25 kv/cm elektrik alan ve 280, 330 ms lik PEF uygulamalarının ve 98 o C ve 21 sn geleneksel pastörizasyon uygulamasının portakal suyu kalitesine etkilerini araştırmışlardır. Uygulamalar sonrasında örneklerin HMF ve renk (L*, C*) değerleri açısından fark olmadığı belirlenmiştir. Toplam asitlik ve bulanıklık değerlerinin ise geleneksel pastörizasyon uygulanan örneklerde daha yüksek olduğu ifade edilmiştir. PEF uygulanan örneklerin ise duyusal açıdan daha üstün olduğu ve işlem görmemiş portakal suları ile benzer olduğu saptanmıştır. Geleneksel pastörizasyonun mikroorganizma ve enzim inaktivasyonunda PEF yönteminden daha etkin olduğunu ve örneklerin depolama süresinin ise 2 o C da 4 hafta olduğunu ifade edilmiştir. Yüksek yoğunluklu vurgulu elektrik alan (HIPEF) uygulamasının portakal sularına 10 8 kob/ml oranında inoküle edilen Lactobacillus brevis inaktivasyonun belirlendiği çalışmada; HIPEF uygulaması 35 kv/cm de 4 ms lik pulslar şeklinde (toplam 1000 ms) ve 200 Hz, maksimum 32 o C de gerçekleştirilmiştir. Uygulama sonrası portakal sularındaki mikrobiyal inaktivasyonun 5.8 log oranında gerçekleştiği saptanmıştır. Bu oranın geleneksel pastörizasyon (90 o C-1 dak) uygulaması sonrasında saptanan inaktivasyondan daha yüksektir. Ayrıca elektron mikroskobu altında yapılan incelemede L. brevis hücrelerinde HIPEF uygulaması sonucu hasar oluştuğu da belirlenmiştir (Elez-Martinez, 2005). Cserhalmi ve ark., (2006) benzer PEF uygulamasının portakal sularının ph, o Briks, elektriksel iletkenlik, viskozite, HMF, esmerleşme indeksi ve organik asit içeriği değerlerinde istatistiksel bir farklılık olmadığını, duyusal özellikler açısından ise PEF uygulanan örneklerden daha üstün olduğunu belirtmişlerdir. Termosonikasyon (TS) uygulması ile kombine edilen PEF uygulamasının portakal suyunun duyusal özellikleri ile raf ömrü üzerine etkilerinin belirlendiği çalışmada ise 55 C da 10 dak TS uygulaması sonrasında portakal suyu örnekleri

57 31 40 kv/cm elektriksel alanda 150 ms PEF işlemi uygulanmıştır. 94 C da 26 sn lik geleneksel ısıl işlem uygulanan portakal suları ise kontrol grubu olarak kullanılmış ve tüm örnekler 25 C da 168 gün süreyle depolanmıştır. Örneklerin tamamının ph, o Briks ve iletkenlik değerlerinde istatistiksel bir farklılık saptamamışlardır. Depolama sonunda örneklerin mikrobiyolojik olarak güvenli olduğu (<1000 kob/ml) ancak TS/PEF kobinasyonun mikrobiyal yükünün geleneksel pastörizasyon grubundan daha fazla olduğu ifade edilmiştir (Walkling- Ribeiro et al., 2009). Literatürde yüksek basınç uygulaması (HP); MPa aralığında, 2-30 dak süreyle ve ortam sıcaklığında uygulanan termal olmayan bir yöntem olarak tanımlanmaktadır ve bu yöntemin gıda işlemede mikrobiyal ve enzim inaktivasyonu amacıyla kullanılabileceği ifade edilmektedir (Alpas, 2000). Alpas, (2000) 345 MPa, 50 o C ve 5 dak süreyle gerçekleştirilen HP uygulamasının portakal sularında bulunan patojen mikroorganizmalarda 8 log dan fazla inaktivasyona neden olduğunu saptamış, ayrıca 4 o C de 24 saat ve 37 o C de 48 saat depolama sonrasında da mikrobiyal bir gelişim olmadığını ifade etmiştir. Portakal sularında bulunan PME enziminin inaktivasyonu amacıyla HP ( MPa) ve ılımlı sıcaklık (30 60 o C) kombinasyonu uygulamasının gerçekleştirildiği bir çalışmada ise PME inaktivasyonun birinci dereceden reaksiyon kinetiğine uygun olarak gerçekleştiği ve kalıntı enzim aktivitesinin % 5-20 oranında bulunduğu belirlenmiştir. Portakal suyunun aktivasyon enerjisi ise 600 MPa ve 50 o C da 109 kj/ mol olarak saptanmıştır (Polydera et al., 2004). Polydera ve ark., (2005), 600 MPa, 40 o C ve 4 dak süreyle yapılan HP ve 80 o C de 60 sn süreyle geleneksel pastörizasyon yapılan portakal sularının raf ömrünü belirlemeye çalışmışlardır. HP uygulanan portakal sularının örneklerde oluşan C vitamini degredasyonu dikkate alınarak raf ömrünün geleneksel üretime göre 15 o C daki depolamada % 49, 0 o C daki depolamada ise % 112 arttığını belirtmişlerdir. Örneklere ait aktivasyon enerjilerinin ise HP grubunda 68.5 kj/mol, pastörizasyon grubunda ise 53.1 kj/mol olduğu ifade edilmiştir. Ayrıca

58 32 HP uygulanan örneklerin duyusal özelliklerinin taze portakal (işlem görmemiş) suyuna benzer; viskozitelerinin ise geleneksel pastörize edilen örneklerden yüksek olduğu saptanmıştır. Çalışmada renk kaybı ve askorbik asit kaybı arasında liner korelasyon (R 2 =0.85) olduğunu ifade etmişlerdir. Lacroix ve ark., (2005) dinamik HP uygulamasının ve ön ısıtma işlemlerinin portakal sularındaki PME aktivitesi ile stabil bulanıklık üzerine etkilerini belirlemişlerdir. Tek başına dinamik basınç uygulaması sonucu kalıntı enzim aktivitesinin % 20 düzeyinde olduğu belirlenmiştir. 50 o C a 10 dak ısıtma işleminin HP etkinliğini arttırdığını saptamışlardır. 30 o C da depolama sırasında ise bulanıklık stabilitesinin bu örneklerde korunduğunu ifade etmişlerdir. Ayrıca bulanıklık stabilitesine sadece PME aktivitesine bağlı olmadığını partikül büyüklüğünün ve portakal suyunun bileşiminde bulunan pektinin yapısal değişimine de bağlı olduğunu vurgulamışlardır. Bayındırlı ve ark., (2006) HP ve ılımlı sıcaklık uygulamaları kombinasyonun bazı meyve sularının mikrobiyolojik ve enzimatik inaktivasyondaki etkilerini belirlemek amacıyla yürüttükleri çalışmada; Staphylococcus aureus 485, Escherichia coli O157:H7 933 ve Salmonella Enteritidis in 350MPa, 40 o C da ve 5 dak işlem süresinde elma, portakal, kayısı ve vişne sularında tamamen inaktivasyon sağlandığını belirtmişlerdir. Elma sularındaki kalıntı PPO enziminin ise 450MPa, 50 o C ve 60 dak uygulama sonunda % 9± 2.2; portakal sularındaki kalıntı PME oranının ise %7± 1.6 olduğu ifade edilmiştir. Portakal sularında bu uygulama 40 o C da yapıldığında ise kalıntı enzim aktivitesinin %12 ±0.2 düzeyinde kaldığını saptamışlardır. Ek olarak 2 haftalık depolama sonunda enzimin aktive olmadığı belirtilmiştir. 2.5 Cevap Yüzey Yöntemi Literatürde Response Surface Metodology (RSM) olarak geçen Cevap Yüzey Yöntemi ilk olarak 1951 yılında Box ve Wilson tarafından geliştirilmiş ve tanımlanmıştır. Araştırmacıların öne sürdüğü bu yaklaşım, son 60 yılda mühendislerin, bilim adamlarının ve istatistikçilerin endüstriyel proseslerin geliştirilmesine bakış açılarının tamamıyla değişmesine neden olmuştur. Son

59 33 yıllarda bu metodu kapsamlı bir şekilde inceleyen birçok çalışma yayınlanmıştır. (Cochran and Cox, 1957; Hill and Hunter 1966; Davies, 1967; Mead and Pike, 1975; Myers et al., 1989; Thompson, 1982; Myers and Montgomery, 1995; Khuri and Cornell, 1996; Eren, 2004). Cevap Yüzey Yöntemi proseslerin geliştirilmesi ve optimizasyonu için gerekli bir takım istatistiksel ve matematiksel tekniklerin bir arada kullanıldığı bir yöntem olarak tanımlanmıştır (Myers ve Montgomery; 1995). Bu yöntem proseslerin geliştirilmesi ve optimizasyonu için gerekli bir takım istatistiksel ve matematiksel tekniklerin bir arada kullanıldığı bir metottur. Genel olarak, RSM uygulamalarının doğasını bir dizi istatistiksel ve matematiksel tekniklerin birbiri ardına uygulanması ve her bir aşamada elde edilen verilerin bir sonraki aşamada kullanılması oluşturmaktadır. RSM proses değişkenlerinin deneysel uzayını araştırmak için deneysel stratejileri, sistemin yanıtı ve üzerinde etkili olan bağımsız değişkenler arasındaki ilişkiyi belirlemek için kullanılan empirik modelleme tekniklerini ve proses değişkenlerinin sistemin yanıtında arzu edilen etkiyi gösterdiği seviyelerinin bulunması için kullanılan optimizasyon tekniklerini içermektedir. Dolayısıyla, denemelerin dizayn edilmesi, model geliştirilmesi (regresyon analizi), varyans analizi (ANOVA) ve optimizasyon RSM in başlıca kısımlarını oluşturmaktadır (Eren, 2004). Sharma ve ark., (2005) ise havuç suyu üretiminde verim artışı sağlamak amacıyla enzim konsantrasyonu ( mg/kg), pektolitik ve selilozik enzim karışım oranı (3:7 7:3), inkübasyon süresi ( min) ve sıcaklığın (25 65 o C) RSM ile optimizasyonunu amaçlamışlardır. Çalışma merkezi karma tasarım kullanılarak yürütülmüştür. Araştırmada optimum nokta: enzim konsantrasyonu mg/kg; pektolitik ve selilozik enzim karışım oranı 3.84:6.16; inkübasyon süresi 130 dak ve inkübasyon sıcaklığı 47 o C olarak belirlenmiştir. Bu koşullarda yapılan üretim sonucunda havuç suyu ekstraksiyon veriminin % 74.3 olarak belirlendiği ve verim artışının % olduğu ifade edilmiştir.

60 34 Sun ve ark., (2006) ise yine havuç suyunu materyal olarak aldıkları çalışmada RSM merkezi karma tasarım kullanılarak optimum üretim koşullarını belirlemişlerdir. Enzim konsantrasyonu, inkübasyon süresini bağımsız değişken olarak; beta-karoten, ekstraksiyon verimi ve viskozite ise cevap olarak alınmıştır. 100 ml/t enzim konsantrasyonu, 80 dak inkübasyon süresi optimum nokta olarak belirlenmiştir. Belirlenen optimum noktada beta-karoten içeriği 54.2 mg/kg, ekstraksiyon verimi %63.5 ve viskozite 2.1 mpas olarak belirlenmiştir. Portakal sularında sonikasyon uygulamasının RSM kullanılarak optimize edildiği çalışmada, bağımsız değişken olarak sonikasyon şiddet seviyesi ve uygulama süreleri, bağımlı değişken olarak da bulanıklık, esmerleşme indeksi ve renk (L*, a* and b*) değerleri alınmıştır. İki faktörlü merkezi karma tasarım kullanılarak yürütülen optimizasyon çalışması beş merkezli olarak yürütülmüştür. Bağımsız değişken çalışma aralıkları % şiddet seviyesi ve 2-10 dak süre olarak alınmıştır. Optimizasyon sonucuna göre % 60 şiddet seviyesi ve 2 dak uygulama süresinin optimum noktalar olduğu ve bu üretim koşullarında ki bulanıklık, esmerleşme indeksi ve renk (L*, a* and b*) değerlerinin sırasıyla; 1.27; 0.09; 62.2; 5.19; 56.9 olduğu saptanmıştır (Tiwari et al., 2008a). Portakal suyu üretiminde RSM optimizasyonu içeren kısıtlı sayısı araştırma bulunmakta bu çalışmalar da tez konusu ile ilgili elektriksel yöntem koşullarının optimizasyonunu içermemektedir. Literatürde yer alan çalışmalar: Alicyclobacillus acidoterrestris sporlarının termal inaktivasyonu (Silva et al., 1999), acılık giderme (Ribeiro et al., 2003), ozon uygulaması (Tiwari et al., 2008b) ve portakal suyunun çitosan ile zenginleştirilmesi konularında yapılmıştır (Martín-Diana et al., 2009).

61 35 3.MATERYAL VE YÖNTEMLER 3.1 Materyal Tez çalışmasında materyal olarak kullanılan Valencia ve Washington Navel portakal çeşitleri Salihli/Manisa bölgesinde faaliyet gösteren Zumdieck Konserve ve Dondurulmuş Gıda Ltd. Şirketinden temin edilerek Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Gıda Mühendisliği Bölümü pilot tesisine getirilmiştir. Portakallar işleninceye kadar +7 o C de ve % bağıl nemdeki soğuk hava deposunda tutulmuş ve 48 saat içerisinde işlenmiştir. 3.2 Yöntemler İşleme yöntemleri Bu tez çalışması; çalışma koşullarının belirlenmesi ve optimizasyonu ile elde edilen optimum koşullarda portakal suyu üretimi ve depolanması olarak genelde iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Üretim koşullarının optimize edilmesi için yapılan denemeler yıllarında, depolama üretimleri 2009 yılında gerçekleştirilmiş ve mevsime bağlı olarak Valencia ve Washington Navel portakal çeşitleri kullanılarak yürütülmüştür. Mikrodalga ve ohmik ısıtma ile yapılan pastörizasyon işleminde Washington Navel çeşidi kullanılmış ancak elde edilen sonuçların geçerliliği tez kapsamında üretimlerde kullanılan Valencia çeşidi ile doğrulanmıştır. Depolama aşaması üretimlerinin tamamında ise Valencia çeşidi ile çalışılmıştır. Portakal suyu optimizasyon denemeleri ve üretiminde kullanılan ekipmanların özellikleri ve optimizasyon sonrasında yapılan üretimler ile ilgili açıklamalar aşağıda verilmiştir Pilot ölçekli iğneli tip elektroplazmolizatör Tez çalışmasında portakalların meyve suyuna işlenmesi öncesinde uygulanan elektroplazmoliz işlemi için uygun olabilecek bir elektroplazmolizatör tasarımı yapılmıştır. Elektroplazmolizatör tasarımı ve yapımı EBİLTEM /Bil-027 nolu proje kapsamında ÇERMAK Makine (Manisa) işbirliğinde gerçekleştirilmiştir. Elektroplazmoliz uygulaması parçalanmamış bütün haldeki

62 36 meyvelerin işlenmesine uygun olarak tasarlanmış ve yapılmış olan iğneli tip elektroplazmolizatör kullanılarak gerçekleştirilmiştir (Şekil 3.1). Söz konusu ekipman üzerinde paslanmaz çelik iğneler (2018 adet) bulunan iki adet silindir, sisteme farklı voltajlarda (0-380 volt) elektrik akımı verebilen izole trafo destekli varyak ve silindirlerin dönüş hızının ayarlanmasını sağlayacak kontrol sistemi ve elektrik güvenlik donanımından oluşmaktadır. Beslemenin sabit debide yapılmasını ve örneklerin silindirler arasından geçerken iğnelerle temas halinde olmasını sağlayabilecek besleme ünitesi mevcuttur. Ayrıca farklı boyutlardaki meyvelerin işlenebilmesi için silindirler arası mesafe ayarlanabilir durumdadır (Şekil 3.2). Çalışmada silindirler arası mesafe 6.5 cm, iğneler arası mesafe 4.5 ve silindir dönüş hızı 25 sn/1 devir olarak ön denemelerde belirlenmiş koşullarda yürütülmüştür. HAMMADDE Varyak Hız ayarlayıcı Şekil 3.1 İğneli tip elektroplazmolizatörün şematik gösterimi Şekil 3.2 İğneli tip elektroplazmolizatör

63 Laboratuar düzeyde sürekli mikrodalga sistemi Bu çalışmada portakal suyunun mikrodalga pastörizasyonu ARÇELİK MD 595 Model, 2450 Mhz mikrodalga fırın sıvı gıdalar için sürekli hale getirilerek gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla mikrodalga fırın ısıtma bölmesine 3 metre uzunluğunda ve 8 mm iç-11mm dış çaplı mikrodalga ışınıma direnç göstermeyen silikon hortum yerleştirilmiş ve akış kontrolü Watson-Marlow marka 505U/RL model peristaltik pompa ile sağlanmıştır. Mikrodalga ısıtma ünitesi W güç düzeyinde çalışmaktadır ve sistem içerisinde RPM akış sağlanabilmektedir. Yapılan ön denemelerle RPM debi dönüşümleri yapılarak her bir RPM e karşılık gelen debi (ml/dak) değerleri belirlenmiştir (Ek 3.1. RPM debi dönüşüm grafiği). Ayrıca mikrodalga giriş ve çıkışında bulunan örnek kaplarına yerleştirilen ısıleşler yardımıyla portakal suyunun giriş ve çıkış sıcaklıkları belirlenmiştir (Şekil 3.3). Ayrıca sistem oluşturulduktan sonra tam güçte çalıştırılarak kaçak ışın (HÖR-electronic; Microwave-Leakage-Tester MLT 4) kontrolü yapılmıştır. Şekil 3.3 Laboratuar Düzeyde Sürekli Mikrodalga Sistemi Laboratuar ölçekli ohmik ısıtma sistemi İçier (2003) de ayrıntıları ile açıklanan ohmik ısıtma sistemi portakal sularının ohmik pastörizasyonu amacıyla kullanılmıştır. Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Gıda Mühendisliği Bölümünde bulunan laboratuar ölçekli ohmik ısıtma sistemi izole trafo, varyak (0-270 V), ohmik ısıtma hücresi ve bilgisayar bağlantılı mikroişlemciden oluşmaktadır (Şekil 3.4). Sistem varyak ünitesi sayesinde farklı voltaj gradyanlarında çalışabilme imkanı vermektedir.

64 38 Çalışma süresince dörtgen kesitli Teflon ohmik ısıtma hücresi kullanılmış ve 4 cm elektrot açıklığında çalışılmıştır. Varyak V Mikroişlemci Bilgisayar İzole trafo 50 Hz T Test hücresi Şekil 3.4 Laboratuar ölçekli ohmik ısıtma sisteminin şematik gösterimi (İçier,2003) Pastörizasyon işlemi Literatürde portakal suyunun materyal olarak kullanıldığı çalışmalarda geleneksel pastörizasyon uygulamasına ait farklı sıcaklık ve süreler kullanılmıştır: 90 o C; 1 dak (Elez-Martinez et al., 2006; Sanchez-Moreno et al., 2005); 90 o C- 90 sn (Choi et al., 2001). Ancak tez çalışmasında endüstriyel uygulamalarda kullanılan 95 o C da 1 dakikalık ısıl işlem koşulu kullanılmıştır. Tez çalışmasında geleneksel ısıtma uygulaması olarak kullanılan pastörizasyon işlemi, portakal suları 200 ml lik cam kavanozlara konulduktan sonra benmari usulü kontrollü ısıtma işlemi uygulanarak gerçekleştirilmiştir. Geleneksel pastörizasyon işlemi ürün soğuk nokta sıcaklığı 95 ºC ye ulaştıktan sonra 1 dakika bu sıcaklıkta tutularak yapılmıştır Portakal suyu üretimi Tez çalışmasında kullanılacak portakal suyu üretim yöntemi ön denemeler yapılarak belirlenmiştir. Uygun yöntemin belirlenmesinde sanayi uygulamalarında kullanılan ekstraksiyon ve presleme yöntemlerinde kullanılabilir akım şeması oluşturulmasına dikkat edilmiştir. Çalışmanın portakal suyu eldesi aşamasında ise farklı meyve suyu ekstraksiyon cihazları denenmiş ve çalışmada ekstraksiyon