Vurgulu elektrik alanı kullanılarak nanenin esmerleştirilmesi ve yöntemin 'siyah nane çayı' ürünü geliştirilmesinde potansiyelinin incelenmesi
Enzymatic browning of spearmint using pulsed electric field for developing black spearmint tea
Yazar: SERAP ALDEMİR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA FİNCAN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Vurgulu elektrik alanının (VEA) taze nane yapraklarının (Mentha spicata) enzimatik esmerleşmesini sağladığı gözlenerek, yöntemin siyah çay ürünü geliştirme potansiyeli üzerine bir ön çalışma gerçekleştirildi. Bu amaç doğrultusunda, çalışmada, vurgu parametrelerinin esmerleşme ve kurutma olaylarındaki rolünü aydınlatmaya odaklanılmıştır. Özellikle, vurgu sayı ve frekansının etkisi, orta derecede yüksek elektrik alanlı (1.43 kV/cm) kısa vurgularda (0.2ms-10ms) veya düşük elektrik alanlı (0.147-0.294 kV/cm) uzun vurguda (100ms) araştırılmış ve optimize edilmiştir. VEA'dan sonra oluşan doku parçalanma derecesi, empedans değişikliklerden hesaplanan bir doku parçalanma indeksi (Zp) kullanılarak değerlendirilip, enerji sarfiyatları hesaplanmıştır. Oksidasyon aşamasında gelişen esmerleşme düzeyi ise, örnek imajların aydınlık yoğunluğundaki (L) değişikliklere dayanan bir kahverengileşme indeksi (KI) kullanılarak değerlendirildi. Son bölümde, 27 ˚C' de kurutma sırasındaki etkiler, deneysel kurutma eğrilerinin ince tabaka kurutma modellemesinden hesaplanan etkin nem difüzyon katsayılarındaki (Deff)  ve kuruma sürelerindeki değişiklikler dikkate alınarak değerlendirildi.
VEA uygulamalarının, nane yapraklarının esmerleşme ve kuruma süresinde önemli değişiklere yol açtığı gözlenmiştir Bir çok VEA şiddetinde örneklerin neredeyse tamamen esmerleştiği, kuruma sürelerinin de %60 civarında kısaldığı belirlenmiştir. VEA' nın ayrıca esmerleşme kinetiğini de hızlandırdığı saptanmıştır. Dondurulup çözülmüş örneklerin esmerleşmesi 170-200 dakika sürerken VEA uygulanan örneklerin esmerleşmesinin yaklaşık 20 dakika içinde tamamlandığı görüldü. İşlem görmemiş örneklerin  kuruma süresi yaklaşık 15,0 ± 3,4 saat sürerken, VEA uygulanan örneklerin 2-3 saatlik bir zaman ölçeğinde tamamen kurudukları tespit edilmiştir. Bu değişikliklerin, genellikle Zp indeksinin büyüklüğü ile orantılı olduğu sonucuna varılmıştır. Fakat bu orantılama (korelasyon), yüksek elektrik alanı (1.43 kV/cm) içeren VEA uygulamalarında, daha geçerlidir. Zp indeksi 65-80 seviyesine kadar artarken, hem KI indeksi hem de Deff paralelinde artmış, Zp 65-80' e ulaştığında ise, örnekler neredeyse tamamen kahverengiye dönüştüğü (KI≈100) ve Deff'in 3-4 kat arttığı belirlenmiştir. Bununla birlikte, düşük elektrik alandaki (0.147-0.294 kV/cm) uygulamalarda  elektrolizden dolayı böyle bir ilişki gözlemlenmemiştir. Test edilen tüm VEA uygulamaları arasında, orta derecede yüksek elektrik alan kuvvetinin (1.43 kV/cm, 2ms) 99 vurgu sayısında frekansı düşürmenin, en düşük enerji sarfiyatı ile bütüne yakın kahverengileşmeyi ve kurumayı sağladığı gözlenmiştir. Frekans 0.1 Hz'e düşürüldüğünde, enerji sarfiyatı 22,49±1,31 kJ/kg düşerken, Zp = 81,30±4,84, KI = 83,21±4,08, Deff = 40,4x10-12±4,86x10-12 m2/s  (işlenmemiş örneklere göre yaklaşık 5 kat artış) ve 2,7±0,6 saatlik kuruma süresi (işlenmemiş örneklerden yaklaşık %80 daha az) olarak belirlenmiştir.
Çalışmanın sonunda, VEA ile esmerleştirilen örnekler 90 ˚C' de kurutularak VEA destekli kahverengi nane çayının prototipi üretilmiştir. Bu örnekler, sıcak suda ekstraksiyona bırakıldıklarında, geleneksel siyah çayın rengine benzer şekilde, kahverengi pigmentlerin suya geçerek, renk verdikleri gözlemlenmiştir. Böylece bu çalışmada, VEA yönteminin siyah nane/geleneksel siyah çay üretiminde kullanılmasına yönelik ilk verilere ulaşılmış ve yeni çay ürünlerinin geliştirilmesine dair ön bilgi sağlanmıştır.
Anahtar Kelimeler:	Vurgulu Elektrik Alan (VEA), Nane, Enzimatik Esmerleşme, Kurutma, Ürün Geliştirme

Abstract:
Observing that pulsed electric field (PEF) induces enzymatic browning of fresh spearmint leaves (Mentha spicata), a pre-study here was undertaken to explore potential implication of this technique in product development of black tea. With this aim in mind, this thesis focused on elucidating role of pulse parameters in browning- and drying-phenomena. In particular, the effects of pulse number and pulse frequency either in short pulses (0.2ms-10ms) of moderately high electric field (1.43 kV/cm) or long pulse (100ms) of low electric field (0.147-0.294 kV/cm) were investigated and optimized. After the treatments, the specific energy input was calculated and degree of tissue disintegration estimated using a tissue disintegration index (Zp) calculated from post impedance changes. The degree of browning in oxidation stage, was quantified using a Browning index (KI) based on changes in the Lightness intensity (L) in the captured images of samples. In the final part, the effects during drying in 27 ˚C were evaluated considering the changes in apparent diffusion coefficients (Deff) estimated from thin-layer modeling of drying curves and drying times. 
PEF treatments caused significant changes in the browning and drying behavior of samples. In many PEF intensities, the samples have been observed to get almost completely brown and drying time reduced by some 60 %. Moreover, PEF also speeded up the kinetics of browning. Browning of frozen-thawed samples took 170-200 minutes, while PEF-treated samples about 20 minutes. While the drying time of untreated samples lasted about 15,0±3,4 hour, PEF treated samples were found to fully dry at a time scale of 2-3 hours. It has been noted that those changes are mostly correlate with the magnitude of Zp index. More valid especially in moderately high electric field (1.43 kV/cm) treatments, as Zp index increases up to a level of 65-80, both KI index and Deff in parallel tend to rise. And when Zp reaches  65-80, samples turns into almost completely brown (KI≈100) and Deff increases 3-4 fold. However, such relation has not been observed in low electric field (0.147-0.294 kV/cm) applications possibly due to presence of electrolysis at this range. Of all the PEF intensities tested, decreasing pulse frequency of 2ms at a pulse number 99 (0.1Hz) in moderately high electric field strength (1.43 kV/cm) provided complete browning and drying with the lowest energy expenditure. Decreasing the frequency to 0.1 Hz, the treatment yielded a Zp = 81,30±4,84, a KI= 83,21±4,08, Deff = 40,4x10-12±4,86x10-12 m2/s  (about 5 fold-increase from that of untreated samples) and drying time of 2,7±0,6 hr (about 80% less than that of untreated samples) with specific energy input  of 22,49±1,31 kJ/kg.
At the end of the study, a prototype of PEF-assisted brown spearmint tea was also produced after drying the PEF-browned samples at 90 ˚C. When these samples were exposed to brewing in hot water, they released their brownish pigments into water, as similar to the conventional black tea brewing. Thus, the study provided first evidence toward utilization of  PEF technique in production of black spearmint tea and conventional black tea or development of novel tea products with this technique.
Keywords:	Pulsed Electric Field (PEF), Spearmint, Enzymatic Browning, Drying, Product Development