Türkiye'de yetiştirilen fasulye çeşitlerinden izole edilen proteinlerin çeşitli fizikokimyasal ve fonksiyonel özelliklerinin incelenmesi
Functional properties and physicochemical characterisation of proteins isolated from bean varieties grown in Turkey
Yazar: RUKİYE GÜNDOĞAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ASLI CAN KARAÇA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Dünyada artan nüfusla birlikte; gıda güvenliğinde oluşan problemler, yetersiz beslenme,  hayvansal kaynaklı gıda tüketiminin yüksek maliyetleri, insanlarda meydana gelen tüketim tercihlerindeki değişimler, düşük maliyette sürdürülebilir tarımın sağlanabilmesi hayvansal protein kaynakları yerine bitkisel protein kaynaklarına yönelmeye neden olmuştur. Gıda formülasyonlarına dahil edilen proteinlerin su ve yağ tutma, jel, emülsiyon oluşturma gibi çeşitli fonksiyonel özellikleri de gıda ürünlerinin üretiminde ve depolama süresince kalitelerinin korunmasında önemli rol oynamaktadır. Bu sebeplerle bitkisel proteinlerin gıda formülasyonlarına dahil edilmesi ve  tüketimi yaygınlaşmıştır.
Günümüzde soya proteinin hayvansal kaynaklı protein tüketimine alternatif olarak kullanımı yaygındır. Soya dışında diğer baklagillerin de bitkisel protein kaynağı olarak kullanımı ve bu proteinlerin fonksiyonel özellikleri üzerinde araştırmalar da her geçen gün artmaktadır.
Bu çalışmanın amacı; Phaseolus vulgaris L. ve Phaseolus coccineus L. türü beş çeşit fasulyenin unları ve bu unlardan elde edilen protein izolatlarının öncelikle kompozisyonlarını tespit etmek, ardından proteinlerin çeşitli fizikokimyasal ve fonksiyonel özelliklerini belirlemektir. Ayrıca; proteinlerin net yüzey yükü,  termal özellikleri, FTIR ile belirlenecek olan ikincil protein yapıları incelenerek bu sonuçların fonksiyonel özellikler üzerine etkisinin belirlenmesi hedeflenmiştir.
Deneysel çalışmalara Kütahya'dan Simav fasulyesi, Ordu'dan Akkuş fasulyesi, Erzurum'dan Hınıs fasulyesi, Bolu'dan Bombay fasulyesi, Konya'dan Gembos fasulyesi tedarik edilerek başlanmıştır. Fasulyeler öğütülüp un haline getirildikten sonra yağı uzaklaştırılmış ve alkali ekstraksiyon ve izoelektrik çöktürme yöntemiyle protein izolatları elde edilmiştir. Fasulye unlarının ve bu unlardan elde edilen protein izolatlarının nem, kül, protein, yağ ve karbonhidrat oranları belirlenmiştir.
Kompozisyon analizleri sonuçlarına göre; fasulye unlarının %9,27-10,75 nem, %3,38-4,74 kül, %1,26-1,69 yağ, %20,53-24,47 protein ve %60,14-62,22 karbonhidrat içerdiği belirlenmiştir. Elde edilen protein izolatlarının ise %80,82-84,80 protein, %3,83-5,30 nem, %2,01-4,60 kül, %0,53-0,88 yağ ve %6,07-10,48  karbonhidrat içerdiği belirlenmiştir.
Protein izolatlarının fonksiyonel özellikleri olarak bilinen su ve yağ tutma, çözünürlük, emülsiyon oluşturma özellikleri, jelleşme kapasitesi, köpük oluşturma özellikleri incelenmiştir. Analiz sonuçlarına göre;  fasulye protein izolatı çeşitlerinin su tutma kapasitesi 1,86-2,05 g/g arası değerler almıştır ve sonuçlar arasında istatistiki düzeyde farklılık izlenmemiştir. Fasulye protein izolatı çeşitlerinin yağ tutma kapasitesi ise 3,96 ila 5,36 g/g'dır ve  istatistiki olarak çeşitler arasında farklılıklar izlenmiştir. BFPİ 3,96 g/g ile en düşük yağ tutma kapasitesi değerini almışken, SFPİ 5,36 g/g ile en yüksek yağ tutma kapasitesi değerini almıştır. 
Proteinlerin farklı pH değerlerindeki çözünürlükleri pH 3'te %48,92-69,67; pH 5'te %3,68-12,55; pH 7'de %85,22-96,71; pH 9'da ise; %94,26-99,61 olarak belirlenmiştir. Protein izolatlarının pH 2-10 arasındaki net yüzey yükü zeta potansiyeli cinsinden ölçülmüş ve  minumum çözünürlük ve net yüzey yükü pH 5'te belirlenmişken, maksimumum çözünürlük ve net yüzey yükü ise; pH 10'da izlenmiştir. Proteinlerin çözünürlüğü ile yüzey net yükü arasında ilişki olduğu izlenmiştir. 
Çalışılan protein izolatlarının emülsiyon oluşturma ve stabilize etme özelliklerinin incelenebilmesi için sırasıyla emülsiyon oluşturma kapasitesi, emülsiyon aktivite indeksi ve emülsiyon stabilite indeksi ölçümleri yapılmıştır. Protein izolatlarının emülsiyon oluşturma kapasitesi ve emülsiyon aktivite indeksi değerleri sırasıyla 402,7-468,5 g yağ/ g protein ve 15,61-21,98 m2/g olarak belirlenmiştir. Emülsiyon oluşumundan 10 dakika sonra belirlenen emülsiyon stabilite indeksi ise; 60,50-164,2 dakika olarak bulunmuştur. Emülsiyon oluşturma ve stabilize etme özellikleri bakımından fasulye çeşitleri arasında istatistiki düzeyde farklılıklar izlenmiştir. AFPİ 'nin tüm emülsiyon özellikleri bakımından en yüksek değerleri taşıdığı belirlenmiştir
Çalışılan protein izolatlarının köpük oluşturma özelliklerinin incelenebilmesi amacıyla, köpük oluşturma kapasiteleri ve köpük stabilite değerleri belirlenmiştir. Köpük oluşturma kapasitelerinin %72-90,67 arasında değiştiği gözlemlenmiştir. Köpük stabilite değerleri 0., 30. ve 60. dakikalarda sırasıyla %83,02-91,69; %70,53-82,39; %59,98-72,79 olarak belirlenmiştir. Köpük oluşturma kapasitesinde en yüksek değer AFPİ'de, köpük stabilitesinde ise en yüksek değer GFPİ'de izlenmiştir. 
Protein izolatlarının jelleşme kapasitesi, en düşük jelleşme konsantrasyonunun tespiti yoluyla belirlenmiştir. Proteinlerdeki düşük jelleşme konsantrasyonu, proteinlerin iyi jelleşme özelliği gösterdiğine işaret etmektedir. En düşük konsantrasyon %8 ile BFPİ'de iken, en yükseği ise %10 ile GFPİ'de olduğu belirlenmiştir. 
Fasulye protein izolatlarının termal özellikleri diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ile incelenmiştir. Çalışılan protein izolatları denatürasyon entalpisi (H) ve denatürasyon sıcaklığı (Td) bakımından karşılaştırıldığında, en yüksek  entalpi değeri 134 J/g ile GFPİ'de, en yüksek denatürasyon sıcaklığı ise 152,42°C ile AFPİ'de izlenmiştir.
Proteinlerin ikincil yapıları fourier dönüşümlü kızılötesi (FT-IR) spektroskopisi kullanılarak incelenmiştir. FTIR spektrumunda 1630,94 ±1,68 cm-1 dalga boyu Amid I bandını, 1516,3±2,73 cm-1 ise Amid II bandını göstermektedir. Amid I bandı C‒O gerilmesi ve N–H bükülmesini, Amid II ise N–H bükülmesini yansıtmaktadır. Fasulye protein izolatlarında ikincil yapılardan β-tabaka yapısının baskın olduğu belirlenmiştir. Amid A ve B bantlarında izlenen pikler ise sırayla 3273,53±0,35 cm-1 ve 2930±11,64 cm-1'dir ve sırasıyla O–H ve C–H uzama vibrasyonunu temsil etmektedir.

Abstract:
Plants are one of the important resources of human foods and medicines. Recommendations on the consumption of natural plant foods in prevention or treatment of diseases have increased with development of nutrition and medicine technology. Also, food security problems and inadequate nutrition with increasing population in the world, high cost of animal based food consumption, changes in consumption preferences  and ensuring sustainable agriculture in low cost have led to the tendency towards  plant protein sources instead of animal protein sources. 
Properties of proteins included in food formulations such as water and fat holding; gelation, viscosity and emulsion formation affect the production and quality aspects during storage stages of food products. For these reasons, the incorporation of plant proteins into food formulations and their consumption is becoming widespread.
The use of soy protein as an alternative to animal-derived protein consumption is common. There is also research on the use of other legumes as plant protein sources (such as pea, chickpea, bean and lentil) rather than soybean and functional properties of these proteins is also being investigated currently. 
In several countries, pulses are important components of diets. For instance; while Kenya is the largest consumers of pulses with 17 kg/year per capita, India follows it with 15.4 kg/year per capita and pulses in Turkey are consumed as 13.6 g/year per capita. The United Nations and FAO jointly declared 2016 as the 'International Year of Pulses (IYP)'and described pulse seeds as 'nutritious seeds for a sustainable future'.
Legumes are good sources of proteins, carbonhydrates and fibers and they also have micronutrients such as antioxidants.They are low in fat and calories. Because of these, legumes inhibit cardiovascular disease, high blood pressure, diabet and cancer. Variations in chemical composition of legumes both between and within species are changed with environmental conditions during plant growth.
Legumes dont contain all of the essential amino acids at desirable levels unlike animal proteins. Because of this, it is supposed that people should consume various plant based proteins together in their diet such as grains and legumes. The amino acid profiles, digestibility and presence of antinutritional factors in plant proteins are different and this properties are determined quality of proteins. Antinutritional factors such as lectin, enzyme inhibitors and phytic acid may repress various biological functions such as  mineral bioavability.
Dry beans have 15-30% proteins on dry weight basis and they are low in sulphur containing amino acids when compared with the animal proteins but high in lysine as compared with cereal based proteins.
Factors affecting the functional properties of proteins are amino acid compositions, protein structure and shape (such as surface hydrophobicity, hydrophobic / hydrophilic ratio), extraction and drying processes and parameters. 
The aim of this study was to determine compositions of five different varieties of Phaseolus vulgaris L. and Phaseolus coccineus L. protein isolates and flours and to determine  various functional and physicochemical properties of protein isolates. Also; the aim of this study is to determine the effect of these results on the functional properties by examining the surface net charge, thermal properties of proteins, the secondary protein structures to be determined by FTIR.
The analyzes were started by supplying Simav bean from Kütahya, Akkus bean from Ordu, Hınıs bean from Erzurum, Bombay bean from Bolu and Gembos bean from Konya. After the beans were ground into flour, the oil was removed from flour and protein isolates were obtained by alkaline extraction followed by isoelectric precipitation. Moisture, ash, protein, fat and carbohydrate contents of the flours and protein isolates were determined.
According to results of proximate composition analysis; bean flours contained 9.27-10.75% moisture, 3.38-4.74% ash, 1.26-1.69% oil, 20.53-24.47% protein and 60.14-62.22% carbonhydrate. Protein isolates contained 80.82-84.80% protein, 3.83-5.30% moisture, 2.01-4.60% ash, 0.53-0.88% oil  and 6.07-10.48% carbonhydrate.
Functional properties of protein isolates such as water and oil absorption, solubility, emulsifying properties, gelling capacity and foaming properties were examined. According to the results of the analyses, water holding capacity of bean protein isolates was 1.86-2.05 g / g and no statistically significant difference was observed between the results. The fat absorption capacity of the bean protein isolates was 3.96-5.36 g / g and statistically differences were observed among varieties. While BBPI had the lowest oil holding capacity with 3.96 g / g, SBPI has the highest oil holding capacity with 5.36 g / g.
The solubility of proteins at different pH was determined as 48.92-69.67% in pH 3, 3.68-12.55% in pH 5, 85.22-96.71% in pH 7, and 94.26-99.61% in pH 9. Net surface charge of protein isolates at pH 2-10 was measured in zeta potential and while the minimum solubility and surface net charge was determined as pH 5, the maximum solubility  and surface net charge was observed at pH 10. There was a correlation between the solubility of proteins and the surface net charge.
Emulsifying capacity, emulsion activity index and emulsion stability index were measured in order to examine emulsion formation and stabilization properties of the studied protein isolates. Emulsifying capacity and emulsion activity index of protein isolates were 402.7-468.5 g fat/ g protein and 15.61-21.98 m2/g, respectively. Emulsion stability index determined after 10 minutes from emulsion formation was found as 60.50-164.2 minutes. There were statistically significant differences between bean protein isolates in terms of emulsion formation and stabilization properties. It has been determined that ABPI had the highest values in terms of all emulsifying properties.
Foaming capacities and foam stability values were determined in order to investigate the foaming properties of studied protein isolates. In terms of foaming properties, foaming capacity of protein isolates were in the range of 72-90.67%. The foam stability values at 0, 30 and 60 minutes were 83.02-91.69%, 70.53-82.39%, 59.98-72.79%, respectively. The highest value in foaming capacity was observed in ABPI and the highest value in foam stability was observed in GBPI.
Gelling capacity was determined by determining the lowest gelling concentration. The low gelation concentration of proteins indicates that the proteins show good gelation properties. While the lowest concentration was found in BBPI with 8%, the highest was GBPI with 10%.
Thermal properties of bean protein isolates were investigated by differential scanning calorimetry (DSC). When the protein isolates were compared in terms of denaturation enthalpy (H) and denaturation temperature (Td), the highest enthalpy value was GBPI with 134 J / g and the highest denaturation temperature was 152.42°C with ABPI.
Secondary structures of proteins were studied using fourier transformed infrared (FT-IR) spectroscopy. In the FTIR spectrum, the wavelength of 1630.94 ± 1.68 cm-1 shows the Amide I band and the band 1550.3 ± 2.73 cm-1 shows the Amide II band. It was determined that β-sheet structure was dominant in bean protein isolates from secondary structures. The peaks observed in amide A and B bands were 3273.53 ± 0.35 cm-1 and 2930 ± 11.64 cm-1, respectively and  represents O-H and C-H streching vibration, respectively.