Havucun ultrases destekli düşük basınçlı kızgın buhar yöntemiyle kurutulması ve kalite özelliklerinin belirlenmesi
Dehydration of carrot using with ultrasound assisted low pressure superheated steamand determination of quality properties
Yazar: ÜLKÜ HİLAL USLU
Danışman: DOÇ. DR. ALPER KUŞÇU
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında havuç (Daucus carota L.), farklı kurutma koşullarında kurutularak, kurutma yöntemlerinin havucun kuruma davranışları ve kalite özelliklerine etkisi incelenmiştir. Günümüzde artan insan nüfusu ve dolayısıyla hayat standardı yüksek yaşam beklentileri, kısıtlı olan enerji kaynakları üzerinde baskıya sebep olmaktadır. Bu ise endüstriyel üretimde enerjinin daha etkin kullanılmasını zorunlu hale getirmektedir. Endüstriyel ölçekte iyi tasarlanmış modern kurutma cihazlarıyla enerjiyi daha etkin kullanmakla beraber daha kaliteli son ürün elde etmek mümkün olmaktadır. Bu amaçla çalışmada, yeni gıda muhafaza metotlarından biri olarak karşımıza çıkan, gıda materyalinin vakum altında kızgın buhar ile kurutulması prensibine dayanan düşük basınçlı kızgın buhar kurutma (Low-Pressure Superheated Steam Drying (LPSSD)) yöntemi tercih edilmiştir. Bu yöntemde kurutma atmosferi olarak hava yerine kızgın buhar kullanılmıştır. Bu kurutma sistemine, termal olmayan gıda muhafaza yöntemlerinden biri olan ultrases (US) plakası entegre edilerek yeni ve özgün bir kurutma cihazı tasarımı yapılmıştır. Bu sistemde (LPSSD-US) havuç, 28 kHz frekans ve 100W gücünde US kullanılarak, 15 kPa mutlak basınçta, 80°C ve 90°C kurutma sıcaklıklarında kurutulmuş ve LPSSD-US sistemi, kontrol grubu hava kurutma yöntemi belirlenerek hava kurutma ve vakum kurutma yöntemleri ile karşılaştırılmıştır. Kurutma işlemi, US ve US işlemi kullanılmaksızın iki ayrı proses şeklinde gerçekleştirilmiş, ayrıca kontrol grubu ayrılarak bir kısım havuçlara haşlama ön işlemi (94°C-120s) uygulanmıştır. Tüm proseslerde kurutma işlemine, ürün nemi %10'un altına düşene kadar devam edilmiştir. Kurutma işlemi öncesi ve sonrası renk, esmerleşme indeksi, % büzülme ve rehidrasyon kapasitesi tayini, toplam fenolik madde, toplam antioksidan kapasitesi, toplam karotenoid ve β-karoten tayini, tekstür gibi analizler yapılmış olup ürünlerin kuruma eğirileri oluşturulmuştur. Son olarak kurutulmuş ürünlerde SEM (taramalı elektron mikroskobu) görüntüleme yapılmıştır. 

Kuruma sonrası ürünlerde en kısa kuruma süresi, her iki kurutma sıcaklığında da haşlama ön işlemi uygulanmış hava kurutma işleminde (HHK), en uzun kuruma süresi ise LPSSD kurutma işleminde meydana gelmiştir. US ve haşlama ön işlemi ürünlerin kuruma süresinde kısaltma sağlamıştır. 90°C de kurutulan ürünlerin kuruma süresi ise 80°C'ye kıyasla daha kısa sürmüştür. Ürünlerin kuruma periyodu tüm proseslerde azalan hız evresinde gerçekleşmiştir.

Örneklerin ΔL* değerleri tüm kurutma koşullarında pozitif çıkarken, Δa* ve Δb* değerleri negatif olarak belirlenmiştir. L* değerindeki en az değişim her iki kurutuma sıcaklığında da LPSSD-US ve HLPSSD-US kurutma işleminde meydana gelmiştir. 80°C kurutma sıcaklığında a* değerinde en az kayıp LPSSD-US kurutmada meydana gelirken, 90°C'de LPSSD-US, haşlama ön işlemi yapılanlarda ise HLPSSD-US işleminde meydana gelmiştir. Δb*değeri, 80°C ve 90°C'de en düşük HLPSSD-US kurutma yönteminde tespit edilmiştir. ΔE* (toplam renk değişimi) değeri, 80°C'de en az haşlama ön işlem uygulanmamış örneklerde LPSSD-US kurutmada meydana gelirken, haşlama ön işlemi yapılanlarda HLPSSD ve HLPSSD-US kurutma yöntemlerinde belirlenmiştir. 80°C kurutma sıcaklığında en fazla BI değeri VK ve VK-US, HVK ve HVK-US kurutma işlemlerinde meydana gelmiştir. 90°C'de ise en düşük BI değeri LPSSD-US kurutmada meydana gelirken, haşlama ön işlemi uygulanmış örneklerde HHK ve HLPSSD-US kurutma işleminde tespit edilmiştir. Chroma (C*) değeri, her iki kurutma sıcaklığında da haşlama ön işlemi uygulanmış hava kurutmada (HHK) en düşük değeri vermiştir. Haşlama ön işleminin tüm proseslerde ürünlerin C* değerinde düşüşe sebep olduğu gözlemlenmiştir.

En az büzülme oranı 80°C'de HK, LPSSD-US kurutma işlemlerinde % 80,69, 80,77 oranlarında, 90°C'de ise HK, LPSSD, LPSSD-US kurutma işlemlerinde sırasıyla % 80,75, 81,61, 81,32 oranlarında meydana gelmiştir. Haşlama ön işlemi ürünlerin % büzülme değerini artırırken, US işlemi uygulanmış ürünlerin % büzülme değerleri daha düşük çıkmıştır. Sıcaklık artışı ise ürünlerin büzülme değerini 80°C'ye kıyasla artırmıştır. SEM görüntüleriyle bu sonuçlar desteklenmiştir. 

80°C ve 90°C'de en fazla % rehidrasyon kapasitesi LPSSD-US ve HLPSSD-US kurutma yöntemlerinde sırasıyla % 440,48, 728,99; 475,25, 604,84 değerlerinde meydana gelmiştir. Kuruma süresince uygulanan US işleminin kurutma sonrası ürünlerin % rehidrasyon kapasitelerini % 0,29-8,87 arasında artırdığı tespit edilmiştir. Haşlama ön işlemi yapılmış ürünlerin % rehidrasyon kapasiteleri                 % 16,65-87,62 oranlarında artmıştır. 

90°C'de haşlama ön işlemi yapılmadan kurutulan ürünlerin % rehidrasyon kapasiteleri,  80°C' de kurutulanlara kıyasla % 3,90-8,88 oranında artarken; haşlama ön işlemi yapılan ürünlerin % rehidrasyon kapasiteleri % 12,11-18,49 oranında düşüş göstermiştir.

Yapılan kurutma işlemleri sonucunda ürünlerin toplam karotenoid miktarında (TKM) azalma meydana gelmiştir. En az düşüş 80°C ve 90°C kurutma sıcaklığında LPSSD-US ve haşlama ön işlemi uygulanmış HLPSSD-US (48,22 ve 48,58; 47,57 ve 47,82) kurutma işlemlerinde meydana gelmiştir. Haşlama ön işleminin ve kuruma süresince uygulanan US işleminin TKM üzerine olumlu etkisinin olduğu gözlemlenmiş ve bu etki istatistiksel açıdan önemli bulunmuştur. Kurutma sıcaklığındaki artış ise örneklerin TKM değerinde düşüşe sebep olmuştur. Kuruma sonrası örneklerin β-karoten miktarlarındaki değişim TKM değerleri ile benzerlik göstermiş olup en fazla β- karoten değeri 80°C ve 90°C kurutma sıcaklığında HLPSSD-US kurutma işleminde sırasıyla 33,31-29,13 mg/100g km olarak tespit edilmiştir. 

Kuruma sonrası havuçların toplam fenolik madde (TFM) değerlerinde düşüş meydana gelmiştir. Her iki kurutma sıcaklığında (80°C ve 90°C) en az düşüş LPSSD, LPSSD-US ve haşlama ön işlemi uygulanmış örneklerde HLPSSD, HLPSSD-US yöntemleri ile kurutulmuş havuçlarda (sırasıyla 1,47-1,68; 1,31-1,45; 1,24-1,39; 0,83-0,87 mg GAE/g km) meydana gelmiştir. Haşlama ön işlemi, kuruma sonrası ürünlerin toplam fenolik madde içeriklerinde düşüşe sebep olmuştur. Kuruma süresince US işlemi uygulanmış havuçların TFM içeriklerinin % 2-9,6 oranında daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Tüm proseslerde 80°C'de kurutulan havuçların TFM değerlerinin 90°C'de kurutulanlara kıyasla % 12,3-40 oranında daha yüksek olduğu belirlenmiştir.

Kuruma sonrası ürünlerin toplam antioksidan kapasiteleri, TFM değerleriyle paralellik göstermiştir. Her iki kurutma sıcaklığında en fazla antioksidan kapasitesi LPSSD-US ve haşlama ön işlemi uygulanan örneklerde HLPSSD-US kurutmada (sırasıyla 7,57-6,71; 6,62-5,19 µmolTE/g km) meydana gelmiştir.

Kurutulmuş havuç dilimlerinin tekstür sonuçları, maksimum kırılma kuvveti olan sertlik açısından belirlenmiştir. 80°C ve 90°C'de en düşük sertlik değerleri LPSSD, LPSSD-US ve HLPSSD, HLPSSD-US kurutma işlemlerinde meydana gelmiştir. Haşlama ön işlemi, ürünlerin sertlik değerlerini her iki sıcaklıkta da artırmıştır. 80°C'de kurutulan ürünlerin sertlik değerinin, 90°C'ye kıyasla özellikle haşlama ön işlemi uygulanmış ürünlerde daha düşük olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In this thesis study, carrot (Daucus carota L.) was dried under different drying conditions and the effects of drying methods on drying behavior and quality characteristics of carrots were investigated. Today, the increasing human population and therefore high life expectancy causes pressure on limited energy resources. This makes it necessary to use energy more effectively in industrial production. With well-designed modern drying devices on an industrial scale, it is possible to use energy more effectively and to obtain higher quality end products. For this purpose, low-pressure superheated steam drying (LPSSD) method, which is one of the new food preservation methods, based on the principle of drying the food material with superheated steam under vacuum, was preferred. In this method, superheated steam was used instead of air as the drying atmosphere. A new and unique drying device was designed by integrating an ultrasound (US) plate, which is one of the non-thermal food preservation methods, into this drying system. In this system (LPSSD-US), carrots were dried at a drying temperature of 80°C and 90°C using US at 15 kPa absolute pressure, 28 kHz frequency and 100W power. LPSSD-US system was compared with the air drying and vacuum drying methods by determining the control group air drying method. The drying process was carried out as two separate processes without using the US and US process. In addition, the control group was separated and  blanching pretreatment (94°C-120s) was applied to some of the carrots. In all processes, the drying process was continued until the product moisture fell below 10%. Analysis such as color, browning index, % shrinkage and rehydration capacity determination, total phenolic substance, total antioxidant capacity, total catotenoid and β-carotene determination, texture before and after drying process, and drying curves of the products were formed. Finally, SEM (traffic electron microscopy) imaging was performed on the dried products.

The shortest drying time for the products after drying occurred in the air drying process (HHK) in which the blanching pretreatment was applied at both drying temperatures, and the longest drying time occurred in the LPSSD drying process. US and pre-blanching treatment shortened the drying time of the products. The drying time of products dried at 90°C was shorter than at 80°C. The drying period of the products was realized in the decreasing speed phase in all processes.

The ΔL* value of the samples was determined as positive, Δa* and Δb* values were determined as negative under all drying conditions. The least change in L* value occurred in LPSSD-US and HLPSSD-US drying processes at both drying temperatures. While the least loss of a* value occurred in LPSSD-US drying at 80°C drying temperature, it occurred in LPSSD-US at 90°C and HLPSSD-US in blanching pretreatment. The Δb* value was determined at the lowest HLPSSD-US drying method at 80°C and 90°C. The ΔE* (total color change) value occurred in LPSSD-US drying at 80°C for samples that did not undergo at least blanching pretreatment. It was detected in the HLPSSD and HLPSSD-US drying methods in the blanching pretreatment. At 80°C drying temperature, the highest BI value occurred in the drying processes of VK and VK-US, HVK and HVK-US. At 90°C, the lowest BI value occurred in LPSSD-US drying, while HHK and HLPSSD-US were detected in the samples with blanching pretreatment. Chroma (C*) value gave the lowest value in air drying (HHK) with blanching pretreatment applied at both drying temperatures. It was observed that the blanching pretreatment caused a decrease in the C* value of the products in all processes.

The minimum shrinkage rate was 80,69-80,77 %, respectively, in HK, LPSSD-US drying processes at 80°C, in HK, LPSSD, LPSSD-US drying processes at 90°C, rates of 80,75-81,61-81,32% were determined, respectively. While blanching pretreatment increased the % shrinkage value of the products, the % shrinkage values of the US treatment products were lower. The increase in temperature increased the shrinkage value of the products compared to 80°C. These results were supported by SEM photographs.

At 80°C and 90°C, the maximum % rehydration capacity occurred in LPSSD-US and HLPSSD-US drying methods, with values of 440,48, -728,99-475,25-604,84, respectively. It was determined that the US treatment applied during drying increased the % rehydration capacity of the products after drying by 0,29-8,87 %. The % rehydration capacity of the blanching pretreatment products increased by 16,65-87,62 %. The % rehydration capacities of products dried at 90°C without blanching pretreatment increased by 3,90-8,88 % compared to those dried at 80°C. The % rehydration capacities of products with blanching pretreatment at 90°C decreased by 12,11-18,49%.

As a result of the drying processes, the total carotenoid content (TCC) of the products decreased. The least decrease occurred in LPSSD-US and HLPSSD-US with blanching pretreatment (48,22 and 48,58; 47,57 and 47,82 mg/100g km) at 80°C and 90°C drying temperatures. It was observed that blanching pretreatment and US treatment during drying had a positive effect on TCC and this effect was statistically significant. The increase in drying temperature caused a decrease in the TCC value of the samples. The change in β-carotene content of the samples after drying was similar to the TCC values. The highest β-carotene value was determined as 33,31-29,13 mg/100g km in HLPSSD-US drying process at 80°C and 90°C drying temperature, respectively.

Total phenolic compounds (TPC) values of carrots decreased after drying. At both drying temperatures (80°C and 90°C), the lowest decrease in TPC value occurred in carrots dried by LPSSD, LPSSD-US and HLPSSD, HLPSSD-US methods (1,47-1,68; 1,31-1,45; 1,24-1,39; 0,83-0,87 mgGAE/g km, respectively). Blanching pretreatment caused a decrease in the total phenolic compound content of the products after drying. It was found that the TPC content of carrots with US treatment was 2-9,6 % higher during drying. In all processes, TPC values of carrots dried at 80°C were 12,3-40 % higher than those dried at 90°C.

The total antioxidant capacities of the products after drying were in parallel with the TPC values. At both drying temperatures, the highest antioxidant capacity occurred in LPSSD-US and HLPSSD-US drying (7,57-6,71; 6,62-5,19 µmolTE/g km, respectively).

The texture results of the dried carrot slices were determined in terms of hardness, which is the maximum breaking force. The lowest hardness values at 80°C and 90°C occurred in LPSSD, LPSSD-US and HLPSSD, HLPSSD-US drying processes. Blanching pretreatment increased the hardness values of the products at both temperatures. The hardness value of the products dried at 80°C was lower than at 90°C, especially for the products with blanching pretreatment.