Yüksek hidrostatik basıncın süt ve süt ürünleri üzerine uygulanması

Yüksek hidrostatik basınç prosesi süt ve süt ürünlerine uygulandığı zaman mikrobiyel olarak güvenli ve minimum işlenmiş ürün üretme, raf ömrünü arttırma, daha yüksek besinsel ve duyusal değerler elde etme gibi bazı avantajlar sunduğu için son yıllarda bu konuda yapılan çalışmalar artış göstermektedir. Yüksek hidrostatik basınç (YHB) süt bileşenleri üzerinde özel etkilere sahiptir. Basıncın süt bileşenleri üzerinde yarattığı indüklenmiş etkilerden dolayı sütün birçok özelliği değişmekte ve bu nedenle sütün süt endüstrisinde işlenebilirliğini etkilenmektedir. Bu derlemede YHB’ın süt ve süt ürünleri üzerindeki etkileri irdelenmektedir.

Deniz Günal, Gülsün Akdemir  Evrendilek (Abant İzzet Baysal Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Gıda Mühendisliği Bölümü  Gölköy Kampüsü 14280 Bolu)

GİRİŞ

Son yıllarda gıda alanında üretici ve tüketicilerin katkısız ve tazeye yakın özelliklerini koruyan gıdalara yönelmesi nedeniyle yeni teknolojilere olan ilgi artmaktadır (Earnshaw, 1996, Gaucheron  ve ark., 1997; Hendrickx ve ark., 1998). Gıda endüstrisinde popülarite kazanan modern teknolojiler arasında termal olmayan uygulamalar ve özellikle  gıdalarda yüksek kalite ve besin değerine sahip, daha güvenilir ve raf ömrü uzatılmış gıdaların eldesini sağlayan yüksek hidrostatik basınç uygulaması (YHB) dikkat çekmektedir (Balasubramaniam ve Farkas, 2008; Hendrickx ve ark., 1998).

Gıdaların YHB basınç ile prosesi aslında yeni bir teknoloji değildir, çünkü yüksek basınçta gıda muhafazası konusunda ilk araştırmadan bu yana neredeyse yüz yıl geçmiştir (Earnshaw, 1996). Süt muhafazası için yüksek basınç uygulamaları üzerine araştırmalar 1899 yılında Hite (1899) tarafından sütün ve diğer gıdaların raf ömrünün basınç uygulamasıyla uzatılabileceğini kanıtladığında başlamıştır. Süte uygulanan ~1400 veya ~460 MPa basıncın sütün 1 saat oda sıcaklığında sırasıyla 4 gün veya 24 saat muhafaza edilmesini sağladığı kaydedilmiştir. Ayrıca süte oda sıcaklığında 10 dk ~680 MPa basınç uyguladığında mikrobiyel yükte 5-6 log azalma kaydedilmiştir. Yüksek basınç ve ısı (67-71 ºC) kombine olarak uygulandığında da raf ömrünün uzadığı belirtilmiştir.

Genel olarak YHB’ın kullanımının üç amacı vardır:

1. Yüksek basınç mikroorganizmaların morfolojilerini, biyokimyasal reaksiyonlarını, genetik mekanizmalarını etkiler, ve mikroorganizmaların hücre membranı ve duvarında değişikliklere yol açarak inaktivasyonuna neden olur.
2. Yüksek basınç protein ve polisakkarit gibi biyopolimerlerin yapısını stabilize eden kovalent olmayan interaktif kuvvet üzerinde rol oynar. Sonuç olarak; yüksek basınç gıda makromoleküllerinin denaturasyonu, kümeleşmesi ve jel oluşumuna neden olur.
3. Yüksek basınç enzim substratının konformasyonunda değişimlere veya enzimlerin inaktivasyonuna bağlı olarak enzim aktivitesini etkiler  (Huppertz  ve ark., 2002; O’Reilly  ve ark., 2001).

Isıl işlemler gıdaların pastörizasyonu ve sterilizasyonunu kapsayan birincil ve en yaygın gıda prosesidir, fakat sıcaklık uygulamaları gıda kalitesinde azalmalara ve duyusal özelliklerde değişime neden olmaktadır (Earnshaw, 1996). Termal işlemlerle kıyaslandığında kovalent bağlar kırılmadığı için YHB uygulanması ile gıdaların besinsel değeri, tadı, rengi, lezzeti veya vitamin içeriği daha az zarar görür (Black ve ark., 2005; Earnshaw, 1996; O’Reilly  ve ark., 2001). Bu nedenle; aminoasitler, vitaminler ve lezzet bileşenleri gibi küçük moleküller yüksek basınçtan etkilenmeden kalır, fakat; protein, enzim, polisakkarit ve nükleik asit gibi büyük moleküllerin yapısı değişir (O’Reilly  ve ark., 2001).

YHB uygulamaları 100-1000 MPa basınç aralığında ve genel olarak 0 ile 100°C arasındaki sıcaklıklarda birkaç milisaniye ile 20 dak arasında gerçekleştirilmektedir (Earnshaw, 1996; Hendrickx ve ark., 1998). Tipik YHB sistemi yüksek basınç tankı ve kapağı, basınç geliştiren sistem ve sıcaklık-kontrol sisteminden oluşmaktadır. Ambalajlanacak ürünlerde genel olarak materyal ambalajlama sistemi de YHB ünitesi ile birlikte kullanılmaktadır (Balcı ve Wilbey, 1999; Huppertz  ve ark., 2002) (Şekil 1 ve 2).

Şekil 1.Direkt ve endirekt yüksek basınçta gıda işlemenin şeması ve ana ekipmanların şematik diagramı (Earnshaw, 1996; Huppertz ve ark., 2002).

GIDALARA YÜKSEK HİDROSTATİK BASINÇ UYGULAMASININ PRENSİBİ

Bir madde artan basınca maruz bırakılırsa birçok değişim görülür. Basınç altında biyolojik makromoleküllerin davranışı süt üzerinde yüksek basıncın etkilerini anlamak için önemlidir. Basınç altında biyomoleküller Le Chatelier-Braun ilkesine uyar (Balcı ve Wilbey, 1999; Earnshaw, 1996; Gaucheron ve ark., 1997; Hendrickx ve ark., 1998; Huppertz  ve ark., 2002). Örneğin; denge durumunda bir sisteme kuvvet ne zaman uygulanırsa uygulansın sistem uygulanan kuvvete tepki verir. Bu nedenle, azalan hacimle sonuçlanan reaksiyon yüksek basınç altında desteklenir. Benzer reaksiyonlar gıdalarda mikroorganizmalar veya enzimlerin inaktivasyonuna neden olabilir (Huppertz  ve ark., 2002). Sıkıştırma boyunca su ve asit molekülleri artan iyonizasyon gösterirler. Yaşayan hücrelerin biyokimyasında bu minör değişimler mikroorganizmalar üzerinde birincil derecede öldürücü etkiye neden olmaktadır. Protein ve lipidlerde faz değişimleri ayrıca basıncın arttırılmasıyla de yürütülebilir. Bu modifikasyonlar daha çok antimikrobiyel etkilere neden olmada önemlidir (Earnshaw, 1996).

YÜKSEK HİDROSTATİK BASINCIN SÜTTE MİKROORGANİZMALARA ETKİSİ

Mikroorganizmalar üzerinde basıncın etkisi büyük oranda değişkendir (Balasubramaniam ve Farkas, 2008; Earnshaw, 1996); türler hatta suşlar arasında farklılıklar görülebilmektedir (Balasubramaniam ve Farkas, 2008). Mikroorganizmalar üzerinde basıncın etkisini belirleyen değişkenler basıncın yoğunluğu ve basınç uygulamasının uzunluğu, başlangıç mikroorganizma sayısı ve gelişme evresi, ortamın kompozisyonu, sıcaklık, gıda kompozisyonu, su aktivitesi vb. parametreler (örneğin, pH) olarak sıralanabilir (Balasubramaniam ve Farkas, 2008; Balcı ve Wilbey, 1999).

Bu nedenle süt gibi özel gıda sistemleri için uygun uygulama şartlarını tanımlamak önemlidir. Bu şartlar potansiyel olarak hem bozulma yapan hem de patojen bakterileri elimine etmek için kullanılır ve bu sayede uzayan raf ömrü ile tüketicilere daha güvenli ürünler sağlar (Balasubramaniam ve Farkas, 2008). Yüksek basınçta pastörizasyon uygulamaları patojen ve bozulma yapan bakteri, maya ve küfleri inaktive eder; fakat spor ve enzimlere karşı etkisi sınırlıdır (Balasubramaniam ve Farkas, 2008). Kimyasal ve fiziksel faktörler yüksek basınç inaktivasyonunun verimliliğini etkiler (Earnshaw, 1996).

YÜKSEK HİDROSTATİK BASINCIN SÜT BİLEŞENLERİ ÜZERİNDE ETKİSİ

Proteinler

Süt teknolojisinde proteinlerin moleküler durumu özel öneme sahiptir (Kielczewska ve ark., 2004). Mikrobiyel yıkıma ek olarak protein yapısı ve mineral dengesi üzerinde yüksek basıncın etkisi sütün ve süt ürünlerinin (örneğin; krema, yoğurt ve peynir) mikrobiyel stabilizasyonunu, peynir ve yoğurt üretimi için sütün işlenmesi ve yeni tekstürde süt ürünlerinin hazırlanmasını kapsamaktadır (Trujillo ve ark., 2002).

Basınç ve sıcaklık gibi dış faktörlerde değişimler moleküller arası interaksiyonlar ile çözelti-protein interaksiyonlarının güçlü dengesini bozar ve bu nedenle, polipeptit zincirinin (tamamen) denatürasyonu/ çözülmesi gerçekleşir (Hendrickx ve ark., 1998). Basınç, protein zincirinin çözülmesine ilaveten kompleks makromoleküler sistemin veya oligomerik proteinlerin çözülmesini destekler. Oligomerik proteinler negatif olan hacimce (ΔV) değişimlerle alt ünitelere ayrılır. Ayrılmadan sonra alt üniteler denatüre olur veya tekrar kümeleşir. 200 MPa üzeri basınçlarda zincirler çözülmeye başlar ve ayrılan oligomerlerin alt üniteleri tekrar birleşmeye başlar (Balcı ve Wilbey, 1999). Saf durumda bir protein kovalent bağlar (disülfit köprülerini içeren), elektrostatik interaksiyonlar (iyon parçaları, polar gruplar), hidrojen köprüleri ve hidrofobik interaksiyonlar ile stabilize olur (Balcı ve Wilbey, 1999; Huppertz ve ark., 2002). İkincil ve kovalent bağlar arasında bu ayrım yeteneğinin sonucu olarak basıncın etki ettiği yapılar kuaterner yapı (hidrofobik interaksiyonlar boyunca), üçüncül yapı (çözülme boyunca geri dönüşümlü) ve ikincil yapı (yapı boyunca geri dönüşümsüz) olarak sınıflandırılmaktadır (Balcı ve Wilbey, 1999).

Sıcaklık veya basınca duyarlılıklar yapının devamını sağlayan bağların tipleriyle değişir (Balcı ve Wilbey, 1999). Yüksek basınç altında sütte hidrofobik ve elektrostatik bağlar kırılır ve süt bileşenlerinin çoğu etkilenir (Kielczewska ve ark., 2004). Kovalent bağlar rölatif olarak düşük sıcaklıklarda (0-40 °C) yüksek basınç tarafından etkilenmez ve bu nedenle proteinlerin birincil yapısı yüksek basınç uygulaması boyunca bozulmadan kalır. Diğer yandan ikincil yapıda değişimler yüksek basınçta görülür ve stabilize hidrojen bağları düşük basınçta geliştiğinden ve sadece çok yüksek basınçta kırıldıklarından geri dönüşümsüz denatürasyona izin verirler (Hendrickx ve ark., 1998). Hacimde değişimler basınca karşı β-yaprakları içeren yapının α-heliks içeren yapılardan daha dirençli olduğunu göstermiştir (Balcı ve Wilbey, 1999).

Temelde hidrofobik ve iyonik interaksiyonlar tarafından sürdürülen proteinlerin üçüncül yapısında belirgin değişiklikler >200 MPa’da elde edilir. Akışkan çözeltilerde iyonik bağlar yüklerin ayrımının elektro sınırlayıcı etkisine bağlı olarak basınçla beraber güçlü bir şekilde destabilize olur. Her iyonun etrafında su molekülleri yığın sudan daha yoğun olarak düzenlenir ve bu nedenle hacimde azalmaya izin verir. Aynı şekilde alifatik gruplar arasında hidrofobik interaksiyonlar hacimde azalmayla karakterize edilirler ve bu nedenle artan basınçlarda destabilize olurlar (Hendrickx ve ark., 1998). Kovalent olmayan bağlarla bir arada tutulan multimerik proteinler rölatif olarak düşük basınçlarda (<150 MPa) çözülürler, bu nedenle kuaterner yapı bozulur. Bir çözücüye (hidrofobik çözünme) öncelikle  birbirleriyle etkileşen protein yüzeyinin maruz kalması su moleküllerinin bağlanmasıyla sonuçlanır ve bu nedenle sistemin hacmi azalır; böylece artan basınç proteinlerin monomerik ve multimerik durumları arasında eşitliği değiştirir (Hendrickx ve ark., 1998).

Basınç altında tutma polipeptid zincirlerinin çözülmesi, kümeleşme, çökme, koagulasyon veya jelleşme ile sonuçlanan süt proteinlerinde yapısal değişimlere sebep olur (Kielczewska ve ark., 2004). Genel olarak, 400 MPa üzeri basınçlara maruz kaldığında proteinlerin çoğu denature olurlar (Balcı ve Wilbey, 1999). Yüksek basınç altında protein konformasyon değişimlerinin mekanizması protein tipi, pH, iyonik güç ve pastörizasyon parametreleri (uygulanan basınç, sıcaklık ve maruz kalan zaman) ile tanımlanır (Kielczewska ve ark., 2004). Denaturasyon ile birlikte (yaklaşık 30-80 ml/mol) hacim azalması, kovalent olmayan bağların oluşumu veya parçalanmaları (örneğin, konformasyonal hacimde değişimler) ve çözünen moleküllerin tekrar düzenlenmesi (çözelti hacminde değişimler) ortaya çıkar (Hendrickx ve ark., 1998).

Yüksek basınç sütte viskozitenin artışı ile kazein misellerinin daha küçük çapta kazein parçacıklarına bölünmesine neden olur (Trujillo ve ark., 2002). Basınç uygulanmış sütün görünüşü değişir ve görünüşte yarı saydam olmaya başlayan ışık dağıtma yeteneklerini kaybederler (Earnshaw, 1996). Fizikokimyasal analizler yağsız süte 20 ºC sıcaklıkta yüksek hidrostatik basınç uygulandığında kazein parçacıklarının hidrodinamik çapında azalma, bulanıklık ve parlaklığında azalma ve viskozitede artma olduğunu göstermiştir (Gaucheron ve ark., 1997).

Scrader ve Buchheim (1998) yüksek basınç uygulamasını takiben sütte kazein misellerinde değişimlerin üç temel işleme bağlı olduğunu belirtmiştir:

1. UHT gibi sütün şiddetli ısı uygulamasıyla oluşan ısı-hızlandırılmış kolloid kalsiyum fosfatta geri dönüşümsüz yüksek basınç indüklenmiş bozulma,
2. Büyük oranda geri dönüşümlü kazein miselleri veya kazein-PAS protein agregatlarının ayrışması ile sonuçlanan doğal kolloid kalsiyum fosfatın yüksek basınç indüklenmiş kısmi ayrışması,
3. PAS proteinlerinin yüksek basınç indüklenmiş denatürasyonu (belli şartlar altında ayrışan kazein miselleri üzerinde serum proteinleri birleşirler ve ortalama parçacık boyutunu arttırabilirler; fakat PAS proteinlerinin zaten denatüre olduğu şiddetli ısı uygulanmış sütte bu durum görülmeyebilir)

Misel boyutu üzerinde sütün yüksek basınç uygulamasının etkisi sıcaklığa bağlıdır. 20 °C’de 250 MPa’da yeniden yapılandırılmış yağsız süt tozunun uygulaması misel boyutu üzerinde hiçbir etkiye sahip değilken, 40 °C’de uygulama misel boyutunu azaltır (Gaucheron ve ark., 1997). Pastörize süt gibi rölatif olarak düşük sıcaklıklarda ön işlem uygulanan sistemlerde yüksek basınç uygulaması boyunca misel fraksiyonları ile serum proteinleri birbirini etkiler. Misel fraksiyonlarının tekrar bir araya gelmesi için ulaşılabilir yüzeyi sınırlarlar. Basınç uygulaması sonucunda inek sütünde kazeinlerin ayrılması sırayla β>k>α_s1>α_s2 şeklindedir. Keçi ve koyun sütlerinde ise bu sıralama k>β>α_s1>α_s2 şeklinde olmaktadır. Sütte basınç altında (400 MPa) her bir kazeinin ayrımı pH’dan etkilenir; çözünen kazeinin seviyelerinde ilgili artışlar pH 5.5 veya 7.0’a ayarlanan sütte pH 6.7’de sütten daha yüksektir. Bu durum muhtemelen kolloid kalsiyum fosfatın çözünürlüğüne veya artan elektrostatik itmeye bağlıdır (Huppertz  ve ark., 2002).

100 MPa’ya kadar çiğ süte basınç uygulanması β-laktoglobulini (β-lg) denatüre etmez. Yüksek basıncın uygulanması 400 MPa’dan sonra β-lg’in % 70-80’e ulaşan denatürasyonu ile sonuçlanır. β-lg ile karşılaştırıldığında α-laktalbumin (α-la) basınç altında denatürasyona daha çok dirençlidir. Çiğ süt üzerinde yapılan birçok çalışma 500 MPa’ya kadar basınçlarda α-la denatürasyona dirençli olduğunu gösterir (Huppertz  ve ark., 2002). α-la ve β-lg’in baro stabilitesinde farklılıkların olması bunların daha rijit moleküler yapılarına bağlıdır (Gaucheron ve ark., 1997). İki proteinde molekül içi disülfit bağlarının miktarı ve α-la’da serbest sülfidril gruplarının eksikliği bu durumun nedenidir (Huppertz  ve ark., 2002).

40 °C’de sütün yüksek basınç uygulamasından sonra ortalama misel boyutu veya bulanıklığında artış kazein ve yüksek basınç uygulanan denature serum proteinlerinin fraksiyonları arasındaki interaksiyonlara bağlı olabilir (Gaucheron ve ark., 1997; Schrader ve Buchheim, 1998). Basınç indüklenmiş serum proteini-kazein interaksiyonları, yüksek basınç uygulanan sütte kazein misellerinde elde edilen değişimler üzerinde belirgin etkiye sahiptir. k-kazein ve β-lg’in karışımları 400 MPa’da yüksek basınç uygulandığında β-lg’in varlığı proteinler arası interaksiyonlarını gösteren kimozin tarafından sonraki hidrolize k-kazein’in duyarlılığını azaltır (Huppertz ve ark., 2002).

Enzimler

Enzimler metabolik reaksiyonları hızlandıran biyokatalitik fonksiyonlarda proteinlerdir ve gıda materyali üzerinde hem faydalı hem de zararlı etkilere sahiptirler (Balcı ve Wilbey, 1999). Aktif bölgelerinden üç boyutlu konfigürasyonlarla bir arada tutunurlar ve aktif bölgede küçük de olsa değişimler enzim aktivitesinin kaybına neden olur (Hendrickx  ve ark., 1998). Basınç sadece proteinleri etkilemez, ayrıca bunların reaksiyon oranını da etkiler (Balcı ve Wilbey, 1999).

Enzimlerin reaksiyonlarında aşamalar; substrata bağlanma, katalitik basamak ve ürünlerin salınması şeklindedir. Bu işlemler hidrofobik veya polar interaksiyonlar, su moleküllerinin tekrar düzenlenmesi ve konformasyonda değişimleri kapsar. Yüksek basınç, iyonik interaksiyonlarla beraber tutulan bu protein multimerlerini çözer. Protein-protein interaksiyonlarına bağlı enzimatik sistemler üzerinde yüksek basıncın ana etkisi bu aktiviteleri ile gösterilir (biyolojik aktivitenin kaybı veya artışı, substrat spesifikliğinde değişim) (Balcı ve Wilbey, 1999; Hendrickx  ve ark., 1998).

Enzimler üzerinde yüksek basıncın etkisi iki sınıfa ayrılır. Düşük basınçla orantılı olarak (yaklaşık 100 MPa) bazı enzimlerin aktive olması ve daha yüksek basınçların genelde enzimlerin inaktivasyonuna neden olmasıdır. Uygulanan basınç enzimler için kritik olan eşik değerini aştığında enzim inaktivasyonu (belirlenen zaman aralığında) artar. Bu kritik değer altında inaktivasyon ya hiç görülmez ya da çok azdır

(Hendrickx  ve ark., 1998). Miyagawa ve ark. (1964) aktivite geri kazanımı ve kaybına göre enzimleri dört gruba ayırmıştır:

1. Tamamen ve geri dönüşümsüz inaktive olanlar,
2. Tamamen ve geri dönüşümlü inaktive olanlar,
3. Tamamlanmayan ve geri dönüşümsüz inaktive olanlar,
4. Tamamen olmayan ve geri dönüşümlü inaktive olanlar.

Enzimler üzerinde basıncın etkisi enzimin tipi, pH, ortam kompozisyonu, sıcaklık ve benzeri faktörlere bağlıdır. Uygulanan basınç kaldırılınca geri dönüşümsüz olarak inaktive olan enzim fraksiyonu değişmeden kalırken; basınca dayanıklı fraksiyon denge durumuna geri döner (Hendrickx  ve ark., 1998). Yapılan çalışmalarda alkali fosfatazın 20°C’de 60 dk  süresince 400 MPa basınç uygulamasından sonra inaktivasyon olmadan  kaldığı (Lopez-Fandino ve ark., 1996), 500 MPa’da 90 dk veya 600 MPa’da 10 dk prosesten sonra % 50 inaktivasyona uğradığı ve 800 MPa’da 8 dk sonrasında ise % 100 inaktive olabildiği (Rademacher  ve ark., 1998) ve çiğ sütte basınca karşı oldukça dirençli olduğu ortaya konulmuştur (Rademacher  ve ark., 1998). Daha yüksek sıcaklıklarda süte yüksek basınç uygulaması alkali fosfatazın genelde inaktivasyonunu arttırır (Huppertz ve ark., 2002).

Doğal süt laktoperoksidazı, fosfohekzoizomerazı ve γ-glutamil transferazı ayrıca 20-25 °C’de 400 MPa’ya kadar basınçlara dirençlidir (Rademacher  ve ark., 1998). Rölatif olarak bu enzimlerin basınca karşı yüksek stabilitesi süte yüksek basınç uygulamasının şiddetini belirlemek için uygun değildir (Huppertz ve ark., 2002).

Su

Basınç suyun faz geçişini değiştirir. Basıncın kaynama noktasını düşürmede olan etkisi evaporasyon tekniğinde sıkça kullanılmaktadır. Basınca maruz kalan su 0 ºC’de donmaz (Balcı ve Wilbey, 1999), donma noktasında azalma söz konusudur (Huppertz ve ark., 2002). Örneğin 200 MPa basınçta su -22 ºC’de halen akışkandır (Balcı ve Wilbey, 1999). Su 100 MPa’da % 4, 300 MPa’da % 10 ve 600 MPa’da % 15 ile yüksek basınçla belirgin olarak baskılanır. Bu baskılama uygulanan basıncın her 100 MPa için sıcaklıkta 2 ºC ve 3 ºC arasında değişen bir artışla kendini göstermektedir. Basınç altında artan sıcaklıkla basıncın kaldırılması ile bir adyabatik soğutma etkisi görülür. Bu nedenle basınç uygulaması aslında istenmeden gerçekleşen bir ısı uygulamasını da kapsar ve basıncın aniden kaldırılması sonucunda ürünün soğuması ile buz oluşumu görülebilir (Balcı ve Wilbey, 1999). Suyun pH’ı suyun artan dissosiyasyonuna bağlı olarak her 1000 MPa’da 1 ünite civarında azalır. pH’da benzer azalma suyun 25 °C’den 100 °C’ye ısıtılması ile görülür (Huppertz ve ark., 2002).

İyonik bağların kırılması iyonların yakınında suyun elektriksel büzülmesine bağlı hacim azalmasıyla ilgilidir. Hidrofobik bağların aksine kovalent bağlar yüksek basınç uygulamasının sonucu hiçbir değişikliğe uğramaz. Bu nedenle amino asitler, vitaminler, lezzet ve koku bileşenleri gibi gıdanın besinsel ve duyusal kalitesine ana katkıda bulunan küçük moleküller etkilenmeden kalır; çünkü oldukça küçük yapılara sahiptirler (Balcı ve Wilbey, 1999).

Sütte Mineral Dengesi

Sütte mineraller üzerinde yüksek basıncın etkisi ikiye ayrılır (Huppertz ve ark., 2002): a) Kolloid ve dağılan fazlar arasında dağılım üzerine etkisi, b) İyonizasyon üzerine etkisi.

Termal işlemlerle karşılaştırıldığında 400 MPa’da pastörize veya yüksek sıcaklık uygulanan sütten önce yüksek basınç uygulaması çözünen kalsiyum seviyelerini arttırır. Bu nedenle, yüksek basınç uygulaması hem doğal hem de ısı uygulanan kolloid kalsiyum fosfatı çözündürür. pH’ın ayarlanması iyonik kalsiyumun seviyelerini değiştirir (örneğin, asitlendirme kolloidal kalsiyum fosfatın bozulmasıyla sonuçlanır). Bu nedenle, 5.5-7.0 pH değerlerinde 200-400 MPa uygulaması sütün iyonik kalsiyum seviyeleri üzerinde düşük bir etkiye sahiptir (Huppertz ve ark., 2002).

Süt Yağı

Kremada süt yağının kristalizasyonu 200 MPa’da en fazla olmak üzere 100-400 MPa aralığında görülür ve 400 MPa’ya kadar basınçlar kremayı destabilize etmez. Süt yağının kristalizasyonu 200 MPa’da ve erime sıcaklığı 16.3 °C ve 15.5 °C/100 MPa’da artmaktadır. Daha yüksek basınçlarda (>350 MPa) süt yağının kristalizasyonu azalan moleküler hareket nedeniyle azalmaktadır (Huppertz ve ark., 2002).

Süte Yüksek Basınç Uygulanması

Mikroorganizmaların inhibisyonu ve yıkımına ek olarak yüksek basınç sütün fizikokimyasal ve teknolojik özelliklerini etkiler. Süt yüksek basınca maruz kaldığında kazein miselleri daha küçük parçacıklara bölünür. Bu bölünme sütün difüzyon veya serum fazında kalsiyum fosfat ve kazeinin artması ile ve pH 4.6’da çökme ve santrifüjleme ile serum proteinlerinin çökmeye başladığını göstermekte dolayısıyla hem serum azot hem de kazein olmayan azot bileşenlerinde azalma görülmektedir (Trujillo ve ark., 2002). Diğer yandan, yüksek basınç sadece kolloidal kalsiyum fosfatı çözündürmez, ayrıca çözünmeyen ısı indüklenmiş kristalin kalsiyum fosfatı tekrar çözündürür. Çözünürlük artan sıcaklıkla azalır; fakat basınçla artar (Schrader ve Buchheim, 1998).

Süt ve süt ürünlerinde laktoz ısıtmayla laktuloza izomerize olur ve sonra asit ve diğer şekerleri oluşturmak için parçalanır. Fakat, basınç uygulamalarında (100-400 MPa 25°C’de 10-60 dk) bu bileşenlerde hiçbir değişim elde edilmemiştir, dolayısıyla proses edilen örneklerde proses sonrası Maillard reaksiyonu veya laktoz izomerizasyonu  görülmemiştir (Trujillo ve ark., 2002).

Genelde 30 dk süresince 100-500 MPa basınç uygulanan sütlerde rennet koagülasyon özellikleri gelişir, fakat 300 MPa üzerindeki basınçlar sütün rennet koagulasyon zamanını arttırır (Lopez-Fandino ve ark., 1996). Yüksek basınç uygulamasıyla indüklenmiş misel parçalanması süt rengini de etkiler. Termal uygulamalarla kıyaslandığında (kovalent bağlar kadar kovalent olmayan bağların da etkilendiği) oda ve ılıman sıcaklıklarda yüksek basınç sadece zayıf kimyasal bağları kırar (hidrojen bağları, hidroskobik bağlar, iyonik bağlar). Bu nedenle vitaminler, amino asitler, bazı şekerler ve lezzet bileşenleri gibi küçük moleküller yüksek basınç uygulaması ile etkilenmeden kalır (Trujillo ve ark., 2002).

40-60 °C’de 15 dk süresince uygulanan 400 MPa yüksek basınç uygulaması probiyotik aktiviteyi azaltmaktadır. Bununla birlikte 25-60 °C’de uygulanan basıncın sütün organoleptik özelliklerini geliştirdiği veya sürdüğü de belirtilmiştir. Bu nedenle, kombine uygulamalarının sütün raf ömrünü arttırmak ve duyusal özelliklerini muhafaza etmek için kullanılabileceği önerilmiştir (Lopez-Fandino ve ark., 1996).

Yoğurt Üretiminde Yüksek Hidrostatik Basınç Uygulamaları

Uygulamalar iki kategoride değerlendirilmektedir: yüksek basınç sonrası asit koagülasyonu veya yüksek basınç altında asit koagülasyonu (Huppertz ve ark., 2002; Trujillo ve ark., 2002).

Glukano-δ-lakton (GDL) ile pH’sı 4.5’e ayarlanmış ve yüksek basınç uygulanmış yağsız sütün asitlendirilmesi yüksek basınç uygulanan sütün daha yüksek pH’da koagüle olduğunu ve basınç uygulanmamış sütten daha güçlü jel verdiğini göstermiştir (Desobry-Banon ve ark., 1994). Benzer olarak fermentasyon ile yüksek basınç uygulanmış (25 veya 55°C’de 350 veya 500 MPa) sütten yoğurt yapıldığında koagülasyon daha yüksek pH’da görülmüş ve yoğurt sıkılığı pastörize veya ısı uygulanmış (95 °C’de 5 dk) sütten yapılan yoğurtlarla karşılaştırıldığında daha yüksek bulunmuştur (Ferragut ve ark., 2000).

600 MPa’da 15 dk basınç uygulanan sütten yapılan yoğurtta kazein miselleri, yüzeyde pürüzsüz partiküller olarak görünüp, yoğun olarak sıkıştırılmış iplikler oluşturmuştur (Needs ve ark., 2000). Yakın intermisel bağlantılarına rağmen miseller birleşmiş olarak görünmemişler, tam tersine ısı uygulanmış sütten (85 °C’de 20 dk) yapılan yoğurt misel yüzeylerinden ipliksi görünümleri ile ayrılmışlardır. Yüksek basınç uygulanmış sütten yapılan yoğurt, ısı uygulanmış sütten yapılan yoğurttan daha yüksek elastik karaktere (G¢ modulus) sahiptir (Huppertz ve ark., 2002). Yüksek basınç uygulanan sütten yapılan yoğurdun sıkılığı uygulanan basıncın artmasıyla artar. Bu artan sıkılık kazein misellerinin parçalanmasına bağlanır ve yüzey interaksiyonu için daha büyük etkili alan oluşmasıyla sonuçlanır (Huppertz ve ark., 2002).

Peynir Üretiminde Yüksek Hidrostatik Basınç Uygulamaları

Peynir üretiminde YHP, yüksek basınç uygulanmış sütten yapılan peynir, peynir olgunlaşmasının hızlandırılması, güvenliğini ve raf ömrünü arttırmak için peynirde patojenik veya bozucu mikroorganizmaların inaktivasyonu veya azaltılmasını kapsar (Trujillo ve ark., 2002).  Sütün pastörizasyonu (72-74°C’de 15 s için veya eşdeğer uygulamalar) patojenik ve hepsi değil ama çoğu bozulama yapan mikroorganizmaları yok eder ve uygun güvenlik ve kalite sağlamak için peynir sütüne uygulanan en önemli ısıl uygulamadır. YHB teknolojisi yüksek kalitede peynir üretmek için sütün mikrobiyolojik kalitesi ve güvenliğini arttırmak amacıyla kullanılır (Trujillo ve ark., 2002).

Peynir yapımında önce süte yüksek basınç uygulaması sütün rennet koagulasyon zamanını (RCT) azaltma ve pıhtı oluşumunu hızlandırma avantajına sahiptir. Dahası, sütün peynir yapma özelliklerinde değişimlerinin büyüklüğü uygulama parametrelerine (basınç, zaman ve sıcaklık) bağlı olarak değişmektedir (O’Reilly ve ark., 2001). Oda sıcaklığında sütün yüksek basınçta işlenmesi serum protein denatürasyonu ve misel parçalanması gibi birkaç protein modifikasyonuna neden olur ve mineral madde dengesini değiştirir. Bu değişimler rennet koagülasyonunu geliştiren ve peynir sütünün ürün verme özelliklerini geliştiren uygulamalardır, ve peynir yapmak için sütün teknolojik yatkınlığını modifiye eder  (Trujillo ve ark., 2002).

RCT; pıhtı kesme için yeterli sıkılığın oluştuğu zamandır (veya jelleşme zamanı). Azalan RCT artan spesifik yüzey alanı ve parçacıklar arası çarpışma artışına izin veren kazein misel boyutunda azalma ile ilgilidir. Yüksek basınç uygulanmış süt için RCT ayrıca belli basınçlarda uygulama süresinin uzunluğundan etkilenir (Huppertz ve ark., 2002). Diğer yandan, yüksek basınç uygulanan sütten yapılan peynirler çiğ sütten yapılan peynirlerin lipoliz seviyelerine benzerlik gösterir, ve pastörize sütten yapılan peynirde lipolizin seviyesi daha düşüktür. Bu davranış kısmen doğal süt lipazının basınç-direnç özellikleri, ısı-duyarlılığıyla açıklanır (Trujillo ve ark., 2002).

Peynir olgunlaştırma oldukça maliyetli bir işlem olduğundan olgunlaştırmanın hızlandırılması üreticilere ekonomik kazanç sağlamaktadır. Bu kapsamda yüksek basınç uygulaması olumlu sonuçlar verdiğinden ümitvar bir teknoloji konumundadır.

SONUÇ

Yüksek basınç uygulamalarının süt üzerinde asıl etkileri protein üzerindedir. Özellikle kazein ve serum proteinleri üzerinde değişimler, pH’yı arttırma, renk değerlerinin değişimi ve bulanıklıkta değişimler gibi sonuçlar verir. Proteinlerin emülsifiye etme, jelleşme ve köpürme gibi özelliklerini de değiştirir. Özellikle peynir üretiminde RCT değeri üzerinde azaltıcı etkisi ürün miktarını da arttırır. Yoğurt üretiminde ise tekstür gelişimine bağlı olası uygulamaları da mevcuttur.

KAYNAKLAR

Balasubramaniam, V. M., Farkas, D. 2008. High pressure food processing, Food Science and Technology International, 14(5), 413-418.

Balcı, A. T., Wilbey, R. A. 1999. High pressure processing of milk-the first 100 years in development of a new technolog, Food Chemistry, 59(3), 439-447.

Black, E. P., Kelly, A. L., Fitzgerald, G. F. 2005. The combined effect of high pressure and nisin on inactivation of microorganisms in milk, Innovative Food Science & Emerging Technologies, 6, 286-292.

Earnshaw, R. 1996. High pressure food processing, Nutrition & Food Science, 2,8-11.

Gaucheron, F., Famelart, M. H., Mariette, F., Raulot, K., Michel, F., Le Graet, Y. 1997. Combined effects of temprature and high-pressure treatments on physicochemical characteristics of skim milk, Food Chemistry, 59(3), 439-447.

Hendrickx, M., Ludikhuyze, L., Broeck, I. V., Weemaes, C. 1998. Effects of high pressure on enzymes related to fodd quality, Trends in Food Science & Technology, 9, 197-203

Hite, B. H. 1899. The effect of high pressure preservation of milk, West Virginia Agricultural Experimental Station Bulletin, 58.15-35.

Huppertz, T., Kelly, A. L., Fox, P. F. 2002. Effects of high pressure on constituents and properties of milk, International Dairy Journal, 12, 561-572

Kielczewska, K., Czerniewiez, M., Michalak, J., Brandt, W. 2004. Effect of high pressure on nitrogen compounds of milk, Journal of Physics: Condensed Matter, 16,1067-1070,

Trujillo, A., Capellas, M., Saldo, J., Gervilla, R., Guamis, B. 2002. Applications of high-hydrostatic pressure on milk and diary products: a review, Innovative Food Science and Emerging

Technologies, 3, 295-307

O’Reilly, C. E., Kelly, A. L., Murphy, P. M., Beresford, T. P. 2001. High pressure treatment: Applications in cheese manufacture and ripening, Trends in Food Science & Technology,12, 51-59,

Schrader, K., Buchheim, W. 1998. High pressure effects on the colloidal calcium phosphate and the structural integrity of micellar casein in milk. II.Kinetics of the casein micelle disintegration and protein interactions in milk, Kieler Milchwirtschaftliche For-Schungsberichte, 50, 79-88

Miyagawa, K., Sanone, K., Suzuki, K. 1964. Studies on taka-Amylase A under highpressure treatment, Part II:Recovery of enzymic activity of pressure inactivated Taka-Amylase A and its enhancement by retreatment at moderate pressure, Archives Biochemistry and Biophysics, 106, 467-474,

Lopez-Fandino, R., Carrascosa, A.V., Olano, A. 1996. The effects of high pressure on whey protein denaturation and cheese making properties of raw milk, Journal of Dairy Science, 79, 929-936.

Rademacher, B., Pfeiffer, B., Kesler, H. G. 1998. Inactivation of microorganisms and enzymes in pressure-treated raw milk, High Pressure Food Science, Bioscience and Chemistry, ED: Isaacs N.S:, Cambridge: The Royal Society of Chemistry.

Desobry-Banon, S., Richard, F., Hardy, J. 1994. Study of acid and rennet coagulation of high pressurized milk, Journal of Dairy Science, 77, 3267-3274.

Ferragut, V., Martinez, V. M., Trujillo, A. J., Guamis, B. 2000. Properties of yoghurts made from whole ewe’s milk treated by high hydrostatic pressure, Milchwissenchaft, 55, 267-269.

Needs, E. C., Capellas, M., Bland, A. P., Manoj, P., MacDougal, D., Paul, G. 2000. Comparison of heat and pressure treatments of skim milk, fortified with whey protein concentrate, for set yoghurt preperation: Effects on milk proteins and gel structure, Journal of Dairy Research, 67, 31-42.