Effect of ultrasound and high-pressure homogenization on functional properties of date seed protein = Ultrason ve yüksek basınçlı homojenizasyonun hurma tohum proteininin fonksiyonel özellikleri

Abstract

Hurma (Phoenix dactylifera L.), Aceraceae familyasında yer alan 200 cins ve 2000 türü olan dünyanın en eski meyvesidir (Zaid ve Wet, 2002). Hurma meyvesi, besleyici, sağlık özellikleri ve yüksek ekonomik değeri nedeniyle hem Arap yarımadasında hem de Ortadoğu'da en çok yetiştirilen meyvedir. Yağ, protein ve karbonhidratlar gibi temel besin maddelerinin zengin bir kaynağı olarak kabul edilir. Dünya genelinde hurma üretimi 9.45 milyon tondur ve Mısır 1.69 milyon ton hurma üretimi ile dünya çapındaki toplam hurma üretiminin %18'ini gerçekleştiren en büyük üretici ülke konumundadır (FAO, 2020). Hurma çekirdekleri, tüm meyve ağırlığının yaklaşık %11‒18'ini oluşturmakta olup karbonhidrat, lif, yağ ve proteinden gibi birçok fonksiyonel gıda bileşenin yapısında barındırmaktadır. İşleme veya hasat sonrası açığa çıkan birçok tarımsal yan ürün, insan beslenmesi için gerekli bileşenleri içermekte olup yeni ve sürdürülebilir kaynak olarak görülmektedir. Hurma tohumu yeterince kullanılmayan bir yan ürün olup ve gıda endüstrisi için önemli bir sorun niteliğindedir. Dünya çapında yıllık hurma üretimi ve tohum verimi dikkate alındığında, yılda yaklaşık 1.0–1.7 milyon metrik ton (Mt) hurma tohumunun yan ürün olarak açığa çıktığı tahmin edilmektedir. Büyük miktarlarda elde edilebilen ve önemli miktarda protein içeren hurma taneleri, endüstriyel işleme yoluyla katma değerli ürünlere dönüştürülme potansiyeline sahiptir. Bitkisel ve hayvansal kaynaklardan elde edilen proteinler, insan beslenmesi için kritik besin maddelerdir. Son zamanlarda, gıda formülasyonlarında alternatif bileşenler olarak kabul edilen yeni bitki bazlı protein içeriklerine yönelik artan bir talep olmuştur. Bu talep, dünya çapında vegan/vejetaryen eğilimin artmasından, bu gıdaların nispeten ucuz olmasından ve tüketicinin bitki bazlı proteinin hayvan bazlı proteinden daha sağlıklı olduğu algısı/farkındalığından kaynaklanmaktadır. Bu nedenlere ek olarak, bitki bazlı proteinlere olan talebin arkasındaki itici güç, söz konusu kullanılan materyallerin yenilenebilir ve sürdürülebilir kaynaklar olmasıdır. Tüm bu nedenlerden dolayı, gıda endüstrisi ucuz ve istenen fonksiyonel özelliklere sahip yeni protein kaynakları arayışındadır. Günümüzde baklagiller, tahıllar ve yağlı tohumlar, ticari bitki bazlı protein bileşenleri üretmek için protein kaynağı olarak kullanılmaktadır. Bitki kaynaklı proteinler, hem gıda hem de ilaç endüstrisinde emülsifiye etme, köpürme, enkapsülasyon ve jelleşme gibi çok önemli işlevlere sahiptir. Gıdadaki proteinin davranışını, kalitesini ve duyusal özelliklerini etkileyen proteinin tekno-fonksiyonel performansları, gıdalarda depolama ve işleme sırasında önemli bir rol oynar. Bitkisel proteinlerin potansiyel kullanımları, gıda sistemlerindeki işlevlerine bağlıdır. Bitkisel proteinlerin zayıf tekno-fonksiyonelliği, bir bileşen olarak endüstriyel uygulamalar için en göze çarpan dezavantajdır. Bugün, bir proteinin fonksiyonel özelliklerini değiştirmek için kimyasal, enzimatik ve fiziksel yöntemler kullanılmaktadır. Ultrases ve yüksek basınç homojenizasyon teknikleri, proteinlerinmodifikasyonunda kullanılabilecek sağlık açısından herhangi bir risk oluşturmayan güvenli ve çevre dostu fiziksel tekniklerdir. Bu doktora tez çalışmasının amacı, yüksek yoğunluklu ultrases (HIUS) ve yüksek basınç homojenizasyon (HPH) teknikleri ile hurma çekirdeği protein konsantresinin (DSPC) tekno-fonksiyonel performansını artırmaktır. Bu çalışmada, Mısır'da en çok üretimi yapılan ticari hurma çeşitlerinden biri olan "Saidy" çeşidinin çekirdekleri kullanılmıştır. Çekirdeklerin pomolojik özellikleri belirlendikten sonra toz haline getirilmiş temel kimyasal kompozisyonunun yanı sıra fitokimyasal özellikleri (amino asit, mineral ve yağ asidi kompozisyonları ile toplam fenolik, antioksidan, antosiyanin, flavonoid ve saponin) belirlenmiştir. Hurma çekirdeklerinin, %6.17 protein içermesinin yanında, %9.56 yağ, %7.21 nem, %3.44 kül ve %73.62 karbonhidratlardan oluştuğu saptanmıştır. Kullanılan "Saidy" hurma çekirdeğinin amino asit profili, günlük alınması tavsiye edilen miktar açısından izolösin, lisin, metiyonin, treonin, valin ve histidin bakımından yeterli buna karşın, lösin ve fenilalanin bakımından yeterli olmadığı saptanmıştır. Çekirdeklerin mineral kompozisyonunda, en yüksek potasyum (807.1 mg/100g) içerdiği tespit edilmiş olup bunu sodyum (322.9 mg/100g), kalsiyum (263.1 mg/100g), magnezyum (95.67 mg/100g) ve demir (61.21 mg/100g) takip etmiştir. İz miktarda manganez (1.665mg/100g) ve bakır (0.940 mg/100g) tespit edilmiştir. Fitokimyasal olarak, 2.40 mg/g toplam fenolik ve 1.28 mg/g toplam flavonoid içerdiği tespit edilmiştir. Hurma çekirdeği ekstraktının GC-MS analizinin sonucu, laurik asidin %34.9 ile en yüksek konsantrasyon sahip bileşik olduğunu ortaya koymuştur. Bunu sırasıyla %15.45, %8.74 ve %7.98 ile palmitik asit, kaprik asit ve oleik asit izlemiştir. Toz haline getirilmiş ve yağı giderilmiş örneklerden, klasik alkali ekstraksiyon ve ardından izoelektrik çökeltme yöntemi ile %70 protein içeriğine sahip protein konsantratı (DSPC) elde edilmiştir. Doğal formdaki bu konsantratın (DSPC-N), tüm fonksiyonel (çözünürlük, emülsifikasyon, köpük oluşturma, su ve yağ bağlama, antioksidan) ve fizikokimyasal (partikül boyutu, yüzey yükü, yüzey hidrofobisitesi, serbest sülfidril içeriği, protein profili, elektron mikroskobu ile mikro yapısı, floresans emisyonu) özellikleri belirlenmiştir. Elde edilen doğal haldeki protein konsantratın (DSPC-N) %14.1 çözünürlüğe, 2.76 g/g su bağlama, 1.73 g/g yağ bağlama, 11.92 m2/g emülsiyon aktivitesi, 17.63 dakika emülsiyon stabilitesi, %11 köpük oluşturma ve %8 köpük stabilitesine sahip olduğu saptanmıştır. Elde edilen konsantratın parikül boyutu 123 nm, serbest sülfidril içeriği 1.58 μmol/g, denatürasyon sıcaklığı 87.7C, entalpisi 204 J/g ve zeta potansiyeli ‒28.73 mV olarak tespit edilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında, yanıt yüzey metodu ile ultrases homojenizasyonunun farklı genlik (%40, 60 ve %80) ve sürelerde (5, 10 ve 15 dakika) DSPC'nin fonksiyonel özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu uygulamalarda fonksiyonel özelliklerden çözünürlük, emülsifiasyon ve antioksidan kapasitenin nasıl değiştiği göz önünde bulundurulmuştur. Elde edilen verilerden Design Expert istatistik programı ile matematiksel modeller üretilmiştir. Ancak üretilen bu modellerden yalnızca çözünürlük kriteri için geliştirilen modelin geçerli ve tamhinlemede güvenilir bir şekilde kullanılabileceği tespit edilmiştir. Uygulanan ultrases işlemin genlik ve süresinin artması ile çözünürlüğün arttığı tespit edilmiştir. Çözünürlük kriteri için önerilen kuadratik model, çözünürlüğü maksimum kılacak yüksek yoğunluklu ultrases homojenizasyonunun optimum işlem koşullarının 15 dakika ve %80 genlik olduğunu ortaya koymuştur. Daha sonra doğal haldeki hurma çekirdeği konsantratı (DSPC-N) optimum koşulları belirlenen bu işlem yoğunluğuna (60.56 W/cm2) maruz bırakılmıştır. Optimum işlem koşulları ile modifiye edilmiş olan konsantratın (DSPC-US) tüm fonksiyonel ve fizikokimyasal özellikleri doğal formdaki konsantratın özellikleri ile kıyaslanmıştır. Bu optimum koşullar altında temel kriter olarak göz önünde bulundurduğumuz çözünürlük değeri, %14.1'den %32.6'ya yükselmiştir. Buna karşın, fonksiyonel özelliklerden, su bağlama kapasitesi hariç diğer tüm fonksiyonel özellikleri (yağ bağlama, emülsiyon oluşturma aktivitesi ve stabilitesi, köpük oluşturma kapasitesi ve stabilitesi) önemli oranlarda artmıştır. Bu uygulama ile, partikül boyutunda (123 nm'den 100 nm'ye), denatürasyon sıcaklığında (Td, 87.7°C'den 61.9°C), denatürasyon entalpisinde (ΔH, 204 J/g'dan 191.5 J/g'a), yüzey hidrofobisitesinde ve floresan emisyonunda düşüşler gözlenirken, serbest süldifril içeriği ve yüzey yükünde artışlar saptanmıştır. Söz konusu uygulamanın protein profilinde hiçbir değişim yaratmadığı yalnızca bant yoğunluğunun azaldığı gözlenmiştir. Çalışmanın son aşamasında ise, yine yüzey yanıt yöntemi ile yüksek basınç homojenizasyonunun farklı basınç seviyeleri (50, 100 ve 150 MPa) ve protein konsantrasyonları altında (%1, 2 ve %3) DSPC'nin nin fonksiyonel özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Ultrases uygulamasında olduğu gibi, fonksiyonel özelliklerden çözünürlük, emülsifiasyon ve antioksidan kapasitenin değişimi incelenmiş ve elde edilen verilerden Design Expert istatistik programı ile matematiksel modeller üretilmiştir. Ancak üretilen bu modellerden yalnızca çözünürlük ve antioksidan kapasite kriteri için geliştirilen modellerin geçerli olduğu ve tamhinlemede güvenilir bir şekilde kullanılabileceği tespit edilmiştir. Uygulanan homojenizasyon işleminin basıncının artması ile çözünürlük ve antioksidan aktivitenin arttığı buna karşın, protein konsantrasyonun artması ile azaldığı saptanmıştır. Çözünürlük için linear bir model, antioksidan kapasite için kuadratik model önerilmiştir. Önerilen bu modellerden hem çözünürlük hem de antioksidan kapasiteyi maksimum kılacak şekilde, en uygun proses koşullarının, 150 MPa ve %1 protein konsantrasyonu olduğu saptanmıştır. Daha sonra doğal haldeki hurma çekirdeği konsantratı (DSPC-N) optimum koşulları belirlenen bu yüksek basınç homojenizasyon işlemine tabi tutulmuştur. Optimum işlem koşulları ile modifiye edilmiş olan konsantratın (DSPC-HPH) tüm fonksiyonel ve fizikokimyasal özellikleri doğal formdaki konsantratın özellikleri ile kıyaslanmıştır. Bu optimum koşullar altında temel kriter olarak göz önünde bulundurduğumuz çözünürlük değeri, %14.1'den %43.6'ya, antioksidan activite değeri 60.5 TE/g'dan 71.67 TE/g'a yükselmiştir. Buna karşın, fonksiyonel özelliklerden su bağlama kapasitesi 2.76 g/g'dan 1.38 g/g'a düşerken, yağ bağlama kapasitesi 1.73 g/g'dan 3.02 g/g'a yükselmiştir. Emülsiyon aktivitesi artarken stabilitesinde herhangi bir değişim gözlenmemiştir. Bu uygulama ile, partikül boyutunda (123 nm'den 65 nm'ye), denatürasyon sıcaklığında (Td, 87.7°C'den 64.3°C), yüzey hidrofobisitesinde ve floresan emisyonunda düşüşler gözlenirken, denatürasyon entalpisinde (ΔH, 204 J/g'dan 227.7 J/g'a), serbest süldifril içeriğinde (1.58 μmol/g'dan 2.65 μmol/g'a) ve yüzey yükünde (-28.73 mV'tan -32.73 mV'a) artışlar saptanmıştır. Söz konusu uygulamanın protein profilinde hiçbir değişim yaratmadığı yalnızca bant yoğunluğunun azaldığı gözlenmiştir. Bu çalışma, yüksek yoğunluklu ultrases ve yüksek basınç homojenizasyonlarının, hurma çekirdeği proteini konsantrelerinin fonksiyonel özelliklerinin geliştirilmesinde etkili fiziksel yöntemler olabileceğini ortaya koymuştur. Elde edilen veriler göz önünde bulundurulduğunda, yüksek basınç homojenizasyonun (HPH), yüksek yoğunluklu ultrases homojenizasyonuna (HIUS) kıyasla çok daha etkin olduğu sonucuna ulaşılmıştır.

Date kernel is a plant-derived byproduct that has the potential to be converted into a high-value-added food ingredient, such as protein concentrate, in the food industry. High-intensity ultrasound and high-pressure homogenization, which are alternative methods for improving the functional properties of food protein, are effective physical treatments for modifying protein functionality. Solubility is the main criterion that primarily influences other functional properties of protein concentrates such as emulsification, foaming, water, and oil binding. The aim of this study is to improve the techno-functional performance of date seed protein concentrate (DSPC) by maximizing solubility by high-intensity sonication (HIUS) and high-pressure homogenization (HPH). In the first stage of the study, the effect of ultrasonic homogenization at different amplitudes (40, 60, and 80%) and times (5, 10, and 15 min) on the functional properties of the DSPC was investigated using the response surface methodology (RSM). The face centered-central composite design (FC-CCD) showed that the optimal process conditions of HIUS were at 80% amplitude for 15 minutes. In the second stage of the study, the influence of HPH at different pressures (50, 100, and 150 MPa) and protein concentrations (1, 2, and 3%) on the functional properties of the DSPC was analyzed using the Response Surface Methodology (RSM). A pressure of 150 MPa and a protein concentration of 1% were the optimum HPH conditions for maximizing the solubility. The optimum HIUS and HPH treatment conditions for physicochemical and functional properties of the ultrasonically treated date seed protein concentrate (DSPC-US) and the high pressure treated date seed protein concentrates (DSPC-HPH) were determined. The properties of DSPC-US and DSPC-HPH were compared to the native date seed protein concentrate (DSPC-N). The results revealed that the solubility of all DSPC samples treated by both HIUS and HPH was significantly (p<0.05) higher than native DSPC. In addition, emulsion activity/stability, foaming, activity/stability, antioxidant activity, and oil-binding capacity increased after HIUS and HPH homogenization treatments, while water-binding capacity decreased. These changes in the techno-functional properties of the DSPC-US and DSPC-HPH were explained by the modification of the physicochemical structure of the DSPC (particle size, zeta potential, SDS-PAGE, SEM, FTIR, DSC, free SH content, surface hydrophobicity, and intrinsic emission). This work demonstrated that HIUS and HPH could be effective treatments for enhancing the functional properties of date seed protein concentrate.