Gıda kimyası

Gıda kimyası gıdada bulunan başlıca bileşenleri (karbonhidrat, yağ, protein, minareller, vitaminler, su), gıdayı oluşturan renkleri, tatları ve meydana gelen reaksiyonlar gibi pek çok farklı konuları ele almaktadır.

Gıda, insanların ve hayvanların yaşamsal fonksiyonlarını devam ettirebilmek için yiyip içtikleri (tütün ve ilaç hariç ), hayatlarının kaynağını oluşturan ham (işlenmemiş), yarı işlenmiş veya tam işlenmiş her türlü maddedir.

Kimya, maddelerin temel yapılarını, bu yapıların birleşimlerini, dönüşümlerini, bu yapıları çözümleme, birleşim ve üretim yöntemlerini inceleyen bilim dalı olarak tanımlanmaktadır.

Bu iki dalın birleşiminden oluşan gıda kimyası ise; yapısı, özellikleri, gıdalarda ve bileşenlerinde meydana gelen değişiklikleri inceleyen bilim dalı olarak ortaya çıkmıştır. Başka bir tanımı ise: Gıda kimyası, gıdaların bileşimindeki komponentlerin (bir bileşikteki her bir element) tek tek ve bir arada olduklarında kimyasal davranışlarını inceleyen bilim dalı olarak tanımlanmaktadır.^[1][2]

Gıda ve beslenmeye bilimsel yaklaşım, J. G. Wallerius, Humphry Davy ve diğerlerinin çalışmalarında tarım kimyasına dikkat edilerek ortaya çıktı. Örneğin, Davy, Birleşik Krallık'ta, dünya çapında mesleğin temeli olarak hizmet verecek olan, Tarımsal Kimya'nın Unsurları Kursunda (1813) Tarım Kimyası'nı yayınladı ve beşinci baskıya girmiştir. Daha önceki çalışmalar, malik asidi 1785'te elmalardan izole eden Carl Wilhelm Scheele'nin çalışmasını içeriyordu . Liebig'in gıda kimyası hakkındaki bazı bulguları 1848'de Lowell Massachusetts'te Eben Horsford tarafından çevrilmiş ve yayınlanmıştır.^[3]

1874'te analitik yöntemleri halkın yararına uygulamak amacıyla Kamu Analistleri Derneği kurulmuştur. İlk deneyleri ekmek, süt ve şaraba dayanmaktadır.

Gıda arzının kalitesi, ağırlıklı olarak gıda için endişe dışında olmuştur. Ayrıca, 1950'lerde kasıtlı kontaminasyondan sonra kimyasal gıda katkı maddeleriyle başlayacak olan gıda tedarikinin kalitesi, özellikle de gıda kirliliği ve kontaminasyon sorunları için endişe dışındaydı. Dünya çapında kolejlerin ve üniversitelerin gelişmesi, özellikle de Amerika Birleşik Devletleri'nde, gıda kimyasının yanı sıra diyet maddelerinin araştırılmasıyla, en önemlisi de 1907-11'deki Tek Tahıl deneyiyle genişlemiştir.

19. yüzyılın sonlarında Birleşik Devletler Tarım Bakanlığı'nda Harvey W. Wiley tarafından yapılan ek araştırma, 1906'da Birleşik Devletler Gıda ve İlaç İdaresi'nin kurulmasında kilit bir faktör olacaktır.

Amerikan Kimya Topluluğu, Tarım ve Gıda Kimyası Bölümünü 1908'de kurarken, Gıda Teknolojisi Uzmanları Enstitüsü 1995'te Gıda Kimyası Bölümünü kurmaktadır.

Gıda kimyası kavramları genellikle reoloji, taşıma fenomeni teorileri, fiziksel ve kimyasal termodinamik, kimyasal bağlar ve etkileşim kuvvetleri, kuantum mekaniği ve reaksiyon kinetiği, biyopolimer bilimi, koloidal etkileşimler, çekirdeklenme, cam geçişleri ve donma / düzensiz veya kristal olmayan katılardan alınmaktadır. Bu nedenle "Gıda Fiziksel Kimyası" bir temel alanıdır.^[4][5]

Yiyeceklerin önemli bir bileşeni olan su, et ürünlerinde % 50'den fazla; marul, lahana ve domates ürünlerinde % 95'e kadar herhangi bir yeri kapsayabilmektedir. Ayrıca, uygun şekilde işlenmezse bakteri üremesi ve yiyeceklerin bozulması için mükemmel bir yer olma özelliğini taşımaktadır . Gıdada bunun ölçülmesinin bir yolu, işleme sırasında birçok gıdanın raf ömründe çok önemli olan su aktivitesidir . Çoğu durumda gıda korumanın anahtarlarından biri, raf ömrünü uzatmak için su miktarını azaltmak veya suyun özelliklerini değiştirmektir. Bu tür yöntemler dehidrasyon, dondurma ve soğutmayı içerir. Bu alan, "gıdaların üretimi, taşınması ve depolanması sırasında meydana gelen reaksiyonların ve dönüşümlerin fizyokimyasal prensiplerini" kapsamaktadır.^[6][7]

Bunun yanında suyun sertliğininde farklı olması, farklı durumlara yol açmaktadır. Örneğin; et ve baklagiller sert suda zor pişerlerken, sert su ile yapılan çay ve kahvenin tadı kötüleşmektedir.^[8]

Karbonhidratlar (KH) bitkilerde kuru maddenin %90'dan fazlasını oluşturmaktadırlar. Doğada bolca bulunan karbonhidratlar, gıdaların en yaygın bileşenidir.^[9]

Genel formülü Cn(H2O)n şeklindedir. Karbonhidratlar monosakkarit, disakkarit, oligosakkarit ve polisakkarit formlarında bulunabilmektedir. Monosakkaritlerden biri olan fruktoz serbest halde, glikozla beraber tatlı meyvelerde ve çiçek nektarlarında, bitkilerin tatlı kısımlarında bulunur. Birleşik formda ise rafinoz ve polisakkaritlerin yapısında yer almaktadır. Yüksek bir tatlılık derecesi olan fruktoz; gazlı içeceklerde, meyveli sodalarda ve soğuk çayda "fruktoz şurubu" formunda kullanılmaktadır.

Olisakkaritler; bebek mamaları, fermente süt ürünleri, kahvaltılık tahıllar, dondurma ve fırıncılık ürünlerinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar.

Polisakkaritler, bitki ve hayvanlarda depo görevi görürken; bazıları jelleşme özelliği göstermektedir. Polisakkaritlerden biri olan nişasta, tüm bitkilerde bulmaktadır. Tohum, yumru ve kökler nişastaca zengin kısımlardır. Teknik olarak patates, mısır, buğday ve pirinçten elde edilen nişasta, alkol üretiminde, glikoz şurupları yapımında ve tatlıcılıkta önemli bir yere sahip olabilmektedir.^[10][11]

Lipitler kutuplu bir yapıya sahip olmadıklarından dolayı suda çözünmezler veya çok az çözünmektedirler. Eter, kloroform, benzen, aseton gibi organik çözücülerde çözünebilmekte olan lipitler, karbon, hidrojen ve oksijenden oluşmaktadır. Ayrıca yapılarında çeşitli farklılıkları oluşturan fosfor ve azot elementleri de bulunabilmektedir. Karbonhidratlar ve proteinlere göre daha fazla enerji veren lipitlerin en önemli formlarından biri trigliseritlerdir.

Lipitler canlı vücudunda çeşitli görevlere sahiptirler. Lipit çeşitlerinden biri olan fosfolipitler, hücre zarının önemli bir bileşenini oluşturmaktadırlar. Lipitler glikozla birleşerek glikolipitleri, proteinlerle birleşerek lipoproteinleri oluşturmaktadırlar.

Lipitlerin hücrede yanması ile çok miktarda metabolik su açığa çıkmaktadır. Kış uykusuna yatan hayvanların ve uzun yolları kullanan hayvanların vücudunda depo ettikleri yağın yakılması sonucu enerji sağlanırken, açığa çıkan metabolik su da ihtiyaç duyulduğunda kullanılabilmektedir.^[12]

Gıdalardaki lipitler, mısır, soya fasulyesi gibi tahılların, hayvansal yağlardan elde edilen yağlarını içerir ve süt, peynir ve et gibi birçok gıdanın parçalarıdır. Aynı zamanda vitamin taşıyıcı olarak da hareket etmektedirler.

Proteinler, ortalama bir canlı hücrenin kuru ağırlığının% 50'sinden fazlasını oluşturmaktadır. Çok karmaşık makromoleküllerdir. Ayrıca hücrelerin yapısında ve işlevinde temel bir rol oynamaktadırlar.  Esas olarak karbon, nitrojen, hidrojen, oksijen ve bir miktar sülfürden oluşmaktadırlar. Ayrıca demir, bakır, fosfor veya çinko da içerebilmektedirler.

Gıdada proteinler büyüme ve hayatta kalmak için gereklidir ve gereksinimler kişinin yaşına ve fizyolojisine (örneğin hamilelik) bağlı olarak değişmektedir. Protein genellikle hayvansal kaynaklardan elde edilmektedir. Örneğin; et, süt, yumurta vb. gıdalar örnek olarak verilebilmektedir. Kabuklu yemişler, tahıllar ve baklagiller bitkisel protein kaynakları sağlamaktadır. Sebzelerden tam protein besin kotası elde etmek için sebze kaynaklarının protein kombinasyonu kullanılmaktadır.

Gıda alerjisi olarak protein hassasiyeti ELISA (Enzim Bağlı İmmunosorbent Analizi ) testi ile tespit edilmektedir.^[13]

Vitaminler, vücuttaki temel metabolik reaksiyonlar için küçük miktarlarda gerekli olan besinlerdir. Bunlar beslenmede suda çözünür (Vitamin C ) veya yağda çözünür (Vitamin E ) olarak parçalanmaktadır. Yeterli miktarda vitamin alımı beriberi, anemi ve iskorbüt gibi hastalıkları önleyebilirken, aşırı dozda vitamin mide bulantısı ve kusmaya ve hatta ölüme neden olabilmektedir.

Mineral maddeler hem bitkisel hem de hayvansal gıda maddelerinde bulunabilmektedirler. Bitkiler ihtiyaç duydukları mineral maddeleri topraktan karşılarken, hayvanlar ise bitkisel gıdalar ve direkt tuz ilavesi ile almaktadırlar. İnsanlar ise minarel ihtiyaçlarını bitkisel ve hayvansal gıdalardan karşılamaktadırlar. İnsan vücudu başlıca Ca, P, Mg, K, Na, Fe, Zn yi yüksek miktarlarda (major elementler) içerirken; I, Mn, Cu, Fl, Cr, Se, Ce ve Mo yu ise daha az miktarda (iz elementler) içermektedir.

Mineral maddeler gıdalarda çok az miktarda bulunmaktadır. Bunlar inorganik bileşikler olup, toplam vücut ağırlığının % 4' üne karşılık gelmektedir. Mineralsiz bir vücut sağlığı düşünülemezken; genel olarak bazı mineraller gıdaların işlenmesi, öğütülmesi, soyulması, kabuklarının ayrılması sırasında kaybolmaktadır. Bazı minerallerde gıdalara geniş miktarlarda ilave edilebilirken, mineral eksikliğinde olduğu gibi fazlalığında da bazı problemler (toksik etki) oluşabilmektedir. Mesela bakır kaplarda pişirilen yemekten kaynaklanan zehirlenmeler yaygın olarak görülebilmektedir. Gıdaların hazırlanması ve işlenmesinde mineral kaybının en aza indirilmesi için yeşil sebzeleri, yeşil meyveleri, kabuklu hububatları (tahılları), kepekli ekmeği beslenmede bulundurmaya dikkat edilmelidir.

Bir gıdanın mineral içeriği o gıdanın elde edildiği ham maddeden (işlenmemiş kısımdan) kaynaklanmaktadır. Bu nedenle gıdalarda yer alan minerallerin beslenmedeki yeri, fizyolojik değerleri ve gıdalarda bulunduğu konumu üretim sırasında üzerinde önemle durulması gereken konuların başında yer almaktadır.

Gıdanın üretildiği alet-ekipman ve kaplardan; depolama sırasında, ambalajdan taşınan metaller ürünün mineral içeriğinde yer alabilmektedir. Gıdanın doğal yapısında yer alan ve dışarıdan taşınan minerallerin gıdanın kalitesiyle yakından ilişkisi de oldukça fazla yer almaktadır. Örneğin, bazı metaller işlenmiş meyve ve sebzelerde renk değişikliğine sebep olmaktadır. Bazı metaller ise gıdada üretim ve depolama sırasında meydana gelen, tat ve koku değişikliklerinden sorumlu olmaktadırlar. Pek çok metal gıdayı olumsuz etkileyerek bazı elzem (gerekli ) besin öğelerinin kaybına neden olabilirken, en büyük mineral kaybı tahılların öğütülmesi ile gerçekleşmektedir. Bu nedenle diyette yüksek rafine gıdaların yani katkı maddesi çokça eklenen gıdaların artması mineral eksikliğine yol açmaktadır. Ayrıca masum görünen şeker, nişasta gibi saflaştırma işlemleri, süzme yoğurt ve çökelek yapımında yoğurdun suyunun atılması, besinlerin salamurada bekletilmesi, iyotlu tuzun açıkta bekletilmesi gibi işlemler besinlerdeki mineral kaybını artırmaktadır.

Isıl işlem dışında meydana gelen birim işlemlerden; karıştırma, temizleme, ayıklama, dondurarak kurutma hatta pastörizasyonun minarel kaybına yol açmadığı da bilinmektedir. Bunun yanı sıra gıdalara uygulanan bazı işlemlerde de istem dışı kayıplar olabilmektedir. Örneğin; ağartma, dondurma ve derin kızartma bu işlemlere örnek olarak gösterilebilmektedir.^[14]

Herhangi bir gıda maddesinin rengini değiştirmek için o gıdaya gıda boyası eklenmektedir. Esas olarak duyusal analiz amaçlıdır.

Doğal ve yapay olarak bulunabilen gıda boyaları yoğurt ve sütlerde, pasta ve tatlılarda, dondurma, meyve suları, meyve jelleri gibi gıdalarda bulunabilmektedir.^[15]

Gıdalarda meydana gelen reaksiyonlar, gıdanın yapısının bozulması veya gıdalarının istenilen kıvama uygun hale getirilmesi açısından büyük bir öneme sahiptir. En bilinen reaksiyonların başında " Akrilamid oluşumu" ve " Maillard reaksiyonları" gelmektedir.

Maillard Reaksiyonu, gıdaların renk değişikliklerine neden olan ve enzimatik olmayan esmerleşme reaksiyonudur. Bu reaksiyon işlem görmüş gıdaların kalitesi üzerinde önemli rolü üstlendiğinden en önemli esmerleşme reaksiyonudur.

Maillard Reaksiyonu, Fransız kimyager Louis-Camille Maillard tarafından 1912 yılında tesadüfen keşfedilmiş olup günümüze kadar geçerliliğini korumaktadır.

Akrilamid (2-propenamide, AA) oluşumu ise karbonhidrat bakımından zengin gıdaların ısıtılması sonucunda oluşmaktadır. Akrilamid monomeri yüksek sıcaklıklarda ve nem oranının az (düşük) olduğu ortamlarda hazırlanmış patates ve tahıl ürünleri gibi bazı besinlerin yapısında, kızartma ile, fırınlama veya ızgara olayı ile ortaya çıkmaktadır.^[16][17]