Barbunya proteini ve fenolik etkileşiminin incelenmesi - Dağlı, Elif (Bursa Teknik Üniversitesi, 2025)
Son yıllarda sürdürülebilir, fonksiyonel ve sağlık destekleyici gıda ürünlerine yönelik artan tüketici talebi, bitki bazlı proteinlerin kullanımını ön plana çıkarmıştır. Ancak bitki bazlı proteinlerin çözünürlük, sindirilebilirlik ve oksidatif stabilite açısından sınırlamaları, bu proteinlerin gıda sistemlerindeki fonksiyonel uygulamalarını kısıtlamaktadır. Bu sınırlamaları aşmak amacıyla, proteinlerin doğal fenolik bileşiklerle etkileşimi yoluyla fonksiyonel özelliklerinin iyileştirilmesi, son yıllarda önem kazanan bir araştırma alanı haline gelmiştir. Bu kapsamda, yüksek protein içeriğine ve fonksiyonel amino asit profiline sahip barbunya fasulyesi (Phaseolus vulgaris L.), alternatif bir bitkisel protein kaynağı olarak dikkat çekmektedir. Bu çalışmada, barbunya protein izolatı (BPİ) ile gallik asit (GA) arasında non kovalent etkileşimlere dayalı kompleksler oluşturulmuş ve yapısal ile fonksiyonel özellikleri incelenmiştir. Yerel marketlerden temin edilen barbunya, öğütülüp ince toz haline getirildikten sonra yağından arındırılmıştır. Çalışmada, 1 kg ham barbunya örneğinden ortalama 104,45 g protein izolatı elde edilmiş, protein içeriğinde yaklaşık 3,15 kat artış gözlenmiş ve protein verimi %37,05 olarak hesaplanmıştır. Yağı uzaklaştırılmış barbunya küspesinden (kuru baz) %27,16 protein içeren hammadde kullanılarak, alkali ekstraksiyon ve izoelektrik çöktürme yöntemleriyle elde edilen BPİ'nin protein saflığı %85,56 olarak belirlenmiştir. BPİ, 20 mg/mL konsantrasyonda olacak şekilde 10 mM pH 7,0 sodyum fosfat tamponunda hazırlanarak 4 °C'de gece boyunca karıştırılmıştır. GA ise farklı konsantrasyonlarda (0, 250, 500, 750, 1000 µmol/g) aynı koşullarda tamponda çözündürüldükten sonra fosfat tamponunda çözdürülmüş BPİ ile 1:1 oranında karıştırılarak 25 °C'de 2 saat inkübe edilmiştir. Oluşan kompleksler, 6–8 kDa moleküler ağırlık kesme sınırına sahip diyaliz torbalarında 24 saat saflaştırılmış, ardından -18 °C'de dondurulup liyofilize edilmiştir. Oluşturulacak kompleks için saf ve kontrollü bir matriks sağlamak amacıyla hem yağı uzaklaştırılmış barbunya küspesinin hem de BPİ'nin fiziksel ve kimyasal bileşimi incelenmiştir. Barbunya örneğinde nem oranı %11,23 iken, protein izolatında bu değer %0,45'e düşmüştür. Benzer şekilde yağ içeriği barbunyada (kuru baz) %1,21 olarak belirlenmişken, izolat formunda %0,47'ye gerilemiştir. Kül içeriği ise barbunyada (kuru baz) %3,71 iken, BPİ örneğinde %5,63'e yükselmiştir. Barbunya örneğinde kuru bazda %27,16 olan protein oranı, izolat örneğinde %85,56'ya yükselmiştir. Kompleks örneklerinde ise, etkileşim sonrası protein içeriğinde meydana gelen olası değişimleri değerlendirmek amacıyla ölçüm yapılmıştır. Kontrol (0) grubunda protein içeriği %83,81 iken, en yüksek GA konsantrasyonunun uygulandığı grup olan 1000'de ise %81,96'ya düşmüştür. GA'in, barbunya proteini izolatının yapısal ve fonksiyonel özellikleri üzerindeki etkilerini incelemek için kapsamlı fonksiyonel analizler gerçekleştirilmiştir. Bu analizler sonucunda, GA konsantrasyonundaki artışla birlikte yüzey hidrofobisitesi 765,72'den 444,57'ye ve disülfit bağları 2,82'den 1,56 µmol/g'ye azalmıştır. Buna karşın serbest sülfhidril grupları 9,90'dan 27,47 µmol/g'ye yükselmiştir (p < 0,05). Fonksiyonel analizlerde su bağlama kapasitesi incelenmiş ve GA konsantrasyonunun artırılmasıyla %24,56'dan %32,49'a yükseldiği elde edilmiştir. Buna karşılık, yağ bağlama kapasitesi %92,67'den %54,08'e gerilemiş; en düşük jel oluşturma konsantrasyonu ise %7,50'den %5,00'e düşmüştür. Çözünürlük ise %82,04'ten %99,39'a önemli bir artış göstermiştir (p < 0,001). Ayrıca emülsiyon aktivitesi %73,55'ten %100'e; emülsiyon stabilitesi ise %36,30'dan %76,61'e yükselmiştir. Köpük kapasitesi %30,76'dan %46,15'e ve köpük stabilitesi %17,65'ten %26,31'e artmıştır (p < 0,001). Oluşturulan kompleks örneklerinde toplam fenolik içerik ve DPPH antioksidan aktivitesi üzerinde de etkiler gözlenmiş; ekstrakte edilebilir fraksiyon ve sindirim fazlarında kontrol grubuna göre anlamlı artışlar elde edilmiştir (p < 0,05). İn vitro ekstrakte edilebilir fraksiyonda toplam fenolik içerik 4,54'ten 31,75 mg GAE/g'ye yükselirken, bağırsak fazında bu değer 36,54'ten 47,40 mg GAE/g'ye ulaşmıştır. DPPH radikal süpürme kapasitesi ise başlangıçta %10,42'den %57,49'a; bağırsak fazında ise %33,96'dan %89,13'e yükselmiştir. Yapısal analizlerde ise, FTIR ve içsel floresan spektroskopisi kullanılmış; bu analizlerde pik şiddetinde değişimler ve floresan yoğunluğunda 36115'den 28604 a.u.'ya düşüş gözlenerek yapısal değişimler doğrulanmıştır. Ayrıca, DSC analizlerinde denatürasyon sıcaklığı 86,02 °C'den 94,89 °C'ye yükselirken, entalpi değişimi 218,29'dan 171,68 J/g'ye düşmüştür. Son olarak, SEM görüntüleri ile yapılan mikroyapı incelemelerinde 750 grubunda protein partiküllerinin sıkıca bağlandığı ve daha kompakt bir yapı oluştuğu tespit edilmiştir. Gallik asit ile barbunya protein izolatı arasındaki non-kovalent etkileşim, protein moleküllerinin yapısında serbest sülfhidril gruplarının artışı, disülfit bağlarının azalması ve hidrojen bağlarının güçlenmesi gibi değişikliklere yol açmıştır. Bu yapısal değişiklikler, protein yüzeyinde hidrofiliklik ve kompaktlık artışına neden olarak, çözünürlük, köpük oluşturma, emülsiyon stabilitesi ve jelasyon gibi fonksiyonel özelliklerde belirgin iyileşmeler sağlamıştır. Termal stabilite açısından yaklaşık %10'luk bir iyileşme gözlenmiştir. İn vitro sindirim testleri sonucunda, barbunya protein izolatı ile gallik asit arasında oluşturulan komplekslerin, sindirim süreci boyunca antioksidan aktivitede kontrol formuna göre istatistiksel olarak anlamlı (p < 0,05) şekilde %30'dan fazla artış sağladığı belirlenmiştir.

In recent years, the increasing consumer demand for sustainable, functional, and health-promoting food products has brought plant-based proteins to the forefront. However, limitations in solubility, digestibility, and oxidative stability restrict the functional applications of plant-based proteins in food systems. To overcome these limitations, enhancing the functional properties of proteins through interactions with natural phenolic compounds has emerged as a significant research area. In this context, kidney bean (Phaseolus vulgaris L.), which has a high protein content and a functional amino acid profile, stands out as an alternative plant-based protein source. In this study, non-covalent complexes were formed between kidney bean protein isolate (KPI) and gallic acid (GA), and their structural and functional properties were investigated. From 1 kg of raw kidney beans, an average of 104.45 g of protein isolate was obtained, corresponding to an approximate 3.15-fold increase in protein content, with a yield of 37.05%. The protein purity of KPI extracted via alkaline extraction and isoelectric precipitation was determined as 85.56% (dry basis). KPI solutions were prepared at a concentration of 20 mg/mL in 10 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) and stirred overnight at 4 °C. GA solutions at varying concentrations (0, 250, 500, 750, 1000 µmol/g) were mixed with KPI at a 1:1 ratio and incubated at 25 °C for 2 hours. The resulting complexes were purified in dialysis bags (6–8 kDa cut-off) for 24 hours, frozen at –18 °C, and lyophilized. To ensure a pure and controlled matrix for the complexes, the physical and chemical compositions of both defatted kidney bean meal and KPI were analyzed. While the moisture content was 11.23% in raw beans, it decreased to 0.45% in the isolate. Similarly, on a dry basis, the fat content decreased from 1.21% to 0.47%, while the ash content increased from 3.71% to 5.63%. The protein content increased from 27.16% in defatted beans (dry basis) to 85.56% in the isolate. In the complex samples, possible changes in protein content due to interaction were also measured: protein content decreased from 83.81% in the control group to 81.96% in the group 1000. Comprehensive functional analyses were conducted to examine the effects of GA on the structural and functional properties of KPI. With increasing GA concentration, surface hydrophobicity decreased from 765.72 to 444.57, and disulfide bonds decreased from 2.82 to 1.56 µmol/g, while free sulfhydryl groups increased from 9.90 to 27.47 µmol/g (p < 0.05). The water holding capacity increased from 24.56% to 32.49% with higher GA concentration, whereas the oil holding capacity decreased from 92.67% to 54.08%; the least gelation concentration decreased from 7.50% to 5.00%. Solubility showed a significant increase from 82.04% to 99.39% (p < 0.001). Emulsion activity increased from 73.55% to 100%, and emulsion stability improved from 36.30% to 76.61%. Foam capacity increased from 30.76% to 46.15%, and foam stability rose from 17.65% to 26.31% (p < 0.001). The complexes also showed significant effects on total phenolic content and DPPH antioxidant activity during in vitro extraction and digestion phases (p < 0.05). The total phenolic content in the extractable fraction increased from 4.54 to 31.75 mg GAE/g, while it rose from 36.54 to 47.40 mg GAE/g in the intestinal phase. DPPH radical scavenging capacity increased from 10.42% to 57.49% initially and from 33.96% to 89.13% in the intestinal phase. Structural analyses using FTIR and intrinsic fluorescence spectroscopy revealed shifts in peak intensities and a decrease in fluorescence intensity from 36115 to 28604 a.u., confirming structural modifications. DSC analyses indicated that the denaturation temperature increased from 86.02 °C to 94.89 °C, while enthalpy decreased from 218.29 to 171.68 J/g. Finally, SEM microstructure analysis showed that in group 750, protein particles were more tightly bound and formed a more compact structure. The non-covalent interaction between GA and KPI led to structural changes such as an increase in free sulfhydryl groups, a decrease in disulfide bonds, and strengthened hydrogen bonding. These structural modifications enhanced hydrophilicity and compactness on the protein surface, resulting in significant improvements in solubility, foaming, emulsion stability, and gelation properties. Thermal stability improved by approximately 10%. In vitro digestion tests confirmed that the KPI-GA complexes exhibited over 30% higher antioxidant activity compared to the control throughout the digestion process (p < 0.05).
Investigation of kidney bean protein and its phenolic interaction
Keywords: Gıda Mühendisliği; Food Engineering