Ön işlemlerle kombine uygulanan kapalı döngü modifiye atmosfer kurutmanın bazı meyvelerin karakteristik özellikleri üzerine etkisi
Effects of closed cycle modified athmosphere drying combined with pretreatments on characteristics of some fruits
Yazar: İHSAN BURAK ÇAM
Danışman: PROF. DR. AYHAN TOPUZ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Fırında kurutma = Oven drying

Özet:
Bu çalışmada vakum altında kurutma işlemlerine alternatif olarak kapalı döngü modifiye atmosfer kurutma (KADMAK) yönteminin geliştirilmesi ve ön işlemlerle kombine olarak uygulanabilirliğinin araştırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla normal kurutma koşullarında rengini ve besin özelliklerini çok hızlı bir şekilde kaybeden çilek, kivi ve muz meyveleri materyal olarak seçilmiştir. Araştırma, sıcak hava akımında kurutma ve yüksek kalitede ürün elde etmeyi sağlayan donuk kurutma yöntemleri ile kıyaslamalı olarak yürütülmüştür. Çilek meyvesinin doğrudan ve ön işlemleri (ozmotik ve sıcak hava ile ön kurutma) takiben, muz ve kivi meyvelerinin ise doğrudan kapalı döngü modifiye atmosfer kurutulması (KADMAK) gıdalarda uygulanabilecek özgün bir kurutma yaklaşımı olarak ele alınmıştır.

Bu tez çalışmasında Akdeniz Bölgesi gibi yüksek nemli bölgelerde faaliyet gösteren firmaların kurutma ihtiyaçlarına cevap verebilecek KADMAK sistemi tasarlanmış ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen bu sistem, güneş enerjisi desteğiyle çalıştırılarak doğrudan ve ön işlemlerle kombine olarak dilimlenmiş meyvelerin kurutulmasında test edilmiştir.  Sıcak hava ve donuk kurutmayla kıyaslanarak yürütülen bu denemelerde sistemin kurutma hızı, enerji verimliliği, elde edilen ürünlerin kurutma sonrası ve depolama sürecindeki kalite özellikleri, kurutulmuş gıdalara özgü parametreler üzerinden analiz edilmiştir.

Geliştirilen KADMAK sisteminde kurutma havasının nemini almak için nem tutucu absorbanların kullanımı öngörülmüş, uygun absorban seçimi ve seçilen absorbanın çalışma koşullarında dinamik olarak testlerinin yapılması sonucu kurutucu sistem imalatı tamamlanmıştır.  Piyasada endüstriyel kullanıma yönelik mevcut olan Silika Jel (Orange Gel moisture indicator), Zeolit 4A (2,5-5 mm), Zeolit 5A (2,5-5 mm), Zeolit 13X (1,6-2,6 mm) ve Aktif Karbon (CPure) adsorbent olarak test edilmiştir. Her bir adsorbentin adsorpsiyon testleri 60-70°C sıcaklıklarda (kurutma sıcaklıkları) ve 2-3 m/s hava hızlarında; desorpsiyon testleri ise yine aynı hava hızlarında 110-120°C sıcaklıklarda gerçekleştirilmiştir. Adsorpsiyon ve özellikle de desorpsiyon deney sonuçlarına göre en uygun adsorbentin silika jel olduğu değerlendirilmiştir.

KADMAK sisteminde Box-Behnken deneme desenine göre sıcaklık, hava hızı ve oksijen miktarı değişkenleri, üründe minimum askorbik asit kaybı, minimum antosiyanin kaybı ile minimum esmerleşme indeksi ve kuruma süresi parametreleri kullanılarak cevap yüzey metoduna göre optimize edilmiştir. Buna göre optimum sıcaklık 60°C, optimum hava hızı 3 m/s ve optimum oksijen miktarı %9,5 olarak belirlenmiştir.

KADMAK sistemi, seçilen meyveleri doğrudan ve ön kurutmalarla kombine olarak başarılı bir şekilde kurutmuştur. Kıyaslamalı olarak yürütülen tüm bu yöntemlerin kuruma hızları belirlenmiş, elde edilen ürünlerde doğrudan uygulanan KADMAK yönteminin, kurutma sırasındaki askorbik asit ve toplam monomerik antosiyanin kayıplarını belirgin düzeyde azalttığı ve bu bileşenler açısından donuk kurutmaya emsal sonuçlar sağladığı tespit edilmiştir. Buna ilaveten, çileklerin kurutma işleminde KADMAK yönteminin aynı üretim kapasitesinde donuk kurutmaya nazaran, onda bir maliyetle gerçekleştiği tespit edilmiştir. Ancak, bu sistemde ürünlerin renk özellikleri bakımından kayda değer bir üstünlük sağlanamamıştır.

Geliştirilen KADMAK sisteminin farklı ürünlerin kurutulmasında denenmesi, yaygınlaştırılması ve ülke ekonomisine kazandırılması gerektiği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In the present research, development of closed-cycle modified atmosphere drying (CC-MAD) method is aimed as an alternative to vacuum drying techniques and also research of the applicability of CC-MAD combined with projected pre-treatments. For this purpose, strawberry, kiwi and banana fruits was preferred as material due to their perishable characteristics and low storage stabilities. The fruits were dried by CC-MAD followed by osmotic and hot air pre-drying treatments until final moisture content. This unique process carried out comparatively to hot air drying; freeze drying and only CC-MAD techniques in terms of process parameters and final product properties.

Thanks to this new drying system, food-processing facilities located in high humidity and sunny regions such as the Mediterranean Coast, will be able to dry their products. The developed solar assisted CC-MAD system tested for drying fruit slices in combination with/out pre-treatments. Energy efficiency of systems and quality of dried fruits during storage were analyzed in comparison to hot air and freeze-drying techniques according to quality parameters of dehydrated foods.

Moisture adsorbers were intended to use for dehumidifying of drying medium. Selected adsorbents were tested dynamically in operating conditions of developed drying system. Silica Gel (Orange Gel moisture indicator), Zeolite 4A (2,5-5 mm), Zeolite 5A (2,5-5 mm), Zeolite 13X (from 1,6 to 2,6 mm) and activated Carbon (cpur) were tested as adsorbents. Each adsorbent test was performed at 60 to 70°C (drying temperature) and 2-3 m / s in air speed for adsorption and 110 to 120°C and same air speed for desorption. Silica gel was found to be best suitable adsorbent according to the adsorption and especially the desorption test results.

CC-MAD system is optimized based on Box-Behnken experimental design in system temperature, air speed and the amount of oxygen variables; the minimum ascorbic acid loss in the product, minimum browning index and drying time parameters with minimum loss of anthocyanins has been evaluated as answers of the response-surface method. Accordingly, the results indicate that the optimum temperature is 60°C, the optimum air velocity is 3 m/s and the optimum oxygen content was determined as 9,5%.

All selected fruit slices were dried successfully by using direct CC-MAD (developed by this research) and CC-MAD combined with pre-drying applications. Drying curves obtained from these different drying techniques were also eliminated. The loss of ascorbic acid and total monomeric anthocyanin were significantly reduced by CC-MAD drying technique similar to that of the freeze-drying. In addition, in comparison with freeze-drying at same production capacity, energy cost of CC-MAD was ten times lower than that of freeze drying. However, notable superiority cannot be provided in color of dried strawberry slices by CC-MAD.  

The developed CC-MAD system should be tested in different agricultural commodities for extending food industry and integrated to the national economy.