Kızılötesi destekli kırınım pencereli kurutma sisteminde yüksek kaliteli soğan tozu üretimi
High quality onion powder production in infrared-assisted refractance window drying system
Yazar: ECEM VURAL
Danışman: PROF. DR. AYHAN TOPUZ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Soğan (Allium cepa L.), biyoaktif bileşikler açısından çok zengin olan ve dünya çapında farklı gıdaların hazırlanmasında kullanılan önemli bir tarımsal üründür. Bu ürün taze olarak tüketiminin yanı sıra kurutulmuş, yarı kurutulmuş ve dondurulmuş olarak endüstriyel hazır gıda üretiminde ana girdilerden biri olarak kullanılmaktadır. Bu amaçla uygulanan geleneksel kurutma yöntemleri çevresel kontaminasyonlara ve oksidasyona sebep olduğu için üründe önemli renk, aroma ve besin kayıplarına yol açmaktadır. Ayrıca tüm dünyada karbon salınımını ve enerji girdilerini düşürmeye yönelik tedbirleri içeren uluslararası yeşil mutabakata hizmet edebilecek yeni kurutma yöntem ve yaklaşımları önem kazanmıştır.  Bu amaçla geleneksel ve modern kurutma tekniklerini birleştiren yenilikçi hibrit kurutma yaklaşımları öne çıkmaya başlamıştır. Bu çalışmada, pirometre kontrollü kızılötesi lamba kullanılarak yenilikçi kurutma yöntemlerinden biri olan kırınım pencereli kurutma sistemi hibrit bir teknolojiye dönüştürülmüştür. Projenin hedef ürünü olan yüksek aroma içerikli soğan tozu püre haline getirilmiş soğanın kontrollü koşullarda kızılötesi destekli kırınım pencereli hibrit kurutma sistemiyle kuruma koşulları optimize edilmiştir. Bu optimum kurutma koşullarında ayrıca püreye taşıyıcı ekleyerek kurutma ve köpük kurutma yaklaşımları denenmiştir. 
	Optimizasyon çalışmasında Design-Expert sürüm 13 yazılımında (Design-Expert for Windows, Stat-Ease Inc., ABD) Box-Behnken deney tasarımı kullanılmış olup, bağımsız değişkenler olarak sirkülasyon suyu sıcaklığı (75-95°C), püre yüzey sıcaklığı (30-40°C) ve hava hızı (0-1.2 m/s) seçilmiştir. İstenilen aroma bileşen miktarı (maksimum toplam alan), istenmeyen aroma bileşen miktarı (minimum toplam alan), kuersetin miktarı (maksimum), esmerleşme indeksi (minimum) ve kurutma süresi (minimum) bağımlı değişkenler olarak seçilmiş ve Yanıt Yüzey Metodolojisi ile optimize edilmiştir. Optimum koşullarda soğan püresinin daha hızlı bir şekilde kurutulurken istenen biyoaktif bileşenlerin korunması ve istenmeyenlerin bileşenlerin ve değişimlerin azaltılması hedeflenmiştir.  Tüm örnekler, 2 mm kalınlığında serilerek %3.5 ± 0.5 son nem içeriğine ulaşana kadar kurutulmuş olup, kuruma süreleri kaydedilmiştir. Optimum kurutma koşulları; 89.71°C sirkülasyon suyu sıcaklığı, 30°C püre yüzey sıcaklığı ve 1.2 m/s hava hızı olarak belirlenmiştir. Optimum koşullarda kuruma süresi 14 dk. olarak kaydedilmiştir.
	Soğan püresinin geliştirilen hibrit kurutucuda kurutulmasına yönelik belirlenen optimum koşullarda taşıyıcı eşliğinde karışım kompozisyon optimizasyonu da gerçekleştirilmiştir. Bu optimizasyon çalışması Design-Expert sürüm 13 yazılımı (Design-Expert for Windows, Stat-Ease Inc., ABD) kullanılarak Karışım Optimal Deneysel tasarımıyla yürütülmüştür. Püre kuru maddesinin %50'si kadar (4 g) olacak şekilde taşıyıcı karışım kullanılması planlanmış ve bu karışım bileşenlerinin β-siklodekstrin (0-1 g), Na-aljinat (0-1 g), Maltodekstrin (0-4 g) ve Arap gamı (0-4 g) olması kararlaştırılmıştır. Yanıt olarak istenilen aroma bileşen miktarı (maksimum toplam alan), istenmeyen aroma bileşen miktarı (minimum toplam alan), kuersetin miktarı (maksimum), esmerleşme indeksi (minimum) ve kurutma süresi (minimum) seçilmiş ve optimum karışım içeriği 2.08 g maltodekstrin ve 1.92 g Arap gamı olarak tespit edilmiştir. Ancak optimum karışım eşliğinde gerçekleştirilen kurutma işleminde kuruma süresi 24 dk. olarak kaydedilmiştir.
	Köpük püre kurutma yaklaşımı için öncelikle farklı miktarlarda çöven ekstraktı eklenerek farklı köpürtme sürelerinde oluşturulan soğan püresi köpüklerinin yoğunluğu ve stabilitesi incelenmiş, köpük oluşturma koşulları optimize edilmiştir. Minimum köpük yoğunluğunun ve maksimum köpük stabilitesinin %0,5 çöven ekstraktı eklenmiş pürenin 3 dk. boyunca köpürtülmesiyle elde edildiği tespit edilmiştir. Çöven ekstraktı eklenmeden önce soğan 1 dk. boyunca parçalanmış böylece hem enzim aktivitesine izin verilmiş hem de çöven ekstraktının parçalayıcı haznesinde kalması engellenmiştir. Köpük püre kurutma yaklaşımında kuruma süresi 10 dk.'ya düşmüştür.
	Optimum koşullarda üretilen soğan tozu örneği, ticari olarak piyasada bulunan ithal ve yerli muadilleriyle farklı model gıda denemeleri yapılarak kıyaslanmıştır. Duyusal analiz sonuçları; geliştirilen hibrit teknoloji kullanılarak yerli soğandan üretilen soğan tozlarının ticari örneklerden daha çok beğenildiğini ortaya koymuştur. 
	Konvektif kurutma ve dondurarak kurutma yöntemleriyle kıyaslandığında; tez çalışmasındaki kurutma yaklaşımlarının hem kurutma süresinin saatlerden dakikalara düşürerek önemli ölçüde kısalttığı tespit edilmiş, hem de istenilen niteliklere uygun, yüksek kalitede soğan tozu elde edildiği görülmüştür. Özellikle katkısız sade soğan tozu üretimi için yeni geliştirilen hibrit sistem olan pirometre kontrollü kızılötesi destekli kırınım pencereli kurutucu, çoğu fiziksel ve kimyasal kalite özellikleri bakımından yaygın kullanılan geleneksel yöntem olan konvektif kurutmayla üretilen soğan tozundan daha nitelikli ürün elde edilmesini sağlamıştır. 
	Elde edilen sonuçlar geliştirilen hibrit kurutma yöntemiyle kısa sürede daha yüksek kalitede ve yüksek aroma içeriğinde soğan tozu üretiminin sağlandığını göstermiştir.

Abstract:
Onion (Allium cepa L.) is a significant agricultural product rich in bioactive compounds and is used globally in the preparation of various foods. Besides being consumed fresh, it is also used in the industrial production of processed foods in dried, semi-dried, and frozen forms. Traditional drying methods applied for this purpose cause significant color, aroma, and nutrient losses due to environmental contamination and oxidation. Additionally, new drying methods and approaches that can contribute to the international green deal, which includes measures to reduce carbon emissions and energy inputs worldwide, have gained importance. In this regard, innovative hybrid drying approaches that combine traditional and modern drying techniques have started to emerge. In this study, the diffraction window drying system, one of the innovative drying methods, was transformed into a hybrid technology using an infrared lamp controlled by a pyrometer. The target product of the project, high-aroma onion powder, was processed by optimizing the drying conditions of onion puree using an infrared-assisted diffraction window hybrid drying system under controlled conditions. In these optimal drying conditions, drying and foam drying approaches were also tested by adding a carrier to the puree. 
In the optimization study, Response Surface Methodology Box-Behnken experimental design was used in Design-Expert version 13 software (Design-Expert for Windows, Stat-Ease Inc., USA). Circulation water temperature (75-95°C), puree surface temperature (30-40°C), and airspeed (0-1.2 m/s) were selected as independent variables. Desired aroma active component amount (maximum total area), undesired aroma active component amount (minimum total area), quercetin amount (maximum), browning index (minimum), and drying time (minimum) were selected as dependent variables. The aim was to ensure the preservation of desired bioactive components and the reduction of undesired ones under conditions expected to provide rapid drying of onion puree. All samples were dried by spreading them in 2 mm thickness until they reached a final moisture content of 3.5 ± 0.5%, and drying times were recorded. The optimal drying conditions were determined as 89.71°C circulation water temperature, 30°C puree surface temperature, and 1.2 m/s airspeed. The drying time under optimal conditions was recorded as 14 minutes.
Under the optimal conditions determined for drying onion puree in the developed hybrid dryer, mixture composition optimization with a carrier was also performed. This optimization study was conducted using the Mixture Optimal Experimental Design in Design-Expert version 13 software (Design-Expert for Windows, Stat-Ease Inc., USA). The components selected in an amount equal to 50% of the puree dry matter (4 g) were: β-cyclodextrin (0-1 g), Na-alginate (0-1 g), maltodextrin (0-4 g), and Arabic gum (0-4 g). The desired response variables were the amount of desired aroma active compounds (maximum total area), the amount of undesired aroma active compounds (minimum total area), the amount of quercetin (maximum), browning index (minimum), and drying time (minimum). The optimal mixture content was determined as 2.08 g maltodextrin and 1.92 g Arabic gum. However, the drying time for the optimal mixture content was recorded as 24 minutes.
For the foam puree drying approach, the density and stability of onion puree foams created by adding different amounts of soapwort extract and at different foaming times were examined, and the foaming conditions were optimized. It was found that the minimum foam density and maximum foam stability were achieved by adding 0.5% soapwort extract and foaming the puree for 3 minutes. Before adding the soapwort extract, the onion was shredded for 1 minute, allowing enzyme activity and preventing the soapwort extract from remaining in the shredding chamber. The drying time in the foam puree drying approach was reduced to 10 minutes.
The onion powder sample produced under optimal conditions was compared with its commercial imported and domestic counterparts through different model food trials. Sensory analysis results revealed that the onion powders produced from domestic onions using the developed hybrid technology were preferred more than commercial samples.
Compared to convective drying and freeze-drying methods, the drying approaches in the thesis significantly reduced the drying time from hours to minutes and produced high-quality onion powder that meets the desired characteristics. Specifically, for the production of additive-free plain onion powder, the newly developed hybrid system, a pyrometer-controlled infrared-assisted diffraction window dryer, produced a final product that was superior in many physical and chemical quality attributes compared to onion powder produced using the commonly used traditional method of convective drying.
The results obtained demonstrated that the developed hybrid drying method enabled the production of high-quality onion powder with a rich aroma content in a short time.