반응표면분석법을 이용한 쌀 소재 활용 볼 어묵의 제조조건 최적화

어묵 제조를 위해 사용된 재료는 명태살(생생무역, Busan, Korea), 새우(비비수산, Busan, Korea), 계란흰자(풀 무원, Chungbuk, Korea), 소금(한주소금, Ulsan, Korea), 양 파와 당근으로 전북 전주시 소재 마트에서 구매하여 사용 하였다. 어묵제조를 위한 쌀 소재로 재고미에서 전분과 단백질을 추출하였으며, Souza et al. (2016)의 연구방법을 참고하여 쌀 전분과 단백질을 동시에 추출하였다(Fig. 1). 탈지한 쌀 1 kg에 0.2% NaOH (Daejung, Gyeong-gi, Korea) 를 1.5 kg 넣어 1시간 동안 교반하였고, 8,000 rpm에서 10 분간 원심분리한 후, 상등액은 단백질 회수, 침전물은 전분 회수를 위해 사용하였다. 상등액은 0.1M-HCl (Daejung, Gyeonggi, Korea)로 단백질 등전점(pH 4.5)을 맞추어 원심 분리(8,000 rpm, 10분)하여 침전된 단백질을 회수하였다. 침전물은 0.2% NaOH로 여러 번 수세하여 단백질을 제거 하였고, 회수된 단백질과 전분은 모두 중화한 뒤, 3회 이 상 수세하여 동결건조하였다.

Fig. 1. Process for rice starch and rice protein extraction.

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쌀 소재를 활용한 어묵의 제조조건 최적화를 위해 실험 디자인은 Minitab (16.0 ver., MINITAB, State College. PA, USA)프로그램으로 반응표면분석법(Response surface methodology: RSM)을 이용하였다. 어묵제조를 위해 쌀 전 분과 단백질의 배합비율을 최적화하기 위해 실험계획은 중 심합성법(Central Composite Design; CCD)을 이용하였다. 쌀 전분(10, 20, 30%)과 쌀 단백질(1, 3, 5%)을 독립변수로 설정하였으며, -1, 0, +1로 부호화하여 각각의 조건을 랜덤 화 하였다(Table 1). 종속변수는 점도(Y₁), 색도(Y₂: L, Y₃: a, Y₄: b), 관능평가(Y₅: Color, Y₆: Flavor, Y₇: Off flavor, Y₈: Taste, Y₉: Hardness, Y₁₀: Cohesiveness, Y₁₁: Springiness, Y₁₂: Chewiness, Y₁₃: Overall acceptance)로 설정하였다.

실험계획에 따른 볼 어묵의 제조 배합비는 Table 2와 같 다. 쌀 전분과 단백질로 대체된 중량만큼 혼합연육 함량 을 조절하였고, 이외의 달걀흰자 60 g, 소금 2 g, 양파와 당근 혼합채소는 30 g씩 동일하게 배합하였다. 혼합연육 은 명태살과 새우살을 넣고, 믹서기(HMF-3000S, Hanil, Seoul, Korea)로 갈아 소금을 먼저 혼합하여 1분간 치대고, 남은 재료를 모두 넣어 9분간 반죽기(KitchenAid K5SS, Beton Harbor, MI, USA)로 치댄다. 반죽은 중량을 기준으 로 15 g이었으며, 지름 3.0-3.5 cm의 볼(ball)형태로 성형하 여 30분간 스팀 처리하였다.

점도는 어묵반죽을 비커에 50 g씩 평평하게 담아 점도계 (US/RVDV-11 Viscometer, Brookfield, Middleboro, MA, USA)를 이용하여 spindle No. 7을 사용하여 30 rpm으로 측정하였다. 색도는 어묵을 절단한 뒤 단면을 색차계 (Huterlab, US/Ultrascan PRO. CMS-35S, USA)를 사용하 여 L (lightness), a (redness), b (yellowness)값을 측정하였 으며, 표준 백색판은 L값은 95.75, a값은 0.15, b값은 2.82 였다.

볼 어묵의 기호도는 척도에 대한 이해와 특성강도에 대 한 평가가 가능한 훈련된 패널 15명을 대상으로 하였다. 색, 향, 이취, 맛, 조직감(경도, 응집성, 탄력성, 씹힘성) 및 전반적인 기호도 항목에 대해 9점 척도법(Hedonic scale)으 로 평가하였다. 시료와 시료 사이에는 반드시 물로 입안을 헹구도록 하여 전 시료에 의한 영향이 미치지 않도록 하였 다. 기호도는 “매우 좋음”이 9점, “매우 좋지 않음”을 1점 으로 평가하였다.

쌀 전분과 단백질을 이용하여 연육을 대체한 어묵의 구조 적인 특징을 관찰하여 조직감의 특성을 이해하기 위해 미세 구조를 분석하였다. 시료의 미세구조는 scanning electron microscope (JSM-6010LA, JEOL, Tokyo, Japan)를 이용하여 관찰하였다. 미세구조 분석을 위해 어묵은 가로, 세로, 높이 1 cm로 슬라이스하여 동결건조하였으며, aluminium stubs에 시료 양 끝을 carbon 테이프로 고정하였다. 그 후 goldpalladium으로 10-30 mm의 두께로 코팅하여 accelerating voltage 15 kV에서 500배의 배율로 관찰하였다.

기호도를 제외한 실험은 3회 반복하여 실시하였으며, 실 험으로부터 얻은 결과는 SPSS (Statistical Package for Social Sciences, SPSS Ins., Chicago IL, USA) software를 이용하여 평균±표준편차로 나타내었고, 시료 간의 유의성 검증은 Duncan's multiple range test에 의해 p<0.05 수준에 서 유의적 차이를 검증하였다. 반응표면분석(Responce surface methodology: RSM)을 위해 Minitab (16.0 ver., MINITAB, Pennsylvania, USA)을 이용하였으며, 종속변수 에 대한 이차 회귀식을 도출하여 최적 조건을 설정하였다.

반죽의 점도(Y₁)와 어묵의 색도(Y₂: L, Y₃: a, Y₄: b) 측 정결과는 Table 3과 같다. 반죽의 점도는 No. 6 (Rice starch 30% : rice protein 5%)이 가장 높은 값을 나타냈다. Chung & Lee (1996)의 연구에서 콩, 우유, 밀 글루텐과 같은 식물성 단백질에 결합된 수분은 겔 형성에 영향을 미 치며, 단백질과 결합된 수분이 적을수록 수리미(Surimi)의 겔 강도는 높아지는 것으로 보고된 바 있다. 본 연구에서 혼합연육을 대체하여 쌀 전분과 쌀 단백질을 첨가함에 따 라 반죽의 수분함량이 낮아져 겔 형성에 영향을 미치면서 반죽의 점도는 강하게 측정된 것으로 판단되었다. 어묵의 색도 중 L값(Y₂)은 No. 9 (Rice starch 10% : rice protein 1%)와 No. 11 (Rice starch 20% : rice protein 1%)이 각 각 53.13, 53.18로 유의적으로 높게 측정되었으며(p<0.05), 쌀 단백질 함량이 증가할수록 L값이 감소하는 결과를 보 였다. 어묵의 a값(Y₃)과 b값(Y₄)은 각각 2.03-3.48, 9.74- 12.86으로 쌀 전분과 단백질 첨가량이 가장 많은 No. 6 (Rice starch 30% : rice protein 5%)이 가장 높게 나타냈 다. 쌀 단백질의 함량이 어묵의 색도에 영향을 미치는 것 으로 보이며, 쌀 단백질 함량이 많을수록 고유의 색이 발 현되면서 어묵의 명도가 낮아지는 것으로 판단되었다. Cho & Kim (2011)의 연구에서도 홍어분말 첨가량(5%)이 증가 함에 따라 명도는 유의적으로 감소하고, a값 및 b값은 증 가하는 결과를 보였다. 복어 수리미로 제조한 어묵(Ahn et al., 2019)의 색도 측정결과에서도 수리미의 복어 첨가량이 증가할수록 L값이 감소하는 결과를 보여 부재료로 첨가되 는 식품의 색이 어묵의 색도에 영향을 미치는 것으로 판단 되었다.

반죽의 점도와 색도에 대한 회귀분석 결과는 Table 4와 같다. 반죽의 점도(Y₁)는 p-value가 0.005로 나타냈으며 (p<0.01), R²값이 0.93으로 매우 높은 결과를 보였다. 색도 L값(Y₂)과 b값(Y₄)의 p-value는 각각 0.053, 0.024로 유의적 결과를 보였으나, R²값이 0.83, 0.75으로 나타나 b값(Y₄)은 쌀 전분 및 단백질 배합비율 최적화를 위한 model에서 제 외하였다. 어묵의 점도와 L값에 대한 반응표면도는 Fig. 2 에 제시하였다. 쌀 전분과 쌀 단백질 함량이 증가할수록 점도가 증가하였으며, L값은 쌀 단백질 함량이 증가할수록 명도가 낮아지는 결과를 보였다.

Fig. 2. Response surface plot of viscosity (Y₁) and L value (Y₂) according to the starch contents (%) and rice protein contents (%).

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쌀 전분 및 단백질 첨가량에 따른 어묵의 관능적 기호도 (Y_5-13)를 평가하였다(Table 5). 색(Y₅)의 기호도는 시료 간 의 차이를 보이지 않았으며, 향(Y₆)은 5번 및 7번 시료가 5.73, 5.55로 가장 높은 기호도를 보였다(p<0.05). 경도(Y₉) 에 대한 기호도는 쌀 전분의 대체비율이 높을 때 3.45- 3.82점으로 평가되어 쌀 전분 함량이 증가함에 따라 반죽 의 점도가 증가하고, 이는 어묵의 경도를 단단하게 하여 기호도가 낮아지는 것으로 판단되었다. 어묵의 탄력성(Y₁₁) 과 씹힘성(Y₁₂)은 중심점(Rice starch 20% : rice protein 3%)에 해당하는 No. 5, 7, 10 시료의 기호도가 높았으며, 전반적인 기호도(Y₁₃)는 쌀 단백질 대체비율이 높은 시료 가 5점 미만으로 낮은 기호도를 보였다. 전분은 보관과정 중 발생하는 이수현상을 방지하여 품질을 유지시킬 수 있 으며, 겔을 형성하기 때문에 탄력성을 부여하는 역할을 하 는 것으로 보고된 바 있다(Han & Lee, 2014). 하지만 본 연구에서는 어묵의 경도를 증가시키는 요인으로 작용하여 No. 2, 6, 8 시료의 조직감 특성과 전반적인 기호도가 낮 게 평가되었다. Kim et al. (2020)의 연구에서 품종별 쌀가 루를 첨가한 어묵의 품질을 평가하였으며, 20명을 대상으 로 7점 척도를 이용한 기호도 검사 결과 4.50-5.30점의 분 포로 ‘약간 좋다’수준의 기호도를 보였다. 반면에 본 연구 에서는 쌀 전분과 쌀 단백질의 첨가비율에 따라 전반적인 기호도가 3.64(약간 싫다)-6.64(약간 좋다)점의 넓은 분포를 보여 쌀 전분과 쌀 단백질 함량이 소비자의 기호도에 미치 는 영향이 큰 것으로 판단되었다. 이는 소비자의 기호도를 저하하지 않는 쌀 전분과 쌀 단백질의 적절한 배합비율이 중요하며, 본 연구를 통해 쌀 전분과 쌀 단백질의 적절한 사용량을 제안하는 것은 쌀소재 활용 어묵의 제조조건을 설정하는 기초자료가 될 수 있을 것으로 판단되었다.

관능적 기호도의 회귀분석 결과는 Table 6에 나타내었다. 색(Y₅), 이취(Y₇), 경도(Y₉), 점착성(Y₁₀), 탄력성(Y₁₁), 씹힘 성(Y₁₂) 및 전반적인 기호도(Y₁₃)의 p값이 <0.05의 수준으 로 나타나 어묵제조를 위한 배합비율에 따라 기호도에 차 이를 보였다. 향(Y₆)과 맛(Y₈)의 기호도를 제외한 관능적 특성 항목의 R²값도 0.88-0.95로 높게 분석되었다. 어묵의 기호도 검사 결과의 반응표면도는 Fig. 3에 제시하였다. 모 든 관능적 특성 항목의 기호도는 쌀 전분 함량이 20%일 때 가장 높게 평가되었으며 쌀 단백질 첨가비율 3%까지 기호도가 증가하다가 3% 이상일 때 다시 감소하는 결과를 보였다.

Fig. 3. Response surface plot of acceptance test (Y₅-Y₁₃) according to the starch contents (%) and rice protein contents (%)

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쌀 전분과 단백질 활용 볼 어묵의 구조적인 특징을 관찰 하기 위한 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope) 분석 결과는 Fig. 4와 같다. 쌀 전분함량이 30%로 높은 시료의(No. 2, 6, 8) 표면은 기공의 생성이 적고, 상대적으 로 매끄러운 것을 관찰 할 수 있었다. 반죽의 점도(Y₁)값 도 전분함량이 증가할수록 높은 결과를 보여 어육을 대체 한 전분의 가교결합에 의해 겔 강도가 강한 어묵제조가 가 능하였을 것으로 판단되었다. 반면에, 쌀 단백질함량이 높 은 시료는 기공이 크고, 표면이 거친 느낌이 관찰되어 겔 강도가 낮을 것으로 예상되었다. 미세구조 분석을 통해 쌀 전분과 쌀 단백질의 첨가에 따라 어묵의 조직감 특성이 달 라질 수 있음을 확인하였으며, 추가적인 연구를 통해 어묵 의 조직감에 미치는 영향을 확인할 필요가 있을 것으로 판 단되었다. 연육을 함유하는 스낵(Chae et al., 2019) 및 어 묵(Cha et al., 2020) 연구에서 미세구조와 겔 강도를 측정 한 결과, 단백질의 변성, 정제의 정도, myosin 함량 등의 요인들이 겔 강도에 영향을 미치는 것으로 보고된 바 있다. 본 연구에서는 연육을 쌀 단백질로 일부 대체함에 따라 염 용성 단백질인 액토미오신(actomyosin) 함량이 감소하고, 어묵을 제조하는 과정에서 단백질의 변성이 발생하여 겔의 형성에 영향을 미쳤을 것으로 예상하였으나, 쌀 전분의 대 체비율이 높아 어묵의 조직감을 형성하는데 상쇄적인 작용 이 발생하였을 것으로 판단되었다.

Fig. 4. The microstructure (×500) of the ball-eomuk according to the starch contents and rice protein contents. ¹⁾Refered to Table 1.

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반응표면분석 결과에 따라 최적화된 쌀 전분 및 단백질 배합비율은 Table 7과 같다. 어묵제조를 위해 연육을 대체 한 쌀 전분 및 단백질 첨가비율은 각각 19.99%, 2.91%로 조사되었다. 쌀 전분과 쌀 단백질의 연육 대체비율을 최적 조건으로 배합할 때, 예측되는 반죽의 점도와 색도 L값은 각각 11999 cP 및 49.27로 나타났으며, 어묵의 기호도는 색 5.44, 향 5.36, 이취 5.22, 경도 5.46 및 전반적인 기호 도는 6.11점으로 보통 이상의 기호도를 보일 것으로 예측 되었다. 따라서, 쌀 전분과 쌀 단백질의 연육 대체비율 최 적화를 통해 적절한 어묵의 겔 강도를 형성하는 고품질의 어묵개발을 위한 기초자료가 될 것으로 판단되었다.