ISIL İŞLEMLER
1. Isıl işlemler Gıdaların ısıl işlemler ile dayanıklı hale getirilmelerinde bir taraftan asıl amaç olan mikroorganizmalar etkisiz hale getirilirken, diğer taraftan, bu gıdaların kalitelerinin korunabilmesi ve besin değerindeki kayıpların minimum düzeyde tutulabilmesi, teknolojik ve fiziksel bir problemdir. Mikroorganizmaların ısıya karşı dirençlerine birçok faktörün etkisi bulunmaktadır. Çeşitli gıdaların dayanıklı hale getirilmeleri için uygulanan ısıl işlemler de bu faktörlerin etkilerine bağlı olarak değişik olmaktadır. Yani hermetik olarak kapatılmış ambalaj içindeki gıdalar veya ısıl işlem uygulandıktan sonra aseptik koşullarda ambalajlara doldurulan gıdalar, özelliklerine ve bulundukları koşullara göre farklı ısıl işlemler uygulanarak sterilize veya pastörize edilmektedirler. Meyve sularının ph değeri düşük olduğu için pastörizasyon (T<100 C) ile dayanıklı hale getirilebildikleri halde, fermente edilmemiş doğal sebze suları sterilizasyon (T>100 C) ile dayanıklı hale getirilmektedir.
Gıda endüstrisinde sterilizasyonun anlamı ve uygulaması, mikrobiyolojik çalışmalardaki anlam ve uygulamalardan farklıdır. Mikrobiyolojide kullanılan sterilizasyon terimi; ortamda herhangi bir canlının bulunmadığını ve tamamının öldürüldüğünü belirtmektedir. Buna karşılık sterilize edilen gıdalarda yüksek sıcaklığa dayanıklı, aerob veya termofil mikroorganizmalar bulunabilmektedir. Canlı kalabilen bu mikroorganizmalar, çalışmaları ve çoğalmaları için gerekli ortamı, normal koşullarda saklanan hermetik kaplardaki gıdalarda bulamadıklarından, gıdayı bozamamaktadırlar. Bu nedenle, gıda endüstrisinde uygulanan sterilizasyon ticari sterilizasyon olarak nitelendirilmektedir.
Isıl işlemlerle dayanıklı hale getirilen gıdalardaki mikroorganizmalar, ısıl işlemlerle öldürülerek mikrobiyolojik açıdan dayanıklı hale getirildiği gibi, bu sırada ayrıca gıdanın yapısında bulunan enzimler de inaktif hale gelmektedirler. Enzimlerin inaktif hale getirilmeleri özellikle meyve sularında uygulanan ısıl işlemlerde çok önemlidir. Nitekim bu ürünlerde çoğunlukla uygulanan yüksek sıcaklık kısa süre pastörizasyonuyla (HTST veya flash pastörizasyon) pektolitik enzimlerin inaktif hale getirilmeleri, mikroorganizmaların vejetatif hücrelerin ve hatta sporlarının öldürülmelerinden daha uzun süreye gereksinim göstermektedir.
Bütün bu açıklamalara göre ısıl işlem uygulamasında en önemli noktalardan birinin, bir taraftan bozulma nedeni mikroorganizmaların öldürülmelerini gerçekleştiren, diğer taraftan gıdaların fiziksel ve kimyasal yapıları ve besin değerlerinde en az kayıplara neden olabilen en uygun ısıl işlem koşullarının sağlanması olduğu açıklıkla görülmektedir. Bu koşulların bilimsel yollarla sayısal değerler halinde belirlenebilmesi için, ısıl işlemlerle muhafaza edilen gıdalarda bozulmalara neden olan mikroorganizmaların ısıya karşı dirençleri ile ısıl işlem sırasında ambalaj içinde ısı girişimi gibi iki ana faktörün saptanması gerekir.
1.2. Isıl işlem koşullarının saptanması Deneysel yolla ısıl işlem koşullarının saptanması yöntemi, birbirine bağlı üç aşamadan oluşan bir uygulamadır. Test mikroorganizmasının ısıl direncinin deneysel olarak saptanması, Isıl işlem uygulanacak gıdada ısı girişimine ait verilerin deneysel olarak belirlenmesi, Birinci ve ikinci aşamalarda deneysel olarak bulunan verilerin değerlendirilerek, sıcaklık ve süre gibi ısıl işlem koşullarının hesaplanması. Isıl işlem koşullarının saptanması, sebze suları gibi düşük asitli gıdalar (ph > 4.5) için çok önemlidir. Çünkü bu gıdalarda insan sağlığını tehdit edici nitelikte bir bozulma riski daima vardır. Buna karşın meyve suları gibi yüksek asitli (ph < 4.5) gıdalarda basit bir ısıl işlem dahi, bozulma etmenlerini kısa sürede ortadan kaldırmaya yetmekte ve bunlarda insan sağlığını tehdit edici bir bozulma riski bulunmamaktadır.
1.3. Isıl işlemlerin temel ilkeleri Bir ısıl işlemin etkinliğinin hesaplanabilmesi, ısıl işlem açısından önemli olan mikroorganizmanın ısısal direnç özelliklerinin (z- ve F- değeri) bilinmesini gerektirir. Mikroorganizmaların ısı etkisiyle ölümü genellikle birinci dereceden reaksiyon kinetiğine uyar. Isının mikroorganizmalara öldürücü etkisinin nedenleri değişik görüşlerle açıklanmaktadır. En yaygın olan görüşe göre; mikroorganizmaların yapılarında bulunan proteinler ısı etkisi ile denatüre olmakta ve aynı şekilde yaşamsal önemi olan enzimler de inaktive olarak mikroorganizmanın ölümü gerçekleşmektedir. Hücredeki enzimlerin inaktif hale gelmesini etkileyen faktörlerin, mikroorganizmaların ısıya karşı direncini etkileyen faktörlerle benzerlik göstermesi de bu görüşü desteklemektedir.
ph Mikroorganizmaların ısıya karşı dirençleri onların kalıcı bir niteliği olmayıp, içinde bulundukları ortamın fiziksel ve kimyasal yapısına bağımlı olarak değişebilmektedir. Mikroorganizmaların ısıya karşı dirençlerini etkileyen en önemli faktör ortamın ph değeridir. Mikroorganizmaların ısıya karşı dirençleri ph 7 dolaylarında en yüksek düzeydedir. Ortamın asitliği artıkça, diğer bir deyimle ph değeri düştükçe, mikroorganizmaların ısıya dirençleri azalmaktadır.
ph Bu özelliğin pratikte çok önemli sonuçları vardır. Gerçekten meyve ve domates konserveleri ve suları gibi, ph değerleri 4.5'in altında olan gıdalar 100 C'ın altındaki sıcaklıklarda, yani pastörize edilerek dayanıklı hale getirilirken, ph değerleri 4.5'ten fazla olan sebze, et ve süt ürünleri gibi gıdalar 100 C'ın üzerinde sterilize edilerek dayanıklı hale getirilmektedir. Ürünün ph değeri, uygulanacak ısıl işlemin niteliğini etkilediğinden, ısıl işlem uygulamalarında gıdalar ph değerlerinde göre sınıflandırılmaktadır. Gıdaların mikrobiyolojik bozulma nedenleri de ph değerlerine göre değişmektedir.
Tuz Diğer taraftan ortamın tuz, yani NaCl, konsantrasyonu belli bir noktaya kadar mikroorganizmaların ısıya direncini artırmaktadır. % 2'den % 4'e kadar olan tuz konsantrasyonları mikroorganizmaların ısıya direncini artırdığı halde, daha fazla miktarlar ısıya direnci azaltmaktadır. Ancak birçok konserve gıdada kullanılan % 0.1 dolaylarındaki tuzun bu konuda herhangi bir etkisi yoktur.
Şeker Şekerler de derişime bağlı olarak mikroorganizmaların ısıya direncini etkilemektedir. % 50 ve daha yüksek derişimlerdeki şeker ısıya direnci artırmaktadır. Ancak daha düşük miktarlardaki şeker mikroorganizmaları ısıya karşı koruyamamaktadır.
Protein Aynı şekilde protein yapısındaki maddeler de mikroorganizmaları ısıya karşı korumaktadır. Ortama katılan jelatinin mikroorganizmaların ısıl direnci artırdığı saptanmıştır.
Yağ Yağlar da mikroorganizmaların ısıl dirençlerini etkilemektedir. Yağların bu etkileri ısıyı güç iletmeleri yanında, mikroorganizma hücresinin çevresini sararak su ile ilişkiyi kesme ve böylece suyun, proteinlerin ısı ile koagüle olma üzerindeki etkisini ortadan kaldırmasıyla açıklanmaktadır.
Tat ve Aroma Maddeleri ve Koruyucu Maddeler Gıdalara tat ve aroma vermek amacıyla ilave edilen baharat, gıdalarda kullanıldıkları düzeylerde mikroorganizmaların ısıl dirençleri üzerinde etkili olmadıkları halde, yüksek konsantrasyonlarda etkileri bulunmaktadır. Gıda muhafazasında kullanılan bazı koruyucuların da mikroorganizmaların ısıya dirençlerini azalttıkları saptanmıştır.
Mikroorganizma Yaşı ve Sayısı Diğer taraftan ortamdaki mikroorganizma sayısı mikroorganizmaların ısıya karşı direnci üzerinde etkili olmadığı halde, ısı etkisiyle mikroorganizma ölümlerinin logaritmik bir özellik göstermesinden dolayı ısıl işlemlerle mikroorganizmaların öldürülmelerinde başlangıç mikroorganizma sayısı büyük önem taşımaktadır. Ayrıca mikroorganizmanın yaşı da ısıya karşı direnci etkiler. Ancak bunun gıda teknolojisi açısında bir önemi bulunmamaktadır.
Isıtma süresinin fonksiyonu olarak mikroorganizmaların öldürülmesi Belli bir mikroorganizma veya bakteri sporlarının süspansiyonu hazırlandıktan sonra, sporların öldürülmesi için gerekli bir sıcaklıkta ısının etkisi incelenecek olursa; ısıtma süresi artarken canlı kalan spor sayısının logaritmik olarak azaldığı görülür. Örneğin başlangıçta spor süspansiyonunun 1 ml'sinde 10 5 spor bulunduğu varsayılırsa, sabit bir sıcaklıkta ısıtma sonunda canlı kalan spor sayısında Tabloda gösterilen şekilde bir azalma söz konusudur.
D-değeri Bu koşullarda D dakika, ortamdaki canlı mikroorganizma populasyonunun %90'ınının öldürülmesi için gerekli ısıtma süresidir. Burada 10-1 ve 10-2 gibi değerler sporların canlı kalma olasılığını açıklamaktadır. Örneğin; 10-1 değeri (1/10 veya % 10) her biri 1 ml spor süspansiyonu içeren 100 deney tüpü 6D süresince ısıtılırsa ve bu deneme yeterli sayıda tekrar edilirse, ortalama sonuçta tüplerin %90'ı steril ve %10' unda ise canlı halde sporların bulunduğunu gösterir. Canlı kalan spor sayısı zamanın fonksiyonu olarak yarı-logaritmik grafiğe alındığında logaritmik canlı kalma eğrisi elde olunur (Şekil ). Sabit sıcaklıkta ortamda bulunan mikroorganizmaların % 90'ının öldürülmesi için gerekli ısıtma süresi D-değeri olarak bilinir. Başka bir deyişle; D- değeri logaritmik canlı kalma eğrisinin bir logaritmik devreyi aşması için gerekli ısıtma süresidir.
Sabit bir sıcaklıkta ısıl işlem sırasında belli süreler sonunda canlı kalan spor sayısı Isıtma süresi, dakika Canlı kalan spor sayısı, adet/ml 0 10 5 D 10 4 2D 10 3 3D 10 2 4D 10 1 5D 10 0 6D 10-1 7D 10-2
log c, adet/ml Logaritmik canlı kalma eğrisi (termal inaktivasyon oranı) 5 eğim = -k/2.303 = -1/D 4 (t 1, log c 1 ) 3 D (t 2, log c 2 ) 2 0 20 40 60 80 t, saniye
D-değeri D-değeri sıcaklığa bağlı bir değer olduğundan hangi sıcaklığa ait olduğu D harfinin hemen altına yazılan rakamla belirtilir. Örneğin D 250, D 230 veya D 245 gibi. D 250 ise genellikle D 0 simgesiyle belirtilir. Bazı kaynaklarda D 250 yerine D r sembolü kullanılmaktadır. Bir mikroorganizmanın D-değeri ne kadar büyükse o mikroorganizma, ısıya o kadar dirençli demektir. Diğer taraftan bir mikroorganizmanın D-değeri, arz edildiği sıcaklığa bağlı olup, ortamdaki mikroorganizma konsantrasyonu ile ilişkili değildir. Buna karşın daha sonra ayrıntı ile üzerinde durulacak olan F-değeri ise, hem sıcaklık hem de ortamdaki mikroorganizma sayısı ile ilişkilidir.
Sıcaklığın fonksiyonu olarak mikroorganizmaların öldürülmesi Sıcaklık ne kadar yüksek ise bir ortamdaki mikroorganizmaların vejetatif hücreleri ve sporları daha kısa sürede öldürülebilmektedir. Mikroorganizmaların ısıya dirençleri, içinde bulundukları ortamın ph değeriyle yakından ilgili olduğundan, gıdaların ısıl yolla muhafazasında gıda maddesinin ph'sı en önemli kriter olarak ortaya çıkmaktadır. Uzun süren laboratuvar çalışmaları ve işletme pratiğinin gösterdiği gibi ısıl işlemlerde yeterli güvenirlik elde olunabilmesi için ısıya en dayanıklı bakterilerden biri olarak bilinen Clostridium botulinum sporlarının ortamdaki sayısının 10 12 adet/ml'den 10 0 adet/ml'ye indirilmesi gereklidir. Bu bakımdan düşük asitli gıdalarda (ph>4.5) sterilizasyon normlarının saptanmasında bu olgu çıkış noktası olarak kabul edilmektedir.
En küçük bakteri hacmi yaklaşık 10-12 cm 3 olduğundan 1 cm 3 de en çok 10 12 adet bakteri hücresi bulunabilir.bu nedenle sterilizasyon koşullarının saptanmasında en yüksek bulaşma düzeyi olarak 10 12 adet/ml lik bir konsantrasyon temel alınır. Buna göre sterilizasyon koşullarının hesaplanmasında öngörülen ısıl işlem C. botulinum spor konsantrasyonunu 10 12 adet/ml den 10 0 adet/ml e düşürmeyi amaçlamalıdır. 10 12 adet/ml düzeyindeki bir bulaşma tamamen teorik olduğundan, buna dayalı olarak öngörülen sterilizasyon normu, uygulamada yeterli düzeyde emniyet katsayısı içermektedir. Böylece C. botulinum sporlarının 10 12 adet/ml den 10 0 adet/ml ye düşürülebilecek boyutlardaki bir ısıl işlem uygulamakla, C. botulinum tehlikesi tümden giderildiği gibi, C. botulinum dan daha dirençli ve sağlık açısından zararlı olmayan ve ayrıca ortamdaki sayısı sınırlı diğer sporlar da büyük bir olasılıkla öldürülmüş olmaktadır.
Termal ölüm süresi (TÖS) Mikroorganizmaların vejetatif hücre ve sporlarını ısı etkisi ile öldürmek için gerekli süre, sıcaklığın artmasıyla azalır. Belli sıcaklıklarda spor sayısını 10 5 adet/ml'den 10 0 adet/ml'ye indirgemek için gerekli süre (termal ölüm süresi) yarı-logaritmik kağıtta y-eksenine, sıcaklıklar ise x-eksenine kaydedildiğinde elde olunan bu eğriye de termal ölüm süresi eğrisi adı verilmektedirler. Aşağıdaki şekilde sıcaklıklar Fahrenheit olarak verilmiştir. Fahrenheit skalanın kullanılması bir çok yönden Celsius skaladan daha kolaydır. Çünkü bu konudaki ilk çalışmalar Amerikalı araştırıcılar tarafından yapılmış olup, literatürde genellikle sıcaklıklar Fahrenheit olarak verilmiştir.
z-değeri: TÖS eğrisinin bir logaritmik çevrimi aşması için gerekli sıcaklık değişimi z-değeri olarak tanımlanır ve aşağıdaki eşitlikten hesaplanabilir. TÖS doğrusunun eğimi -1/z'ye eşit olup, bu değer reaksiyon hız sabitinin sıcaklığa bağımlılığını gösterir ve bu nedenle Ea ile ilişkilidir. Küçük bir z-değeri (z = 10) 10 F'lık bir artışla ölüm süresinin 10'da birine azalacağını gösterir. Buna karşılık büyük bir z değeri (z = 50) ölüm süresinin 10 da birine düşebilmesi için 50 F'lık bir artış gerektiğini gösterir. Bundan dolayı küçük z-değerine sahip reaksiyonların sıcaklık bağımlılıkları oldukça yüksektir; büyük z-değerine sahip olanlar ise sıcaklıktan en az derecede etkilenirler.
F-değeri: F-değeri, belli bir mikroorganizmanın spor veya vejetatif hücrelerini öldürülebilmesi için ısının belli bir referans sıcaklıktaki dakika cinsinden eşdeğeridir. F-değeri, söz konusu sıcaklıkta mikroorganizmanın tümden imha edilmesi için gerekli süredir. Bununla birlikte ölüm logaritmik olarak geliştiğinden, tümden imhaya ulaşmak teorik olarak olanaksızdır. Bu yüzden belli sıcaklıkta verilmiş F-değerini, o sıcaklıkta ancak belli sayıda mikroorganizmaların ısıya dirençleri Termal Ölüm Süresi -TÖS (Thermal Death TimeTDT) olarak bilinmektedir. Bazı araştırıcılar, belli sayıda mikroorganizmanın (vejetatif hücre veya spor), belli bir sıcaklıkta ölmesi için geçen süreyi termal inaktivasyon süresi olarak da belirtmektedirler. TÖS ün saptanmasında yararlanılan yöntemler aşağıdaki şekilde özetlenebilir:
TÖS, dak. TÖS eğrisi ve z-değeri 1000 100 10 z 1 200 210 220 230 240 250 260 Sıcaklık, F
Tüp yöntemi: Tüp yöntemi: İlk defa Bigelow ve Esty tarafından 1920 yılında tek tüp yöntemi olarak uygulanan bu yöntem bazı yanılmalara neden olduğundan daha sonra Esty ve Williams tarafından çok tüp yöntemi olarak geliştirilmiştir. Deneylerde kullanılan tüp sayısı dışında bu iki yöntem arasında bir fark yoktur.
ÇOK TÜP YÖNTEMİ Isıtma süre (dak) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 + + + + + - - - + + + + + - - - - + + + + - + - - - + + + + - - - - - + + + - - - - - -
. Bacillus cereus sporlarının (2.25 x 106 spor/ml) termal ölüm süresi üzerine ortamın ph değerinin etkisi (Acar, 1981) 200 100 90 80 70 60 50 40 SÜ RE, daki ka 30 20 10 9 8 7 6 5 4 3 h (1) (2) (3) (4) 2 1 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 SICAKLIK, o C
Diğer taraftan ortamdaki mikroorganizma sayısı, mikroorganizmaların ısıya karşı direnci üzerinde etkili olmadığı halde, ısı etkisiyle mikroorganizmaların ölümlerinin logaritmik bir özellik göstermesinden dolayı ısıl işlemlerle mikroorganizmaların öldürülmesinde başlangıç mikroorganizma sayısı büyük önem taşır. Bu durum ısıl işlemlerle dayanıklı hale getirilen konserveler açısından önemlidir. Çünkü kutuda başlangıç mikroorganizma sayısı ne kadar fazla ise, yeterli bir sterilizasyon için daha yüksek sıcaklık veya daha uzun süre gereklidir.
Bacillus cereus sporlarının termal ölüm süresi üzerine spor konsantrasyonun etkisi (ph=7.0) (Acar, 1981) 200 100 90 80 70 60 50 40 30 Spor konsantrasyonu z (1) 110 000 spor/ml 22.0 (2) 2 250 000 spor/ml 22.5 SÜR E, daki ka 20 10 9 8 7 6 5 4 (1) (2) 3 2 1 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 SICAKLIK, o C
F-değeri Şekilde B.cereus sporlarının termal ölüm süresi F-değeri ve z-değeri üzerine spor konsantrasyonunun etkisi gösterilmektedir. Görüldüğü gibi, farklı spor konsantrasyonu ile yapılan çalışmada F-değeri farklı olmakla birlikte TÖS eğrisinin eğimleri aynı olduğu için zdeğerleri aynıdır.
Üründe ısı aktarımı Isıl işlem koşullarının saptanmasında bilinmesi gereken ikinci parametre ısıl işlem sırasında ambalajlı üründe ısı aktarımıdır. Isıl işlem uygulanan gıdanın sıcaklığı, öngörülen sıcaklığa bir anda erişebiliyor ve aynı şekilde bir anda soğuması sağlanabiliyor olsaydı, bu işlemin sterilizasyon değeri çok kolaylıkla hesaplanabilirdi. Sıvı haldeki gıdaların ısıl işlemle muhafazasında kullanılan UHT, HTST ve benzer yöntemlerde bu olguya oldukça yaklaşılmaktadır. Ancak meyve ve sebze konservesi gibi gıdalarda ürün ambalaja doldurulduktan sonra bir otoklavda ısıl işlemin gerçekleştirilmesi zorunludur. Bu uygulamada ambalaj içindeki gıdanın bir anda istenen sıcaklığa erişmesi mümkün olmadığı gibi, ayrıca ambalaj içinde sıcaklık dağılımı da farklıdır.
Belli bir zaman periyodunda ısıl işlem yoluyla artırılan sıcaklık, mikroorganizmaların öldürülmesi ve enzimlerin inaktif hale getirilmesinde rol oynar. Daha önce de belirtildiği gibi amaç işlem sonucunda gıda kalitesinin korunması ve besin değerindeki kayıpların minimum düzeyde tutulmasıdır. Bunun için de her ürüne özgü ısıl işlem koşullarının saptanması zorunludur. Üründe bulunan mikroorganizmaların inaktivasyonu için gerekli ısıtma süresi ve sıcaklığı ürünün tümüne uygulanarak amaca ulaşılabilir. Bu bakımdan ısıl işlem sırasında üründeki sıcaklık değişiminin ve üründe en geç ısınan noktaların bilinmesi gerekmektedir.
Isıl işlem uygulamalarında ürünün dayanıklı hale getirilebilmesi için; ürün önce uygun bir kaba doldurulmakta ve bu amaçla çoğu zaman teneke kutular kullanılmaktadır. Uygun şekilde doldurulan kutular daha sonra ısıtılırlar. Isı, ısıtıcı ortamdan kabın çeperlerine ve ürüne aktarılır. Isıl işlem sona erdikten sonra kap içindeki ürün çoğu zaman soğuk su ile soğutulur.
Isı aktarımı ve ısı aktarımını etkileyen faktörler Isı aktarımındaki itici güç, birbiriyle fiziksel veya termal temas halindeki iki ortam arasındaki sıcaklık farkıdır. Konservelerde uygulanan ısıl işlemin süre ve sıcaklığını, daha önce belirtilen mikroorganizmaların ısıya karşı dirençleri yanında diğer bazı faktörler de etkilemektedir. İşlem sırasında ambalaj içinde ısı aktarımı uygulanan işlemi etkilediğinden, gıdalarda optimum ısıl işlem koşulları belirlenirken kap içindeki sıcaklık değişimleri de göz önüne alınmalıdır.
Isı aktarımı Isıl işlem sırasında ambalajlı bir gıdada ısı, konveksiyon (ulaşım) ve/veya kondüksiyon (iletim) olmak üzere iki yolla aktarılır. Isının konveksiyonla aktarımı moleküllerin hareketi yoluyla olduğu halde, kondüksiyonla aktarımda ısı molekülden komşu moleküle geçmektedir. Ambalaj içinde ısı aktarımı ürünün yapısına bağlı olarak konveksiyon, kondüksiyon veya bir arada oluşan kondüksiyon/konveksiyon yoluyla gerçekleşmektedir.
Isı aktarımı Ambalaj içinde konveksiyonla ısı aktarımının gelişmesi, aşağıdaki şekilde tanımlanmaktadır: Isınma başlayınca ambalaj çeperini kondüksiyonla aşan ısı, içeride önce bu çeperlere değen kısımdaki sıvının ısınmasına neden olur. Isınan bu sıvının yoğunluğu düşer ve yukarıya doğru hareket eder. Böylece ortamdan yukarı doğru bir sıvı hareketi başlar ve kabın tepesinde adeta ısınmış bir sıvı katmanı toplanır. Ambalajın iç kısımlarındaki daha düşük sıcaklıktaki sıvı, yukarı doğru hareket etmiş olan sıcak sıvının yerini doldurmak için oraya akar. Bu şekilde kapta oluşan ısınma biçimine doğal konveksiyonla ısınma denir. Görüldüğü gibi konveksiyonu oluşturan güç, sıcaklık farkıdır. Bu yüzden bu tip konveksiyona ayrıca termal konveksiyon da denmektedir.
Isı aktarımı Isıl işlem sırasında ürünün özelliklerini sıcaklığa bağlı olarak değişmesiyle ısı aktarım mekanizması kondüksiyondan konveksiyona veya konveksiyondan kondüksiyona dönüşebilir. Jellerde ısıl işlem sırasında başlangıçta kondüksiyon ile aktarılan ısı daha sonra konveksiyona, diğer taraftan, nişasta esaslı çorba ve soslarda mekanizma konveksiyondan kondüksiyona dönüşmektedir.
Isıl İşlem Sırasında Konserve Kabında Isı aktarımını etkileyen Faktörler
Ambalajın yapıldığı materyal Ambalajlar teneke, cam veya fazla yaygın olmamakla birlikte diğer bazı materyalden yapılabilirler. Cam, tenekenin ana materyalini oluşturan demire göre ısıyı yaklaşık 1/9 oranında daha yavaş iletmektedir. Şişe ve kavanozlardaki gıdaların ısıl işleminde ısı aktarımının bu materyallerde daha yavaş olduğu göz önüne alınmalıdır. Şüphesiz bu konuda materyalin kalınlığı da ayrı önem taşımaktadır.
Kabın büyüklüğü Kabın büyüklüğü ısıl işlem sırasında birim içeriğe düşen ısınma alanını etkilediğinden önem taşımaktadır. Bu nedenle büyük kaplarda ısı aktarımı daha yavaş olmaktadır. Diğer taraftan kabın büyüklüğü yanında şekli de ısı aktarımını etkilemektedir. Küçük kaplarda ısı aktarımı daha hızlı gerçekleştiğinden, böyle kaplarda bulunan gıdalarda daha kısa süreli ısıl işlem uygulanır.
Aynı otoklavda kutu büyüklüğünün ısı aktarımına etkisi (a) 105 o C, (b) 100 o C (Acar, 1981) 104 99 (1) (2) (1) (2) 103 98 102 97 101 96 100 95 Soğuk Noktada ki Sıcaklık, o C 99 98 Soğuk Noktada ki Sıcaklık, o C 94 93 97 92 96 91 95 90 (1) 1/1 Kiloluk kutu (2) 1/1/2 Kiloluk kutu (1) 1/1 Kiloluk kutu (2) 1/1/2 Kiloluk kutu 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 25 30 20 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Süre, dakika Süre, dakika (a) (b)
Kabın doldurma oranı ve tepe boşluğu miktarı Gereğinden fazla katı kısım ile doldurulmuş kaplarda, ısı aktarımı fazla katı kısım ile doldurulmamış olanlardan daha yavaştır. Çünkü fazla doldurulmuş kaplarda, ısı aktarımının daha kolay olduğu ve bu nedenle ısınmanın kısa sürede gerçekleştiği sıvı kısım azdır. Diğer taraftan tepe boşluğu miktarının fazla olması da ısı aktarımı engeller. Bu durum özellikle kısa boylu yayvan kaplara konulan ve ısı aktarımının kondüksiyon ile gerçekleştiği gıdalarda önem taşımaktadır.
. Doldurma miktarının ısı aktarımına etkisi (a) 1/1 kiloluk teneke kutu, (b) 1/1/2 kiloluk teneke kutu 104 104 (1) (2) (1) (2) 103 103 102 102 101 101 100 100 Soğuk Noktada ki Sıcaklık, o C 99 98 Soğuk Noktada ki Sıcaklık, o C 99 98 97 97 96 96 95 95 (1) 350 g bamya (2) 400 g bamya (1) 550 g bamya (2) 600 g bamya 85 85 75 75 65 65 55 55 45 45 35 25 35 25 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Süre, dakika Süre, dakika (a) (b)
Kap içeriğinin başlangıç sıcaklığı Kap içeriğinin otoklava konulduğu anda soğuk noktasının sıcaklığına ilk sıcaklık veya başlangıç sıcaklığı denir. Başlangıç sıcaklığı, ısıl işlem sırasında kap içinde ısı aktarımının yavaş veya hızlı olmasını etkiler. Kap içeriği ve otoklav sıcaklığı arasındaki sıcaklık farkı ne kadar fazla olursa ısı aktarımının hızı da artar. Ancak aynı otoklava konulan kapların içeriğinin aynı sıcaklıkta olması homojen ve yeterli bir ısıl işlem için gereklidir. Aksi halde belli sıcaklıklarda kalış süreleri değişeceğinden homojen bir sterilizasyon yapılamaz.
Sallanmanın etkisi Isıl işlem sırasında otoklav içerisinde gıda maddesinin fiziksel yapısında bir değişime neden olmayacak şekilde konserve kaplarının sallanması ısı aktarımını kolaylaştırmaktadır. Bu olgudan yararlanılarak rotasyon otoklavlar geliştirilmiştir. Rotasyon otoklavlarda kap içindeki tepe boşluğu dönme sırasında sürekli yer değiştirdiğinden soğuk nokta sabit bir yerde değildir ve daha kolay ısınır. Rotasyon otoklavlardan dakikada 10-11 devir yapan tipleri tercih edilmektedir.
Gıdanın bileşimi ve fiziksel yapısı Kapta bulunan düşük konsantrasyonlardaki, örneğin %1-2 düzeyindeki tuz ve şeker gibi suda çözünmüş maddeler, ısı aktarımını etkilememektedir. Ancak meyve konservelerinde kullanılan yüksek konsantrasyonlardaki şeker şurubu ısı aktarımını yavaşlatmaktadır. Nişasta, jelatin ve pektin gibi kolloidlerin ısı aktarımına etkisi konsantrasyona bağlıdır. Bu bakımdan bu kolloidlerin konserve içeriğinde bulunması halinde bu durum göz önüne alınmalıdır. Kap içeriğinin fiziksel yapısı da ısı aktarımını ve aktarım şeklini geniş ölçüde etkiler. Domates salçası gibi püre halindeki gıdalarda ısı aktarımı kondüksiyon ile gerçekleştiği halde, bezelye, fasulye ve benzeri hem katı hem de sıvı kısımlardan oluşan konserve gıdalarda ısı aktarımı hem kondüksiyon hem de konveksiyonla gerçekleşir. Tamamı sıvı olan gıdalarda ise ısı aktarımı konveksiyonla gerçekleştiğinden çok hızlıdır.
Otoklav sıcaklığının etkisi Isıl işlemin başlangıcında otoklav sıcaklığı ne kadar yüksekse, kap içinde ısı aktarımı otoklav ve ürün arasındaki artan sıcaklık farkından dolayı daha fazladır.
Sterilizasyon değeri Isıl yolla dayanıklı hale getirilen bir gıdanın sterilizasyon değerinin hesaplanabilmesi için, üründe bozulma nedeni olan ısıya en dirençli mikroorganizmaya ait F-değeri ve z-değeri ile ısı girişim eğrisinin (ısıtma ve soğutma eğrileri) bilinmesi gerekir. Sterilizasyon değerinin hesaplanmasında matematik (formül yöntemi), grafiksel integrasyon (genel yöntem), toplama ve nomogram yöntemlerinden yararlanılır. Toplama yöntemi prensip olarak grafiksel integrasyon ile aynıdır ve zaman-sıcaklık verisinin bilindiği her duruma uygulanabilir. Sterilizasyon değerinin ya da toplam sterilitenin hesaplanması için hazır bilgisayar yazılımlarından da yararlanılabilir.
Isıl işlem uygulamalarında ürünün dayanıklı hale getirilebilmesi için; ürün önce uygun bir kaba doldurulmakta ve bu amaçla çoğu zaman teneke kutular kullanılmaktadır. Uygun şekilde doldurulan kutular daha sonra ısıtılırlar. Isı, ısıtıcı ortamdan kabın çeperlerine ve ürüne aktarılır. Isıl işlem sona erdikten sonra kap içindeki ürün çoğu zaman soğuk su ile soğutulur.isıl işlem sırasında üründe sıcaklık sürekli olarak değiştiği için ürün belli sıcaklıklarda belli süreler kalmaktadır. Bu bakımdan bir ısıl işlemde elde edilen toplam sterilite, farklı sıcaklıklarda elde olunan kısmi sterilitelerin toplamına eşittir.
Ambalajlanmış gıdalarda ısı girişiminin ölçülmesi için potansiyometre kullanılmaktadır. Potansiyometrelerin çok değişik tipleri bulunmakla beraber bir potansiyometre genel olarak üç kısımdan oluşmaktadır. Termokupullar (termokupul duyarıcı, duyarıcı, termoelement, ısıl çifti veya ısıl eş gibi isimler de verilebilir) ve bazı potansiyometrelerde bulunan ancak modern potansiyometrelerde bulunmayan ve termokupulları konserve kabına bağlayan kablolar. Soğuk noktanın ambalaj içindeki yeri ısı aktarım şekline bağlı olarak değişebilmektedir. Ancak daima geometrik merkez ile kap tabanı arasında ve kap ekseni üzerinde bir yerde bulunur
Soğuk Nokta Soğuk noktanın, en geç ısınan veya başka bir deyimle ısıl işlemin ısıtma peryodunda daima en düşük sıcaklığa sahip olan nokta olduğu göz önüne alınınca, bir konservede istenen düzeydeki sterilitenin mutlaka burada sağlanması gerektiği sonucuna varılır. Isıl işlem parametrelerinin hesaplanmasında önce soğuk noktanın yerinin belirlenmesi ve sonra ısı girişiminin burada ölçülmesi ve tüm hesaplamaların bu verilere dayandırılması gerekir.
Soğuk Nokta Gıda ambalajlarında soğuk nokta geometrik merkez veya geometrik merkez ve kap tabanı arasında ve kap ekseni üzerinde bulunduğundan, ısı aktarımının ölçülmesi amacıyla termokupulların bu durum göz önüne alınarak yerleştirilmesi gerekir. Kap içerisindeki gıdanın tamamı katı veya domates püresi (salça) gibi oldukça kıvamlı bir fiziksel nitelikteyse, ısı aktarımı kondüksiyon yoluyla olmaktadır ve kutunun hareket etmesi (rotasyon otoklav) ısı aktarımını pek etkilemez. Bu tip gıdalarda soğuk nokta kutunun geometrik merkezinde bulunur.
Soğuk Nokta Kap içerisindeki gıda katı ve sıvı kısımlardan oluşuyorsa bu durumda soğuk noktanın yeri çok değişebilir ve merkez ile kap tabanı arasında kap ekseni üzerinde herhangi bir yerde bulunabilir. Bu tip gıdalarda soğuk noktanın yeri katı parçacık iriliği ve sıvı kısmın viskozitesine bağlı olarak çok değişebilir. Ayrıca böyle gıdalarda termokupul kap içine aynı yere yerleştirilmiş olsa bile uç kısmının katı parçacık içinde veya sıvı kısımda bulunmasına göre farklı sıcaklıklar ölçülebilir. Soğuk noktada ölçülen sıcaklık değerleri milimetrik kağıtta zamanın fonksiyonu olarak grafiğe alınırsa, ısıtma ve soğutma eğrileri elde olunur. Ancak milimetrik kağıt üzerinde sıcaklığın zamanla değişimi doğrusal değildir.
Sterilizasyon değerinin hesaplanması Isıl yolla dayanıklı hale getirilen birçok gıdaya uygulanan ısıl işlem parametreleri (sıcaklık ve süre) uygulayıcılar tarafından bilinmekte ve endüstride bilinen bu değerler uygulanmaktadır. Nitekim bir çok yayında, hangi gıdanın kaç derecede ve ne kadar süreyle sterilize edilmesi gerektiği tablolar halinde yer almaktadır. Ancak, yeni bir ürünün piyasaya sunulmasında, bu ürüne özgü ısıl işlem koşullarının öncelikle saptanması zorunludur. Ayrıca herhangi bir ürünün kendine özgü nitelikleri bu ürüne uygun ısıl işlem koşullarını saptamayı gerektirebilir. Yeni bir ürün olmasa bile eğer üretilen gıda, gerek ısı aktarımı gerekse mikroorganizmaların ölümü açısından bir farklılık taşıyorsa, bu durumda uygun ısıl işlem koşullarının bilimsel yollarla saptanması gerekir.
Bir ürünün ısıl işlem koşullarının hesaplanmasında; önce, o üründe bozulma nedeni olan ısıya en dirençli mikroorganizmanın termal ölüm süresinin o ürünün substrat olarak kullanılmasıyla saptanması gerekir. Bunu izleyerek, o üründe ısıtma ve soğutma sırasında sıcaklıklar ölçülerek, ısıtma ve soğutma eğrileri saptanmalıdır. Bu iki ana veri deneysel olarak elde edildikten sonra, sterilizasyon koşullarının belirlenmesi, sadece uygun bir metod kullanılarak yapılan bir hesaplamadan ibarettir. Bu hesaplamalarda matematik (formül yöntemi), grafiksel integrasyon (genel yöntem), toplama ve nomogram yöntemlerinden yararlanılır.
Pratikte kullanılan sterilizasyon genellikle aşağıdaki aşamalardan oluşur: otoklav çıkış süresi, otoklavda kalış süresi, soğutma. Bu çevrim sırasında kutu içindeki ürünün kritik noktasında (soğuk nokta) sıcaklıklar zamanın fonksiyonu olarak ölçülür. Bir ısıl işlem çevriminde toplam sterilizasyon değeri her sabit sıcaklıkta sağlanan sterilizasyon değerlerinin toplamıdır.
Otoklav çıkış süresi otoklavdaki havanın tahliye edilmesi ile otoklavın ısıl işlem sıcaklığına erişmesi için geçen sürelerin toplamıdır. Bu süre, kap içindeki gıdanın ısınma faktörlerini belirlemede ve sıfır çıkış süresi düzeltmesi yapılmasında çok önemlidir. Otoklav sıcaklığı, ısıl işlem sıcaklığına eriştikten sonra sabit sıcaklık otoklav kalışda süresi olarak belirtilir.soğutma başladıktan sonra ısıl işlem bitene kadar olan süre ise otoklav iniş süresidir.