Mikrodalga tekniği ile kurutulan dut yapraklarının kuruma, renk ve rehidratasyon kinetiklerinin modellenmesi
Modelling studies on drying, colour change and rehydration kinetics of microwave-dried mulberry leaves
Yazar: BERAT YILMAZ
Danışman: PROF. DR. BELMA ÖZBEK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Kurutma prosesi, gıdaların raf ömrünü uzatmak için kullanılan bilinen en eski yöntemlerden biridir. Gerek açık havadan kaynaklanan kirliliklerin, böcek, kuş vb. canlıların etkilerinden gerekse sanayileşme ve makineleşmeyle başlayan seri üretim yöntemlerinin daha verimli, hızlı, kârlı ve kapalı ortamda olmasından dolayı güneşte kurutma yerini, fırın kurutucular, püskürtmeli kurutucular, vakum kurutucular, mikrodalga kurutucular gibi kurutuculara bırakmıştır. Mevcut kurutucular içerisinde mikrodalga kurutucular; daha az kurutma süresi, daha yüksek verim ve rehidratasyon gibi özellikleri nedeniyle daha çok tercih edilmektedir. Bu nedenle bu çalışmada, tıbbi ürünlerde katkı maddesi, gıda takviyesi ve çay olarak kullanılan dut yapraklarının mikrodalga yöntemi ile kurutularak; kuruma, renk değişim ve rehidratasyon kinetiklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. 
Mikrodalga çıkış gücünün etkisini incelemek için 20 g ağırlığındaki dut yaprağı numuneleri farklı mikrodalga çıkış güçlerinde (180, 360, 540, 720 ve 900 W) kurutulmuştur. Ayrıca, numune ağırlığının etkisini incelemek için dut yaprağı numuneleri farklı miktarlarda (20, 40, 60, 80 ve 100 g) 360 W sabit mikrodalga çıkış gücünde kurutulmuştur. Mikrodalga çıkış gücünün artması ve numune miktarının azalması ile kuruma süresinin azaldığı tespit edilmiştir. Ayrıca, dut yaprakları konvansiyonel kurutma yöntemi ile 40 °C'de kurutulmuştur ve elde edilen veriler mikrodalga yöntemi ile elde edilen veriler ile karşılaştırılmıştır. Konvansiyonel kurutma için gereken sürenin 20 g numune için 90 dakika olduğu, bu sürenin en düşük mikrodalga çıkış gücünde gerçekleştirilen kurutma için gereken sürenin 7.8 katı olduğu bulunmuştur. 180 W mikrodalga çıkış gücünde kurutma için gereken süre 11.5 dakika olarak bulunmuştur.
Yapılan matematiksel modelleme çalışmalarında; kurutma kinetiği için Page Model, Henderson ve Pabis Model, Lewis Model ve Logaritmik Model denklemleri; renk değişim kinetiği için Sıfırıncı Dereceden Kinetik Model ve Birinci Dereceden Kinetik Model denklemleri; rehidratasyon kinetiği için Peleg Model, Weibull Model, Birinci Dereceden Rehidratasyon Model ve Eksponansiyel Assosiasyon Model denklemleri kullanılmıştır. Uygulanan tüm modeller arasında yüksek R2 ve düşük standart sapma (δ) değerlerine sahip olan Page Model denkleminin kuruma kinetiğine; Sıfırıncı Dereceden Kinetik Model denkleminin renk değişim kinetiğine ve Peleg Model denkleminin rehidratasyon kinetiğine uygunluk gösterdiği bulunmuştur. 
Mikrodalga yöntemi ile kurutulan numunelere ait hesaplanan Efektif Difüzivite Katsayısı değerlerinin 0.44 x 10-10 m2/s değeri ile 5.34 x 10-10 m2/s değeri arasında değiştiği bulunmuştur. Ayrıca, elde edilen veriler kullanılarak yapılan hesaplamalar sonucunda kurutma kinetiğine ait aktivasyon enerjisi değeri 15.43 W/g, renk değişim kinetiğine ait aktivasyon enerjisi değeri 11.11-12.07 W/g, 30 oC sıcaklıkta gerçekleştirilen rehidratasyon kinetiğine ait aktivasyon enerjisi değeri 4.59 W/g, farklı sıcaklıklarda gerçekleştirilen dut yapraklarının rehidratasyon kinetiğine ait aktivasyon enerjisi değeri 18.2 kJ/mol olarak bulunmuştur. Son olarak, kuruma süresine karşılık mikrodalga çıkış gücü/numune ağırlığı değerlerinin değişimi incelenmiş ve yapılan modelleme çalışmaları sonucunda değerlerin Power Model denklemi ile uyumlu olduğu sonucuna varılmıştır. 
Sonuç olarak; gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda elde edilen kuruma süresi, renk değişim parametreleri ve rehidratasyon kapasitesi değerleri değerlendirildiğinde, dut yapraklarının mikrodalga tekniği ile kurutulmasının uygun olduğu sonucuna varılmıştır. Ancak, elde edilen verilerin bu çalışmada kullanılan ev-tipi mikrodalga fırının özellikleri ile sınırlı olduğu dikkate alınmalıdır.

Abstract:
The drying process is one of the oldest methods used to extend the shelf life of foods. Due to the reasons such as contaminatants in the open air caused by insects, birds and etc. and industrialization and mechanization of batch production being more efficient, fast, profitable and having a closed system, sun drying has been replaced by various dryers such as oven dryers, spray dryers, vacuum dryers, microwave dryers and etc. Microwave drying, which is one of the drying technologies, is preferred as an alternative drying method due to its lower drying time, higher efficiency and etc. Therefore, in the present study, it was aimed to investigate drying, colour change and rehydration kinetics of microwave-dried mulberry leaves as they are usually used in the food supplements, medicinal products and herbal tea.
In order to investigate the effect of microwave output power, 20 g mulberry leaves were dried at various microwave output powers (180, 360, 540, 720 and 900 W).  On the other hand, to investigate the effect of sample amount, mulberry leaves were dried at various amounts (20, 40, 60, 80 and 100 g) at a constant microwave output power of 360 W. It was determined that drying time decreased as the microwave output power increased and sample amount decreased. Additionally, the mulberry leaves were dried at the temperature of 40 °C by the conventional drying method and the data were compared with the data obtained by the microwave method.  The results showed that the required drying time for conventional drying was 90 minutes for 20 g of mulberry leaves, which was 7.8 times higher than the drying time required for drying at the lowest microwave output power. The drying time for 180 W microwave output power was found as 11.5 minutes.
In the meantime, Page Model, Henderson & Pabis Model, Lewis Model and Logarithmic Model equations for modelling of drying kinetic data; Zero Order Kinetic Model and First Order Kinetic Model equations for modelling of colour change kinetic data; Peleg Model, Weibull Model, First Order Rehydration Model and Exponential Association Model equations for modelling of rehydration kinetic data were applied. Among the applied models, Page Model equation was found the best equation fitted to drying kinetic data; Zero Order Kinetic Model equation was found the best equation fitted to colour change kinetic data; and, Peleg Model was found the best equation fitted to rehydration kinetic data, in terms of the higher R2 and lower standard deviation (δ) values obtained.
On the other hand, Effective Moisture Diffusivity coefficients were calculated for mulberry leaves dried under microwave treatment. It was found that the values were varied between 0.44 x 10-10 m2/s to 5.34 x 10-10 m2/s. The activation energy values were also calculated by using the experimental data obtained. The values were found as 15.43 W/g, 11.11-12.07 W/g, 4.59 W/g and 18.20 kJ/mole for drying, colour change, rehydration kinetic performed at 30°C and rehydration kinetics at different rehydration temperature values, respectively. Finally, the relationship of the data of microwave output power/sample amount values depending on drying time was examined; and it was found that the data was in good agreement with Power Model equation regarding modelling studies performed.
As a result; it was concluded that microwave treatment used for drying process of mulberry leaves was found as suitable technique in terms of drying time, colour change parameters and rehydration capacity properties. However, it should be noted that the results obtained are limited to the characteristics of the domestic microwave oven used in the present study.