Karbondioksitin Gıda Endüstisinde Kullanımı

Karbondioksitin Gıda Endüstisinde Kullanımı

l Karbondioksitin Gıda
Endüstisinde Kullanımı
l  Gıda endüstrisinde karbondioksit gıda işleme ve gıda
muhafazasında farklı şekillerde kullanılabilmektedir
1.Gıda işleme amacıyla karbondioksit kullanımı
Süper Kritik Karbondioksit
l Süper Kritik akışkan nedir?
l  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.
l  Kritik sıcaklık(Tc), buhar ve sıvı fazlarının dengede olduğu en
yüksek sıcaklık; kritik basınç (Pc) ise bu sıcaklıktaki basınçtır.
Saf bir maddenin basınç-sıcaklık diyagramı
Süperkritik akışkanların özellikleri
l  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.
l  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.
l  Buharlaşma gizli ısısı sıfır, bu nedenle ısı kapasitesi çok yüksektir.
l  Sistemin enerji gereksinimi azdır. Yüzey gerilim katsayıları ve viskoziteleri
düşüktür ve bu nedenle pompalama masrafları düşüktür.
Sıvı, gaz ve süperkritik akışkanların özellikleri
Bazı bileşiklerin süperkritik akışkan oluşturma açısından özellikleri
Süperkritik Karbondioksit
l  Karbondioksit,aseton, toluen, metanol,amonyak gıda endüstrisinde sıklıkla
kullanılan süperkritik akışkanlardır.
l  Bunlar içinde karbondioksit bir süperkritik akışkanda aranılan bütün
özellikleri taşıdığı için gıda endüstrisinde kullanımı gittikçe
yaygınlaşmaktadır.
l  Kritik sıcaklığı 31oC 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.
l  Çok yönlü kullanılabilir. Hem katı, hem de sıvı sistemler için uygundur. Kütle
transfer kapasitesi yüksektir.
l  Gıda endüstrisinde kullanılan çözücüler toksik olmamalı, istenmeyen
kalıntılar bırakmamalıdır. Aynı zamanda patlayıcı olmamalı, ucuz
olmalı,kolaylıkla gıdadan ayrılabilmelidir. Karbondioksit bu özellikleri
taşımaktadır.
l  Kısaca Karbondioksitin özellikleri şöyle özetlenebilir:
l 
l 
l 
l 
l 
l 
l 
l 
l 
l 
l 
l 
Faz dengesi
Pek çok organik madde için iyi bir çözgendir.
Organik maddelere göre bağıl uçuculuğu daha fazladır.
Taşınım özellikleri
Viskozitesi ve yüzey gerilim katsayısı düşüktür.
Buharlaşma entalpisi çok düşüktür.
Güvenlik
Toksik ve korozif değildir.
Tutuşma özeliği yoktur.
Ekonomik özellikleri
Maliyeti düşüktür.
Kolay elde edilebilir.
Karbondioksitin süperkritik forma dönüşümü
l  Tarihçe
l  İlk kez 1879 da Royal Society seminerlerinde (Londra)
Hannay ve Hogart tarafından, bir katının yüksek
basınçtaki gazda çözündüğü, basınç düşürülünce katının
çöktüğü açıklanmıştır. Bir kaç yıl sonra Eduard Buchner
(1907 de biyokimya alanında Nobel ödülü almıştır), uzun
süren bir çalışmanın ardından naftalinin SC-CO2 içindeki
çözünürlüğünü ölçmüştür.
Süperkritik Karbondioksit İçinde Çözünürlük
l  CO2 apolar bir madde olduğu için apolar maddeleri çözer. Düşük
molekül ağırlıklı hidrokarbonlar, lipofilik organik bileşikler (eterler,
esterler) kolaylıkla ekstrakte edilir.
l  Yağ asitleri ve trigiseritler düşük çözünürlüğe sahiptir.
l  Genellikle hidroksil ve karboksil grupları maddelerin süperkritik CO2
içinde çözünürlüğünü azaltır. Alkaloidler, fenoller ve çoğu anilin
bileşikleri düşük çözünürlüktedir. Meyve asitleri ve birçok inorganik
tuzlar süperkritik CO2 de çözünmezler. Karboksilik asitler gibi polar
bileşikler eğer düşük molekül ağırlıklı ise çözünürlük gösterir.
l  Polar ve yüklü maddeler örneğin şekerler ve aminoasitler süperkritik
CO2 de çözünmezler. Amidler ve üre de düşük çözünürlük gösterir.
Süperkritik Karbondioksit İçinde Çözünürlük
l  Düşük molekül ağırlıklı, ortalama polariteye sahip olan
bileşikler, örneğin kafein, kolesterol ve alkoller belli
düzeyde süperkritik CO2 de çözünürler.
l  Mumların, reçine ve pigmentlerin çözünürlükleri
süperkritik CO2 din yoğunluğunun yükselmesiyle
artırılabilir.
l  Genellikle bileşiğin C-C çift bağ sayısı arttıkça
çözünürlük artar.
l  Büyük moleküller örneğin selüloz ve proteinler, klorofil de
süperkritik karbondioksit içinde çözünmezler.
Kosolvent
l Süperkritik CO2 içinde bir maddenin çözünürlüğü
az miktarda kosolvent veya yardımcı çözücüler
ilavesiyle artırılabilir.
l Kosolvent olarak aseton, metanol ve etanol
gibi bileşikler kullanılmaktadır.
l Çözünürlük artışının nedeni çözünen ile yardımcı
çözücü arasındaki interaksiyonlar sonucu oluşan
H bağlarıdır.
Süperkritik karbondioksit ile ekstraksiyon
Karbondioksit döngüsü
Ekstraksiyon sırasında karbondioksitin faz değişimi
Gıda Endüstrisinde Süperkritik CO2Uygulamaları
l 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 CO2
uzaklaştırılması 1978 yılından beri yapılmaktadır.Bu gün
dünyada bu temele dayalı iki firma tarafından alınan
patent bulunmaktadır. Bu yöntemle taneciklerdeki kafein
% 3 ten %0,02 ye kadar düşürülebilir.
l Kahveden kafeinin uzaklaştırılmasında kahve
taneleri ıslatılarak CO2 nin kafein seçiciliği
artırılır.Bu yöntemde kahve çekirdeğinde kafein
miktarı %0,02 ye kadar düşürülebilir. Ancak
çoğu zaman bu kadar düşük kafein miktarı
istenilmez.
l Organoleptik özellikler açısından, kafeinli kahve
ile bu yöntemle elde olunan kafeinsiz kahve
arasında önemli farklar bulunmamaktadır.
l  2. Lipit ve Kolestrolun Uzaklaştırılması
l  Kolesterol süperkritik CO2 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.
l  Günümüzde yaygın olarak tüketilen patates cipsinin yağ miktarını
düşürmek amacıyla da süperkritik CO2 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.
l  Diyet kuruyemiş üretiminde de ürünün yağ dolayısıyla kalori
içeriğinin azaltılması amacıyla da süperkritik CO2 kullanılmaktadır.
l  3.Bitkisel Yağ Ekstraksiyonu
l  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.
l 4.Şerbetçi otundan reçinelerin ekstraksiyonu
l Bira endüstrisinde kullanılan şerbetçi otunda tat
verici bileşenlerin bulunduğu reçineler vardır. Bu
reçineler diklorometanla ekstrakte edildiğinde
ppm düzeyinde çözücü kaldığı için SC-CO2
yöntemiyle aromada kayıp olmaksızın
ekstraksiyon gerçekleştirilebilmektedir. Sadece
Avustralyada yılda 20000 ton şerbetçi otu bu
yöntemle işlenmektedir.
l 5. Mikroorganizmaların İnaktivasyonu
l  Süperkritik karbondioksitin kullanıldığı diğer bir uygulama,
mikroorganizmaların inaktivasyonudur. Gıdalarda bulunan
mikroorganizmaların inaktivasyonunda kullanılan buhar
sterilizasyonu, UHT, toksik kimyasallar ve ışın gibi geleneksel
yöntemlerin birtakım dezavantajları bulunmaktadır. Bu yöntemler
ısıya duyarlı maddeler olan tıbbi malzemeler, ilaçlar ve gıdalarda
kullanıldıklarında aroma kaybına, denatürasyona ve o maddeye ait
kalite özelliklerinin değişmesine neden olurlar.
l 
Bu nedenlerden dolayı SC-CO 2 , mikroorganizmaların
inaktivasyonu açısından son yıllarda önemli bir seçenek ve
ekonomik bir yöntem olarak ortaya çıkmıştır.
SC-CO2 ortamında çalışan bir mikrobiyel inak2vasyon sistemi
§  Mikrobiyel inaktivasyon işlemine tabi tutulacak maddenin yüksek basınç
hücresine yerleştirilmesi,
§  Sıcaklık biriminin çalıştırılarak sistemin belirlenen çalışma sıcaklığına
getirilmesi,
§  İstenilen çalışma basıncına ulaşılana kadar sisteme CO2 basılması,
§  Çalışma basıncı ve sıcaklığında maddenin belirli süre bekletilmesi,
§  Hücrenin basıncının boşaltılması ve maddenin uzaklaştırılması.
Palm meyvesinden süperkritik ekstraksiyonla palm
yağı eldesi sırasında mikrobiyel inaktivasyon
SC-CO2 yöntemi uygulanmamış palm
yağındaki bakteri kolonileri
40 °C ve 13.7 MPa basınçta 60 dakika
uygulanan SC-CO2 uygulamasından
sonraki bakteri kolonileri
40 °C sıcaklıkta ve 20.7 MPa
basınçta uygulanan SC-CO2
l  6.Enzim İnaktivasyonu
l  2007 yılında yapılan bir çalışmada SC-CO2 yönteminin, depolanmış
elma suyundaki polifenoloksidaz aktivitesi, renk ve esmerleşme
derecesi üzerine etkisi araştırılmıştır.
§  Bu araştırmada depolamada normal elma suyu, SC-CO2 yöntemi
uygulanmış elma suyu ve sadece ısıl işlem uygulanmış elma suyu
kullanılmıştır.
§  Elma suyuna uygulanmış olan süperkritik karbondioksit koşulları,
55 °C sıcaklık ve 8, 15, 22 ve 30 MPa basınçtır.
§  Sadece ısı uygulaması yapılan örnek için de 90 saniyede 95 °C
sıcaklık uygulanmıştır.
§  Bu örnekler 4 °C de 4 hafta depolanmıştır.
SC-CO2 ve ısı uygulamasının ardından 4 °C de 4 hafta
boyunca depolanan elma suları
a:kontrol b:Isı uygulanan c:SCCO2 - 8 MPa d: SCCO2 15 MPa, e: 22 MPa f :30 MPa
SC-Akışkan Uygulamalarının
Dezavantajları
l Yüksek kurulum maliyeti
l Bazı koşullarda basınç kontrolünün zor
olması
l Güvenlik nedenleri
.
2.Gıda muhafazasında karbondioksit kullanımı
Basınçlı Karbondioksit Uygulamaları
l Gıdaların yüksek basınçlı gaz ile muhafazasında
en yaygın olarak kullanılan gaz karbondioksittir.
l  Karbondioksit birçok özelliği bakımından gıda
muhafazasında kullanılmaya uygundur. Örneğin,
yanıcı ve toksik değildir, gıda bileşenlerine karşı
kimyaca inert ve ucuz bir gazdır.
l Basınçlı karbondioksitten gıda endüstrisinde
değişik amaçlarla yararlanılmakta olup eğer
ortamda su varsa basınçlı karbondioksit
antimikrobiyel madde olarak da kullanılabilir.
Basınçlı karbondioksidin mikroorganizmalara etkisi
l 
l 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
Hücrenin basınç uygulaması sırasında patlaması
Bakterinin
etkisiz hale
gelmesi
l  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 103 düzeyinde bir azalma
sağlanabilmektedir.
l  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
l 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
§  Yüksek konsantrasyonlu glukoz ve sodyum klorür
çözeltileri ortamın su aktivitesini düşürürler ve böylece
karbondioksit çözünürlüğü azalır. Bu nedenle yüksek
konsantrasyonlu glukoz ve sodyum klorür çözeltilerinde
karbondioksit yeterli çözünemediği için
mikroorganizmaların inaktivasyonunu azaltır.
§  Ortamda etanol bulunması halinde; etanol antimikrobiyel
etkiye sahiptir ve bu nedenle karbondioksitle hücre içine
girip mikroorganizmaların inaktivasyonunu artırır..
l 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,
l  Karbondioksit gibi bir gaz basıncı yardımıyla
mikroorganizmaların öldürülmesinde, uygulanan
basıncın hücre üzerinden aniden kaldırılması da ölüm
üzerine etkili olmaktadır. Çünkü CO2 basınç etkisiyle
hücre içindeki sıvıda çözünmekte ve basıncın aniden
kaldırıIması sonucu oluşan gaz habbecikleri hücre
duvarını ve sitoplazmayı zedelemektedirler.
l  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.
l  Birçok tarım ürünü, kurutulmuş meyve, sebze ve tahıl, zararlı
haşerelerin etkisine maruz kalır. Uygun hava koşullarında ve doğal
düşmanlarının olmadığı kapalı silo ve depolarda, sonsuz yiyecek
sunumu ile bu zararlılar, hızla çoğalarak stoktaki ürüne büyük zarar
verebilirler. Haşerelerin ürüne vereceği zarar, üründe ağırlık kaybı
şeklinde olabileceği gibi; eğer zararlı, ürünün bileşimindeki bazı
bileşenleri tüketiyor ya da etkiliyorlarsa, üründe kalite kaybına da
neden olur.
l 
Mesela biracılıkta kullanılan arpa veya tohumda fermantasyon
potansiyeli veya pişme özelliği kaybolabileceği gibi, ürünlerin bazı
bileşenlerinin oranındaki değişme nedeniyle ürünün besin değeri de
.
düşebilir
l Karbondioksit basıncının depo zararlılarının
öldürülmesindeki etkisinin detayları tam olarak
bilinmemekle birlikte bu konuda en az üç farklı
etkinin rol oynadığı sanılmaktadır.
l Bunlar;
l basınç etkisiyle çözünen-karbondioksidin
(karbonik asit) hücre sıvısının ve böceklerde
hemolimfin (vücut sıvısı) asitliğinin artmasına yol
açması,
l basıncın aniden kaldırılmasının etkisi (vurgun),
l ortamdaki oksijenin uzaklaştırılmasıdır .
l Ortamdaki oksijenin uzaklaştırılması hermetik
kapalı tanklarda veya odalarda kontrollu
atmosfer oluşturmaktır ve ticari olarak EcO2
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 CO2 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
Ÿ  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.
Ÿ  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 ekstrakte olmadan inaktivasyon
yapılabileceğini göstermiştir.
l  Çalışma sonucunda eklenen suyun polifenol
ekstraksiyonunu azaltmadığı, yağ ekstraksiyonunu ise
arttırmadığı gözlenmiştir.
l  Bu yöntemin ısıya dirençli sporlara dezenfeksiyon
ajanına gerek olmadan minimum 65°C de etkili
olabileceği gösterilmiştir.
l  Ayrıca bu çalışma küf sporları üzerinde de etkili
olmuştur.
Basınçlı karbondioksit uygulamalarının gıda
bileşenlerine etkileri ve kullanım alanları
l 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
l  Depo zararlılarının inaktivasyonu amacıyla basınç
altında karbondioksit uygulamaları Carvex® ve PEX
yöntemlerine göre gerçekleştirilmektedir. Carvex®
yönteminde çevre sıcaklığında 4 MPa düzeyindeki
karbondioksit basıncı uygulanır.
l  PEX yönteminde (pressure, expansiyon) ise önce 5 MPa
düzeyinde karbondioksit basıncı uygulandıktan sonra, bu
basınç aniden kaldırılır.
l  Basınçlı karbondioksit kullanımı günümüzde organik
hububat ve baklagil gibi ürünlerin depo zararlılarından
korunması amacıyla kullanılmaktadır.
l