Kâğıt ve polisakkaritlerde on yıllık depolama ile hızlandırılmış yaşlandırma aynı sonucu vermiyor

Tallinn Üniversitesi'nden bilim insanlarının on yıl süren deneyi, polisakkaritlerin ve kâğıdın uzun süreli depolanmasında bir haftalık sıcaklık testinin yanıltıcı bir tablo verebileceğini gösterdi. Araştırmada 24 farklı polisakkarit örneği hem oda sıcaklığında hem de soğukta on yıl boyunca bekletildi ve sonuçlar yedi gün 80 derecede tutulan hızlandırılmış yaşlandırma testiyle karşılaştırıldı. Bulgular Food Hydrocolloids dergisinde yayımlandı.

Kâğıdın ana bileşeni selülozdur. Selüloz molekülleri, glukozdan oluşan uzun zincirler hâlindedir ve bu zincirlerdeki halkalar birbirine güçlü kovalent bağlarla bağlanır. Polisakkaritler doğada yaygın olarak bulunur; kıvam verici ve jelleştirici maddeler, örneğin deniz yosunlarından elde edilen agar, karragenan ve aljinatlar da bu gruba girer. Bu maddelerin kâğıt ve gıda gibi ürünlerdeki işlevi, zincir uzunluğuna ve zincirler arası bağlara bağlıdır.

Zincirler kısalınca madde miktarı değişmeden özellikler bozulabiliyor

Polisakkarit zincirleri suyla girdikleri hidroliz tepkimesi sonucunda kopabilir. Asitler bu süreci hızlandırır. Kuru görünen bir madde bile su içerebilir; örneğin yüz gram selüloz tozu yaklaşık bir tatlı kaşığı su barındırabilir. Nem oranı hem maddenin yapısına hem de ortamın nemine bağlıdır. Bu nedenle zincirlerdeki yavaş bozunma, kuru sanılan kâğıtta bile sürebilir.

Bu durum, 500 yıllık bir kitap kâğıdının 50 yıllık bir kâğıttan daha iyi korunmuş olabilmesini açıklar. Eski kâğıtlar keten ve pamuk liflerinden üretilirken, sonradan yaygınlaşan odun hamurundan yapılan kâğıt daha fazla asidik bileşik içerebilir ve selüloz zincirlerinin bozunmasını hızlandırabilir. Yani kâğıdın dayanıklılığını yalnızca yaşı değil, bileşimi ve saklama koşulları belirler.

Polisakkaritler enzimler yoluyla da çok daha hızlı bozunabilir. Nemli ortamda kâğıt üzerinde gelişen küf mantarları, selülozu parçalayan selülaz enzimleri üretir. Ancak zincir kopması için enzim şart değildir; görünüşte kuru bir madde uzun süre saklandığında da yavaş değişimler devam edebilir.

Kısa testler uzun vadeli dayanıklılığı öngöremiyor

Bir maddenin kapalı bir kapta bile değişebilmesi, yıllar sonra aynı işlevi görüp görmeyeceği sorusunu doğurur. Yeni bir kıvam verici veya jelleştirici geliştirilirken her aşamada yıllarca beklemek mümkün değildir. Bu yüzden maddeler genellikle daha hızlı değişimin gerçekleştiği koşullara sokularak hızlandırılmış yaşlandırmaya tabi tutulur. En yaygın yöntem ısıtmadır; sıcaklık birçok kimyasal tepkimeyi hızlandırır ve farklı sıcaklıklarda ölçülen değişimlerden normal koşullardaki davranış tahmin edilmeye çalışılır. Ancak bu tahmin, ısıtmanın raflarda yavaşça gerçekleşen süreçlerin aynısını hızlandırdığını varsayar.

Tallinn Üniversitesi'ndeki araştırmada, on yıl boyunca oda sıcaklığında ve soğukta bekletilen 24 polisakkarit tozunun molekül boyutu dağılımı incelendi. Örnekler arasında ağırlıklı olarak yosunlardan elde edilen kıvam vericiler ve jelleştiriciler, bunların arasında Baltık Denizi'ndeki kırmızı yosundan üretilen furcellaran da yer aldı. On yıl boyunca birçok örnekte molekül zincirlerinin kısaldığı görüldü; soğuk beklendiği gibi değişimi yavaşlattı. Ancak yedi gün 80 derecede tutulan hızlandırılmış testle karşılaştırma şaşırtıcı bir sonuç verdi.

İncelenen maddelerden birinde on yıllık oda sıcaklığı depolaması zincirleri yalnızca az miktarda kısaltırken, bir haftalık sıcaklık testi zincirleri çok daha küçük parçalara ayırdı. Uzun süreli depolamada iyi dayanan madde, sıcaklık testinde en duyarlı olanıydı. İki testte diğer maddelerin dayanıklılık sıralaması da farklı çıktı. Yani ısıtma, sadece daha hızlı işleyen bir saat gibi davranmadı; yüksek sıcaklıkta uzun süreli depolamadakinden farklı bozunma tepkimeleri öne çıkabildi.

Bu nedenle kullanılan hızlandırılmış test, hangi maddelerin yıllar boyunca en iyi korunacağını öngöremedi. Hatta bir madde için hızlandırılmış test, uzun süreli depolamanın tam tersi bir tablo sundu.

Analiz cihazları çok küçük değişimleri bile kaydedebilse de, ilk aylardaki değişimden yola çıkarak on yıllar sonrasını hesaplamak, bozunma hızının ve biçiminin sabit kalacağını varsayar. Oysa bozunma sırasında oluşan asidik bileşikler sonraki tepkimeleri hızlandırabilir ve başlangıçta ikincil görünen bir süreç zamanla belirleyici hâle gelebilir. Daha hassas bir ölçüm aracı değişimi daha erken fark ettirir, ama sürecin ileride nasıl gideceğini kendiliğinden göstermez. Hızlandırılmış testler de gereklidir, ancak bu tahminlerin geçerliliği her madde ve saklama koşulu için ayrıca doğrulanmalıdır.

Yavaş değişimlerin çarpıcı bir örneği, Avustralya'da Queensland Üniversitesi'nde 1927'de başlatılan zift damlası deneyidir. Oda sıcaklığında katı görünen ve çekiç darbesiyle kırılabilen zift, bir huniden yavaşça akar. Huninin alt ucu 1930'da açıldıktan sonra ilk damlanın düşmesi sekiz yıl sürmüştür. Deney hâlâ sürüyor; dokuzuncu damla 2014 Nisan'ında ayrıldı ve üniversitenin yayımladığı verilere göre onuncu damla bekleniyor. Deney, Guinness tarafından en uzun süreli laboratuvar deneyi olarak kayıtlıdır.

Zift deneyinde akış izleniyor, molekül zincirlerinin bozunması değil; ancak deney aynı fikri görünür kılıyor: Değişmez görünen şey, fark edilmesi için gereken süreden daha yavaş değişiyor olabilir.

Peki bir kitap ya da toz yüzyıllar ve bin yıllar boyunca izlenseydi ne olurdu? Gözle görülmeyen değişimler deney bittikten çok sonra da sürebilir. Bazı molekül parçaları daha kolay tepkimeye girerken bazıları çok daha uzun süre dayanır. Üstelik yalnızca bozunma olmaz; yeni bağlar ve bileşikler de oluşabilir.

Bazı kimyasal bağların dayanıklılığı milyonlarca yılla ifade edilir. Basit model maddelerle yapılan çalışmalarda, polisakkaritlere özgü bağların yarısının 25 derecede kopmasının, asitler ve enzimler tepkimeyi hızlandırmadığı takdirde milyonlarca yıl alabileceği hesaplanmıştır. Bu, belirli bir tepkime için sıcaklık testlerinden yola çıkılarak yapılmış bir tahmindir; maddenin kanıtlanmış raf ömrü değildir.

Daha da ileri düşünüldüğünde, yapı taşlarının kendisinin sonsuz olup olmadığı sorusu ortaya çıkar. Kimyasal tepkimeler atomlar arası bağları değiştirir, ancak atom çekirdeğini parçalamaz. Bazı fizik kuramları atom çekirdeğindeki protonun bozunabileceğini öngörür; ancak bu bugüne kadar gözlemlenmemiştir. Her şeyin eninde sonunda bozunup bozunmayacağı ise açık kalıyor.

Bir kitap veya hammadde için önemli sınır çok daha erken gelir: sayfanın artık çevrilememesi ya da maddenin işlevini yerine getirememesi. On yıllık deney, uzun vadeli değişimleri tahmin etmek için zamanı hızlandırmanın her zaman yeterli olmayacağını gösterdi. Bazen gerçekten beklemek gerekir.