Interfacial and physicochemical mechanisms of foam stability in adzuki bean protein isolate as an egg white protein alternative = 난단백 대체 소재로서 팥 분리단백의 거품 안정성 기전에 대한 계면·물리화학적 규명

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the demand for egg white protein (EWP) alternatives grows due to concerns such as Salmonella contamination, avian influenza, and the increasing environmental awareness, plant-based proteins have gained attention as a promising solution. Compared to other legumes, adzuki beans are rich in sulfur-containing and hydrophobic aromatic amino acids, which may contribute to improved foaming properties. However, their functional potential remains largely unexplored. This study examined the foaming performance of adzuki bean protein isolate (API) relative to EWPs and soy protein isolate (SPI) under varying thermal and temporal conditions. API exhibited foam thickness and drainage comparable with those of EWPs and superior to SPI across 4°C, 25°C, and 83°C. Confocal laser scanning microscopy (CLSM) and scanning electron microscopy revealed that API formed finer, more spherical foam structures with fewer ruptures, while SPI showed larger, unstable bubbles. Zeta potential and dual-fluorescent CLSM analysis indicated greater interfacial rearrangement in API, supported by its lower surface hydrophobicity and higher free sulfhydryl (–SH) content, which enhanced interfacial stiffness in rheology. Fourier-transform infrared spectroscopy analysis further revealed that API, like EWPs, showed increased β-sheet formation under heat, contributing to thermal foam stability, whereas SPI exhibited the opposite trend. In a meringue cookie application, API showed a lighter batter with greater air incorporation than SPI, highlighting its practical potential. Overall, this study offers new insight into the structural and interfacial mechanisms governing foam formation and decay, supporting API’s potential as a promising plant-based alternative for aerated food systems.

국문 초록 (Abstract)

난백 단백질은 살모넬라 오염, 조류 인플루엔자 발생 위험 및 환경적 인식의 증가로 인해 대체 소재에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 식물성 단백질이 유망한 대안으로 주목받고 있다. 팥은 다른 두류에 비해 황 함유 아미노산과 소수성 방향족 아미노산이 풍부하여 거품 형성 특성 향상에 기여할 가능성이 있으나, 그 기능적 잠재성은 아직 충분히 규명되지 않았다. 본 연구에서는 다양한 온도 및 시간 조건에서 팥 분리단백(API)의 거품 특성을 난백 단백질(EWPs) 및 대두 분리단백(SPI)과 비교·평가하였다. API는 4°C, 25°C 및 83°C 조건에서 EWPs와 유사한 거품 두께 및 배수 특성을 나타내었으며, SPI에 비해서는 우수한 거품 안정성을 보였다. 공초점 레이저 주사 현미경(confocal laser scanning microscopy, CLSM) 및 주사전자현미경 분석 결과, API는 파괴가 적고 보다 미세하며 구형에 가까운 거품 구조를 형성한 반면, SPI는 크고 불안정한 기포 구조를 나타내었다. 제타 전위 측정 및 이중 형광 CLSM 분석을 통해 API에서 더 큰 계면 재배열이 관찰되었으며, 이는 낮은 표면 소수성과 높은 유리 설프하이드릴기(–SH) 함량에 의해 지지되었고, 결과적으로 계면의 강성 증가가 레올로지 분석을 통해 확인되었다. 푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier-transform infrared spectroscopy) 분석 결과, API는 EWPs와 유사하게 가열 조건에서 β-시트 구조가 증가하여 열적 거품 안정성 향상에 기여한 반면, SPI는 반대의 구조적 변화를 보였다. 머랭 쿠키 적용 실험에서 API는 SPI 대비 공기 혼입이 증가한 밝은 반죽 특성을 나타내어 실제 식품 적용 가능성을 확인하였다. 종합적으로 본 연구는 거품 형성 및 붕괴를 지배하는 구조적·계면적 메커니즘에 대한 새로운 이해를 제공하며, API가 기포형 식품 시스템에서 유망한 식물성 난백 대체 소재임을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Materials and methods 4
• 2.1. Materials 4
• 2.2. Preparation of API and SPI samples 4
• 2.3. FC and FS 5
• 2.4. Electrophoretic Light Scattering (ELS) Analysis 5
• 2.5. Confocal laser scanning microscopy (CLSM) 6
• 2.6. Scanning electron microscopy (SEM) 6
• 2.7. Surface hydrophobicity 7
• 2.8. Free –SH content 7
• 2.9. Foam rheological properties 8
• 2.10. Zeta potential analysis 8
• 2.11. Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) 9
• 2.12. Preparation of meringue cookies 9
• 2.13. Batter-specific density (BSD) 10
• 2.14. Specific volume and height of meringue cookies 10
• 2.15. Color analysis of meringue cookies 10
• 2.16. Texture profile analysis of meringue cookies 11
• 2.17. Water content of meringue cookies 11
• 2.18. Statistical analyses 11
• 3. Results and Discussion 12
• 3.1. Foaming properties of API compared to EWPs and SPI 12
• 3.2. Microstructure, size, and count of bubbles in EWPs, API, and SPI foam 16
• 3.3. Comparative analysis of surface hydrophobicity, free –SH content, and rheological properties of API and SPI foams in comparison of EWPs 20
• 3.4. Surface charge dynamics and interfacial adsorption behavior of EWPs, API, and SPI foams during formation and stabilization 24
• 3.5. Temperature-responsive behaviors of EWPs, API, and SPI foams 28
• 3.6. Variations in intermolecular interactions and secondary structures in EWPs, API, and SPI under thermal conditions 32
• 3.7. Appearance and properties of meringue cookies with API, SPI, and EWPs 39
• 4. Conclusions 47
• 5. Reference 49
• 6. Korean Abstract 63