UV-C ışık uygulamasının taze kesilmiş deveci armutunun dekontaminasyonu ve kalite parametreleri üzerine etkisi
Effect of ultraviolet light application on decontamination and quality parameters of fresh-cut deveci pear
Yazar: GÖZDE OĞUZ KORKUT
Danışman: PROF. DR. GÜRBÜZ GÜNEŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Meyve ve sebzeler açısından zengin bir beslenmenin, insanları kanser ve kronik hastalıklara karşı koruduğu ve hastalık riskini azalttığı bilinmektedir. Taze kesilmiş meyveler tüketicilere tüketim kolaylığı, taze benzeri kalite ve çeşitli sağlık yararları ile yüksek duyusal ve besinsel nitelikler sunar. Sağlık yararlarının yanı sıra taze halde tüketim imkanı ve kolaylık sağlaması nedeniyle de son yıllarda popülerleşmektedir.
Taze kesilmiş meyvelere uygulanan soyma, çekirdek çıkarma ve kesme gibi mekanik işlemler enzimatik esmerleşme, lezzet bileşenlerinin kaybı, yumuşama ve mikrobiyolojik bozulma gibi biyokimyasal bozulmalara neden olur. Tazeliği korurken, mikrobiyal riski de en aza indirecek yeni teknolojilerin geliştirilmesi, artan talebi karşılamak için önemlidir. Taze kesilmiş ürünlerin kalitesini korumak ve raf ömrünü uzatmak için genellikle modifiye atmosferde ambalajlamayı takip eden bazı kimyasal ön işlemler uygulanır. Kimyasal ön işlemler arasında askorbik asit, sitrik asit ve kalsiyum tuzları kahverengileşme ve yumuşama önleyici maddeler olarak en yaygın olanlarıdır. Modifiye atmosferde ambalajlama uygulaması taze kesilmiş meyvelerin hava bileşimine kıyasla azaltılmış O2 ve yükseltilmiş CO2 altında paketlenmesini içerir. MAA, taze kesilmiş ürünlerde aerobik solunum oranlarını, enzimatik esmerleşmeyi, yumuşamayı ve mikrobiyal büyümeyi azaltır ve böylece raf ömrünü uzatır. Optimum modifiye atmosferler farklı taze ürünler için farklılık gösterir ve genellikle aerobik solunum oranının en aza indirildiği MA olarak alınır. Bu nedenle, taze ürünler için uygun bir MAA tasarımı, optimum MA'nın belirlenebilmesi için O2 ve CO2'den etkilenen solunum hızının ölçülmesini gerektirir. Taze ürünler için optimum MA'ya sahip MAA, ürün tipi, ürün ağırlığı, ürün solunum hızı, gaz konsantrasyonu, depolama sıcaklığı, yüzey alanı ve ambalaj malzemelerinin gaz geçirgenliği gibi çeşitli faktörler göz önünde bulundurularak tasarlanır. Son zamanlarda, taze meyve ve sebzelerde ultraviyole (UV-C) ışınların kullanımı üzerine yapılan araştırmalar, bu teknolojinin, taze ürünlerin raf ömrünü uzatmak için geleneksel ısıl işlem ve kimyasal yöntemlere alternatif olarak önemli bir umut vaat ettiğini göstermiştir. UV-C işleminin etkinliği, UV dozu (J/m2), UV yoğunluğu (W/m2), yüzey özellikleri, başlangıçtaki mikroorganizma yükü ve mikroorganizma türü gibi çeşitli faktörlere bağlıdır. Yüksek verimlilikte üretime olanak sağlayacak koşulların optimize edilmesi, UV-C teknolojisinin ticarileştirilmesi için önemlidir.
Bu çalışmanın amacı, taze kesilmiş Deveci armut dilimlerine uygulanan ön işlemler olan esmerleşme/yumuşama önleyici çözeltilere daldırma ve MAA uygulamalarına, UV-C ışınlama uygulamasının optimize edilerek entegre edilmesi ve bu uygulamaların taze kesilmiş armut dilimlerinin raf ömrü ve kalite üzerine etkisinin belirlenmesidir. Bu tez kapsamında, ilk olarak UV-C ışığın armut diliminde penetrasyon derinliği hesaplanmış ve farklı kesitlerdeki dilimler üzerinde ışığın hem enerji penetrasyonunun hem de dokularda etki penetrasyonunun dikkate alınarak şiddete bağlı olarak belirlenmiştir. Daha sonra, meyve dokusundaki esmerleşmenin ve yumuşamanın kontrol edilebilmesi amacıyla taze kesilmiş armuta uygulanacak ön işlem solüsyonu seçilmiştir. Armut meyvesinin en düşük aerobik solunum yaptığı gaz kompozisyonunun tespiti ile optimum MAA koşulları oluşturulmuş ve bu koşullara uygun ambalaj tasarlanarak dilimler ambalajlanmıştır. MA ambalajlama uygulamasının dilimlerin kalite parametreleri üzerine etkileri değerlendirilmiştir. Sonraki aşamada önemli duyusal ve kimyasal kalite kriterlerini olumsuz etkilemeyen, uygulanabilecek maksimum UV-C dozu belirlenmiştir. Yüksek ve düşük doz hızında farklı dozlarda UV-C uygulamasının, petri kutularına ve meyve yüzeyine inoküle edilen patojen mikroorganizmalar Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Penicillium expansum ve Zygosaccharomyces bailii üzerindeki inaktivasyon etkinliğinin belirlenmiş ve kinetik olarak modellenmiştir. Son iş paketinde, taze kesilmiş armutlara ön işlemler, UV-C uygulaması ve MAA sistemi entegre bir şekilde uygulanarak depolama sırasında mikrobiyal, duyusal ve kimyasal kalite üzerine etkileri belirlenmiştir.
Armut dilimlerinin ışık geçirgenliğinin ürünün çok ince bir yüzey tabakası ile sınırlı olduğu ve UV-C ışığın belirli derinliklerdeki armut hücrelerinin hem fonksiyonel aktivitesini hem de mikrobiyal hücrelerin canlılığını etkileyebileceği belirlenmiştir. Daha az esmerleşmeye ve sertlik kaybına neden olan %1 sitrik asit + %1 kalsiyum klorür solüsyonu armut dokusundaki enzimatik esmerleşmenin ve yumuşamanın kontrol edilebilmesinde daha etkilidir. Solunum hızını gaz konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak açıklayan en iyi model 'inhibisyonsuz Michaelis-Menten modeli' olmuştur. MAA, %2,1 O2 ve %8,7 CO2'den oluşan denge atmosferi altında solunum hızını azaltmış ve kısa süreli depolama süresi boyunca taze kesilmiş 'Deveci' armut dilimlerinin renk, pH, TSS, TA ve sertlik gibi kalite özelliklerini korumuştur. 5,15 kJ/m2 dk yüksek doz hızı ve 1,30 kJ/m2 dk düşük doz hızında ve 50, 100 ve 150 kJ/m2 UV-C dozları uygulandığında; yüksek doz hızında 50 kJ/m2 UV-C uygulaması, dilimlerde daha az sertlik kaybına ve toplam renk değişimine, daha yüksek L* ve hue açısı değerlerine ve daha düşük a* ve Chroma değerlerine neden olarak dilimlerin kalite parametrelerini daha iyi korumuştur. Besiyeri ortamında iki farklı doz hızında ve 4 farklı mikroorganizma türünün hepsinde mikrobiyal inaktivasyon kinetiğinin modellenmesi sonucu uyumlu bulunan tek model Weibull iken, armut dokusunda tüm mikroorganizmaların Weibull ve Bifazik modellere daha iyi uyum sağladığı görülmüştür. Genel olarak, buzdolabında depolama süresince mikrobiyal yükün artmaması, UV-C uygulaması ve soğuk depolama birlikte uygulandığında gıda güvenliği ve kalitesini korumada etkili bir strateji olduğunu göstermektedir. Meyve dokularının aynı doz uygulansa bile daha uzun süre UV-C ışığına maruz kalması ciddi hücre hasarıyla ilişkilendirilir ve bu da ürünün taze görünümünün hızla azalmasına neden olur. Bu nedenle bu teknolojinin raf ömrünü uzatma etkisi uygulamanın dozuna bağlı olduğu gibi uygulanan dozun şiddetine de bağlıdır. UV-C ve MAA uygulanmasının ayrı ayrı değil, entegre bir şekilde kullanılması armut meyvesinin kalitesinin korunmasını iyileştirmektedir. Ancak bu durum, optimize edilmiş O2/CO2 geçirgenliğine sahip uygun bir MAA filminin gaz konsantrasyonunu ve dolayısıyla ambalaj içindeki meyve solunumunu etkin bir şekilde kontrol etmesi halinde geçerlidir.
Taze kesilmiş armutlara ön işlemler, MAA sistemi ve UV-C uygulaması entegre bir şekilde uygulanarak 21 günlük depolama süresi sonunda, 50 kJ/m² UV-C uygulanıp modifiye atmosferde ambalajlamanın (UV50+MAA) mikrobiyal kaliteyi, renk ve sertlik değerlerini, suda çözünen katı içeriğini, titrasyon asitliği miktarını ve pH değerlerini daha iyi korumuştur. UV-C uygulanan dilimlerin PAL enzim aktivitesi, toplam antioksidan kapasite, toplam fenolik madde miktarı ve toplam flavonoid madde miktarı daha yüksektir. Depolama süresi uzaması ile beraber UV-C ışını ve modifiye atmosfer ambalajının birlikte kullanımı dilimlerde gözlenebilecek olumsuz etkileri yavaşlatmakta, mikrobiyal kaliteyi korumakta ve armutların daha uzun süre taze kalmasına yardımcı olarak depolama süresi boyunca kalitenin korunmasına katkıda bulunmaktadır.
Bu çalışmalarla, ülkemize özgü olan 'Deveci' armut türünün, yeni bir teknoloji olan UV-C uygulamasının ön işlemler ve MAA sistemine entegre edilip işleme koşulları optimize edilerek literatüre kazandırılmıştır. Böylece 'Deveci' armudundan taze kesilmiş katma değeri yüksek yeni ürünler geliştirilmesine katkı sağlanacaktır. Endüstriyel ölçekte kullanılan sistemlerin etkinliği; tasarımında yapılacak farklı modifikasyonlar ile arttırılabilecek, endüstriyel çaplı ve bilgisayar temelli yeni UV-C reaktörlerinin geliştirilmesine katkı sağlanabilecektir. Taze kesilmiş meyvelerin üretim verimi arttırılacak, depolanması sırasındaki çeşitli problemler giderilecek, ürün kayıpları önlenecek, ürün farklı gıda formülasyonlarına daha kolay entegre edilebilecek ve ürünün kullanımı kolaylaştırılacaktır. Böylece ülkemizde yeni yeni gelişmekte olan taze kesilmiş meyve ve sebze sektöründe, bu ürünlerin endüstriyel olarak işlenebilirliği artacak, israf önlenerek kaliteli alternatif ürünlere işlenebilecektir. Proje kapsamında elde edilen veriler, uluslararası hakemli dergilerde yayınlanacak veya kongrelerde sunulacaktır. Bu çalışmanın benzer çalışmaları tetikleyebileceği ve bilimsel ve endüstriyel kazanımlara katkı sağlayacağı öngörülmektedir.

Abstract:
A diet rich in fruit and vegetables is known to protect people against cancer and chronic diseases and reduce the risk of disease. Fresh-cut fruits offer consumers high sensory and nutritional qualities, as well as the convenience of consumption in a fresh form, with various health benefits. In addition to its health benefits, it has been popularised in recent years due to the possibility and convenience of consumption in fresh form.
The application of mechanical treatments, such as peeling, pitting and cutting, to fresh-cut fruit results in biochemical deterioration, including enzymatic browning, loss of flavour components, softening and microbiological spoilage. The development of new technologies to minimise microbial risk while maintaining freshness is crucial to meet the growing demand for fresh-cut products. In order to maintain the quality and extend the shelf life of fresh-cut products, some chemical pretreatments are typically applied prior to modified atmosphere packaging. Among chemical pretreatments, ascorbic acid, citric acid and calcium salts are the most common as anti-browning and anti-softening agents. Modified atmosphere packaging (MAP) entails the packaging of fresh-cut fruit under a reduced oxygen (O₂) and elevated carbon dioxide (CO₂) composition in comparison to the air composition. MAP reduces aerobic respiration rates, enzymatic browning, softening and microbial growth in fresh-cut produce, thus extending shelf life. The optimal modified atmosphere differs for different fresh products and is typically defined as the MA where the aerobic respiration rate is minimised. Consequently, the design of an optimal MAP for fresh produce necessitates the measurement of the respiration rate as influenced by O2 and CO2 in order to ascertain the optimal MA. The MAP with the optimal MA for fresh produce is developed by considering a multitude of factors, including the product type, product weight, product respiration rate, gas concentration, storage temperature, surface area, and the gas permeability of packaging materials. Recent research has demonstrated the potential of ultraviolet (UV-C) radiation as an alternative to conventional heat treatment and chemical methods for extending the shelf life of fresh produce. The efficiency of UV-C treatment is influenced by several factors, including the UV dose (J/m²), UV intensity (W/m²), surface properties, initial microorganism load and microorganism type. It is of great importance to optimise the conditions in order to facilitate the commercialisation of UV-C technology by enabling high-efficiency production.
The objective of this study was to optimise and integrate UV-C irradiation into the pre-treatments of immersion in browning/anti-browning solutions and MAP applied to freshly cut Deveci pear slices and to determine the effect of these treatments on the shelf life and quality of freshly cut pear slices. The first objective of this thesis was to calculate and determine the penetration depth of UV-C light in pear slices, taking into account both the energy penetration and the effect penetration of light in the tissues on slices of different cross-sections. This was achieved by measuring the penetration depth of UV-C light in pear slices of varying cross-sections at different intensities. The second objective was to select the optimal pretreatment solution to be applied to freshly cut pears in order to control the browning and softening of the fruit tissue. This was achieved by measuring the effect of different pretreatment solutions on the browning and softening of pear slices. The optimal MAA conditions were established by determining the gas composition with the lowest aerobic respiration of the pear fruit and packaging the slices in a suitable manner. The impact of MA packaging on the quality parameters of the slices was evaluated. The subsequent stage of the study involved determining the maximum UV-C dose that did not result in any adverse effects on the important sensory and chemical quality criteria. The inactivation efficiency of UV-C application at different doses at high and low dose rate on pathogenic microorganisms Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Penicillium expansum and Zygosaccharomyces bailii inoculated on petri dishes and fruit surface was determined and modelled kinetically. In the final work package, a series of integrated treatments were applied to fresh-cut pears, including pre-treatments, UV-C treatment and MAP system. The effects of these treatments on microbial, sensory and chemical quality during storage were then determined.
It was established that the light transmittance of pear slices is constrained to a narrow surface layer of the product. Furthermore, UV-C light has the potential to influence the functional activity of pear cells at specific depths and the viability of microbial cells. The 1% citric acid + 1% calcium chloride solution has been demonstrated to cause less browning and loss of firmness, and to be more effective in controlling enzymatic browning and softening in pear tissue. The Michaelis-Menten model without inhibition was identified as the optimal model for explaining the respiration rate as a function of gas concentration. The application of MAP resulted in a reduction in respiration rate when the atmosphere was maintained at equilibrium with 2,1% O2 and 8,7% CO2 levels. Furthermore, the quality characteristics of fresh-cut 'Deveci' pear slices, including colour, pH, soluble solids content, titratable acidity and firmness, were preserved during short-term storage. The application of a high dose rate of 5,15 kJ/m2 min, a low dose rate of 1,30 kJ/m2 min, and UV-C doses of 50, 100, and 150 kJ/m2 resulted in the following observations. The application of 50 kJ/m2 UV-C at a high dose rate resulted in a reduction in firmness loss and total discolouration, accompanied by an increase in L* and hue angle values and a decrease in a* and chroma values in the slices. This indicates that the quality parameters of the slices were better preserved. The Weibull model was the only one found to be compatible with the modelling of microbial inactivation kinetics in all four different microorganism species at two different dose rates in the medium. However, it was observed that all microorganisms in pear tissue were better fit to the Weibull and Biphasic models. The observation that the microbial load remained constant during refrigerated storage suggests that the combination of UV-C treatment and cold storage represents an effective strategy for the protection of food safety and quality. Prolonged exposure of fruit tissues to UV-C light, even at the same dose, has been observed to result in severe cell damage, which in turn causes a rapid loss of the product's fresh appearance. Consequently, the efficacy of this technology in extending the shelf life of the product is contingent upon both the dosage and the intensity of the applied dosage. The integrated application of UV-C and MAP, as opposed to their separate application, has been demonstrated to enhance the quality preservation of pear fruit. Nevertheless, this is contingent upon the presence of an appropriate MAP film with optimised O2/CO2 permeability, which effectively regulates the gas concentration and, consequently, fruit respiration within the packaging.
These studies have integrated UV-C application, a novel technology, into the pre-treatment and MAP system of the 'Deveci' pear species, a unique variety native to our country. The processing conditions have been optimised and documented in the literature. Consequently, the development of new products with high added value, freshly cut from the 'Deveci' pear, will be facilitated. The efficiency of the systems used on an industrial scale can be enhanced through the implementation of various modifications to the design, which will contribute to the development of new industrial-scale and computer-based UV-C reactors. The efficiency of the production process for fresh-cut fruits will be enhanced, with the elimination of various issues that arise during storage. This will result in a reduction in product losses and facilitate the integration of the product into different food formulations. Furthermore, the use of the product will be made more straightforward. Consequently, the industrial processability of fresh-cut fruit and vegetables in our country will be enhanced, waste will be prevented, and quality alternative products will be processed. The data obtained as part of this project will be published in international, peer-reviewed journals or presented at scientific conferences. It is anticipated that this study will stimulate further research and contribute to scientific and industrial advances.