Atımlı Elektrik Alan (Pulsed Electric Field - PEF) PEF ve pulsed kavramları Pulsed Electric Field = PEF Pulsed: Türkçede vurgulu, atımlı, darbeli olarak çevrili Electric Field: Elektrik Alanı «Pulsed» kelime olarak «nabız» anlamına gelmektedir. Kavramının karşılık geldiği anlam işlemin çok kısa aralıklarla uygulanıp bırakılması/ nabız atması gibi belirli aralıklarla uygulanıp durulması anlamına gelir. Türkçede en iyi ifade eden kavram «vurgulu» kavramıdır. 2 3 Elektrik, elektrik yüklerinin varlığıyla ve akışıyla ilgilenen fiziksel olguların bütünüdür. Elektrik yükü: Atom altı parçacıkların, elektromanyetik etkileşimlerini belirleyen bir özelliktir. Elektriksel olarak yüklenmiş bir madde, elektromanyetik alanlara etkir veya onlardan etkilenir. Elektrik akımı: Elektriksel olarak yüklenmiş parçacıkların hareketine veya akışına verilen isimdir. Her noktada aynı değere sahip olan elektrik alana sabit elektrik alan denir.iki paralel iletken levhaya potansiyel fark uygulanarak yaklaşık olarak elde edilebilir - - - - Elektrik Alan + + + + Metodun esası; iletken olmayan bir boru sistemine iki iletken elektrot yerleştirilerek yüksek elektrik alan şiddetine sahip elektriğin vurgulu olarak verilmesine dayanmaktadır. Böylece sistemdeki boru iletken olmadığı için elektrotlar arasındaki elektrik transferinin sıvı gıda aracılığıyla gerçekleşmesi zorlanmakta ve mevcut mikroorganizmaların etkisiz hale getirilmesine yol açmaktadır (Barbosa-Canovas and Sepulveda 2005). 5 1
Pulsed Electric Field (PEF) uygulamaları son yıllarda üzerinde çok fazla çalışılan bir konudur. 1990 yılından itibaren yoğun olarak araştırılan PEF'nin gıdalar üzerindeki etkileri ile ilgili çalışmaların sayısı Food Science and Technology Abstracts'a (FSTA) göre 2000 yılında yaklaşık 150 iken 2009 yılında 5949'a çıkmıştır. 7 Vurgulu elektrik alan teknolojisi konusundaki çalışmalar özellikle sıvı ve katı gıdalarda değişen amaçlarla kullanımının optimize edilmesi üzerinedir. Geleneksel ısıl işlem yerine sıvı gıdaların pastörizasyonunda kullanılabilecek en umut verici teknoloji olarak PEF yöntemi görülmektedir. Bu nedenle meyve sularında PEF uygulamaları mezofilik bakteri, maya ve küf gibi mikroflorayı oluşturan mikroorganizmaların inaktivasyonu konusunda yoğunlaşmıştır. 8 Gıdaların tat ve aromasını değiştirmeden besin değerlerini en üst seviyede koruyarak gıda kaynaklı mikroorganizmaların yok edilmesinde/ mikroorganizma yükünün azaltılmasında etkili bir ısıl olmayan işleme tekniğidir. Günümüzde PEF teknolojisinin hem laboratuar hem de pilot fabrikalarda meyve suları, sıvı yumurta ve sütlerin işlenmesinde önemli uygulamaları mevcuttur. 60 C nin altındaki orta sıcaklık değerlerinin kullanılmasında bile önemli seviyede mikrobiyal inaktivasyon artışına sebep olmuştur. 9 10 Sıvı gıdalar genellikle çok miktarda iyon içerdikleri için elektrik iletkenliği yüksektir. Güç kaynağındaki kapasitörde biriktirilen elektrik voltajı çok kısa zaman aralıklarıyla (µs) vurgulu olarak sıvı gıdadan geçirilmeye zorlanır. Vurgu süresinin kısa olmasının sebebi elektrik voltajının uzun sürede depolanmasına rağmen gıdaya çok hızlı olarak boşaltılmasından kaynaklanmaktadır (Barbosa et al. 1999a). Sistemin teknik özellikleri 11 12 2
13 Atimli Elektrik Alan (Pulsed Electric Field - PEF) Yeni gelismekte olan isi gerektirmeyen teknolojilerden (non-thermal) Bakteri, maya ve kufleri inaktive etmekte etkili Enzimler uzerinde kismen etkili Gidalarin duyusal, fiziksel, kimyasal ve besleyici ozelliklerini korumakta etkili Urunlerin kalitesinin tazeye yakın kalması, bu teknolojinin gelisterilmesinde en onemli motivasyon Atimli Elektrik Alan Yuksek voltajli elektrik akiminin (10-80kV/cm) cok kisa sureli atimlar (pulse) uygulanmasidir. Her bir atim, elektrotlar arasina yerlestirilen gidaya mikrosaniyeler suresince uygulanmaktadir. PEF, elektrik soklari sayesinde mikroorganizmalarin hucre zarina zarar verir. Atimli Elektrik Alan PEF uygulamasi sırasında ürün ısısında 5-10 C lik bir artış olsa da PEF ısıl olmayan uygulama olarak kabul edilmektedir cunku hem sıcaklık dusuk, hem de sure kısadir. Bazi durumlarda PEF, ısı ile kombine edilerek engeller teknolojisinden faydalanilabilir. Bu durumda kullanilan isi, isil islemlerde kullanilan isidan cok daha azdir. PEF in mikroorganizmalara etkisi Elektrik alan kritik bir seviyeye ulastiginda hucre zarinin zayif kisimlarinda delikler olusmaya baslar. Hucre disindan icine giren su, hucrenin patlamasina ve hucrenin icindeki organel ve besin maddelerinin disina cikmasina sebep olur. 3
hücre K K elektrik alan kaldırıldığında hücre zarının elektroporasyonu kalıcı por oluşumu 4
PEF in mikroorganizmalara etkisi Por olusumu hucrenin ici ve disi arasindaki potansiyel farki belli bir seviyeye ulastiginda meydana gelir. Por olusumu uygulanan elektrik alan yogunluguna bagli olarak kalici ya da gecici olabilir. Olusan porlar hucrenin yuzey alanina kiyasla cok kucukse, kapanabilir ve oldurucu etkisi olmayabilir. Hücreye etkisi PEF ile Düşük elektriksel alan şiddetinde hücre yaralanmalarının iyileşmesi ve hücre büyümesi söz konusu Yüksek şiddette ise hücre bütünlüğü net olarak bozulmakta Elektroporasyon oluşmaktadır. 5
Voltaj (kv) Voltaj (kv) 09.05.2016 PEF in mikroorganizmalara etkisi Hücrelerin öldürülmesi için gereken kritik elektrik alan mikroorganizmadan organizmaya değişir. Kritik hucre zari potansiyeli asagidakilere baglidir: Hucrenin buyuklugune Hucre yuzeyinin elektriksel yukune Hucre zari ve sitoplazmasinin iletkenligine Hucrenin icinde bulundugu siviya PEFin mikroplari inaktive etme yetenegini etkileyen faktorler Elektrik alan gucu (kv/cm) Atim sayisi Uygulama suresi (milisaniye-mikrosaniye) Atim suresi (mikro saniye) Atim dalga turu Islem sicakligi (C ) Sistem tasarimi (surekli / kesikli) Elektrik alan gucu Elektrik alan gucu iki elektrodun arasindaki voltaj farki olarak tanimlanir. PEF in mikroplar uzerinde etkisinde en belirleyici faktor alan gucudur. Alan gucu arttikca oldurucu guc de artar. Atim sayisi Atim sayisi arttikca, mikroplarin inaktivasyonu da artar. Ayni zamanda gida fark edilir sekilde isinmaya baslar. Hem atim sayinin artmasi, hem de isinin artmasi, mikroplarin inaktivasyonunu hizlandirir. Atim suresi (mikro saniye) Atim suresi arttikca mikroplarin inaktivasyonu da artar. Ancak atim suresinin artmasi isinmayi da hizlandiracaktir. Toplam işlem süresi atım sayısı ile atım sayısı çarpılarak bulunur. Atım dalga türü Kare dalga formlari, ustel azalan (exponentially decaying) dalga formlarina gore mikroplari oldurmekte daha etkili ve enerji acisindan verimlidir. Zaman (μs) Zaman (μs) 6
Ortam sicakligi Surekli yada kesikli sistem Hucre zari lipitden olustugu icin, yuksek sicaklikta daha sividir ve gecirgenligi daha yuksektir. Yuksek sicakliklarda PEF daha etkilidir. Surekli sistemlerde elektrik alan dagilimi daha homojen oldugu icin kesikli sistemlerden daha etkilidir. Mikroorganizmalar Mikroorganizma turu Bakteri sporlari, vejetatif hücrelere göre daha dayanıklıdır. G(+) bakteriler, G(-) lerden daha dirençlidir. Küf ve mayalar en az dirençlidir. Buyume fazi Log fazindaki bakteriler durgun fazdaki bakterilere nazaran daha cok etkilenirler. Mikroorganizmanın büyüklüğü Hücre büyüklüğü ne kadar fazla ise PEF o kadar etkilidir. G(+) G(-) G(+) bakterilerde hücre duvarındaki kalın peptidoglikan tabakası koruyucu rol oynar. Gida Gidanin elektrik iletkenligi, partikul varligi, partikul buyuklugu ve baslangictaki isisi PEF in inaktivasyon gucunu etkiler. Iletkenligi az gidalar PEF le islenmeye daha uygundur. Iletkenlik temel olarak gidanin tuz miktarina baglidir. Partikullere yapışık mikropları oldurmek daha zor oldugundan, daha yuksek alan gucune gerek vardir. PEF in enzimler uzerine etkisi Bu konudaki calismalarin cogu meyve sularinda pektin metil esteraz (PME) enziminin inaktivasyonu uzerine yapilmistir. PEF in enzimleri inaktive edebildigi bilinmekle beraber henuz mekanizmasi acik degildir. Yapilan calismalarda proteinlerin alfa-heliks kisimlarinin azaldigi gozlemlenmistir. Bunun yani sira, proteinlerin acilmasi, kovalent baglarin kirilmasi, denaturasyonu, sulfid gruplari arasinda reaksiyonlar da soz konusu olabilir. 7
PEF in enzimler uzerine etkisi Yapilan calismalarda PME, lipaz, poligalakturonaz, peroksidaz, alfa amilaz, polifenol oksidaz gibi enzimlerin yuzde yuz inaktive edilemedigi gozlemlenmistir. Isi ve PEF beraber kullanildiginda aktivasyon seviyesi artmaktadir. PEF sistemleri Kesikli sistem PEF sistemleri Surekli sistem PEF sistemleri Elektrotlar elektrolizi minimize edecek maddelerden secilmelidir. Elektrik alanin sistem icinde dagilimi olabildigince homojen olmalidir. Potansiyel PEF uygulamalari Potansiyel PEF uygulamalari Meyve sulari Elma suyunda yapilan calismalarda, 50 kv/cm, 10 atim, 2 mikrosaniyelik atimlar kullanilarak raf omru 21 gunden 28 gune uzatilmistir. Portakal suyunda, 6.5 kv/cm, 5 atim kullanilarak S. cereviciae nin 5 logluk dusus gozlemlenmistir. Sut 21 kv/cm de E. coli icin 3 logluk dusme gozlemlenmistir. Salmonella dublin 4 log dusmustur. 40 kv/cm de, 2 mikrosaniyelik 30 atimla islenen sutun raf omru 4C de 2 hafta olarak belirlenmistir. 8
Potansiyel PEF uygulamalari Potansiyel PEF uygulamalari Sivi yumurta PEF pastorizasyonuyla 25-28 gunluk raf omru elde edilmistir. Yumurtanin kalitesi etkilenmeden pastorize edilmesinin mumkun oldugu sonucuna varilmis. Diger sivi urunler Bezelye corbasi uzerinde yapilan denemelerde E. coli nin 6.5 log, B. subtilis in ise 5.3 log dusurulebildigi gozlemlenmistir. PEF in diger uygulamalari Kurutma oncesi uygulamalar, kurutma islemini hizlandirmaktadir. Yag ekstrasyonu oncesinde PEF uygulamasi, islemi hizlandirmaktadir. Bu sayede ekstrasyon islemi daha dusuk sicakliklarda gerceklestirilebilmektedir. PEF ayrica DNA transferi yapilacak hucrelerde por olusturulmasinda kullanilmaktadir. 9