Tanım olarak gıdalarda su aktivitesi; gıdanın içerisinde bulunan suyun buhar basıncının, aynı sıcaklıktaki saf suyun buhar basıncına oranıdır ve simgesi aw’dir. Teorik olarak su aktivitesi değeri 0 ile 1 arasındadır; ancak gıdalarda su aktivitesi 0,1 ile 0,99 değerleri arasında değişir. Oran ifade ettiği için, su aktivitesinin birimi yoktur.
aw= P/P0
P: Gıdanın içindeki suyun buhar basıncı,
P0: Saf suyun buhar basıncı
Bir gıdanın su aktivitesi, “su aktivitesi ölçüm cihazı” adı verilen cihazla enstrümantal olarak belirlenmektedir. Bu analizde, bir miktar gıda cihazın örnek kabına yerleştirilir ve değişen sürelerde gıdanın denge buhar basıncına erişmesi sonucunda su aktivitesi tespit edilir.
Her gıda az veya çok miktarda su içerir. Kuru gıda olarak tanımladığımız kurutulmuş meyveler ve tahıllar hiç beklenmeyecek şekilde %10-15 gibi değişen oranlarda görece fazla miktarda su içermektedir.
Benzer şekilde kurutularak toz haline getirilen süt tozları %1-4 arasında su içermektedir. Bununla birlikte, düpedüz katı bir yapı gösteren salatalık ve domates gibi meyveler ise % 95-96 oranında su içermektedir. (Gıdalarda bulunan su ile ilgili detaylı bilgi için bkz. Gıdalarda Bulunan Su; Formları, Karakteristikleri ve Önemi)
Bununla birlikte, aynı su oranına sahip iki gıdanın su aktivitesi, gıdaların yapılarının farklı oluşu nedeniyle birbirlerinden farklı olabilmektedir. Mesela, yapısında %10-13 arasında su bulunan tahılların su aktivitesi 0,65-0,75 arasındayken, %15-20 su içeren kuru meyvelerin su aktivitesi 0,60-0,65 değerleri arasındadır.
Dolayısıyla, gıdanın içerdiği su oranından ziyade, sahip olduğu suyun aktifliğinin derecesinin bilinmesi daha önemli hale gelmektedir. Aşağıdaki tabloda bazı gıdaların su aktivite değerleri yer almaktadır;
|Gıda
|Su aktivitesi (aw)
|Saf su
|1,00
|Süt, taze et, taze sebze ve meyveler, yoğurt, peynir, tereyağı, ekmek, %8’e kadar tuz içeren veya %40’a kadar toz şeker (sakkaroz) içeren gıdalar
|0,99-0,95
|Olgunlaştırılmış peynirler, jambon, %55’e kadar toz şeker içeren veya %12’ye kadar tuz içeren gıdalar, kekler, domates salçası, mayonez
|0,95-0,91
|Salam, sucuk, sosis, kurutulmuş sığır eti, pastırma, margarin, %65’e kadar toz şeker içeren veya %15’e kadar tuz içeren gıdalar
|0,91-0,87
|Pekmez, un, baklagiller, pirinç, konsantre meyve suları, %15-17 su içeren gıdalar
|0,87-0,80
|Reçel, marmelat, bazı kurutulmuş meyveler, yaklaşık %26’ya kadar tuz içeren gıdalar
|0,80-0,75
|Kabuklu yemişler, çikolata, marsmallow, jöle, %10-13 su içeren hububat
|0,75-0,65
|Bal, kurutulmuş meyvelerin coğu, karamela,
|0,65-0,60
|Makarna, şehriye, baharatlar
|0,60-0,50
|Yumurta tozu
|0,40
|Bisküvi, peksimet, kızarmış ekmek
|0,30
|Süt tozu, krakerler, mısır cipsleri
|0,20
Su Aktivitesinin Önemi
Gıdalarda su aktivitesi iki açıdan önemlidir. İlki, mikroorganizmalar gıdanın içerisinde gelişebilmeleri için belli bir su aktivite değerine ihtiyaç duyarlar. İkincisi ise, gerek enzimatik olsun gerekse de enzimatik olmasın, şuan bilinen haliyle bazı kimyasal reaksiyonlar için su aktivitesi değeri, reaksiyonun hızlanmasında veya yavaşlamasında oldukça etki sahibidir.
Yani gıdalarda su aktivitesi, mikrobiyolojik ve kimyasal olmak üzere iki farklı açıdan etkili ve önemlidir.
1. Mikrobiyolojik açıdan su aktivitesinin önemi
Her canlı gibi mikroorganizmalar da gelişmek ve üremek için suya ihtiyaç duyarlar. Mikroorganizmaların gıdalarda gelişimi ve üremesi ise gerek gıdanın bozulması açısından gerekse de insan sağlığı açısından oldukça risklidir.
Fermente gıdalarda bu durum farklıdır; yoğurt örneğinde olduğu gibi fermente gıdalarda fermantasyonu gerçekleştiren “iyi bakterilerin” gelişmeleri ve üremeleri bilakis teşvik edilir.
Bir gıdanın içerisindeki su, mikroorganizmaların gelişimi için ne kadar elverişliyse risk o derece artmaktadır. Burada suyun elverişliliğinden kasıt, mikroorganizmanın o suyu kullanabilmesidir. Mikroorganizmanın suyu kullanabilmesi için saf su niteliğinde olması gerekir.
İnsanoğlunun çok uzun zamandan beri gıdaların muhafazasında kullandığı kurutma, dondurma, tuzlama ve şekerleme (reçel gibi) gibi işlemler, mikroorganizmalar için “elverişli” olan suyun gıdadan uzaklaştırılması veya azaltılması için uygulanan işlemlerdir.
Kurutmada elverişli su buharlaşır ve gıdadan ayrılır. Tuzlama ve şekerlemede ise var olan su, bir çözücü görevi görür ve saf sudan ziyade bir çözelti halini alır. Nihayetinde, mikroorganizmaların gelişimi baskılanır veya tamamen durdurulur.
Burada dikkat çekici olan, tuzlama veya şekerlemede gıdanın içerisindeki su miktarı değişmemekte ancak içerisinde madde çözündüğü için önemli bir miktarı mikroorganizmalar için kullanılabilir olmaktan çıkmaktadır.
Hatta, reçellerde çok sık rastlanan bir durum su aktivitesinin önemini anlamak açısından güzel bir örnek olarak verilebilir. Reçel, yüksek miktarda şeker ihtiva eder ve dolayısıyla su aktivitesi mikroorganizmaların gelişemeyeceği kadar düşüktür.
Ancak, reçelin üzerine bir damla su damladığında veya üzerinde su yoğunlaştığında o kısımda derhal küf gelişimi meydana gelir. Bu durum, su aktifliğinin ne derece önemli olduğunun görülmesi açısından oldukça önemlidir.
Bütün mikroorganizmalar için sabit elverişli bir su miktarı yoktur; mikroorganizmaların elverişli su ihtiyacı birbirinden farklılık gösterebilmektedir. Bu bağlamda, bazı mikroorganizmaların gelişimleri için gerekli olan minimum su aktivitesi değerleri deneysel olarak şu şekilde belirlenmiştir;
|Mikroorganizma
|Minimum aw
|Zararlı bakterilerin çoğu
|0,91
|Zararlı mayaların çoğu
|0,88
|Zararlı küflerin çoğu
|0,80
|Halofilik bakteriler (Tuzu seven)
|0,75
|Kserofilik küfler (Kuruluğu seven)
|0,62
|Ozmofilik mayalar (Basıncı seven)
|0,61
|Bazı bakteri türleri
|Clostridium botulinum tip E
|0,97
|Clostridium botulinum tip A ve B
|0,94
|Clostridium perfingens
|0,95
|Pseudomonas spp.
|0,96
|Pseudomonas fluorescens
|0,97
|Pseudomonas fragi
|0,91
|Acinetobacter spp.
|0,96
|Escherichia coli
|0,95
|Bacillus subtilis
|0,95
|Bacillus cereus
|0,95
|Bacillus stearothermophilus
|0,93
|Salmonella spp.
|0,92-0,95
|Lactobacillus viridescens
|0,94
|Listeria monocytogenes
|0,92
|Staphylococcus aureus
|0,86
|Enterobacter aerogenes
|0,95
|Pediococcus cerevisiae
|0,94
|Vibrio parahaemolyticus
|0,94
|Bazı küf türleri
|Rhizopus stolonifer
|0,93
|Rhizopus nigricans
|0,93
|Botrytis cineria
|0,93
|Aspergillus citri
|0,84
|Aspergillus flavus
|0,78
|Aspergillus niger
|0,78
|Aspergillus versicolor
|0,78
|Aspergillus ochraceous
|0,77
|Aspergillus glaucus
|0,70
|Penicillium expansum
|0,83
|Penicillium islandicum
|0,83
|Penicillium patulum
|0,81
|Penicillium citrinum
|0,80
|Penicillium chrysogenum
|0,79
|Bazı maya türleri
|Candida utilis
|0,94
|Saccharomyces cerevisiae
|0,90
|Saccharomyces baiht
|0,80
|Debaryomyces hansenii
|0,83
|Xeromyces bisporus
|0,61
|Zygosaccharomyces rouxii
|0,62
Yukarıdaki tablodaki veriler, laboratuvar deneyleri sonucunda elde edilmiş verilerdir. Ancak, doğal ortamlarında mikroorganizmaların davranışları deney ortamındaki davranışlarından farklılık göstermektedir.
Genel olarak, mikroorganizmalar gıda ortamında gelişim için, deney ortamındakinden daha yüksek aw değerine ihtiyaç duyarlar. Mesela, Staphylococcus aureus deney ortamında 0,86 su aktivitesinde gelişebilirken, aynı bakteri 0,89 su aktivitesine sahip karideste gelişememektedir.
Benzer durum mikroorganizmaların birbirleri arasındaki gen transferinde, deney ortamlarında farklı, gıda ve bağırsak gibi doğal ortamlarda ise farklı davranışlar sergilemesinde de görülmektedir.
Hani, insanlarda ev, iş veya diğer sosyal ortamlarda farklı davranış ve karakterler görülebilir; aynı şekilde mikroorganizmalar da benzer şekilde farklı ortamlarda farklı davranışlar sergilemektedir.
Kuvvetle muhtemel ki; su aktivitesiyle birlikte diğer birçok faktörün mikroorganizmaların gelişimi üzerinde etkili olması bu sonucu doğurmaktadır.
Diğer taraftan, bazı toksin üreten mikroorganizmaların toksin üretebilmekleri için gereken minimum su aktivitesi değeri, gelişimleri için gereken su aktivitesi değerinden daha yüksektir. Bu mikroorganizmalara Staphylocooccus aureus, Penicillium patulum, Aspergillus flavus ve Aspergillus clavatus örnek olarak verilebilir.
Ek olarak, ortamın sıcaklığı ve asitlik derecesi mikroorganizma için uygun olmaktan ne kadar uzaksa, gelişim için gerekli olan su aktivitesi değeri de o derece artmaktadır.
Mesela, Clostridium botulinum tip A’nın optimum gelişim şartları olan 37oC sıcaklık ve 7,0 pH’de ihtiyaç duyduğu minimum su aktivitesi 0,94 iken, aynı sıcaklıkta pH 5,3’e düşürüldüğünde ihtiyaç duyduğu minimum su aktivitesi 0,99’a yükselmektedir.
Sonuç olarak su aktivitesinin mikroorganizmalar üzerindeki etkisi üzerine değerlendirme yapıldığında şu söylenebilir; genel itibari ile su aktivitesi 0,90’ın altında bakteri kaynaklı gıda bozulması pek gözlenmez.
0,90’nın altında su aktivitesine sahip gıdalarda bakteriler uzun süre canlılığını koruyabilir, ancak gelişip üreyerek gıdanın bozulmasına neden olmaları pek muhtemel değildir.
Su aktivitesi 0,90-0,80 değerleri arasında olan gıdalarda bozulmalar genellikle maya ve küfler tarafından meydana gelmektedir. 0,60 aw Değerine kadar kserofilik, halofilik ve ozmofilik mikroorganizmalar bozulma riski teşkil edebilmektedir.
Genel itibari ile 0,60 aw’nin altında su aktivitesine sahip gıdalar, mikroorganizmaların gelişemeyeceği ve dolayısıyla mikrobiyal bozulmanın pek muhtemel olmadığı gıdalardır.
Ancak yinelemekte fayda vardır ki, düşük su aktivitesine sahip gıdalarda mikroorganizmalar gelişip çoğalamaz, ancak hayatta kalabilirler. Bunun en bilinen örneği gıdanın dondurulması işleminde görülmektedir. Bir gıda dondurularak su aktivitesi 0,1-0,25 değerleri arasına düşürülebilir.
Bu su aktivite değerlerinde mikroorganizmalar gelişip çoğalamazlar. Bundan dolayı, dondurulan gıda uzun süre muhafaza edilebilir.1 Ancak, gıdanın içerisindeki mikroorganizmaların birçoğu gelişip çoğalamasalar dahi hayatta kalır.
Dolayısıyla, gıda donuk kaldığı süre içinde bozulma riskinden uzak olsa dahi, çözünmeye başladığı anda derhal mikrobiyal bozulma riskiyle karşı karşıya kalır. Bunu evimizde et veya kıymayı muhafaza ederken çok iyi bir şekilde gözlemleyebiliriz.
2. Kimyasal açıdan su aktivitesinin önemi
Su aktivitesinin kimyasal reaksiyonlar açıdan etkisi net bir şekilde bilinmese de yapılan bazı çalışmalar, su aktivitesinin kimyasal reaksiyonların hızı üzerinde etkili olduğunu göstermektedir. Bilinen hali ile su aktivitesi, aşağıdaki reaksiyonlara etki etmektedir;
a) Lipidlerin yükseltgenmesi
Lipidlerin yükseltgenmesi kavramı genel itibari ile doymamış yağ asitlerinin oksijen ile reaksiyona girerek doygunlaşmasını ifade eder.
Lipidlerin yükseltgenme reaksiyonlarının hızı, su aktivitesi yükseldikçe bir dalgalanma sergilemektedir. Genellikle, 0,1’den 0,3 aw değerlerine doğru gidildiğinde reaksiyon hızı yükselme göstermektedir.
0,3’ten 0,5 aw’ye gidildiğinde reaksiyon hızı azalır; 0,5’ten 0,75 aw’ye gidildiğinde reaksiyon hızı yeniden yükselir ve 0,75’in sonrasında tekrar reaksiyon hızı düşer.
b) Maillard reaksiyonu
Maillard reaksiyonu, enzimatik olmayan esmerleşme reaksiyonlarındandır. Maillard reaksiyonu karbonhidratların indirgen uçları ile proteinlerin ve amino asitlerin amino grupları arasında gerçekleşir.
Maillard reaksiyonunu etkileyen asıl faktör sıcaklıktır. Bununla birlikte, su aktivitesi de Maillard reaksiyonunun hızı üzerinde etkilidir. Yapılan bir çalışmaya göre, reaksiyon hızı 0,60-0,70 aw değerleri arasında maksimuma erişmektedir.
0,7’den sonra ise reaksiyon hızında düşüş meydana gelmektedir. Bu durum, su aktifliğinin artışıyla seyrelmenin de artması şeklinde izah edilmektedir.
c) Enzimatik reaksiyonlar
Enzimatik reaksiyonlarda suyun işlevinin substrat ve ürünlerin hareketini sağlaması olduğu düşünülmektedir. Bu bağlamda, su aktivitesinin artması ile enzimatik reaksiyonların hızı da artmaktadır.
Ancak, su aktivitesinin enzimatik reaksiyonlar üzerine etkisine dair daha çok araştırmaya ihtiyaç vardır.
d) Askorbik asidin yükseltgenmesi
Askorbik asit, yani bilinen diğer adıyla C vitamininin bozunma hızı, su aktivitesinin artışı ile doğru orantılı olarak artmaktadır. Yapılan bir çalışmada, 30oC’lik sabit sıcaklıkta, 0,1 aw’de C vitamininin yarılanma süresi 76 gün iken, 0,65 su aktivitesinde bu süre 6 gün olarak bulunmuştur.
1Tereyağının dondurularak muhafazasında, bir müddet sonra tereyağının acılaşması mikrobiyal kaynaklı değildir. Dondurularak muhafaza edilen tereyağının acılaşması, sütün doğal yapısında bulunan lipaz enziminin -40oC’de dahi aktivitesini sürdürmesinden kaynaklanmaktadır. Lipaz, yağ moleküllerini parçalar ve acı tatlı yağ asitleri serbest hale gelir.
Kaynaklar;
Kışla, D., 2013. Düşük su aktivitesiyle gıdaların korunması. In: Gıda Mikrobiyolojisi, Ed: Erkmen O.Efil yayınevi, Ankara.
Us, F., 2014. Su ve buz. In: Gıda Kimyası, Ed: Saldamlı İ., Hacettepe Üniversitesi yayınları, Ankara.
Yıldırım, İ., 2009. Gıda Mikrobiyolojisi Ders Notları. Akdeniz Üniversitesi, Antalya.
Uysal Seçkin, G. ve Taşeri, L., 2015. Yarı-kurutulmuş sebze ve meyveler. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 21(9), 414-420.