Tarımsal Ürünlerin İşlenmesinde Nonthermal Uygulamalar Yüksel AYDOĞAN 1, Ahmet KILIÇKAN 2 1 Adnan Menderes Üniversitesi, Aydın Meslek Yüksekokulu, Aydın 2 Adnan Menderes Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü, Aydın yuksel@adu.edu.tr Özet: Günümüzde enzim ve mikroorganizma faaliyetlerinin durdurulması amacıyla çoğunlukla geleneksel yöntemler kullanılarak gıdaların raf ömrü uzatılmaya çalışılmaktadır. Tüketicilerin besin kalitesi yüksek ve duyusal özellikleri fazla olan gıdalara taleplerinin artması sonucu minimum işlem görmüş gıdalarla ilgili çalışmalar önem kazanmıştır. Bu çalışmada, meyve ve sebze işleme sanayinde kullanılan nonthermal tekniklerinin temel özellikleri, mikroorganizma, enzim inaktivasyonu ile meyve, sebze işleme sanayindeki kullanım alanları üzerinde durulmaktadır. Geleneksel ısısal yöntemlerin uygulanması ile vitaminler ve mineraller gibi besin ögeleri ile renk, doku ve lezzet gibi duyusal unsurlarda kayıplar görülebilmekte ve bazen ürün kalitesi bozulabilmektedir. Besin kalitesi yüksek ve duyusal özellikleri fazla olan gıdalara tüketicilerin taleplerinin artması sonucu minimum işlem görmüş gıdalarla ilgili çalışmalar önem kazanmıştır. Nonthermal uygulamalar düşük maliyetli, güvenli ve iyi kalitede ürün işleme için geleneksel yöntemlere alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Geleneksel yöntemlerde ortaya çıkan olumsuzlukların ortadan kaldırılması amacıyla ortaya konulan nonthermal yöntemler, ısı etkisinden faydalanılmadan gıda maddesinin genel özelliklerinin korunup dayanım sürelerinin artırılması amacıyla uygulanmakta olan yöntemlerdir. Farklı şekillerde uygulanmakta olan nonthermal yöntemler, ultrason, darbeli elektrik alan ( PEF ), yüksek hidrostatik basınç (HHP), yoğun faz CO 2 (DPCD), ozon ve radyasyon uygulamaları şeklindedir. Bu çalışmada ürün işleme sanayinde kullanılan nonthermal tekniklerin temel özellikleri tanıtılmaya çalışılmıştır. Anahtar kelimeler: Nonthermal, tarımsal ürün, ürün işleme, ısıtma tekniği Nonthermal Approach of Processing Agricultural Products Abstract: Today the aim of stop fields enzyme and saprophyte, we commonly use traditional methods to protect shelf life of nutrients. The result of growing demand to nutrient, which is high quality and high emotional feature, the studies of minimum effect of transactions give impotance. In this study, the main features of nonthermal techniques, which is using of processing fruit and vegetables, pointed out inactivation of enzyme and the using saprophyte and the using area of producing fruit and vegetable. The usage of traditional thermal approach as vitamin and minerals, and we saw lack of emotional things such as colour, flavour, texture and sometimes product quality has been spoiled. As a result higher demand of customers to nutrient, which is higher quality and emotional features, minimum transactions nutrient give impotance. Nınthermal approach has low cost, trustworthly, good quality and arose the alternative of traditional approach. Nonthermal approach disappear negative effects of traditional approach such as not using thermal energy but growing up shelf life. Nonthermal approach uses different styles which is ultrason, pulsed electric field (PEF), high hydrostatic pressure (HHP), dense phase carbon dioxide (DPCD), ozone, radiation implemetns. In this study introduces the main features of nonthermal techniques which is using product processing industry. Key words: Nonthermal, agricultural products, product processing, heatinh technique 358
Giriş Geleneksel ürün işleme yöntemleri güvenilir olmakla ürünün kalitesinin düşüren uygulamalardır. Nonthermal uygulamalar düşük maliyetli, güvenli ve iyi kalitede ürün işleme için geleneksel yöntemlere alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Bu teknolojide ana inaktivasyon mekanizması ve mikrobiyal stres faktörleri nonthermal yöntemle kontrol altına alınabilmektedir. Bazı durumlarda dış kaynaklardan alınan ısı veya kendiliğinden oluşan ısı ana inaktivasyon mekanizmasını tamamlamak için kullanılır. Bu kombinasyon basınç destekli ısıl işlem uygulaması olarak düşük asitli gıdaların sterilizasyonunda kullanılmaktadır. Günümüzde gelişmekte olan nonthermal yöntemler teknolojisi yakın gelecekte daha yaygın hale gelecektir. Bu durumda kısa süreli işlemlerle ve yüksek kalitede gıda ürünleri elde edebilmesinin önünü açacaktır (Gustavo V. Barbosa, 2010). Geleneksel ısısal yöntemlerin uygulanması ile vitaminler ve mineraller gibi besin ögeleri ile renk, doku ve lezzet gibi duyusal unsurlarda kayıplar görülebilmektedir. Ürün işleme sanayinde bu tip olumsuzlukları engellemek amacıyla üzerinde çalışılmaya başlanan tekniklerin bazıları ultrason, darbeli elektrik alan (PEF), yüksek basınç, ozon, yoğun faz karbondioksit, radyasyon gibi yöntemler oluşturmaktadır (Demiröven ve Baysal, 2008). Ürün işlemede kullanılabilen yeni tekniklerin ticari olarak kullanılabilmesi amacıyla mikrobiyal ve enzim inaktivasyon kinetikleri ile bu uygulamalara direnç gösteren patojen mikroorganizmaların tanımlanması, mikrobiyolojik açıdan etkili olan yöntemlerin geliştirilmesi ve kritik işlem koşullarının optimize edilerek ortaya konması gerekmektedir (Demiröven ve Baysal, 2008). Özellikle bazı nonthermal işleme teknolojileri yüksek basınç, ultrasonik güç ve darbeli elektrik alan dünyada yeni gıda işleme teknolojileri arasında yer almaya başlamıştır. Bu teknolojiler süt işlemede büyük bir alternatif olarak görülüyor olsa da ürünlerin mikro biyolojik güvenliği ve kalitesi bu tekniklerin geliştirilmesi açısından önemlidir (Smithers et al., 2010). Nontermal Yöntemler Nonthermal yöntemler, elektriksel yöntemler içerisinde yer alan ancak ısı etkisinden faydalanılmadan gıda maddesinin genel özelliklerinin korunup dayanım sürelerinin artırılması amacıyla uygulanmakta olan yöntemlerdir. Farklı şekillerde uygulanmakta olan nonthermal yöntemler, ultrason, darbeli elektrik alan (PEF), yüksek hidrostatik basınç (HHP), yoğun faz CO 2 (DPCD), ozon ve radyasyon uygulamaları şeklindedir. Ultrason Uygulaması Ultrason, mekaniksel nitelikte olan insanların işitebildiği 20 khz nin üzerindeki frekanslara sahip bir enerji biçimidir. Isısal olmayan, emniyetli, etkili, ekstrakt üretimi ve hücre parçalanması için kullanılabilen bir gıda isleme yöntemidri. Meyve sebze işleme alanında enzim ve mikroorganizma inaktivasyonu, renk maddelerinin ekstraksiyonu, karıştırma, homojenizasyon, parçacık küçültme, köpük kırma, temizleme yüzey dekontaminasyonu, şeker kristalizasyonu ve kabuk soyma amacıyla kullanılabilmektedir. Ultrason tekniğinin geleneksel tekniklerle kombinasyonlarının uygulama etkinliğini arttırdığı bilinmektedir. Örneğin, termosonikasyon tekniği sıcaklık ve ultrason tekniklerinin kombinasyonu sonucu proses sıcaklığı ve süresini azaltarak pastörizasyon ve sterilizasyon amacıyla kullanılabilmektedir (Demiröven et al., 2008). 359
Darbeli Elektrik Alan (PEF) Uygulaması Darbeli elektrik alanları (PEF) gibi nonthermal gıda işleme teknolojileri son on yılda kayda değer ölçüde artmıştır. Söz konusu bu teknoloji yeni nesil gıdaların güvenliği ve pazarlanma olanakları arasındaki kritik denge açısından önem kazanmaktadır. Soğuk pastörizasyon teknolojisi sınırlı sayıda ticari ürünler için optimize edilmiş bir uygulama olarak kullanılabilir. PEF süreci hücre yapılarının korunması ve yararlı ürünlerin elde edilmesi açısından umut vaat eden bir uygulama olarak ön plana çıkmaktadır. PEF uygulaması özellikle hasat sonrası hücre gözenekleri genişleyen meyve ve sebze sularının işlenmesinde suyu çıkarma işlemini kolaylaştırır. Geleneksel yöntemlerde ortaya çıkan mevcut sınırlamalar bu uygulamalar ile aşılabilmektedir. Yapılan çalışmalar PEF işlemiyle ürünün sıcaklığında önemli bir artış meydana gelmediği için mikroorganizma inaktivasyonu sağlanırken gıda maddesinin renk, tat, koku, protein ve C vitamini gibi besin öğelerinin geleneksel ısıtma yöntemlerine göre daha iyi korunduğunu göstermektedir (Yeom et al., 2000). PEF, iki elektrot arasında bulunan gıda maddesinin çok kısa süreyle (1-100 μs) yüksek voltaj elektriksel alan (80-100 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 özellikleri ile renk tat ve koku korunumu açısından da diğer tekniklere göre üstünlük sağlamaktadır. Şekil 1. Süt pastörizasyonunda PEF sisteminin şematik diyagramı (Kambiz et al., 2009) Yüksek Hidrostatik Basınç (HHP) Uygulaması Yüksek hidrostatik basınç (HHP) veya ultra yüksek basınç (UHP) olarak bilinen bu uygulama gıda endüstrisi için yeni bir uygulama olmamakla birlikte 1990 lı yıllardan bu yana kullanılmaktadır. Basınçla işlenmiş ilk ticari gıda ürünleri, 1990 lı yılların başında Japonya pazarında yer alan jöle ve reçellerdir. Avrupa ve Amerika da bazı meyve suları ve pürelerinin bu uygulamayla üretildiği görülmektedir (Barbosa et al., 2011). Yüksek Hidrostatik Basınç Uygulaması (HHP) kısa bir süre için 40 MPa 1000 MPa değerleri arasındaki basınç değerlerine maruz bırakılan gıda maddesi genellikle birkaç saniye veya birkaç dakika ısı etkisi olmadan vejetatif patojen ve bozulmaya neden olan mikro organizmaların etkisiz hale getirilmesini sağlamaktadır (Şekil 2). Bu teknolojinin en önemli faydaları enzim aktivasyonunu ve protein jelleşmesidir. Gıdaların donma ve çözünme işlemleri bazı ürünlerde basınç işlemi ile birlikte aynı anda yapılabilir. HHP ayrıca gıda sistemlerinde besleyici ve duyumsal özellikleri koruyabilen, yeni özelliklere sahip ürünlerin geliştirilmesini sağlayabilir (Barbosa et al., 2011). 360
Şekil 2. Yüksek basınç makinesi ve iki basınç iletim sistemi (Barbosa, Gongora- Nota, Rodriguez ve Swanson, 2011) HHP teknolojisi basınca dayanıklı bir kap içerisinde bulunan gıda maddelerini basınçla sıkıştırma uygulamasına dayanmaktadır. Basınç uygulamasında sterilizasyon ve pastörizasyon gibi uygulamalardan farklı küçük sıcaklık artışları meydana gelmesine rağmen HHP ısısal olmayan bir süreçtir. 600 MPa çalışma basıncında saf su yaklaşık olarak 15 C sıcaklık artışına uğrar. Uygulanan bu basınç izostatik bir sıvı tarafından iletilir. Bu şekilde gıda maddesinin orijinal şekli korunur ve her tarafında eşit miktarda basınç oluşturulacak şekilde sıkıştırılır. Basınç iletimi anlık olarak ve ürün boyutu ve geometrisinden bağımsız olarak yapılmaktadır. Isıtmanın tersine basınç iletimi zaman/kütle oranına bağımlı değildir. Böylece zamandan bağımsız olarak basınç işlenmiş gıdanın iç noktalarına kadar ulaşmış olur. Ancak mikro organizmalar ve diğer gıda işleme uygulamaları üzerindeki etkisi zamana bağlı olarak ortaya çıkmaktadır (Barbosa et al., 2011). Yoğun Faz Karbondioksit (DPCD) Uygulaması Yoğun faz karbondioksit (DPCD veya DP-CO 2 ) uygulaması sıvı karbondioksit ve süper kritik karbondioksit ya da yüksek basınçlı karbondioksit (HPCD) olarak ortak bir terim altında toplanmış olup sıvı gıdalar için termal olamayan alternatif bir pastörizasyon uygulaması olarak dünya çapında gıda sektöründe ilgi çekmektedir. Karbondioksit genel tanım olarak birçok gıda da doğal olarak var olan ve zehirsiz yanıcı olmayan, ucuz bir gaz türüdür. Yoğun faz CO 2 ya da süper kritik CO 2 uygulamasında maddenin sıvı aşamalarını CO 2 gazının yoğunluğu belirler. Ayrıca süper kritik koşullarda düşük viskoziteli karbondioksit (3-7.10-5 Pa) ve sıfır yüzey gerilimi koşulları altında karmaşık yapılı ve gözenekli malzemelerde nüfuziyet kolaylaşır (Rawson et al., 2011). Fraser 1951 yılında DPCD uygulaması ile bakterileri etkisiz hale getiren ilk çalışmayı gerçekleştirmiştir. DPCD uygulamalarının gıda üzerinde ilk uygulamaları meyveler üzerinde çilek, sulu kavun ve salatalık gibi meyvelerde küfü yok etmek amacı ile uygulanmıştır. Ancak DPCD düşük basınçlarda bile bazı meyvelerde şiddetli doku hasarına neden olabilmektedir. Gıdaların muhafazasında ve mikro organizmaları yok etmek için sıvı gıdalarda işleme sisteminde termal olamayan yoğun faz CO 2 uygulaması (<90 MPa) basınç kullanılır. Yapılan bazı çalışmalarda yüksek basınç CO 2 mikrobik in aktivasyonları gözlemlenmiştir. DPCD uygulaması bazı meyve sularında elma, portakal, mandalina ve üzüm suyunda uygulanmıştır. 361
Bunun yanı sıra bazı egzotik meyvelerde biyo aktivite etkisi üzerine çeşitli çalışmalar mevcuttur (Haas et al., 1989). Ozon Uygulaması Bir koruma teknolojisi olarak ozon, yüksek biyosidal etkinliği ve geniş anti mikrobiyal bir spektruma dayanmaktadır. Gıda endüstrisi içinde meyve ve sebze üzerinde saklama işlemi öncesinde ozon ile yıkama gerçekleştirilmektedir. Ozon son FDA (Food and Drug Administration) onayı ile doğrudan bir katkı maddesi olarak sayılmakla birlikte potansiyel sıvı gıda uygulamalarında ozon istismar edilmeye başlanmıştır (Rawson et al., 2011). Ozon, antimikrobiyal bir ajan olarak klor, potasyum sorbit v.b. maddeleri tespit açısından antimikrobiyal etkilerin tespiti açısından geleneksel sanayi uygulamaları vardır. Ozon uygulamasının çeşitli egzotik meyvelerde dahil olmak üzere meyve dezenfeksiyonu ve depolama işlemleri için kullanılmaktadır (Rawson et al., 2011). Radyasyon Uygulaması Radyasyon uygulaması, genellikle çiğ ya da işlenmiş ürünlerin iyonize olmuş ve iyonize olmamış radyasyonlardan ürünleri korumak için yapılır. İyonize radyasyon ışınları yüksek enerjili elektronlar taşırlar. X ışınları, gama ışınları gibi, iyonize olamayan radyasyon ışınları ise elektromanyetik bir radyasyondur ve yeteri kadar enerji taşıyamazlar. Işınlama gıda ürünlerinde lezzet, renk, besin değeri ve diğer kalite özellikleri üzerinde değişikliklere neden olur. Ancak değişiklik miktarları (lezzet, renk, besin değeri, tat v.b.) temel hammadde, ışınlama dozu, radyasyon kaynağına (gama ışınları, X ışınları, UV, elektron ışınları) bağlı olarak değişiklik gösterir. Radyasyon dozuna bağlı olarak yiyecek ve gıda kaynaklı patojenleri ortadan kaldırmak ve pastörize etmek mümkün olmaktadır. Işınlama, mikroorganizmaların üreme yeteneklerini, hücre işlevlerini ve DNA hasarı oluşturma etkileriyle inaktivasyonları meydana getirir (Rawson et al., 2011). Sonuç Günümüzde gıda ürünlerinin kalitesinin arttırılması amacıyla minimum ürün işleme tekniklerine verilen önem giderek artmaktadır. Bunun temel nedeni ise gıdaların kalite özelliklerini artırmanın yanı sıra gıda ürünlerinin sahip olduğu tat, koku ve bensin değeri gibi önemli özelliklerini korumaya yönelik olarak ortaya çıkan ihtiyaçların tüketici açısından karşılanmasının gerekliliğidir. Bu amaçla günümüzde ürün işleme ile ilgili olarak değişik yöntemler üzerinde çalışmalar devam etmektedir. Isısal bir uygulama olmayan nonthermal yöntem araştırmalarında elektrik alanların etkisi altındaki araştırma sürecinde mikroorganizmaların inaktivasyonunun yanı sıra aynı zamanda diğer gıda bileşenleri olan enzimler ve vitaminlerin inaktivasyonu ile saklama etkileri de dikkate alınmalıdır. Nonthermal teknolojinin kullanımında kombine uygulamalarda ortaya çıkan sorunları ortadan kaldırmak için geleneksel yöntemlerin tamamlayıcı bir aşama olarak kullanılması gerekmektedir. Literatür Listesi Ade-Omowaye B.I.O., Rastogi N.K., Angersbach A. ve Knorr D. 2003. Cobined effects of pulsed electric field pre-treatment and patial osmotic dehydration on air drying behaviour of red bell pepper. J. Food Eng., 60:89-98. 362
Rawson, A. Patras, B.K. Tiwari, F. Noci, T. Koutchma, N. Brunton. 2011. Effect of thermal and non thermal processing technologies on the bioactive content of exotic fruits and their products: Review of recent advances. Food Research International 44 ( 2011 ) 1875-1887. Gustavo V. Barbosa. 2010. Nonthermal Processing Of Foods. International Conference Food Innovation. Haas, G. J., Prescott, H. E., Dudley, E., Dik, R., Hintlian, C., & Keane, L. 1989. Inactivation of microorganisms by CO2 under pressure. J. Food Safety, 9(4), 253 265. Heinz V, Toepfl S, Knorr D. 2003. Impact Of Temperature On Lethality And Efficiency Of Apple Juice Pasteurization By Pulsed Electric Fields Treatment, Innovative Food Science And Emerging Tech. 4(2003), 167-175. İçer F., Yıldız H. 2005. Elektriksel Yöntemlerin Gıdaların Kalite Özellikleri Üzerine Etkileri. Türkiye 8. Gıda Kongresi 255-260. Kambiz S., Frank S. 2009. Application of pulsed electric field in non-thermal processing of milk. As. J. Food Ag-Ind. 2009, 2(03), 216-244. Nishiyama I., Yamashita Y., Yamanaka M., Shimohashi A., Fukuda, T., & Oota, T. 2004. Varietal difference in vitamin c content in the fruit of kiwifruit and other Actinidia species. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 52(17), 5472 5475. Rawson A., Tiwari B. K., Patras A., Brunton N., Brennan C., Cullen P. J., et al. (2010). Effect of thermosonication on bioactive compounds in water-melon juice. Food Research International. doi: 10.1016/ j.foodres. 2010.07.005. Sapulveda-Ahumada D.R., Ortega-Rivas E. ve Barbosa Canovas G.V. 2000. Quality aspectsof Cheddar cheese obtained with milk pasteurized by pulsed electric fields. Food and Bioproducts Processing, 78 (C2): 65-71. Yeom H.W., Streaker C.B., ZhangQ. H., ve Min D.B. 2000. Effects of pulsed electric fields on the quality orange juice and comparison with heat pasteurization. J. Food Chem., 48:4597-4605. 363