차전자피 함량에 따른 쌀 압출성형물의 물리적 특성

차전자피 분말은 ㈜메디앤바이오(Seoul, Korea)에서 제공 받아 사용하였고 쌀가루와 현미는 가온식품(Hwaseong, Korea), 귀리가루는 햇빛농산(Hwaseong, Korea), 보리가루 는 ㈜맑은들(Hongseong, Korea), glycerol monostearate는 ㈜남영상사(Seoul, Korea), 스테비아는 ㈜바이오믹스(Seoul, Korea)에서 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. 차전자피 첨가에 따른 압출성형물의 물리적 특성을 알아보기 위해 압출성형공정변수는 원료 사 입량 100 g/min, 스크루 회전속도 200 rpm, 사출구 온도 140°C, 수분함량 20%로 고정하였다. 압출성형물 원료의 배 합비는 Table 1에 나타내었으며 압출성형 공정변수와 유화 제의 첨가량은 예비실험을 통하여 결정하였다. 제조한 압 출성형물은 50°C에서 12시간 건조하여 직경팽화율, 비길이 (specific length), 밀도, 겉보기 탄성계수, 파괴력, 조직감, 미세구조를 측정하였고 가정용 분쇄기(FM-909T, Hanil, Hanam, Korea)로 분쇄한 후 50-70 mesh의 분말을 시료로 사용하여 색도, 수분용해지수, 수분흡착지수를 측정하였다.

Fig. 1. Screw configuration used in psyllium husk extrudate.

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Table 1. Formula for rice extrudates with different levels of psyllium husk

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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.)를 이용하였고, 무게는 전자저울(MWII, CAS Co., Yangju, Korea)을 사용하였다.

압출성형물의 조각밀도(piece density)는 차조를 이용한 종자 치환법으로 총 10회 반복하여 식 (2)를 이용하여 계 산하였다(Jin et al., 2010).

압출성형물의 겉보기 탄성계수(apparent elastic modulus) 와 파괴력(breaking strength)은 레오미터(Sun Rheo-meter, Compac-100II, Sun Sci. Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 10 회 측정 후 평균값을 산출하였다. 측정조건은 probe angle type (65°C), 최대응력 10 kg, 지지대 이동 속도 60 mm/ min, 지지대간의 거리 3 cm였다. Ryu ＆ Ng (2001)의 방 법을 이용하여 겉보기 탄성계수(E_app)와 파괴력(F_bs)를 각각 식 (3)과 (4)로 계산하였다.

수화된 압출성형물의 경도(hardness)와 부착성(adhesiveness) 분석을 위해 레오미터(Sun Rheo-meter, Compac-100 II, Sun Sci. Co.)를 사용하여 Bourne (1978)의 분석방법 에 따라 10회씩 측정하여 평균값을 나타내었다. 직경 2.5 cm인 탐침 1번으로 측정하였고 측정조건은 최대응력 10 kg, 지지대 이동속도 100 mm/min 였다. 경도와 부착성 측정을 위한 시료의 전 처리는 1.5 cm로 자른 압출성형물 을 36.5°C의 물에 1분 30초 수화시켜 15초간 물을 제거 하였다.

압출성형물을 분쇄한 시료를 색차계(Chroma Meter CR- 300, Minolta Co., Ltd., Osaka, Japan)를 이용하여 명도 (lightness, L*), 적색도(redness, a*), 황색도(yellowness, b*) 값을 3회 측정한 평균값으로 나타내고 식 (5)로 색차도 (color difference, △E) 값을 나타내었다. 표준 색판의 값은 L* = 96.59, a* = 0.96, b* = 2.54였다.

압출성형물 분말의 수화특성을 분석하기 위하여 Kim & Ryu (2018)의 방법을 응용하여 건량 기준으로 시료 1.5 g 에 증류수 30 mL를 가하여 30°C의 항온 수조(BF-45SB, Biofree Co., Seoul, Korea)에서 30분간 교반한 후 원심분 리기(H-1000-3, Hanil Science Industrial Co., Gangneung, Korea)에서 2000×g으로 20분간 원심분리 하였다. 상층액은 알루미늄 접시에 부은 후 침전물의 무게를 측정하고 알루 미늄 접시를 105°C의 열풍건조기(HB-502MP, Han Beak Co., Bucheon, Korea)에서 2시간 동안 건조하여 상층액의 고형분 함량을 측정하여 수분용해지수(water soluble index, WSI)와 수분흡착지수(water adsorption index, WAI)를 각각 식 (7)와 (8)로 계산하였다.

차전자피 압출성형물을 50°C에서 12시간 건조시킨 후 알루미늄 판에 접착하여 압출성형물의 단면을 백금으로 코팅 후 고 분해능 주사전자현미경(MIRA LMH, Tescan, Brno, Czech)으로 가속전력 10 kV에서 10배율로 미세 구 조를 관찰하였다.

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

압출성형물의 직경 팽화율, 비길이, 조각밀도는 압출성형 물의 조직감에 영향을 미치는 인자로 압출성형물의 품질을 결정하는 데 중요하다(Gu et al., 2010). 차전자피 함량에 따른 쌀 압출성형물의 직경 팽화율, 비길이, 조각밀도는 Table 2에 나타내었다. 팽화는 압출성형기 내에서 원료가 고온, 고압 상태에서 사출구를 통과할 때 압력의 차이로 인한 수분증발이 용융물의 기포 생성을 통해 급격하게 팽 화가 일어나게 된다. 직경 팽화율은 차전자피 첨가량 0% 에서 3.29±0.06로 가장 높은 값을 나타내었고 차전자피 첨 가량 21%에서 2.99±0.05로 가장 낮은 값을 나타내어 차전 자피 첨가량이 높을수록 낮아지는 것을 알 수 있었다. 이 는 차전자피의 첨가로 섬유질의 증가와 함께 상대적으로 전분이 감소하여 직경 팽화율이 감소한 것으로 판단된다 (Gu et al., 2010). 비길이는 차전자피 첨가량 0%에서 5.79±0.44 cm/g로 가장 낮은 값을 나타내었지만 차전자피 첨가량 7%와 유의적인 차이가 없었고 차전자피 첨가량 21%에서 6.73±0.30 cm/g로 가장 높은 값을 나타내었다. 이 는 쌀가루, 밀가루, 옥수수가루, 보리가루, 귀리가루의 압출 성형 공정에서 직경 팽화율이 증가하면 비길이는 감소한다 는 연구결과와 일치하였다(Kim et al., 2012). 조각밀도는 차전자피 첨가량 21%에서 0.19±0.01 g/cm³로 가장 높았고 차전자피 첨가량 7%에서 0.15±0.01 g/cm³로 가장 낮았다. 차전자피의 함량이 높을수록 압출성형물의 직경 팽화보다 길이 팽화의 증가로 인하여 밀도와 비길이가 증가하고, 차 전자피 함량이 낮을수록 쉽게 팽화가 일어나기 때문에 길 이 팽화보다 직경 팽화가 이루어져 감소하였을 것으로 판 단된다.

Table 2. Expansion properties of rice extrudates with different levels of psyllium husk

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겉보기 탄성계수와 파괴력은 팽화율, 밀도, 기공 구조에 영향을 받으며 압출성형물의 품질을 결정하는 중요한 인자 다(Gu et al., 2010). 차전자피 함량에 따른 쌀 압출성형물 의 겉보기 탄성계수와 파괴력의 값은 Table 3과 같다.

Table 3. Apparent elastic modulus and breaking strength of rice extrudates with different levels of psyllium husk

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겉보기 탄성계수와 파괴력은 차전자피의 첨가량이 증가 할수록 증가하는 경향을 보였다. 겉보기 탄성계수는 차전 자피 첨가량 14% 까지 유의적은 차이가 없었으나 차전자 피 첨가량 21%에서 15.21E+04 N/m²로 크게 증가하였다. 파괴력은 차전자피 첨가량 21%에서 28.86±1.79 N/cm²로 가장 높았으며 차전자피 첨가량 0%에서 15.24±2.11 N/cm² 로 가장 낮았다. 이는 차전자피의 첨가량이 증가할수록 직 경팽화율의 감소하고 압출성형물의 기공구조가 작아져 입 자 층의 조밀도가 증가하였기 때문으로 생각되며, 직경 팽 화율이 증가할수록 파괴력이 감소한다는 연구결과와 일치 하였다(Cho et al., 2017). 본 실험에서는 고 식이섬유소원 인 차전자피의 첨가량이 증가할수록 압출성형물의 조직이 치밀해지고 단단해진다는 것을 알 수 있었다.

차전자피 함량에 따른 수화시킨 쌀 압출성형물의 경도와 부착성은 Table 4에 나타내었다. 경도는 차전자피 첨가량 0%에서 1143.00±96.82 g으로 가장 낮았으며, 차전자피 첨 가량 21%에서 1830.63±84.62 g으로 가장 높았다. 식이섬유 는 압출성형물의 matrix 내에 존재하는 물과 일부 결합하 여 압출물의 팽화 및 다공성을 감소시켜 경도를 증가시킨 다는 연구 결과에 따라 차전자피의 첨가가 압출성형물의 경도를 증가시키는 것으로 판단된다(Diaz et al., 2015).

Table 4. Texture of hydrated rice extrudates with different levels of psyllium husk

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부착성은 차전자피 첨가량 0%에서 -25.00±5.35 g으로 가 장 낮았고 차전자피 첨가량 21%에서 -92.50±15.81 g으로 가장 높아 차전자피의 첨가가 증가할수록 급격히 증가하였 다. 차전자피의 섬유 구조에 존재하는 다당류인 arabinose 와 xylose의 수산기가 수소결합을 통해 물과 상호작용하여 부착성이 높아지는 것으로 생각되며, 차전자피의 특징인 높은 수분흡수력과 다량의 점액질이 부착성에 영향을 준 것으로 판단된다. 또한 차전자피를 첨가한 반죽 및 비스킷 에서 경도와 부착성이 증가하였다는 연구결과를 볼 때 압 출성형 공정에서도 차전자피의 첨가가 압출성형물의 경도 와 부착성을 증가시키는 것으로 사료된다(Raymundo et al., 2014).

차전자피 함량에 따른 쌀 압출성형물의 명도(L*), 적색 도(a*), 황색도(b*)의 값은 Table 5와 같다.

Table 5. Color of rice extrudates with different levels of psyllium husk

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압출성형물의 명도(L*)는 차전자피 첨가량 0%에서 75.63±0.03로 가장 높았고 차전자피 첨가량 21%에서 66.36±0.30으로 가장 낮았다. 차전자피의 첨가량이 증가할 수록 감소하였으며 압출성형 무처리군보다 압출성형물에 서 높은 값을 나타내었다. 쌀 원료의 명도(L*)는 93.24였 고 차전자피 원료의 명도(L*)는 79.68로 차전자피의 명 도가 쌀보다 어두워 차전자피의 첨가가 증가함에 따라 명도가 감소한 것으로 판단되며 쌀을 식이섬유로 대체한 것이 비효소적 갈변에 영향을 주었기 때문이라고 하였다 (Raymundo et al., 2014). 적색도(a*)와 황색도(b*)는 차전 자피 첨가량 21%에서 4.29±0.05, 24.96±0.11로 가장 높았 고 차전자피 첨가량 0%에서 1.05±0.03, 21.23±0.08로 가장 낮았다. 차전자피의 첨가량이 증가할수록, 압출성형 무처리 군보다 압출성형물에서 높은 값을 나타내었다. 색도차는 차전자피 첨가량 21%에서 25.24±0.19로 가장 높은 값을 나타내었고 차전자피 첨가량 0%에서 20.27±0.06로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이는 차전자피 함량이 증가할수록 차전자피의 식이섬유에 존재하는 arabinose와 xylose같은 당 성분이 Maillard reaction에 영향을 주어 색도차가 발생 한 것으로 판단된다(Shin et al., 2018).

차전자피 함량에 따른 쌀 압출성형물의 수분용해지수와 수분흡착지수는 Table 6에 나타내었다. 압출성형 무처리군 보다 압출성형물의 수분용해지수와 수분흡착지수가 높은 경향을 보였다. Tie et al. (2012)는 곡류에 포함된 전분의 호화와 압출성형공정 동안 사슬의 절단 등에 의해 아밀로 펙틴과 아밀로오스의 분획화로 인하여 수분용해지수와 수 분흡착지수가 증가한다고 하였다.

Table 6. Water solubility index and water absorption index of rice extrudates with different levels of psyllium husk

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압출성형물의 수분용해지수는 차전자피 첨가량 21%에서 10.10±0.23%로 가장 높은 값을 나타내었고 차전자피 첨가 량 0%에서 6.51±0.24%로 가장 낮은 값을 나타내었다. 다 량의 점액 성분을 가지는 차전자피의 첨가가 증가할수록 점도가 높아져 압출성형기 내의 체류시간이 길어지고 강한 전단력을 받아 전분의 사슬이 절단되어 수분용해지수가 증 가된 것으로 판단된다(Gil et al., 2014). 수분흡착지수는 차전자피 첨가량 21%에서 9.17±0.31 g/g으로 가장 높았고 차전자피 첨가량 0%에서 7.06±0.16 g/g으로 가장 낮아 차 전자피의 첨가량이 증가할수록 증가하였다. 이는 차전자피 의 높은 수분 보유력으로 인해 수분흡착지수가 증가한 것 으로 생각된다. 또한 도넛, 비스킷에 차전자피를 첨가하면 수분흡수력이 높아졌다는 연구결과를 볼 때 압출성형 공정 에서도 차전자피의 첨가가 수분흡착지수를 높이는 것으로 사료된다(Shin et al., 2018; Raymundo et al., 2014).

차전자피 함량에 따른 쌀 압출성형물의 미세구조는 Fig. 2와 같다. 차전자피 함량 0%에서 팽화율이 증가하였고 기 공의 크기가 크고 불규칙한 구조를 관찰할 수 있었으며 차 전자피의 함량이 증가함에 따라 팽화율과 기공의 크기가 감소하였다. Robin et al. (2012)은 식이섬유의 첨가가 압 출성형기 내부 용융물의 점도를 증가시켜 기공의 팽창을 감소시키며, 그 결과 압출성형물의 팽화가 감소하고 밀도 는 증가하여 조직의 견고성이 증가한다고 하였다. 또한 많 은 기공이 관찰된 시료일수록 수분흡수력이 높다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 수분흡수력은 다공질 형태의 층과 관련이 있으며, 시료들이 팽창할수록 공기층이 커진다는 내용과 일치하였다(Lin et al., 2000). 결론적으로 차전자피 의 첨가가 압출성형물의 밀도를 증가시켜 경도, 겉보기탄 성계수, 파괴력을 증가시켰으며 수분흡수력을 증가시켜 부 착성에도 영향을 미쳐 물리적 특성 뿐 만 아니라 관능 특 성에도 영향을 줄 것으로 사료된다.

Fig. 2. Scanning electron micrographs of cross-sections of extruded rice flour with psyllium husk contents (10x magnification): (a) Psyllium husk 0%, (b) Psyllium husk 7%, (c) Psyllium husk 14%, (d) Psyllium husk 21%.

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