Functional and Physiological Effects of Carbon Dioxide (CO2) as a Food Component

Prof.Dr. Ali Esat Karakaya – Gazi Üniversitesi (Emekli Öğretim Üyesi)

Prof.Dr.Aziz Ekşi – Avrupa Lefke Üniversitesi

Prof.Dr. Neşe Tuncel – Eskişehir Osmangazi Üniversitesi

Samim Saner – Gıda Güvenliği Derneği

(alfabetik sıralanmıştır)

1.DOĞADA KARBONDİOKSİT DÖNGÜSÜ

Karbondioksit (CO_2, MA:44.01 g/mol) normal basınç ve oda sıcaklığında gaz formunda olan bir bileşiktir. Bir litresinin ağırlığı, 0ºC ve 760 mmHg basıncında 1.98 gramdır. Sıcaklık ve basınca bağlı olarak sıvı ve katı forma da dönüşebilmektedir. Katı formu(kuru buz), normal basınçta, -78.5°C’de süblime olmaktadır.¹

Doğada oldukça yaygındır. Atmosferin içerdiği başlıca gazlardan biridir. Volkanlarda, gayzerlerde, yeraltı sularında ve buzullarda da bulunmaktadır.¹

Denge durumundaki hava %78.08 azot(N₂), %20.95 oksijen(O₂), %0.03 karbondioksit (CO₂) içermektedir. Geriye kalanı; helyum(He), argon(Ar)ve ksenon(Xe) gibi diğer gazlardan oluşmaktadır.²

Yaşam için havadaki %20.95 oranındaki O₂ ne kadar önemli ise %0.03 oranındaki CO₂ de o kadar önemlidir. Fotosentezin gerçekleşmesi için zorunlu öğelerden biridir. Fotosentezde; havadan alınan CO₂ ve topraktan alınan su, güneş enerjisi ve klorofil eşliğinde organik maddeye(glukoz ve diğer karbohidratlara) dönüşmekte ve oksijen açığa çıkmaktadır:³

6CO₂ + 6H₂O + 686 kcal→ C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Organik madde; başta bitki, hayvan ve insan olmak üzere canlı yaşamın devamı için zorunludur. Canlılar tarafından enerji kaynağı, besin öğesi ve yapı maddesi olarak yararlanılmaktadır. Oluşan O₂ ise solunum için kullanılmaktadır. Solunum sonucunda organik kütle CO₂‘e dönüşerek tekrar atmosfere dönmektedir.³

C₆H₁₂O₆ + O₂→ 6CO₂ + 6H₂O + 686 kcal

Görüldüğü gibi O₂ veCO₂, yaşamın devamlılığı için mutlak gerekli olan iki gazdır. Bu olayda CO₂ fotosenteze katılarak canlı için besin ve O₂ oluşmasını, O₂ ise solunum ile gıdaların enerjiye dönüşmesini ve tekrar CO₂ oluşmasını sağlamaktadır.³

Bitkiler tarafından fotosentez için harcanan CO₂ miktarının yılda 60 milyar ton olduğu belirtilmektedir.⁴ İnsan vücudunda 1 günde oluşan CO₂ miktarı ise yaklaşık 1 kg’dır.¹

2.GIDALARDA CO₂VARLIĞI VE İŞLEVİ

CO₂ gıda sektöründe koruyucu gaz, dondurucu sıvı, özütleme çözgeni, gazlama ajanı gibi birçok amaçla kullanılmaktadır. Koruyucu gaz olarak işlevi; kontrollü atmosfer (CA) ve modifiye atmosfer (MA) ambalajlamada solunumu ve mikroorganizma gelişmesini yavaşlatarak gıdanın raf ömrünü uzatmasıdır. Dondurucu sıvı olarak işlevi, üzerine püskürtüldüğü gıdayı buharlaşırken soğutmasıdır. Özütleme çözgeni olarak ise; havuç vb kaynaklardan β-karoten elde edilmesi, kahveden kafeinin uzaklaştırılması gibi amaçlarla kullanılmaktadır. Bu süreçlerde CO₂, tüketime hazır gıdaların bileşimine katılmadan sadece işlemlere yardımcı olmaktadır.^1,5,6

Buna karşılık, CO₂ tüketime hazır birçok gıdanın bileşiminde de bulunabilmektedir. Bazı gıdalarda doğal olarak oluşurken bazı gıdalara dışarıdan katılmaktadır. Kefir ve boza gibi sütten elde edilen fermente gıdalarda doğal olarak oluşmaktadır. Kefir 2 g/L, boza ise 0.3 g/L dolayında CO₂ içermektedir. Bunun gibi ekmeğin mayalanması (fermentasyonu) sırasında da CO₂ oluşmakta, hamurun ve ekmeğin kabarmasını sağlamakta ancak pişirme sırasında büyük ölçüde uzaklaşmaktadır.^7,8

İnsanlığın ilk tanıştığı gazlı içecek doğal kaynak suyu olmalıdır. Bunlardaki CO₂ kayaçlardaki kireç taşının(CaCO₃) asidik suda çözünmesi ile oluşmaktadır. Daha sonraları içme suyuna da dışarıdan CO₂ verilerek (karbonasyon) benzeri bir içecek (soda) elde edilmiştir. Suyun karbonasyonu hakkındaki ilk yayın 1772 yılında Joseph Priestley tarafından yazılmış ve ilk su karbonasyon tesisi 1807 yılında Benjamin Sillimon tarafından açılmıştır.⁹ Günümüzde maden suyunun CO₂ içeriği 7.1 g/L dolayındadır.

Kolalı ve meyveli içeceklere CO₂ eklenmesinde (karbonasyon) de maden suyundan esinlenildiği bir gerçektir. Bu içeceklerdeki CO₂ miktarının düzenlemelere göre minimum 2 g/L olması öngörülmektedir.¹⁰ Gerçekte ise kolalı içecekler 7.5 g/L ve meyveli içecekler ise 3.7 g/L dolayında CO₂ içermektedir.¹¹

CO₂ birçok yöntemle üretilmekle birlikte, Türkiye’de içeceklerin karbonasyonun da yeraltı kaynaklardan elde edilen doğal CO₂ kullanılmaktadır. Hangi yöntemle elde edilirse edilsin içecek karbonasyonu için kullanılan CO₂‘in gıda saflığında olması gereklidir. CO₂‘in saflık kriterleri gıda kodeksinde yer almaktadır.¹² Ayrıca, bu amaçla uluslararası meslek ve sektör kuruluşları tarafından uygulanan kalite standardları da vardır.^13,14

Elde edilen CO₂ sıvı formda ve basınca dayanıklı tank veya tankerle içecek dolum tesisine nakledilmektedir. İçeceğin karbonasyonu için karbonatör adı verilen aygıtlar kullanılmakta ve CO₂ düzeyi sıcaklık ve basınç parametreleri ile ayarlanmaktadır. Bilindiği gibi gazların sıvıda çözünürlüğü sıcaklık düştükçe ve basınç arttıkça artmaktadır. Gazlanan içecek karşı-basınç dolum sistemi ile şişe veya kutuya aktarılmaktadır.^9,11,15

İçeceğin şişesi veya kutusu açıldığı zaman tepe boşluğundaki CO₂ hemen uzaklaşmaktadır. Ayrıca sıcaklık derecesi, sıvı yüksekliği, açma ve içme arasındaki süre vb faktörlere bağlı olarak içecekteki CO₂ miktarı önemli ölçüde azalmaktadır. Ambalajın kapağı açıldıktan sonra, 300 ml içecekte 4°C’de çözünebilen CO₂ miktarı1 gram dolayındadır.^15,16

İçecek bileşeni olarak CO₂‘inçok yönlü bir fonksiyonu vardır. Öncelikle içeceğe kendine özgü hafif asidik bir tat vermektedir. Köpüklü ve kabarcıklı bir görünüş oluşturmaktadır. Serinletici ve ferahlatıcı bir nitelik kazandırmaktadır. Bakteri gelişmesini durdurduğu için raf ömrüne belirli bir katkısı bulunmaktadır.^9,11,17

3.TOKSİKOLOJİK AÇIDAN CO₂

CO₂ toksik bir gaz değildir. JECFA tarafından ADI (acceptable daily in take) kodu NS(not specified) olarak tanımlanmıştır. Başka bir deyişle gıdalarla günlük tüketim düzeyi açısından zararlı bulunmamış ve sayısal bir ADI belirlenmesine gerek duyulmamıştır.¹⁸

Bunun gibi FDA’nın “genel olarak güvenli sayılan” gıda katkıları (GRAS) listesinde yer almaktadır ve ABD’de gıda katkısı olarak limitsiz kullanılmasına izin verilmektedir.¹⁹

AB’de ve Türkiye’de de onaylı (E290) bir gıda katkısıdır ve gıdalarda kullanımı için herhangi bir limit bulunmamaktadır.²⁰

4.CO₂‘İN FİZYOLOJİK ETKİLER

Gazlı içecekler ağıza alındığı zaman serinletici ve ferahlatıcı bir etki oluşmaktadır. Bunun nedeni, ağızda sıcaklığın etkisi CO₂‘in gaz formuna dönüşmesi ve gaz formuna dönüşürken ortamdan ısı alması ve ayrıca dil üzerindeki belirli reseptörleri uyarmasıdır.^17,21

Geriye kalan ve mideye ulaşan CO₂‘in burada hareketliliği arttırması ve sindirimi kolaylaştırması beklenebilir. Bu konudaki gözlemler, küçük miktardaki(300ml gibi) gazlı içeceğin midede fizyolojik mekanizmayı etkilemediğini göstermektedir. Daha fazlasının ise midede gıda dispozisyonunu değiştirdiği ve doygunluğu artırdığı belirtilmektedir.¹⁶

Gazlı maden suyunun hazımsızlığa iyi geldiği yüzyıllardan bu yana kabul edilmektedir. Hazımsızlığı ve kabızlığı azalttığını gösteren araştırmalar da vardır. Ancak bunun daha fazla araştırma ile doğrulanması gereklidir.²²

Bir porsiyon (yaklaşık 300 ml) içecekteki CO₂‘in tümü mideye ulaşsa bile içerdiği CO₂ miktarı yalnızca 2.5 g kadardır. Daha önce değinildiği gibi mideye ulaşmadan önce önemli bir kısmının içecekten uzaklaşması kaçınılmazdır. Solunum sırasında insan vücudunun günde yaklaşık 1 kg CO₂ oluşturduğu¹ düşünülürse içecek kaynaklı CO₂ miktarı bunun yanında oldukça düşüktür.

Mideye ulaşan CO₂miktarı az olduğu için gazlı içeceklerin midede uzun süreli şişkinliğe yol açması söz konusu değildir. Hızlı içildiğinde, yutulan hava ile birlikte geğirme ile vücuttan uzaklaşmaktadır.¹⁶ Araştırmalar, gazlı içeceğin doğrudan reflüye yol açmadığını da doğrulamaktadır^.23

Normal fizyolojik işleyişte organizmanın en önemli tampon sistemi; karbondioksit (CO₂),karbonik asit (H₂CO₃)ve bikarbonat (HCO₃^–) eksenindeki geri dönüşlü (reversible) tepkime zincirine dayalıdır. Hücrelerdeki karbonik anhidraz enzimi tarafından katalize edilen bu iki yönlü tepkime zinciri aşağıdaki gibidir:²⁴

CO₂ + H₂O →H₂CO₃

H₂CO₃ + H₂O→HCO₃^– + H₃O⁺(H+)

Su varlığında bikarbonat (HCO₃^–) oluşması CO₂ varlığına bağlıdır. Oluşan bikarbonat vücudumuzun en önemli asit tamponlayıcı (pH düzenleyici) moleküllerinden biridir. Dolayısı ile CO₂ ve HCO₃^– organizmada için yaşamsal iki moleküldür. Kanın pH değeri de esas olarak alyuvar hücreleriyle taşınması sırasında ve böbrekteki tübül hücrelerinde CO₂^‘ten HCO₃^– oluşması ile düzenlenmektedir.²⁵

CO₂‘ten HCO₃^– oluşmasını sağlayan tepkime zinciri gastro-intestinal sistemde de gerçekleşmektedir. Bu yolla CO₂‘ten oluşan bikarbonat iyonları midedeki fazla asidi nötralize etmekte ve böylece mide mukozasını kendi asit salgısına karşı korumaktadır.²⁶

On iki parmak bağırsağında (duodenum) ise safra ve pankreas salgısıyla gelen ve ayrıcakendi mukozasında CO₂‘ten oluşan bikarbonatın; duodenumu mideden gelen asitli içeriğe karşı koruduğu ve sindirimi kolaylaştırdığı belirtilmektedir. Nitekim duodenumda ülser oluştuğu zaman bikarbonat yanıtının azaldığı saptanmıştır.²⁷

Karbon dioksidin bağırsak sisteminde patofizyolojik etki gösterdiğine ilişkin herhangi bir kanıt yoktur. Esasen, sindirim sistemine katılan az miktardaki CO₂ alt sindirim kanalına ulaşmadan önce zaten tümüyle absorbe edilmiş olmaktadır.¹⁶

Genel olarak bakıldığında, karbondioksitin vücutta çeşitli işlevleri bulunmaktadır. Solunum sonucu her organda oluşmakta ve muhtemelen her organ üzerine etkisi bulunmaktadır. Bir solunum metaboliti olsa da vücut fonksiyonlarını 3 yolla etkilediği çok iyi bilinmektedir. “Birincisi; kandaki asit-baz dengesini sağlayan birincil faktör olmasıdır.İkincisi; solunumu kontrol eden başlıca etken olmasıdır.Üçüncüsü ise; kalp ve periferik dolaşım sistemi üzerine yaşamsal bir uyarıcı(tonik)etkisinin bulunmasıdır. Vücuttaki CO₂ düzeyi, fazla moleküllerin akciğer üzerinden atılması ile sağlanmaktadır.¹⁶

Ölçülü tüketilen içecek ile alınan CO₂‘in de su molekülü varlığında bikarbonat iyonu oluşturması ve karbondiokside bağlı bu bikarbonat artışının asitliği dengelemesi, mukozayı koruması ve sindirimi desteklemesi söz konusudur. Ancak bu bağlamda daha fazla destekleyici çalışmaya gereksinim olduğu belirtilmektedir.²⁸

5.SONUÇ

Görüldüğü gibi CO₂, O₂ gibi yaşamsal bir gazdır. Doğada yaygın olarak bulunmaktadır. İnsanoğlunun gıda bileşeni olarak CO₂ ile tanışıklığı çok eskiye dayanmaktadır. Çünkü CO₂; maden suyu, kefir, boza gibi çok sayıda içecekte doğal olarak bulunmakta veya oluşmaktadır.

Gıda bileşeni olarak CO₂‘in herhangi bir zararlı etkisi yoktur. FDA’nın GRAS listesinde yer almaktadır. AB’de ve Türkiye’de limitsiz kullanılmasına izin verilen bir gıda katkısıdır(E 290).

Gıda bileşeni olarak CO₂‘in başlıca fonksiyonel özellikleri; kendine özgü bir tat kazandırması, serinletici ya da ferahlatıcı bir etki sağlaması, köpüklü ve kabarcıklı bir yapı oluşturması ve raf ömrüne katkıda bulunmasıdır. Ayrıca, mide ve kanın pH’sını düzenleyici ve sindirimi kolaylaştırıcı etkisi vardır.

KAYNAKLAR

1. Carbon dioxide. https://en.wikipedia.org. Erişim tarihi 07.03.2016.
2. Shakhashiri B. Gases of theair.
   http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/pdf/airgas.pdf.Erişim tarihi 07.03.2016.
3. İstanbul Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı. Biyofizik Ders Notları.http://istanbultip.istanbul.edu.tr/wp-content/uploads/2014/03/biyofizik_kitap.pdf. Erişim tarihi 07.03.2016 .
4. ScientificAmerican. Carbon Dioxide and Climate.http://www.scientificamerican.com/article/carbon-dioxide-and-climate/.Erişim tarihi 07.03.2016.
5. Aaron,LB.1989. Controlled/modified atmosphere / vacuum packaging of foods. Food and Nutrition Press,Inc. Trumbull, Cennecticut. 199 p.
6. Ooraikul,BandStiles,ME. 1991. Modified atmosphere packaging of food. Ellis Horwood, New York. 293 p.
7. Belitz, HD. et al.2000. Food chemistry(3rd revisededition). Springer Verlag. Berlin.1070 p.
8. Sezgin,E.et al.2013. Süt teknolojisi(3. Baskı). Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayını: 1560/513. Ankara. 298 s.
9. Jacobs,M.B.1959. Manufacture and analysis of carbonated beverages. Chemical Publishing Co..Inc. New York.
10. Türk Gıda Kodeksi-Alkolsüz İçecekler Tebliği:2007/26. http://www.resmigazete.gov.tr/eskiler/2007/06/20070615-5.htm. Erişim tarihi 07.03.2016.
11. Woodroof, JGand Phillips, GF 1981. Beverages-Carbonated and non carbonated. Avi Publishing Co.,Inc. Westport, Connecticut.
12. Türk Gıda Kodeksi-Gıdalarda Kullanılan Renklendiriciler ve Tatlandırıcılar Dışındaki Katkı Maddelerinin Saflık Kriterleri Tebliği: 2012/33.http://www.resmigazete.gov.tr/eskiler/2012/04/20120408-4.htm. Erişim tarihi 07.03.2016.
13. Carbondioxide source qualification, quality standards and verif,cation. European Industrial Gases Association (EIGA). Brussels.http://www.eiga.eu.Erişim tarihi 07.03.2016.
14. Carbondioxide-Quality guıde lınes and analytıcal procedure bıblıography. International Society of Beverage Technologists (ISBT). http://www.bevtech.org. Erişim tarihi 07.03.2016.
15. Ghose P and Nair P. 2013. Packaging of carbonated beverages. International Journal of Agriculture and Food Science Technology;4(5),421-430.
16. Cuomo R. et al. 2009.Carbonated beverages and gastrointestinal system: Between my thand reality. Nutr Metab Cardiovasc Dis. 19(10),683-689.
17. Cowart BJ. 1998. The addition of CO₂ to traditional taste solutions alters taste quality. Chem Senses. 23(4),397- 402.
18. FAO/WHO. 1985. Food additives data system(Evaluations by Joint Expert Committee on Food Additives 1985). Food and Nürition Paper 33/Rev.1/Add.1). FAO, Rome.
19. CFR-Code of Federal Regulations Title 21-Food and drugs. FDA Home Medical Database. www.registrarcorp.com.Erişim tarihi 07.03.2016.
20. Türk Gıda Kodeksi Gıda Katkı Maddeleri Yönetmeliği www.tarim.gov.tr/Mevzuat/Turk-Gida-Kodeksi. Erişim tarihi 07.03.2016.
21. Simmons CT, et al. 1999. Neurobiological and psychophysical mechanisms underlying the oral sensation produced by carbonated water. J Neurosci. 19(18),8134-844.
22. Cuomo R, et al. 2002.Effects of carbonated water on functionaldy spepsia and constipation. Eur J GastroenterolHepatol. 14,991-999.
23. Johnson T, et al. 2010. Systematicreview: the effects of carbonated beverages on gastro-oesophageal reflux disease. Aliment Pharmacol Ther. 31(6),607-614.
24. Konturek PC et al. 2004. Duodenal alkaline secretion: its mechanisms and role in mucosal protection against gastric acid. Dig Liver Dis. 36(8), 505-512.
25. Raymond KW. General Organic and Biological Chemistry, 3rd Edition, 2010, John WileyandSons, Inc.
26. Kleinman RE. 2008. Protection of the gastrointestinal tractepi the liumagainst damage from low pH beverages. J FoodSci. 73(7), 99-105.
27. Takeuchi K, et al. 2011. Regulatory mechanism of duodenal bicarbonate secretion: Roles of endogenous prostaglandins and nitric oxide. Pharmacol Ther.130(1), 59-70.
28. Sasaki Y, et al. 2009. Stimulation by sparkling water of gastro duodenal HCO₃ secretion in rats. MedSciMonit. 5(12), 349-356.