Mikrodalga hibritli kurutma ile bal kabağı cipsi üretiminin modellenmesi ve karakterizasyonu
Characterization and modelling of pumpkin chips production with microwave assisted drying method
Yazar: MERVE GÜVEN
Danışman: DOÇ. DR. NEŞE ŞAHİN YEŞİLÇUBUK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Balkabağı = Pumpkins ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling ; Mikrodalga kurutma = Microwave drying

Özet:
Gıdalarda kurutma işlemi, kontrollü şartlar altında, gıdada varolan suyun uzaklaştırılması; ısı ve kütle transferi işlemlerinin kombinasyonu sonucunda, gıdanın serbest su miktarının azaltılmasıdır. Gıda maddelerine uygulanan kurutma işlemi sayesinde, nemi uzaklaştırılmış gıdaların taşınması ve depolanmasındaki verimlilik artmakta ve kurutma sırasında mikrobiyal gelişme ve diğer reaksiyonlar sınırlandırıldığı için ürünün bozulmaları önlenmektedir. Bu sayede arzulanan gıda maddesi, gıdanın yetişme mevsimi haricinde de kolayca tüketilebilmektedir. 
Gıdaların kurutulması ile kurutulmuş gıdaların işlenerek farklı tatlar elde edilmesi kolaylaşmakta, nem miktarının düşürülmesiyle tat, koku ve besin değeri gibi kalite özelliklerinin de korunması sağlanmaktadır. Ayrıca gıdaların kurutulması için ısıl işlem uygulaması, gıdalardaki bazı antioksidatif bileşiklerin artmasına yol açmaktadır. Bu nedenle, gıdaların kurutulması, sağlık sorunları nedeniyle taze gıda tüketemeyen insanlar için de bir avantaj haline gelmektedir.
Yüzyıllardır süregelen bir proses olan gıdaların kurutulması işlemi, değişen ve gelişen teknolojiye, yaşam şartlarına ve istenen son ürün kalitesine göre geliştirilmiştir. Literatürde güneşte ve konvansiyonel kurutma yöntemlerinden geleneksel kurutma yöntemleri; dondurarak, kızılötesi ve mikrodalga kurutma gibi yöntemlerinden ise yeni gıda kurutma yöntemleri olarak bahsedilmektedir. Gıdaların kurutulmasında geleneksel yöntemlerinin kullanılması, uzun kuruma sürelerine ve düşük kaliteli son ürün eldesine sebep olmaktadır. Yeni yöntemlerden  dondurarak kurutma yöntemi, kimyasal ve enzimatik reaksiyonları, vitamin ve fenolik madde kayıplarını engelleyerek son ürün kalitesini korumaktadır. Fakat bu avantajlarının yanında yüksek kurulum ve işleme maliyetine sahiptir. Kızılötesi kurutma yöntemi, besin ve kalite kayıplarını engellerken düşük kuruma süresine sahiptir. Ancak bu yöntemin düşük miktarlardaki gıdalar için uygun olması ve gıda geometrisine bağlılığı sebebiyle kenar ve köşeli gıdalarda homojen olmayan kurumaya sebep olması yöntemin kullanılabilirliğini azaltmaktadır. Mikrodalga yöntemi ise gıdalardaki uçucu organik bileşiklerin ve gıda renginin korunmasını sağlarken gıda yüzeylerinin sertleşmesini ve çatlamasını engellemektedir. Mikrodalganın çalışma prensibinden kaynaklı olarak ısınmanın gıda merkezinden başlaması, ısı ve kütle transferini hızlandırmakta, böylece gıdanın kuruma hızını arttırmaktadır. Geniş ürün yelpazesinde kullanılabilirliği, kurulum ve işleme kolaylığı ve diğer yöntemlere göre enerji tasarrufu sağlaması, yöntemin kullanılabilirliğini avantajlı kılmaktadır.
Gıda maddelerinden nemin uzaklaştırılması için uygulanan ısıl işlemler, gıdanın fiziksel ve fizikokimyasal yapısına zarar vermektedir. Son ürünün fenolik madde ve antioksidatif bileşikleri gibi değerli yapılarına zarar verirken vitamin, renk ve tekstür kalitesini olumsuz etkileyebilmektedir. Bu nedenle, gıdaların kurutulmasından önce osmotik veya ultrasonik gibi gıda tipine göre belirlenen önişlemlerin uygulanması, farklı kurutma proseslerinin gıda üzerindeki zararlı etkilerini azaltırken, kurutma süresinin kısalması ve son ürün kalitesinin arttırılması bakımından büyük önem arzetmektedir. 
Ultrasonik uygulama, gıdalarda kavitasyon etkisi yaratarak ısı ve kütle transferini arttırmakta ve suyun gıdadan uzaklaşmasını hızlandırmaktadır. Bunun yanında gıdada yarattığı kavitasyon etkisi, protein denatürasyonuna sebebiyet verdiği için polifenoloksidaz (PPO), peroksidaz (POD) ve lipoksigenaz (LOX) gibi enzimlerin inaktivasyonuna sebep olmakta, bu sayede kurutulan gıdalar daha az renk değişimine uğrayarak, antioksidatif maddeleri korunmaktadır. Osmotik önişlem uygulaması ise ürünü oksidatif bozulmadan korurken, uçucu bileşen kaybını azaltmakta ve gıdanın kuruma süresini kısaltmaktadır. Osmotik kurutmanın en önemli dezavantajı ise, gıdadaki çözünür bileşenlerin, osmotik solüsyona geçmesidir. Bu nedenle osmotik uygulamanın başlı başına bir kurutma yöntemi olarak değil, farklı kurutma yöntemleri ile birleştirilerek uygulanması önerilmektedir.
Bu çalışmada, iyi yaşam uygulamaları (welness) ve sağlıklı atıştırmalık  konularına hitap eden kurutulmuş meyve ve sebze ürünleri üzerinde durulmuştur. Mikrodalga hibritli konvansiyonel kurutma ile elde edilen bal kabağı cipsi örneklerinin, osmotik ve ultrasonik önişlemler uygulanarak kurutulması sırasındaki kalite, kuruma süresi ve duyusal beğeni değişimleri incelenmiştir. DOE ile tasarlanan osmotik önişlem deney setinde şeker yoğunluğu olarak 25 ve 50°Brix, daldırma süresi olarak 60 ve 90 dakika, ultrasonik önişlem deney setinde ise 50 Khz frekansında 10, 20 ve 30 dakikalık ultrasonik önişlem parametreleri kullanılmıştır. Önişlem denemelerinde her kurutma setinde 200 W mikrodalga gücü, 70°C hava sıcaklığı ve 1.5 m/s hava hızı kullanımıştır. Kurutma denemeleri, online ağırlık ölçüm düzeneği ile kontrol edilmiş ve %92 ağırlık kaybına ulaştığı anda sonlandırılmıştır. Kabak cipsi örneklerinin önişlem sonrası kuruma süresi, toplam fenolik madde miktarı ve duyusal beğeni sonuçlarına göre optimum önişlem tipine karar verilmiştir. Kabak cipsi kurutma parametreleri optimizasyonu analizlerine, 30 dakika ultrasonik önişlem uygulaması ile devam edilmesine karar verilmiştir.
Tepki-Yüzey yöntemi (TYY), Merkezil Bileşik deney tasarım metodu kullanılarak tasarlanan kabak cipsi kurutma deney setinde; 200-300 W mikrodalga gücü, 60-70°C hava sıcaklığı ve 1,5-2,5 m/s hava hızı parametreleri kullanılmış ve toplamda 20 deney (çift tekrarlı 40 deney) tasarlanmıştır.  Her bir deney sonrasında örneklerin kuruma süresi,  rehidrasyon kapasitesi, renk (L, ΔE) ve tekstür değerleri ölçülmüştür. Devamında, cips kalitesinin belirlenmesindeki en önemli parametreler olan kuruma süresi, renk ve tekstür değerlerine göre Minitab 'Response optimizer' fonksiyonu ile optimizasyon ve modelleme yapılmış, her bir parametre için birer çözüm belirlenmiştir. Optimum kuruma süresi için, 275 W mikrodalga gücü, 73,5°C hava sıcaklığı ve 1,16 m/s hava hızı;  optimum renk kalitesi için; 230 W mikrodalga gücü, 73,41°C hava sıcaklığı ve 1,16 m/s hava hızı ve optimum tekstür kalitesi için; 261 W mikrodalga gücü, 73,41°C hava sıcaklığı ve 1,16 m/s hava hızı olmak üzere toplamda üç çözüm elde edilmiştir. 
Belirlenen modellerin doğrulanması için elde edilen üç optimum çözüm tekrar denenmiş ve deney çıktıları, model çıktıları ile karşılaştırılmış ve değerlerin birbirine çok yakın olduğu görülmüştür. Model doğrulamasından sonra, optimum çözümlerin antioksidan kapasitesi, toplam fenolik madde ve beta karoten analizleri sonuçları ile optimum çözümlerin karakterizasyonu yapılmıştır.

Abstract:
Drying method for foods is, removing the water existing in the food product; decreasing the amount of water of the food with the combination of transferring mass and heat under monitored circumstances. By means of the drying process of foods, the dried food products are transported and stored much more efficiently and spoilage of products are prevented because microbial evolvements and other reactions are limited. As a result of these, the desired food product can be consumed easily, outisde of the growing season of the product.
By drying foods, it is made easier to obtain different tastes from the product by means of processing. Similarly, by dehydrating the product, qualities such taste, smell and nutrition values are preserved. Also, using heat treatment during the process of drying foods, increase the amounf of some antioxidative compounds in the food products. Therefore, persons who cannot consume fresh food products due to health reasons can easily consume dried food products. 
Food drying is a very old process that has been used for centuries, it has been developed throught time according to the evolving and changing technology, life standards and the desired end product quality. In literature, the traditional drying methods are drying in sun and conventional methods; and modern methods are freeze drying, ultraviolet drying and microwave drying. Conducting traditional methods to dry foods cause long drying times and low quality end products. 
The freeze drying method, prevents; chemical and enzymathic reactions as well as vitamin and phenolic matters therefore preserving the end product quality. However, as opposed to the stated advantages, this method has a costly setup and operation. Ultraviolet drying method prevents nutritient and quiality loss and it has a short amount of time to dry products. However, due to the facts that this method is more suitable for low amounts of food and dependent on the product geometry. In dealing with edged products the drying is not homogeneous therefore the method does not have a high utility. 
The microwave method preserves the food color and volatile organic compounds in the product; and it is preventing the hardening and cracking of the product surface. Due to the microwave working principle, the heating starts from the center of the product and causes heat and mass transfer faster therefore decreases the drying time. Microwave method can be used with wide range of products; with its low-cost setup and easy operation, and engery saving traits makes it more advantageous compared to the other methods.
Heat treating methods used to remove the hydration from the product harms the physicial and physico-chemical structure of the food product. Additionally, it can also harm the end product's phenolic matter and antioxsidative compounds while having a negative impact on vitamin, color and texture quality. Because of that it is very important to conduct pre-treatments depending on the product type such as osmotic or ultrasonic; to decrease the harmful effects of various types of drying procedures as well as decreasing the drying time and increasing the end product quality.
Ultrasonic method accelerates the removal of water from the product by causing cavitation effect on the products and increasing the mass and heat transfer. Additionally, the cavitation effect causes protein denaturation thus inactivating polyphenoloxydase (PPO), peroxidase (POD), and lipoxygenase (LOX) enzymes. Therefore the dried products have a lesser change of color while preserving antioxidative matters. 
Osmotic pre-treatment method prevents the product from oxidative spoilage while decreasing the volatile compound and increasing the drying speed. In addition, osmotic pretreatement can help to product to protect the their color and texture quality of products. Therefore it is suggested that the osmotic method to be used with other accompanying drying methods instead of using it on its own.
This study focuses on dried fruits and vegetables as healthy snacks and healthy life practices. Microwave supported conventional method is used to make pumpkin chips samples and osmotic and ultrasonic pre-treatments are used to monitor quality, drying time and sensory like changes. Osmotic pre-treatment experiment set is designed with DOE (Designing of Experiment); and sugar density is used as 25 and 50 °Brix; dipping period parameters were 60 and 90 minutes. In ultrasonic pre-treatment experiement set under 50 Khz frequency, 10, 20, and 30 minute pre-treatment parameters were used. During the pre-treatment methods in each drying set 200 W microwave force, 60°C air temperature and 1.5 m/s air speed was used. Drying try-outs were checked with online weight measurement apparatus and stopped when it reached 92% weight-loss. 
The optimum pre-treatment was decided according to the results of drying time after pre-treatment, total amount of phenolic matter and sensory like. It was concluded to continiue the pumpkin chips samples' parameters optimization analysis with 30 minutes of ultrasonic pre-treatment.
Response Surface Methodology (RSM), Central composite experiemental design method was used to design the pumpkin chips drying experiement set with; 200-300W microwave force, 60-70°C air tempreture and 1,5-2,5 m/s air speed parameters and 20 experiments (double-repeated 40 experiments) were designed. After each experiment, drying time, rehydration capacity, color (L, ΔE), and texture values were measured. Afterwards, according to the most important parameters to determine the quality of the cips: drying time, color and texture values were used to optimize and model and a solutions were determined for each individual parameter using Minitab 'Response optimizer' function. 
For optimum drying time, 275 W microwave force, 73,5°C air temperature and 1,16m/s air speed; for optimum color quality; 230 W microwave force, 73,41°C air temperature and 1,16 m/s air speed solutions were reached.
To verify the above stated models, the three optimum solutions were tried again and experiment prints, model prints were compared and seen that the results were very similar. After verification of model, antioxidant capacity, total phenolic matter and beta carotene were used to characterize the optimum solutions.