Türkiye'de yetiştirilen yerel mercimek türlerinden protein izolasyonu, karakterizasyonu ve fonksiyonel özelliklerinin incelenmesi
Protein isolation from local lentil varities grown in Turkey, and the investigation of functional properties and characterization of lentil protein isolates
Yazar: ZEYNEP SALİHA GÜNEŞ
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:
Leguminosae familyası 650 cins ve 18 000'den fazla türü içermektedir ve insanlar tarafından ilk olarak yaklaşık 3000 yıl kadar önce yetiştirilip hasat edilmiştir. Tahıllardan sonra dünyada en önemli ikinci besin kaynağı olup genel olarak baklagil ailesi olarak adlandırılmaktadır.  İnsanlar ve hayvanlar leguminosae ailesinin yiyecek baklagil çeşitlerini kuru tohum şeklinde tüketmektedir. 
Türkiye üretim açısından ülke bazında Hindistan ve Kanada'dan sonra 3. ülke olarak özellikle kırmızı mercimek üretiminde önemli bir paya sahiptir ve aynı zamanda yaklaşık %6 yeşil mercimek üretimi yapmaktadır. Türkiye'nin, 2018 yılında toplam kuru baklagil üretimi 1 225 220 tondur. Ayrıca, kırmızı ve yeşil mercimek üretimi ise sırasıyla 310 000 ve 43 000 tondur. 
Baklagiller, acı bakla, nohut, mercimek ve fasulye gibi bitkilerin tohumlarının kuru yenilebilir kısmıdır ve dünyada birçok diyetin önemli protein kaynağıdır.
Bakliyat insan sağlığı için birçok açıdan yararlı bir besin kaynağı olarak kabul edilmekte ve sağlık kuruluşları ve diyetisyenler tarafından temel besin kaynağı olarak tavsiye edilmektedir. Baklagiller insan perhizi için zengin vitamin, mineral içeriğine sahip olup önemli karbonhidrat kaynaklarıdır. Vejetaryenler için önemli bir protein kaynağını temsil ederler ve düşük glisemik indeksli yiyecekler olduğu için tüketimi obezite, tip II diyabet, kalp ve damar hastalıklarının engellemesinde ve etkilerinin azalmasında rol oynamaktadır.
Hayvansal kaynaklı proteinlerin sınırlı ve yüksek maliyetli olmasından dolayı gelişmekte olan ülkelerde düşük maliyetli potansiyel protein kaynağı olan baklagillerin kullanımı dikkat çekmektedir.
Sağlıklı beslenme ve gıdaların işlevselliğinin popülerlik kazanması, temel olarak tüketici talepleri ve sağlık uzmanlarının genel beslenme durumu olan hayvansal gıdaların fazla tüketiminin bitkisel proteinlerle değiştirilmesi gerektiğini savunmaları bitkisel proteinlere olan ilginin artmasına ve gıda endüstrisinin ihtiyaçlarını iyileştirmesine katkı sağlamaktadır.
Bitkisel kaynaklı proteinlerin öneminin ve kullanım alanlarının artması amacıyla bu çalışmada diğer baklagil çeşitlerine göre yüksek protein içeğine sahip mercimek türü seçilmiştir. Ayrıca, bu çalışmada yerel ve tescilli mercimek ürünlerinin kullanılması bu ürünlerin kompozisyonunun ve karakteristik özelliklerinin belirlenmesi açısından önemlidir.
Bu çalışmada kullanılan yeşil mercimek türü olan Yusufhan ve Ceren çeşitleri Tarla Bitkileri Merkez Araştırma Enstitüsü'nden ve kırmızı mercimek türüne ait Tigris ve Çağıl mercimek çeşitleri Güneydoğu Anadolu Tarımsal Araştırma Enstitüsü'nden temin edilmiştir. Ayrıca Malatya bölgesine özgü Kahverengi mercimek ise Malatya yöresel üreticilerinden temin edilmiştir.
Bu çalışmada kullanılan mercimek türlerinin unlarına ait nem içerikleri %8,60 ila %10,93 aralığında, protein oranları %21,99 ila %26,22 aralığında değişkenlik göstermektedir. Mercimek türlerinin unlarına ait kül oranları bu çalışmada %2,18 ile %2,65 aralığında, ham yağ değerleri %1,18 ve %1,59 arasında değişkenlik göstermektedir.
Bu çalışmada izoelektrik çöktürme metodu kullanılarak elde edilen mercimek protein izolatlarının protein oranları %87,03 ila %84,15 aralığında değişmektedir. Kahverengi mercimek protein izolatının protein miktarı Tigris, Çağıl ve Yusufhan türünden elde edilen izolatların protein miktarından daha yüksek bulunmuştur. Bu çalışmada elde edilen protein izolatlarının yağ oranları en az %0,21 ve en çok %0,85 aralığında değişmektedir. Mercimek protein izolatlarının nem içerikleri en az %4,29 ve en çok %5,59 değerleri arasında ve izolatların içerdiği kül miktarları en düşük %2,49 ve en yüksek %3,36 değerleri arasında değişkenlik göstermektedir. 
Bu çalışmada kullanılan yerel çeşitlere ait protein izolatlarının minimum jel oluşturma konsatrasyonu 11 ila 15 (g protein/100 g) aralığında değişmektedir. Ayrıca, mercimek türlerinden elde edilen protein izolatlarının su tutma kapasiteleri protein izolatı gramının absorbe ettiği su miktarı olarak ifade edilmiş ve değerler 1,36 ila 1,5 (g/g)  arasında değişmektedir. Mercimek protein izolatarının yağ tutma kapasiteleri en az 2,73 ve en çok 4,18 (g yağ/g protein) aralığında değişmektedir.
Bu çalışmada kullanılan 5 yerel çeşide ait protein izolatlarının emülsiyon oluşturma kapasitesileri en az 403,8 g yağ/g protein ve en çok 468,2 g yağ/g protein aralığında değişmektedir. Bu çalışmada kullanılan 5 yerel çeşide ait emülsiyon aktivite indeksi en az 18,84 ve en çok 24,20 m2/g protein arasında değişkenlik göstermektedir. Mercimek protein izolatlarının emülsiyon stabilite indeksleri ise en az 43,39 dk ve en çok 125,52 dk olarak hesaplanmıştır. 
Bu çalışmada kullanılan 5 yerel çeşide ait protein çözünürlüğüne 4 farklı pH değerinde (pH 3,5,7 ve 9) bakılmış olup kullanılan tüm mercimek çeşitlerinin protein izolatlarının maksimum çözünürlük gösterdiği nokta pH 9 olarak bulunmuştur. Ayrıca, protein çözünürlüğü pH 7 değerinde tüm mercimek türlerleri için yüksek olup en düşük çözünürlük değeri ise %84,79 olarak bulunmuştur. İzoelektrik noktaya yakın olan pH 5 değerinde ise tüm mercimek protein çeşitleri için çözünürlük en az olmuştur ve maksimum değeri %8,68 olarak bulunmuştur.
Bu çalışmada kullanılan mercimek türlerine ait protein izolatlarının köpük oluşturma kapasiteleri en az %71,33 ve en çok %91,33 aralığında değişmektedir. En yüksek köpük oluşturma kapasitesine sahip türler Kahverengi mercimek ve Tigris çeşitlerinden izole edilen proteinlerdir. 
Kullanılan çeşitlerin 10, 30 ve 180 dk sonundaki köpük oluşturma stabilitesi değerleri sırasıyla %82,05-88,26;  %73,52-77,25; %68,85-73,05 değerleri arasında değişmiştir. 
Tezin son bölümünde ise yapılan araştırmalar, deneysel çalışmalar ve istatiksel sonuçlara bağlı olarak yorumlar ve tavsiyelere yer verilmiştir. Hayvansal protein kaynaklara ek olarak bitkisel kaynaklı proteinlerin detaylı bir şekilde araştırılması, faklı baklagil türlerinden elde edilen proteinlerin özelliklerinin belirlenmesi ve gıda uygulamarındaki kullanımı açısından geniş yelpazeli bilgi içeren yeni çalışmalara ihtiyaç vardır.

Abstract:
The family of Leguminosae contains over 650 genera and more than 18 000 species and they were first grown and harvested about 3000 years ago. It is generally known as the legume family which is the world's second most important nutrient after the cereals.
Legumes are defined as edible seeds for human and animal consumption as a subgroup of Leguminosae. In addition, pulses are defined as dry seeds with low oil content. Some varieties of legumes used as vegetables such as green beans and peas, soybean and peanut cultivated for oil production and varieties grown for animal feed crops such as alfalfa and clover are excluded from the definition of pulses. Legumes are the dry, edible part of the seeds of plants such as lupine, chickpea, lentils and beans. Different types of legumes are the major protein source of many diets in the world.
Turkey has a significant share in terms of lentil production and is the third country after India and Canada. Red lentil production is especially better in Turkey and produces about 6% of the green lentil. In Turkey, total dry legume production is 1 225 220 million tons. In addition, the production of red and green lentils is 310 000 and 43 000 tons in 2018, respectively.
Pulses are considered to be a useful nutrient source in many aspects for human health and are recommended as a basic food source by health care organizations and dietitians. Legumes are rich in vitamins and minerals and are important sources of carbohydrates for human diets. They represent an important source of protein for vegetarians, and they serve as a good source of low glycemic indexed food. Therefore, consumption of pulses plays a significant role in inhibition and mitigation of obesity, type II diabetes, and cardiovascular disease.
Due to the limited and high cost of animal-derived proteins, the use of low-cost potential protein sources especially plant protein in developing countries has increased.
There are some good reasons which are the importance of healthy nutrition, the functionality of foods, mainly consumer demands and the general nutritional status of health experts about the consumption of animal foods should be replaced with plant proteins increase the interest in vegetable proteins and contribute to the improvement of the needs of the food industry.
In this study, Tigris and Çağıl lentil varieties belonging to red lentil cultivar were obtained from the Southeast Anatolia Agricultural Research Institute. Also, Yusufhan and Ceren lentil type belonging to the green lentil cultivar were obtained from Field Crops Central Research Institute. In addition, Brown lentils which are Lens culinaris Medikus in the Malatya region included in the Medikus family were obtained from local producers in Malatya.
The moisture content of the lentil species used in this study ranged between 8.60% and 10.93% and the protein content varied between 21.99% and 26.22%. Brown lentils, Tigris and Çağıl lentil species had high protein content and contain more protein than Ceren and Yusufhan lentil varieties. Ash content of flour of lentil species in this study ranged from 2.18% to 2.65%, and the crude oil values ranged from 1.18% to 1.59%.
Different types of processing techniques are applied to obtain protein isolates and concentrates from pulses. The protein-rich concentrate and the plant protein isolates obtained by isoelectric precipitation may vary depending on the conditions such as temperature, salt content and pH during protein extraction.
In this study, protein content of protein isolates of lentil species obtained by isoelectric precipitation varied between 87.03% and 84.15%. The amount of protein of brown lentil protein isolate was higher than that of protein obtained from Tigris, Çağıl and Yusufhan species. Fat percentages of the protein isolates obtained in this study ranged between 0.21% and 0.85%. The amount of fat obtained from Brown lentil, Tigris and Ceren species was higher than that of fat obtained from the Çağıl and Yusufhan species. The moisture content of the lentil protein isolates varied between at least 4.29% and at most 5.59% and the ash content of the isolates varied between the lowest values of 2.49% and the highest 3.36%.
Plant proteins interact with solvents, ions, polysaccharides, fats, and other proteins in the food matrix and as a result of this proteins are able to alter the physical structure of food.
The main functional properties of the protein in food; solubility, water and oil bonding capacities, gel forming and rheological properties, emulsion formation and foaming properties. These properties depend on the interaction of proteins with large molecules such as carbohydrates, lipids, proteins and small molecules such as gas, salt, volatiles and water. In addition, molecular size of proteins, protein distribution and primary, secondary and tertiary structures also affect functional properties.
The least gelation concentration of the protein isolates of the local lentil varieties used in this study ranged from 11 to 15 (g protein / 100 g). In addition, the water absorbtion capacity of protein isolates from lentil species was expressed as the amount of water absorbed by the protein isolate and values ranged from 1.36 to 1.5. In addition to water absorbtion capacity, the fat absorbtion capacity of lentil protein isolate are ranged from 2.73 to 4.18 g fat / g protein. Fat absorbtion capacity of the protein isolates of Yusufhan and Çağıl species was higher than the fat absobtion capacity of the protein isolate of Ceren species.
The emulsion capacity of 5 local lentil protein isolates used in this study ranged from at least 403.8 g oil/g protein and up to 468.2 g oil/g protein range. The emulsion activity index of 5 local varieties used in this study varied between at least 18.84 and at most 24.20 m2/g protein. Emulsion activity index (EAI) of protein isolates obtained from Brown lentils, Çağıl and Tigris varieties used in this study was higher than EAI of Ceren and Yusufhan varieties. Emulsion stability index (ESI) of lentil protein isolates was calculated as minimum 43.39 min and maximum 125.52 min. The ESI of the protein isolate of the Tigris species was higher than all other varieties.
The protein solubility of the 5 local varieties used in this study was examined at 4 different pH values (pH 3, 5, 7 and 9). The maximum solubility of protein isolates of all types of lentils was found to be at pH 9. Protein solubility was high for all lentil species at pH 7 and the lowest value was found as 84.79%. At pH 5, which is close to the isoelectric point, the solubility for all lentil protein varieties was minimal and the maximum value was determined as 8.68%. The protein solubility profiles of all lentil type used were close to each other and they were found to be very similar in comparison with the solubility of other legume studies in the literature. Furthermore, according to the findings, the solubility varied depending on the pH as expected.  
The foaming capacity of the protein isolates of the lentil species used in this study varied between 71.33% and 91.33%. Samples that had the highest foam formation capacity were the proteins isolated from Brown lentils and Tigris varieties. Ceren protein isolate had the lowest foam capacity.
The foam stability values of the varieties at the 10th minute varied between 82.05% and 88.26%. At the 30th minute, the foam stability values were in the range of 73.52% and 77.25%. The foam stability at the end of 180 minutes was found to be between 68.85% and 73.05%.
Functional properties such as emulsifying, foaming and gelling are closely related to the solubility of proteins. In addition, the availability of proteins as a component in different type of food product applications is related to high solubility.
In the last part of the thesis, based on the researches, experimental studies and statistical results, comments, recommendations and potential use of lentil proteins in the field of food application are mentioned.
In addition to animal protein sources, new studies are required to investigate the proteins of plant origin in detail, to determine the properties of proteins derived from different legume species and to use a wide range of information in terms of their use in food applications.