بررسی پروتئین جو به عنوان عامل تشکیل و پایداری امولسیون

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، گروه علوم و صنایع غذایی؛ دانشکده کشاورزی، آب، غذا و فراسودمندها؛ واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان؛ ایران

2 دانشیار، گروه علوم و صنایع غذایی، دانشکده کشاورزی، آب، غذا و فراسودمندها؛ واحد اصفهان (خوراسگان)؛ دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران. *رایانامه نویسنده مسئول

چکیده

سابقه و هدف: پروتئین‌های گیاهی به دلیل مصرف بهینه‌ منابع طبیعی، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و عدم وجود کلسترول، جایگزین مناسبی برای پروتئین‌های حیوانی محسوب می‌شوند. این منابع علاوه بر کاهش اثرات مخرب زیست‌محیطی، از مزایای تغذیه‌ای همچون بهبود سلامت گوارشی، کاهش خطر بیماری‌های قلبی-عروقی و تأمین اسیدهای آمینه ضروری برخوردارند. در میان غلات، جو (Hordeum vulgare) به دلیل ترکیب غنی از پروتئین، قابلیت تحمل در شرایط محیطی نامساعد، و وجود ترکیبات زیست‌فعال مانند بتاگلوکان‌ها، به‌عنوان منبعی ارزشمند برای استخراج و استفاده در صنایع غذایی شناخته می‌شود. پروتئین جو دارای ترکیب متعادلی از اسیدهای آمینه ضروری، به‌ویژه لیزین، بوده و از قابلیت امولسیفایری و پایداری بالایی برخوردار است که آن را برای کاربردهای صنعتی مناسب می‌سازد. هدف از این پژوهش ، توسعه و بهینه‌سازی روش استخراج پروتئین جو، با در نظر گرفتن خواص عملکردی آن از جمله ظرفیت امولسیونی و پایداری امولسیون حاصل بود.
مواد و روش‌ها: آرد جو پس از تهیه از دانه‌های جو، تحت فرآیند چربی‌زدایی با n-هگزان قرار گرفت. سپس، سوسپانسیونی از آرد و آب مقطر تهیه شد و pH آن با محلول هیدروکسید سدیم، بر اساس مقادیر تعیین‌شده توسط نرم‌افزار طراحی آزمایش، روش سطح پاسخ (RSM)، تنظیم گردید. پس از سانتریفوژ اولیه، فاز رویی جداسازی و با محلول اسیدکلریدریک، pH آن به نقطه ایزوالکتریک رسانده شد. سانتریفوژ ثانویه برای جداسازی رسوب پروتئینی انجام گرفت. رسوبات حاصل پس از شست‌وشو و خنثی‌سازی، توسط خشک‌کن انجمادی خشک شدند. برای ارزیابی خواص عملکردی پروتئین استخراج‌شده، ظرفیت امولسیونی و پایداری امولسیون اندازه‌گیری گردید. فرآیند بهینه‌سازی با روش سطح پاسخ (RSM) و طرح مرکب مرکزی (CCD) در نرم‌افزار Design-Expert طراحی شد. تأثیر متغیرهای مستقلpH قلیایی(5/9-5/11)، pH ایزوالکتریک(5/4-5/5) و دما(4-24درجه سانتیگراد) بر متغیرهای پاسخ در ۲۰ اجرا با ۶ تکرار در نقطه مرکزی ارزیابی گردید. تحلیل آماری با استفاده از آزمون t-student در سطح احتمال 5 درصد انجام شد.
یافته‌ها: نتایج تحلیل واریانس نشان داد که مدل درجه دوم برای پیش‌بینی ظرفیت امولسیون‌کنندگی پروتئین جو از نظر آماری معنی‌دار است. اثر متقابل pH قلیایی  pH ایزوالکتریک ، دمای سانتریفوژ  pH قلیایی و دمای سانتریفوژ  pH ایزوالکتریک بر ظرفیت امولسیون‌کنندگی پروتئین جو معنی‌دار بوده‌اند(05/0< p). همچنین تحلیل داده‌ها نشان داد که این مدل برای پیش‌بینی پایداری امولسیون نیز معنادار است. اثر متقابل دمای سانتریفوژ  pH قلیایی و دمای سانتریفوژ  pH ایزوالکتریک بر این متغیر وابسته تأثیر معنی‌دار نشان داد(05/0< p). این نتایج نشان می‌دهند که مدل درجه دوم به‌طور مؤثری رفتار امولسیون‌کنندگی و پایداری امولسیون پروتئین جو را پیش‌بینی می‌کند. در فرآیند بهینه‌سازی عددی، متغیرهای مستقل در بازه مشخص تنظیم و متغیرهای وابسته برای دستیابی به حداکثر کارایی ارزیابی شدند.
نتایج: نتایج نشان داد که شرایط بهینه برای دستیابی به بیشترین ظرفیت امولسیون(910/25درصد) و پایداری امولسیون (390/24درصد)، دمای سانتریفوژ 907/23 درجه سانتی‌گراد و pH قلیایی معادل 5/11 و pHایزوالکتریک 5/4 بود. استخراج پروتئین تحت شرایط بهینه انجام شد و خواص عملکردی آن در سه تکرار مستقل با داده‌های پیش‌بینی‌شده ارزیابی گردید. آزمون T-student در سطح احتمال 5 درصد نشان داد که اختلاف معنی‌داری بین داده‌های مشاهده‌شده و پیش‌بینی‌شده وجود ندارد(t Stat < t Critical). نتایج نشان داد که تنظیم دقیق شرایط فرآیندی منجر به بهبود ظرفیت امولسیونی و پایداری امولسیون پروتئین استخراج‌شده می‌شود. با توجه به چالش‌های تأمین پروتئین در سطح جهانی و مزایای پروتئین‌های گیاهی نسبت به منابع حیوانی، استخراج و بهینه‌سازی پروتئین جو می‌تواند راهکاری پایدار و کارآمد در صنایع غذایی و تغذیه‌ای مطرح باشد. یافته‌های این پژوهش می‌تواند مسیر جدیدی را برای بهره‌برداری بهینه از پروتئین‌های گیاهی در توسعه محصولات غذایی نوین هموار سازد.
واژه‌های کلیدی: بهینه‌سازی، پروتئین جو، ظرفیت امولسیون‌کنندگی، پایداری امولسیون

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigating barley protein as an agent of emulsion forming and stability

نویسندگان [English]

  • Haniyeh Alikhani Faradonbeh 1
  • Nafiseh Zamindar 2
1 Master Student, Department of Food Science and Technology, Institute of Agriculture, Water, Food and Nutraceuticals, Isf. C., Islamic Azad University, Isfahan, Iran
2 Associate Professor, Department of Food Science and Technology, Institute of Agriculture, Water, Food and Nutraceuticals, Isf. C., Islamic Azad University, Isfahan, Iran, *Corresponding Author
چکیده [English]

Background and Objective: Plant-based proteins are considered a suitable alternative to animal proteins due to their efficient use of natural resources, reduced greenhouse gas emissions, and absence of cholesterol. These sources not only minimize environmental impact but also offer nutritional benefits such as improved digestive health, reduced risk of cardiovascular diseases, and the provision of essential amino acids. Among cereals, barley (Hordeum vulgare L.) is recognized as a valuable protein source due to its rich protein composition, resilience to adverse environmental conditions, and the presence of bioactive compounds such as beta-glucans. Barley protein contains a well-balanced composition of essential amino acids, particularly lysine, and exhibits excellent emulsifying capacity and stability properties, making it suitable for industrial applications. In this study, an alkaline extraction followed by isoelectric precipitation was employed to evaluate and optimize the emulsifying capacity and emulsion stability of barley protein.
Materials and Methods: Barley flour was obtained from barley grains and defatted using n-hexane. A suspension of flour and distilled water with the ratio of 1:6 (v/w) was prepared, and its pH was adjusted using sodium hydroxide based on values recommended by response surface methodology (RSM). Following initial centrifugation at 5428 rpm for 15 min, the supernatant was separated, and its pH was adjusted to the isoelectric point using hydrochloric acid. A second centrifugation was performed to precipitate the protein. The resulting precipitate was washed, neutralized, and freeze-dried at -38°C. The emulsifying capacity and emulsion stability of the extracted protein were measured to assess its functional properties. Optimization was conducted using response surface methodology (RSM) with a central composite design (CCD) in Design-Expert software. The effects of independent variables, including alkaline pH (9.5–11.5), isoelectric pH (4.5–5.5), and centrifugation temperature (4–24°C), on response variables were evaluated in 20 experimental runs with six replications at the central point. Statistical analysis was performed using the t-Student test (p<0.05).
Results: Analysis of variance (ANOVA) demonstrated that the quadratic model was statistically significant for predicting the emulsifying capacity of barley protein. The interactive effects of alkaline pH × isoelectric pH, centrifugation temperature × alkaline pH, and centrifugation temperature × isoelectric pH significantly influenced emulsifying capacity (p< 0.05).Similarly, the model was significant for predicting emulsion stability. The interactions of centrifugation temperature × alkaline pH and centrifugation temperature × isoelectric pH had a significant impact on this response variable (p < 0.05). These findings indicate that the quadratic model effectively predicts the emulsifying properties and stability of barley protein emulsions.
During numerical optimization, the independent variables were adjusted within the specified range, and the dependent variables were assumed to achieve maximum efficiency.
Conclusion: The optimal conditions for achieving the highest emulsifying capacity (25.91%) and emulsion stability (24.39%) were identified at a centrifugation temperature of 23.91°C, an alkaline pH of 11.5, and an isoelectric pH of 4.5. Protein extraction was performed under these optimized conditions, and its functional properties were assessed in three independent replicates. The t-Student test indicated no significant difference between the observed and predicted values (t Stat < t Critical).These results highlight that precise control of processing conditions enhances the emulsifying capacity and stability of extracted barley protein. Given the global challenges in protein supply and the advantages of plant-based proteins over animal sources, optimizing barley protein extraction presents a sustainable and efficient approach for the food industries. The findings of this study highlights the way for the effective utilization of plant proteins in the development of innovative food products.
Keywords: Optimization, Barley Protein, Emulsifying Capacity, Emulsion Stability

کلیدواژه‌ها [English]

  • Keywords: Optimization
  • Barley Protein
  • Emulsifying Capacity
  • Emulsion Stability

مراجع

  1. Galani, E., Ly, I., Laurichesse, E., Schmitt, V., Xenakis, A., & Chatzidaki, M. D. (2023). Pea and soy protein stabilized emulsions: formulation, structure, and stability studies. Colloids and Interfaces, 7(2), 30.‏
  2. Houde, M., Khodaei, N., Benkerroum, N., & Karboune, S. (2018). Barley protein concentrates: Extraction, structural and functional properties. Food chemistry, 254, 367-376.‏
  3. Li, L. Y., Wang, Y. X., Zhang, T., Zhang, J. F., Pan, M., Huang, X. J., ... & Nie, S. P. (2020). Structural characteristics and rheological properties of alkali-extracted arabinoxylan from dehulled barley kernel. Carbohydrate polymers, 249, 116813.‏
  4. Sullivan, P., Arendt, E., & Gallagher, E. (2013). The increasing use of barley and barley by-products in the production of healthier baked goods. Trends in Food Science and Technology, 29(2), 124–134
  5. Raj, R., Shams, R., Pandey, V. K., Dash, K. K., Singh, P., & Bashir, O. (2023). Barley phytochemicals and health promoting benefits: A comprehensive review. Journal of Agriculture and Food Research, 14, 100677.‏
  6. Geng, L., Li, M., Zhang, G., & Ye, L. (2022). Barley: a potential cereal for producing healthy and functional foods. Food Quality and Safety, 6, fyac012.‏
  7. Parodi, A., Leip, A., De Boer, I., Slegers, P., Ziegler, F., Temme, E. H., Herrero, M., Tuomisto, H., Valin, H., & Van Middelaar, C. (2018). The potential of future foods for sustainable and healthy diets. Nature Sustainability, 1(12), 782-789.
  8. Wu, J. & Muir, A. D. 2008. Comparative structural, emulsifying, and biological properties of 2 major canola proteins, cruciferin and napin. Journal of Food Science, 73: 210–16.
  9. Nasrabadi, M. N., Eskin, M. N., Thiyam-Hollander, U., & Ghosh, S. (2025). On the stability of acid-soluble pea protein-stabilized beverage emulsions against salt addition and heat treatment. RSC advances, 15(23), 18430-18443.‏
  10. Hadidi, M., Aghababaei, F., & McClements, D. J. (2023). Enhanced alkaline extraction techniques for isolating and modifying plant-based proteins. Food Hydrocolloids, 109132.‏
  11. Chandran, A. S., Kashyap, P., & Thakur, M. (2024). Effect of extraction methods on functional properties of plant proteins: A review. EFood, 5(3), e151.‏
  12. Chandran, A. S., Suri, S., & Choudhary, P. (2023). Sustainable plant protein: an up-to-date overview of sources, extraction techniques and utilization. Sustainable Food Technology, 1(4), 466-483.‏
  13. Xing, J., Li, Z., Zhang, W., & Wang, P. (2023). The composition, structure, and functionalities of prolamins from highland barley. Molecules, 28(14), 5334.‏
  14. Yang, S., Jin, Y., Li, F., Shi, J., Liang, J., & Mei, X. (2024). Pickering Emulsion Stabilized by Hordein–Whey Protein Isolate Complex: Delivery System of Quercetin. Foods, 13(5), 665.‏
  15. Long, R., Huang, Y., Dabbour, M., Mintah, B. K., Pan, J., Wu, M., ... & Ma, H. (2025). Physical Processing-Assisted pH Shifting for Food Protein Modification: A Comprehensive Review. Foods, 14(13), 2360.‏
  16. Patel, A. S., Lakshmibalasubramaniam, S., Nayak, B., & Camire, M. E. (2022). Lauric acid adsorbed cellulose nanocrystals retained the physical stability of oil-in-water Pickering emulsion during different dilutions, pH, and storage periods. Food Hydrocolloids, 124, 107139.
  17. Keshani, M., Zamindar, N., & Hajian, R. (2020). Effect of Immersion Ohmic Heating on Thawing Rate and Properties of Frozen Tuna Fish. Iranian Food Science and Technology Research Journal, 16(5), 621-628.
  18. Wang, C., Tian, Z., Chen, L., Temelli, F., Liu, H., & Wang, Y. (2010). Functionality of barley proteins extracted and fractionated by alkaline and alcohol methods. Cereal chemistry, 87(6), 597-606.‏
  19. Wu, Y.V., Sexson, K.R. and Sanderson, J.E., 1979. Barley protein concentrate from high-protein, high-lysine varieties. Journal of Food Science 44: 1580-1583.
  20. Papalamprou, E. M., Doxastakis, G. I., & Kiosseoglou, V. (2010). Chickpea protein isolates obtained by wet extraction as emulsifying agents. Journal of the Science of Food and Agriculture, 90(2), 304-313.‏
  21. Siong, H., Rodney, J. & Christopher, L. 2014. Emulsifying properties of protein extracted from Australian canola meal. LWT- Food science and Technology, 57:376-382.
  22. Fidantsi, A. & Doxastakis, G. 2001.Emulsifying and foaming properties of Amaranth seed protein isolate. Journal of Colloids and Surfaces, 21: 119-124.
  23. Pearce, K. N., & Kinsella, J. E. (1978). Emulsifying properties of proteins: evaluation of a turbidimetric technique. Journal of agricultural and food chemistry, 26(3), 716-723.‏
  24. Lee, H., Yildiz, G., Santos, L.C., Andrade, J.E. & Feng, H. 2016. Soy protein with improved functional properties prepared by sequential pH treatment and Food Hydrocolloids, 55: 200-209
  25. Mohammadzadeh J, Ghodsvali A. (2017). Investigation of the effect of extraction and precipitation conditions on the efficiency and functional properties of rapeseed protein isolate. Food Science and Technology, 64: 289-300.
  26. XU, L. & Diosady, L. L. 2002. Removal of phenolic compound in the production of high quality canola protein isolates. Food Research International, 35: 23-30.
  27. Chen, N., Wang, Z., Zhu, J., Ning, Y., Jiang, L., Yan, S., & Qi, B. (2025). Effect of extraction pH on the emulsion stability and surface protein structure of soybean oil body. Food Chemistry, 143029.‏
  28. Mathew, H. C., Kim, W., Wang, Y., Clayton, C., & Selomulya, C. (2024). On treatment options to improve the functionality of pea protein. Journal of the American Oil Chemists' Society, 101(10), 927-948.‏
  29. Deng, Y., Huang, L., Zhang, C., Xie, P., Cheng, J., Wang, X., & Li, S. (2019). Physicochemical and functional properties of Chinese quince seed protein isolate. Food Chemistry, 283, 539-548.‏
  30. Rahmati N, Kouchaki A, Veridi M, Kadkhodaei R. (2017). Evaluation of structural and functional properties of protein of three different genotypes of bean (Phaseolus vulgaris). Iranian Food Science and Technology Research, 13: 79-91.
  31. Depree, J. A., & Savage, G. P. (2001). Physical and flavour stability of mayonnaise. Trends in Food Science & Technology, 12(5-6), 157-163.‏
  32. Shen, Y., Tang, X., & Li, Y. (2021). Drying methods affect physicochemical and functional properties of quinoa protein isolate. Food Chemistry, 339, 127823.‏
  33. Alinovi, M., Rinaldi, M., Paciulli, M., Bot, F., Barbanti, D., & Chiavaro, E. (2023). Impact of combined thermal pressure treatments on physical properties and stability of whey protein gel emulsions. Foods, 12(13), 2447.‏
  34. Dai, H., Zhan, F., Chen, Y., Shen, Q., Geng, F., Zhang, Z., & Li, B. (2023). Improvement of the solubility and emulsification of rice protein isolate by the pH shift treatment. International Journal of Food Science and Technology, 58(1), 355-366.‏
  35. Fuentes, K., Matamala, C., Martínez, N., Zúñiga, R. N., & Troncoso, E. (2021). Comparative study of physicochemical properties of nanoemulsions fabricated with natural and synthetic surfactants. Processes, 9(11), 2002.‏
  36. Östbring, K., Matos, M., Marefati, A., Ahlström, C., & Gutiérrez, G. (2021). The effect of ph and storage temperature on the stability of emulsions stabilized by rapeseed proteins. Foods, 10(7), 1657.‏
نشریه فرآوری و نگهداری مواد غذایی
دوره 17، شماره 2
خرداد 1404
صفحه 47-64

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار