비지첨가가 압출성형 분리대두 조직화 단백의 품질에 미치는 영향

실험에 사용한 분리대두단백(Wachsen Industry Co., Qingdao, China)의 단백질은 92.3%, 수분함량은 5.4% 이였 다. 비지는 정식품(Jung's Food, Chungju, Korea)으로부터 제공 받아 사용하였고 단백질은 7.2%, 수분함량은 77.3%, 지방은 5.5%, 조회분 0.98%, 탄수화물 8.9% 이였다.

실험에 사용된 압출성형기는 실험용 동방향 쌍축압출성 형기(THK31T, Incheon Machinary Co., Incheon, Korea)로 스크루 직경은 30.0 mm, 길이와 직경의 비(L/D ratio)는 23:1이었고, 사출구는 slit die로 길이는 44 mm 높이 4.5× 너비 10.0 mm인 것을 사용하였으며, 스크루의 배열은 고전 단력 스크루를 사용하였다(Fig. 1). 사전에 측정된 원료의 수분함량을 기준으로 하여 부가할 수분의 양을 원료 사입 구에 펌프로 조절하였다. 용융물의 온도는 전열기와 냉각 수를 사용하여 조절하였으며 원료 사입량은 100 g/min, 스 크루 회전 속도 250 rpm으로 고정하였다.

Fig. 1. Screw configuration used in this experiment (model THK 31T).

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분리대두단백에 비지를 0-60% 각각 혼합하였다. 압출 성형 조직화 분리대두단백의 공정변수에 따른 품질 특성 을 알아보기 위해 배럴온도를 140°C, 150°C와 수분 함량 을 35%, 45%로 조절하였다. 제조한 압출성형 조직화 분 리대두단백 시료를 60°C에서 8시간 건조하여 물리적 특 성을 측정하였고, 가정용 분쇄기(FM-909T, Hanil, Haman, Korea)로 분쇄 후 50 mesh 표준체(Testing seive, Chunggye Industry Mfg. Co., Gunpo, Korea)를 통과한 분말을 시료 로 사용하였다.

압출성형 조직화 분리대두단백의 수용성 질소지수 (nitrogen solubility index, NSI) 실험은 Capritar et al. (2010)의 방법을 응용하여 사용하였다. 시료 1.5 g을 0.5% 의 수산화칼륨(KOH) 용액 75 mL에 넣고 30°C의 진탕기 (SI-300R, Jeiotech, Seoul, Korea)에 120 rpm으로 교반하였 다. 그 중 50 mL를 취하여 2000 rpm에서 20분 동안 원심분 리 한 후 0.5 mL의 상층액을 최종적으로 취하여 Ninhydrin (Starcher, 2011)법을 사용하여 수용성 질소함량(soluble nitrogen content)을 측정하였다. 총 질소 함량 값은 시료 1.5 g을 6 N의 염산 100°C에 24시간 동안 완전히 가수분해 하여 75 mL의 증류수에 녹인 후 상층액 0.5 mL를 취하여 Ninhydrin (Starcher, 2011)법으로 측정하여 다음 식 (1)에 대입하였다.

압출성형 조직화 분리대두단백과 무처리구의 수용성 성 질을 분석하고자 AACC (1999) 방법을 응용하였다. 건량 기준의 시료 1 g에 증류수 25 mL를 가하여 30°C의 항온수 조(BF-45SB, Biofree Co., Seoul, Korea)에서 30분간 교반 한 후 원심분리기(H-1000-3, Hanil Science Industrial Co., Incheon, Korea)에서 3,000 rpm으로 30분간 원심분리 하 였다. 상층액을 알루미늄 접시에 부은 후 침전물의 무게 를 측정하고, 알루미늄 접시를 105°C 열풍건조기(HB- 502MP, Han Beak Co., Yongin, Korea)에서 2시간 동안 건조한 후 상등액의 고형분 함량을 측정하여 수분용해지 (water solubility index)를 식 (2)로 계산하였다.

압출성형 조직화 분리대두단백의 수분 흡수량을 평가하 기 위하여 수분 흡수율(hydration ratio)을 Lawton (1984) 의 방법을 응용하여 다음과 같이 측정하였다. 압출성형 조직화 분리대두단백 10 g을 80°C에서 30분간 가열하여 15분간 drain 후 무게를 측정하여 다음 식 (3)에 따라 산 출하였다.

수화된 압출성형 조직화 분리대두단백의 조직특성은 Sun Rheo-meter (Co-mpac-100II, Sun Sci. Co., Tokyo, Japan) 를 사용하여 3회 측정한 후 평균값을 산출하였다. 압출성 형 조직화 분리대두단백이 probe에 닿는 단면이 1 cm× 1 cm가 되게 성형 후 90°C에서 2시간 수화 후 15분간 물 을 제거하였다. 측정조건은 probe angle type (65°), 최대응 력 2 kg, 지지대 이동속도 100 mm/min이었다. 측정치로 탄성력(springiness)과 응집력(cohesiveness)을 Trinh & Glasgow (2012)가 제시한 방법을 이용하여 식 (4)과 식 (5)으로 계산하였고 절단력(cutting strength)을 식 (6)으로 계산하였다.

D₁: distance when first occurred maximum stress

D₂: distance when second occurred maximum stress

A₁: graph area when first occurred max weight

A₂: graph area when second occurred max weight

F_m: maximum stress of extrudate (N)

S: cross-sectional area (cm²)

압출성형 조직화 분리대두단백의 조직형성 정도를 평가 하기 위하여 조직잔사지수(integrity index)를 Cho et al. (2017)의 방법을 응용하여 다음과 같이 측정하였다. 압출성 형 조직화 분리대두단백 5 g을 80°C의 물 100 mL에서 30 분간 침지, 복원시킨 후 121°C에서 15분간 가압가열 하여 흐르는 물에 30초간 냉각시켰다. 냉각된 시료에 증류수를 부어 100 mL로 정용하고 homogenizer에서 9,500 rpm으로 1분간 균질화 시킨 후 20 mesh로 걸러내었다. 잔사는 흐 르는 물로 30초간 씻어내어 105°C에서 2시간 건조 후 건 물량에 시료 무게를 나눠주어 다음 식 (7)에 따라 산출하 였다.

압출성형물을 분쇄하여 50 mesh 표준체를 통과한 분말을 색도계(DP-400 Chroma meter, Minolta Konica, Tokyo, Japan)를 이용하여 명도(lightness, L), 적색도(redness, a). 황색도(yellowness, b) 값을 3반복 측정하여 그 평균값을 사용하였다. 이 때 사용한 표준 백색 판의 값은 L=97.22, a=0.32, b=2.47 이었다.

압출성형 조직화 분리대두단백을 80°C의 물에 2시간 수 화시킨 후 종단면을 절단한 시료를 동결건조 시키고 단면 을 백금으로 코팅 후 고분해능 주사전자현미경(MIRA LMH, Tescan Co. Ltd., Brno, Czech)으로 가속전력 20 kV 에서 미세구조를 관찰하였다.

결과의 통계처리는 SPSS (version 23.0, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하여 일원배치분산분석(one-way ANOVA)을 실시한 후 유의적 차이가 있는 항목에 대해서 p<0.05 수준에서 그 결과를 Duncan’s multiple range test로 검정하였다.

우리 몸을 구성하고 있는 단백질은 아미노산 질소 화합 물로, 질소는 우리 몸의 면역 체계와 호르몬 조절 등을 담 당하는 필수 구성 성분이다(Gu et al., 2017). 수용성 질소 지수는 강한 수용성의 성질을 가지고 있는 아미노산을 선 택적으로 검출할 수 있는 방법이다. 조직화 성형 시 단백 질의 변성 정도를 나타내어 주는 지표로 사용되며(Yoo et al., 2014) 원료의 NSI 값이 높을수록 조직화가 용이한 것 으로 알려져 있다(Han, 1989). 수분함량과 사출구 온도에 따른 수용성 질소지수를 Table 1에 나타내었다 본 실험에 서는 사출구 온도가 140°C 에서 150°C, 수분함량이 35에서 45%로 증가함에 따라 NSI 값이 75.80±4.78% 에서 62.60 ±2.38%로 감소하였으며 사출구 온도 140°C, 수분함량이 35% 일 때 비지의 함량이 0%에서 60%로 증가함에 따라 NSI 값이 75.80±4.78%에서 66.42±2.49%로 감소하였다. 이 는 사출구 온도와 수분의 함량의 증가로 단백질이 열변성 이 증가하여 수용성 질소가 감소한 것으로 생각되며 Han et al. (1992)에 의하면 수분함량이 증가할수록 습윤 가열로 인하여 분리대두단백의 불용성화가 촉진하여 수용성 질소 지수가 감소하였다는 보고와 일치하였다.

비지 첨가량을 달리하여 제조한 압출성형 조직화 분리대 두단백의 수분용해지수(water soluble index)는 Table 1에 나 타내었다. 수분용해지수는 호화도와 팽화율에 영향을 받으 며 스낵 제품으로서 이들의 수치는 높을수록 좋은 품질로 인정된다(Ha et al., 2004). 압출성형 조직화 분리대두단백 처리구의 수분용해지수는 무처리구에 비해 증가하였으나 비 지의 첨가량이 증가할수록 수분용해지수는 감소하였다. 수 분용해지수는 전분과 단백질의 수화를 나타내는 지표로서 (Mason & Hoseney, 1986) 수분흡착지수의 증가 요인은 단 백질 용융물이 기계적 전단력이 취약해져 수분을 흡수하기 쉬운 기공이 많은 조직으로 변화되었기 때문이다. 본 실험 에서 비지의 첨가량이 증가할수록 수분용해지수가 감소하였 는데 이는 비지의 첨가로 인해 상대적으로 감소한 수용성 단백질의 양에 비례하여 감소한 것으로 판단된다. 압출성형 시 수분 함량이 높을수록 배럴 내 과열된 증기가 많아 사출 되고 증기가 조직의 재결합을 방해하며 증발되어 다공성의 구조를 형성하여 수분 흡수율이 높아진 것으로 판단된다.

수분흡수력은 압출성형 조직화 분리대두단백의 기공, 즉 다공질형태의 층과 관련이 있고 특히 수분함량과 용융 온 도는 수분흡수력에 중요한 요소이다(Lin et al., 2000). 또 한, 시료들이 팽창할수록 공기층이 커지기 때문에 수화할 때 물을 더 많이 흡수하게 되어 수분흡수력이 높다고 보고 되어있다. 즉 수분흡수력은 수화시킨 압출성형 조직화 분 리대두단백의 조직과 아주 밀접한 관계를 가지고 있다. 수 분흡수력은 수분함량이 35%, 사출구 온도 150°C, 비지 첨 가량이 0% 일 때 시료의 조직이 가장 팽창하여 많은 공기 층을 형성함으로서 수화시켰을 때 물을 많이 흡수하여 278.54±6.47%로 가장 높은 값을 나타내었다(Table 1).

수화된 압출성형 조직화 분리대두단백의 조직특성은 Table 2에 나타내었다. 비지의 함량이 감소할수록 탄성력, 응집력, 절단강도가 증가하였는데 수분함량 35%에서 비지 의 첨가량이 60%에서 0%로 감소함에 따라 72.35±1.10에 서 82.11±1.63%로 탄성력이 증가하였고, 63.50±3.70에서 68.81±5.99%로 응집력이 증가하였으며, 6.79E+04에서 1.11E +05 N/cm2로 절단강도가 증가하였다. 수분 함량이 증가할 수록 탄성력, 응집력, 절단강도가 증가하였는데, 수분 함량 이 35에서 45%로 증가함에 따라 탄성력과 응집력이 증가 하였다. Guet et al. (2011)은 분리대두단백을 압출하였을 때, 수분함량과 스크루 회전속도에 따른 탄력성과 응집성 모두 수분흡수력과 양의 상관관계를 보였고, 또한 탄력성 과 응집성도 수분흡수력과 마찬가지로 기공의 구조와 관련 이 있다고 보고하였다. 본 실험에서는 비지를 첨가한 압출 성형 조직화 분리대두단백의 탄력성과 응집성도 비슷한 경 향을 보였다.

또한, 수분 함량이 35%에서 45%로 증가함에 따라 절단 강도는 1.03E+05에서 7.61E+04 N/cm²로 감소하였는데, 이 는 Lin et al. (2000)이 분리대두단백을 압출성형했을 때 수분 함량이 60%에서 70%로 증가할수록 강도가 감소하였 다는 결과와 일치한다. Table 3

조직잔사지수(integrity index)와 보수력, 조직감 분석은 수화시킨 조직화 분리 대두단백의 조직화 특성을 나타내주 는 인자이다(Koh, 1996). 압출성형 조직화 분리대두단백의 조직화 정도를 가장 쉽게 평가할 수 있는 것은 관능평가지 만 섬유상 조직감을 수치상으로 나타내기는 어렵다. 각각 의 조건에 따른 조직잔사지수는 Fig. 2에 표기하였다. 수분 함량이 증가할수록 조직잔사지수는 감소하였는데, 비지 첨 가량 60%, 사출구 온도 150°C 일 때 수분 함량이 35에서 45%로 증가함에 따라 16.24±2.34에서 15.60±4.20%로 조직 잔사지수가 감소하였다. 이는 분리대두단백을 압출성형 했 을 때 수분 함량이 증가할수록 조직잔사지수가 감소한다는 Han et al. (1989)의 연구와 일치한다. 비지의 첨가량이 증 가할수록 조직잔사지수는 증가하였는데, 수분 함량이 35%, 사출구 온도 150°C일 때 비지의 첨가량이 0%에서 60%로 증가함에 따라 9.63±3.87에서 16.24±2.34%로 조직잔사지수 가 증가하였다. 이는 압출성형 비지에 함유 된 불용성 식 이섬유의 주요 성분인 셀룰로오스와 리그닌의 조직 형성에 의해 압출성형물의 조직화가 촉진되어 조직잔사지수가 증 가한 것으로 판단된다.

Fig. 2. Integrity index of extruded ISP with different biji (A: 0, B: 20, C: 40, D: 60%) contents, die temperature (140°C) and moisture (45%).

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색도는 압출성형 과정 중에 변하는 물리적 특성 중 하나 이고, 압출성형 과정 중에서 높은 온도 때문에 색깔이 변 하여 갈변 반응과 단백질 변성과 같은 변화가 일어난다. 또한, 색도가 어두운 물질일수록 영양소의 손실이 일어나 고, 비효소적 갈변 반응은 단백질 구조상의 아미노산 결합 이 파괴될 수 있다고 보고하였다(Ryu, 2006). 사출구 온도 가 140°C에서 150°C로 증가함에 따라 팽창으로 인하여 밀 도가 감소하여 명도가 증가하였다. 또한 사출구 온도가 증 가할수록 팽창으로 인해 밀도가 감소하여 적색도 (a)와 황 색도(b)는 증가 정도가 감소하거나 값이 감소하였다. 수분 함량이 낮을수록 갈변으로 인해 명도(L)가 감소하고 적색 도(a)와 황색도(b)는 증가하는 경향을 보였다. 온도가 증가 할수록, 수분 함량이 감소할수록 총 색도차는 증가하는 경 향을 보였다. 이는 압출성형 중 수분함량 증가로 인해 온 도가 감소되고 수분이 수증기로 되어 사출구에서 빠져 나 올 때 갈변화가 덜 일어났다(Miwa et al., 1990).

비지함량과 배럴온도, 수분에 따른 압출성형 조직화 분 리대두단백의 종단면(1000 ×)의 미세구조는 Fig. 3과 같다. 비지함량 0%, 140°C 압출성형 조직화 분리대두단백의 종 단면은 조직화가 완전하게 이루어져 않은 섬유조직이 관찰 되었으나, 140°C 수분 45% 조건하에 비지 첨가량의 증가 에 따라 단백질 조직화 정도가 감소되어 규칙적인 섬유조 직을 관찰할 수 없었다. 140°C 수분 45%에서는 많은 기공 을 관찰할 수 있었으며 팽화가 많이 일어났기 때문에 거친 표면과 불규칙한 섬유조직을 관찰할 수 있었다. 본 실험을 통해 많은 기공이 관찰된 시료일수록 수분흡수력이 높다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Lin et al. (2000)이 수분흡수 력은 다공질 형태의 층과 관련이 있으며, 시료들이 팽창할 수록 공기층이 커진다는 내용과 일치하였다. 그리고 동일 한 온도에서 비지함량이 0%에서 60%로 증가하였을 때, 형성된 섬유조직을 통해 단백질의 조직화가 감소함을 확인 할 수 있었다. 이는 비지의 첨가량이 조직을 형성하는 단 백질의 양에 영향을 미치는 것이라 판단된다. 따라서 비지 의 첨가비율을 적절하게 조절함으로써 강한 강도와 조직화 가 우수한 품질을 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 비지의 단백질은 우수한 자원일 뿐 이니라, 섬유소 또한 풍부하게 함유하고 있어 인체에 유용하며, 비지의 첨가량을 적절하 게 조절함으로써 강한 강도와 조직화가 우수한 품질을 얻 을 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 3. Scanning electron micrographs of extruded ISP with different biji (0% to 60%) contents, temperature (140°C) and moisture (45%).

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