미세캡슐화 마늘분말의 안정성 및 관능특성

본 실험을 위해 동결건조 마늘분말을 ㈜엠에스씨에서 제 공받아 냉동 보관하면서 사용하였으며, 코팅물질로는 말토 덱스트린(Samyang Genex Co., Incheon, Korea), 분리유청 단백질(WPI, Hilmar Ingredients, CA, USA), 전지분유 (Seoul Milk Co., Yangju, Gyeonggi, Korea), 탈지분유 (Maeil Dairies Co., Pyeongtaek, Gyeonggi, Korea)를 사용하 였다. 지표 성분의 함량 측정에 쓰인 표준물질로 alliin (≥ 98.0%, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)을 구입하여 사용하였다. 그 외 시약들은 모두 분석용 등급(analytical grade)을 사용하였다.

증류수 200 mL에 코팅물질 5 g을 넣고 교반기(MSH- 20D, Daihan Scientific, Co., Ltd., Seoul, Korea)를 이용하 여 완전히 용해될 때까지 500 rpm, 25°C 조건으로 교반한 후 동결건조 마늘분말 5 g을 천천히 첨가하였다(동결건조 마늘분말:코팅물질=1:1). 동결건조 마늘분말과 코팅물질을 혼합하여 균질기(HG-15A, Daihan Scientific, Co. Ltd.)로 30분 동안 균질화시켰다.

미세캡슐화 과정을 통해 균질화된 혼합액을 분무건조기 (SD-1000, Eyela, Tokyo, Japan)를 이용하여 분말화 하였으 며, 운전조건은 투입구 온도를 175°C, 토출구 온도를 75°C 로 조절하였고, 아토마이저 공기 압력 80 kPa로 하고 원료 액 투입 속도는 800 mL/h으로 하였다.

미세캡슐화 과정을 통해 균질화된 혼합액을 급속냉동기 (DF 9010, Ilshin Lab Co., Ltd., Dongducheon, Korea)를 이용하여 -80°C에서 급속냉동 한 후 동결건조기(FD5508, Ilshin Lab Co., Ltd.)를 사용하여 72시간 동안 동결건조하 였다.

미세캡슐화된 마늘 분말 100 mg을 3차 증류수 1 mL에 첨가하여 충분히 용해시킨 후, 0.45 μm nylon syringe filter로 여과하여 HPLC 분석시료로 사용하였다. 미세캡슐 화된 마늘 분말에 함유되어 있는 alliin을 분석하기 위하여 Mohammad (2010)의 alliin 정량분석 방법을 수정하여 분 석에 사용하였다. Alliin의 High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) 분석조건은 Table 1과 같다. 분석기기는 HPLC (1200 series, Agilent Technologies, Foster City, CA, USA)을 사용하였으며, 컬럼은 Unisol C18 (5 μm, 150 Å, 4.6×250 mm, Agela Technologies, Wilmington, DE, USA) 를 사용하였고, 210 nm에서 측정하였다. 이동상은 0.04% formic acid 수용액(A)과 methanol (B)을 이용하여 0-5분간 0% B, 5-10분간 50% B, 10-20분간 100% B가 되도록 gradient 법을 이용하여 0.8 mL/min 유속으로 흘려주었고, 시료의 주입량은 10 μL로 하였다.

코팅물질별, 건조방법별 미세캡슐화 마늘분말의 분산성을 측정하기 위해 시료 0.3 g을 증류수 1mL에 넣고 1mL cuvette을 이용하여 spectrophotometer (DU 730, Beckman Coulter Inc., Fullerton, CA, USA)로 600 nm에서 혼탁도를 측정하였다. 혼탁도는 매 1시간 간격으로 총 9시간 측정하 였으며, 분말의 분산성이 높을수록 미세캡슐화 마늘분말 현탁액의 혼탁도가 유지되는 현상을 이용하여 분산성 분석 을 실시하였다.

관능평가는 세종대학교 식품공학과 대학원생을 대상으로 관능평가의 취지를 충분히 인식시킨 후 최종적으로 평가하 였다. 훈련 과정에서 평가 방법을 정립하였으며, 평가할 시 료의 관능적 특성에 대해 묘사 용어를 개발하고 정의를 내 렸다. 각각의 코팅 마늘분말에는 임의의 번호를 부여하여 평가요원들에게 각각 0.1 g씩 무작위로 제공하였다. 평가는 마늘 냄새(garlic odor), 마늘 맛(garlic taste), 아린 맛(acrid taste), 뒷 맛(after taste), 단 맛(sweet taste), 쓴 맛(bitter taste), 신 맛(sour taste) 그리고 전체적인 선호도(overall acceptability) 를 조사하였고 평가척도는 9점 척도(1점=매우 약하 다; 9점=매우 강하다)로 각 특성 별로 모든 시료에 대해 강도 평가를 실시하였다.

건조된 미세캡슐화 마늘분말의 입자 형태 및 크기의 측 정을 위해 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 사용하였다. 미세캡슐화 마늘분말은 SEM 측정 전 에 금으로 120초간 코팅하였다. SEM image는 SEM (S- 4300, Hitachi, Tokyo, Japan)을 이용하여 가속전압 15 kV 에서 얻었다.

대조구와 실험구는 SAS (version 9.3 SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)을 이용하여 분산분석(ANOVA)을 실시한 후 p<0.05 수준에서 Duncan’s multiple range test로 평균간의 유의성을 검증하였다.

Alliin의 함량 분석을 위한 표준곡선의 직선성(linearity)을 구하기 위해 alliin 표준용액을 3차 증류수로 희석하여 125-1,000 mg/kg의 농도로 하여 Table 1에 제시된 HPLC 분석조건으로 측정한 결과(Fig. 1), 검량곡선의 상관계수 (R²)는 0.999로 양호한 직선성을 나타냄을 확인하였다(Fig. 1). 본 실험방법을 통해 분석한 결과 미세캡슐화 마늘분말 로부터의 alliin의 함량은 1.90-5.20 mg/g의 범위로 측정되 었다. 대조구의 경우 5.032 mg/g의 alliin 함량을 보였으며, 코팅물질별 미세캡슐화 마늘분말들의 alliin 함량은 Table 2 와 같다. 분석결과 전지분유를 코팅물질로 한 미세캡슐화 마늘분말의 alliin 함량은 4.131 mg/g이었으며, 이 때 alliin 보존율이 82.1%로 가장 높았다. 탈지분유를 코팅물질로 한 미세캡슐화 마늘분말이 3.147 mg/g이였으며, 62.5%의 alliin 보존율로 코팅물질 중 전지분유 다음으로 높은 보호 특성 을 나타냈다. 다른 코팅물질과 비교하여 전지분유가 가장 높은 보호 특성을 띠는 것은 휘발성 화합물을 캡슐화를 위 해 지방 성분이 효과적이라는 Matsuno & Adachi (1993)의 연구와 일치함을 알 수 있었는데, 전지분유는 유지방을 약 26% 포함하고 있다(Fitzpatrick et al., 2004). 또한 단백질은 향기성분에 높은 결합특성을 띄는데(Landy et al., 1995), 전지분유로 미세캡슐화를 하면서 전지분유 우유단백질의 결합특성이 마늘분말의 불안정한 황화합물로부터 생성되는 매운맛과 매운 냄새 억제에 도움을 준 것으로 판단된다. 냄새성분을 포집하는데 높은 결합특성을 갖는 전지분유의 우유단백질과 유지방이 마늘분말 미세캡슐화 시 불안정한 황화합물에 높은 결합특성을 보이며, 미세캡슐화 시 다른 코팅물질들 보다 높은 alliin 보호특성 띔을 확인할 수 있 었다. 결과적으로 마늘의 지표 성분인 alliin의 경우 전지분 유를 이용하여 분무건조한 미세캡슐화 마늘분말에서 가장 안정한 것으로 판단되었다.

Fig. 1. HPLC chromatogram of alliin standard solution (A), calibration curve of alliin (B) and HPLC spectra of spray dried garlic powder encapsulated with whole milk powder (C).

Download Original Figure

건조방법별 캡슐화된 마늘분말의 alliin 함량은 Table 2와 같다. 동결건조로 캡슐화된 분말에 비하여 분무건조로 캡 슐화된 마늘분말의 alliin 함량이 대체적으로 높음을 확인 할 수 있다. 이는 분무건조 방법으로 미세캡슐 제조 시 내 부물질을 포집하는데 유리하다는 Rosenberg et al. (1990) 의 연구와 유사한 것으로 판단된다. 분무건조 방법을 이용 해서 미세캡슐화 시 일반적으로 휘발성성분들은 화학적 안 정성을 나타낸다(Gharsallaoui et al., 2007). HPLC를 이용 한 alliin 정량분석 결과 분무건조 방법으로 캡슐화한 마늘 분말 중 코팅물질을 전지분유로 한 분말이 대조구 대비 82.1%의 alliin 보존율을 나타낸 반면, 코팅물질을 전지분 유로 하고 동결건조 방법으로 캡슐화한 마늘분말은 대조구 대비 41.3%의 alliin 보존율을 나타내었다. 이러한 결과는 분무건조 공정이 냄새성분이나 유지 등을 미세캡슐화 할 때 많이 쓰이며, 낮은 수분활성, 비교적 쉬운 공정, 그리고 다른 바람직하지 않은 반응들로부터 활성물질을 보호하는 데 유리하다는 보고와 일치한다(Fuchs et al., 2006). 건조 방법에 따른 alliin의 분석 결과, Table 2와 같이 동결건조 방법보다 분무건조 방법이 마늘분말의 황화합물에 더 높은 보호특성을 가지며, 이에 alliin의 보존율도 높음을 확인 할 수 있으므로 분무건조 방법을 통해서 마늘분말을 캡슐화하 는 것이 적합한 방법이라 판단된다.

분산성이 좋은 분말은 수중에 고르게 분산되어 오랫동안 침전이나 부유 없이 상태를 유지하기 때문에 시간에 따른 혼탁도의 변화가 적다. 반면에 분산도가 나쁜 분말은 시간 에 따라 분말이 침강하거나 부유하기 때문에 층 분리가 생 겨 결과적으로 시료의 혼탁도가 작아지게 된다. Fig. 2는 물속에 분산된 캡슐화된 마늘분말의 시간에 따른 혼탁도 변화를 보여준다. 건조방법의 차이에 따른 분산성 측정에 서는 건조방법을 달리하고 동일한 코팅물질을 이용해 캡슐 화한 마늘분말들의 직선성이 모두 비슷한 양상을 나타내며, 유의성을 확인할 수 없었다. 코팅물질별 마늘분말의 분산 성은 유의적인 차이가 있었는데 전지분유, 탈지분유, 분리 유청단백질 그리고 말토덱스트린 순으로 분산성의 차이가 있었다. 전지분유로 캡슐화된 마늘분말의 분산성이 가장 높게 나타났으며, 말토덱스트린으로 캡슐화된 마늘분말이 가장 낮게 나타났다. Buma (1971)에 따르면 지방함량이 높을수록 분산성이 높다고 보고하고 있다. 마늘분말의 미 세캡슐화에 쓰인 코팅물질들인 전지분유, 탈지분유, 유청단 백질, 말토덱스트린 중에서 전지분유의 분산성이 가장 좋 게 나타나는 것은 전지분유의 카제인 단백질 성분의 유화 능에 의한 것으로 판단된다.

Fig. 2. Comparison of time-dependent aqueous stability of the encapsulated garlic powders by freeze drying (A) and spray drying (B).

Download Original Figure

미세캡슐화 마늘분말의 관능 특성 평가를 위하여, 평가 척도는 9점 척도(1점=매우 약하다; 9점=매우 강하다)로 각 특성 별로 모든 시료에 대해 강도 평가를 실시하였다. 관 능평가 항목에서 마늘 냄새에 대한 기호도에서는 코팅물질 을 전지분유로 하고 동결 건조한 마늘분말이 2.29의 수치 를 보여 냄새에 대한 기호도가 가장 좋다고 평가되었다. 마늘 맛, 뒷 맛에 대한 기호도 에서는 코팅분말을 분리유 청단백질로 하고 분무건조한 마늘분말이 각각 3.00의 수치 를 보이며 맛 개선 효과가 가장 좋게 평가되었다. 아린 맛 에 대한 기호도에 대한 평가는 코팅분말을 전지분유로 하 고 분무건조한 마늘분말이 가장 좋게 나타났고 단맛, 쓴맛, 신맛의 평가에서는 유의성을 확인할 수 없었다. 분무건조 방법으로 마늘분말을 미세캡슐화 했을 시 코팅물질별 관능 평가결과를 Fig. 3을 통해서 확인해보면, 전체적인 선호도 항목에서 분리유청단백질이 가장 높은 점수를 받고 전지분 유, 탈지분유, 말토덱스트린의 순서로 좋게 평가 되었다. 이를 통해 본 관능평가에서 관능특성 개선에 단백질 성분 의 역할이 중요한 역할을 했음을 확인 할 수 있는데, 분리 유청단백질과 전지분유의 단백질성분이 마늘분말의 황화합 물을 포집하여 황화합물로부터 유발되는 매운 맛과 매운 냄새를 억제하는데 효과적인 역할을 한 것으로 판단된다. 이는 Landy et al. (1995)의 캡슐화에 사용되는 코팅물질 중 단백질이 향기성분과 결합에 효과적이라고 하였으며, bovine serum albumin (Damodaran & Kinsella, 1980), 대 두단백질(Damodaran & Kinsella, 1981), 그리고 β- lactoglobulin (O'Neill & Kinsella, 1987)을 이용한 연구들 과 일치함을 확인할 수 있었다.

Fig. 3. Spider web of sensory evaluation scores of the encapsulated garlic powders by freeze drying (A) and spray drying (B).

Download Original Figure

건조방법별 마늘분말의 관능 특성은 다음과 같다(Fig. 3). 냄새에 대해서는 코팅물질을 전지분유로 하고 동결건 조방법으로 건조한 마늘 분말이 기호도 개선에서 좋게 평 가 되었지만, 마늘 맛, 아린 맛, 뒷 맛의 선호도 평가에는 분무건조방법으로 건조한 마늘 분말이 각각 3.0, 2.6, 3.0 으로 낮게 나왔다. 전체적인 선호도 항목의 평가에서도 분무건조방법으로 캡슐화한 분리유청단백질 캡슐화 마늘 분말이 가장 좋게 평가되었다. 이를 통해 마늘분말의 관능 특성 개선을 위해 미세캡슐화 시 분무건조방법이 동결건조 방법보다 효과적이라고 판단할 수 있다. 미세캡슐화 마늘 분말 제조공정에서 분무건조방법은 혼합액을 미세한 액적 형태로 분무하여 단시간에 건조하는 방법으로(Fellows, 2009) 마늘분말의 향기성분들의 화학적 안정성을 향상시키 는(Gharsallaoui et al., 2007) 동시에 황화합물로부터 유래 되는 매운 맛의 마스킹에도 효과적이라 판단된다.

SEM 관찰결과 동결건조로 캡슐화된 마늘분말의 입자 형 태는 표면이 거친 형태의 불규칙적인 결정 모양을 이루었 다(Fig. 4). 반면 분무건조로 캡슐화된 마늘분말의 입자 형 태는 원형의 규칙적인 모양이며, 동결건조로 캡슐화된 마 늘분말과 비교하여 입자 크기가 작은 것을 확인 할 수 있 다. 동결건조로 캡슐화된 마늘분말의 경우 입자의 형태와 크기가 불규칙하므로, 균질화를 위한 추가 분쇄 공정이 필 요한 반면, 분무건조로 캡슐화된 마늘분말은 추가 공정 없 이 규칙적인 형태의 입자를 얻을 수 있었다. 관능특성과 연결 지어 볼 때, 균질화된 마늘분말 입자가 관능특성 분 석에서 선호도에도 영향을 준 것으로 판단된다. 분무건조방 법이 동결건조방법보다 제조 공정이 간소하므로 산업적인 측면에서도 분무건조방법이 마늘분말을 미세캡슐화 하는데 더 적합하다고 생각한다. 또한 입자모양이 원형을 형성함으 로써 향기성분의 미세캡슐화에 효과적이라는 Gharsallaoui et al. (2007)의 연구와 일치한다.

Fig. 4. SEM images of the encapsulated garlic powder using WMP by freeze drying (A) and spray drying (B).

Download Original Figure