Yenilikçi katı hal mikrodalga pişirme teknolojisinin farklı gıda türleri üzerindeki etkisinin incelenmesi

Investigation of the effect of innovative solid state microwave cooking technology on different food types

Tez No: 936785
Yazar: GÖNÜL ÇAVUŞOĞLU KAPLAN
Danışmanlar: DOÇ. DR. FATMA EBRU FIRATLIGİL
Tez Türü: Doktora
Konular: Gıda Mühendisliği, Food Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2025
Dil: Türkçe
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 157

Özet

başlayan katı hal mikrodalga teknolojisinin etkinliği incelenmiştir. Mikrodalga pişirme, geleneksel pişirme yöntemlerinden farklı olarak gıdaya özgü dipolar ve iyonik reaksiyonlarla şekillenir. Özellikle pişirme süresinin kısaltılması konusunda sağladığı avantaj sebebiyle ev tipi kullanımı oldukça yaygın olan klasik mikrodalga fırınlarda temel bileşen magnetrondur. Mikrodalga üretiminde kullanılan magnetronun sınırlı ömrü, 2400-2500 MHz sabit frekans aralığında çalışması, gıdaya özgü frekans ayarı yapılamaması, geri besleme mekanizma özelliği bulunmaması gibi durumlar sebebi ile bu teknoloji bazı dezavantajları da beraberinde getirmemektedir. Bu noktada katı hal mikrodalga sistemleri klasik mikrodalga teknolojisine göre önemli bir alternatif oluşturmaktadır. Bu yöntemde, magnetron yerine kullanılan mikrodalga jenaratörleri, hem yüksek ömür ile avantaj yaratmakta hem de pişirmenin dinamik koşullarda gerçekleşmesini sağlamaktadır. Bu sistemlerde frekans, faz ve güç gibi çeşitli parametrelerin hassas şekilde kontrolu sağlanmaktadır, bu şekilde gıdaya en uygun frekans aralıklarında pişirme yapılabilir ayrıca sürekli takip edilen bir geri bildirim mekanizmasıyla da frekans ve güç değerleri sürece göre optimize edilebilir. Katı hal mikrodalga sistemleri ile pişirme, literatürde oldukça yeni bir konu olup daha önce yapılan çalışmalar genellikle ısıtma homojenliği üzerine teorik hesaplamaları içermektedir. Gıda üzerindeki etkisi ile ilgili çalışma sayısı oldukça sınırlıdır. Bu doktora tezinde, 500-1000 MHZ gibi geniş bir frekans aralığında çalışabilen katı hal mikrodalga pişirme sisteminin farklı gıda grupları üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Çalışmanın ilk fazında katı hal mikrodalga teknolojisinden yararlanarak yemek pişirme kavitesi için özelleştirilmiş bir sistem kurulmuştur. Sistemin ana bileşenleri, geniş bir frekans aralığında sinyal üretebilen bir vektör sinyal jeneratörü, güçlü amplifikasyon kapasitesine sahip bir katı hal mikrodalga güç amplifikatörü, yüksek kaliteli bir koaksiyel kablo, bir anten ve sistemin kontrolünü ve izlenmesini sağlayan bir bilgisayar algoritmasından oluşmaktadır. Temel prensip geniş frekans aralığında üretilen mikrodalga gücünün bir anten aracılığı ile pişirme kavitesine aktarılması ve gıdanın ısıtılmasıdır. Bunun yanında gıdadan yansıyan güç de sürekli olarak takip edilmektdir. Sistemde kullanılan verimlilik oranı, pişirme kavitesine iletilen gücün ve pişirme kavitesinden yansıyan gücün farkının, iletilen güce oranı olarak hesaplanmıştır. Verimlilik oranı 500-1000 MHZ aralığında farklı form ve özellikteki et ürünleri (dana nuar, kıyma, balık, tavuk), hamurlu gıdalar (kek ve ekmek) ve sebze ürünleri (brokoli, havuç ve kırmızı biber) üzerinde incelenmiştir. Ayrıca her gıda türü için verimin en yüksek olduğu frekans değerleri tespit edilmiştir. Bu veriler sonraki fazlarda pişirme parametresi olarak kullanılmış, bu vüksek verimli frekans değerlerinde yapılan pişirme performansları klasik mikrodalga ve geleneksel fırın performansları ile karşılaştırılmıştır. Çalışmanın ilk fazında elde edilen sonuçlara göre her bir gıdanın mikrodalga enerjisini absorbe etme kapasitesinin frekans aralıklarına göre değiştiği ve gıdanın yapısal özelliklerinin absorpsiyon üzerinde belirleyici olduğunu görülmüştür. Bu durum geleneksel mikrodalga sistemlerinden farklı olarak, katı hal mikrodalga sisteminin dinamik koşullara adaptasyonu sayesinde pişirmenin gıda ihtiyaçlarına göre özelleştirilmesine imkan sağlamaktadır. Bu yaklaşım, ev tipi fırın uygulamalarında pişirme performansını artırma açısından büyük bir potansiyele sahiptir. Çalışmanın ikinci fazında yasal düzenlemelerle izin verilen 902-928 MHz frekans aralıklarında sebze ürünleri (brokoli, havuç ve kırmızı biber), et ürünleri (dana nuar ve kıyma) ve hamurlu gıdalar (kek ve ekmek) için pişirme testleri gerçekleştirilmiş ve bu sonuçlar geleneksel fırında pişirme ve klasik mikrodalga pişirme sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Brokoli, havuç ve kırmızı biber için elde edilen sonuçlara bakıldığında geleneksel fırında pişirmede ağırlık kaybı en yüksek %34,1 olarak ölçülürken, mikrodalga pişirmede ağrılık kaybı en fazla %11,7 ve katı hal mikrodalga pişirmede ise %17,0 olarak kaydedilmiştir. Geleneksel pişirmede elde edilen toplam fenolik içerik her üç sebze türü için 61,58–116,51 mg GAE/100 g aralığında değişirken, mikrodalga pişirmede bu aralık 88,04–110,92 mg GEA/100 g, katı hal mikrodalga pişirmede ise 76,14–122,91 mg GEA/100 g olarak elde etmiştir. Ayrıca, pişirme sonunda başlangıca göre brokolideki klorofil içeriğinde geleneksel, mikrodalga ve katı hal mikrodalga pişirme için sırasıyla %68,2, %25,6 ve %35,7 oranında azalma gözlenmiştir. Geleneksel pişirme sonrası kırmızı biberde likopen içeriği 224,73 mg/100 g olarak ölçülürken, mikrodalga pişirme sonrasında 289,55 mg/100 g ve katı hal mikrodalga pişirme sonrasında 242,94 mg/100 g olarak ölçülmüştür. Beta-karoten içeriği geleneksel pişirmede %14,5 oranında azalırken, her iki mikrodalga yöntemi %14,7 oranında bir artış göstermiştir. Bu sonuçlar, sebze ürünleri için her iki mikrodalga işleminin de özellikle mikro bileşenler üzerinde geleneksel pişirmeye göre önemli avantaj yaratabileceğini ortaya koymaktadır. Nuar ve kıyma için elde edilen sonuçlara göre, farklı pişirme yöntemlerinin ağırlık kaybı, TBA, çözünür protein, renk ve tekstür üzerindeki farklı etkileri olduğu tespit edilmiştir. Dana nuar örneklerinde, katı hal mikrodalga pişirme %48,1 ile en yüksek ağırlık kaybına yol açarken, bu değer geleneksel pişirme %34,8; mikrodalga pişirmede ise %42,4 olarak ölçülmüştür. Pişirme sonundaki TBA değerlerinde yine katı hal mikrodalga pişirme, 0,61 mg MDA/kg ile en yüksek artışı gösterirken, geleneksel pişirme ve mikrodalga pişirmede sırasıyla 0,54 ve 0,55 mg MDA/kg olarak gözlenmiştir. Dokusal özellikler açısından ağırlık kaybı ile ilişkili olarak katı hal mikrodalga altında sertlik en yüksek seviyeye ulaşmıştır. Kıyma örneklerindeki sonuçlar nuar ile paralellik göstermektedir. Geleneksel pişirme %24,5 ile en az ağırlık kaybını gösterirken, mikrodalga %26,7 ve katı hal %28,9 ağırlık kaybı kaydedilmiştir. TBA değerleri, katı hal mikrodalga pişirmede 1,56 mg MDA/kg, mikrodalgada 1,44 mg MDA/kg ve geleneksel 1,07 mg MDA/kg olarak ölçülmüştür. Sertlik açısından yine mikrodalga uygulamalarında geleneksel yönteme göre daha yüksek değer elde edilmiştir. Ekmek ve kek ev tipi fırınlarda sıkla pişirilen önemli bir gıda grubudur. Sebze ve et ürünlerinden farklı olarak, bu kategoride ayrıca bayatlama etkisi de incelenmiştir. Ekmek örnekleri için, katı hal mikrodalga pişirme 0.günde en yüksek spesifik hacim (2,88 ml/g) ve hacim (68,97 ml) değerlerine ulaşmıştır. Bu yöntemi mikrodalga pişirme (2,62 ml/g, 65,52 ml) ve geleneksel pişirme (2,42 ml/g, 66,25 ml) izlemiştir. 7.gün sonunda, katı hal mikrodalga pişirme ve klasik mikrodalga pişirme altında pişirilen numunelerin hacim değerleri başlangıca göre aynı kalırken, geleneksel pişirmeye ait örneklerin spesifik hacimde artış gözlenmiştir. Renk değerlerinde ise, geleneksel pişirme a değeri (16,11) ve b değeri (29,34) ile en yüksek kırmızılık ve sarılık sağlarken, mikrodalga ve katı hal mikrodalga pişirme a (sırası ile 0.82 ve 0.89) ve b (sırası ile 19,41 ve 19,69) değerleriyle daha düşük renk doygunluğu sergilemiştir. Kek örnekleri için elde edilen sonuçlar ekmekle benzerdir. En yüksek spesifik hacim (2,41 ml/g) ve hacim (72,07 ml) değerleri yine katı hal mikrodalga altında görülmüştür. 7.gün sonunda hacim değişimi ise ekmek kadar belirgin olmamıştır. Renk değerleri açısından geleneksel pişirme a (12,73) ve b (33,97) değerleri ile en yüksek renk doygunluğunu sağlamıştır. Mikrodalga ve katı hal mikrodalga yöntemlerindeyse keklerin rengi daha açık kalmıştır (a değerleri sırasıyla 1,93 ve 2,56; b değerleri 28,06 ve 27,56). Geleneksel yöntemlerin gıdanın yüzeyinden merkezine doğru gerçekleştirdikleri ısıtma mekaniması, yüzeyde daha koyu rengin oluşmasına yardımcı olurken, mikrodalga ve katı hal mikrodalga yöntemleri daha düşük yüzey sıcaklıkları ve hızlı pişirme süreleri nedeniyle daha açık renk tonlarına sebep olmaktadır. Çalışmanın son aşamasında daha geniş bir bant aralığı olan 500-1000 MHz aralığında yüksek verim sağlayan frekans bölgelerinde kek için inceleme yapılmıştır. Amaç, verim yüksek olsa da farklı frekans değerlerinde pişirme yapıldığında kalite değişiminin nasıl gerçekleştiğini gözlemektir. Bu çalışma çıktılarına göre ise geleneksel pişirme yöntemiyle karşılaştırıldığında, 800 MHz, 900 MHz ve frekans kombinasyonu altında pişirilen keklerde daha yüksek spesifik hacim değerleri elde edilmiştir. Bu durum katı hal mikrodalga teknolojisinin hacim üzerinde pozitif bir etkisi olabileceğini tekrar doğrulamaktadır. 995 MHz altında pişirmelerde diğer frekans koşullarına göre daha yüksek nem kaybı ve buna bağlı olarak daha düşük hacim ve daha yüksek sertlik değeri elde edilmiştir. Yapılan bu değerlendirmeler, katı hal mikrodalga pişirme yöntemi için frekans seçiminin önemini bir kez daha vurgulamaktadır. Özellikle brokoli, havuç ve kırmızı biberde elde edilen sonuçlar, katı hal mikrodalga teknolojisinin sebze kategorisi için önemli avantajlar yarattığını ortaya koymaktadır. Diğer taraftan et için uygulama alanı sınırlı kalan bu teknoloji, kek ve ekmekte özellikle hacim artışındaki pozitif etkisi açısından dikkate alınmalıdır. Bu doktora tezi kapsamında elde edilen sonuçlar, katı hal mikrodalga pişirme teknolojisinin, geleceğin mutfak aletleri için umut vadeden bir yöntem olduğunu ve geleneksel pişirme uygulamalarına göre önemli bir alternatif oluşturduğunu doğrulamaktadır.

Özet (Çeviri)

In this study, the effectiveness of solid-state microwave technology, a new technology being implemented in food cooking processes, has been examined. Unlike traditional cooking methods, microwave cooking is shaped by specific dipolar and ionic reactions in food. Due to its advantage in reducing cooking times, the magnetron is the essential component in commonly used household microwave ovens. The limited lifespan of the magnetron used in microwave production, its operation at a fixed frequency range of 2400-2500 MHz, the inability to adjust the frequency specifically for food, and the lack of a feedback mechanism are some drawbacks this technology brings. At this point, solid-state microwave systems present a significant alternative to conventional microwave technology. In these systems, microwave generators instead of magnetrons offer a longer lifespan and enable dynamic cooking conditions. The precise control of various parameters such as frequency, phase, and power in these systems allows cooking at the most suitable frequency ranges for food, and a continuously monitored feedback mechanism can optimize frequency and power values according to the process. Cooking with solid-state microwave systems is a relatively new topic in the literature, with previous studies generally involving theoretical calculations on heating homogeneity. Research on its effects on food is quite limited. This doctoral thesis evaluated the impact of a solid-state microwave cooking system operating within a wide frequency range of 500-1000 MHz on various food groups. In the initial phase of this study, a system customized for a cooking cavity was set up utilizing solid-state microwave technology. The system's main components include a vector signal generator capable of producing signals across a wide frequency range, a solid-state microwave power amplifier with strong amplification capacity, high-quality coaxial cable, an antenna, and a computer algorithm for controlling and monitoring the system. The principal is to transfer microwave power generated over a broad frequency range through an antenna into the cooking cavity to heat the food, with the power reflected from the food continuously monitored. The efficiency ratio used in the system is calculated as the difference between the power transmitted to the cooking cavity and the power reflected from it, relative to the transmitted power. This efficiency ratio was evaluated across a range of 500-1000 MHz on various types of meat products (beef sirloin, minced meat, fish, chicken), dough-based foods (cakes and bread), and vegetable products (broccoli, carrots, and red peppers). Additionally, the highest efficiency frequencies for each food type were determined. These data were used as cooking parameters in subsequent phases, comparing the cooking performances at these high-efficiency frequencies with those of conventional microwaves and traditional ovens. Results from the first phase indicated that each food's capacity to absorb microwave energy varies with frequency ranges, and the structural properties of the food are decisive in absorption. Unlike traditional microwave systems, the solid-state microwave system's adaptability allows for customization of cooking conditions based on the food's needs. This method has significant potential to improve performance in home oven applications. In the second phase of this study, cooking tests were carried out for vegetable products (broccoli, carrots, and red peppers), meat products (beef sirloin and minced meat), and dough-based foods (cakes and bread) within the legally permitted frequency ranges of 902-928 MHz. These results were then compared with those obtained from traditional oven cooking and classic microwave cooking. When examining the outcomes for broccoli, carrots, and red peppers, it was noted that weight loss was highest in traditional oven cooking, measuring up to 34.1%, while microwave cooking resulted in a maximum weight loss of 11.7%, and solid-state microwave cooking recorded 17.0%. In traditional cooking, the total phenolic content ranged between 61.58–116.51 mg GAE/100 g for all three types of vegetables, whereas in microwave cooking, this range was 88.04–110.92 mg GAE/100 g, and in solid-state microwave cooking, it was between 76.14–122.91 mg GAE/100 g. Additionally, after cooking, the reduction in chlorophyll content in broccoli was observed to be 68.2% in traditional, 25.6% in microwave, and 35.7% in solid-state microwave cooking, respectively. Following traditional cooking, the lycopene content in red peppers was measured at 224.73 mg/100 g, while after microwave cooking, it was 289.55 mg/100 g, and after solid-state microwave cooking, it was 242.94 mg/100 g. Beta-carotene content decreased by 14.5% in traditional cooking, whereas both microwave methods showed an increase of 14.7%. These results suggest that both microwave processes could provide significant advantages over traditional cooking, especially in preserving micro-components in vegetable products. According to the results obtained for beef meat and minced meat, it has been determined that different cooking methods have varying effects on weight loss, TBA, soluble protein, color, and texture. In beef meat samples, solid-state microwave cooking led to the highest weight loss of 48.1%, while this value was 34.8% for conventional cooking and 42.4% for microwave cooking. Regarding TBA values at the end of cooking, solid-state microwave cooking again showed the highest increase at 0.61 mg MDA/kg, compared to 0.54 and 0.55 mg MDA/kg for conventional and microwave cooking, respectively. Regarding textural properties, the firmness reached the highest level under solid-state microwave conditions due to weight loss. The results for minced meat samples were parallel to those of beef meat. Conventional cooking showed the least weight loss at 24.5%, followed by microwave at 26.7% and solid-state at 28.9%. TBA values were measured at 1.56 mg MDA/kg for solid-state microwave cooking, 1.44 mg MDA/kg for microwave, and 1.07 mg MDA/kg for traditional cooking. Again, firmness was higher in microwave applications compared to the conventional method. Bread and cake are essential food groups frequently baked in domestic ovens. Unlike vegetables and meat products, the staling effect was also examined in this category. For bread samples, solid-state microwave cooking achieved the highest specific volume (2.88 ml/g) and volume (68.97 ml) on day of the 0th. This method was followed by microwave cooking (2.62 ml/g, 65.52 ml) and conventional cooking (2.42 ml/g, 66.25 ml). By the day of the 7th, while the volume values for samples cooked under solid-state microwave and microwave remained the same as the initial, those cooked by traditional methods showed an increase in specific volume. Regarding color values, traditional cooking provided the highest redness (a value of 16.11) and yellowness (a value of 29.34). In contrast, microwave and solid-state microwave cooking showed lower color saturation with values of a (0.82 and 0.89, respectively) and b (19.41 and 19.69, respectively). The results for cake samples were similar to those of bread. The highest specific volume (2.41 ml/g) and volume (72.07 ml) were observed again under solid-state microwave conditions. By the 7th day, the volume change was less significant than bread's. Color values showed that traditional cooking achieved the highest color saturation with a (12.73) and b (33.97) values, while microwave and solid-state microwave methods resulted in lighter colors for the cakes (a values of 1.93 and 2.56, respectively; b values of 28.06 and 27,56). Traditional methods heats from the surface to the center, which helps achieve darker colors. However, microwave and solid-state methods cause lighter color tones due to lower surface temperatures and faster cooking times. In the final phase of the study, cakes were examined in a broader frequency range of 500-1000 MHz to achieve high efficiency. The goal was to observe how quality changes occur when cooking at different frequency values despite the high efficiency. According to the findings, cakes baked under 800 MHz, 900 MHz, and frequency combinations achieved higher specific volume values than conventional cooking methods. This confirms that solid-state microwave technology may have a positive effect on volume. Cooking under 995 MHz resulted in higher moisture loss and, consequently, lower volume and higher firmness than other frequency conditions. These evaluations underscore the importance of frequency selection for solid-state microwave cooking methods. In light of these findings, solid-state microwave cooking technology presents notable advantages for cooking vegetables. However, its application for meat is limited. That said, it significantly enhances the volume of cakes and bread. The findings of this doctoral thesis confirm that solid-state microwave cooking technology is a promising method for future kitchen appliances and a substantial alternative to traditional cooking methods

Benzer Tezler

Tez No
318014
Novel synthesis methods for high purity amorphous boron
Yüksek saflıkta amorf bor üretimi için yeni yöntemler
SELÇUK ACAR
Doktora
İngilizce
2012
Kimya Koç Üniversitesi
Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SUAT SOMER
Tez No
824655
Eklemeli imalat yöntemi ile üretilen karbon fiber katkılı pla plakaların sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirelebirliliğinin taguchi yöntemi kullanılarak incelenmesi
Investigation of the combinability of carbon fiber added plates manufactured by additive manufacturing method with friction mixing welding using taguchi method
İBRAHİM İNCEDAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliği Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ OĞUZ KOÇAR
Tez No
804054
Investigation of the bonding mechanisms of aluminum chips during SPD- and FAST-based solid-state recycling processes
SPD ve FAST esaslı katı hal geri dönüşüm süreçleri sırasında alüminyum talaşların bağlanma mekanizmalarının incelenmesi
OĞUZ TAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliği Türk-Alman Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ CAN KAYA
PROF. DR. FRANK WALTHER
Tez No
958999
Developing a pressure sensor for 3D nonwoven assemblies by using novel spacer stitching technology
Yenilikçi aralıklı dikiş teknolojisi kullanarak 3D dokumasız yüzeyler için basınç sensörü geliştirilmesi
RANA NUR MULA
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Tekstil ve Tekstil Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPER GÜRARSLAN
Tez No
863756
Transparan AlON seramiklerinin SPS ile üretimi ve geliştirilmesi, farklı katkıların transparanlık ve mekanik özellikler üzerindeki etkilerin incelenmesi
Production and development of transparent AlON ceramics with SPS, investigation of the effects of different additives on transparency and mechanical properties
DEMET AYDOĞMUŞ
Doktora
Türkçe
2024
Metalurji Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ ŞAHİN

Geri Dön