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서 론
최근 경제 성장으로 인한 식생활의 서구화로 육류와 가 공식품의 섭취가 증가함에 따라 성인병으로 인한 사망률이 증가되고 있으며 발병연령 또한 낮아지는 추세이다. 이에 따라 기능성 식품들의 개발과 수요가 늘어나고 있고 식이 섬유도 그 중 하나로 주목받고 있다(Jin, 2005). 식이섬유 는 인체의 소화효소로는 분해되지 않는 난분해성 복합다당 류로서 과거에는 영양적 가치가 없는 것으로 인식되어 왔 지만 저칼로리 소재로는 물론, 변비, 치질, 대장암, 동맥경 화, 당뇨, 비만 등의 질병개선효과 등 최근에 다양한 기능 성이 인정되어 활발한 연구가 진행되고 있다(Park et al., 2017).
차전자피(psyllium husk)는 식이섬유를 다량 함유하고 있 으며 질경이과에 속하는 다년생 초본 식물의 껍질로 전국 각지의 들이나 길가에 자생하고 있고, 주요 성분으로는 다 량의 점액질, 지방질, aucubin, galactan, polysaccharide, succinic acid 등이 알려져 있다(Hong et al., 2002). 차전자 피는 다량의 점액질을 함유하고 있어 물과 결합하여 젤라 틴을 형성하므로 일반적으로 물이나 음료에 섞는 방식으로 섭취된다. 쿠키와 스낵에 차전자피의 첨가가 섭취에 유용한 방법이지만 이러한 시도는 차전자피의 점액 성분과 바람직 하지 않은 향 때문에 제품화에 문제가 있다(Devay, 2001).
식품에서 유화제는 물과 기름의 에멀젼을 안정화시키며 지방 결정의 특성을 변화 시키고 반죽의 굳기와 끈적거림 의 조절, 전분, 단백질 및 당 복합체의 겔 형성 등 물성을 개선하는 역할을 한다(Bok et al., 2007). 현재 유화제에 관 한 연구로는 쌀 쿠키에 유화제의 첨가가 물성 개선에 효과 적이라고 하였고(Lee et al., 2012) 쌀빵의 노화를 지연시킨 다고 하였다(Lee et al., 2008). 찹쌀떡의 제조에서는 유화 제의 첨가가 찹쌀떡의 경화 억제에 효과적이라고 보고하였 다(Park et al., 2012).
압출성형공정은 연속공정으로 시간, 에너지, 비용 등을 최소화할 수 있고, 고온에서 단시간에 처리하기 때문에 스 낵 제조에 용이하다(Kim et al., 2012). 특히 섬유소가 많 이 포함된 곡류나 식물성 소재는 압출성형공정을 통해 고 온과 고압에 의한 성분변화와 섬유소의 구성성분인 식물 세포벽의 파열로 인하여 수용성 식이섬유의 용출이 용이한 공정이다(Ryu, 2005). 이러한 압출성형공정에서 유화제는 아밀로오스 복합체를 형성하고 용융물의 윤활제 역할을 한 다. 그 결과 압출성형물의 텍스처, 셀 분포 및 밀도에 영향 을 미치며(Ryu et ai., 1994) 친수·친유의 정도(hydrophiliclipophilic balance)와 구조 등에 따라 제품의 물성이 달라 진다(Ryu & Mulvany, 1995). 쌀, 옥수수, 수수, 감자 등 기타 곡류를 원료로 한 압출성형 스낵의 연구들은 많이 보 고되어 있으나(Kee et al., 2001) 유화제의 첨가를 통한 차 전자피 압출성형 스낵의 연구는 진행되지 않았다.
따라서 본 연구는 차전자피와 쌀가루를 기본 원료로 하여 glycerol monostearate (GMS), polyglycerol ester (PGE), sugar ester (SE)를 첨가한 차전자피 압출성형물의 물리적 특성을 살펴보았다.
재료 및 방법
차전자피 분말은 ㈜메디앤바이오(Seoul, Korea)에서 제공 받아 사용하였고 쌀가루는 신통정미소(Asan, Korea)에서 정 미한 쌀을 사용하였으며, 현미가루와 보리가루는 (주)맑은들 (Honsung, Korea)에서 구입하여 사용하였다. 유화제는 glycerol monostearate (NamYung Commercial, Co. Ltd., Seoul, Korea), polyglycerol ester와 sugar ester (RYOTO, Tokyo, Japan)를 구입하여 사용하였다.
본 실험에 사용된 압출성형기는 실험용(THK31T, Incheon Machinery Co., Incheon, Korea)로 스크루 직경은 3 cm, 길 이와 직경의 비(L/D ratio)는 23:1이었고, 스크루 배열은 Fig. 1과 같다. 사출구는 원형으로 직경이 3 mm인 것을 사 용하였으며, 수분 함량은 펌프로 원료 사입구에 직접 물을 주입하여 조절하였다. 용융물의 온도는 전열기와 냉각수를 사용하여 조절하였다. 유화제 첨가에 따른 차전자피 압출 성형물의 물리적 특성을 알아보기 위해 압출성형공정변수 는 원료 사입량 100 g/min, 스크루 회전속도 200 rpm, 사출 구 온도 140ºC, 수분함량 16%로 고정하였다. 압출성형물 원료의 배합비는 Table 1에 나타내었으며 유화제의 첨가량 은 예비실험을 통하여 결정하였다. 제조한 압출성형물은 50ºC에서 12시간 건조하여 직경팽화율, 비길이, 밀도, 겉보 기 탄성계수, 파괴력, 조직감, 미세구조를 측정하였고 가정 용 분쇄기(FM-909T, Hanil, Haman, Korea)로 분쇄한 후 50-70 mesh의 분말을 시료로 사용하여 색도, 수분용해지수, 수분흡착지수를 측정하였다.
압출성형물의 직경팽화율은 압출성형물의 직경을 캘리퍼 스(CD-15C, Mitutoyo Co., Tokyo, Japan)로 10회 측정하여 사출구의 직경과 압출 성형물의 직경 비의 평균값으로 산 출하였다(Alvarez-Martinez et al., 1988).
압출성형물의 비길이(specific length)는 일정한 길이로 절단한 압출성형물의 길이와 무게의 비로 10회 측정한 후 식 (1)을 이용하여 평균값과 오차를 구하였다(Kim et al., 2012). 압출성형물의 길이는 캘리퍼스(CD-15C, Mitutoyo Co. Tokyo, Japan)를 이용하였고, 무게는 전자저울(MWII, CAS Co., Gyeonggi, Korea)을 사용하였다.
압출성형물의 겉보기 탄성계수와 파괴력은 레오미터(Sun Rheo-meter, Compac-100II, Sun Sci. Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 10회 측정 후 평균값을 산출하였다. 측정조건은 probe angle type (65ºC), 최대응력 10 kg, 지지대 이동 속 도 60 mm/min, 지지대간의 거리 3 cm였다. Ryu & Ng (2001)의 방법을 이용하여 겉보기 탄성계수(Eapp)와 파괴력 (Fbs)를 각각 식 (3)과 (4)로 계산하였다
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Eapp: apparent elastic modulus
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δF/δl: slope of the linear section of the force-distance curve
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D: diameter of extrudate
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d: distance between two supports
수화된 압출성형물의 경도(hardness)와 부착성(adhesiveness) 분석을 위해 레오미터(Sun Rheo-meter, Compac-100 II, Sun Sci. Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 Bourne (1978) 의 분석방법에 따라 10회씩 측정하여 평균값을 나타내었 다. 직경 2.5 cm인 탐침 1번으로 측정하였고 측정조건은 최대응력 10 kg, 지지대 이동속도 60 mm/min 였다. 경도와 부착성 측정을 위한 시료의 전 처리는 1.5 cm로 자른 압출 성형물을 36.5ºC의 물에 1분 30초 수화시켜 15초간 물을 제거하였다.
압출성형물을 분쇄한 시료를 색차계(Chroma Meter CR- 300, Minolta Co., Ltd., Osaka, Japan)를 이용하여 명도 (lightness, L), 적색도(redness, a), 황색도(yellowness, b) 값 을 3회 측정한 평균값으로 나타내고 식 (8)로 색차도(color difference, △E) 값을 나타내었다. 표준 색판의 값은 L = 96.59, a = 0.96, b = 2.54였다.
압출성형물 분말의 수화특성을 분석하기 위하여 AACC (1983)의 방법을 응용하여 건량 기준으로 시료 1.5 g에 증 류수 30 mL를 가하여 30ºC의 항온 수조(BF-45SB, Biofree Co., Seoul, Korea)에서 30분간 교반한 후 원심분리기(H- 1000-3, Hanil Science Industrial Co., Gangneung, Korea) 에서 2000×g으로 20분간 원심분리 하였다. 상층액은 알루 미늄 접시에 부은 후 침전물의 무게를 측정하고 알루미늄 접시를 105ºC의 열풍건조기(HB-502MP, Han Beak Co., Bucheon, Korea)에서 2시간 동안 건조하여 상층액의 고형 분 함량을 측정하여 수분용해지수(water soluble index, WSI)와 수분흡착지수(water adsorption index, WAI)를 각각 식 (7)와 (8)로 계산하였다.
결과 및 고찰
압출성형물의 직경팽화율, 비길이, 조각밀도는 압출성형 물의 조직감에 영향을 미치는 인자로 압출성형물의 품질을 결정하는 데 중요하다(Gu et al., 2010). 유화제 첨가에 따 른 차전자피 압출성형물의 직경팽화율, 비길이, 조각밀도는 Table 2에 나타내었다.
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직경팽화율은 유화제를 첨가하지 않은 대조군에서 4.71±0.17로 가장 높은 값을 나타내었고 GMS 0.5% 첨가 군에서 3.52±0.08로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이는 유 화제가 전분입자를 감싸 전분입자 내부로 수분의 침투를 막아 직경팽화가 덜 일어나는 것으로 판단된다(Ryu & Mulvany, 1995).
비길이에서는 GMS 0.5% 첨가군에서 6.14±0.34 cm/g로 가장 높았고 대조군에서 3.06±0.18 cm/g로 가장 낮아 직경 팽화율과 음의 상관관계를 보였다.
밀도는 GMS 0.5%와 PGE 0.1% 첨가군에서 0.15±0.01 g/cm3로 가장 높은 값을 나타내었고 대조군에서 0.13±0.01 g/cm3로 가장 낮은 값을 나타내어 비길이와 같은 패턴을 보였다. 이는 쌀의 압출성형공정에서 GMS를 첨가하면 GMS-아밀로오스 복합체의 형성에 의해 밀도가 증가한다는 연구결과와 같이(Charutigon et al., 2008;Ryu & Mulvany, 1995) 본 실험에서도 유화제를 첨가한 차전자피 압출성형 물의 밀도가 증가하였다.
겉보기 탄성계수와 파괴력은 팽화율, 밀도, 기공 구조에 영향을 받으며 압출성형물의 품질을 결정하는 중요한 인자 다(Gu et al., 2010). 유화제 첨가에 따른 차전자피 압출성 형물의 겉보기 탄성계수와 파괴력의 값은 Table 3과 같다.
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겉보기 탄성계수는 PGE 0.1% 첨가군에서 2.61E+04 N/m2로 가장 높은 값을 나타내었으며 GMS 1% 첨가군에 서 1.12E+04 N/m2로 가장 낮은 값을 나타내었다. 대조군에 서 겉보기 탄성계수가 감소한 것은 직경팽화율의 증가로 인 하여 압출성형물의 기공 구조가 커져 입자 층의 조밀도가 감소하였기 때문으로 생각된다(Cho et al., 2017). 파괴력은 PGE 0.1% 첨가군에서 15.20±3.55 N/cm2로 가장 높았고 GMS 0.5% 첨가군에서 10.47±2.32 N/cm2로 가장 낮았다.
유화제 첨가에 따른 수화시킨 차전자피 압출성형물의 경 도와 부착성은 Table 3에 나타내었다. 경도는 대조군에서 21.06±2.18 kg으로 가장 높은 값을 나타내었으며 GMS 0.5% 첨가군에서 11.97±1.37 kg으로 가장 낮은 값을 나타 내었다. 이는 유화제의 첨가가 전분의 팽창을 제한하여 미 세한 기공구조를 형성하기 때문에 차전자피 압출성형물의 경도를 감소시키는 것으로 생각된다(Ryu & Mulvany, 1995).
부착성은 대조군에서 -36.00±5.48 g으로 가장 높은 값을 나타내었고 GMS 0.5%와 SE 0.1% 첨가군에서 -24.00±5.48 g, -24.00±5.58 g으로 가장 낮은 값을 나타내었지만 유화제 첨가군 사이에서 유의적인 차이가 없었다. 이는 쌀 압출성 형물에서 유화제가 전분의 아밀로오스와 복합체를 형성하 여 물 결합능력을 감소시켰다는 Wang et al. (2013)의 연 구 결과를 볼 때 아밀로오스 복합체가 차전자피 압출성형 물의 겔화를 억제하여 부착성을 감소시키는 것으로 판단된 다. 또한 유화제가 옥수수가루 압출성형물의 점도를 감소 시켰다는 Ryu & Mulvany (1995)의 연구결과에 따라 유화 제의 첨가가 차전자피 압출성형물의 점도에도 영향을 미쳐 부착성을 감소시키는 것으로 사료된다.
유화제 첨가에 따른 차전자피 압출성형물의 명도(L), 적 색도(a), 황색도(b) 값은 Table 4와 같다. 압출성형물의 명 도는 PGE 0.1% 첨가군에서 72.44±0.18로 가장 높았고 대 조군에서 60.48±0.21로 가장 낮았다. 이는 유화제의 첨가 가 쌀 압출성형물의 명도를 높여준다는 Koh (1992)의 연 구결과와 일치하여 유화제의 첨가가 차전자피 압출성형물 의 명도를 높여주는 것으로 생각된다. 압출성형 무처리군 보다 압출성형물의 명도가 낮게 측정된 것은 압출성형 공 정 중 발생하는 Maillard reaction에 의한 갈변반응이 원인 인 것으로 판단된다(Tie et al., 2012). 적색도는 GMS 1% 첨가군에서 1.85±0.29로 가장 높았고 SE 0.1% 첨가군에서 1.03±0.11로 가장 낮았다. 황색도는 GMS 1% 첨가군에서 19.30±0.70로 가장 높았고 PGE 0.1% 첨가군에서 17.61± 0.09로 가장 낮았다. 총 색도차는 대조군에서 31.52±0.16로 가장 높은 값을 나타내었고 GMS 0.5% 첨가군에서 16.69±0.22로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이는 쌀 압출성 형 공정에서 유화제의 첨가가 압출성형물의 총 색도차를 감소시킨다는 Koh (1992)의 연구결과와 같이 본 실험에서 도 유화제의 첨가가 차전자피 압출성형물의 총 색도차를 감소시켰다.
유화제 첨가에 따른 차전자피 압출성형물의 수분용해지 수와 수분흡착지수는 Table 5에 나타내었다. 압출성형 무 처리군보다 압출성형물의 수분용해지수와 수분흡착지수가 높은 경향을 보였다. Tie et al. (2012)는 곡류에 포함된 전 분의 호화와 압출성형공정 동안 사슬의 절단 등에 의해 아 밀로펙틴과 아밀로오스의 분획화로 인하여 수분용해지수와 수분흡착지수가 증가한다고 하였다. 수분용해지수는 대조 군에서 41.73±0.48%로 가장 높은 값을 나타내었고 GMS 1% 첨가군에서 15.35±0.49%로 가장 값을 나타내었다. 쌀 압출성형물에서 유화제의 첨가가 수분용해지수를 감소시켰 다는 Wang et al. (2013)의 연구 결과와 같이 본 실험에서 도 유화제의 첨가가 차전자피 압출성형물의 수분용해지수 를 감소시켰다. 수분흡착지수는 대조군에서 8.09±0.05 g/g 으로 가장 높은 값을 나타내었고 PGE 0.1% 첨가군에서 6.10±0.25 g/g으로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이는 유화 제가 전분입자를 감싸 전분입자 내부로 수분의 침투를 아 밀로오스 복합체를 형성하여 전분의 물 결합 능력을 감소 시킨다는 Ryu& Mulvany (1995)의 연구 결과를 볼 때 압 출성형물의 물 결합능력이 차전자피 압출성형물의 부착성 에도 영향을 미치는 것으로 생각된다.
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유화제 첨가에 따른 차전자피 압출성형물의 기공구조는 Fig. 2와 같다. 압출성형공정 동안 생성되는 기공은 점도에 의하여 저항하는 공기압력과 기공 안쪽에서 성장하는 기공 사이의 압력 차에 의하여 형성된다(Eun et al., 2014). 대조 군에서 팽화의 증가에 의해 기공의 크기가 증가하였으며 GMS 0.5% 첨가군에서 팽화의 감소에 의해 기공의 크기 가 감소하였다. 유화제가 전분의 아밀로오스와 복합체를 형성하여 쌀 압출성형물의 팽창을 제한한다는 Ryu & Mulvany (1995)의 연구결과에 따라 유화제의 첨가가 차전 자피 압출성형물의 기공 크기를 감소시키는 것으로 판단된 다. 이는 유화제를 첨가한 쌀 압출성형물에서 미세한 기공 이 형성되었다는 연구결과와 일치하였다(Koh, 1992).
본 실험에서 기공의 크기가 클수록 압출성형물의 경도가 증가하여 딱딱한 조직감을 나타내었으나 기공의 크기가 작 을수록 경도가 낮아 부드러운 조직감을 나타내었고 수분흡 수력이 낮아 부착성을 감소시켰다.
요 약
본 연구는 쌀과 차전자피를 기본 원료로 하여 glycerol monostearate (GMS), polyglycerol ester (PGE), sugar ester (SE)를 첨가한 압출성형물의 물리적 특성을 살펴보았다. 압 출성형 공정변수는 원료 사입량 100 g/min, 스크루 회전속 도 200 rpm, 사출구 온도 140ºC, 수분함량 16%로 조절하 였다. 압출성형 후 직경팽화율, 비길이, 밀도, 겉보기 탄성 계수, 파괴력, 조직감, 색도, 수분용해지수, 수분흡착지수, 미세구조를 측정하였다. 직경팽화율은 대조군에서 4.71 ±0.17로 가장 높았고 GMS 0.5% 첨가군에서 3.52±0.08로 가장 낮았다. 비길이와 밀도는 대조군에서 가장 낮았다. 겉 보기 탄성계수와 파괴력은 PGE 0.1% 첨가군에서 2.61E+ 04 N/m2, 15.20±3.55 N/cm2로 가장 높았으며 대조군에서 1.36E±04 N/m2, GMS 0.5% 첨가군에서 10.47±2.32 N/cm2 로 가장 낮았다. 부착성은 대조군에서 -36.00±5.48 g으로 가 장 높았고 GMS 0.5%와 SE 0.1% 첨가군에서 -24.00±5.48 g, -24.00±5.58 g으로 가장 낮았지만 유화제 첨가군 사이에서 유의적인 차이가 없었다. 색도는 유화제 첨가군에서 명도가 증가하는 경향을 보였고 총 색도차는 감소하였다. 수분 용해 지수와 수분 흡착지수는 대조군에서 41.73±0.48%, 8.09± 0.05 g/g으로 가장 높았다. 미세구조는 대조군에서 기공의 크 기가 가장 컸으며 유화제 첨가군에서 더 작은 기공 조직을 나타내었다. 차전자피 압출성형물에서 유화제의 첨가는 기 공의 크기와 경도를 감소시켜 부드러운 조직감을 나타내었 고 수분용해지수, 수분흡착지수, 부착성을 감소시켜 차전자 피 압출성형물의 물성을 조절할 수 있는 것을 확인하였다.
