Vurgulu Elektrik Alan (PEF) Uygulamaları 1
PEF uygulandığı gıdada tat-kokuda ve gıda kalitesinde minimum kayıpla mikroorganizmaların inaktivasyonunu sağlar Enerji verimliliği yüksektir, ürün işleme düşük maliyetlidir. 2
İki elektrot arasına yerleştirilmiş gıdaya yüksek voltaj ve kısa vurgular uygulanmasını içerir Elektrik akımı gıdanın içinden mikrosaniyede geçer Geleneksel metotda elektrik enerjisi gıdanın içinde termal enerjiye dönüşür bu da mikrobiyal inaktivasyonu sağlar PEF de Elektrik enerjisi kısa vurgular halinde uygulandığında gıda ısınmadan bakterilerin hücre membranları mekanik etkilerle parçalanır PEF tüketicilere mikrobiyal açıdan güvenli minimum işlenmiş, besin değeri yüksek gıdalar sunar bunun yanısıra ekonomik ve etkili enerji kullanımı sağlayan bir teknolojidir PEF en yaygın olarak kullanıldığı alanlar içinde meyve suyu, çorbalar ve süt gibi sıvı gıdalar vardır 3
Sıvı gıdalar yüksek konsantrasyonda iyon içerdiklerinden iletken olarak kabul edilirler Gıdada PEF oluşturabilmek için çok kısa bir zaman diliminde yüksek akım değişimi oluşturulmalıdır Vurgunun oluşumu kapasitörün yavaş yüklenmesi ve hızlı boşalımı ile gerçekleşir 4
Elektrik alan vurguları çoğunlukla üstel azalma yada kare dalga formundadır Üstel azalma vurgusu, çok hızlı maksimum değere yükselip yavaşça sıfıra inen tek yönlü voltajdır Kare dalga formunda ise, voltaj hızlıca sıfırdan maksimum değerine yükselir, belirlenen süre bu değerde kalır ve aniden sıfıra düşer 5
6
7
Serbest yükler membran yüzeyinin her iki tarafındada birikir Yüzey yüklerinin birikmesi elektromekanik stresi ve transmembran potensiyeli arttırır. Hücre membranının içinde ve dışındaki zıt yüklerdeki çekimden dolayı sıkıştırma basıncı artar buda membran kalınlığının azalmasına neden olur, Elektrik alan gücü belli bir seviyeyi geçtiği zaman membranda porlar oluşmaya başlar Birçok alan şiddetinde bitki ve hayvan hücreleri pulslar uygulanmaya başlandıktan sonra 1µs içinde kritik transmembran değerine (~0,7-0,22V) ulaşır. 8
Membranın zarar görmesinin nedeni küçük moleküllerin ve iyonların sızmasından dolayı oluşan osmotic dengesizliktir Sitoplazmik içeriğin osmotik basıncından dolayı hücre şişmeye başlar ve porlar büzüşür, hücre hacmi %155 olduğunda hücre membranı parçalanır ve hücre dağılır 9
10
Mikroorganizmanın özellikleri Mikroorganizmanın tipi Mikroorganizmanın konsantrasyonu Mikroorganizmanın büyüme evresi Uygulama alanının özelliği Ortamın ph sı, antimikrobiyal maddeler ve iyonlar Ortamın iletkenliği ve iyonik gücü Uygulama koşulları Elektrik alan gücü Uygulama süresi Uygulama sıcaklığı Vurgu dalga şekli 11
Mikroorganizmanın tipi Gram (+) bakteriler gram (-)bakterilere göre daha dayanıklıdır Daha büyük hücrelere sahip olduklarından dolayı mayalar bakterilere göre elektrik alana daha hassastır ancak düşük elektrik alanlarda gram (-) bakterilere göre daha dayanıklıdırlar 12
Mikroorganizmanın konsantrasyonu Gıdadaki mikroorganizmanın sayısının elektrik alanla inaktivasyonda etkili olduğu düşünülmektedir Elma suyundaki S. cerevisiae nın konsantrasyonunun arttırıldığında PEF ile daha az inaktivasyon sağlandığı belirtilmiştir Bu durum hücrelerin biraraya toplanmasına ve/veya mikroorganizmaların düşük elektrik alan bölgesinde gizlenmesine bağlanmaktadır 13
Mikroorganizmanın büyüme evresi Mikroorganizmanın her büyüme evresinde hücrenin ve membranın özellikleri farklılık göstermektedir Logaritmik fazdaki mikroorganizmalar lag ve durağan fazdaki hallerinden daha duyarlıdır 14
Ortam ph sı, antimikrobiyaller ve iyonlar Organik asitler ile birlikte düşünüldüğünde PEF uygulamasında ph nın önemli bir etkisi vardır Düşük ph da (~3,4) organik asitlerle PEF uygulamasının mikroorganizmaların öldürülmesinde güçlü sinerjetik etkisi vardır; bakteriyel hücrenin içine disosiye olmamış asitlerin girişi kolaylaşmaktadır Listeria innocua nın PEF ile inaktivasyonunda ph sı 4,0 olan fosfat tamponu kullanıldığında 6 log luk azalma gözlenirken ph 6 ya yükseltildiğin azalma 0,4 log olarak belirtilmiştir 15
Ortam ph sı, antimikrobiyaller ve iyonlar Ortamda Pediocin AcH yada nisin gibi antimikrobiyallerin bulunması patojenlerin PEF uygulaması esnasında canlılıklarını azaltmıştır Ca, Na, K ve Mg gibi iyonlarmembranı ve hücresel fonksiyonları etkileyebilir Na ve K un bakterilerin inaktivasyonunu etkilemezken; Ca ve Mg koruyucu etki göstermektedir 16
Ortamın iletkenliği ve iyonik gücü İletkenliği yüksek olan gıdalar ile çalışmak zordur çünkü küçük elektriksel pikler oluştururlar Uygulanan aynı alan gücü ile daha fazla mikrobiyal inaktivasyon sağlamak için gıdanın iletkenliği düşük olmalıdır İyonik güçteki artış iletkenliği arttırır bu da inaktivasyon oranının düşmesine neden olur İyonik gücün artması aynı zamanda çözeltideki elektron hareketliliğini arttırdığından inaktivasyon oranı azalır 17
Elektrik alan gücü Uygulanan elektrik alan kritik trasmembran potansiyelini geçtiğinde mikrobiyal inaktivasyon oluşur. Transmembran potansiyeline ulaşıldıktan sonra uygulanan elektrik alan gücü ile mikrobiyal inaktivasyon artar, buda elektroporasyon teorisi ile uyumludur Elektroporasyon teorisine göre; hücre membranının uygulanan potensiyel fark, uygulanan elektrik alan ile orantılıdır 18
Uygulama süresi En uygun uygulama süresi vurguların sayısının ve süresinden türetilir.bu değerlerin herhangi birindeki artış mikrobiyal inaktivasyonuda arttırır Büyük vurgu süresi üründe istenmeyen sıcaklık artışına da neden olabilir Optimum koşullar maksimum inaktivasyon oranı ve minimum ısınma etkisi ile belirlenmelidir 19
Uygulama sıcaklığı Mikroorganizmaların inaktivasyonunda ılımlı sıcaklıkların (50-60 C) PEF ile sinerjetik etkisi olduğu belirmiştir Sabit elektrik alan gücünde, sıcaklıktaki artış inaktivasyonuda arttırır ancak sıcaklığın pastörizasyon sıcaklığının altında kalmasına dikkat edilmelidir PEF uygulaması esnasında gıdanın sıcaklığında artışa neden olabilir bu nedenle sıcaklığı sabit tutmak için uygun soğutma sistemi de bulunmalıdır 20
Vurgu dalga şekli Elektrik alan vurguları; üstel azalma, kare dalga, titreşimli, bipolar veya monopolar olabilir Kare dalga vurgular, üstel azalma vurgularına göre enerji ve letalite bakımından daha etkindir. Bipolar vurgular ise monopolar vurgulardan daha yüksek letalite sağlar 21
PEF uygulamasının mikroorganizmalar üzerine etkisi SEM ve TEM yöntemleri ile incelenebilir Bu yöntemlerle S. Cerevisiae incelendiğinde membran üzerinde porlar oluştuğu ve iç yapısının tamamen yok olduğu bulunmuştur Maya hücrelerine PEF uygulamasından sonra ribosomların tamamının yok olduğu saptanmıştır. 22
23
Gıdalarda inaktivasyon gıdanın bileşimine bağlıdır Gıdalar iyonlar açısından zengindir ancak bazı bileşenler mikroorganizmaları elektrik alana karşı koruyabilir 24
PEF uygulamasının uygunluğunun belirlenmesi için gıdanın kalitesi üzerine etki eden enzimlerin üzerine etkisi de bilinmelidir Koruma yöntemleri yalnızca mikrobiyal inaktivasyon için değil aynı zamanda enzimlerin inaktivasyonunu da sağlamalıdır Vejetatif hücrelerle karşılaştırıldığında enzimler PEF uygulamasına daha dayanıklıdır 25
Elektrik alan proteinlerin denatürasyonuna, kovalent bağların kırılmasına ve yükseltgenme indirgenme reaksiyonlarına neden olabilir Bir kısım bilim adamına göre de; PEF uygulaması sonucunda enzim inaktivasyonu oksidatif reaksiyonlar ve proteinlerin tersiyer yapısında değişiklikler meydana gelmesinden kaynaklanmaktadır PEF uygulamasının enzimler üzerine sınırlı etkisi olmasından dolayı, ısıl işlem uygulanması yada soğukta depolama gibi yardımcı yöntemlerle birlikte kullanılmalıdır 26
Koruma Ektraksiyon Osmotik dehidrasyon Dehidrasyon 27
28
elma suyunun pastörizasyonunda 66kV/cm elektrik alanında 16 vurgu uygulandığında toplam bakteri, küf, maya ve asidurik bakterilerde 6log luk azalma olmuştur. 34kV/cm elektrik alanda 166µs uygulama süresinde E. coli sayısında 4.5 log luk azalma olduğunu 172µs 30kV/cm PEF uygulaması gerçekleştirildiğinde elma suyundaki E. coli O157:H7 sayısında 5.0log düzeyinde bir azalma olduğu saptanmıştır. Bu işlemdeki sıcaklık 35 C ı geçmemiştir. 29
S. Cerevisiae nın inaktivasyonu amacıyla 12kV/cm; 60µs de 20 kare dalga vurgu sayesinde 4log azalma gerçekleştirilmiştir. 30
Elma suyundaki Zygosaccharomyces baili mayasının PEF ile işlenmesi sonucunda vejetatif hücrelerde ve ascosporlarında azalma olduğu bulunmuştur. Ancak PEF uygulamasının Byssochlmys nivea askosporlarına etkisi olmadığı belirtilmiştir PEF ile işlem gören elma suyunun raf ömrünün 25 C da depolandığında 3 hafta olarak bulunmuştur 31
PEF uygulamasının portakal suyundaki toplam bakteri sayısını düşürdüğünü ancak 90 C 1dak.lık ısıl işlem kadar etkili olmadığını belirtmişlerdir Rekonstitüye portakal suyunda 3 farklı vurgu şeklinin etkilerini incelendiğinde 32kV/cm elektrik alanda kare dalga formunun en etkili vurgu olduğu belirtilmiştir. Isıl işlem görmüş portakal suyuna göre rengi daha iyi; askorbik asit seviyesi de daha yüksek bulunmuştur 32
UHT yağsız sütte Bacillus cereus vejetatif hücrelerinin PEF ile inaktivasyonu çalışmalarında; 35kV/cm elektrik alanda 90µs uygulama ile 2 log azalma elde etmişlerdir. UHT sütte Bacillus steathermophilus un PEF ile inaktivasyonunda ise ve 50C da 60kV/cm de 210µs işlem ile 3log azalma elde edilmişdir. Uygulama sonucunda sütün ph ve titrasyon asitliğinde farklılık gözlenmemiştir 33
Sıvı yumurtanın PEF ile işlenmesi sonucunda viskozite düşmüş ancak - karoten içeriğinin artmasından dolayı renk değeri yükselmiştir. Taze yumurtanın hazırlanan örnek ile PEF uygulanmış sıvı yumurtanan hazırlanan örnekte duyusal analizlerde bir farklılık bulunmamıştır. 34
35
Bitki hücreleri 0,15kV/cm 1-10vurgu uygulanarak elektroporasyon ile ikincil metabolitler için geçirgen hale getirilmiştir (Knorr ve ark 1994). Knorr ve Dornenburg 1.6kV/cm de 10 vurgu ile Cheopodium rubrum hücrelerinden kırmızı pigmentin tamamen salınmasını sağlamışlardır. Ekstrakt miktarını artırmak için elektrik alanın gücünün ve vurgu sayısının arttırılması gerekmektedir. 36
PEF uygulaması hücrelerin elektropermeabilizayonuna neden olduğundan hücre içindeki sıvının ekstraksiyonu mümkün olmaktadır. Büyüklüğü 1.5mm den küçük olan iyi kalitedeki havuçlara PEF uygulaması sonucunda havuç suyunun alınmasında verimlilik %51.3 den %76.1 e yükselmiştir. Şeker pancarına PEF uygulaması hücrelerin geçirgenliğini arttırmış ve pulp daki kuru madde oranı %30 dan %70.3 e yükselmiştir. 37
38
PEF uygulaması hücrelerin geçirgenliği arttırmaktadır buda hava ile kurutmada kuruma oranının artmasını sağlamaktadır. Angersbach ve ark. (1997); PEF uygulaması ile patates hücrelerinin geçirgenliğinin arttığını ve akışkan yatak kurutmada kütle aktarımının geliştiğini belirtmişlerdir. PEF uygulamasının ardından hindistan cevizinin kurutma süresinin kısaldığını belirtilmiştir. 39
Sonuçlar HMF içerikleri kontrol grubu, PEF uygulanmış örnek ve Pastörize edilmiş örnekler için sırası ile 0,088±0,019mg/L; 0,0890,023mg/L ve 0,115±0,023mg/L dir Örneklerin HMF içerikleri açısından uygulamadan hemen sonra hiçbirinde belirgin bir farklılık yoktur 7 haftalık depolamanın sonunda 2 C de depolanan ürünlerdeki HMF değerleri PEF uygulanmış ve pastörize edilmiş örnekler için sırası ile 0,169±0,054; 0,196±0,022mg/L dir HMF değerleri depolama süresince izin verilen maksimum değerlerin altında kalmıştır 40
PEF uygulanan portakal suyu işlenmemiş portakal suyunun rengine benzer sonuçlar vermiştir PEF ile işlenen portakal suyunda HMF oranı daha düşüktür 41
42
Balık yumurtası üzerine PEF in etkisi 43
Sonuçlar PEF uygulaması et ve balık ürünlerinin yapısını ve tekstürünü çok fazla etkilediğinden uygun bir koruma yöntemi değildir Buna karşın balık yumurtaları yüksek seviyedeki PEF uygulamalarından fazla etkilenmemektedirler. Bu nedenle bu ürünlerin muhafazasında PEF ön işlem olarak kullanılabilir. 44
Ozmotik dehidrasyon(od); gıdanın bir veya birden fazla çözenen içeren konsantre çözelti içine daldırılmasıdır. Bu durumda gıdanın içinden dışarı su çıkmakta ve ortamdan da gıda içine çözenen maddeler girmektedir. Hücre membranlarının geçirgenliği dehidrasyonu önemli ölçüde etkileyen faktörlerden birisidir. Değişik osmotik dehidrasyon ajanları (tuz glukoz, fruktoz vb.) OD ı kolaylaştırmaktadır PEF uygulaması hücre membranının nontermal olarak elektroporasyonunu sağladığından geçirgenliği arttırmaktadır 45
Gıda bozulmaları yalnızca mikroorganizmalardan değil aynı zamanda enzimlerdende kaynaklanabilmektedir Enzimler ısıl işlemler ile inaktive edilmektedir PEF elektrik alanın enzimler üzerine etkisi son yıllarda en çok çalışılan konulardan birisi olmuştur 46
Sonuçlar Denemelerden önce ve sonra ph da değişim meydana gelmemiştir. Enzim aktivitesi uygulanan voltaj yada alan gücünün artması ile azaldığı belirtilmiştir. Lipaz, glukoz oksidaz ve ısıya dayanıklı -amilaz aktivitesinde %70-85 azalma olduğu Polifenoloksidaz ve peroksidaz aktivitesinde ise %30-40 oranında azalma olduğu Alkaline fosfatazda ise yalnızca %5 oranında aktivite azalması olduğu belirtilmiştir 47
sonuçlar Yüksek alan gücünün enzimlerin 3 boyutlu yapısını bir arada tutan bağları (H-bağları, vander walls bağları, tuz köprüleri gibi) etkilediği düşünülmüştür Lisozim ve pepsinde yüksek elektrik alan stimule edici etki göstermiş bu aktivasyon artışının sebebi daha fazla aktif kısmın oluşumuna yada var olanların büyümesinden kaynaklandığı düşünülmüştür Daha önceki bazı çalışmalarda mikrobiyal inaktivasyon için yeterli olan PEF uygulamasının lipaz PPO ve glukoz oksidaz gibi enzimler için yalnızca %10luk bir inaktivasyon sağladığı belirtilmiştir. 48
Sonuçlar Çalışmada 20 C da -amilazın ve lipazın %90oranında inaktivasyonu için 30vurgu ve sırası ile 80 ve 88kVcm elektrik alan gücü gereklidir. Enzimlerin inaktivasyonu için mikrobiyal inaktivasyon için daha yüksek elektrik alan gücü gereklidir 49
Gıdada hava kabarcıklarının olması Yüksek iletkenlikteki gıdalar uygun değildir Üründeki maksimum partikül büyüklüğü elektrot boşluğundan küçük olmalıdır Enzim aktivitesini düşürmekte çok etkili değildir 50
Mevcut gıda muhafaya yöntemlerine alternatiftir. Mikrobiyal inaktivasyon sağlarken aynı zamanda gıdanın fizikokimyasal ve besinsel özelliklerini korumaktadır Gıdalara yeni fonksiyonel özellikler kazandırılabilir 51