Su aktivitesi ve moleküler hareketlilik

Dunya Gida - - Haber - Prof. Dr. Semih Ötleş Büşra Çakaloğlu Ege Üniversitesi Gıda Mühendisliği Bölümü

Özet

Su aktivitesi kavramının ortaya atıldığı 1950’lerden bu yana, su aktivitesi; gıdaların stabilitesi ve fiziksel özellikleri üzerinde belirleyici bir parametre olmuștur. Zamanla, camsı geçiș kavramı da kullanılarak gıda sistemleri üzerinde yapılan çalıșmalar; yakın geçmiște ortaya atılan bir kavram olan moleküler hareketliliğin de gıdaların fiziksel özelliklerinin ve stabilitesinin tam olarak anlașılması adına temel bir yaklașım olarak ileri sürülmüștür. Mevcut literatür, moleküler hareketlilik ve yapı dikkate alındığında kararlılığın ancak tam olarak kavranabileceğini göstermektedir; diğer bir deyișle, gıda ürünlerinin davranıșının uygun bir biçimde anlașılması, çeșitli yapısal öğelerin üç boyutlu düzenlenmesi ve bunların etkileșimleri yoluyla bileșimi, yapısı ve moleküler dinamikleri hakkında bilgi gerektirir. Bilinmelidir ki molekü- ler bazda hareketlilik; gıdaların büyük bir kısmını olușturan, gıdanın muhafazasında, ișlenmesinde, mikrobiyal aktivitede rol oynayan suyla ilișkilidir. Bu çalıșmada su aktivitesi, su aktivitesinin moleküler hareketliliğe olan etkisi, ikinci dereceden faz geçișinden ziyade bir durum değișikliği olarak nitelendirilen camsı geçiș de irdelenerek ele alınmıștır.

Anahtar kelimeler; Su aktivitesi, Moleküler hareketlilik, Suyun hareketliliği, Camsı geçiș

Abstract

Since suggested in 1950s, the term of water activity has been a decisive parameter on the stability and physical properties of foods. Over time, studies on food systems using also the term of glassy transition, a recently introduced concept of molecular mobility, has been proposed as a basic approach to a full understanding of the physical properties and stability of foods. The current literature points that stability can only be fully understood

when considering molecular mobility and structure; in an other saying, a proper understanding of the attitude of food products requires knowledge of the composition, structure and molecular dynamics of three-dimensional organization of various structural elements and their interactions. It should be known that molecular mobility; related with the water which constitutes a large part of the foods and plays a role in the preservation of the foods also effect the microbial activity. In this study, water activity, the effect of water activity on molecular mobility, glass transition, which is described as a state change rather than a second phase transition, is examined.

Keywords; Water activity, Molecular mobility, Mobility of water, Glass transition

Giriș

Gıdaların içerdikleri su miktarı ve dayandırılma süreleri arasındaki ilișkinin anlașılmasından bu yana, suyun uzaklaștırılmasını temel alan pek çok muhafaza yöntemi geliștirilmiștir. Özellikle, gıdanın su içeriği, yeri ve diğer bileșenlerle etkileșimler, mikrobiyal büyüme, bozunma tepkimeleri ve duyusal yönleri açısından kritik öneme sahiptir. Su mevcudiyetindeki ve hareketliliğindeki değișimleri anlamak, suyun varlığının gıdaların kimyasal, fiziksel ve mikrobiyolojik kalitesini önemli derecede etkilediği için, gıda kararlılığı bilgisinin büyük bir bölümünü temsil etmektedir (Fundo ve Silya, 2017).

Su aktivitesi üzerine

Yalnızca su miktarının gıdaların dayanıklılığını belirlemede yetersiz kaldığı, benzer su miktarına sahip olan gıdaların dayanıklılıklarındaki ciddi fark görüldüğünde anlașılmıștır. Scott (1957) su aktivitesi kavramını dile getirmiștir. Böylece gıdada bulunan suyun bu gıdaya ne șekilde bağlı olduğu, mikrobiyolojik etkinliği/kullanım durumu ve enzimatik, kimyasal tepkimelerde kullanılabilme durumu su aktivitesiyle açıklanabilmiștir.

Pala ve Saygı (1983), Roult Yasası’nı yorumlayıp sabit bir sıcaklıktaki çözücü ve çözgenin buhar basınçlarının oranını su aktivitesi olarak tanımlamıș ve bunu gıdalara uyarladıklarında su aktivitesinin tanımı; gıdaların bünyelerinde barındırdıkları suyun buhar basıncının, aynı sıcaklıkta, saf suyun buhar basıncına oranı olarak dile getirmișlerdir.

Su aktivitesi kavramının yetersiz kaldığı noktalar (Rahman ve Labuza, 2007; Rahman, 2005, 2006; Chirife, 1994; Chirife ve Buera, 1996) tarafından yapılan çalıșmalarla tartıșılmıștır ve șu sonuçlara ulașılmıștır: Su aktivitesi denge halinde tanımlanırken, gıdalar denge halinde olamayabilir, örneğin düșük ve orta derecedeki nemli gıdalar; amorf, camsı, kristalize veya yarı kristalleșmiș halde olabilir. Su aktivitesinin kritik limitleri, pH, tuz, antimikrobiyal ajanlar, ısıl ișlem, elektromanyetik radyasyon ve sıcaklık gibi etkilerle daha yüksek ya da daha düșük değerlere değiștirilebilir. Su aktivitesi, NMR sinyalleriyle alakalı olsa da moleküler hareketliliğin ne zaman bașlayacağını tam anlamıyla gösterememektedir. Yalnızca bağlı ve serbest su miktarıyla bunların reaktifliğini göstermektedir. Ayrıca fiziksel değișikliklerin çoğunun (kristalleșme, yapıșkanlık, jelatinleșme, difüzivite gibi) sadece su aktivitesi ile açıklanması mümkün değildir. Su aktivitesinin bahsi geçen eksikliklerin farkına varılmasını takiben durum diyagramlarında su aktivitesini ve camsı geçiș kavramlarını birleștiren bir

makro-mikro bölge terimi ilk olarak 2008 yılında Prag’da Kimyasal ve Proses Mühendisliği Kongresi’nde (CHISA 2008) ileri sürülmüș ve 2009 yılında Uluslararası Gıda Mülkiyetleri Dergisinde yayınlanmıștır (Rahman, 2009).

Camsı geçiș

Gıda ve biyolojik sistemlerde cam geçișinin ilk ifadesi, 1960’lı yıllarda literatürde ortaya çıkmıștır (White ve Cakebread, 1966; Luyet ve Rasmussen, 1967). Gıdaların stabilitesi ağırlıklı olarak su içeriğine bağlı olduğundan ve cam geçiș sıcaklığı (Tg) de bu parametreye karșı oldukça hassas olduğundan, cam geçiș konsepti, gıda ürünlerinin proses mekanizmalarını anlamak ve raf ömrünü kontrol altına almak adına güçlü bir araç olarak görülür. Camsı geçiș ya da cam sıvı geçiși (GLT), așırı soğutulmuș yumușatılabilir bir sıvı ya da elastik bir malzemenin soğutulduktan sonra amorf katı camsı bir yapıya dönüșmesi ya da tam tersine kırılgan bir camsı yapının ısıtılınca așırı soğutulmuș bir sıvıya veya elastik bir yapıya dönüșmesiyle ilgilidir.

Camsı geçiș, sıcaklığın bir fonksiyonu olarak çizildiğinde; bir maddenin fiziksel, mekanik, elektriksel, termal ve diğer özelliklerinin eğiminde süreksizlik veya değișim ile karakterize edilen ikinci dereceden zamana ve sıcaklığa bağlı bir geçiș olarak ifade edilebilmektedir. Bununla birlikte yapısal hareketlilik olarak da nitelendirilebilir (Rahman, 2010).

Camsı geçiș sıcaklığının düșük olması; bir gıda ürününün oda sıcaklığında yumușak ve plastik bir yapıda olduğu, daha yüksek sıcaklıklarda da akıșkan özellik kazandığını göstermektedir. Bu durumun tersi de geçerlidir; camsı geçiș sıcaklığının yüksek olduğu bir gıda, oda sıcaklığında sert ve kırılgan bir davranıș sergiler. Bu durumda, gıda düzenli yapıda bir kristal form sergilemez; amorf yapıdadır. Ancak akıșkan haldeki gibi düzensiz davranıșına devam eder. Diğer bir deyișle; fiziksel anlamda bir katı olarak kabul edilmesine rağmen termodinamik bir akıșkana benzer davranıș sergilediği görülür (Çağdaș ve Seydim, 2014).

Araștırmalar göstermiștir ki gıdalar camsı geçiș bölgesinin altında oldukça dayanıklıdır çünkü bu sıcaklığın altındaki değerlerde yoğunlaștırılmıș fazdaki su, kinetik olarak hareketsiz duruma gelir ve tepkimelerde yer alamaz. O halde bir gıda; camsı geçiș sıcaklığından daha düșük sıcaklıklarda en dayanıklı formundadır ve bu gıdanın sıcaklığı ile Tg arasındaki fark arttıkça bozunma tepkimelerinin hızı da doğru orantılı bir șekilde artar (McFetridge, 2004). Böylece gıdaların kristalizasyonu, kurutma ișleminde gözenek olușumu ( Rahman, 2005), hidrolizi süresince dayanıklılığının saptanmasında camsı geçiș sıcaklığı belirleyici bir parametre olarak karșımıza çıkmaktadır (Bell, 2000).

Camsı geçiș sıcaklığının; gıdanın içerdiği su miktarı ve sıcaklığa karșı değișiminin çizildiği grafik Șekil 1’de g ö r ü l m e k t e d i r. Buna göre moleküler hareketliliğin artması, iç viskozitenin giderek azalması nedeniyle gıdanın plastikleștiği sonucuna ulașılabilir. Moleküller arasındaki etkileșimlerin artması sonucu gıda akıșkan davranıșa yönelir ve bir kuvvet uygulanırsa bu kuvvetin etkisiyle akıșkanlık sergileyebilir (Carter, 2012).

Gıda sistemlerinde su miktarının az olması camsı yapıyı olușturan belirleyici parametrelerden birisidir. Su; katının moleküler büyüklüğüne ve bulunduğu ortamın sıcaklığına bağlı olarak camsı yapının içerisinde, plastik yapıda olduğundan daha zor difüze olmaktadır. Böylece nem adsorbsiyonu camsı yapıyı plastiksi yapıya dönüștürür ve sorpsiyon izotermini de etkilemiș olur (Aykın, 2015).

Moleküler hareketlilik

Besin sistemleri, su, biyopolimerler, düșük molekül ağırlıklı içerik maddeler ve kolloid parçacıkları karmașık karıșımlarıdır ve bu farklı bileșenler arasındaki moleküler hareketlilik, bu tür sistemlerin kararlılığını, gıda özelliklerini etkileyen fiziksel durumu, mikroyapıyı ve bileșimi belirtir (Fundo, 2017).

Su aktivitesi, çözgen konsantrasyonu, sıcaklık, bağıl nem, basınç gibi etmenler moleküler hareketliliği etkiler (Çağdaș ve Seydim, 2014).

Moleküler hareketliliğin kapsadığı değișik hareket türleri șunlardır: Bir solvent göçü veya mekanik zorlanma sonucu moleküler yer değiștirme veya deformasyon, bir kimyasal potansiyel gradyanı veya elektrik alanı nedeniyle çözücü veya çözünen moleküllerin göç etmesi ve kovalent bağlar etrafındaki atom gruplarının veya polimerik parçaların rotasyonu (Champion ve ark., 2000; Roudaut ve ark., 2004).

Moleküler hareketlilik, bir ürünün içindeki reaktanların birbirlerine doğru yer değiștirmesini kapsadığı için reaksiyonlar degradatif olduğunda, kristalleșme süreçlerine ya da hem kimyasal hem de enzimatik reaksiyonlara neden olabilir. Bunların yanı sıra, moleküler hareketlilik aynı zamanda akıș özelliklerini, yapıdaki değișiklikleri, mekanik özelliklerini ve dolayısıyla ürünün dokusunu kontrol eder, malzemenin viskozitesiyle de ilgilidir (Roudaut ve ark., 2004).

Suyun hareketliliği

Suyun moleküler hareketliliği genellikle bir gıda stabilitesi göstergesi olarak ele alınmıștır ancak sınırlı deney verileri mevcuttur (Vittadini ve diğerleri, 2005).

Gıdaların büyük bir kısmını olușturan su, gıda sistemlerinde hareket eder. Bu hareket gıdanın bünyesinde barınan suyun bağlı ya da serbest halde olmasıyla ve dolayısıyla suyun aktivitesiyle ilișkili görülmektedir.

Diğer bir deyișle belli bir su aktivitesinde, moleküllerin bazıları hareketli olabildiği gibi bazıları da hareketsiz olabilir veya camsı geçiș sıcaklığının altında ya da üzerinde hareketli olabilir. Bölgesel ya da bütün olarak bir hareket de söz konusu olabilir ( Çağdaș ve Seydim, 2014). Yani aslında suyun hareketliliği dolayısıyla reaktanların hareket yeteneği etkilenir ve bir tepkimenin gerçekleșme durumunu belirleyen suyun hareketliliğidir.

Bu bağlamda suyun hareketinin anlașılması önemlidir ve gıdaların stabilitesi üzerine önemli bir etken olan camsı geçișin üzerinde veya altında gerek moleküler hareketin gerek suyun hareketinin tam anlamıyla açıklanabilmesi için yapılan çalıșmalarda NMR tekniği kullanılmaktadır (Huang ve ark., 2011; Picouet ve ark., 2012; Carini ve ark., 2013).

Gıdaların stabilitesinin sağlanması ve daha iyi anlașılması adına farklı teoriler öne sürülmüștür. Bazı araștırmacılar, sistem hareketliliğini tanımlayan bir parametreden cam geçiș sıcaklığının (Tg) mikrobiyal tepkiyle yakından ilișkili olduğunu iddia etmektedirler (Slade ve Levine, 1987). Tg teorisi makromoleküler haldeki hareketliliği dikkate alır ve bu sebeple makromoleküllerin fiziksel durumunu ve genel hareketliliğinin nitelendirilmesini sağlayan bir etmendir. Aslında, bahsi geçen hareket; su gibi daha küçük moleküllerin moleküler hareketliliğinden farklıdır (Vit

tadini, 2005).

Sonuç

Su aktivitesi kavramı, matristeki su moleküllerinin bağlayıcı niteliğine dayanır. Su, katı matristen veya çözücü olmayan maddeye bağlandığında (yani, reaksiyonlara katılmak için kullanılamazsa) bozulma reaksiyonları beklenmez. Cam geçiș kavramı, bir matrisin hareketliliğine dayanır, bu nedenle reaktanların difüzivitesi, sistemler boyunca reaksiyonlarda yer almak için çok yavaștır ve kararlılık sağlanır. Bununla birlikte, diğer yapı tașlarının eklenebileceği bir temel olușturulabilir. Her iki kavramın birleștirilmesi kararlılık belirleme için güçlü bir araç olabilir. Su aktivitesinin ve cam geçișinin bașarılı bir kombinasyonu gıdanın kararlılığını belirleyen kriterlerin daha kesin ve birleșik olarak öne sürülmesini

sağlayabilir. Moleküler hareketlilik akıș özellikleri, mekanik özellikler, gıdanın doku özellikleri ve viskozite ile yakından ilgilidir. Moleküler ve makromoleküler düzeyde suyun hareketliliği; moleküler hareketten biraz farklıdır bu fark suyun diğerlerine göre küçük bir molekül olmasından ileri gelmektedir. Son olarak; gıdanın fiziksel, kimyasal, mikrobiyal özellikleri üzerinde, ișlenme ve depolama koșullarının belirlenmesinde anlașılması çok önemli olan gıdanın stabilitesinin belirlenmesinde göz önünde bulundurulması gereken parametreler, su aktivitesiyle birlikte suyun ve moleküllerin camsı geçișin altında veya üzerindeki hareket mekanizmalarıdır.

Kaynaklar

Aykın, E., Arslan, S., Durak, A. N., Erbaș, M. (2015). Gıdalarda bulunan suyun fizikokimyasal durumu ve sorpsiyon izotermleri. İçindekiler/Content, 109.

Bell, L. N., & White, K. L. (2000). Thiamin stability in solids as affected by the glass transition. Journal of Food Science, 65(3), 498-501.

Bubnik, Z., Sarka, E., Kadlec, P., Houska, M., CHISA 2008 – Symposium food processing and technology, Page 401.

Carini, E., Curti, E., Littardi, P., Luzzini, M., & Vittadini, E. (2013). Water dynamics of ready to eat shelf stable pasta meals during storage. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 17, 163-168.

Carter, B. P., & Schmidt, S. J. (2012). Developments in glass transition determination in foods using moisture sorption isotherms. Food chemistry, 132(4), 1693-1698.

Champion, D., Le Meste, M., Simatos, D. ( 2000). Towards an improved understanding of glass transition and relaxations in foods: molecular mobility in the glass transition range. Trends in Food Science & Technology, 11(2), 41-55.

Chirife, J. (1994). Specific solute effects with special reference to Staphylococcus aureus. Journal of food engineering, 22(1), 409-419.

Chirife, J., del Pilar Buera, M., & Labuza, T. P. (1996). Water activity, water glass dynamics and the control of microbiological growth in foods. Critical Reviews in Food Science & Nutrition, 36(5), 465-513.

Çağdaș, E., & Seydim, A. C. (2014). Moleküler Hareketlilik: Gıdaların Muhafazası ve İșlemesinde Yeni Bir Yaklașım. GIDA/THE JOURNAL OF FOOD, 39(5).

Fundo, J. F., & Silva, C. L. ( 2017). Microstructure, composition and their relationship with molecular mobility, food quality and stability. In Food Microstructure and Its Relationship with Quality and Stability (pp. 29-41).

Huang, Y., Davies, E., Lillford, P. (2011). Effect of So- lutes and Matrix Structure on Water Mobility in Glycerol− Agar− Water Gel Systems: A Nuclear Magnetic Resonance Approach. Journal of agricultural and food chemistry, 59(8), 4078-4087.

Luyet, B., Rasmussen, D. (1967). Study by differential thermal analysis of the temperatures of instability of rapidly cooled solutions of glycerol, ethylene glycol, sucrose and glucose. Biodynamica, 10(210), 167-191.

McFetridge, J., Rades, T., & Lim, M. (2004). Influence of hydrogenated starch hydrolysates on the glass transition and crystallisation of sugar alcohols. Food research international, 37(5), 409-415.

Pala, M., & Saygı, Y. B. (1983). Su Aktivitesi ve Gıda İșletmelerindeki Önemi. Gıda Dergisi, 8(1).

Picouet, P. A., Sala, X., Garcia-Gil, N., Nolis, P., Colleo, M., Parella, T., & Arnau, J. (2012). High pressure processing of dry-cured ham: Ultrastructural and molecular changes affecting sodium and water dynamics. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 16, 335-340.

Rahman, M. S. (2005). Dried food properties: challenges ahead. Drying Technology, 23(4), 695-715.

Rahman, M. S. (2006). State diagram of foods: Its potential use in food processing and product stability. Trends in Food Science & Technology, 17(3), 129-141.

Rahman, M. S. (2010). Food stability determination by macro–micro region concept in the state diagram and by defining a critical temperature. Journal of Food Engineering, 99(4), 402-416.

Rahman, M. S., Labuza, T. P. (2007). Water activity and food preservation, In: Rahman, M.S. (Ed.), Handbook of Food Preservation, second ed. CRC Press, Boca Raton, FL, pp. 447–476.

Roudaut, G., Simatos, D., Champion, D., Contreras-Lopez, E., & Le Meste, M. (2004). Molecular mobility around the glass transition temperature: a mini review. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 5(2), 127-134.

Scott, W. J. (1957). Water relations of food spoilage microorganisms. Advances in food research, 7, 83-127.

Slade, L., & Levine, H. (1987). Structural stability of intermediate moisture foods—a new understanding. Food structure—Its creation and evaluation, 115-147.

Vittadini, E., Chinachoti, P., Lavoie, J. P., & Pham, X. (2005). Correlation of microbial response in model food systems with physico-chemical and “mobility” descriptors of the media. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 6(1), 21-28.

White, G. W., Cakebread, S. H. (1966). The glassy state in certain sugarcontaining food products. International Journal of Food Science & Technology, 1(1), 73-82.

Newspapers in Turkish

Newspapers from Turkey

© PressReader. All rights reserved.