Karbondioksitin Gıda Endüstisinde Kullanımı Gıda endüstrisinde karbondioksit gıda işleme ve gıda muhafazasında farklı şekillerde kullanılabilmektedir
1.Gıda işleme amacıyla karbondioksit kullanımı Süper Kritik Karbondioksit Süper Kritik akışkan nedir? Maddeler katı, sıvı ve gaz hallerde bulunmaktadır. Ancak gazlar kritik sıcaklıklarının üzerinde ısıtılır ve basınç uygulanırsa süper kritik faz adı verilen dördüncü bir faza geçerler. Bir maddenin kritik sıcaklığı (Tc), o sıcaklığın üzerinde ne kadar basınç uygulanırsa uygulansın sıvılaştırılamayacağı maksimum sıcaklıktır. Bu sıcaklıktaki basınç da kritik basınçtır (Pc). Sıvı ve gaz evrelerin aynı özellikleri aldığı noktaya kritik nokta, bu nokta üzerindeki bölge de Süperkritik bölge adını alır.
Faz diyagramı
Süperkritik akışkanların özellikler Süperkritik akışkanların sıvı gaz arası özellikleri vardır. Sıvıya benzer yoğunlıkları olup sıvı bir çözücü gibi davranırlar.düşük viskozite ve kütle transfer özelliği veren iyi difüzyon özelliklerine sahiptirler. Yüksek bağıl yoğunlukları iyi bir çözgen özelliği kazandırır Süperkritik akışkanın yoğunluğu, sıcaklık ve basınca bağlıdır.belli bir basınçta sıcaklık artırıldığında veya belli bir sıcaklıklta basınç azaltıldığında yoğunluk azalır.bu özellikten yararlanılarak ekstraktların fraksiyonlanması mümkün olmaktadır. Bir süperkritik akışkanın çözme gücü yoğunluğuna ve çözünen ile arasındaki kimyasal ilgiye bağlıdır. Kritik noktada çözme gücü en düşük değerdedir. Buharlaşma gizli ısısı sıfır, bu nedenle ısı kapasitesi çok yüksektir. Sistemin enerji gereksinimi azdır. Yüzey gerilim katsayıları ve viskoziteleri düşüktür ve bu nedenle pompalama masrafları düşüktür.
Süperkritik Karbondioksit Karbondioksit,aseton, toluen, metanol,amonyak gıda endüstrisinde sıklıkla kullanılan süperkritik akışkanlardır. Bunlar içinde karbondioksit bir süperkritik akışkanda aranılan bütün özellikleri taşıdığı için gıda endüstrisinde kullanımı gittikçe yaygınlaşmaktadır. Kritik sıcaklığı 31 o C ve kritik basıncı 7,38 MPa dır. Ayrıca inerttir. Kuru ortamda korrozif değildir.yanıcı ve patlayıcı değildir. Gıdaya ve çevreye zarar vermez. Basınç düşürüldüğünde karbondioksit gaz halinde kolaylıkla çözünenden ayrılır. Ekstraksiyon basınç ve sıcaklıklarında yapılacak küçük artış veya düşüşler, çözücünün viskozite ve yoğunluk gibi fiziksel özelliklerini kolayca değiştirdiği için çözücünün seçiçiliği artar. Çok yönlü kullanılabilir. Hem katı, hem de sıvı sistemler için uygundur. Kütle transfer kapasitesi yüksektir. Gıda endüstrisinde kullanılan çözücüler toksik olmamalı, istenmeyen kalıntılar bırakmamalıdır. Aynı zamanda patlayıcı olmamalı, ucuz olmalı,kolaylıkla gıdadan ayrılabilmelidir. Karbondioksit bu özellikleri taşımaktadır.
Süperkritik Karbondioksit İçinde Çözünürlük CO 2 apolar bir madde olduğu için apolar maddeleri çözer. Düşük molekül ağırlıklı hidrokarbonlar, lipofilik organik bileşikler (eterler, esterler) kolaylıkla ekstrakte edilir. Yağ asitleri ve trigiseritler düşük çözünürlüğe sahiptir. Genellikle hidroksil ve karboksil grupları maddelerin süperkritik CO 2 içinde çözünürlüğünü azaltır. Alkaloidler, fenoller ve çoğu anilin bileşikleri düşük çözünürlüktedir. Meyve asitleri ve birçok inorganik tuzlar süperkritik CO 2 de çözünmezler. Karboksilik asitler gibi polar bileşikler eğer düşük molekül ağırlıklı ise çözünürlük gösterir. Polar ve yüklü maddeler örneğin şekerler ve aminoasitler süperkritik CO 2 de çözünmezler. Amidler ve üre de düşük çözünürlük gösterir.
Süperkritik Karbondioksit İçinde Çözünürlük Düşük molekül ağırlıklı, ortalama polariteye sahip olan bileşikler, örneğin kafein, kolesterol ve alkoller belli düzeyde süperkritik CO 2 de çözünürler. Mumların, reçine ve pigmentlerin çözünürlükleri süperkritik CO 2 din yoğunluğunun yükselmesiyle artırılabilir. Genellikle bileşiğin C-C çift bağ sayısı arttıkça çözünürlük artar. Büyük moleküller örneğin selüloz ve proteinler, klorofil de süperkritik karbondioksit içinde çözünmezler.
Kosolvent Süperkritik CO 2 içinde bir maddenin çözünürlüğü az miktarda kosolvent veya yardımcı çözücüler ilavesiyle artırılabilir. Kosolvent olarak aseton, metanol ve etanol gibi bileşikler kullanılmaktadır. Çözünürlük artışının nedeni çözünen ile yardımcı çözücü arasındaki interaksiyonlar sonucu oluşan H bağlarıdır.
Gıda Endüstrisinde Süperkritik CO 2 Uygulamaları 1.Dekafeinizasyon Düşük miktarlarda uyarıcı, yüksek dozlarda ise uyuşturucu özelliği gösteren kafein mide, kalp rahatsızlığı olan tüketiciler tarafından tercih edilmemektedir. Bu nedenle kahveden kafeinin uzaklaştırılması yaygın olan bir uygulamadır. Kahveden kafeinin süperkritik CO 2 uzaklaştırılması 1978 yılından beri yapılmaktadır.bu gün dünyada bu temele dayalı iki firma tarafından alınan patent bulunmaktadır.
Kahveden kafeinin uzaklaştırılmasında kahve taneleri ıslatılarak CO 2 nin kafein seçiciliği artırılır.bu yöntemde kahve çekirdeğinde kafein miktarı %0,02 ye kadar düşürülebilir. Ancak çoğu zaman bu kadar düşük kafein miktarı istenilmez. Organoleptik özellikler açısından, kafeinli kahve ile bu yöntemle elde olunan kafeinsiz kahve arasında önemli farklar bulunmamaktadır.
2. Lipit ve Kolestrolun Uzaklaştırılması Kolesterol süperkritik CO 2 de çözünebilir. Bu nedenle hayvansal yağlardan veya yumurtanın sarısından kaliteyi bozmadan kolesterolun uzaklaştırılması, et ezmeleri ve süt yağının fraksiyonlanması yoluyla dayanıklılığının artırılması konusunda çalışmalar yapılmaktadır. Günümüzde yaygın olarak tüketilen patates cipsinin yağ miktarını düşürmek amacıyla da süperkritik CO 2 den yararlanılmaktadır.patates cipsleri geniş yüzey alanlı ince parçacıklar olduklarından ekstraksiyon prosesi hızlıdır, patatesin yapısında ve lezzetinde her hangi bir değisiklik olmadan yağ miktarı %50 kadar azaltılabilmektedir. Böylece %40 0lan yağ miktarı %20 lere düşürülebilmektedir. Diyet kuruyemiş üretiminde de ürünün yağ dolayısıyla kalori içeriğinin azaltılması amacıyla da süperkritik CO 2 kullanılmaktadır.
3.Bitkisel Yağ Ekstraksiyonu Süperkritik karbondioksit bitkisel yağ üretiminde de yağ ekstraksiyonu amacıyla kullanılabilmektedir. Bu uygulamada çoğu zaman etanol, n-heksan veya aseton gibi kosolvent veya modifier kullanılmaktadır.pahalı bir yöntem olmakla birlikte basınç kademeli olarak düşürülerek fraksiyonlama işleminin yapılmasına olarak sağlamaktadır.
SC-Akışkan Uygulamalarının Dezavantajları Yüksek kurulum maliyeti Bazı koşullarda basınç kontrolünün zor olması Güvenlik nedenleri
2.Gıda muhafazasında karbondioksit kullanımı Basınçlı Karbondioksit Uygulamaları Gıdaların yüksek basınçlı gaz ile muhafazasında en yaygın olarak kullanılan gaz karbondioksittir. Karbondioksit birçok özelliği bakımından gıda muhafazasında kullanılmaya uygundur. Örneğin, yanıcı ve toksik değildir, gıda bileşenlerine karşı kimyaca inert ve ucuz bir gazdır. Basınçlı karbondioksitten gıda endüstrisinde değişik amaçlarla yararlanılmakta olup eğer ortamda su varsa basınçlı karbondioksit antimikrobiyel madde olarak da kullanılabilir.
Basınçlı karbondioksidin mikroorganizmalara etkisi Yüksek basınç altında karbondioksidin mikroorganizmalara etkisi, yüksek hidrostatik basıncın etkisine benzerlik göstermekle birlikte karbondioksidin bazı niteliklerinden dolayı bu etkiye aşağıdaki mekanizmaların da eklenmesi gerekir.
Hücrenin basınç uygulamasından önce patlaması Hücre bileşenlerinin ekstraksiyonu Yüksek Basınçlı CO2 CO2 nin Hücre İçine Difüzyonu Hücre içi ph sının düşmesi Yüksek basıncın enzimleri etkisiz hale getirmesi Bakterinin etkisiz hale gelmesi Hücrenin basınç uygulaması sırasında patlaması
Basınçlı karbondioksit uygulamasında mikroorganizmaların inaktivasyonu gıdanın nem içeriği ile ilişkilidir. Meyve suyu gibi sıvı gıdalarda 13.7 MPa'da, 35 C'de 120 dakikadan daha uzun süreli uygulamalarda vejetatif hücre sayısında 10 3 düzeyinde bir azalma sağlanabilmektedir. Su miktarı %25'den fazla olan katı gıdalarda ise 62 MPa'lık karbondioksit basıncının 40 C'de 30-120 dakika süreyle uygulanması vejetatif hücre sayısında belli bir azalma için yeterli olabilmektedir. Ancak bu düzeyde bir uygulama kuru gıdaların mikroorganizma yükünün azaltılmasında yetersiz kalmaktadır
Ortamda su bulunması halinde gaz formundaki karbondioksit basıncın etkisiyle" gıdanın sıvı fazında çözünür ve oluşan karbonik asit dissosiye olmamış formda ortamda bulunan mikroorganizma hücresi içine alınır. Karbonik asidin etkisiyle hücre içeriğinin ph değeri düşer. Bu da koagulasyona neden olur
Karbondioksidin düşük sıcaklıklarda basınç etkisiyle suda çözünürlüğü arttığından sıcaklığın azalması ile antimikrobiyel etkisi de artmaktadır. Ancak bu durum süperkritik karbondioksit için geçerli değildir. Süper kritik karbondioksit mikroorganizma hücresinin önemli bileşenlerinin ekstraksiyonuna neden olarak hücrenin ölümüne yol açtığı halde,
Karbondioksit gibi bir gaz basıncı yardımıyla mikroorganizmaların öldürülmesinde, uygulanan basıncın hücre üzerinden aniden kaldırılması da ölüm üzerine etkili olmaktadır. Çünkü CO 2 basınç etkisiyle hücre içindeki sıvıda çözünmekte ve basıncın aniden kaldırıiması sonucu oluşan gaz habbecikleri hücre duvarını ve sitoplazmayı zedelemektedirler. Basınçlı karbondioksit uygulama yöntemi baharat, hububat gibi gıdalarda bulunabilen insekt ve bunların larvalarının (depo zararlıları) öldürülmelerinde kullanılabilir.bu nedenle basınçlı karbondioksit uygulamaları organik ürünlerin üretiminde kullanılmaktadır.
Karbondioksit basıncının depo zararlılarının öldürülmesindeki etkisinin detayları tam olarak bilinmemekle birlikte bu konuda en az üç farklı etkinin rol oynadığı sanılmaktadır. Bunlar; basınç etkisiyle çözünen-karbondioksidin (karbonik asit) hücre sıvısının ve böceklerde hemolimfin (vücut sıvısı) asitliğinin artmasına yol açması, basıncın aniden kaldırılmasının etkisi (vurgun), ortamdaki oksijenin uzaklaştırılmasıdır.
Ortamdaki oksijenin uzaklaştırılması hermetik kapalı tanklarda veya odalarda kontrollu atmosfer oluşturmaktır ve ticari olarak EcO 2 uygulaması olarak bilinmektedir.tankların dayanabildiği basınç 20-30 bar cıvarındadır.tank uygulama yapılacak genellikle paketlenmiş bakliyat, hububat gibi ürünle doldurulduktan sonra,depo tankından işlem tankına alınan CO 2 alınır ve belli bir basınç altında belli bir süre tutulur. Uygulamadan sonra ürün ya diğer işlem aşamalarına veya yine kontrollu atmosfer depolara alınır.
Kakaodan yüksek basınçlı CO2 yöntemiyle yağ ekstraksiyonu ve mikroorganizmaların inaktivasyonu Kakao üretiminde yağ esktraksiyonunu artırmak için kavurma uygulamasının bazı olumsuz etkileri bulunmaktadır.kavurma ile kakaonun mikroorganizma yükü azalsa bile, kavurma sırasında kakaonun flavonoid içeriği azalmaktatır. Yüksek basınclı karbondioksit ile yapılan ekstraksiyonda kademeli basınç artışının bakteri sporlarının inaktivasyonunu arttırdığı gözlenmiştir. İnaktivasyon sporların çevresindeki koşulların ani olarak değiştirilmesi ile sağlanmıştır.
Hücre zarından CO2 girişini kolaylaştırmak için nem içeriği ~%8.1 olan kakaoya su eklenmiştir ve lethal etki daha düşük basınçlarda da gösterilmiştir. Bu da kakaodan yağ ektrakte olmadan inaktivasyon yapılabileceğini göstermiştir. Çalışma sonucunda eklenen suyun polifenol ekstraksiyonunu azaltmadığı, yağ ekstraksiyonunu ise arttırmadığı gözlenmiştir. Bu yöntemin ısıya dirençli sporlara dezenfeksiyon ajanına gerek olmadan minimum 65 C de etkili olabileceği gösterilmiştir. Ayrıca bu çalışma küf sporları üzerinde de etkili olmuştur.
Basınçlı karbondioksit uygulamalarının gıda bileşenlerine etkileri ve kullanım alanları Basınçlı CO 2 uygulamalarının hububat, bakliyat, baharat ve meyve suyu gibi ürünlerin renk ve aroma bileşenlerinde bir değişime neden olmadığı saptanmıştır. Yine bu uygulamarın hububatta çimlenmeyi ve ekmekcilik kalitesini de olumsuz etkilemediği bildirilmektedir.
Basınçlı karbondioksit uygulamalarında yararlanılan sistemler Depo zararlılarının inaktivasyonu amacıyla basınç altında karbondioksit uygulamaları Carvex ve PEX yöntemlerine göre gerçekleştirilmektedir. Carvex yönteminde çevre sıcaklığında 4 MPa düzeyindeki karbondioksit basıncı uygulanır. PEX yönteminde (pressure, expansiyon) ise önce 5 MPa düzeyinde karbondioksit basıncı uygulandıktan sonra, bu basınç aniden kaldırılır. Basınçlı karbondioksit kullanımı günümüzde organik hububat ve baklagil gibi ürünlerin depo zararlılarından korunması amacıyla kullanılmaktadır.