Isıl İşlemler

ISIL İŞLEMLER
•
•
1. Isıl işlemler
Gıdaların ısıl işlemler ile dayanıklı hale getirilmelerinde bir taraftan
asıl amaç olan mikroorganizmalar etkisiz hale getirilirken, diğer
taraftan, bu gıdaların kalitelerinin korunabilmesi ve besin
değerindeki kayıpların minimum düzeyde tutulabilmesi, teknolojik ve
fiziksel bir problemdir. Mikroorganizmaların ısıya karşı dirençlerine
birçok faktörün etkisi bulunmaktadır. Çeşitli gıdaların dayanıklı hale
getirilmeleri için uygulanan ısıl işlemler de bu faktörlerin etkilerine
bağlı olarak değişik olmaktadır. Yani hermetik olarak kapatılmış
ambalaj içindeki gıdalar veya ısıl işlem uygulandıktan sonra aseptik
koşullarda ambalajlara doldurulan gıdalar, özelliklerine ve
bulundukları koşullara göre farklı ısıl işlemler uygulanarak sterilize
veya pastörize edilmektedirler. Meyve sularının pH değeri düşük
olduğu için pastörizasyon (T<100°C) ile dayanıklı hale
getirilebildikleri halde, fermente edilmemiş doğal sebze suları
sterilizasyon (T>100°C) ile dayanıklı hale getirilmektedir.
• Gıda endüstrisinde sterilizasyonun anlamı ve
uygulaması, mikrobiyolojik çalışmalardaki anlam ve
uygulamalardan farklıdır. Mikrobiyolojide kullanılan
sterilizasyon terimi; ortamda herhangi bir canlının
bulunmadığını ve tamamının öldürüldüğünü
belirtmektedir. Buna karşılık sterilize edilen gıdalarda
yüksek sıcaklığa dayanıklı, aerob veya termofil
mikroorganizmalar bulunabilmektedir. Canlı kalabilen bu
mikroorganizmalar, çalışmaları ve çoğalmaları için
gerekli ortamı, normal koşullarda saklanan hermetik
kaplardaki gıdalarda bulamadıklarından, gıdayı
bozamamaktadırlar. Bu nedenle, gıda endüstrisinde
uygulanan sterilizasyon ticari sterilizasyon olarak
nitelendirilmektedir.
• Isıl işlemlerle dayanıklı hale getirilen gıdalardaki
mikroorganizmalar, ısıl işlemlerle öldürülerek
mikrobiyolojik açıdan dayanıklı hale getirildiği gibi, bu
sırada ayrıca gıdanın yapısında bulunan enzimler de
inaktif hale gelmektedirler. Enzimlerin inaktif hale
getirilmeleri özellikle meyve sularında uygulanan ısıl
işlemlerde çok önemlidir. Nitekim bu ürünlerde
çoğunlukla uygulanan yüksek sıcaklık kısa süre
pastörizasyonuyla (HTST veya flash pastörizasyon)
pektolitik enzimlerin inaktif hale getirilmeleri,
mikroorganizmaların vejetatif hücrelerin ve hatta
sporlarının öldürülmelerinden daha uzun süreye
gereksinim göstermektedir.
• Bütün bu açıklamalara göre ısıl işlem uygulamasında en
önemli noktalardan birinin, bir taraftan bozulma nedeni
mikroorganizmaların öldürülmelerini gerçekleştiren, diğer
taraftan gıdaların fiziksel ve kimyasal yapıları ve besin
değerlerinde en az kayıplara neden olabilen en uygun
ısıl işlem koşullarının sağlanması olduğu açıklıkla
görülmektedir. Bu koşulların bilimsel yollarla sayısal
değerler halinde belirlenebilmesi için, ısıl işlemlerle
muhafaza edilen gıdalarda bozulmalara neden olan
mikroorganizmaların ısıya karşı dirençleri ile ısıl işlem
sırasında ambalaj içinde ısı girişimi gibi iki ana faktörün
saptanması gerekir.
1.2. Isıl işlem koşullarının saptanması
•
•
•
•
•
Deneysel yolla ısıl işlem koşullarının saptanması yöntemi, birbirine
bağlı üç aşamadan oluşan bir uygulamadır.
Test mikroorganizmasının ısıl direncinin deneysel olarak
saptanması,
Isıl işlem uygulanacak gıdada ısı girişimine ait verilerin deneysel
olarak belirlenmesi,
Birinci ve ikinci aşamalarda deneysel olarak bulunan verilerin
değerlendirilerek, sıcaklık ve süre gibi ısıl işlem koşullarının
hesaplanması.
Isıl işlem koşullarının saptanması, sebze suları gibi düşük asitli
gıdalar (pH > 4.5) için çok önemlidir. Çünkü bu gıdalarda insan
sağlığını tehdit edici nitelikte bir bozulma riski daima vardır. Buna
karşın meyve suları gibi yüksek asitli (pH < 4.5) gıdalarda basit bir
ısıl işlem dahi, bozulma etmenlerini kısa sürede ortadan kaldırmaya
yetmekte ve bunlarda insan sağlığını tehdit edici bir bozulma riski
bulunmamaktadır.
1.3. Isıl işlemlerin temel ilkeleri
•
•
Bir ısıl işlemin etkinliğinin hesaplanabilmesi, ısıl işlem açısından
önemli olan mikroorganizmanın ısısal direnç özelliklerinin (z- ve Fdeğeri) bilinmesini gerektirir. Mikroorganizmaların ısı etkisiyle ölümü
genellikle birinci dereceden reaksiyon kinetiğine uyar.
Isının mikroorganizmalara öldürücü etkisinin nedenleri değişik
görüşlerle açıklanmaktadır. En yaygın olan görüşe göre;
mikroorganizmaların yapılarında bulunan proteinler ısı etkisi ile
denatüre olmakta ve aynı şekilde yaşamsal önemi olan enzimler de
inaktive olarak mikroorganizmanın ölümü gerçekleşmektedir.
Hücredeki enzimlerin inaktif hale gelmesini etkileyen faktörlerin,
mikroorganizmaların ısıya karşı direncini etkileyen faktörlerle
benzerlik göstermesi de bu görüşü desteklemektedir.
pH
• Mikroorganizmaların ısıya karşı dirençleri onların
kalıcı bir niteliği olmayıp, içinde bulundukları
ortamın fiziksel ve kimyasal yapısına bağımlı
olarak değişebilmektedir.
• Mikroorganizmaların ısıya karşı dirençlerini
etkileyen en önemli faktör ortamın pH değeridir.
Mikroorganizmaların ısıya karşı dirençleri pH 7
dolaylarında en yüksek düzeydedir. Ortamın
asitliği artıkça, diğer bir deyimle pH değeri
düştükçe, mikroorganizmaların ısıya dirençleri
azalmaktadır.
pH
• Bu özelliğin pratikte çok önemli sonuçları vardır.
Gerçekten meyve ve domates konserveleri ve suları gibi,
pH değerleri 4.5'in altında olan gıdalar 100°C'ın altındaki
sıcaklıklarda, yani pastörize edilerek dayanıklı hale
getirilirken, pH değerleri 4.5'ten fazla olan sebze, et ve
süt ürünleri gibi gıdalar 100°C'ın üzerinde sterilize
edilerek dayanıklı hale getirilmektedir. Ürünün pH değeri,
uygulanacak ısıl işlemin niteliğini etkilediğinden, ısıl
işlem uygulamalarında gıdalar pH değerlerinde göre
sınıflandırılmaktadır. Gıdaların mikrobiyolojik bozulma
nedenleri de pH değerlerine göre değişmektedir.
Tuz
• Diğer taraftan ortamın tuz, yani NaCl,
konsantrasyonu belli bir noktaya kadar
mikroorganizmaların ısıya direncini
artırmaktadır. % 2'den % 4'e kadar olan
tuz konsantrasyonları mikroorganizmaların
ısıya direncini artırdığı halde, daha fazla
miktarlar ısıya direnci azaltmaktadır.
Ancak birçok konserve gıdada kullanılan
% 0.1 dolaylarındaki tuzun bu konuda
herhangi bir etkisi yoktur.
Şeker
• Şekerler de derişime bağlı olarak
mikroorganizmaların ısıya direncini
etkilemektedir. % 50 ve daha yüksek
derişimlerdeki şeker ısıya direnci
artırmaktadır. Ancak daha düşük
miktarlardaki şeker mikroorganizmaları
ısıya karşı koruyamamaktadır.
Protein
• Aynı şekilde protein yapısındaki maddeler
de mikroorganizmaları ısıya karşı
korumaktadır. Ortama katılan jelatinin
mikroorganizmaların ısıl direnci artırdığı
saptanmıştır.
Yağ
• Yağlar da mikroorganizmaların ısıl
dirençlerini etkilemektedir. Yağların bu
etkileri ısıyı güç iletmeleri yanında,
mikroorganizma hücresinin çevresini
sararak su ile ilişkiyi kesme ve böylece
suyun, proteinlerin ısı ile koagüle olma
üzerindeki etkisini ortadan kaldırmasıyla
açıklanmaktadır.
Tat ve Aroma Maddeleri ve
Koruyucu Maddeler
• Gıdalara tat ve aroma vermek amacıyla ilave
edilen baharat, gıdalarda kullanıldıkları
düzeylerde mikroorganizmaların ısıl dirençleri
üzerinde etkili olmadıkları halde, yüksek
konsantrasyonlarda etkileri bulunmaktadır.
• Gıda muhafazasında kullanılan bazı
koruyucuların da mikroorganizmaların ısıya
dirençlerini azalttıkları saptanmıştır.
Mikroorganizma Yaşı ve Sayısı
• Diğer taraftan ortamdaki mikroorganizma sayısı
mikroorganizmaların ısıya karşı direnci üzerinde
etkili olmadığı halde, ısı etkisiyle
mikroorganizma ölümlerinin logaritmik bir özellik
göstermesinden dolayı ısıl işlemlerle
mikroorganizmaların öldürülmelerinde başlangıç
mikroorganizma sayısı büyük önem
taşımaktadır.
• Ayrıca mikroorganizmanın yaşı da ısıya karşı
direnci etkiler. Ancak bunun gıda teknolojisi
açısında bir önemi bulunmamaktadır.
Isıtma süresinin fonksiyonu olarak
mikroorganizmaların öldürülmesi
• Belli bir mikroorganizma veya bakteri sporlarının
süspansiyonu hazırlandıktan sonra, sporların
öldürülmesi için gerekli bir sıcaklıkta ısının etkisi
incelenecek olursa; ısıtma süresi artarken canlı
kalan spor sayısının logaritmik olarak azaldığı
görülür. Örneğin başlangıçta spor
süspansiyonunun 1 ml'sinde 105 spor bulunduğu
varsayılırsa, sabit bir sıcaklıkta ısıtma sonunda
canlı kalan spor sayısında Tabloda gösterilen
şekilde bir azalma söz konusudur.
D-değeri
• Bu koşullarda D dakika, ortamdaki canlı mikroorganizma
populasyonunun %90'ınının öldürülmesi için gerekli
ısıtma süresidir. Burada 10-1 ve 10-2 gibi değerler
sporların canlı kalma olasılığını açıklamaktadır. Örneğin;
10-1 değeri (1/10 veya % 10) her biri 1 ml spor
süspansiyonu içeren 100 deney tüpü 6D süresince
ısıtılırsa ve bu deneme yeterli sayıda tekrar edilirse,
ortalama sonuçta tüplerin %90'ı steril ve %10' unda ise
canlı halde sporların bulunduğunu gösterir. Canlı kalan
spor sayısı zamanın fonksiyonu olarak yarı-logaritmik
grafiğe alındığında logaritmik canlı kalma eğrisi elde
olunur (Şekil ). Sabit sıcaklıkta ortamda bulunan
mikroorganizmaların % 90'ının öldürülmesi için gerekli
ısıtma süresi D-değeri olarak bilinir. Başka bir deyişle; Ddeğeri logaritmik canlı kalma eğrisinin bir logaritmik
devreyi aşması için gerekli ısıtma süresidir.
Sabit bir sıcaklıkta ısıl işlem sırasında belli süreler sonunda canlı kalan
spor sayısı
Isıtma süresi, dakika
Canlı kalan spor sayısı, adet/ml
0
105
D
104
2D
103
3D
102
4D
101
5D
100
6D
10-1
7D
10-2
Logaritmik canlı kalma eğrisi (termal inaktivasyon oranı)
5
log c , adet/ml
eğim = -k/2.303 = -1/D
4
(t1 , log c1 )
D
3
(t2 , log c2 )
2
0
20
40
t , saniye
60
80
D-değeri
• D-değeri sıcaklığa bağlı bir değer olduğundan hangi
sıcaklığa ait olduğu D harfinin hemen altına yazılan
rakamla belirtilir. Örneğin D250, D230 veya D245 gibi. D250
ise genellikle D0 simgesiyle belirtilir. Bazı kaynaklarda
D250 yerine Dr sembolü kullanılmaktadır. Bir
mikroorganizmanın D-değeri ne kadar büyükse o
mikroorganizma, ısıya o kadar dirençli demektir.
• Diğer taraftan bir mikroorganizmanın D-değeri, arz
edildiği sıcaklığa bağlı olup, ortamdaki mikroorganizma
konsantrasyonu ile ilişkili değildir. Buna karşın daha
sonra ayrıntı ile üzerinde durulacak olan F-değeri ise,
hem sıcaklık hem de ortamdaki mikroorganizma sayısı
ile ilişkilidir.
Sıcaklığın fonksiyonu olarak
mikroorganizmaların öldürülmesi
•
•
•
Sıcaklık ne kadar yüksek ise bir ortamdaki mikroorganizmaların
vejetatif hücreleri ve sporları daha kısa sürede öldürülebilmektedir.
Mikroorganizmaların ısıya dirençleri, içinde bulundukları ortamın pH
değeriyle yakından ilgili olduğundan, gıdaların ısıl yolla
muhafazasında gıda maddesinin pH'sı en önemli kriter olarak ortaya
çıkmaktadır.
Uzun süren laboratuvar çalışmaları ve işletme pratiğinin gösterdiği
gibi ısıl işlemlerde yeterli güvenirlik elde olunabilmesi için ısıya en
dayanıklı bakterilerden biri olarak bilinen Clostridium botulinum
sporlarının ortamdaki sayısının 1012 adet/ml'den 100 adet/ml'ye
indirilmesi gereklidir. Bu bakımdan düşük asitli gıdalarda (pH>4.5)
sterilizasyon normlarının saptanmasında bu olgu çıkış noktası olarak
kabul edilmektedir.
•
•
•
En küçük bakteri hacmi yaklaşık 10-12cm3 olduğundan
1 cm3 de en çok 1012 adet bakteri hücresi bulunabilir.Bu nedenle
sterilizasyon koşullarının saptanmasında en yüksek bulaşma düzeyi
olarak 1012 adet/ml lik bir konsantrasyon temel alınır. Buna göre
sterilizasyon koşullarının hesaplanmasında öngörülen ısıl işlem
C. botulinum spor konsantrasyonunu 1012 adet/ml’den 100 adet/ml’e
düşürmeyi amaçlamalıdır. 1012 adet/ml düzeyindeki bir bulaşma
tamamen teorik olduğundan, buna dayalı olarak öngörülen
sterilizasyon normu, uygulamada yeterli düzeyde emniyet katsayısı
içermektedir. Böylece C. botulinum sporlarının 1012 adet/ml’den 100
adet/ml’ye düşürülebilecek boyutlardaki bir ısıl işlem uygulamakla,
C. botulinum tehlikesi tümden giderildiği gibi,
C. botulinum’dan daha dirençli ve sağlık açısından zararlı olmayan
ve ayrıca ortamdaki sayısı sınırlı diğer sporlar da büyük bir olasılıkla
öldürülmüş olmaktadır.
Termal ölüm süresi (TÖS)
• Mikroorganizmaların vejetatif hücre ve sporlarını ısı etkisi
ile öldürmek için gerekli süre, sıcaklığın artmasıyla
azalır. Belli sıcaklıklarda spor sayısını 105 adet/ml'den
100 adet/ml'ye indirgemek için gerekli süre (termal ölüm
süresi) yarı-logaritmik kağıtta y-eksenine, sıcaklıklar ise
x-eksenine kaydedildiğinde elde olunan bu eğriye de
termal ölüm süresi eğrisi adı verilmektedirler.
• Aşağıdaki şekilde sıcaklıklar Fahrenheit olarak
verilmiştir. Fahrenheit skalanın kullanılması bir çok
yönden Celsius skaladan daha kolaydır. Çünkü bu
konudaki ilk çalışmalar Amerikalı araştırıcılar tarafından
yapılmış olup, literatürde genellikle sıcaklıklar Fahrenheit
olarak verilmiştir.
z-değeri:
• TÖS eğrisinin bir logaritmik çevrimi aşması için gerekli
sıcaklık değişimi z-değeri olarak tanımlanır ve aşağıdaki
eşitlikten hesaplanabilir.
•
• TÖS doğrusunun eğimi -1/z'ye eşit olup, bu değer
reaksiyon hız sabitinin sıcaklığa bağımlılığını gösterir ve
bu nedenle Ea ile ilişkilidir. Küçük bir z-değeri (z = 10)
10°F'lık bir artışla ölüm süresinin 10'da birine azalacağını
gösterir. Buna karşılık büyük bir z değeri (z = 50) ölüm
süresinin 10 da birine düşebilmesi için 50°F'lık bir artış
gerektiğini gösterir. Bundan dolayı küçük z-değerine
sahip reaksiyonların sıcaklık bağımlılıkları oldukça
yüksektir; büyük z-değerine sahip olanlar ise sıcaklıktan
en az derecede etkilenirler.
F-değeri:
• F-değeri, belli bir mikroorganizmanın spor veya vejetatif
hücrelerini öldürülebilmesi için ısının belli bir referans
sıcaklıktaki dakika cinsinden eşdeğeridir. F-değeri, söz
konusu sıcaklıkta mikroorganizmanın tümden imha
edilmesi için gerekli süredir. Bununla birlikte ölüm
logaritmik olarak geliştiğinden, tümden imhaya ulaşmak
teorik olarak olanaksızdır. Bu yüzden belli sıcaklıkta
verilmiş F-değerini, o sıcaklıkta ancak belli sayıda
mikroorganizmaların ısıya dirençleri Termal Ölüm Süresi
-TÖS (Thermal Death TimeTDT) olarak bilinmektedir.
Bazı araştırıcılar, belli sayıda mikroorganizmanın
(vejetatif hücre veya spor), belli bir sıcaklıkta ölmesi için
geçen süreyi termal inaktivasyon süresi olarak da
belirtmektedirler. TÖS’ün saptanmasında yararlanılan
yöntemler aşağıdaki şekilde özetlenebilir:
. TÖS eğrisi ve z-değeri
1000
TÖS, dak
100
10
z
1
200
210
220
230
Sıcaklık, °F
240
250
260
Tüp yöntemi:
• Tüp yöntemi: İlk defa Bigelow ve Esty
tarafından 1920 yılında tek tüp yöntemi
olarak uygulanan bu yöntem bazı
yanılmalara neden olduğundan daha
sonra Esty ve Williams tarafından çok tüp
yöntemi olarak geliştirilmiştir. Deneylerde
kullanılan tüp sayısı dışında bu iki yöntem
arasında bir fark yoktur.
ÇOK TÜP YÖNTEMİ
• Isıtma süre (dak)
1
+
+
+
+
+
2
+
+
+
+
+
3
+
+
+
+
+
4
+
+
+
+
-
5
+
+
-
6
+
-
7
-
8
-
9
-
. Bacillus cereus sporlarının (2.25 x 106 spor/ml) termal ölüm süresi
üzerine ortamın pH değerinin etkisi (Acar, 1981)
200
100
90
80
70
60
50
40
30
SÜ
RE,
daki
ka
h
20
10
9
8
7
6
5
4
3
(1)
(2)
(3)
(4)
2
1
100
105
110
115
120
125
SICAKLIK, oC
130
135
140
145
• Diğer taraftan ortamdaki mikroorganizma sayısı,
mikroorganizmaların ısıya karşı direnci üzerinde
etkili olmadığı halde, ısı etkisiyle
mikroorganizmaların ölümlerinin logaritmik bir
özellik göstermesinden dolayı ısıl işlemlerle
mikroorganizmaların öldürülmesinde başlangıç
mikroorganizma sayısı büyük önem taşır. Bu
durum ısıl işlemlerle dayanıklı hale getirilen
konserveler açısından önemlidir. Çünkü kutuda
başlangıç mikroorganizma sayısı ne kadar fazla
ise, yeterli bir sterilizasyon için daha yüksek
sıcaklık veya daha uzun süre gereklidir.
Bacillus cereus sporlarının termal ölüm süresi üzerine spor
konsantrasyonun etkisi (pH=7.0) (Acar, 1981)
200
100
90
80
70
60
50
40
Spor konsantrasyonu
(1) 110 000 spor/ml
(2) 2 250 000 spor/ml
30
SÜR
E,
daki
ka
z
22.0
22.5
20
10
9
8
7
6
5
4
(1)
(2)
3
2
1
100
105
110
115
120
125
SICAKLIK, oC
130
135
140
145
F-değeri
• Şekilde B.cereus sporlarının termal ölüm
süresi F-değeri ve z-değeri üzerine spor
konsantrasyonunun etkisi gösterilmektedir.
Görüldüğü gibi, farklı spor konsantrasyonu
ile yapılan çalışmada F-değeri farklı
olmakla birlikte TÖS eğrisinin eğimleri aynı
olduğu için zdeğerleri aynıdır.
Üründe ısı aktarımı
• Isıl işlem koşullarının saptanmasında bilinmesi gereken
ikinci parametre ısıl işlem sırasında ambalajlı üründe ısı
aktarımıdır. Isıl işlem uygulanan gıdanın sıcaklığı,
öngörülen sıcaklığa bir anda erişebiliyor ve aynı şekilde
bir anda soğuması sağlanabiliyor olsaydı, bu işlemin
sterilizasyon değeri çok kolaylıkla hesaplanabilirdi. Sıvı
haldeki gıdaların ısıl işlemle muhafazasında kullanılan
UHT, HTST ve benzer yöntemlerde bu olguya oldukça
yaklaşılmaktadır. Ancak meyve ve sebze konservesi gibi
gıdalarda ürün ambalaja doldurulduktan sonra bir
otoklavda ısıl işlemin gerçekleştirilmesi zorunludur. Bu
uygulamada ambalaj içindeki gıdanın bir anda istenen
sıcaklığa erişmesi mümkün olmadığı gibi, ayrıca ambalaj
içinde sıcaklık dağılımı da farklıdır.
• Belli bir zaman periyodunda ısıl işlem yoluyla artırılan
sıcaklık, mikroorganizmaların öldürülmesi ve enzimlerin
inaktif hale getirilmesinde rol oynar. Daha önce de
belirtildiği gibi amaç işlem sonucunda gıda kalitesinin
korunması ve besin değerindeki kayıpların minimum
düzeyde tutulmasıdır. Bunun için de her ürüne özgü ısıl
işlem koşullarının saptanması zorunludur.
• Üründe bulunan mikroorganizmaların inaktivasyonu için
gerekli ısıtma süresi ve sıcaklığı ürünün tümüne
uygulanarak amaca ulaşılabilir. Bu bakımdan ısıl işlem
sırasında üründeki sıcaklık değişiminin ve üründe en geç
ısınan noktaların bilinmesi gerekmektedir.
• Isıl işlem uygulamalarında ürünün
dayanıklı hale getirilebilmesi için; ürün
önce uygun bir kaba doldurulmakta ve bu
amaçla çoğu zaman teneke kutular
kullanılmaktadır. Uygun şekilde doldurulan
kutular daha sonra ısıtılırlar. Isı, ısıtıcı
ortamdan kabın çeperlerine ve ürüne
aktarılır. Isıl işlem sona erdikten sonra kap
içindeki ürün çoğu zaman soğuk su ile
soğutulur.
Isı aktarımı ve ısı aktarımını etkileyen
faktörler
• Isı aktarımındaki itici güç, birbiriyle fiziksel veya
termal temas halindeki iki ortam arasındaki
sıcaklık farkıdır. Konservelerde uygulanan ısıl
işlemin süre ve sıcaklığını, daha önce belirtilen
mikroorganizmaların ısıya karşı dirençleri
yanında diğer bazı faktörler de etkilemektedir.
İşlem sırasında ambalaj içinde ısı aktarımı
uygulanan işlemi etkilediğinden, gıdalarda
optimum ısıl işlem koşulları belirlenirken kap
içindeki sıcaklık değişimleri de göz önüne
alınmalıdır.
Isı aktarımı
• Isıl işlem sırasında ambalajlı bir gıdada ısı,
konveksiyon (ulaşım) ve/veya kondüksiyon
(iletim) olmak üzere iki yolla aktarılır. Isının
konveksiyonla aktarımı moleküllerin hareketi
yoluyla olduğu halde, kondüksiyonla aktarımda
ısı molekülden komşu moleküle geçmektedir.
Ambalaj içinde ısı aktarımı ürünün yapısına bağlı
olarak konveksiyon, kondüksiyon veya bir arada
oluşan kondüksiyon/konveksiyon yoluyla
gerçekleşmektedir.
Isı aktarımı
• Ambalaj içinde konveksiyonla ısı aktarımının gelişmesi,
aşağıdaki şekilde tanımlanmaktadır: Isınma başlayınca
ambalaj çeperini kondüksiyonla aşan ısı, içeride önce bu
çeperlere değen kısımdaki sıvının ısınmasına neden
olur. Isınan bu sıvının yoğunluğu düşer ve yukarıya
doğru hareket eder. Böylece ortamdan yukarı doğru bir
sıvı hareketi başlar ve kabın tepesinde adeta ısınmış bir
sıvı katmanı toplanır. Ambalajın iç kısımlarındaki daha
düşük sıcaklıktaki sıvı, yukarı doğru hareket etmiş olan
sıcak sıvının yerini doldurmak için oraya akar. Bu şekilde
kapta oluşan ısınma biçimine doğal konveksiyonla
ısınma denir. Görüldüğü gibi konveksiyonu oluşturan
güç, sıcaklık farkıdır. Bu yüzden bu tip konveksiyona
ayrıca termal konveksiyon da denmektedir.
Isı aktarımı
• Isıl işlem sırasında ürünün özelliklerini
sıcaklığa bağlı olarak değişmesiyle ısı
aktarım mekanizması kondüksiyondan
konveksiyona veya konveksiyondan
kondüksiyona dönüşebilir. Jellerde ısıl
işlem sırasında başlangıçta kondüksiyon
ile aktarılan ısı daha sonra konveksiyona,
diğer taraftan, nişasta esaslı çorba ve
soslarda mekanizma konveksiyondan
kondüksiyona dönüşmektedir.
Isıl İşlem Sırasında Konserve
Kabında Isı aktarımını etkileyen
Faktörler
Ambalajın yapıldığı materyal
• Ambalajlar teneke, cam veya fazla yaygın
olmamakla birlikte diğer bazı materyalden
yapılabilirler. Cam, tenekenin ana materyalini
oluşturan demire göre ısıyı yaklaşık 1/9 oranında
daha yavaş iletmektedir. Şişe ve kavanozlardaki
gıdaların ısıl işleminde ısı aktarımının bu
materyallerde daha yavaş olduğu göz önüne
alınmalıdır. Şüphesiz bu konuda materyalin
kalınlığı da ayrı önem taşımaktadır.
Kabın büyüklüğü
• Kabın büyüklüğü ısıl işlem sırasında birim
içeriğe düşen ısınma alanını etkilediğinden
önem taşımaktadır. Bu nedenle büyük
kaplarda ısı aktarımı daha yavaş
olmaktadır. Diğer taraftan kabın büyüklüğü
yanında şekli de ısı aktarımını
etkilemektedir. Küçük kaplarda ısı aktarımı
daha hızlı gerçekleştiğinden, böyle
kaplarda bulunan gıdalarda daha kısa
süreli ısıl işlem uygulanır.
Aynı otoklavda kutu büyüklüğünün ısı aktarımına etkisi
(a) 105oC, (b) 100oC (Acar, 1981)
104
99
(1)
(2)
(1)
103
98
102
97
101
96
100
Soğuk
Noktada
ki
Sıcaklık,
oC
(2)
95
Soğuk
Noktada
ki
Sıcaklık,
oC
99
98
94
93
97
92
96
91
95
90
(1) 1/1 Kiloluk kutu
(2) 1/1/2 Kiloluk kutu
(1) 1/1 Kiloluk kutu
(2) 1/1/2 Kiloluk kutu
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
25
30
20
0
5
10
15
Süre, dakika
(a)
20
25
0
5
10
15
Süre, dakika
(b)
20
25
Kabın doldurma oranı ve tepe
boşluğu miktarı
• Gereğinden fazla katı kısım ile doldurulmuş
kaplarda, ısı aktarımı fazla katı kısım ile
doldurulmamış olanlardan daha yavaştır. Çünkü
fazla doldurulmuş kaplarda, ısı aktarımının daha
kolay olduğu ve bu nedenle ısınmanın kısa
sürede gerçekleştiği sıvı kısım azdır. Diğer
taraftan tepe boşluğu miktarının fazla olması da
ısı aktarımı engeller. Bu durum özellikle kısa
boylu yayvan kaplara konulan ve ısı aktarımının
kondüksiyon ile gerçekleştiği gıdalarda önem
taşımaktadır.
. Doldurma miktarının ısı aktarımına etkisi (a) 1/1 kiloluk
teneke kutu, (b) 1/1/2 kiloluk teneke kutu
104
104
(1)
(2)
(1)
103
103
102
102
101
101
100
Soğuk
Noktada
ki
Sıcaklık,
oC
(2)
100
Soğuk
Noktada
ki
Sıcaklık,
oC
99
98
99
98
97
97
96
96
95
95
(1) 350 g bamya
(2) 400 g bamya
(1) 550 g bamya
(2) 600 g bamya
85
85
75
75
65
65
55
55
45
45
35
25
35
25
0
5
10
15
Süre, dakika
(a)
20
25
0
5
10
15
Süre, dakika
(b)
20
25
Kap içeriğinin başlangıç sıcaklığı
• Kap içeriğinin otoklava konulduğu anda soğuk
noktasının sıcaklığına ilk sıcaklık veya başlangıç
sıcaklığı denir. Başlangıç sıcaklığı, ısıl işlem
sırasında kap içinde ısı aktarımının yavaş veya
hızlı olmasını etkiler. Kap içeriği ve otoklav
sıcaklığı arasındaki sıcaklık farkı ne kadar fazla
olursa ısı aktarımının hızı da artar. Ancak aynı
otoklava konulan kapların içeriğinin aynı
sıcaklıkta olması homojen ve yeterli bir ısıl işlem
için gereklidir. Aksi halde belli sıcaklıklarda kalış
süreleri değişeceğinden homojen bir
sterilizasyon yapılamaz.
Sallanmanın etkisi
• Isıl işlem sırasında otoklav içerisinde gıda
maddesinin fiziksel yapısında bir değişime
neden olmayacak şekilde konserve kaplarının
sallanması ısı aktarımını kolaylaştırmaktadır. Bu
olgudan yararlanılarak rotasyon otoklavlar
geliştirilmiştir. Rotasyon otoklavlarda kap
içindeki tepe boşluğu dönme sırasında sürekli
yer değiştirdiğinden soğuk nokta sabit bir yerde
değildir ve daha kolay ısınır. Rotasyon
otoklavlardan dakikada 10-11 devir yapan tipleri
tercih edilmektedir.
Gıdanın bileşimi ve fiziksel
yapısı
• Kapta bulunan düşük konsantrasyonlardaki, örneğin %12 düzeyindeki tuz ve şeker gibi suda çözünmüş
maddeler, ısı aktarımını etkilememektedir. Ancak meyve
konservelerinde kullanılan yüksek konsantrasyonlardaki
şeker şurubu ısı aktarımını yavaşlatmaktadır. Nişasta,
jelatin ve pektin gibi kolloidlerin ısı aktarımına etkisi
konsantrasyona bağlıdır. Bu bakımdan bu kolloidlerin
konserve içeriğinde bulunması halinde bu durum göz
önüne alınmalıdır. Kap içeriğinin fiziksel yapısı da ısı
aktarımını ve aktarım şeklini geniş ölçüde etkiler.
Domates salçası gibi püre halindeki gıdalarda ısı
aktarımı kondüksiyon ile gerçekleştiği halde, bezelye,
fasulye ve benzeri hem katı hem de sıvı kısımlardan
oluşan konserve gıdalarda ısı aktarımı hem kondüksiyon
hem de konveksiyonla gerçekleşir. Tamamı sıvı olan
gıdalarda ise ısı aktarımı konveksiyonla
gerçekleştiğinden çok hızlıdır.
Otoklav sıcaklığının etkisi
• Isıl işlemin başlangıcında otoklav sıcaklığı
ne kadar yüksekse, kap içinde ısı aktarımı
otoklav ve ürün arasındaki artan sıcaklık
farkından dolayı daha fazladır.
Sterilizasyon değeri
• Isıl yolla dayanıklı hale getirilen bir gıdanın sterilizasyon
değerinin hesaplanabilmesi için, üründe bozulma nedeni
olan ısıya en dirençli mikroorganizmaya ait F-değeri ve
z-değeri ile ısı girişim eğrisinin (ısıtma ve soğutma
eğrileri) bilinmesi gerekir. Sterilizasyon değerinin
hesaplanmasında matematik (formül yöntemi), grafiksel
integrasyon (genel yöntem), toplama ve nomogram
yöntemlerinden yararlanılır. Toplama yöntemi prensip
olarak grafiksel integrasyon ile aynıdır ve zaman-sıcaklık
verisinin bilindiği her duruma uygulanabilir. Sterilizasyon
değerinin ya da toplam sterilitenin hesaplanması için
hazır bilgisayar yazılımlarından da yararlanılabilir.
• Isıl işlem uygulamalarında ürünün dayanıklı hale
getirilebilmesi için; ürün önce uygun bir kaba
doldurulmakta ve bu amaçla çoğu zaman teneke kutular
kullanılmaktadır. Uygun şekilde doldurulan kutular daha
sonra ısıtılırlar. Isı, ısıtıcı ortamdan kabın çeperlerine ve
ürüne aktarılır. Isıl işlem sona erdikten sonra kap içindeki
ürün çoğu zaman soğuk su ile soğutulur.Isıl işlem
sırasında üründe sıcaklık sürekli olarak değiştiği için
ürün belli sıcaklıklarda belli süreler kalmaktadır. Bu
bakımdan bir ısıl işlemde elde edilen toplam sterilite,
farklı sıcaklıklarda elde olunan kısmi sterilitelerin
toplamına eşittir.
• Ambalajlanmış gıdalarda ısı girişiminin ölçülmesi için
potansiyometre kullanılmaktadır. Potansiyometrelerin
çok değişik tipleri bulunmakla beraber bir potansiyometre
genel olarak üç kısımdan oluşmaktadır.
• Termokupullar (termokupul duyarıcı, duyarıcı,
termoelement, ısıl çifti veya ısıl eş gibi isimler de
verilebilir) ve bazı potansiyometrelerde bulunan ancak
modern potansiyometrelerde bulunmayan ve
termokupulları konserve kabına bağlayan kablolar.
Soğuk noktanın ambalaj içindeki yeri ısı aktarım şekline
bağlı olarak değişebilmektedir. Ancak daima geometrik
merkez ile kap tabanı arasında ve kap ekseni üzerinde
bir yerde bulunur
Soğuk Nokta
• Soğuk noktanın, en geç ısınan veya başka bir
deyimle ısıl işlemin ısıtma peryodunda daima en
düşük sıcaklığa sahip olan nokta olduğu göz
önüne alınınca, bir konservede istenen
düzeydeki sterilitenin mutlaka burada
sağlanması gerektiği sonucuna varılır. Isıl işlem
parametrelerinin hesaplanmasında önce soğuk
noktanın yerinin belirlenmesi ve sonra ısı
girişiminin burada ölçülmesi ve tüm
hesaplamaların bu verilere dayandırılması
gerekir.
Soğuk Nokta
• Gıda ambalajlarında soğuk nokta geometrik
merkez veya geometrik merkez ve kap tabanı
arasında ve kap ekseni üzerinde
bulunduğundan, ısı aktarımının ölçülmesi
amacıyla termokupulların bu durum göz önüne
alınarak yerleştirilmesi gerekir. Kap içerisindeki
gıdanın tamamı katı veya domates püresi (salça)
gibi oldukça kıvamlı bir fiziksel nitelikteyse, ısı
aktarımı kondüksiyon yoluyla olmaktadır ve
kutunun hareket etmesi (rotasyon otoklav) ısı
aktarımını pek etkilemez. Bu tip gıdalarda soğuk
nokta kutunun geometrik merkezinde bulunur.
Soğuk Nokta
• Kap içerisindeki gıda katı ve sıvı kısımlardan oluşuyorsa
bu durumda soğuk noktanın yeri çok değişebilir ve
merkez ile kap tabanı arasında kap ekseni üzerinde
herhangi bir yerde bulunabilir. Bu tip gıdalarda soğuk
noktanın yeri katı parçacık iriliği ve sıvı kısmın
viskozitesine bağlı olarak çok değişebilir. Ayrıca böyle
gıdalarda termokupul kap içine aynı yere yerleştirilmiş
olsa bile uç kısmının katı parçacık içinde veya sıvı
kısımda bulunmasına göre farklı sıcaklıklar ölçülebilir.
• Soğuk noktada ölçülen sıcaklık değerleri milimetrik
kağıtta zamanın fonksiyonu olarak grafiğe alınırsa,
ısıtma ve soğutma eğrileri elde olunur. Ancak milimetrik
kağıt üzerinde sıcaklığın zamanla değişimi doğrusal
değildir.
Sterilizasyon değerinin hesaplanması
•
Isıl yolla dayanıklı hale getirilen birçok gıdaya uygulanan
ısıl işlem parametreleri (sıcaklık ve süre) uygulayıcılar
tarafından bilinmekte ve endüstride bilinen bu değerler
uygulanmaktadır. Nitekim bir çok yayında, hangi gıdanın
kaç derecede ve ne kadar süreyle sterilize edilmesi
gerektiği tablolar halinde yer almaktadır. Ancak, yeni bir
ürünün piyasaya sunulmasında, bu ürüne özgü ısıl işlem
koşullarının öncelikle saptanması zorunludur. Ayrıca
herhangi bir ürünün kendine özgü nitelikleri bu ürüne
uygun ısıl işlem koşullarını saptamayı gerektirebilir. Yeni
bir ürün olmasa bile eğer üretilen gıda, gerek ısı aktarımı
gerekse mikroorganizmaların ölümü açısından bir
farklılık taşıyorsa, bu durumda uygun ısıl işlem
koşullarının bilimsel yollarla saptanması gerekir.
• Bir ürünün ısıl işlem koşullarının hesaplanmasında;
önce, o üründe bozulma nedeni olan ısıya en dirençli
mikroorganizmanın termal ölüm süresinin o ürünün
substrat olarak kullanılmasıyla saptanması gerekir. Bunu
izleyerek, o üründe ısıtma ve soğutma sırasında
sıcaklıklar ölçülerek, ısıtma ve soğutma eğrileri
saptanmalıdır. Bu iki ana veri deneysel olarak elde
edildikten sonra, sterilizasyon koşullarının belirlenmesi,
sadece uygun bir metod kullanılarak yapılan bir
hesaplamadan ibarettir.
• Bu hesaplamalarda matematik (formül yöntemi),
grafiksel integrasyon (genel yöntem), toplama ve
nomogram yöntemlerinden yararlanılır.
• Pratikte kullanılan sterilizasyon genellikle
aşağıdaki aşamalardan oluşur:
• otoklav çıkış süresi,
• otoklavda kalış süresi,
• soğutma.
• Bu çevrim sırasında kutu içindeki ürünün kritik
noktasında (soğuk nokta) sıcaklıklar zamanın
fonksiyonu olarak ölçülür. Bir ısıl işlem
çevriminde toplam sterilizasyon değeri her sabit
sıcaklıkta sağlanan sterilizasyon değerlerinin
toplamıdır.
• Otoklav çıkış süresi otoklavdaki havanın tahliye
edilmesi ile otoklavın ısıl işlem sıcaklığına
erişmesi için geçen sürelerin toplamıdır. Bu süre,
kap içindeki gıdanın ısınma faktörlerini
belirlemede ve sıfır çıkış süresi düzeltmesi
yapılmasında çok önemlidir. Otoklav sıcaklığı,
ısıl işlem sıcaklığına eriştikten sonra sabit
sıcaklık “otoklav kalışda süresi”olarak
belirtilir.Soğutma başladıktan sonra ısıl işlem
bitene kadar olan süre ise otoklav iniş süresidir.
Sabit ürün sıcaklığında sterilizasyon
• Ürün sıcaklığın sabit olması demek, ısıl işlem
sırasında gıdanın belli bir sıcaklıkta bulunması
demektir. Başka bir tanımlamayla sıcaklık
sürenin bir fonksiyonu değildir. Böyle bir durum,
aseptik teknolojide sıvı gıdaların HTST veya
UHT cihazlarıyla doğrudan veya dolaylı
sistemlerle sterilizasyonunda geçerli olabilir. Bu
sistemlerde sıvı gıda çok kısa bir sürede ısıl
işlem sıcaklığına erişebilmekte, bu sıcaklıkta
belli bir süre kaldıktan sonra yine çok kısa bir
sürede geri soğutulabilmektedir.
F-değeri
• Daha öncede belirtildiği gibi, belli bir
sıcaklıkta tutulan mikroorganizmaların
inaktivasyonu Eşitlik (8) veya (9) ile ifad
edilebilir:

(8)
250  T
log 
F
z
F   .10
 T  250 


z


1000
TÖS, dak
100
10
z
1
200
210
220
230
Sıcaklık, °F
240
250
260
Ürün sıcaklığının zamanın doğrusal bir
fonksiyonu olduğunda sterilizasyon
• Konveksiyonla ısınan bir gıdanın daha uzunca
bir sürede ısıtılması ve biraz daha uzun bir
sürede soğutulması söz konusu ise, ısınma ve
soğuma sırasında sıcaklığın zamanla değişimi
doğrusal olabilir. Böyle bir durum ısınma ve
soğumanın daha yavaş gerçekleştiği tubular bir
sistemde veya kutulara doldurulmuş gıdalarda
zorlamalı konveksiyonla ısı aktarımının
hızlandırılmış olduğu işlemlerde ortaya
çıkabilmektedir.
Ürün sıcaklığının zamanın logaritmik bir
fonksiyonu olduğunda sterilizasyon
• Isınma eğrisi yarı logaritmik bir özellik
gösteren ürünlerde soğuk nokta
sıcaklığının zamanla değişimi saptanır ve
ürünün tek bir noktasında ısının letal etkisi
gözönüne alınarak toplam letalite saptanır.
L=F olduğu zaman yeterli ısıl işlem
gerçekleştirilmiştir.
Letalite
t2
L   10
t1
T  250
z
dt