Farklı bitkisel protein kaynaklarının glutensiz bisküvinin kalite özelliklerine etkisi
The effect of different plant protein resources on quality properties of gluten-free biscuit
Yazar: İPEK ENGİ
Danışman: DOÇ. DR. ASLI CAN KARAÇA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Glutensiz atıştırmalık ürünlerine olan talep gün geçtikçe artmaktadır. Gluten, bitkisel kaynaklı bir protein olup, buğday, çavdar ve arpa gibi tahılların yapısında bulunmakta ve çölyak hastalığı gibi çeşitli sağlık sorunları nedeniyle bazı tüketiciler tarafından tüketilememektedir. Çölyak hasatlığı, gluten tüketimi olması durumunda ince bağırsağa zarar vererek bir dizi ciddi semptoma neden olur. Bu hastalığa karşı en önemli çözüm ise günlük diyetten glutenin tamamen çıkarılmasıdır. Ancak gıda ürünlerinden glutenin çıkarılması ürünlerin besin değerinin azalmasına ve çeşitli kalite özelliklerinin olumsuz etkilenmesine sebep olabilir. Glutensiz tahıl ürünleri ile baklagillerin birlikte kullanılması, glutensiz ürünlerde daha dengeli bir esansiyel amino asit profili sağlarken, ürünlerin besin değerini de iyileştirmektedir. Baklagiller ve yağlı tohumlar, proteince zengin yüksek besin içeriği ve gluten içermemeleri sebebiyle glutensiz ürünlerde tercih edilmektedir. 
Bisküvi, kolay erişilebilir, doyurucu ve uzun raf ömrüne sahip özellikleri ile sıklıkla tüketilen fırıncılık ürünlerinden biridir. Bisküvi üretiminde gluten, ekmek ürünlerindeki gibi temel bir role sahip olmadığından, bitkisel proteinler ile içeriği zenginleştirilmiş glutensiz bisküvi üretimi büyük ilgi görmektedir. Ayrıca, literatürdeki glutensiz ürün çalışmaları incelendiğinde, bisküvi kategorisinde bitkisel protein kaynaklarının un formunda kullanıldığı gözlemlenmiş, "izolat veya konsantre" formda bitkisel protein ilaveli bir çalışmaya rastlanılmamıştır. Tüm bunlardan yola çıkarak, bu çalışmanın amacı, farklı bitkisel protein kaynakları ile glutensiz bisküvi reçetesi geliştirmektir. Piyasadan temin edilen üç farklı protein kaynağı (bezelye proteini, bakla proteini ve nohut, bezelye ve ayçekirdeği proteinlerinden oluşan protein karışımı), glutensiz un karışımı ile yer değiştirme prensibine göre iki farklı son ürün protein oranında (%4,3, %6,8) bisküvi formülasyonlarına ilave edilmiş ve ürünlerin çeşitli kalite özellikleri hem birbirleri arasında hem de 2 farklı kontrol numunesi ile karşılaştırılmıştır. Kontrollerden biri buğday unuyla hazırlanmış glutenli bisküvi, diğeri pirinç unu, topyoka nişasta, mısır nişastası ve ksantan gam'dan oluşan un karışımı ile hazırlanmış glutensiz bisküvidir. Bisküvilerin kalite özelliklerinin değerlendirilmesi için, unların fonksiyonel özellikleri (su ve yağ tutma kapasitesi, emülsiyon aktivitesi ve stabilitesi) ve bisküvilere ait fiziksel analizler (pişme kaybı, kalınlık, çap, yayılma oranı, sertlik, renk ve su aktivitesi), besin öğeleri kompozisyonu analizleri (nem, protein, yağ, kül ve karbonhidrat), duyusal analiz ile hızlandırılmış raf ömrü testleri ile gerçekleştirilmiştir. 
Bitkisel protein ilaveli glutensiz unların fonsiyonel özellikleri incelendiğinde, su tutma kapasiteleri (BAP ve BEP 6,8 grupları hariç) ve yağ tutma kapasiteleri (PK 6,8 grubu hariç) buğday unu ile aralarında önemli bir farklılık gözlemlenmemiştir. BEP 6,8 grubu hariç, bitkisel protein ilaveli glutensiz unların, emülsiyon aktivitesi ve stabilitesi değerleri ile buğday unu arasında önemli derecede benzerlik söz konusundur. BEP 6,8 grubu unların buğday ununa kıyasla emülsiyon aktivitesinin önemli düzeyde yüksek olduğu belirlenmiştir. 
Çalışma sonuçlarına göre, bisküvi bileşimindeki bitkisel protein ikame oranı artıkça, bisküvi çapında ve kalınlığında bakla protein ilaveli glutensiz bisküviler (BAP) hariç azalma eğilimi gözlemlenmiştir. Çap ve kalınlıktaki bu değişim, yayılma oranlarına da yansımış olup, bezelye proteini hariç formülasyona ilave edilen bitkisel proteinler, bisküvilerin yayılma oranlarını, buğday unu ile hazırlanmış kontrol bisküvilerine göre önemli düzeyde azaltmıştır. Glutensiz un kullanılan kontrol grubu bisküvi (K2) renginin, buğday unlu bisküvilere (K1) kıyasla daha yüksek L* (parlaklık) değeri ve daha düşük a* (kırmızılık) ve b* (sarılık) değerleri ile daha açık bir renge sahip olduğu; protein ilaveli glutensiz bisküvilerin (BEP, BAP, PK) ise K2 bisküvi grubuna kıyasla L* değerinin daha düşük, a* değerinin ise daha yüksek olduğu ve daha koyu bir renkte oldukları gözlenmiştir. Bitkisel proteinlerin ilavesi, bisküvi sertliğini, buğday unlu kontrol bisküvilerine göre, önemli düzeyde azaltmıştır. Bitkisel protein konsantrasyonunda ki artışa bağlı olarak ise yüksek protein ilaveli (%6,8) bisküvilerin su aktivitesi ve nem içeriği değerlerinde önemli bir artış gözlemlenmiştir. Çalışılan numuneler içerisinde %4,3 ve %6,8 protein seviyelerindeki bisküvilerin protein içeriğinin, glutensiz kontrole göre sırasıyla 1,82 ve 2,59 kat kadar daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Buğday ununun değiştirilmesiyle, özellikle  yüksek konsantrasyondaki (%6,8) BAP ve PK örneklerine ait kül değerlerinin, K1 ve K2 kontrol örneklerinden önemli düzeyde yüksek iken; karbonhidrat değerlerinin kontrol örneklerinden önemli düzeyde düşük olduğu tespit edilmiş ve bisküvi örneklerinin genel olarak birbirine yakın yağ oranlarına sahip olduğu gözlemlenmiştir. Raf ömrü analizleri sonucunda, su aktivite değerlerinin 45. gün sonuna kadar 0,6'nın altında kaldığı, nem değerlerinin ise 30.güne kadar %5'in üzerine çıkmadığı, 45. günde ise  kontrol grupları ile birlikte yalnızca PK 6.8, BEP 4,3 protein ilaveli bisküvilerin nem değerlerinin %6'ın altında olduğu tespit edilmiştir. Raf ömrü süresince sertlik değerindeki değişim incelendiğinde ise yine PK 6.8 ve BEP 4,3 protein ilaveli bisküvilerin, K1 kontrol grubu ile  benzer davranış gösterdiği ve 15, 30 ve 45. günlerde tekstür değerlerinde önemli bir değişim göstermeyerek nem ve su aktivite değerlerinin kritik seviyelere çıkmadığı tespit edilmiştir. Duyusal değerlendirme sonuçlarına göre ise (BEP 6,8 grubu sertlik ve gevreklik değerleri hariç) tüm bisküvi gruplarının 5 ve üzeri puan aldığı ve 6,10-7,25 aralığındaki genel beğeni puanları ile tüketiciler tarafından kabul edilebilir niteliklere sahip olduğu gözlenmiştir. 
Sonuç olarak, çalışmamız kapsamında, buğday unu yerine, farklı bitkisel protein ilaveli glutensiz bisküvi örneklerinin (BEP, BAP, PK) duyusal özellikleri açısından kabul edilebilir olması ve kontrol grupları ile çeşitli kalite özellikleri açısından aralarında önemli bir fark tespit edilmemesi, bitkisel protein ilaveli bisküvilerin endüstriyel olarak buğday unlu bisküvilere glutensiz ve besleyici değeri daha yüksek bir alternatif olabileceğini göstermektedir.

Abstract:
The demand for gluten-free snack products is increasing steadily. Gluten, a plant-derived protein found in the structure of grains such as wheat, rye, and barley, cannot be consumed by some consumers due to various health problems including celiac disease. Celiac disease causes serious symptoms by damaging the small intestine when gluten is consumed. While celiac disease generally shows symptoms such as loss of appetite, abdominal bloating, diarrhea, vomiting, weight loss, constipation and growth and developmental delay in children under 2 years of age; in children older than 2 years and adults, it shows symptoms such as anemia of unknown cause and bone weakness. The reason for this situation is shown to be malnutrition due to malabsorption in celiac patients over time.The most important solution to this disease is to completely remove gluten from the daily diet. However, removing gluten from food products can lead to a decrease in the nutritional value of the products and have a negative impact on various quality characteristics. Gluten-free market products generally contain more carbohydrates, fat and less protein. Legumes and oilseeds are preferred in gluten-free products due to their rich protein content and lack of gluten.
Legumes which are an important source of protein, also contain high amounts of carbohydrates, antioxidants, beneficial micronutrients such as vitamins and minerals, and dietary fibers. These product groups, known as low glycemic index foods, are low in fat and calories and do not contain cholesterol. Thanks to these properties, legumes have important beneficial effects with their rich chemical content in the nutritional treatment of diseases such as diabetes, obesity, cardiovascular diseases, and some types of cancer. For this reason, it is recommended that especially people with metabolic diseases include legumes in their daily diet. Additionally, the use of legumes together with gluten-free cereal products provides a more balanced essential amino acid profile and improves the nutritional value of the products. At the same time, legumes are grown and consumed worldwide, and they hold an important place as a source of plant protein in human nutrition, especially in countries where animal protein consumption is limited or absent due to religious beliefs or cultural habits.
Apart from legumes, oilseeds are among the preferred raw materials for enriching gluten-free products with their protein-rich content. Oilseeds, which are mostly used in the oil industry due to their high oil content, are mostly used as protein isolate or concentrate because they contain high concentrations of protein in the remaining part of the meal. One of the oilseeds from which protein is obtained is sunflower seed. Sunflower is a potential protein supplement in the daily diet due to its superior nutritional quality and absence of any non-nutritional components. Although it is mostly used for oil production, it is becoming necessary as an alternative protein source due to the rapidly increasing population. Like sunflower, wheat germ has a high concentration of nutritional content. Compared to wheat endosperm, sunflower seeds offer three times the protein, seven times the fat, fifteen times the sugar and six times the mineral content. 
Biscuits are one of the most consumed and popular foods in many centuries of the world. With its easy accessibility, satisfying nature, and long shelf life, is one of the frequently consumed bakery products. Gluten-free foods, unless enriched in nutrients, are generally produced from refined flour or starch-based raw materials, and therefore contain rich nutrients such as various vitamin groups (vitamin B), iron, dietary fiber and protein in lower amounts than gluten products. When gluten-free products and gluten-containing products are compared in terms of nutritional values, it has been determined that gluten-free products generally have higher carbohydrate and lipid content. Studies have shown that approximately 20-38% of celiac patients have some nutritional deficiencies such as protein, dietary fiber, minerals and vitamins.In addition, the production of gluten-free biscuits enriched with plant proteins has attracted great interest as gluten does not play a fundamental role in biscuit production as in bread products. Furthermore, in the literature, it has been observed that in the biscuit category, plant protein sources are used in the form of flour, and no study has been encountered with the addition of plant proteins in "isolate or concentrate" form. Based on all of this, the aim of this study is to develop a gluten-free biscuit recipe with different plant protein sources. Three different protein sources obtained from the market (pea protein, faba bean protein, and a protein mixture consisting of chickpea, pea, and sunflower proteins) were added to two different final product biscuit formulations according to the principle of replacing gluten-free flour mixture with protein at two different protein ratios (%4.3, %6.8), and the various quality characteristics of the products were compared both among themselves and with 2 different control samples. For the evaluation of the quality characteristics of the biscuits, the functional properties of the flours (water and oil holding capacity, emulsion activity and stability) and the physical analyses of the biscuits (baking loss, thickness, diameter, spread ratio, hardness, color, and water activity), nutritional composition analyses (moisture, protein, fat, ash, and carbohydrate), sensory analysis, and accelerated shelf life tests were performed. 
When the functional properties of the gluten-free flours with added plant proteins were examined, no significant difference was observed between the water holding (except BAP and BEP 6.8 groups) and oil holding capacities (except PK 6.8 groups). Except for the BEP 6.8 group, there is a significant similarity between the emulsion activity and stability values of gluten-free flours with added plant protein and wheat flour. It was determined that the emulsion activity of BEP 6.8 group flours was significantly higher compared to wheat flour. 
According to the results of the study, as the plant protein substitution rate in the biscuit composition increased, a tendency to decrease in the diameter and thickness of the biscuits, except for the faba bean protein-added gluten-free biscuits (BAP) were observed. This change in diameter and thickness was also reflected in the spread ratios, and except for the pea protein, the plant proteins added to the formulation reduced the spread ratios of the biscuits compared to the wheat flour-based control biscuits. The gluten-free flour used in the control group biscuits (K2) had a higher L* (brightness) value and lower a* (redness) and b* (yellowness) values compared to the wheat flour biscuits (K1); it was observed that the protein-added gluten-free biscuits (BEP, BAP, PK) had a lower L* value and a higher a* value compared to the K2 biscuits and were darker in color. Color differences (ΔE) between the K1 control group and the BEP 6.8 and PK 6.8 samples are below 3 and not perceived as significantly high by consumers. However, a significant color difference is observed between the K1 control group and the K2 control group without protein addition, as well as the %4.3 protein-added all gluten-free biscuit groups. It is observed that the addition of high protein (%6.8) reduces the ΔE* value of gluten-free biscuits and enables the attainment of a similar color to gluten-containing biscuits.The addition of plant proteins significantly reduced the hardness of the biscuits compared to the wheat flour-based control biscuits. As a result of the increase in plant protein concentration, a significant increase in the water activity and moisture values of the high protein-added (%6.8) biscuits was observed. It was observed that the protein content of the biscuits at %4.3 and %6.8 protein levels was 1.82 and 2.59 times higher, respectively, than the gluten-free control. When the wheat flour was replaced, it was determined that the ash values of the high concentration (%6.8) BAP and PK samples were significantly higher than the K1 and K2 control samples, while the carbohydrate values were significantly lower than the control samples, and the biscuit samples generally had similar fat contents. As a result of the shelf life analyses, it was determined that the water activity values remained below 0.6 until the 45th day, the moisture values did not exceed 5% until the 30th day, and on the 45th day, only the moisture values of the PK 6.8 and BEP 4.3 protein-added biscuits were below 6%. When the change in hardness value during the shelf life was examined, it was observed that the PK 6.8 and BEP 4.3 protein-added biscuits showed similar behavior to the K1 control group and did not show a significant change in texture values on the 15th, 30th, and 45th days, and the moisture and water activity values did not reach critical levels. According to the sensory evaluation results, all biscuit groups, except for the BEP 6.8 group, received a score of 5 and above and were found to have acceptable general liking scores in the range of 6.10-7.25. 
In conclusion, within the scope of our study, the sensory properties of different plant protein-added gluten-free biscuit samples (BEP, BAP, PK) were found to be acceptable, and no significant difference was found between the control groups in terms of various quality characteristics. This shows that plant protein-added biscuits can be a gluten-free alternative and to wheat flour biscuits in the industry.