MHENDSLK FAKLTES GIDA MHENDSL BLM GMB 341 Gdalarn
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ GIDA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ GMB 341 -Gıdaların Fiziksel Özellikleri Prof. Dr. İlkay KOCA
SU AKTİVİTESİ GMB 341 -Gıdaların Fiziksel Özellikleri 9. Hafta
Su aktivitesi nedir? • Su aktivitesi gıda sistemlerinde, su moleküllerinin çözünen maddelerle potansiyel reaktivitesinin bir ölçüsüdür. Gıdaların işleme ve depolamada uğradıkları bozulmalar ve kalite kayıpları arasındaki bağıntılar en iyi şekilde su aktifliği ile ifade edilir. Gıdadaki suyun buhar basıncının aynı sıcaklıktaki saf suyun buhar basıncına oranıdır.
Su içeriğinin kontrolü ile gıdaların korunması prensibi en eski yöntemlerden biridir. Güneşte kurutma, tuz veya şeker ilavesi gibi işlemlerle su aktivitesi azaltılarak raf ömrü uzatılabilmekteydi. Buna karşın, bu olayın fiziksel ve kimyasal esası 1950' lere kadar anlaşılamamıştı. Daha sonra, su aktivitesi kavramı; gıdadaki suyun buhar basıncının aynı sıcaklıktaki saf suyun buhar basıncına oranı veya gıdaların atmosferden aldığı veya verdiği suyun nispi nem dengesinin 1/100' i şeklinde tanımlanmıştır. Sonraki yıllarda su aktivitesi kavramı önemli moment kazanmış ve reaksiyonların kimyasal kinetikleri, kullanılan su bağlayıcı tiplerin etkisi, ph, sıcaklık, koruyucular gibi diğer parametrelerin su aktivitesi üzerine etkisi ile ilgili çok sayıda çalışma yapılmıştır.
• Gıdalardaki su aktivitesinin hesaplanmasında genel olarak; Su aktivitesi (as =aw =sa ) = (P/P 0) = (bağıl nem/100) bu formülde ; P: gıdadaki suyun buhar basıncı P 0 : aynı sıcaklıktaki saf suyun buhar basıncı Bağıl nem: gıdaların atmosferden aldığı veya verdiği suyun nispi nem dengesi Gıda maddesindeki suyun buhar basıncının (P) değişmesine neden olan her faktör su aktivitesinin de değişmesine neden olmaktadır. Örneğin kuru maddenin artışı su aktivitesinin azalmasına neden olmaktadır.
Gıdalarda sorbsiyonu • Denge nem miktarı (DNM), ortamın sıcaklık ve bağıl nemine bağlı olarak değişmektedir. • Değişmez sıcaklıkta, farklı bağıl nemdeki ortamlarda tutulan örneklerin denge nem miktarları, ortamın %bağıl nemlerine karışı (ve aw) grafiğe aktarıldığında, “sorpsiyon izotermi” elde edilir.
• • A bölgesi Aw 0. 2 -0. 4 (yaklaşık) mono-moleküler su filmi Polisakkaritlerin hidroksi grupları, proteinlerin karbonil ve amino grupları gibi gıdaların özel gruplarına güçlü şekilde bağlı • kurutmada uzaklaştırılması imkansız • Gıdayı oksidasyondan korumaya yardımcı • çözücü olarak davranmaz
• • B bölgesi Aw 03 -0. 7 (yaklaşık) Multi moleküler katman Mono-moleküler tabakadaki suya hidrojen bağlarıyla bağlı • Gevşek ve çözücü özelliklerine sahip • Bu bölgede, gıdanın su içeriğindeki hafif bir değişme, denge bağıl neminde ve aw’de önemli değişime neden olur
• • C bölgesi Aw>0. 7 “serbest su” Gıdanın gözenekli yapısındaki boşluklarda ve kılcallarda yoğunlaşmış su • Stabilite üzerinde önemli etkiye sahip (mikrobiyal, enzimatik vb) • Çözücü özellikte 0 kurutmada kolaylıkla uzaklaşır
Sorpsiyon izotermleri - Modeller • Langmuir izotermi • freundlich izotermi • brunauer-emmett-teller (BET) izotermi • oswin izotermi • guggenheim-anderson-de boer (GAB) izotermi
Henry yasası 19. Yüzyılın başlarında İngiliz kimyacı William Henry, belirli bir sıcaklıktaki bir sıvıda, bir gazın çözünürlüğünün sıvı üzerindeki gaz basıncıyla doğru orantılı olduğunu keşfetmiştir
Henry yasasına göre: Bir sıvıda çözünen gaz miktarı, sabit sıcaklıkta sıvı üzerindeki basınç yükseltildikçe artar. Örnek : Kolalar, gazozlar ve sodalı sular yüksek basınç altında şişelenmiştir ve kapağı açıldığında şişedeki basınç düşmüş olur. Bu nedenle CO 2 gazının çözünürlüğü azalır ve bir miktarı sıvıyı terk eder.
• Kimya endüstrisinde ve özellikle, çözünürlük verilerinin önem kazandığı absorbsiyon ve destilasyon ünitelerinin bulunduğu tesislerde, Henry sabiti fiziksel ve kimyasal olayların açıklanmasında ve üretim şartlarının belirlenmesinde gerekli bir özelliktir. Ayrıca Henry sabitinin çok önemli bir fiziksel özellik olduğu son yıllardaki çevre araştırmaları ile belirginleşmiştir. Organik kirleticilerin toprağın boşluklarındaki hava ile toprağın nemi veya yeraltı sularındaki dağılımı Henry sabitinin değeri ile doğrudan ilgilidir. Henry sabiti sadece uçucu organik kirleticilerin hareketlerini tanımlamak için yazılan kütle taşınım modellerinde değil, aynı zamanda atık sulardan organik maddelerin uzaklaştırılmasında kullanılan hava ile sıyırma prosesinin tasarım ve
Henry yasası düşük basınç aralığında sadece sıcaklığın fonksiyonudur ve gazların sıvı içindeki çözünürlüğünü tanımlar. KH = pi/x KH: Henry sabiti, basınç birimindedir. Pi: gaz fazındaki maddenin kısmi basıncı X: ise maddenin sıvı fazındaki mol
• Farklı maddelerin çözünürlük ve Henry sabiti değerlerinin belirlenmesinde çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Henry sabitinin belirlenmesi için kullanılan geleneksel yöntemler zaman alıcıdır, bu yöntemlerin özellikleri kaynaklarda ayrıntılı olarak tartışılmıştır.
Rault yasası Bileşikler uçucu sıvılar ise, birbirlerinden ayrılmaları genellikle damıtma ile yapılır. F. M. Raoult, 1880’lerde bir çözünenin, çözücünün buhar basıncını düşürdüğünü buldu ve buna Raoult Yasası adını verdi. P a = a. p 0 a PA: ideal bir çözeltide çözücünün buhar basıncı, P 0 A: verilen bir sıcaklıkta saf çözücünün
Xa+xb = 1 olduğundan xa her zaman 1’den küçük olur. Böylece PA, pa 0’dan küçüktür. Raoult yasası sadece ideal çözeltilere ve çözeltilerin buharlaşabilen bileşenlerine uygulanabilir.
PA: a’nın kısmi buhar basıncı PB: b’nin kısmi buhar basıncı XA: a’nın mol oranı XB: b’nin mol oranı
Hareketlilik ölçüsü olan aktivite bileşime bağlı olarak, 0 ile 1 arasında değişmektedir
SU AKTİVİTESİNİN BELİRLENMESİNDE KULLANILAN YÖNTEMLER
DENEYSEL YÖNTEMLER
Grafik İnterpolasyonu Yöntemi • Pratikte, bu kavram bilinmeyen bir materyalin su aktivitesini kabul edilebilir bir doğrulukla hesaplamak için kullanılır. Farklı nisbi nemlerde tutulmuş örneğin su kazancı veya kaybı su aktivitesine karşı grafik edilirse, bu grafik sıfır nem değişimini gösteren çizgi ile kesişecektir. Bu kesişme noktası yani interpolasyon
Bitermal Denge Yöntemi • Referans çözeltiler ile ilgili su aktivitesi değerleri şüpheli veya kullanışlı olmadığından bitermal tekniği mutlak bir standart sağlamaktadır. Çözeltilerin buhar basınçları, farklı düşük sıcaklıklardaki saf su ile 250 c'deki çözeltinin buhar fazı dengesine bağlı olan bir metodla belirlenir. Tabanı düz iki bakır kaptan ibaret, termostatlı su banyosuna daldırılmış olan sistem, dar
Manometrik Yöntem • • Daha önce de belirtildiği gibi, gıdanın nem içeriği sabit sıcaklıktaki gıdanın buhar basıncıyla direkt olarak ilgilidir. Bu basınç manometrik yöntemlerle doğru bir şekilde ölçülebilir. Bu teknikle su aktivitesi bir hatayla belirlenebilmektedir. Buhar basıncı belirlenecek örnek parçalanır ve bir cam kap içine yerleştirilir. Bu kap da bir manometreye bağlanır. Manometre bölümü boşlatılır ve bu süre içinde örnek bölümü yaklaşık olarak -800 c'ye soğutulur. Boşaltmayı müteakip, manometre tarafı sıfır basınca düşürülürken örnek oda sıcaklığına kadar ısıtılır. O zaman manometrenin örnek tarafındaki sıvı seviyesi, örneğin kendi buhar basıncından kaynaklanan basınç ile diğer tarafa döner. Örnekte hava değişimi aynı zamanda manometrenin dönmesine katkıda bulunur
Saç Higrometresi Yöntemi • Bu yöntem, insan saçının higroskopik özelliği nedeniyle neminin artması sonucu elektrik akımını iletme kabiliyetinin de artması esasına dayanır. Higrometrede saç, genellikle üç veya daha fazla telden oluşmuş örgü şeklinde kullanılır. Saç
İsopiestik Yöntem • Bir test örneği ve bir referans çözelti (genellikle tuz çözeltisi) vakum altında dengeye getirilir ve gerek örneğin gerekse referans çözeltinin su içeriği belirlenir. Daha sonra dengeye gelmiş referans sistemin su aktivitesi standart tablolardan okunur. Kullanılan referans çözeltiler katı faz içeren doymuş çözeltiler olabilir. • Örnekler ve çözeltiler arasındaki
• Bu teknikler, su aktivitesi bilinen çözeltilerle daha önceden dengeye getirilmiş referans maddenin, ağırlık kaybı belirlemeleri ile standart absorbsiyon izotermlerinin hazırlanmasını içermektedir. Referans madde olarak genellikle proteinler (kazein veya izolatları) ve mikrokristalin selüloz kullanılmaktadır. Mikrokristalin selüloz Kazein proteini
• Standart izotermlerin hazırlanmasından sonra gıda örnekleri referans madde ile dengeye gelir. Dengeleme, genellikle vakumlu desikatörlerde 24 -28 saat süre içinde yapılmaktadır. Bu madde daha sonra dikkatli bir şekilde nem içeriğini belirlemek için tartılır ve su aktivitesi standart kurveden incelenir. Çeşitli gıdaların su aktivite seviyeleri arasındaki karşılaştırmalar bu tekniklerle
LANG ve ark. , (1981), su aktivitesi bilinen bir atmosferde örneğin hızlı bir şekilde dengeye gelmesi için denge hücresi kullanmışlar. Bu denge hücresinde küçük kaplar içerisine doymuş tuz çözeltilerinin katı kısmı konulmuş ve örnekler de bir kapla bu tuz çamurunun üzerine asılmıştır. Gravimetrik tekniklerin avantajları, sistemin maliyetinin çok düşük olması ve yüksek su aktivitesi seviyelerinde de doğru sonuçlar vermesidir.
ELEKTRİK HİDROMETRESİ YÖNTEMİ: Elektrik hidrometrelerinin iki esas tipi gıda analizlerinde kullanılmaktadır. Birincisi; çevre atmosferiyle dengedeki hidroskobik bir tuzun direnci veya iletkenliğinin ölçümü esasına dayanmaktadır. Su, tuz tarafından absorbe veya desorbe edilirken bu tuzun iletkenlik kabiliyeti değişmektedir. Bu cihazlar ya Gregory veya Dunmore Higrometreleri olarak bilinir. İkinci tip; eletrolitik higrometre olarak bilinmektedir. Bu aletin çalışması için, cam yünü gibi inert bir
KİMYASAL YÖNTEMLER
DONMA NOKTASI DEPRESYONU YÖNTEMİ: Çözeltilerin su aktivitelerinin tayini çözeltinin donma noktasındaki depresyonun tam olarak belirlenmesiyle başarılı bir şekilde gerçekleştirilebilir. Çeşitli sıcaklıklardaki buzun buhar basınçları kimya el kitaplarında yayınlanmış ve süper soğutulmuş suyun buhar basıncı ile ilişkilendirilmiştir. Bu çözeltide buz kristallerinin oluşmaya başladığı sıcaklığı tam olarak belirlemek zordur. Çok yüksek doğruluğa sahip termometreler kullanılarak bu amaç için özel ekipmanlar geliştirilmiştir. Bu yöntem sadece çözeltilere uygulanabilir ve katı gıdaların su aktivitesi ölçümü için kullanışlı değildir.
ŞEBNEM NOKTASI YÖNTEMİ: Buhar basıncı ölçümünün bir diğer anlamı su buharı yoğunlaşmasının meydana geldiği sıcaklık noktasını tam olarak belirlemektir. Bu parametre şebnem veya çiğ noktası olarak tanımlanmaktadır. Şebnem noktası
• Bu cihazlarda gaz (buhar basıncı bilinmeyen), genellikle termoelektrik bir soğutucuyla soğutulmuş bir aynaya maruz bırakılır. Ayna üzerinde yoğunlaşma meydana geldiği zaman, fotodedektör reflektanstaki değişmeyi algılar ve termoelektrik soğutucuya giden akımı azaltır. Neticede denge kurulur. Bu dengenin belirlendiği ayna sıcaklığı tam olarak bulunabilir ve bilinmeyen gazın buhar
KİTLE ETKİ YÖNTEMİ • Bu yöntemde yarı iletkenliğe sahip dikkatle sıralanmış kristal kafes yapılardan ibaret sensörler kullanılır. Su molekülleri, kristal kafesteki bağlarda şiddete sebep olur. Serbest kalan enerji iletkenlikte değişime neden olur. Bu değişim bir osilatör yardımıyla sensöre uygulanan sinyaldeki sapmayla algılanır. Sinyal değişiminin büyüklüğü kafesteki suyun miktarıyla ilgilidir ve demodükasyondan sonra bir voltmetre ile ölçülür. Genellikle analiz edilen gıdalar, gıda ve kafes arasında denge şartlarının kurulabilmesi için sensörün bulunduğu kapalı bir hazneye yerleştirilir.
Gıdalar için önemi • Geçmişten günümüze, insanlar gıdaların özellikle mevsim dışı kullanımları için çeşitli işleme yöntemleri geliştirmiştir. Bu yöntemlerin asıl amacı tüketilmesi planlanan gıdanın uygun koşullar altında herhangi bir bozulmaya uğramaksızın tüketimine kadar saklanabilmesidir.
• Genellikle uygulanan yöntemler, kurutma, tuzlama, dondurma, şeker ilavesi vb. dir. İlk yıllarda bilinçli olarak yapılmamış olsa da tüm bu yöntemlerdeki ortak amaç, ürünün su aktivitesi değerini kontrol altına almak ve ürünü daha ileri kalite kayıplarından korumaktır. Su aktivitesi nem içeriğine kıyasla gıdaların fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikleri üzerinde daha önemli bir etkiye sahiptir.
BAZI GIDALARIN SU AKTİVİTELERİ
Bazı Mikroorganzimaların Su Aktiviteleri
Neden ölçülür? • Aynı su içeriğine sahip gıdaların dayanıklılıkları farklılık gösterebilir. Gıdaların işleme ve depolamada uğradıkları bozulmalar ve kalite kayıpları arasındaki bağıntılar en iyi şekilde su aktifliği ile ifade edilir. Gıda içindeki suyun yapıya ne şekilde bağlı olduğunu, bazı kimyasal ve enzimatik reaksiyonlarla mikrobiyolojik faaliyetler için kullanılabilme durumunu ve derecesini gösterir.
Novasina su aktivite ölçüm cihazı
özellikleri • Novasina’nın patentli “novalyte” tekniği ile akıllı ve yüksek dayanıklılığa sahip elektrolit tabanlı yeni CM-2 nem ölçüm teknolojisi entegre edilmiştir. • Aw-değer ölçümü, sadece gıda sektöründe değil veteriner, ilaç ve kozmetik sektörlerinde de daha hassas ve daha hızlı sonuçlar vermektedir.
• Özellikle çok kuru ve çok nemli ürünlerde cihazın tekrarlanabilir yüksek hassasiyeti aw-ölçümü için dünyada yeni bir standart oluşturacaktır, • Novasina nem standartları (SAL-T) ile birlikte, sistem 8 noktada kalibre edilebilmektedir. • Her bir sistem bir ölçüm hücresine ve daha hızlı analiz için ürün ön hazırlık hücresine (reconditioning chamber)
- Slides: 44