Ayın Dosyası Gıda İşleme Teknolojileri
Gıda işlemede alternatif ısıtma teknolojileri
Dielektrik
Isıtma Yöntemleri
Prof. Dr. T. Koray Palazoğlu
Mersin Üniversitesi Mühendislik Fakültesi
Gıda Mühendisliği Bölümü
S
on yıllarda, tüketicilerin işlenmiş
gıdaların güvenliği, besin değeri ve
kalitesi konusunda bilinçlenmesi ile
birlikte minimal işleme tekniklerine verilen
önem giderek artmış, bu da gıda işlemede
alternatif yöntemlerin gündeme gelmesine
neden olmuştur. Her ne kadar ısıl olmayan
gıda muhafaza yöntemleri konusunda
yakın geçmişte önemli yol alınmış olsa da,
günümüzde pazar hakimiyetinin ısıl işlem
ile muhafaza edilmiş ürünlerde olduğu
görülmektedir. Bu gerçek dikkate alındığında
gıda işleme mühendislerine düşen görev,
gıda sanayinin yaygın olarak kullandığı
ısıl işlemlerin gıda kalitesi ve besin değeri
üzerindeki bilinen olumsuz etkilerini mümkün
olduğunca azaltmak olmalıdır. Bu da gıdaların
hızlı ısıtılıp soğutulması ile mümkündür.
Özellikle, ısıtmanın hızlı ve homojen bir
şekilde yapılması büyük önem taşımaktadır.
Dünyanın birçok ülkesinde olduğu gibi
ülkemizde de gıda sektörü uzun yıllardır
geleneksel yöntemler ile üretim yapmaktadır.
Örneğin, sıvı gıdaların pastörizasyonu
ve sterilizasyonu amacı ile geleneksel ısı
değiştiriciler, katı ve katı-sıvı karışımı
gıdaların uzun süreli muhafazasında konserve
teknolojisi, fırıncılık ürünleri üretiminde
bantlı sıcak hava fırınları, kurutma amacı
ile ise yine yaygın olarak konveksiyon
fırınlar kullanılmaktadır. Dielektrik ısıtma
yöntemleri olarak da bilinen mikrodalga
ve radyo frekansı ile ısıtma, son yıllarda
geleneksel ısıtma yöntemlerine alternatif olarak
Sıcaklık Ölçümü
48 www.gidateknolojisi.com.tr
gündeme gelmiştir. Bu teknolojiler ile ısıtma,
geleneksel ısıtmadan çok farklıdır. Geleneksel
ısıtmada ısınma yüzeyde başlar. Isı, harici bir
ısı kaynağından kondüksiyon, konveksiyon
ve/veya radyasyon ile ürün yüzeyine gelir
ve yüzeyden iç kısımlara iletilir. Dielektrik
ısıtmada ise ısınma hacimsel olarak moleküler
düzeyde gerçekleşir. Yüzey ve iç kısımlar
aynı anda ısındığından ısınma çok daha
hızlıdır. Hacimsel ve hızlı ısıtma özellikleri
sayesinde mikrodalga ve radyo frekansı ısıtma
teknolojileri gıda sanayinin birçok alanında
uygulanma potansiyeline sahiptir.
MİKRODALGA ISITMA
Mikrodalgalar, elektromanyetik spektrumda
300 MHz - 3 GHz frekans aralığında yer alan
elektromanyetik dalgalardır. Bu geniş aralığa
karşın, endüstriyel ısıtma uygulamaları için
yalnızca 2450 ve 915 (Avrupa’da 896) MHz
frekansların kullanımına izin verilmektedir
(Mujumdar, 2009). Ev tipi mikrodalga fırınlar
2450 MHz frekansında mikrodalgalar üretirken,
pilot ve sanayi ölçekli uygulamalarda daha
çok 915 MHz’de çalışan sistemler tercih
edilmektedir. Mikrodalganın frekansı azaldıkça
dalga boyu artmaktadır. Dalga boyunun
artması, mikrodalganın ürün içerisindeki
nüfuz derinliğinin artması anlamına gelir.
Nüfuz derinliği ne kadar büyük olursa ürünün
tamamını aynı anda ısıtmak o derece mümkün
olur. Bir materyalin mikrodalga enerji ile
ısınması iki mekanizma ile gerçekleşir: dipol
rotasyon ve iyonik kondüksiyon. Gıdalar
içerisinde bulunan su, dielektrik ısınmadan
sorumlu başlıca bileşendir. Su molekülü dipolar
özelliğinden dolayı, çok yüksek frekansta
polarite değiştiren elektriksel alanı takip
ederken meydana gelen sürtünme ısının açığa
çıkmasına yol açar. Gıdaların ısınmasına neden
olan diğer mekanizma ise salınmakta olan
elektriksel alanın etkisi ile iyonlarda meydana
gelen çarpışma hareketidir.
Mikrodalga enerjinin ısıtma amacı
ile kullanılmaya başlaması 1940’lı yıllara
uzanmaktadır (Mermelstein, 1997). Gıda
RF Fırın
sanayi; ısıtma, pişirme, çözdürme, kurutma,
pastörizasyon ve sterilizasyon gibi farklı
amaçlar için bu teknolojiden yararlanmaktadır.
Dondurulmuş et, balık ve kümes hayvanlarının
çözdürülmesi, mikrodalga ısıtma teknolojisinin
başarı ile uygulandığı endüstriyel uygulama
alanlarından biridir. Dondurulmuş etin ve balığın
çözdürülmesi veya işlemeye uygun bir sıcaklığa
getirilmesi (temperleme) mikrodalga enerji
kullanılarak çok kısa bir sürede sağlanabilmektedir.
Örneğin, %10 yağlı 20 kg’lık bir et bloğu
mikrodalga ile 5-6 dk içinde -18°C den -1°C’ye
getirilebilir. Bu; dondurulmuş et bloklarının
dakikalar içinde kesme, kıyma ve parçalama gibi
işlemler için hazır hale getirilebileceği anlamına
gelmektedir. Bu işlem, kesikli sistemlerde
gerçekleştirilebileceği gibi tünel tipi sürekli
sistemlerde de yapılabilmektedir. Küçük işletmeler,
bu amaç için kesikli bir sistemi tercih edebilirler.
Büyük ölçekte üretim yapan işletmeler için ise
tünel tipi bantlı sistemler daha uygun olabilir.
Hızlı çözdürme, sadece zamandan tasarruf
sağlamakla kalmaz; aynı zamanda ürünün
taze kalitesinin korunmasına da yardımcı
olur. Çözdürme/temperlemenin yavaş olması
durumunda özellikle ürünün yüzeyinde mikrobiyal
faaliyet başlayabileceği için, bu işlemin hızlı
yapılması ürün güvenliği açısından da büyük önem
taşımaktadır. Ayrıca, geleneksel çözdürme işlemleri
sırasında karşılaşılan en büyük sorunlardan biri
olan ve aynı zamanda ekonomik kayıp anlamına
gelen ürünün “su salma”sı, mikrodalga çözdürme
işlemi ile en aza indirilir.
Gıdaların mikrodalga ile pastörizasyonu
ve sterilizasyonu, ürün ambalajlandıktan
sonra yapılabileceği gibi ürünün sıvı veya
katı-sıvı karışımı (parçacıklı akışkan gıdalar)
olması durumunda sürekli sistemlerde de
Gıda İşleme Teknolojileri
Ayın Dosyası
gerçekleştirilebilmektedir. Son yıllarda, akışkan gıdaların sürekli
sistemlerde ısıtılmasında mikrodalganın kullanımı yeni bir uygulama
alanı olarak karşımıza çıkmıştır. Geleneksel yöntemler ile ısıtılması zor
sıvı ürünleri (meyve ve sebze püreleri) sürekli mikrodalga sistemleri ile
hızlı bir şekilde ısıtmak mümkündür. Ayrıca, bu sistemlerin sıcak yüzey
barındırmaması sayesinde geleneksel ısıl işlemler sırasında ürünün
sıcak yüzey ile teması sonucunda ortaya çıkan aşırı ısınma ve buna bağlı
problemler ortadan kaldırılmaktadır. Sürekli mikrodalga ısıtma sistemleri;
parçacık içeren sıvı-katı karışımı gıdalar için de, ürünün katı ve sıvı
kısımlarının aynı anda ısınmasını sağlaması sebebi ile önemli bir avantaj
sunmaktadır. Bu teknoloji, aseptik dolum tekniği ile birleştirildiğinde
yüksek kalite ve besin değerine sahip, uzun raf ömürlü ürünlerin elde
edilmesi mümkündür. Bazı ülkelerde, meyve ve sebze pürelerinin
pastörizasyonu/sterilizasyonu amacı ile 915 MHz de çalışan sürekli
mikrodalga ısıtma sistemleri ticari olarak kullanılmaktadır.
Sıcak havanın kullanıldığı konvansiyonel fırınlarda, nem içeriği
yüksek gıdalar başlangıçta etkin bir şekilde kurutulabilmekte iken yüzey
kurudukça yüzeye gelen ısının nemli iç kısımlara iletilmesi güçleşir. Bunun
nedeni yüzeyde oluşan kabuk tabakasının ısıl iletkenlik katsayısının düşük
olması ve buna bağlı olarak yüzeyde ısı transferine bir direnç oluşmasıdır.
Bu durum, istenen nem içeriğine ulaşılmasını geciktirir. İşlem süresinin
uzaması; yüzey ve yüzeye yakın bölgelerin uzun süre yüksek sıcaklıklara
maruz kalmasına, duyusal ve besleyici özelliklerin olumsuz etkilenmesine
neden olur. Radyo frekansı enerjisi, hacimsel ısıtma özelliği sayesinde
yüzeydeki kurumanın ısı transferini güçleştirmesinden etkilenmeksizin
kurutma işleminin bu aşamada da etkin olarak devam etmesine olanak
sağlar. Radyo frekansının, kurutma işleminin başından itibaren sıcak hava
ile kombine olarak uygulanması veya sıcak hava ile kurutma işleminin
sonuna doğru devreye sokulması ile kuruma süresi önemli ölçüde
kısaltılabilmektedir (Schiffmann, 2001).
Araştırma ve endüstriyel amaçlı kullanılan mikrodalga sistemlerin
gücü 5 kW ile 100 kW arasında değişmektedir. 5 kW gücündeki sistemler
pilot ölçekli denemeler için yeterli iken, endüstriyel ölçekte üretim için
daha yüksek güçte (60-100 kW) çalışan sistemlere ihtiyaç duyulmaktadır.
Mevcut mikrodalga jeneratörlerinin gücü 100 kW ile sınırlı olmakla
birlikte daha fazla güç gereksinimi olması durumunda birden fazla
jeneratör bir araya getirilmek sureti ile toplam güç artırılabilmektedir.
Dünyada, gıda sektöründe olmasa da başka sektörlerde kurutma amacı
ile kullanılan 3 MW gücünde tünel mikrodalga kurutma sistemleri
bulunmaktadır.
Radyo frekansı ısıtma tekniği, mikrodalga gibi dondurulmuş gıdaların
çözdürülmesi amacı ile endüstriyel olarak uygulanmaktadır. Özellikle,
mikrodalga enerjinin nüfuz derinliğinin yetersiz kaldığı durumlarda radyo
frekansı ısıtma sistemleri tercih edilmektedir. Radyo frekansı ile çözdürme/
temperleme işlemi, radyo dalgalarının frekansının mikrodalgalara göre
daha düşük olması sebebi ile daha uzun sürmekte; ancak dalga boyunun
daha büyük olmasının bir sonucu olarak da çözdürme işlemi sonunda ürün
içerisindeki sıcaklık dağılımı daha homojen olmaktadır.
Radyo frekansına sahip elektromanyetik dalgalar, ayrıca kuru yemiş
ve bakliyat gibi ürünlerde depo zararlılarını önlemek amacı ile kimyasal
fumigasyona alternatif olarak gündeme gelmiştir. Radyo frekansı enerji
RADYO FREKANSI ISITMA
ile, cevize göre daha nemli olan larvaların seçici olarak ısıtılabildiği ve
Radyo dalgalarının mikrodalgalardan farkı, frekanslarının daha düşük
bu işlemin cevizin kalite özelliklerine zarar vermediği gösterilmiştir
olmasıdır. Buna bağlı olarak radyo frekansına sahip elektromanyetik
(Wang ve ark., 2003). Fumigantlara giderek artan oranda sınırlamalar
dalgaların dalga boyu daha büyüktür. Bu sayede radyo dalgaları, ürün
ve yasaklar getirildiği dikkate alındığında, ürün kalitesini olumsuz
içerisinde daha derine nüfuz edebilirler. 1-300 MHz frekans aralığındaki
etkilemeden depo zararlılarının önlenmesine imkan veren fiziksel bir
elektromanyetik dalgalar radyo dalgaları olarak adlandırılır. Gıdaların
yöntemin değeri daha iyi anlaşılabilir. Mikrodalga ve radyo frekansı ısıtma
ısıtılması amacı ile belirlenmiş olan frekanslar 13.56, 27.12 ve 40.68
teknolojilerinin, gıda sanayinde yukarıda bahsedilen uygulamaların dışında
MHz olsa da 27.12 MHz sistemler daha yaygın olarak kullanılmaktadır.
farklı kullanım alanları bulma potansiyeli yüksektir. Bu sistemlerin, gıda
sektöründe faaliyet gösteren birçok işletmenin üretim hattına kolaylıkla
Radyo frekansı ısıtma, bisküvi ve kraker tipi gıdaların üretiminde
yıllardır son-kurutma amacı ile başarı ile uygulanmaktadır. Bu uygulama, entegre edilebilir olması şüphesiz önemli bir avantajdır. Gıda sektöründe
faaliyet gösteren işletmelerin, halihazırda kullanmakta oldukları üretim
geleneksel fırınlama işleminin sonunda daha nemli kalan iç kısımdaki
teknolojisini değiştirmesi kolay verilecek bir karar olmayabilir. Ancak, gıda
suyun hızlı bir şekilde uzaklaştırılmasını sağlamak şeklindedir. Suyu
güvenliği ve kalitesi konusunda hızla bilinçlenen tüketicinin taleplerine
seçici olarak ısıtma özelliği, radyo frekansı ısıtma tekniğini geleneksel
kurutma yöntemlerinden ayıran en önemli özelliktir. Bu özellik, şüphesiz cevap verebilmek için gıda sektörünün alternatif üretim teknolojilerine
kurutma açısından büyük bir avantaj sağlamaktadır. Çünkü radyo frekansı yönelmesi kaçınılmazdır. Alternatif teknolojinin ekonomik olması, ticari
işletmeler açısından önemli bir ölçüt olsa da; güvenilir, kaliteli ve besleyici
yalnızca nemli bölgeleri hedef aldığından zaten kurumuş olan bölgelerin
gıda üretimi yapan firmaların diğer firmalara göre her zaman bir adım önde
ısınması söz konusu olmamakta, bu da aşırı ısınmayı önleyerek ürün
olacağı unutulmamalıdır.
kalitesinin iyileştirilmesini sağlamaktadır. Bu uygulama ile bisküvi ve
benzeri ürünlerde nem dağılımı daha homojen hale getirilerek depolama
sırasında oluşabilecek kalite problemlerinin de (çatlama, kırılma gibi)
KAYNAKLAR
önüne geçilmektedir.
Fırıncılık ürünleri sanayinde, son üründe istenen özelliklerin
sağlanması amacı ile fırınlama işleminin sonuna doğru giderek artan
şiddette uygulanan ısıl işlemin termal proses kontaminantlarının
(akrilamid gibi) oluşumuna neden olduğu bilinmektedir. Ürünün
konvansiyonel fırınlama işlemi sırasında maruz kaldığı bu aşırı ısıl
yükün azaltılması için alternatif fırınlama tekniklerine ihtiyaç vardır.
Son yıllarda, fırıncılık ürünlerinde termal proses kontaminantlarının
oluşumunu sınırlandırmak amacı ile radyo frekansı ısıtma tekniğinin
geleneksel fırınlama ile kombine edildiği çalışmalar yapılmaktadır.
Radyo frekansı ısıtma tekniği, kurumanın gerçekleştiği gıda proseslerinde
(fırınlama, kurutma gibi) sıcak hava ile kombine edildiğinde önemli bir
sinerjik etki sağlanmaktadır. Kombine yöntem işlem süresini kısaltmakla
kalmaz, aynı zamanda kapasite artırımına da imkan tanır. Ürünün duyusal
özellikleri ve besin değeri daha az zarar görürken ürün güvenliği de
artırılmış olur.
Mermelstein NH, How food technology covered
microwaves over the years, Food Technology, 51(5),
82–84, (1997).
Mujumdar AS, Drying: Principles and practice, in
Albright’s Chemical Engineering Handbook, ed. Albright
LF. CRC Press, Boca Raton, pp. 1667-1716, (2009).
Schiffmann RF, Microwave processes for the food
industry, in Handbook of Microwave Technology for
Food Applications, ed. Datta AK and Anantheswaran RC.
Marcel Dekker, Inc., New York, pp. 299-338, (2001).
Wang S, Tang J, Cavalieri RP, Davis DC, Differential
heating of insects in dried nuts and fruits associated with
radio frequency and microwave treatments, Transactions
of the ASAE, 46 (4), 1175-1182, (2003).
www.gidateknolojisi.com.tr
49
Download

Dielektrik IsItma Yöntemleri