Ultraviyole ve ozon uygulamalarının baharatların dekontaminasyonu ve kalitesi üzerine etkileri
Effects of ultraviolet and ozone applications on the decontamination and quality of spices
Yazar: ESRA DOĞU BAYKUT
Danışman: PROF. DR. GÜRBÜZ GÜNEŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Baharatlar = Spices ; Ozon = Ozone ; Ultraviyole ışınlar = Ultraviolet rays

Özet:
Baharatlar insanlar tarafından çok eski çağlardan beri farklı amaçlarla kullanan bitkilerdir. Çeşitli aromatik bitkilerin meyve, tohum, sap, kök, yaprak, çiçek ve kabuk gibi farklı kısımlarından meydana gelen baharatlar gıdalarda, ilaçlarda ve kozmetik sektöründe sıkça kullanılmaktadır. Baharatlar bitkisel kökenli olması, nemli ve sıcak iklimlerde hijyenik olmayan koşullarda üretilmesi, uygulanan hasat yöntemleri ve hasat sonrası işlem basamakları sebebiyle mikrobiyal kontaminasyona oldukça duyarlıdır. Baharatların mikroorganizma yükü 6-8 log kob/g düzeyine kadar çıkabilmekte ve bazı durumlarda ilave edildiği gıdaların güvenliğini tehlikeye sokmaktadır. Baharat kaynaklı gıda zehirlenmelerinin önlenebilmesi için, baharat üretiminin son aşamasında baharatın toplam mikroorganizma yükünün azaltılmasını ve olası patojenlerin inaktivasyonunu sağlayan uygun dekontaminasyon işlemine ihtiyaç vardır. Baharatın mikrobiyal dekontaminasyonunda ticari olarak kullanılan başlıca yöntemler; fumigasyon, buhar ile termal inaktivasyon ve gama ışınları ya da yüksek enerjili elektronlar ile ışınlamadır. Bu yöntemlerin sahip olduğu bazı dezavantajlar nedeniyle alternatif olarak kullanılabilecek yöntemlerin geliştirilmesi üzerine çalışmalar devam etmektedir.
Kısa dalga boylu ultraviole (UVC) ışınlama, gıda ürünlerinin, hava ve yüzeylerin mikrobiyal yüklerinin düşürülmesinde kullanılan etkili bir mikrobiyal dekontaminasyon yöntemidir. UVC ışınlamanın yasal ve güvenli bir yöntem olması, kolay uygulanabilir olması, ekipman ve uygulama maliyetlerinin düşük olması gibi avantajları sebebiyle son yıllarda farklı gıda ürünlerinde UVC uygulamaları ile ilgili yapılan çalışmaların sayısı artmıştır. Baharatların tüm yüzeylerin etkin şekilde UVC ışınlarına maruz kalmasının sağlanması durumunda, bu yöntemin baharatların dekontaminasyonunda kullanım potansiyeli olabileceği düşünülmektedir. Ozon ise güçlü antimikrobiyal özelliklere sahip, termal olmayan bir dekontaminasyon yöntemidir. ABD Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) tarafından, Genel Olarak Güvenilir (GRAS) ve gıda dekontaminasyonunda kullanılabilir olduğu onaylanmıştır.
Bu doktora tez çalışmasında, baharatların UVC uygulamalarında kullanmak üzere tasarımı ve imalatı yapılan laboratuar ölçekli akışkan yataklı ultraviyole reaktör sisteminin kekik ve karabiber örneklerinin doğal mikroflorası (toplam aerobik mezofilik bakteri, küf-maya ve Bacillus cereus) üzerine etkisi incelenmiştir. Ayrıca, Escherichia coli ATCC 25922 suşu inoküle edilen kekik ve karabiber örneklerine UVC uygulanarak, UVC ışınların E. coli bakterisi üzerine etkisi belirlenlenmiştir. Daha sonra, UVC ve ozon sistemlerinin birlikte kullanımının kekik ve karabiber örneklerinin doğal mikrobiyal yükü ve inoküle E. coli bakterisi üzerine katkı veya sinerjistik etkisinin olup olmadığı incelenmiştir. Çalışmanın son aşamasında ise, UVC uygulamasının kekik ve karabiber örneklerin fiziksel, kimyasal ve duyusal kalitesinde (örneğin nemi, rengi, antioksidan özellikleri ve duyusal özellikleri) meydana getirdiği değişiklikler araştırılmıştır. Ayrıca, UVC uygulanmış kekik örneklerin antioksidan aktivitesi emülsiyon sisteminde de incelenmiştir.
Bu çalışmada iki sistem tasarlanmıştır (UVC-1 ve UVC-2). Tasarlanan ilk UVC sisteminin (UVC-1) şiddeti 8 mW/cm2 olarak ölçülmüştür. Bu sistemin 16 ve 64 dakika çalıştırılmasıyla elde edilen 7,7 ve 30,7 J/cm2dozlarında UVC ışınına maruz bırakılan kekik, toz ve tane karabiber örneklerinin toplam aerobik mezofilik bakteri (TAMB) sayısındaki değişim incelenmiştir. Kekik, toz ve tane karabiber örneklerinin başlangıç TAMB sayısı 4,53, 7,48 ve 6,94 log kob/g olarak bulunmuştur. 30,7 J/cm2 dozunda UVC uygulamasıyla kekik, toz karabiber ve tane karabiber örneklerinin TAMB sayısındaki azalma sırasıyla 1,38, 0,76 ve 0,72 logkob/g olmuştur. TAMB sayısındaki azalmaların yeterli seviyede olmadığı görülmüştür. Daha sonra ilk sisteme yapılan modifikasyonlar ile UVC-2 sistemi tasarlanmış ve bu sistemin şiddeti 26,7mW/cm2 olarak ölçülmüştür. Uygulama sürelerini değiştirerek, UVC-2 sisteminde 4 farklı doz (25,7, 51,4, 102,8 ve 205,6 J/cm2) ile çalışılmıştır. Doz arttıkça inaktivasyon seviyesi artmış ve 205,6 J/cm2 dozda UVC uygulaması ile kekik örneklerinin TAMB, küf-maya ve B. cereus yüklerindeki azalma sırasıyla 1,77, 1,29 ve 0,31 log kob/g olarak bulunmuştur (p<0,05). Toz karabiber örneklerinde 205,6 J/cm2 dozda UVC uygulaması ile TAMB, küf-maya ve B. cereus yüklerinde elde edilen azalma ise sırasıyla 1,00, 1,16 ve 0,51 log kob/g olmuştur (p<0,05).
Çalışmanın devamında, ozon (15 ppm) ve UVC (28,8 J/cm2) sistemleri tane karabiberin mikrobiyal dekontaminasyonun da tek başına, arka arkaya ya da aynı anda uygulanmıştır. Tane karabiberin TAMB sayısında 1 saat ozon uygulaması ile 0,41 log kob/g ve 1 saat UVC uygulaması ile 0,77 log kob/g azalma sağlanmıştır (p<0,05). Ozon ve UVC sistemlerini kombine etmenin inaktivasyon düzeyine katkıda bulunmadığı, TAMB sayısını azaltmada herhangi bir katkı ya da sinerjistik etkisinin olmadığı görülmüştür.
E. coli inokülasyon çalışmalarında daldırma yöntemi kullanılmıştır. UVC ve/veya ozonlama uygulamaları öncesinde E. coli'nin kekik ve karabiber örneklerinde stabil hale gelmesi için uygun koşullar araştırılmıştır. Öncelikle baharatlar %90 nispi nemde 24 saat bekletilerek bakterinin ortama adaptasyonu sağlanmıştır. Daha sonra %30 nispi nemde 24 saat kurutularak baharatlar ilk su aktivitesi ve nem değerlerine ulaşmıştır. Başlangıç E. coli yükü 7,03 log kob/g olan kekik örneklerine farklı dozlarda (0-205,6 J/cm2) UVC uygulanmış ve en fazla azalma 205,6 J/cm2 dozda UVC uygulamasıyla 2,61 log kob/g olarak tespit edilmiştir. 1 saat UVC (28,8 J/cm2) ve 1 saat ozon (15 ppm) uygulaması ise başlangıç yükü 6,35 log kob/g olan inoküle tane karabiberin yükünde sırasıyla 0,83 ve 0,82 log kob/g azalma sağlanmıştır (p<0,05). UVC ve ozon sistemlerinin birlikte kullanımının ise katkı etki sağladığı görülmüştür. Sistemlerin arka arkaya ve eş zamanlı kullanımı ile elde edilen inaktivasyon değeri 1,67 ve 1,38 log kob/g olarak bulunmuştur (p<0,05).
UVC uygulanan kekik ve karabiber örneklerinin toplam fenolik madde içeriği; Folin Ciocalteau yöntemi ile toplam antioksidan aktivitesi ise; 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) radikalini bağlama oranının tespiti ve demir iyonlarını indirgeme kapasitesi (FRAP) metotları ile belirlenmiştir. Kekik ve karabiber ekstraktlarının toplam fenolik madde miktarları sırasıyla 79,81 mg GAE/g ve 12,44 mg GAE/g olarak bulunmuştur. UVC uygulamasının tüm dozlarında (0- 205,6 J/cm2) baharatların toplam fenolik madde miktarında önemli bir değişiklik meydana gelmediği görülmüştür (p>0,05). FRAP ve DPPH yöntemleri ile analiz edilen kekik örneklerinin toplam antioksidan kapasiteleri sırasıyla 181,18 ve 121,69 mg TE/g olarak bulunmuştur. Karabiber örneklerinin toplam antioksidan kapasitesi ise FRAP ve DPPH yöntemleri ile analiz edildiğinde sırasıyla 6,25 ve 5,32 mg TE/g olarak tespit edilmiştir. Kekik ve karabiber örneklerinin toplam antioksidan aktivitesinin UVC uygulamalarından önemli ölçüde etkilenmediği görülmüştür (p>0,05). UVC uygulanmamış kekik ve karabiber uçucu yağlarının toplam antioksidan kapasitesi ise 35,00 ve 1,28 mg TE/g olarak hesaplanmıştır.  7,7 ve 30,7 J/cm2 dozlarında UVC uygulamasından sonra, kekik uçucu yağının toplam antioksidan aktivitesi önemli derecede değişmezken; karabiber esansiyel yağının toplam antioksidan aktivitesinde 30,7J/cm2 dozda UVC uygulamasıyla azalma olmuştur (p<0,05). Bu çalışma neticesinde karabiber esansiyel yağının UVC uygulamasına karşı daha hassas olduğu görülmüştür.
Kekik örneklerinin antioksidan aktivitesi ayrıca su içinde yağ (O/W) emülsiyon sistemlerinde incelenmiştir. 7,7 ve 30,7 kJ/cm2 dozda UVC uygulanmış kekik örneklerinin ekstrakları mısır yağı-su emülsiyonlarına eklenerek, 55 °C'de depolanan emulsiyonlardaki hidroperoksit ve hekzanal oluşumları izlenmiştir. Kekik ekstraktı ilave edilmemiş kontrol örneğinde lipid oksidasyonu çok hızlı şekilde gerçekleşmiş, lag fazı 4 gün olarak bulunmuştur. 0,15 µmol GAE/ml emülsiyon konsantrasyonunda kekik ekstraktı ilave edilen emülsiyonlarda ise  lag fazı 9 güne çıkmıştır (p<0,05). Kekik ekstraktı konsantrasyonu 0,30 µmol GAE/ml emülsiyon seviyesine çıkarıldığında ise lag fazı 14 güne uzamıştır (p<0,05). UVC ışını uygulanan ve uygulanmayan örneklerin oksidasyon hızları arasında ise önemli bir fark bulunmamıştır (p>0,05). Bu çalışma neticesinde kekik ekstraktlarının bu konsantrasyonlarda (UVC uygulanmış ya da uygulanmamış) O/W emulsiyonlarında lipid oksidasyonunu önlemede etkili olduğu görülmüştür.
Çalışmanın son aşamasında, UVC uygulamalarının kekik ve karabiber örneklerinin fiziksel ve duyusal kalitesine etkisi incelenmiştir. Kekik ve karabiber örneklerinin nem değerlerinde tüm UVC dozlarında (0-205,6 J/cm2) önemli bir fark bulunmamıştır. Kromometre ölçüm sonuçlarına göre, örneklerin L*, a*, b* ve E değerlerinde ise UVC uygulamasıyla değişimler olsa da bu farklılıkların duyusal analizde panelistler tarafından ayırt edilemeyecek seviyede olduğu görülmüştür (p>0,05). Ayrıca, UVC uygulanmış kekik ve karabiber örnekleri duyusal panelde koku ve genel beğenilirlik açısından UVC uygulanmamış örnekler ile aynı puanları almıştır (p>0,05).
Sonuç olarak, UVC ışınlara maruz bırakılan kekik ve karabiber örneklerinin kimyasal, fiziksel ve duyusal özelliklerinde önemli değişiklikler olmadan; TAMB, küf-maya ve B. cereus düzeylerinde önemli ölçüde azalmalar olduğu saptanmıştır. Ayrıca, UVC uygulamasının E. coli inaktivasyonunda da etkili olduğu görülmüştür. Fakat mevcut sistemdeki dekontaminasyon seviyelerinin başlangıç mikrobiyal yükü yüksek olan baharatlar için yeterli olmayacağı görülmüştür. Sistemin diğer dekontaminasyon yöntemleri ile kombine edildiğinde baharatların kalitesinin daha iyi korunmasına yardım ederek baharat örneklerinin mikrobiyal yükünün azaltılmasında kullanım potansiyelinin olabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
Spices have been used throughout the world for different purposes since ancient times. They are produced from a large variety of plant parts such as seeds, stems, roots, leaves, flowers, etc. and commenly used in the food, pharmaceutical and cosmetics industries. Spices can be highly contaminated by microorganisms due to their growth conditions, harvesting methods, and postharvest processes such as drying, size reduction, packaging and storage practices. Microbial contamination of spices may sometimes reach as high as 8 log cfu/g which can constitute a significant contamination problem to the added food and contribute to serious public health risk. Several decontamination methods have been developed to reduce the microbial load of spices and to inactivate pathogens. Microbial quality of spices must be taken into consideration by the manufacturers before using in food products to prevent spice related poisonings.
Fumigation with ethylene oxide, thermal treatment with steam, and irradiation with gamma rays or high-energy electrons are the most common treatments for reducing the microbial load of spice. Ethylene oxide is classified as a carcinogen and its use in foods is prohibited in many countries. Thermal treatment with steam was associated with discolouration and reduction of volatile oil contents. Additionally, it is usually applied to whole spices before grinding, therefore, the moisture condensed on the surface of the particles needs to be removed after treatment to avoid mold growth. The use of irradiation, instead of these two techniques to ensure hygienic quality of spices and herbs has increased. However, this treatment has high installation costs and poor consumer acceptance. In order to reduce the microbial load of food powders, some researchers have also studied and suggested some nonthermal technologies as promising alternative ssuch as pulsed electric field, infrared heating, microwave, high hydrostatic pressure, high pressure carbon dioxide, radio frequency, pulsed UV light, ozone and ultraviolet radiation.
UVC radiation has an effective microbial inactivation power and has been successfully applied to reduce the microbial load on various surfaces, liquids, and air environments. UVC light inactivates microorganisms by forming thymine dimers in DNA, thereby preventing microorganisms from replicating. Because of its low degree of penetration, inactivation of microorganisms occurs only on the surface of foods. If all the surfaces of spices are effectively exposed to UVC light, this method can have a high potential in microbial decontamination and can be an alternative to the existing technologies. Ozone is also an effective nonthermal decontamination method that has strong antimicrobial properties. Ozone was approved as Generally Recognized as Safe (GRAS) and allowable for food decontamination by the Food and Drug Administration (FDA).
In this thesis, a laboratory scale fluidized bed UVC reactor system was designed and manufactured to use for decontamination process of thyme and black pepper. Firstly, the effect of UVC radiation on the natural microflora (total aerobic mesaphilic bacteria, mold-yeast and Bacillus cereus) of thyme and black pepper was studied. Then, the efficiency of UVC radiation for inactivating Escherichia coli strain ATCC 25922 on thyme and black pepper was investigated. Afterwards, UVC and ozone treatments were combined to examine whether they have any additive or synergistic effects on both natural flora or inoculated E. coli on thyme and black pepper. In the last part of the study, the changes caused by the application of UVC treatment on physical, chemical and sensory quality (humidity, color, antioxidant properties and sensory properties) of thyme and black pepper were evaluated. In addition, the antioxidant activity of UVC treated thyme samples on the emulsion system was also studied.
Two systems have been designed during the study, namely, UVC-1 and UVC-2 systems. The UV intensity of the firstly designed system (UVC-1) was measured as 8 mW/cm2. 7.7 and 30.7 J/cm2 UVC doses were obtained by operating the system 16 and 64 minutes, respectively. The changes in the number of total aerobic mesophilic bacteria (TAMB) in thyme, ground and whole black pepper were investigated after UVC treatment. The initial microbial counts of the thyme, ground and whole black pepper were found as 4.53, 7.48 ve 6.94 log cfu/g, respectively. The decrease in TAMB counts of thyme, ground and whole black pepper when exposed to UVC radiation with dose of 30.7 J/cm2 were 1.38, 0.76 and 0.72 log cfu/g, respectively. These results indicated that the rates of microbial decontamination were not sufficient. Then, the UVC-2 system was designed with some modifications over UVC-1. The UV intensity of the UVC-2 system was measured as 26.7 mW/cm2. By varying the treatment time, four different UVC doses (25.7, 51.4, 102.8 and 205.6 J/cm2) were studied in the UVC-2 system. Microbial inactivation increased with the increasing UVC doses. The decrease in the TAMB, mold-yeast and B. cereus counts of thyme samples were 1.77, 1.29 and 0.31 log cfu/g after UVC treatment at 205.6 J/cm2, respectively (p<0.05). The reduction levels of TAMB, mold-yeast and  B. cereus counts of ground black pepper when treated with UVC radiation at 205.6 J/cm2 were 1.00, 1.16 and 0.51 log cfu/g, respectively (p<0.05).
Afterwards, ozone (15 ppm) and UVC (28.8 J/cm2) treatments were applied alone, in succession or in combination to whole black pepper for microbial decontamination. Rates of microbial inactivation obtained by 1 hour ozone and UV treatments for TAMB counts of whole black pepper were 0.41 and 0.77 log cfu/g, respectively (p<0.05). Any statistically meaningful reduction is not observed in the TAMB counts of whole black pepper after combined treatments. TAMB inactivation rates obtained by applying combined systems were 0.74 and 0.66 log cfu/g for consecutive and simultaneous treatments. It is observed that, combination of ozone and UVC treatments did not result in any additive or synergistic effect.
Dip inoculation method was used for E. coli inoculation studies. The suitable conditions for inoculation were investigated to become E. coli stable on thyme and black pepper samples before applying UVC and/or ozone treatments. Firstly, spices were kept at %90 relative humidity and 25 ºC for 24 hours for adaptation to environment. Then, they were dried at %30 relative humidity and 30 ºC for 24 hours. After this pretreatments, the samples were reached their initial water activity and moisture. The initial population of E. coli on inoculated thyme samples was found 7.03 log cfu/g. The samples were subjected to different UVC doses (0-205.6 J/cm2). The maximum reduction level of E. coli was 2.61 log cfu/g with UVC treatment at 205.6 J/cm2. The initial E. coli load of the whole black pepper was found 6.35 log cfu/g. E. coli counts were decreased by 0.83 and 0.82 log cfu/g when treated with UVC radiation at a dose of 28.8 J/cm2 and 15 ppm of ozone for 1 hour, respectively (p<0.05). An additive effect was observed when UVC and ozone treatments used in combination. When UVC and ozone treatments were applied sequentially and simultaneously, 1.67 and 1.38 log cfu/g reduction was observed in the population of E. coli, respectively.
It was found that UVC and ozone treatments applied to thyme and black pepper resulted higher inactivation levels for E. coli than natural flora. It can be explained that, according to literature gram negative bacteria such as E. coli is more susceptible to UVC and ozone treatments than gram positive bacteria such as Bacillus and Clostridium species. Furthermore, natural flora of the thyme and black pepper can form biofilms which protects them from UVC and ozone treatments. It is known that, biofilm cells are more resistant to decontamination treatments as they have a barrier which protects them from environmental and physical influences.
Total phenol content of thyme and ground black pepper samples was determined by the Folin Ciocalteau assay. The total antioxidant activity of the samples was measured by the scavenging of the 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) radical and Ferric reducing capacity (FRAP) methods. Total amounts of phenolics were found to be 79.81 and 12.44 mg GAE/100 g for thyme and black pepper, respectively. There were no significant changes in total amounts of phenolics after UVC treatment with doses up to 205.6 J/cm2(p>0.05). The total antioxidant capacity of thyme samples analyzed by FRAP and DPPH methods were 181.18 and 121.69 mg TE/g, respectively. The total antioxidant capacity of black pepper samples determined by FRAP and DPPH methods were 6.25 and 5.32 mg TE/g, respectively. The differences in the total antioxidant capacities of thyme and black pepper samples were found to be statistically insignificant at all UVC doses (p<0.05). The total antioxidant capacities of thyme and black pepper essential oils determined by DPPH method were 35.00 and 1.28 mg TE/g, respectively. After 7.7 and 30.7 J/cm2 doses of UVC treatments, the total antioxidant capacity of thyme essential oil was not changed significantly whereas the total antioxidant capacity of black pepper essential oil  significantly decreased at dose of 30.7 J/cm2 (p<0.05). It can be concluded that black pepper essential oil is more sensitive to UVC treatment than thyme essential oil.
Many lipid containing food products are in the form of oil in water (O/W) emulsions. Such foods are very susceptible to oxidative deterioration especially if they contain high amounts of polyunsaturated fatty acids. The oxidation of lipids is a detrimental process that causes nutritional losses and development of undesirable flavour, colour, and toxic compounds. As a consequence, food manufacturers are searching for methods to prevent, or at least retard, lipid oxidation in foods. Several researchers have evaluated the antioxidant properties of extracts from different herbs and spices in lipid systems and thyme has exhibited substantial antioxidant activity in oil and oil-in-water emulsions. In this part of the study, the effect of UVC treatment with 7.7 and 30.7 kJ/cm2 on the antioxidant activity of thyme extracts in corn O/W emulsions was investigated by monitoring the formation of hydroperoxides and hexanal of oil in water emulsions during storage at 55 °C. A corn O/W emulsion was used alone as control. Lipid oxidation occurred rapidly in the control, with a lag phase of 4 days. Addition of thyme extracts at 0.15 µmol GAE/ml emulsion significantly increased the lag phase from 4 to 9 days (p<0.05). Lipid oxidation was also strongly inhibited by thyme extracts at 0.3 µmol GAE/ml emulsion, in which the lag phase was extended to 14 days (p<0.05). No significant changes in oxidation rates were observed between UVC treated and untreated samples at same concentrations (p>0.05). The results of the lipid oxidation experiments indicate that all thyme extracts (with or without UVC treatment), at the two applied concentrations, are effective in inhibiting the oxidation of O/W emulsions.
In the last part of the study, the effects of UVC treatments on physical and sensory quality of thyme and black pepper samples were examined. Moisture content of thyme and black pepper samples were not significantly changed at all UVC doses (0-205.6 J/cm2). There were slight changes in L*, a*, b* and E values of samples treated with UVC according to chromometer results, but panelists did not recognize significant differences (p>0.05). In addition, all UVC treated thyme and black pepper samples received similar sensory scores with the untreated ones (p>0.05).
As a result, TAMB, mold-yeast and B. cereus counts of the thyme and black pepper samples treated with UVC radiation were reduced significantly, without any significant changes in the physical, chemical and sensory properties. In addition, UVC treatment was also found effective in the inactivation of E. coli. However, the decontamination level of the existing system was not found sufficient for highly contaminated spices even though the inactivation rates were statistically meaningful. It can be said that this system could potentially be used in reducing microbial load of spices without any changes in quality if it is combined with other decontamination methods.
In spice processing industry, all production stages should be taken into consideration to minimize the contamination potential. Implementation of HACCP systems in spice production plants should be preceded by implementing principles of Good Agricultural Practices (GAP) and Good Manufacturing Practices (GMP). These programs can minimize the contamination risk during growing, harvesting, drying, transport, processing, and post processing storage and can help spice industry to provide spices with low microbial load. In this way, the reduced level of contamination could increase the applicability of alternative methods.