식물성 버거 패티의 제조를 위한 압출성형 건식과 습식 대체육의 품질 특성 비교

본 실험은 원료로 분리대두단백(Pingdingshan Tianjing Plant Albumen Co., Ltd. Zhengzhou, China), 밀 글루텐(Roquette Freres, Lestrem, France), 옥수수 전분(Samyang Co., Seoul, Korea)을 사용하였다. 대조군으로 사용한 소고기는 국내산 우육으로 우둔 부위를 마트에서 구입하여 사용하였다.

본 실험에 사용된 압출성형기는 실험용 동방향 쌍축압출성형 기(THK31T, Incheon Machiney Co. Incheon, Korea)로 스크루 직경은 30.0 mm, 길이와 직경의 비(L/D ratio)는 23:1이었다. 건식에 사용된 사출구는 길이가 약 4.97 cm, 높이가 0.45 cm 인 슬릿다이(silt die)로 단면은 Fig. 1(A)와 같다. 습식에는 가 로 50 cm, 세로 7 cm의 크기를 지닌 직사각형 형태의 냉각다 이(cooling die)를 사용하였으며 단면은 Fig. 1(B)에 나타내었다. 대체육의 원료는 분리대두단백 50%, 글루텐 40%, 옥수수 전분 10%를 실온에서 수작업으로 배합하여 건식과 습식 공정의 시 료로 동일하게 사용하였다. 건식의 경우, 수분함량 35%, 스크 루 속도 250 rpm, 사출구 온도 140°C로 하였으며, 습식은 수 분함량 65%, 스크루 속도 150 rpm, 바렐 온도를 160°C로 하여 냉각다이를 통해 20°C로 사출하였다. 건식과 습식의 용융물의 온도는 전열기와 냉각수를 사용하여 조절하였으며, 원료 사입량 은 100 g/min로 고정하였다. 습식과 건식으로 사출된 시료는 지 퍼백으로 밀봉하여 –20°C의 냉동고(FR-S690FXB, Klasse Auto Co., Ltd., Seoul, Korea)와 실온에서 각각 보관하였으며, 1.5 × 1.0 × 1.5 cm (W×H×D)의 크기로 잘라 물리적 특성을 측정하 였다. 또한, 동결건조한 습식과 건식 대체육을 가정용 그라인더 (FM-909T, Hanil, Seoul, Korea)로 분쇄한 50-70 mesh의 분말을 시료로 하여 화학적 특성을 측정하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of short-slit die (A) and long-cooling die (B).

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대체육의 조직감 분석(texture profile analysis)을 위한 건식 대체육은 90°C의 water bath에서 30분간 수화하였으며, 냉동된 습식 대체육은 실온에서 약 4시간 해동한 후 시료로 사용하였 다. Sun Rheo-meter (Compac-100II, Sun Sci. Co., Tokyo, Japan)를 이용하여 Breene (1975)의 분석 방법에 따라, 모든 시 료의 경도(hardness), 응집성(cohesiveness), 탄성(springiness), 씹 힘성(chewiness)를 각 10회씩 측정하여 그 평균값을 산출하였다. 측정조건은 probe angle type (65°), 최대응력 10 kg, 지지대 이 동 속도 100 mm/min, 지지대간의 거리 1.5 cm였다.

대체육의 조직화 정도를 평가하기 위해서 조직잔사지수 (integrity index)를 Samard et al. (2019)의 방법을 응용하여 다 음과 같이 측정하였다. 시료 5 g에 100 mL의 증류수를 섞은 후 80°C의 water bath에서 30분간 침지, 복원시킨 후 121°C로 15분간 가압 및 가열하여 흐르는 물에 냉각시켰다. 냉각된 시료 에 증류수를 부어 100 mL로 정용하고 homogenizer로 14,450 rpm으로 1분간 균질화시킨 후 20 mash의 체로 걸러내었다. 잔 사는 흐르는 물로 30초간 씻어낸 후 105°C에서 3시간 건조 후, 건물량의 무게를 시료의 무게로 나눠주어 다음 식 (1)에 따라 산출하였다.

대체육 시료의 수용성질소지수(nitrogen solubility index, NSI) 의 실험은 Daun ＆ DeClercq (1994)의 방법을 사용하였다. 시 료 1.5 g을 0.5%의 KOH 용액 75mL에 넣고 30° C의 shaker (SI-300R, Jeiotech, Seoul, Korea)에 120 rpm으로 교반하였다. 그 중 50mL를 취하여 3,000 rpm에서 20분 동안 원심분리한 후 0.5 mL의 상등액을 최종적으로 취하여 Ninhydrin 방법(Starcher, 2001)으로 수용성질소함량(soluble nitrogen content)을 측정하였 다. 총 질소함량 값은 시료 1.5 g을 6N의 염산 100°C에 24시간 동안 완전히 가수분해하여 75mL의 증류수에 녹인 후 상등액 0.5 mL를 취하여 Ninhydrin 방법으로 측정하여 다음 식 (2)에 대입하였다.

대체육의 보수력(water holding capacity)은 Lin et al. (2002) 의 방법을 사용하였다. 시료 5 g에 100 mL의 증류수를 섞은 후, 50°C의 water bath에 12시간 동안 침지, 복원시키고 20 mesh체에 걸러서 5분 동안 수분을 배출하여 무게를 측정하고, 다음 식 (3)에 따라 산출하였다.

대체육 시료의 수분흡수력(water absorption capacity, WAC)과 유지흡수력(oil absorption capacity, OAC)은 Cha et al. (2020)의 방법을 이용하여 측정하였다. 수분흡수력 측정을 위해 시료 2 g 에 증류수 20 mL를 혼합한 후, 30초 동안 voltex mixer (KMC- 1300V, BioNex Solutions, Inc., San Jose, CA, USA)를 이용하 여 교반하고 10분간 정지시키는 과정을 5번 반복하고, 4,000 rpm에서 20분간 원심분리하였다. 최종적으로, 상층액을 따라낸 상태에서 10분간 정치시킨 침전물의 중량을 측정하였으며, 또한 , 식용유를 사용한 동일한 방법으로 침전물의 무게에서 시료의 무게를 나누어 수분흡수율 및 유지흡수율 값을 다음 식 (4), (5) 와 같이 계산하여 평균값을 측정하였으며, 모든 실험의 횟수는 총 3회로 하였다.

대체육 시료의 유화활성(emulsifying activity, EA)과 유화안정 성(emulsifying stability, ES)은 Kim & Park (1995)의 방법에 따 라 측정하였다. 시료 0.5 g에 증류수 5mL를 가하여 균질기(IKA Co., Ltd., Staufen, Germany)를 사용하여 5,000 rpm에서 1분간 분산시킨 후, 식용류 5mL를 다시 첨가하여 동일한 방법으로 분산시켜 혼합하였으며, 이때 형성된 혼합액을 이용하여 유화활 성과 유화안정성을 측정하였다. 유화 활성은 1,600 rpm에서 5분 간 원심분리하였으며, 유화안정성은 유화액을 80°C에서 30분간 가온한 후 냉각하여 1,600 rpm에서 5분간 원심분리하였다. 시험 관 내 시료의 유화활성과 유화안정성은 Cha et al. (2020)의 공 식을 따라 다음 식 (6), (7)와 같이 계산하여 평균값을 측정하였 으며 모든 실험의 횟수는 총 3회로 하였다.

대체육 시료의 단백질 소화율(protein digestion index)은 Mertz et al. (1984)의 방법을 응용하여 사용하였으며, 총 단백질 함량은 시료 0.2 g을 취하여 가수분해 한 후, Ninhydrin 방법으 로 측정하였다. 소화되지 않은 단백질 함량은 시료 0.2 g을 0.084 N의 염산을 가한 pepsin 용액에 넣고 37°C의 온도에서 120 rpm으로 교반한 후, 2 M의 N aOH 용액 2mL을 가하여 3000 rpm으로 원심 분리된 상등액을 제거하고 그 잔사에 0.1 M의 potassium phosphate buffer를 넣어 다시, 원심분리하는 작 업을 두 번 반복하였다. 남은 잔사는 30°C의 드라이 오븐에 넣 고 완전히 건조 시킨 후, Ninhydrin 방법으로 측정하여 다음 식 (8)에 대입하였다.

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

압출성형 건식과 습식공정을 이용한 대체육과 소고기의 조 직감은 Table 1에 나타내었다. 소고기가 조직감 요인들인 경도, 응집성, 씸힙성과 절단 강도에서 가장 높은 값을 나타내었으며 (2628.03±0.81 g, 89.28±0.98%, 3278.50±0.85 g, 908.02±1.95 g/cm²), 이는 소고기의 근육 단백질과 콜라겐, 함유된 지방질의 결합으로 인한 강한 전단력 때문인 것으로 생각된다(Samard ＆ Ryu, 2019). 반면, 탄성에서는 HMMA가 94.26±0.65%로 가장 높은 값을 나타내었다. 이는 H MMA 내부 조직화된 섬유질 층 의 강한 복원력 때문인 것으로 생각되며, 압출성형 대체육 시료 가 탄성에서 육고기 시료들보다 높은 값을 나타내었다는 Samard & Ryu (2019)의 보고와도 일치하였다. 또한, HMMA가 모든 조직감 요인들에서 LMMA보다 소고기와 근소한 수치를 나타내어, 보통, 원료육의 품질과 유사한 관계를 갖는 버거 패 티로 제조 시에 LMMA보다 높은 조직감을 나타낼 것으로 생각 된다(Cho, 2021).

Table 1. Texture profile analysis and cutting strength of meat analogs and beef

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압출성형 건식과 습식 대체육의 조직감과 관련된 내부 조직 구조를 살펴보기 위한 횡단면과 종단면 사진은 Fig. 2에 나타내 었다. 건식 대체육의 횡단면에서 공기층(air cell)이 많은 다공성 의 조직을 나타내었으며, 종단면 전체에 기공들이 넓고 고르게 분포된 것을 확인할 수 있다. 이는 건식의 경우, 냉각기능이 없 는 길이가 짧은 사출구(short slit-die)를 사용하여 조직에 팽화가 일어나 밀도가 감소하였기 때문으로 생각된다. 반면, 습식 대체 육의 종단면에서 섬유상 조직과 층구조가 나타났다. 습식은 수 분함량의 증가로 인하여 발생하는 단백질 간의 상호작용이 증가 되어 disulfide 결합, 수소 결합에 의한 가교결합이 강화되기 때 문에 섬유상 조직화가 가능하다. 따라서, 건식에 비하여 실제고 기와 유사한 결조직을 지닌 습식 대체육이 소고기와 유사한 조 직감을 나타내었다.

Fig. 2. Photographs of low moisture meat analog (A) and high moisture meat analog (B).

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압출성형 건식과 습식공정을 이용한 대체육과 소고기의 조 직잔사지수는 Fig 3에 나타내었다. 조직잔사지수는 소고기가 80.68±2.83%로 가장 높은 값을 나타내었으며, HMMA는 63.79±1.83%, LMMA가 35.61±0.93%로 가장 낮은 값을 나타내 었다. 이는 압출성형 건식과 습식 공정으로 사출된 대체육 간 비교에서, HMMA가 LMMA보다 높은 조직잔사지수를 나타내 었다는 Samard et al. (2019)의 보고와도 일치하였다. 또한, 소 고기의 조직잔사지수가 가장 높은 것은, 응집성과 절단강도가 상대적으로 높은 소고기의 내부 조직의 결착 정도가 대체육에 비하여 견고하기 때문인 것으로 생각된다. 반면, 수용성질수지수 에서는 LMMA가 80.22±1.28%로 가장 값이 높았고, 소고기가 53.42±0.46%로 가장 값이 낮아 조직잔사지수와 반비례하였다. 이는 전단력과 응집성이 낮은 LMMA의 조직 분산 정도가 상대 적으로 높아, 물에 용해되는 단백질의 농도도 높기 때문인 것으 로 생각되며, 대체육과 육고기 시료들의 경우, 조직잔사지수와 수용성질소지수 간에 역상관관계가 성립한다는 Samard & Ryu (2019)의 보고와도 일치하였다. 조직잔사지수에서 LMMA보다 높은 값을 나타낸 HMMA로 제조된 패티는 팬에서의 강한 조 리 후, 형태와 조직감 유지면에서 소고기 패티와 좀 더 유사할 것으로 생각된다.

Fig. 3. Comparison on Integrity index and nitrogen solubility index of meat analogs and beef. LMMA: low moisture meat analog; HMMA: high moisture meat analog. Different letters on the bars indicate significant differences (p<0.05).

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보수력은 조직잔사지수와 함께 수화시킨 압출성형 시료의 조 직화 특성을 나타내주는 인자 중 하나로, 유입되는 수분이 육단 백질에 결합되는 정도에 따라 그 품질이 결정된다(Cho, 2021).

대체육과 소고기의 보수력은 458.03±1.10%로 LMMA가 가장 높은 값을 나타내었고, 소고기가 137.48±1.15%로 가장 낮은 값 을 나타내어 응집성(Table 1), 조직잔사지수(Fig. 3)와 상반된 패 턴을 나타내었다(Fig. 4). 또한, 조직감에서 LMMA보다 높은 수 치를 나타낸 HMMA가 LMMA보다 보수력이 낮아 소고기와 근 소한 값을 나타내었다. 보수력은 주로 내부 섬유 조직층의 조밀 성에 영향을 받는데, 소고기의 경우, 근원섬유와 연결 조직 간 의 강한 전단력으로 인해 응집성과 견고성이 높아 수분의 보유 공간이 대체육보다 비교적 작기 때문에 보수력 값이 낮게 나타 난 것으로 생각된다(Lin et al., 2002;Köhn et al., 2015). 또한, 가공공정에서 원료의 보수력이 높을수록 패티의 가열수율이 향 상되어 육즙이 증가하기 때문에, 대체육으로 제조된 버거 패티 는 다즙성면에서 우수할 것으로 생각된다(Cho, 2021).

Fig. 4. Water holding capacity of meat analogs and beef. LMMA: low moisture meat analog; HMMA: high moisture meat analog. Different letters on the bars indicate significant differences (p<0.05).

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수분흡수력은 단백질 분자의 구조적 특성, 단백질 분자 내 아 미노산의 친수성 및 소수성의 균형 이외에 다양한 매개변수에 영향을 받으며, 유지흡수력은 농축단백 내에 소수성, 비공유결합 과 같은 단백질 분자와 지질의 상호작용에 영향을 받는다(Cha et al., 2020).

건식과 습식 공정을 이용한 대체육과 소고기의 수분흡수력과 유지흡수력은 Fig. 5에 나타내었다. 수분흡수력은 LMMA가 426.75±0.08%로 가장 높은 값을 나타내었고, 소고기가 229.97± 1.29%로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이는 LMMA의 수분 용해 도가 높고, 팽화로 인한 단백질 분자 간 밀도의 감소로 인하여 수분 보유 공간이 상대적으로 크기 때문에 높은 수분흡수력을 나타낸 것으로 생각된다. 반면, 유지흡수력과 수분흡수력 값은 반대의 패턴을 나타내어, 소고기의 유지흡수력이 172.59± 1.68%로 가장 값이 높았으며, LMMA가 108.63±0.08%으로 가 장 낮은 값을 나타내었다. 이는 지방 함량이 높은 소고기의 단 백질 분자 간 지질과의 상호작용이 강하기 때문인 것으로 생각 되며, 소고기는 친유성 아미노산 함량이 높고, 식물성 대체육인 LMMA와 HMMA 경우, 친수성 아미노산 함량이 상대적으로 높아, 버거 패티로 제조 시에 향미 증진을 위해 첨가되는 소스 의 흡수율이 더 높을 것으로 생각된다(Samard & Ryu, 2019).

Fig. 5. Comparison on water absorption capacity and oil absorption capacity of meat analogs and beef. LMMA: low moisture meat analog; HMMA: high moisture meat analog. Different letters on the bars indicate significant differences (p<0.05).

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단백질은 천연계에 존재하는 천연유화제로서 유화과정에서 물 과 기름의 계면 장력을 낮추어 유화액 형성을 용이하게 하고, 형성된 유화액을 안정화시키는 역할을 한다(Cha et al., 2020).

건식 및 습식 대체육과 소고기 시료의 유화 특성을 측정하기 위한 두 가지 지표인 유화활성과 유화안전성 값은 Fig. 6에 나 타내었다. 유화활성과 유화안정성 모두, LMMA가 각각, 12.69 ±0.27%, 10.65±0.31%로 가장 높은 값을 나타내었고, 그 뒤를 HMMA가 11.42±0.05%, 9.23±0.10%, 소고기가 8.88±0.54%, 7.43 ±0.01%로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이는 소고기가 정제 단 백질 소재로 제조된 대체육에 비하여 상대적으로 단백질 함량 적기 때문에 유화 점도가 떨어져 낮은 유화활성과 안전성을 나 타낸 것으로 생각되며, 이는 대두단백의 단백질 농도가 증가할 수록 유지의 입도가 감소하고 유화점도가 증가하여 유화안전성 이 증가하였다는 Hwang et al. (1992)의 보고와도 일치하였다. 또한, 유화활성과 안전성에서 높은 값을 나타낸 LMMA의 경 우, 단백질 분자가 유지와의 강한 상호작용을 통해 단백질 막을 견고하게 형성하여 응고나 침전이 적기 때문에 샐러드 드레싱 및 식물성 소시지나 패티의 제조에 적합한 소재로 생각된다 (Samard & Ryu, 2019).

Fig. 6. Comparison on emulsifying activity and emulsion stability of meat analogs and beef. LMMA: low moisture meat analog; HMMA: high moisture meat analog. Different letters on the bars indicate significant differences (p<0.05).

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단백질 소화율은 인체에서 배설되지 않고 흡수되는 단백질의 양을 측정하는 실험으로 원료의 영양학적 가치를 결정하는 필수 적인 자료로 활용된다(Cho & Ryu, 2021b).

건식과 습식 공정을 이용한 대체육 시료와, 소고기의 단백질 소화율은 LMMA가 89.75±0.28%로 가장 값이 높았고, 소고기가 59.01±0.98%로 가장 낮은 값을 나타내어 수용성질소지수와 비 례하였으며(Fig. 7), 이는 LMMA의 조직잔사지수가 낮고 분산 성이 높아 펩신에 용해되는 단백질의 농도도 증가하였기 때문으 로 생각된다. 또한, LMMA의 단백질 소화율이 HMMA보다 높 은 것은, 고수분 압출성형으로 구조가 섬유상 조직화된 HMMA 보다 기공이 많은 조직으로 물에서의 해리 정도가 크기 때문으 로 생각된다. 이는 체외 실험(in vitro)으로 실시된 대체육의 단 백질 소화율은 보통, 조직감과 반의 상관관계를 가진다는 Cho (2021)의 보고와도 일치하였다. 또한, LMMA와 HMMA의 단백 질 소화율이 소고기보다 높은 것으로 보아, 식물성 대체육으로 제조된 버거 패티는 단백질 영양성면에서 가공 우육보다 우수할 것으로 생각된다.

Fig. 7. Protein digestibility of meat analogs and beef. LMMA: low moisture meat analog; HMMA: high moisture meat analog. Different letters on the bars indicate significant differences (p<0.05).

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