Investıgatıon of moderate electrıc fıeld (MEF) technology on the dryıng propertıes and qualıty of apple slıces
Orta şiddetli elektrik alan (MEF) teknolojisinin elma dilimlerinin kuruma özellikleri ve kalitesi üzerindeki etkisinin incelenmesi
- Tez No: 1011367
- Danışmanlar: PROF. DR. NEŞE ŞAHİN YEŞİLÇUBUK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Gıda Mühendisliği, Food Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu doktora tezi, gıda mühendisliği alanında hem akademik literatüre hem de endüstriyel uygulamalara katkı sağlamak amacıyla, Fuji elma dilimlerinin kurutulması sürecinde orta şiddetli elektrik alan (MEF) uygulamasının bir ön işlem olarak etkinliğini, güvenilirliğini ve ürün kalitesi üzerindeki çok boyutlu etkilerini derinlemesine inceleyen kapsamlı bir çalışmadır. Geleneksel gıda kurutma yöntemleri, özellikle sıcak hava ile kurutma, gıdaların raf ömrünü uzatmak ve mikrobiyal bozulmayı engellemek için yüzyıllardır kullanılan en temel saklama yöntemlerinden biri olmasına rağmen, beraberinde getirdiği kalite kayıpları nedeniyle modern gıda endüstrisinin beklentilerini tam olarak karşılamakta zorlanmaktadır. Yüksek sıcaklıklara ve uzun işlem sürelerine maruz kalan gıdalarda, C vitamini gibi ısıya duyarlı biyoaktif bileşenlerin bozunması, renk maddelerinin oksidasyonu, dokusal özelliklerin kaybı ve daha da önemlisi, Maillard reaksiyonu ürünleri olan ve potansiyel sağlık riski taşıyan 5-hidroksimetilfurfural (HMF) gibi bileşiklerin oluşumu sıklıkla karşılaşılan problemlerdir. Bu bağlamda, gıda matriksine zarar vermeden kuruma hızını artıracak, enerji verimliliğini sağlayacak ve besin ögelerini koruyacak ısıl olmayan veya düşük ısıl işlem içeren teknolojilere olan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Bu tez çalışması, söz konusu ihtiyaca cevap verebilecek potansiyelde olan MEF teknolojisinin, katı bir gıda matriksi üzerinde ve farklı elektriksel parametreler altında nasıl bir davranış sergilediğini tüm detaylarıyla ortaya koymaktadır. Literatür incelendiğinde, elektriksel işleme teknolojilerinin gıda bilimindeki yeri oldukça geniştir. Özellikle darbeli elektrik alan (PEF) teknolojisi, hücre zarlarında elektroporasyon yaratarak mikrobiyal inaktivasyon sağlama veya hücre içi bileşenlerin ekstraksiyon verimini artırma konularında yoğun bir şekilde çalışılmıştır. Literatürde çalışılmış konuların tezin kapsamında detaylı oalrak aktarılmıştır. Ancak mevcut literatürün büyük bir çoğunluğu, meyve suları, süt ve sıvı yumurta gibi pompalanabilir sıvı gıdalar üzerine odaklanmıştır. Ayrıca bu çalışmalarda tercih edilen elektrik alan uygulama aralıkları ya ohmik pişirme ile gıdanın ısınması ve ısıl kayıplara neden olacak seviyede ya da günlük ev kullanımına uygun olmayan yüksek güç gerektiren endüstriyel boyutlardaki parametrelerle yapılan çalışmaları içermektedir. Katı gıdaların kurutulması öncesinde elektriksel ön işlemlerin uygulanması, özellikle ohmik ısıtma başlığı altında incelenmiş olsa da, orta şiddetli elektrik alan uygulamasının farklı dalga formları (sinüs ve kare dalga) ve uygulama modları (sürekli ve darbeli) ile kombine edilerek biyoaktif bileşenler üzerindeki etkisinin kıyaslandığı çalışmalar oldukça sınırlıdır. Örneğin literatürde, kare dalganın enerji verimliliği açısından üstün olduğu belirtilse de, bu dalga formunun hassas gıda bileşenleri üzerindeki yıkıcı etkisine dair veriler yetersizdir. Benzer şekilde, literatürdeki PEF çalışmalarının çoğu yüksek voltaj aralıklarında gerçekleştirilirken, bu tezde kullanılan 0.1 ile 0.2 kV/cm arasındaki düşük-orta şiddetli elektrik aların etkileri, daha az çalışılmış bir alanı temsil etmektedir. Bu çalışma, literatürdeki bu boşluğu doldurarak, sadece kurutma kinetiğini değil, aynı zamanda moleküler düzeydeki değişimleri ve gıda güvenliği parametrelerini de kapsayan bütüncül bir yaklaşım sunmaktadır. Tez kapsamında yürütülen deneysel çalışmalarda, taze Fuji elmaları eşit şekilde ve aynı standartlarda dilimlenmiş ve özel olarak tasarlanmış bir elektrik alan uygulama sisteminde, iletken ortam olarak elektrik alanı iletebilmesi için içme suyu kullanılarak ön işleme tabi tutulmuştur. İçme suyu özel olarak ayrı depolanmış ve sürekli olarak aynı su kullanılarak şebeke kaynaklı farklılıkların önüne geçilmiştir. İşlem parametreleri, elektrik alan şiddetinin (0.1, 0.15 ve 0.2 kV/cm), dalga formunun (sinüs ve kare) ve uygulama tipinin (sürekli ve darbeli) etkileşimlerini gözlemleyecek şekilde optimize edilmiştir. Ön işlemin ardından numuneler sıcak hava ile kurutulmuş ve elde edilen son ürünler; nem içeriği, su aktivitesi, C vitamini, beta-karoten, toplam fenolik madde (TPC), toplam antioksidan aktivite (DPPH), renk parametreleri ve HMF içeriği açısından detaylı analizlere tabi tutulmuştur. Elde edilen bulgular, PEF/MEF uygulamasının temel mekanizması olan elektroporasyonun, elma dokusunda geri dönüşümlü veya geri dönüşümsüz gözenekler açarak kütle transferini önemli ölçüde hızlandırdığını doğrulamaktadır. Hücre yüzeyinde gerçekleşen bu değişimin gıda üzerine çift yönlü bir etkisi olmaktadır. Özellikle suda çözünen biyoaktif bileşenler incelendiğinde, C vitamini (askorbik asit) ve toplam fenolik madde içeriğinde, kontrol grubuna kıyasla belirgin bir azalma tespit edilmiştir. Literatürde, kurutma sıcaklıkları ve elektrik alan şiddeti üzerine yapılan çalışmalarda belirttikleri gibi, elektrik alan şiddeti arttıkça C vitamini kaybının doğrusal olarak arttığı görüşü bulunmaktadır. Bu tezde elde edilen veriler, düşük ve orta şiddetli alanlarda (0.1 ve 0.15 kV/cm) hücre dışına sızıntı etkisinin baskın olduğunu göstermektedir. Elektroporasyon sonucu hücre zarının geçirgenliğinin artması, hücre içinde bulunan ve suda çözünme özelliği yüksek olan C vitamini ve fenolik asitlerin, ortam suyuna geçmesine neden olmuştur. Bu durum, bu sızıntı durumunun, MEF uygulamalarında dikkate alınması gereken en kritik dezavantajlardan biri olduğunu ortaya koymaktadır. Bununla birlikte, C vitamini sonuçlarında gözlemlenen çok önemli bir istisna, literatürdeki tartışmalara yeni bir boyut kazandırmıştır. 0.2 kV/cm şiddetinde ve sinüs dalga formunda uygulanan sürekli MEF işleminde, C vitamini tutulumunun kontrol grubuyla istatistiksel olarak benzer seviyelerde olduğu, hatta düşük voltajlara göre daha yüksek korunduğu belirlenmiştir. Bu durum ilk bakışta çelişkili gibi görünse de, literatürde bu durumun enzimatik inaktivasyon ile açıklandığı görülmektedir. Yüksek elektrik alan şiddetinin ve buna bağlı olarak gelişen içsel ısınmanın (Joule etkisi), elmadaki askorbik asit oksidaz enziminin yapısını bozarak inaktive ettiği ve böylece kurutma süreci boyunca enzimatik oksidasyonu durdurduğu düşünülmektedir. Ayrıca, bu voltajda kuruma hızının artması, ürünün nemli fazda geçirdiği süreyi kısaltarak termal bozunmayı da sınırlamış olabilir. Dolayısıyla, C vitamini kaybında sızıntı mekanizması ile enzim inaktivasyonu ve kuruma süresinin kısalması gibi koruyucu faktörler arasında bir rekabet söz konusudur ve 0.2 kV/cm seviyesinde koruyucu faktörler arasında bir denge sağlandığı söylenebilir. Lipofilik bir bileşen olan beta-karotenin analizi ise tamamen farklı bir tablo ortaya koymuştur. Suda çözünen vitaminlerin aksine, beta-karoten içeriği elektrik alan şiddetindeki değişimlerden istatistiksel olarak anlamlı düzeyde etkilenmemiştir. Kontrol grubu ile MEF uygulanmış gruplar arasında belirgin bir fark görülmemesi, karotenoidlerin hidrofobik yapısının ve hücresel matris içerisindeki sıkı bağlarının, bu bileşikleri hücre dışına sızmaya karşı koruduğunu göstermektedir. Literatürde kayısı üzerine yapılan bir çalışmada, elektroporasyonun ekstraksiyon verimini artırarak ölçülen beta-karoten miktarını artırdığına dair bulgular mevcut olsa da, bu çalışmada kullanılan elma matriksinde benzer bir artış gözlemlenmemiştir. Bu bulgu, MEF teknolojisinin özellikle karotenoidlerce zengin gıdaların işlenmesinde, suda çözünen vitaminlere kıyasla daha avantajlı olabileceğini işaret etmektedir. Ancak burada dikkat çekilmesi gereken en kritik nokta, dalga formunun etkisidir. Beta-karoten miktarı voltajdan etkilenmese de, kare dalga uygulanan örneklerde sinüs dalgaya göre daha düşük değerler kaydedilmiştir. Kare dalgaların, sinüs dalgalarına göre tepe voltajında kalma süresinin daha uzun olması ve daha dik yükselme profiline sahip olması, numuneye aktarılan enerji yoğunluğunu artırmaktadır. Bu durumun, hücre dokusunda daha agresif ve yıkıcı bir elektroporasyona yol açtığı, bunun sonucunda da hassas pigmentlerin oksidasyona açık hale geldiği veya bölgesel ısınma noktaları oluşturarak termal bozunmayı tetiklediği sonucuna varılmıştır. Dolayısıyla bu tez, enerji verimliliği açısından avantajlı olan kare dalgaların, besin kalitesi açısından sinüs dalgalarında daha yıkıcı olduğunu kanıtlaması bakımından literatüre önemli bir katkı sunmaktadır. Antioksidan aktivite (DPPH) sonuçları incelendiğinde, elde edilen veriler gıda işlemede sıklıkla karşılaşılan karmaşık ve doğrusal olmayan ilişkileri gözler önüne sermiştir. Kurutulmuş tüm örneklerde antioksidan aktivitenin taze elmaya göre arttığı, ancak MEF parametreleri arasında iki fazlı bir davranış sergilediği görülmüştür. Elektrik alan şiddeti 0.1 kV/cm'den 0.15 kV/cm'ye çıkarıldığında antioksidan aktivitede istatistiksel olarak anlamlı bir artış kaydedilmiştir. Bu artış, literatürde farklı çalışmalarda da belirtilmiş, elektrik alanın hücre duvarını zayıflatarak bağlı fenoliklerin serbest kalmasını sağlaması ve biyoerişilebilirliği artırması ile açıklanmıştır. Ayrıca kurutma sırasında oluşan Maillard reaksiyonu ürünlerinin (melanoidinler) de antioksidan kapasiteye katkı sağladığı bilinmektedir. Ancak voltaj 0.2 kV/cm'ye yükseltildiğinde, aktivitede bir düşüş eğilimi gözlenmiştir. Bu durum, aşırı işlemenin bir göstergesi olarak yorumlanabilir; belirli bir eşik değerin üzerinde uygulanan elektriksel stres, antioksidan moleküllerin oksidatif bozunmasına yol açarak, ekstraksiyon artışından elde edilen faydayı gölgelemektedir. Ayrıca toplam fenolik madde (TPC) değerleri düşerken antioksidan aktivitenin belirli noktalarda yüksek kalması, sistemde fenolik olmayan antioksidanların veya kurutma kaynaklı yeni antioksidan yapıların varlığını işaret etmektedir. Gıda güvenliği açısından tezin en çarpıcı sonuçlarından biri HMF (5-hidroksimetilfurfural) analizlerinde elde edilmiştir. HMF, indirgen şekerler ve amino asitler arasındaki Maillard reaksiyonu veya şekerlerin karamelizasyonu sonucu oluşan, yüksek konsantrasyonlarda potansiyel olarak kanserojen etkileri olabilen bir bileşiktir. Literatürde, özellikle meyve sularına uygulanan Ohmik ısıtma işlemlerinde, voltaj gradyanı arttıkça HMF miktarının arttığını rapor eden çalışmalar mevcuttur. Bunun nedeni, ohmik ısıtmanın doğası gereği ürün sıcaklığını hızla artırmasıdır. Ancak bu tez çalışmasında, MEF ön işlemi uygulanmış tüm örneklerde HMF miktarı, hiç işlem görmemiş ve sadece kurutulmuş kontrol grubu ile kıyaslandığında daha düşük bulunmuştur. Bu sonuç, MEF teknolojisinin bir ısıtma yöntemi olarak değil, bir kurutma hızlandırıcı ön işlem olarak kullanıldığında gıda güvenliği açısından risk oluşturmadığını, aksine güvenliği artırdığını kanıtlamaktadır. MEF uygulaması ile artan kuruma hızı, elma dilimlerinin Maillard reaksiyonunun en hızlı gerçekleştiği ara su aktivitesi (0.5-0.7 aw) bölgesinde geçirdiği süreyi kısaltmıştır. Ürünün ısıl temasının bu şekilde kısaltılması, zararlı bileşik oluşumunu sınırlayan temel faktör olmuştur. Ayrıca elektrik alan uygulama esnasında suyu geçen basit şekerlerin (glikoz, fruktoz vb.), Maillard reaksiyonu için gerekli substrat miktarını azaltmış olması da HMF düşüşüne katkıda bulunan ikincil bir mekanizma olarak değerlendirilmiştir. Renk parametreleri açısından değerlendirildiğinde, düşük voltajlı uygulamalarda elma dilimlerinin karardığı, yüksek voltajlarda ise rengin korunduğu gözlemlenmiştir. Bu durum, enzim aktivasyonu ve inaktivasyonu arasındaki denge ile açıklanmıştır. Hücre zarları zedelenerek enzim ve substratların bir araya gelmesine neden olmuş olabilir, ancak enzimi inaktive edecek kadar yüksek enerji uygulanmadığından, bu durum enzimatik esmerleşmeyi hızlandırmış olabilir. Ancak 0.2 kV/cm gibi daha yüksek şiddetlerde, oluşan elektriksel ve termal etkiler PPO enzimini denatüre ederek esmerleşmeyi durdurmuş ve sonuçta kurutulmuş ürünün esmerleşmesinin azalmasını sağlamış olabilir. Bu bulgu, MEF uygulamasının sadece besin değeri değil, aynı zamanda görsel kalite üzerinde de voltaja bağlı kritik bir eşiğe sahip olduğunu göstermektedir. Tüm bu deneysel veriler ve literatür karşılaştırmaları ışığında, orta şiddetli elektrik alan uygulamasının elma kurutmada işlem süresini kısaltan, HMF oluşumunu engelleyen ve belirli koşullarda biyoaktif bileşenleri koruyabilen umut verici bir teknoloji olduğu söylenebilir. Ancak, bu teknolojinin başarısı, işlem parametrelerinin hassas bir şekilde optimize edilmesine bağlıdır. Çalışma sonuçları, kare dalga formunun enerji verimliliği yüksek olsa da besin kalitesi üzerinde yıkıcı etkileri olduğunu; buna karşılık sinüs dalga formunun daha besin değerlerini koruyucu bir etki gösterdiğini ortaya koymuştur. Benzer şekilde, çok düşük voltajlar enzim aktivasyonu ve hücre dışı sızıntıarı nedeniyle kalite kaybına yol açarken, 0.15-0.2 kv/cm aralığındaki optimize edilmiş koşulların, kuruma hızı ile kalite koruma arasında en ideal dengeyi sağladığı belirlenmiştir. Gelecek çalışmalar için MEF teknolojisinin endüstriyel ölçekte uygulanabilirliğini artırmak adına yeni araştırma rotaları önermektedir. Özellikle hücre dışı sızıntı problemini aşmak için, iletken ortam olarak farklı sıvı karışımların kullanımı denenebilir. Ayrıca, HMF kinetiğini daha net modellemek adına sürekli ağırlık ölçümü yapabilen kurutma sistemlerinin kullanılması ve kuruma eğrilerinin matematiksel modellerle analiz edilmesi fayda sağlayabilir. Bunun yanı sıra, tezin bulgularını tamamlayıcı nitelikte, tüketicinin ürünü kabul edilebilirliğini ölçecek duyusal analizlerin ve hücre düzeyindeki hasarı görselleştirecek taramalı elektron mikroskobu (SEM) çalışmalarının yapılması, teknolojinin ticarileşme potansiyelini ortaya koymayı sağlayabilir. Sonuç olarak bu tez, katı gıdaların kurutulmasında dalga formu ve elektrik alan şiddetinin etkileşimlerini mekanistik düzeyde açıklayan özgün ve kapsamlı veriler sunarak, sürdürülebilir ve sağlıklı gıda işleme teknolojilerinin geliştirilmesine önemli bir katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Conventional hot air drying has a wide using area as a preservation technique; nevertheless, it occasionally results in significant quality damage, including the loss of thermosensitive nutrients, color degradation, and the development of heat-induced contaminants. This doctoral thesis investigates the efficacy of Pulsed and Moderate Electric Field application as a novel non-thermal pre-treatment strategy to improve the drying dynamics and quality parameters of Fuji apples (Malus domestica). The main goal was to clarify how the different process parameters, like the electric field (EF) strength, wave application method and treatment mode either continuous or pulsed, affect the protection of bioactive compounds in the dried product. Apple slices were treated with continuous and pulsed MEF processing in an immersion cavity filled tap water to provide conduction throughout the cavity. The effect of the factor related to electrical application was evaluated against untreated control samples and conventional hot-air drying techniques. The most important performance metrics were the preservation of ascorbic acid (vitamin C), β-carotene, total phenolic content, total antioxidant activity, color change, and the production of 5-hydroxymethylfurfural (HMF). The experimental results have shown that MEF treatment altered the microstructural properties of the fruit tissue via electroporation. This permeabilization improved the mass transfer, but it also made it prone to degradation of the nutritional quality. There was a significant reduction in Ascorbic Acid and Total Phenolic Content in samples that were treated with MEF compared to the untreated samples (p<0.05). This deterioration is may be sourced from the leaching effect, which generally occurs when the micropores created by electroporation cause the migration of hydrophilic compounds into the immersion water. However, an important exception occurred with ascorbic acid retention at the highest EF strength with sinusoidal waveform treatment. At this intensity, retention levels were not significant statistically compared to the control group. This can be interpreted as the accelerated inactivation of oxidative enzymes (ascorbate oxidase) and the reduced drying time might have aided to balance these leaching losses. Unlike water-soluble vitamins, β-carotene exhibited a very strong stability when subjected to electrical field application. There was no significant degradation across different EF intensities (p>0.05), which underlines the idea that the hydrophobic properties of carotenoids and their absorption into the solid matrix inhibited their leaching. The application method of the electric field found to be quite important for assessing quality. It was shown that sinusoidal waveforms were not as detrimental as square waveforms. Square waves have higher energy densities and longer peak voltage durations, and they increase the efficiency of electroporation, which led to larger losses of Vitamin C and phenolic compounds. The total antioxidant capacity has shown a two-way, non-linear outcome. Moderate electric field intensities of 0.15 kV/cm enhanced antioxidant capacity. This improvement is probably since bonded antioxidants are easier to remove and the development of Maillard reaction products. But these elevated electrical stress at higher voltages reduce antioxidant capacity, decreasing oxidative stability. The study also showed a change in color properties. Low to moderate field strengths resulted in darker samples because membrane rupture increased enzymatic browning. On the other hand, higher field strengths made the samples lighter. This lightness increase is probably sourced from the inhibition of polyphenol oxidase (PPO) enzymes by thermal or electrochemical results of the treatment. Also, MEF pretreatment has a lowering effect on some toxic compounds formed during thermal treatment. HMF, a sign of heat treatment, was much lower in all samples treated with MEF than in the control group. This decrease may be due to changes in drying kinetics, as the drying time within the crucial water activity range for non-enzymatic browning reactions was shorter than in control samples. This study demonstrated the MEF pretreatment is a very efficient tool for accelerating drying and ensuring product safety. The adjustment of the parameters is the key of keeping nutritional quality. The results indicate that sinusoidal waveforms at moderate field strengths provide the optimal balance between process efficiency and nutrient retention. Future studies should focus on the optimization of parameters in order to lower leaking and protecting bioactive substances.
Benzer Tezler
- Ilımlı elektriksel alan destekli ekstraksiyon işleminin incelenmesi, matematiksel modellenmesi ve eksergoekonomik değerlendirmesi
Investigation of moderate electric field assisted extraction process, mathematical modelling and exergoeconomic evaluation
ÖMER FARUK ÇOKGEZME
Doktora
Türkçe
2022
Gıda MühendisliğiEge ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ İÇİER
- Kırmızı biberden renk maddesi eldesinde gün ışığı benzetimli kurutma ve vurgulu ılımlı elektriksel alan destekli ekstraksiyon işlemlerinin etkilerinin incelenmesi
The investigation of the effects of sunlight simulated drying and pulsed moderate electric field assisted extraction processes in handling of color matters from red pepper
EREN DENİZ KONAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Gıda MühendisliğiEge ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ İÇİER
- Fizik öğretmen adaylarının elektrik alan çizgileri hakkındaki bilgilerinin çizim yöntemiyle araştırılması
Investigation of the knowledge of physics teachers candidates about the electric field lines using the drawing method
KÜBRA KELLECİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Eğitim ve ÖğretimGazi ÜniversitesiMatematik ve Fen Bilimleri Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. PERVİN ÜNLÜ YAVAŞ
- Sepiyolit/polidimetilsiloksan dispersiyonların elektrik alan indüklenmiş reolojik davranışları üzerine dağılan faz hazırlama yöntemi etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of dispersed phase preparation methods on the induced electric field rheological behaviors of the sepiolite/polydimethylsiloxane dispersions
CEYLAN ÇALIŞIR
- Numerical investigation of self-organization and stable burning conditions of moderate pressure glow discharges in argon gas
Orta basınçlı argon gazı ışıltılı deşarjlarının kendiliğinden yapılanmasının ve kararlı yanma şartlarının sayısal incelenmesi
ENDER EYLENCEOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizik Bölümü
DOÇ. DR. İSMAİL RAFATOV