İYONLAR ÜZERİNE...

Su dünyadaki en iyi ve en güvenli çözgendir. Suyun çözünürlük özelliklerinden ve kimyasından suyla ilgili olan yazılarımızda detaylıca bahsetmiştik. Bu yazımızda ise iyonların, suyun çözünürlük kimyasına olan etkisine geniş perspektiften bakacağız. İyonlar su içinde çözündüklerinde çözeltinin elektrolitik özellikleri artar ve suyun elektriksel iletkenliği artar. Bu elektriksel iletkenlik suya yeni özellikler kazandırır. İyonlar su molekülleriyle etkileşime girerek hidrat tabakası oluştururlar ve bu tabaka sayesinde daha fazla iyonun su içinde çözünmesi sağlanır. Bu nedenle, suyun elektriksel iletkenliğinin artması sayesinde suyun çözücü özelliği artar, su daha fazla maddeyi çözebilir hale gelir. Lockhart ve Pangborn’ın kahve ve su üzerine yaptığı çalışmalarda kahve özütlenmesinde “ideal” kavramına ulaşmaya çalışırken, geçiş metalleri, halojenler, nitrat, sülfat, fosfat gibi kahvede istenmeyen metal ve bileşikleri yok saymadan kendilerine ve bize bir yol çizmişlerdir. Fakat şu an nitelikli kahveciliğin geldiği noktada değil halojenler, kalsiyum magnezyum gibi en yararlı tuzların iyonlarının miktarını kontrol etme hedefindeyiz. Bu nedenle de FINAL TOUCH ürününü ortaya çıkardığımızdan bir önceki yazımızda ilan etmiştik. Kahve demlemenin tam hilesi, çözücünüzün lezzetli olanları toplaması ve diğerlerini filtreye bırakmasıdır. Kahve bileşenlerinin çözünmesinde çözünmüş iyonların rolünü deneysel olarak nicelleştirmek zordur, çünkü suyun koordinasyon kürelerinden iyon çiftleri oluşturmak için sürüklenmesi gibi birçok rekabetçi etkileşim vardır ve bunlar hem entropik hem de termodinamik olarak önemlidir. Çözünmüş iyonlar ve su arasındaki etkileşim türüne bağlı olarak değişiklik gösterir. Örneğin, Ca2+ 'ın hidrasyonu Mg2+'dan daha ekzotermiktir. Daha büyük moleküllerin çözünmesi daha karmaşıktır, çünkü çözünenin genellikle karmaşık bir dizi polar motifleri vardır. Lezzet kimyasında, organik bileşenler, su ile hidrojen bağları, Coulombik etkileşimler ve düzenli hidrat kafeslerinin oluşumu yoluyla etkileşen hidrofilik ve hidrofobik bölgeleri rekabet eden kompleks özellikler sergiler. Her durumda, çözünenler suyun doyma noktasının altındaysa, elektrostatikleri veya hidrojen bağlanmalarını geniş sistemde önemli ölçüde değiştirmezler. Lockhart tarafından yapılan çalışmalarla uyumlu olarak, kahve ekstraksiyonunda çözünmüş iyonların üst sınırı doygunluk tarafından sınırlı değil, aşırı ekstraksiyon tarafından sınırlıdır. Bu bağlamda, bizler literatürden yararlanarak çözünmüş katyonların kahve bileşenlerinin ekstraksiyonundaki rolüne odaklanacağız. Yapılmış bir çalışma üzerinden konuyu özetlemeye çalışacağız. Çalışmada ahve organiklerinin tanıdık çözünmüş metal iyonları, Na+, Mg2+ ve Ca2+ ile bağlanmasını ölçmek için erişilebilir bir kuantum kimyasal yaklaşım önerilmektedir. Aşağıdaki şekillerde kimyasal yapıları gösterilen çeşitli konsantrasyonlarda kavrulmuş çekirdekte bulunan organik türevler sınıfının temsilcisi olarak beş türev asit (1-5), kafein (6) ve öjenol (7) seçtik. Beş asitten laktik asit (1) ve elma asidi (2) ekşi notaları temsil ederken, sitrik asit (3) daha sevilen tatlı bir lezzete sahiptir. Kinik (quinik) asit (4) ve daha büyük türevi olan klorojenik asit (5) acı ve tatsız olarak kabul edilir. Kafein (6), aromatik bir alkaloit örneği olarak dahil edilmiştir, öjenol (7) ise kahve, şarap ve viskide bulunan hoş odunsu bir nota sahiptir.

Çözünmüş katyonlar (Katyon, elektrik yükü taşıyan pozitif iyonlardır. Atom veya moleküllerde bir veya daha fazla elektron kaybettiği için pozitif yüklü hale gelirler, yukarıda ve FINAL TOUCH ürününde yer alan tuzlar sulu çözeltide katyon halde bulunmaktadır) çözünmeye uğramış edilmiş kahve bileşenlerinin nükleofilik motifleriyle etkileşime girer. Bahsettiğim pozitif yüke yani katyona kısa bir parantez olarak; pozitif yük çok önemlidir, çünkü kahvedeki çoğu aroma bileşiği su içinde çözündüğünde negatif yüklüdür, bu da onların pozitif yüklü metal iyonlarına çekildiği anlamına gelir. Bu etkileşim klasik elektrostatiklerle anlaşılabilir: burada etkileşim enerjisi Ur, iyonun ve solüsyonun (qi ve qs) yüküne bağlı olarak ara atomik mesafenin karesine bölünmüş şekildedir. Bu nedenle daha lokalize yüklü türlerin, moleküler çok kutuplu bileşenlerle daha güçlü etkileşim göstermesi beklenir. Yani elektrostatik etkileşimler, iyon ve çözücü yüküne ve aralarındaki uzaklığa bağlı olarak belirlenir.

Yukarıda bahsettiğimiz organik maddelerin 3 boyutlu görselleri solda yer almaktadır. Daha lokalize yüklü iyonların, moleküler çok kutuplu bileşenlerle daha güçlü etkileşim göstermesi beklenir çünkü bu bileşenlerde yükler daha yaygın olarak dağılmıştır. Yandaki figürde 1-2-3-4 bileşiklerinin daha lokalize şekilde (yayılmayan diye kısaltalım) morfolojik yapıya sahip olduğunu görebiliriz.

Bağlanma enerjilerinin (relative binding energy; bir bileşenin başka bir bileşene göre bağlanma enerjisidir) özeti yandaki şekilde gösterilmiştir ve referans olarak H2O-M+ etkileşimi tabloya dahil edilmiştir. Metal-koordine suyun ayrılması, entropi tarafından yönlendirilen bir süreçtir ancak bileşiklerin metal-koordine su moleküllerinin rekabetçi bir şekilde yer değiştirmesi söz konusudur. Koordinasyon ve etkileşim, H2O-Mn+ 'den daha yüksek bir aktivasyon enerjisi gerektirir. beş asidin de ekstraksiyonu için hangi katyonun daha etkili bir oyun arkadaşı olduğu tabloda görülmektedir.

Benzer bağlanma eğilimleri Ca+2 için de gözlemlenir; ancak, tüm durumlarda Mg+2 ile karşılaştırıldığında, göreceli bağlanma enerjisi daha düşüktür. 6(kafein)-Ca+2 'nın bağlanma enerjisi H2O-Ca+2 ile karşılaştırılabilir; bu, elektron-yoğun motifi ile zayıf etkileşen iki değerlikli katyon arasındaki tek örnektir. Kafeinin elektron yoğunluğu konjuge aromatik motifi boyunca yayıldığı için, tüm metal iyonlarına düşük bağlanma enerjileri (Na+ için neredeyse etkileşimsiz) elde edilir. Tabloya göre elde edilen sonuçlar göz önüne alındığında, bağlanma enerjileri açıkça yük ve ters orantılı olarak iyonik yarıçap ile orantılıdır. Dolayısıyla, K+ 'nın bağlanmasının bir keşfine gerek yoktur çünkü aktivasyon enerjisinin Na+ 'dan (çaptan dolayı) daha düşük olması beklenir. Yukarıdaki tabloyu kısaca ve daha yalın şekilde anlatacak olursak, kahve çekirdeği yedi farklı tat bileşenleri ile magnezyum, kalsiyum veya sodyum iyonları arasındaki bağlanma enerjisinin hesaplandığı bir bilgisayar modelleme deneyimi sunar. Sonuçlar, bu iyonların hepsinin bağlanarak yedi farklı aroma bileşeninin çıkarılmasını artıracağını ortaya koymuştur. Magnezyumun çözünürlük etkisini artırmada en büyük etkiye sahip olduğunu, kalsiyumun biraz daha az ve sodyum-potasyumun daha az etki ettiği sunulmuştur. Her iyonun etkisi farklı olsa da etki dengesinin yapılan paneller sonucunda yaklaşık olarak aynı olduğu saptanmıştır. Mg+2 iyonu kahve bileşenleri ile en güçlü etkileşimleri olan iyon ve kahve çekirdeklerinden en fazla bileşenin çözünmesini sağlar. Ayrıca, Ca+2 iyonu da oldukça iyi bir sonuç vermektedir ancak Mg+2'ye kıyasla daha düşük etkileşim gücüne sahiptir. Na+ ve K+ iyonları ise nötr bileşenlerle zayıf etkileşimlere girerek bizi şaşırtıyor. Burada kalsiyum ve magnezyumun oranının iyi ayarlanmadığı takdirde suyu sertleştirdiğini ve çözünmeyi değil artırması aksine düşürdüğünden bahsetmiştik.

Karbonat bir katyon ya da metal değildir. CO3- olarak görev yapar, bu da karbon ve oksijen atomlarının negatif yüklü bir kümesidir. Kahve için su konusunda 'alkalinite' veya 'tampon' terimlerinin tamamı karbonata atıfta bulunulan tanımlardır.

Karbonatın bizim için önemli özelliği, asidi yani hidronyum ya da hidrojen iyonlarını emebilme yeteneğidir. Karbonat, asidi HCO3 veya H2CO3 haline getirerek bağlayabilir ve asit konsantrasyonu düştüğünde tekrar serbest bırakabilir. Bu nedenle karbonat bir 'tampon' olarak adlandırılır, çünkü değişen asit seviyelerine karşı bir tamponlama sağlar. FINAL TOUCH ürünümüzdeki sodyum ve potasyum kaynakları, bikarbonat formlarından sağlanmakta olduğu için suya sodyum ve potasyum iyonlarının beslemesini yaparken bir önceki cümlede bahsedilen tamponlama görevini de görür.

Çalışmada kahve çekirdeklerinin ideal çözünme oranını belirleyen suyun hem iyonik bileşimi hem de bikarbonat miktarına bağlı olduğu gösterilmiştir.

Kahve çekirdeği ile magnezyum iyonun girdiği bir tepkimeyi yukarıda görmektesiniz. Sudaki magnezyumun, kahvenin lezzet bileşiklerine bağlandığı ve onları demlenen kahveye saldığının en güzel ve kanıtlanabilen örneklerinden biridir. Caryophliene diye adlandırılan (tepkime ürünü, okun en sağında bulunan heterosiklik yapı) ve demlenen kahveden gül tadı almanızı sağlayacak yapı ortaya çıkar.

Bu yazımızda referans aldığımız çalışmanın duyusal deneyim paneli kısmında, hakemlere, "yumuşak, ekstra iyon eklentisiz" su kullanarak yapılmış ve "iyi" ve "hafif ekşi asitliği olan" bir filtre demleme sunulmuştur. Ardından, aynı Toplam Çözünmüş Katılar (TDS) değerine sahip yüksek kalsiyum içeriğine sahip su kullanarak bir filtre demleme yapılmıştır. Bu demleme için, Maxwell yüksek tamponlama kapasitesinin diğer tatları yok ettiğini öne sürmektedir. Son olarak da "tüm bahsedilen ve FINAL TOUCH ürünümüzde kullanılan iyonların bir arada çalıştığı" bir demleme içerilir. Panelde hepsinin optimum seviyede birbirini etkilemeden, herhangi bir tuz çökelmesi olmadan iyonlaştırılan suyla yapılan demlemenin en iyi sonucu olan fincan olduğu yorumuna ve gözlemine ulaşılmıştır. Su içindeki magnezyum iyonlarının, keskin, meyvemsi tatların çıkarılmasına yardımcı olduğu, kalsiyumun daha ağır, kremsi notları vurguladığını ve 'tampon' maddelerin ise daha keskin, asitli notlara karşı antogonistik olduğunu öne sürer.

Çalışmanın sonuçları, kahve çekirdeklerinin ideal çözünme oranını belirleyen suyun iyonik bileşimine ve bikarbonat miktarına bağlı olduğunu özetlemiştir.

Bilimsel olarak çok küçük bir kısmına ışık tutabildiğimiz kahve bizi, “ideal/doğru” kavramlarına değil dahasının ne kadar mümkün olduğunu keşfetmeye sürekli itecek ve serüvenimiz kesintisiz şekilde devam edecek gibi görünüyor.

Duygu Kurtuluş

Co-Founder / Chemist / Nanotechnology Engineer / Hazardous Chemical Consultant / Chemical Evaluation Specialist