Nohut protein izolatının  arayüzey özellikleri ve stabil emülsiyon oluşumu
Interfacial properties of chickpea protein isolate and stable emulsion formation
Yazar: CANSU OLÇAY
Danışman: DOÇ. DR. ASLI CAN KARAÇA ; DOÇ. DR. MUHAMMET MEHMET AK
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:
Artan dünya nüfusuyla beraber insanların kaliteli besine ulaşmasının zorlaşması ve bitkisel kaynakların ekonomik, besleyici ve kolay ulaşılabilir olmaları gibi sebepler tüketicileri hayvansal protein kaynaklarından bitkisel protein kaynaklarına yönlendirmeye başlamıştır. Bitkisel protein kaynaklarının başlıcalarından olan baklagiller; kullanım kolaylığı, uzun yıllardır kullanılmalarının getirdiği alışıldık lezzet ve raf ömrü uzun olan gıdalar olmaları ile tercih sebebi olabilmektedirler. Nohut (Cicer arietinum L.), yüksek protein oranının yanı sıra yağ, karbonhidrat ve lif bakımından da zengin olması nedeniyle baklagiller arasından öne çıkan seçeneklerden biridir. Ayrıca Türkiye'de önemli bir üretim hacmi bulunmaktadır. 
Bu tezin amacı nohut unundan elde edilen nohut protein izolatlarının arayüzey özelliklerini, emülsiyon oluşturma ve stabilize etme özelliklerini ve reolojik davranışlarını incelemektir. Nohut protein izolatı alkali ekstraksiyon - izoelektrik çöktürme metodu ile elde edilmiştir. Çalışmada kullanılan nohut ununun %20 protein, %9,94±0,01 nem, %3,2 yağ, 2,5±0,05 kül ve %35 karbonhidrat; elde edilen nohut protein izolatının ise %87,6±0,37 protein, %2,38±0,00 nem, %2,15±0,37 yağ, %1,98±0,03 kül ve %5,87 karbonhidrat içerdiği tespit edilmiştir. Nohut protein izolatının çözünürlük değerleri pH 3'te %35,6±2,7, pH 5'te %14,45±1,69, pH 7'de %88,26±1,69 ve pH 9'da ise %98,16±3,27 olarak belirlenmiştir.
Nohut protein izolatının arayüzey gerilimini düşürme özelliği dört farklı parametre altında incelenmiştir: protein konsantrasyonu (%1–4), pH (3.0–9.0), sıcaklık (30–90 °C) ve iyonik güç (%0,1–1). Bu parametreler kullanılarak yapılan ön çalışmalar ve hazırlanan deney seti doğrultusunda arayüzey gerilimi için en önemli faktörler protein konsantrasyonu ve pH değişimleri olduğu tespit edilmiştir. Yüksek konsantrasyon ve izoelektrik noktadan uzak pH değerleri arayüzey gerilimini düşürmektedir. Analizler sonucu en düşük arayüzey gerilimi %3,4 nohut protein izolatı içeren pH'ı 3'e ayarlanan %1 NaCl içeren ve 90 ˚C'de ısıl işlem görmüş solüsyonda 45,4 mN/m olarak ölçülmüştür. Bunun devamında, arayüzey gerilimi en düşük solüsyon, %5 orta zincirli trigliserit (OZT) (%v/v) ile emülsiyon oluşturulmasında kullanılmıştır. Emülsiyonun damlacık boyutu (Dv90) başlangıçta 14.4±0,02 µm, 14 günlük depolama sonunda ise 18,7±1,24 µm olarak ölçülmüştür. Emülsiyon 30. günün sonunda ayrışmıştır. 
Ayrıca nohut protein izolatının reolojik özellikleri çeşitli konsantrasyonlarda (%1–3) hazırlanan nohut protein çözeltilerinin OZT içerisinde farklı frekanslarda (0,1–0,2 Hz) incelenmiştir. Elastik modülün (Ed) frekansa ve konsantrasyona göre arttığı; kayıp modülünün (Ev) frekansa göre azaldığı ve konsantrasyona göre arttığı görülmüştür. Ed değerinin Ev değerinden büyük olduğu ve bu yüzden elastik davranışının viskoz davranışından daha baskın olduğu söylenebilmektedir. Ayrıca yüksek protein konsantrasyonunun elastikiyeti arttırdığı tespit edilmiştir. 
Tüm çalışmalar göz önüne alındığında nohut protein izolatının emülgatör özellikleri diğer bitkisel protein kaynaklarıyla karşılaştırılmış ve sektörde kullanımları, gelecek çalışmalar ve geliştirilebilir özellikleri hakkında literatür ile kıyaslamalar yapılmıştır. Bu çalışmada kullanılan deneysel koşullar altında nohut protein izolatı emülgatör olarak tek başına damlacık boyutunu yeterince küçültemediği ve yeterince uzun süre stabilite sağlayamadığı söylenebilir. Farklı protein konsantrasyonu, NaCl konsantrasyonu, pH ve sıcaklık değerlerinde ve homojenizasyon koşullarında da emülgatör özelliği test edilebilir. Ayrıca polisakkaritlerle kombine edilip bu şekilde de emülgatör özellikleri incelenerek çalışmanın kapsamı genişletilebilir.

Abstract:
With the increasing world population, it has become difficult for people to access quality food. This challenge has highlighted the importance of finding sustainable and affordable protein sources. Plant sources, in particular, are economical, nutritious, and easily accessible, leading consumers to shift from animal protein sources to plant protein sources. Legumes, which are among the main plant protein sources, can be preferred due to their ease of use, their familiar flavor and long shelf life. 
Chickpeas (Cicer arietinum L.) are one of the prominent options among legumes due to their high protein content as well as being rich in fat, carbohydrates and fiber. Moreover, chickpeas offer versatility in culinary applications, making them a staple ingredient in various traditional and modern dishes.  In addition, there is a significant production volume of chickpeas in Türkiye, positioning the country as a key player in the global chickpea market.  As awareness of the nutritional benefits of chickpeas continues to grow, their popularity is likely to increase.
Legume proteins have a range of physicochemical properties that make them valuable in food applications. They have a well-balanced amino acid profile, providing essential nutrients for human health. Their ability to supply essential amino acids makes them an excellent alternative to animal proteins, particularly for vegetarians and vegans. The solubility of legume proteins varies with pH. They exhibit good emulsifying and foaming properties, which are important for the texture and stability of various food products. These properties are particularly beneficial in the production of plant-based dairy and meat alternatives, where texture and mouthfeel are critical factors. Additionally, chickpea proteins have notable water and oil absorption capacities, enhancing their functionality in different culinary uses. This makes them ideal for use in baked goods, where moisture retention is essential for maintaining freshness and improving shelf life. Furthermore, their oil absorption capacity helps in creating rich, flavorful sauces and dressings. Emulsifying properties are particularly significant as they help to stabilize mixtures of oil and water, which is crucial in products like mayonnaise, salad dressings, and plant-based milk. As the demand for plant-based proteins continues to rise, the unique functional properties of legume proteins ensure their ongoing importance in innovative food product development.
The aim of this thesis is to investigate the interfacial, emulsifying and stabilizing properties and rheological behavior of the chickpea protein isolate obtained from chickpea flour. Chickpea protein isolate was obtained by the alkaline extraction - isoelectric precipitation method. 
It was found that the chickpea flour used in the study contained 20% protein, 9.94±0.01% moisture, 3.2% fat, 2.5±0.05% ash and 35% carbohydrate; whereas the obtained chickpea protein isolate contained 87.6±0.37% protein, 2.38±0.00% moisture, 2.15±0.37% fat, 1.98±0.03% ash and 5.87% carbohydrate. 
The solubility values of chickpea protein isolate were determined as 35.6±2.7% at pH 3, 14.45±1.69% at pH 5, 88.26±1.69% at pH 7 and 98.16±3.27% at pH 9. As can be seen, as the distance from the isoelectric point increases (moving towards acidic and alkaline pH values), the solubility of the protein increases. These results are comparable with the literature findings. 
The interfacial tension reducing property of chickpea protein isolate was investigated under four different parameters: protein concentration (1–4%), pH (3.0–9.0), temperature (30–90 °C) and ionic strength (0.1–1%). Based on the preliminary studies and the experimental design using these parameters, it was determined that the most important factors affecting interfacial tension were protein concentration and pH. High concentration and pH values far from the isoelectric point reduce the interfacial tension. As a result of the analyses, the lowest interfacial tension was measured as 45.4 mN/m in the solution containing 3.4% chickpea protein isolate, pH adjusted to 3, 1% NaCl and heat treatment at 90 ˚C. When other studies are examined and chickpea protein isolate is compared with different legume proteins, it is clearly seen that a high concentration plays a significant role in reducing interfacial tension. At the same time, it can be said that animal-derived proteins are more effective in reducing interfacial tension. Additionally, it is observed that the use of an emulsifier such as Tween 20 will further reduce interfacial tension. 
Subsequently, the solution with the lowest interfacial tension was used in the preparation of emulsion with 5% medium chain triglyceride (MCT) (%v/v). The droplet size (Dv90) of the emulsion was initially measured as 14.4±0.02 µm and 18.7±1.24 µm at the end of 14 days of storage. The emulsion separated at the end of the 30th day. 
In addition, the rheological properties of the chickpea protein isolate were examined in chickpea protein solutions prepared at various concentrations (1–3%) in MCT at different frequencies (0.1–0.2 Hz). Through this detailed investigation, it was observed that the elastic modulus (Ed) demonstrated a significant increase with both the frequency and the concentration of the protein solution. Conversely, the loss modulus (Ev) exhibited a decrease with increasing frequency while showing an increase with higher concentrations. Notably, the Ed value consistently surpassed the Ev value, indicating that the elastic behavior of the chickpea protein solutions was more pronounced than the viscous behavior. This dominance of elastic properties suggests that the solutions have a greater ability to recover their original shape after deformation. Additionally, it was determined that higher protein concentrations contribute to an increase in the elasticity of the solutions, further enhancing their structural integrity and potential functional applications in food formulations. This comprehensive understanding of the rheological behavior of chickpea protein isolates provides valuable insights for optimizing their use in various food systems.
Considering all findings of the study, the emulsifying properties of chickpea protein isolate were compared with other plant protein sources and comparisons were made with the literature about their use in the sector, future studies and properties that require further improvements. It can be concluded that, under the experimental conditions used in this study, chickpea protein isolate alone as an emulsifier cannot reduce the droplet size sufficiently and cannot provide stability for a long time. The emulsifying properties can be tested at different protein concentration, NaCl concentration, pH and temperature values and homogenization conditions. In addition, the scope of the study can be expanded by combining chickpea protein isolate with polysaccharides and examining the emulsifying properties of the combined systems.