Çemen otu tohumundan klasik ve ultrasonik yöntemlerle proteinlerin ekstraksiyonu, elde edilen protein izolatlarının karakterizasyonu ve kap kek üretiminde kullanılması
Extraction of proteins from fenugreek seeds by classical and ultrasonic methods, characterization of obtained protein isolates and usage in cupcake production
Yazar: GAMZE NUR OLGUN
Danışman: DOÇ. DR. HİLAL İŞLEROĞLU
Tokat Gaziosmanpaşa Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, çemen otu tohumunda bulunan proteinler klasik ekstraksiyon ve ultrasonik destekli ekstraksiyon (UDE) işlemleri ile farklı işlem koşullarında ekstrakte edilmiş ve en yüksek ekstraksiyon verimini sağlayan optimum koşullar belirlenmiştir. Klasik ekstraksiyon ve UDE işleminde tüm ekstraksiyon koşullarında elde edilen protein izolatlarının koagüle protein yüzdesi, su tutma kapasitesi, yağ tutma kapasitesi, köpük özellikleri (köpük kapasitesi ve köpük stabilitesi), emülsifikasyon özellikleri (emülsiyon aktivitesi, emülsiyon stabilitesi ve emülsiyon kapasitesi) ve çözünürlük özellikleri tespit edilmiştir. Optimum ekstraksiyon koşullarında elde edilen protein izolatlarının moleküler ağırlıkları, amino asit kompozisyonu, yapısal ve termal özellikleri belirlenmiştir. Ayrıca, karakterizasyonları sağlanan çemen otu tohumu protein izolatları kullanılarak kap kek üretimi gerçekleştirilmiştir. 
Klasik ekstraksiyon işleminde pH ve katı-çözgen oranı, UDE işleminde sonikasyon genliği (%) ve katı-çözgen oranı bağımsız işlem değişkenleri olarak seçilmiştir. Klasik ekstraksiyon işleminde en yüksek verim (%94.3±0.3) pH'nın 11.47 ve katı-çözgen oranının 34.50 g/L olduğu, UDE işleminde ise en yüksek verim (%98.8±0.5) sonikasyon genliğinin %67.51 ve katı-çözgen oranının 43.83 g/L olduğu koşullarda elde edilmiştir. UDE işleminde elde edilen verimin klasik ekstraksiyona göre daha yüksek olduğu görülmüş, daha yüksek ekstraksiyon verimine 8 kat daha kısa işlem süresinde ulaşıldığı belirlenmiştir. Karakterizasyon sonuçlarına göre, UDE işlemi ile elde edilen protein izolatlarının emülsiyon aktivitesi haricindeki tüm özelliklerinin klasik ekstraksiyon işlemi ile elde edilen protein izolatlarına göre daha yüksek olduğu bulgulanmıştır. UDE ve klasik ekstraksiyon işlemleri ile elde edilen protein izolatlarının moleküler ağırlıkları ve yapısal özelliklerinin birbirine oldukça benzer olduğu görülmüştür.  Her iki protein izolatı için 22-175 kDa aralığında üç belirgin bant (46, 59 ve 80 kDa) elde edilmiştir.  Protein ikincil yapıları Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (FT-IR) spektrumları kullanılarak belirlenmiş ve çemen otu tohumu protein izolatlarında β-tabaka yapılarının yüksek oranda mevcut olduğu belirlenmiştir. Protein izolatlarının termal özellikleri Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ile ortaya konmuştur. Klasik ekstraksiyon ve UDE işlemleri ile elde edilen çemen otu tohumu protein izolatları için denatürasyon sıcaklıkları sırası ile ~119°C ve 135°C, denatürasyon entalpileri ise 28 mJ/g ve 53 mJ/g olarak hesaplanmıştır. Ayrıca, çemen otu tohumu protein izolatının amino asit kompozisyonu belirlenmiş ve esansiyel amino asitlerce (317.97 g amino asit/kg protein izolatı) zengin olduğu bulgulanmıştır. Klasik ekstraksiyon ve UDE işlemleri ile elde edilen protein izolatları kullanılarak kap kek üretimi gerçekleştirilmiş ve keklerin renk özellikleri, nem, su aktivitesi, pişme verimi, yığın yoğunluk, sertlik, hacim, simetri ve üniformite indeksleri ile hamurların kıvam ve yoğunluk değerleri tespit edilmiştir. Genel olarak çemen otu tohumu protein izolatı katkısının hamur ve kap keklerin özelliklerini olumsuz etkilemediği belirlenmiştir. Duyusal analiz sonuçlarına göre, %10 protein izolatı katkılı kap kek görünüş, kabuk rengi, tekstür, tat, aroma ve genel beğeni açısından diğer örneklere üstünlük sağlamıştır.

Abstract:
In this thesis, proteins from fenugreek seeds were extracted using both classical extraction and ultrasonic-assisted extraction (UAE) processes under different conditions to determine the optimal conditions that ensuring the highest extraction efficiency. The coagulated protein percentage, water-holding capacity, oil-holding capacity, foaming properties (foaming capacity and foam stability), emulsification properties (emulsion activity, emulsion stability, and emulsion capacity), and solubility properties of protein isolates obtained under all extraction conditions in classical extraction and UAE processes were determined. The molecular weights, amino acid compositions, structural, and thermal properties of protein isolates obtained under optimal extraction conditions were determined. Additionally, characterized protein isolates of fenugreek seeds were used for cupcake production.
The pH and solid-solvent ratio in the classical extraction process and the sonication amplitude (%) and solid-solvent ratio in the UAE process were chosen as independent process variables. The highest yield in the classical extraction process (94.3±0.3%) was achieved at a pH of 11.47 and a solid-solvent ratio of 34.50 g/L, while the highest efficiency (98.8±0.5%) was obtained at a sonication intensity of approximately 67.51% and a solid-solvent ratio of 43.83 g/L in the UAE process. The obtained yield in the UAE process was found to be higher compared to classical extraction, and it was determined that a higher extraction yield was achieved in 8 times shorter processing time. According to the characterization results, it was found that the properties of the protein isolates obtained by UAE, except for emulsion activity, were higher than those obtained by classical extraction. The molecular weights and structural properties of protein isolates obtained by UAE and classical extraction processes were found to be quite similar. For both protein isolates, three distinct bands (46, 59, and 80 kDa) were obtained in the range of 22-175 kDa. The protein's secondary structures were determined using Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectra, revealing a high presence of β-sheet structures in fenugreek seeds protein isolates. The thermal properties of protein isolates were determined using Differential Scanning Calorimetry (DSC). The denaturation temperatures for protein isolates obtained by classical extraction and UAE processes were calculated as ~119°C and 135°C, and the denaturation enthalpies were 28 mJ/g and 53 mJ/g, respectively. Additionally, the amino acid composition of the fenugreek seeds protein isolate was determined, and it was found to be rich in essential amino acids (317.97 g amino acids/kg protein isolate). The protein isolates obtained by classical extraction and UAE processes were used for cupcake production, and the color properties, moisture content, water activity, cooking yield, bulk density, hardness, volume, symmetry and uniformity indices values of the cakes, as well as the consistency and density values of the dough, were determined. Overall, it was determined that the addition of fenugreek seeds protein isolate did not adversely affect the properties of the dough and cupcakes. According to the sensory analysis results, cupcakes with 10% protein isolate showed superiority in terms of appearance, crust color, texture, taste, aroma, and overall acceptance compared to other samples.