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서 론
우리나라의 식생활은 곡류를 위주로 하는데, 그 중 대두 는 식물성 단백질과 지방의 급원으로 약 1,500년 전부터 재배되고, 이용되어 왔다.
우수한 단백질과 불포화지방산 함량이 높은 대두는 지방 과 탄수화물, 비타민 및 미네랄 등 미량 영양성분을 갖추 고 있으며, 여러 생리활성 인자가 풍부하여 기능성 효능을 갖추고 있는 식품소재이다. 대두를 원료로 한 다양한 제품 들의 발달과 더불어 대두에서 기능성 성분을 따로 분리하 여 소재로써 이용하기 위한 다양한 기술연구도 진행되고 있다(Kim, 2006). 대두의 사포닌, 이소플라본, 피틴산, 식이 섬유, 난소화성 단백질 등은 콜레스테롤을 답즙산으로 만 들어 배설하므로 혈중 콜레스테롤을 낮출 수 있으며(Shin et al., 1999;Park et al., 2004), 특히, 사포닌, 이소플라본, 피틴산은 항암활성이 보고되었다(Liener, 1994;Kennedy, 1995). 또한, 대두는 생리활성물질과 영양학적 가치의 중요 성이 인정되어 발효식품, 발아제품 및 기타 가공식품의 소 재로 다양하게 이용되고 있다(Back et al., 2010).
이러한 대두에서 단백질만 분리하여 탄수화물과 지방이 제거된 분리대두단백은 대두에서 단백질 성분만 분리하여 90%이상의 단백질을 함유하고 있으며, 제품의 결착력 증 가 및 조직감 개선에 이용되며(Kim, 1992), 단백질 함량 이 탈지대두보다 2배 이상 높아서, 단백질 강화 식품에 적용하여 효과를 낼 수 있다(Hong et al., 2008). 또한, 수 화력이 우수하여 다양한 식품의 증량제, 병원환자식, 이유 식, 다이어트식품, 근육증강제, 건강보조식품 등으로 널리 이용되고 있고(Park & Lee, 2005), 육가공 제품의 제조 시 조직감, 외관, 유화안정성, 보수력, 결착력 등의 기능적 특성 향상과 제조 수율의 향상으로 인한 원가절감을 위해 동물성단백질 대신 다양하게 사용되고 있다(Lee et al., 2003).
1960년대 초 미국에서 처음으로 압출성형기를 이용하여 축산육류에 대응하는 단백질 공급원 및 식품으로 식물성 단백질의 조직화를 시작하였다. 고온, 고압으로 단백질의 구조를 변형시켜 물리적으로 재구성하는 방법을 사용하였 으며, 그 이용기술이 지속적으로 발전하여 왔다(Song et al., 1994). 압출성형공정은 식물성 단백질의 다른 조직화 공정에 비하여 공정이 단순하여 경제적인 면에서 많은 장 점이 있고(Ryu, 2003), 단시간에 제품의 연속, 대량생산이 가능하여 생산효율의 증가, 에너지 절감 및 균일한 제품의 생산이 가능하다(Koh, 1996). 압출성형 공정은 고온의 배 럴 안에서 회전하는 스크루에 의하여 원료가 혼합되면서 마찰이 생겨 전단력과 함께 열을 받아 소재의 성질을 분자 결합 수준까지도 바꿀 수 있는 장점이 있다(Kim & Lee, 2009).
Liu & Hsieh (2007)에 의하면 압출성형 원료로 사용하 고자 하는 분리대두단백은 수분함량을 조절하여 압출성형 할 경우 섬유형태를 갖는 육고기와 유사한 조직을 가지므 로, 대체육으로 사용 가능한 것으로 보고되었다. 고수분 압 출성형공정에서도 분리대두 단백질을 육고기와 비슷하게 조직감을 만들 수 있다. Lin et al. (2000)의 연구에서 압출 성형공정에서 수분함량 30%일 때 조직이 팽화되지만, 수 분함량 50% 이상에서 냉각다이를 이용한 압출성형물은 팽 창되지 않는 조직과 섬유질을 만들 수 있다고 보고하였다. 이와 같이 압출성형공정은 육고기와 비슷한 조직감을 가지 는 대체육을 만드는 중요한 공정이다. 따라서 본 연구는 분리대두단백, 글루텐과 옥수수전분을 배럴온도(110, 130, 150 °C)와 수분함량(40, 45, 50%)을 달리하여 압출성형한 조직감, 수분흡수율, 조직잔사지수, 색도, 미세구조 등의 변 화를 분석하여, 압출성형 대체육 제조에 필요한 최적의 배 럴온도와 수분함량에 대해 연구해보고자 한다.
재료 및 방법
실험에 사용한 분리대두단백(Wachsen West Road, Qingdao, China)의 단백질 함량과 수분 함량은 각각 90%, 6.2%였다, 옥수수 전분은 ㈜삼양사(Seoul, Korea)에서 구입 하였으며, 수분 함량은 10.8%였다. 글루텐(Roquette Freres, Lestrem, France)의 단백질 함량과 수분 함량은 각각 83%, 6.2%였다. 분리대두단백 50%, 글루텐 40%, 옥수수전분 10%를 혼합하여서 압출성형 대체육 재료로 사용하였다.
실험에 사용된 실험용 압출성형기는 동방향 쌍축 압출성 형기(THK31T, Incheon Machinery Co., Incheon, Korea)로 직경과 길이의 비(L/D ratio)는 23:1이었고, 직경은 30 mm, 스크루의 배열은 고전단력 스크루를 사용하였다(Fig. 1). 분리대두단백 50%, 글루텐 40%과 옥수수전분 10%를 혼 합하여 투입하고, 수분함량은 펌프로 원료 투입구에 직접 물을 투입하여 조절하였으며, 용융물의 온도는 전열기와 냉각수를 사용하여 조절하였고, 모터용량은 7.5 HP였다.
압출성형 공정변수는 원료 투입량 100 g/min, 스크루 회 전속도 250 rpm으로 고정시키고 배럴온도 110, 130, 150°C 에 각각 수분 함량 40, 45, 50%로 조절하였다. 제조된 압 출성형 대체육은 열풍건조기(DS-FCPO250, DongSeo Sci. Co., Seoul, Korea)에서 50°C로 8시간 건조하여 품질 특성 을 측정하였다. 건조된 압출성형 대체육을 80°C에서 수화 하여 수분용해지수, 수분흡착지수, 탄성력, 응집력, 씹힘성, 조직잔사지수를 측정하였다.
압출성형 대체육의 수분용해지수(water solubility index, WSI)와 수분흡착지수(water absorption index, WAI)는 Lawton (1984)의 방법을 응용하여 1.5-2.0 cm로 절단한 시 료 5 g을 water bath를 이용하여 80°C에서 60분간 수화시 킨 다음 15분간 물을 제거하고 수화된 시료의 무게를 측 정하였다. 건조된 시료와 수화된 시료의 무게를 3회 측정 한 후 평균값과 표준편차를 구하였다(식 1, 2)
수화된 압출성형 대체육의 조직감은 Sun Rheo-meter (Compac-100 II, Sun Sci. Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 10회 측정하여 평균값을 산출하였다. 1번 probe(직경 2 cm)를 사용하였으며, 측정조건은 지지대 이동속도 100 mm/min, 최대응력 2 kg이었다. 1.5-2.0 cm 시료를 사용하여 water bath에서 80°C, 60분간 수화시킨 다음 15분간 물을 제거하고 탄력성, 응집성을 측정하였다(Trinh & Glasgow, 2012).
조직화 압출성형 대체육의 조직형성 정도를 평가하기 위 하여 조직잔사지수(integrity index)를 Han et al. (1989) 및 Park et al. (2016)의 방법으로 다음과 같이 측정하였다. 압 출성형 대체육 5 g을 80°C의 물에서 30분간 수화시킨 후 121°C에서 30분간 고압 가열하였다. 흐르는 물에 냉각시킨 후 100 mL의 증류수를 부어 homogenizer (IKA, Staufen, German)로 15,000 rpm에서 1분간 균질화시키고, 20 mesh 표준체에서 흐르는 물에 1번 씻어낸 다음 105°C에서 8시 간 건조시켰다. 건조 후 건물량에 시료 무게를 나누어 다 음 식(3)에 따라 산출하였다.
압출성형 대체육을 80°C에서 1시간 수화시킨 후 동결 건조하여 단면을 백금으로 코팅 후 고분해능 주사전자현미 경(MIRA III LMH, Tescan, Inc., Cranberry Township, PA, USA)으로 가속전력 20 kV에서 미세구조를 관찰하였다.
결과 및 고찰
수분함량과 배럴온도는 수분용해지수 및 수분흡착지수에 중요한 요소로서, 수화시킨 압출성형 대체육의 조직과 밀 접한 관계를 가지고 있다. 배럴온도와 수분함량에 따른 수 분용해지수 및 수분흡착지수의 변화는 Table 1에 나타내었 다. 배럴온도 110°C에서 수분함량이 40, 45, 50%로 증가 할수록 수분용해지수는 5.00±0.00, 5.00±0.00, 7.67±0.58% 으로 증가하였으며, 130°C에서 각각 4.33±1.15, 6.00±0.00, 6.33±0.58%으로 증가하였으며, 150°C에서 각각 6.33±1.15, 6.67±0.58, 7.00±1.00%으로 증가하였고, 배럴온도 150°C 에서 수분함량 50%일 때 가장 높은 수분용해지수(7.00± 1.00%)를 나타내었다.
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수분흡착지수는 수분함량이 증가할수록 증가하는 경향을 보였으며, 배럴온도가 110에서 150°C로 증가함에 따라 190.40±1.06%에서 335.40±3.82%로 증가하였다. Lin et al. (2002)에 의하면 식물성 단백질 압출성형 대체육의 수분함 량이 증가할수록 수분흡착지수가 증가한다는 보고와 일치 하였다.
시료에 변형이 제거된 후 원상태로 돌아가는 비율이 탄 력성이고, 씹힘에 대한 저항성을 이용하여 조직 형성력을 알 수 있는 것이 응집성이다(Trinh & Glasgow, 2012).
Table 2와 같이 배럴온도를 110°C로 고정시키고 수분함 량을 40, 45, 50%로 변화시켰을 때, 탄력성은 83.93±2.67, 82.42±4.60, 76.38±4.74%로 감소하였고, 응집성도 68.53± 6.30, 59.55±6.20, 45.07±7.38%값으로 감소하는 경향을 보 였다. 배럴온도를 130°C로 고정시키고 수분함량을 40, 45, 50%로 각각 달리하였을 때 탄력성은 86.20±3.35, 85.31± 2.92, 80.41±5.52%로 감소하였고, 응집성도 73.84±6.72, 71.99±7.66, 53.97±11.41%로 감소하였다. 배럴온도를 150°C 로 고정시키고 수분함량을 40, 45, 50%로 하였을 때 이에 따른 탄력성은 91.96±1.27, 87.05±4.00, 86.94±3.56%로 감소 하였고, 응집성 또한 85.82±2.39, 84.41±3.65, 73.02±7.91% 로 감소하였다. Gu & Ryu (2017)는 분리대두단백을 압출 성형하였을 때 수분함량과 스크루회전속도에 따른 응집성 과 탄력성 모두 수분의 양과 상관관계가 있다고 보고하였 으며, 본 실험에서도 수분함량이 증가할수록 분리대두단백 과 글루텐 압출성형 대체육의 탄력성과 응집성이 감소하는 상관관계를 보였다.
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압출성형 대체육의 조직화 정도를 가장 용이하게 평가할 수 있는 방법은 관능평가이지만 섬유상 조직감을 수치상으 로 나타내기는 어렵다. 따라서 본 실험에서는 육고기가 가 지고 있는 섬유상 조직감을 수치적으로 표현하기 위해 Park et al. (2016)의 방법을 응용하여 압출성형 대체육의 조직잔사지수를 측정하였다
조직잔사지수는 Table 2와 같이 배럴온도 110°C, 수분함 량 50%일 때 36.13±0.18%로 가장 큰 값이었으며, 배럴온 도 150°C, 수분함량 40%일 때 16.47±0.22%로 가장 낮은 값을 보였다. Gu & Ryu (2017)가 분리대두단백을 압출성 형하였을 때 수분함량이 가장 낮은 40%에서 압출성형 대 체육의 팽화가 가장 많이 일어나기 때문에 조직잔사지수가 가장 낮다고 보고하였으며, 본 실험에서 각각의 온도에서 수분함량이 40%일 때 조직의 결착력이 감소하여 조직잔사 지수가 낮은 결과 값이 나타났다.
배럴온도와 수분함량에 따른 압출성형 분리대두조직단백 의 종단면(×150)의 미세구조는 Fig. 2와 같다. 수분함량이 증가할수록 단백질 조직화가 증가하여 규칙적인 섬유조직 을 관찰할 수 있었다. 150°C에서는 팽화가 많이 일어났기 때문에 거친 표면과 많은 기공을 관찰할 수 있었다. 본 실 험을 통해 많은 기공이 관찰된 시료일수록 수분흡수력이 높다는 것을 확인할 수 있었다(Table 1). 이는 Lin et al. (2002)이 다공질 형태의 층은 수분흡수력과 관련이 있으며, 고온에서 시료들의 팽창율이 증가하여 공기층이 커진다는 내용과 일치하였다. 배럴온도 150°C의 시료들의 조직은 닭 고기 가슴살과 비슷한 섬유구조를 띄었으며 그 중 배럴온 도 150°C, 수분함량 40%일 때 닭고기 가슴살 미세구조와 가장 유사한 구조를 관찰할 수 있었다.
색도가 어두운 물질일수록 영양소의 손실이 일어나고, 비효소적 갈변 반응으로 단백질 구조의 아미노산 결합이 파괴될 수 있다고 보고되었다(Ryu & Ng, 2001).
배럴온도와 수분함량에 따른 압출성형 대체육의 색도는 Table 3에 나타내었다. 명도는 배럴온도 150°C, 수분함량 40%에서 가장 낮은 값인 66.45±0.01였고, 배럴온도 110°C, 수분함량 50%에서 가장 높은 68.94±0.00 값을 나타내었 으며, 배럴온도 110°C에서 수분함량이 높아질수록 67.58± 0.00에서 68.94±0.0으로 증가하였고, 배럴온도 130°C에서도 수분함량이 높아질수록 67.00±0.01에서 68.79±0.01으로, 배 럴온도 150°C에서도 수분함량이 높아질수록 66.45±0.01에 서 67.19±0.00으로 각각 증가하였다. 적색도는 배럴온도 150°C, 수분함량 40%에서 4.67±0.02으로 가장 높은 값을 나타내었고, 배럴온도 110°C, 수분함량 40%에서 3.04±0.03 으로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이와 유사하게 황색도 역시 배럴온도 150°C, 수분함량 40%에서 20.01±0.01으로 가장 높은 값을 나타내었고, 배럴온도 110°C, 수분함량 40%에서 18.05±0.01으로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이는 Altan et al. (2008)의 보고에 의하면 스크루 회전속도와 배 럴온도에 의하여 온도가 높아질수록 갈변 반응이 증가하므 로 색도 변화가 크다는 결과와 일치하였고, 수분함량의 증 가에 따라 색도 차가 적으며 명도가 높은 것을 알 수 있 었다.
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요 약
본 연구는 배럴온도(110, 130, 150°C)와 수분함량(40, 45, 50%)이 식물성단백질(분리대두단백, 글루텐)의 조직화 및 물리적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 분리대두단 백과 글루텐 압출성형 대체육의 수분용해지수는 배럴온도 110, 130, 150°C에서 수분함량이 40, 45, 50%로 높아질수 록 증가하였으며, 150°C, 50%에서 7.00±1.00%로 가장 높 게 나타났다. 수분흡착지수 역시 각 배럴온도에서 수분함 량이 높아질수록 증가하였고, 가장 높은 값은 150°C, 50% 의 수분함량에서 335.40±3.82% 나타났다. 탄력성과 응집성 은 150°C, 40% 수분함량일 때 각각 91.96±1.27%, 85.82± 2.39%로 가장 높게 나타났으며, 각 배럴온도에 따른 수분 함량이 증가할수록 탄력성과 응집성은 감소하는 경향을 보 였다. 조직잔사지수는 배럴온도 110, 130, 150°C에서 각각 수분함량이 40, 45, 50%로 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었으며, 배럴온도 110°C, 수분함량 50%에서 가장 높은 36.13±0.18% 결과 값을 나타내었다. 각 배럴온도에서 수분함량이 증가할수록 명도(L)는 증가하는 경향을 보였으 며, 배럴온도 150°C, 수분함량 40%에서 적색도(a)와 황색 도(b)는 각각 4.67±0.02, 20.01±0.01으로 가장 높게 나타났 다. 미세구조를 관찰한 결과 배럴온도 150°C, 수분함량 40%에서 닭고기의 근육조직과 유사한 섬유구조를 나타내 었다. 결론적으로, 분리대두단백과 글루텐 압출성형 대체육 의 조직화는 배럴온도와 수분함량이 영향을 미치며, 최적 의 압출성형 조건은 배럴온도 150°C, 수분함량 40%로 판 단되었다.
