Süper Kritik Karbondioksit

Karbondioksitin Gıda
Endüstisinde Kullanımı
 Gıda endüstrisinde karbondioksit gıda
işleme ve gıda muhafazasında farklı
şekillerde kullanılabilmektedir
1.Gıda işleme amacıyla karbondioksit kullanımı
Süper Kritik Karbondioksit
 Süper Kritik akışkan nedir?
 Maddeler katı, sıvı ve gaz hallerde bulunmaktadır. Ancak
gazlar kritik sıcaklıklarının üzerinde ısıtılır ve basınç
uygulanırsa süper kritik faz adı verilen dördüncü bir faza
geçerler. Bir maddenin kritik sıcaklığı (Tc), o sıcaklığın
üzerinde ne kadar basınç uygulanırsa uygulansın
sıvılaştırılamayacağı maksimum sıcaklıktır. Bu
sıcaklıktaki basınç da kritik basınçtır (Pc). Sıvı ve gaz
evrelerin aynı özellikleri aldığı noktaya “kritik nokta”, bu
nokta üzerindeki bölge de “Süperkritik bölge” adını alır.
Faz diyagramı
Süperkritik akışkanların özellikler
 Süperkritik akışkanların sıvı –gaz arası özellikleri vardır. Sıvıya benzer
yoğunlıkları olup sıvı bir çözücü gibi davranırlar.Düşük viskozite ve kütle
transfer özelliği veren iyi difüzyon özelliklerine sahiptirler.

Yüksek bağıl yoğunlukları iyi bir çözgen özelliği kazandırır
Süperkritik akışkanın yoğunluğu, sıcaklık ve basınca bağlıdır.Belli bir
basınçta sıcaklık artırıldığında veya belli bir sıcaklıklta basınç azaltıldığında
yoğunluk azalır.Bu özellikten yararlanılarak ekstraktların fraksiyonlanması
mümkün olmaktadır. Bir süperkritik akışkanın çözme gücü yoğunluğuna ve
çözünen ile arasındaki kimyasal ilgiye bağlıdır. Kritik noktada çözme gücü
en düşük değerdedir.
 Buharlaşma gizli ısısı sıfır, bu nedenle ısı kapasitesi çok yüksektir.
 Sistemin enerji gereksinimi azdır. Yüzey gerilim katsayıları ve viskoziteleri
düşüktür ve bu nedenle pompalama masrafları düşüktür.
Süperkritik Karbondioksit
 Karbondioksit,aseton, toluen, metanol,amonyak gıda endüstrisinde sıklıkla
kullanılan süperkritik akışkanlardır.
 Bunlar içinde karbondioksit bir süperkritik akışkanda aranılan bütün
özellikleri taşıdığı için gıda endüstrisinde kullanımı gittikçe
yaygınlaşmaktadır.
 Kritik sıcaklığı 31oC ve kritik basıncı 7,38 MPa’dır. Ayrıca inerttir. Kuru
ortamda korrozif değildir.Yanıcı ve patlayıcı değildir. Gıdaya ve çevreye
zarar vermez. Basınç düşürüldüğünde karbondioksit gaz halinde kolaylıkla
çözünenden ayrılır. Ekstraksiyon basınç ve sıcaklıklarında yapılacak küçük
artış veya düşüşler, çözücünün viskozite ve yoğunluk gibi fiziksel
özelliklerini kolayca değiştirdiği için çözücünün seçiçiliği artar.
 Çok yönlü kullanılabilir. Hem katı, hem de sıvı sistemler için uygundur. Kütle
transfer kapasitesi yüksektir.
 Gıda endüstrisinde kullanılan çözücüler toksik olmamalı, istenmeyen
kalıntılar bırakmamalıdır. Aynı zamanda patlayıcı olmamalı, ucuz
olmalı,kolaylıkla gıdadan ayrılabilmelidir. Karbondioksit bu özellikleri
taşımaktadır.
Süperkritik Karbondioksit İçinde Çözünürlük
 CO2 apolar bir madde olduğu için apolar maddeleri çözer. Düşük
molekül ağırlıklı hidrokarbonlar, lipofilik organik bileşikler (eterler,
esterler) kolaylıkla ekstrakte edilir.
 Yağ asitleri ve trigiseritler düşük çözünürlüğe sahiptir.
 Genellikle hidroksil ve karboksil grupları maddelerin süperkritik CO 2
içinde çözünürlüğünü azaltır. Alkaloidler, fenoller ve çoğu anilin
bileşikleri düşük çözünürlüktedir. Meyve asitleri ve birçok inorganik
tuzlar süperkritik CO2’de çözünmezler. Karboksilik asitler gibi polar
bileşikler eğer düşük molekül ağırlıklı ise çözünürlük gösterir.
 Polar ve yüklü maddeler örneğin şekerler ve aminoasitler süperkritik
CO2 ‘de çözünmezler. Amidler ve üre de düşük çözünürlük gösterir.
Süperkritik Karbondioksit İçinde Çözünürlük
 Düşük molekül ağırlıklı, ortalama polariteye sahip olan
bileşikler, örneğin kafein, kolesterol ve alkoller belli
düzeyde süperkritik CO2’de çözünürler.
 Mumların, reçine ve pigmentlerin çözünürlükleri
süperkritik CO2’din yoğunluğunun yükselmesiyle
artırılabilir.
 Genellikle bileşiğin C-C çift bağ sayısı arttıkça
çözünürlük artar.
 Büyük moleküller örneğin selüloz ve proteinler, klorofil de
süperkritik karbondioksit içinde çözünmezler.
Kosolvent
 Süperkritik CO2 içinde bir maddenin çözünürlüğü
az miktarda kosolvent veya yardımcı çözücüler
ilavesiyle artırılabilir.
 Kosolvent olarak aseton, metanol ve etanol
gibi bileşikler kullanılmaktadır.
 Çözünürlük artışının nedeni çözünen ile
yardımcı çözücü arasındaki interaksiyonlar
sonucu oluşan H bağlarıdır.
Gıda Endüstrisinde Süperkritik CO2Uygulamaları
 1.Dekafeinizasyon
Düşük miktarlarda uyarıcı, yüksek dozlarda ise
uyuşturucu özelliği gösteren kafein mide, kalp
rahatsızlığı olan tüketiciler tarafından tercih
edilmemektedir.
Bu nedenle kahveden kafeinin uzaklaştırılması yaygın
olan bir uygulamadır. Kahveden kafeinin süperkritik CO 2
uzaklaştırılması 1978 yılından beri yapılmaktadır.Bu gün
dünyada bu temele dayalı iki firma tarafından alınan
patent bulunmaktadır.
 Kahveden kafeinin uzaklaştırılmasında kahve
taneleri ıslatılarak CO2’nin kafein seçiciliği
artırılır.Bu yöntemde kahve çekirdeğinde kafein
miktarı %0,02’ye kadar düşürülebilir. Ancak çoğu
zaman bu kadar düşük kafein miktarı istenilmez.
 Organoleptik özellikler açısından, kafeinli kahve
ile bu yöntemle elde olunan kafeinsiz kahve
arasında önemli farklar bulunmamaktadır.
 2. Lipit ve Kolestrolun Uzaklaştırılması
 Kolesterol süperkritik CO2 ‘de çözünebilir. Bu nedenle hayvansal
yağlardan veya yumurtanın sarısından kaliteyi bozmadan
kolesterolun uzaklaştırılması, et ezmeleri ve süt yağının
fraksiyonlanması yoluyla dayanıklılığının artırılması konusunda
çalışmalar yapılmaktadır.
 Günümüzde yaygın olarak tüketilen patates cipsinin yağ miktarını
düşürmek amacıyla da süperkritik CO2’den
yararlanılmaktadır.Patates cipsleri geniş yüzey alanlı ince
parçacıklar olduklarından ekstraksiyon prosesi hızlıdır, patatesin
yapısında ve lezzetinde her hangi bir değisiklik olmadan yağ miktarı
%50 kadar azaltılabilmektedir. Böylece %40 0lan yağ miktarı
%20’lere düşürülebilmektedir.
 Diyet kuruyemiş üretiminde de ürünün yağ dolayısıyla kalori
içeriğinin azaltılması amacıyla da süperkritik CO2 kullanılmaktadır.
 3.Bitkisel Yağ Ekstraksiyonu
 Süperkritik karbondioksit bitkisel yağ üretiminde de yağ
ekstraksiyonu amacıyla kullanılabilmektedir. Bu
uygulamada çoğu zaman etanol, n-heksan veya aseton
gibi “kosolvent” veya “modifier” kullanılmaktadır.Pahalı
bir yöntem olmakla birlikte basınç kademeli olarak
düşürülerek fraksiyonlama işleminin yapılmasına olarak
sağlamaktadır.
SC-Akışkan Uygulamalarının
Dezavantajları
 Yüksek kurulum maliyeti
 Bazı koşullarda basınç kontrolünün zor
olması
 Güvenlik nedenleri
.
2.Gıda muhafazasında karbondioksit kullanımı
Basınçlı Karbondioksit Uygulamaları
 Gıdaların yüksek basınçlı gaz ile muhafazasında
en yaygın olarak kullanılan gaz karbondioksittir.
 Karbondioksit birçok özelliği bakımından gıda
muhafazasında kullanılmaya uygundur.
Örneğin, yanıcı ve toksik değildir, gıda
bileşenlerine karşı kimyaca inert ve ucuz bir
gazdır.
 Basınçlı karbondioksitten gıda endüstrisinde
değişik amaçlarla yararlanılmakta olup eğer
ortamda su varsa basınçlı karbondioksit
antimikrobiyel madde olarak da kullanılabilir.
Basınçlı karbondioksidin mikroorganizmalara etkisi

 Yüksek basınç altında karbondioksidin
mikroorganizmalara etkisi, yüksek
hidrostatik basıncın etkisine benzerlik
göstermekle birlikte karbondioksidin bazı
niteliklerinden dolayı bu etkiye aşağıdaki
mekanizmaların da eklenmesi gerekir.
Hücrenin basınç
uygulamasından önce
patlaması
Hücre bileşenlerinin
ekstraksiyonu
Yüksek
Basınçlı CO2
CO2’nin
Hücre
İçine
Difüzyonu
Hücre içi pH’sının
düşmesi
Yüksek basıncın
enzimleri etkisiz hale
getirmesi
Hücrenin basınç
uygulaması sırasında
patlaması
Bakterinin
etkisiz hale
gelmesi
 Basınçlı karbondioksit uygulamasında
mikroorganizmaların inaktivasyonu gıdanın nem içeriği
ile ilişkilidir. Meyve suyu gibi sıvı gıdalarda 13.7 MPa'da,
35°C'de 120 dakikadan daha uzun süreli uygulamalarda
vejetatif hücre sayısında 103 düzeyinde bir azalma
sağlanabilmektedir.
 Su miktarı %25'den fazla olan katı gıdalarda ise 62
MPa'lık karbondioksit basıncının 40°C'de 30-120 dakika
süreyle uygulanması vejetatif hücre sayısında belli bir
azalma için yeterli olabilmektedir. Ancak bu düzeyde bir
uygulama kuru gıdaların mikroorganizma yükünün
azaltılmasında yetersiz kalmaktadır
 Ortamda su bulunması halinde gaz
formundaki karbondioksit basıncın
etkisiyle" gıdanın sıvı fazında çözünür ve
oluşan karbonik asit dissosiye olmamış
formda ortamda bulunan mikroorganizma
hücresi içine alınır. Karbonik asidin
etkisiyle hücre içeriğinin pH değeri düşer.
Bu da koagulasyona neden olur
 Karbondioksidin düşük sıcaklıklarda
basınç etkisiyle suda çözünürlüğü
arttığından sıcaklığın azalması ile
antimikrobiyel etkisi de artmaktadır. Ancak
bu durum süperkritik karbondioksit için
geçerli değildir. Süper kritik karbondioksit
mikroorganizma hücresinin önemli
bileşenlerinin ekstraksiyonuna neden
olarak hücrenin ölümüne yol açtığı halde,
 Karbondioksit gibi bir gaz basıncı yardımıyla
mikroorganizmaların öldürülmesinde, uygulanan
basıncın hücre üzerinden aniden kaldırılması da ölüm
üzerine etkili olmaktadır. Çünkü CO2 basınç etkisiyle
hücre içindeki sıvıda çözünmekte ve basıncın aniden
kaldırıIması sonucu oluşan gaz habbecikleri hücre
duvarını ve sitoplazmayı zedelemektedirler.
 Basınçlı karbondioksit uygulama yöntemi baharat,
hububat gibi gıdalarda bulunabilen insekt ve bunların
larvalarının (depo zararlıları) öldürülmelerinde
kullanılabilir.Bu nedenle basınçlı karbondioksit
uygulamaları “organik ürünlerin” üretiminde
kullanılmaktadır.
 Karbondioksit basıncının depo zararlılarının
öldürülmesindeki etkisinin detayları tam olarak
bilinmemekle birlikte bu konuda en az üç farklı
etkinin rol oynadığı sanılmaktadır.
 Bunlar;
 basınç etkisiyle çözünen-karbondioksidin
(karbonik asit) hücre sıvısının ve böceklerde
hemolimfin (vücut sıvısı) asitliğinin artmasına yol
açması,
 basıncın aniden kaldırılmasının etkisi (vurgun),
 ortamdaki oksijenin uzaklaştırılmasıdır .
 Ortamdaki oksijenin uzaklaştırılması hermetik
kapalı tanklarda veya odalarda kontrollu
atmosfer oluşturmaktır ve ticari olarak EcO2
uygulaması olarak bilinmektedir.Tankların
dayanabildiği basınç 20-30 bar
cıvarındadır.Tank uygulama yapılacak genellikle
paketlenmiş bakliyat, hububat gibi ürünle
doldurulduktan sonra,depo tankından işlem
tankına alınan CO2 alınır ve belli bir basınç
altında belli bir süre tutulur. Uygulamadan sonra
ürün ya diğer işlem aşamalarına veya yine
kontrollu atmosfer depolara alınır.
Kakaodan yüksek basınçlı CO2 yöntemiyle yağ
ekstraksiyonu ve mikroorganizmaların inaktivasyonu
 Kakao üretiminde yağ esktraksiyonunu artırmak için
kavurma uygulamasının bazı olumsuz etkileri
bulunmaktadır.Kavurma ile kakaonun
mikroorganizma yükü azalsa bile, kavurma sırasında
kakaonun flavonoid içeriği azalmaktatır.
 Yüksek basınclı karbondioksit ile yapılan
ekstraksiyonda kademeli basınç artışının bakteri
sporlarının inaktivasyonunu arttırdığı gözlenmiştir.
İnaktivasyon sporların çevresindeki koşulların ani
olarak değiştirilmesi ile sağlanmıştır.
• Hücre zarından CO2 girişini kolaylaştırmak için nem
içeriği ~%8.1 olan kakaoya su eklenmiştir ve lethal etki
daha düşük basınçlarda da gösterilmiştir. Bu da
kakaodan yağ ektrakte olmadan inaktivasyon
yapılabileceğini göstermiştir.
 Çalışma sonucunda eklenen suyun polifenol
ekstraksiyonunu azaltmadığı, yağ ekstraksiyonunu ise
arttırmadığı gözlenmiştir.
 Bu yöntemin ısıya dirençli sporlara dezenfeksiyon
ajanına gerek olmadan minimum 65°C’de etkili
olabileceği gösterilmiştir.
 Ayrıca bu çalışma küf sporları üzerinde de etkili
olmuştur.
Basınçlı karbondioksit uygulamalarının gıda
bileşenlerine etkileri ve kullanım alanları
 Basınçlı CO 2 uygulamalarının hububat,
bakliyat, baharat ve meyve suyu gibi
ürünlerin renk ve aroma bileşenlerinde bir
değişime neden olmadığı saptanmıştır.
Yine bu uygulamarın hububatta
çimlenmeyi ve ekmekcilik kalitesini de
olumsuz etkilemediği bildirilmektedir.
Basınçlı karbondioksit uygulamalarında
yararlanılan sistemler
 Depo zararlılarının inaktivasyonu amacıyla basınç
altında karbondioksit uygulamaları Carvex® ve PEX
yöntemlerine göre gerçekleştirilmektedir. Carvex®
yönteminde çevre sıcaklığında 4 MPa düzeyindeki
karbondioksit basıncı uygulanır.
 PEX yönteminde (pressure, expansiyon) ise önce 5 MPa
düzeyinde karbondioksit basıncı uygulandıktan sonra, bu
basınç aniden kaldırılır.
 Basınçlı karbondioksit kullanımı günümüzde organik
hububat ve baklagil gibi ürünlerin depo zararlılarından
korunması amacıyla kullanılmaktadır.
