건조 열처리와 마이크로파 열처리에 의한 녹두 전분의 이화학적 특성과 녹두 전분 겔의 조직감 연구

본 연구에 사용된 녹두전분(mung bean starch, 100%)은 헬로우 그린(Hello Green, Seoul, Korea)에서 구입하였고 대두유(CJ, Seoul, Korea)는 마트에서 구입하여 실온에서 보관하면서 재료로 사용하였다.

녹두 전분을 수분 증발로 인한 무게 감소를 고려해 목적한 총 g 수보다 조금 더 넉넉히 취하여 스테인리스 접시에 각각 담아 넓게 펴주고, 알루미늄 포일로 밀봉한 후 드라이오븐에 넣고 130℃에서 예비실험(2, 3, 4시간 가열)을 통해 얻은 적정 가열시간인 3시간 동안 가열 후 꺼내서 상온에 하루 동안 냉각하여 사용하였다.

도자기 그릇에 녹두 전분 50 g을 취해 마이크로웨이브 오븐(MW207ER, 700 W, LG electronics Inc., Korea)에 넣고 예비실험(30, 60, 90, 120초 가열)을 통해 얻어진 적정한 가열시간인 90초간 가열한 후 상온에 10분간 냉각시킨 후 사용하였다.

전처리(DHT와 MHT)를 거친 녹두전분 50 g에 증류수 450 mL를 첨가한 후 강-중-약불의 순서로 총 7분간 가열하면서 실리콘 주걱으로 일정한 방향으로 저어주면서 전분 겔을 제조하였다. 가열이 끝나면 사각 틀(12 cm×12 cm×7 cm)에 넣고 2시간 동안 실온에서 굳힌 후 2 cm 큐브 형태로 잘라 사용하였다. 대두유 첨가 시료는 Choi & Oh (2011)의 연구결과를 참고하여 대두유 2 g을 첨가하여 제조하였고 대조군은 전처리하지 않은 녹두 전분을 사용하였다.

팽윤력(swelling power)과 용해도(solubility)는 Schoch (1964)의 방법에 따라 측정하였다. 전분 시료 0.5 g에 증류수 30 mL을 넣어 고르게 분산시킨 후 90℃로 조절된 항온수조에서 20분간 100 rpm으로 교반하며 가열한 후 얼음물에서 냉각시켰다. 냉각시킨 원심분리 관을 30분간 3,900 rpm으로 원심분리하여 상징액은 미리 무게를 재어 놓은 삼각플라스크에 담아 105℃ 드라이 오븐에서 항량이 될 때까지 건조하여 식 (1)에 따라 용해도를 구하였고, 원심분리 후 침전물의 무게를 측정하여 식 (2)에 따라 팽윤력을 구하였다.

전처리와 대두유 첨가에 의한 녹두 전분의 호화특성은 RVA(Rapid Visco-Analyzer, RVA-3D+, Newport Scientific Ltd., NSW, Australia)를 사용하여 분석하였다. 전처리 전분 시료 3 g을 증류수 25 mL에 분산시킨 전분 현탁액을 RVA 시료로 사용하였다. 대두유 첨가 시료는 전분 현탁액에 전분시료의 4%인 0.12 g을 첨가하여 제조하였다. RVA용 알루미늄 용기에 현탁액을 넣고 플라스틱 패들과 함께 RVA에 장착한 후 처음 1분간은 50℃로 유지한 후 12℃/min의 속도로 95℃까지 가열한 다음 95℃에서 2분 30초간 유지한 다음, 다시 같은 속도로 50℃까지 냉각하고, 50℃에서 2분간 유지하면서 총 13분 동안 점도 변화를 측정하였다. 측정 중 패들의 회전 속도는 처음 10초간은 960 rpm으로 교반하였고 이후 160 rpm을 유지하였다. 점도 변화 곡선으로부터 호화 온도(pasting temperature), 최고점도(peak viscosity, P), 최저 점도(trough viscosity, T) 및 최종 점도(final viscosity, F)를 측정하였고 이들 측정값으로부터 breakdown(P-T)과 setback(F-T) 값을 구하였다.

제조한 전분 겔의 색도는 색차계(Chromameter CR-400, Minolta Co. Ltd., Osaka, Japan)를 사용하여 겔 표면의 L*값(lightness), a*값(+red/–green) 및 b*값(+yellow/–blue)을 측정하여 비교하였다. 보정을 위해 사용된 표준 백판의 L*, a*, b*값은 각각 93.17, –0.28, 4.88이었다.

일정한 크기의 정육면체(2.0 cm×2.0 cm×2.0 cm)로 자른 겔 시료를 Texture Analyzer (CT3 10K, Brookfield, Middleboro, MA, USA)를 사용하여 부서짐 측정(fracture test)과 TPA (Texture Profile Analysis)을 실시하여 조직감을 비교하였다. 원형(10 cm dia.)의 평판 프로브를 사용하여 부서짐 특성은 변형률 80%로 1회 압축실험으로 측정하였고, TPA 특성은 1차 압축 후 형태를 유지할 수 있는 최대 변형률인 45%로 2회 압축실험으로 측정하였다. 측정 속도는 부서짐 측정은 0.5 mm/s, TPA 측정은 1 mm/s로 사용하였다. 부서짐 측정으로 시료가 부서질 때의 힘과 변형 거리를 파악하였고, TPA 분석을 통하여 각 시료의 경도(hardness), 부착성(adhesiveness), 순간 복원력(resilience), 응집성(cohesiveness), 탄력성(springiness), 검성(gumminess), 및 씹힘성(chewiness)을 각각 측정하였다.

제조한 전분 겔은 지퍼백에 담아 밀봉하여 냉장고에 넣고 1℃에서 48시간 저장 후, 시료를 꺼내 식 (3)에 의하여 이수율을 측정하였다.

모든 실험 결과는 3회 이상 반복 실험으로 측정 후 평균±표준편차로 표시하였고 SPSS 통계 프로그램(SPSS Statistics 21, IBM, Armonk, NY, USA)을 사용하여 Duncan’s multiple range test를 실시하여 p<0.05 수준에서 각 실험군 간의 유의성을 검증하였다.

녹두 전분의 전처리와 대두유 첨가에 따른 녹두 전분의 팽윤력과 용해도 변화는 Table 1에 나타내었다. 전처리를 하지 않은 대조구의 팽윤력은 10.92로 나타났고 MHT 처리구는 11.74, DHT 처리구는 11.15로 나타나 전처리에 의해 전분 입자의 팽윤력은 유의적으로 증가하는 결과를 보였다. 대두유 첨가에 의해서도 팽윤력이 다소 증가하는 경향을 보였는데 변화의 폭은 크지 않았다. 전분에 대두유를 첨가할 때 amylose-lipid complex를 형성하지 않고 단순히 수분 중에 유화되어 있거나 전분 표면에 붙어있어 팽윤력에 미치는 영향이 적다는 연구(Mun et al., 1996)와 같은 결과를 보였다. 용해도의 경우 대조구는 4.59%, MHT 처리구는 5.67%, DHT 처리구는 7.04%를 보여 전처리에 의해 용해도가 증가하였는데 특히 DHT 처리구에서 유의적으로 높은 값을 보였다. 대두유의 첨가는 모든 시험군에서 유의적으로 용해도가 증가하였는데 대조구는 6.27%, MHT 처리구는 7.14%, DHT 처리구는 9.58%의 값을 보여 DHT 처리와 대두유 첨가구에서 가장 높은 용해도 결과를 보였다. 이러한 결과는 첨가된 대두유가 수분속에 유화된 상태로 존재하여 용해도를 증가시킨다는 Choi & Oh (2011)의 연구결과와 같았고, DHT 처리로 인해 쌀 전분의 수용성 단쇄 아밀로스 전분이 증가하여 쌀 전분의 용해도를 증가시킨다는 연구결과(Oh et al., 2018)와도 유사하였다.

녹두 전분의 전처리와 대두유 첨가에 따른 녹두 전분의 RVA 점도 곡선과 호화 점도 특성 값을 Fig. 1과 Table 2에 각각 나타내었다. 전처리를 하지 않은 녹두 전분과 전처리 전분 시료들 간의 온도 변화에 따른 호화 점도 변화는 유의적인 차이를 보였다. 전반적으로 MHT 처리구는 모든 온도변화 구간에서 대조구에 비해 높은 호화 점도를 나타내었고, DHT 처리구는 대조구 보다 낮은 호화 점도를 나타내었는데(Fig. 1) DHT 처리는 전분입자의 팽윤을 억제하여 호화 점도가 낮아진다는 연구결과(Sun et al., 2013)와 같았다. 전분 입자가 수분을 흡수하여 팽창하기 시작하는 호화 개시 온도는 대조구인 녹두 전분이 73.55℃로 가장 낮았고 전처리 전분은 76.7∼77.53℃로 전처리에 의해 호화온도가 높아졌다. 일반적으로 호화온도는 초기 페이스트 형성 기간에 전분의 구조적 안정성을 나타내는 것으로(Ali et al., 2020) 전처리로 인해 더 작은 크기의 분자 생성으로 이는 호화하기 위해 더 많은 에너지가 필요하여 호화온도가 상승한다는 연구결과(Lima et al., 2021)와 같았다. 최고 점도의 경우 MHT 처리구가 4,671 cp로 가장 크고, 3,723 cp의 대조구 그리고 3043 cp의 DHT 처리구 순으로 감소하였다. 보통 최고 점도는 가열 시 전분입자의 초기 팽윤 정도에 의해 결정되는데 대조구에 비해 높은 팽윤력을 보인 MHT 처리구는 가장 높은 최고 점도를 보여 팽윤력과 일치하는 결과를 보였다. 그러나 DHT 처리구의 경우 대조구에 비해 높은 팽윤력을 보였으나 최고 점도는 대조구에 비해 낮은 값을 보여 일치하지 않은 결과를 보였다. 이러한 결과는 팽윤력은 기계적인 전단력의 개입 없이 입자의 팽윤만으로 측정이 되었지만 RVA 측정에서는 160 rpm로 회전하는 패들의 전단력이 가해지면서 점도를 측정하게 되는데, DHT 처리된 전분 입자는 전처리 되지 않은 전분에 비해 팽윤 정도는 크지만 구조적인 변화에 의해 결합력이 약화되어 적용된 전단 충격에 의해 쉽게 손상되어 낮은 최고 점도를 보인 것으로 생각된다. 전분을 annealing 온도 이상인 60℃ 이상으로 가열 처리한 경우 전분 입자의 안정성이 감소하여 낮은 최고 점도를 나타낸다는 연구(Cha, 2017)와 전분을 효소 분해하면 전분 입자가 손상을 입어 팽윤 도중에 쉽게 터져 최대 팽윤치에 도달하지 못하여 최대 점도가 감소한 결과(Ravi et al., 1999)와도 유사하였다. 이에 반해 MHT 처리는 전분 입자의 결정성을 증가시킨다는 연구(Zhang et al., 2009)의 결과와 같이 전분 입자의 결정성이 증가하여 전단 충격에 대한 손상이 적어 높은 최고 점도를 보인 것으로 생각된다. 최고 점도 이후 95℃ 온도에서 지속적인 전단력을 받으면 전분입자가 파괴되면서 가용성 polymer와 전분 분자들이 스핀들의 회전 방향으로 재배열 되면서 점도가 감소하여 최저 점도인 trough 점도에 도달하고, 최고 점도와 trough 점도와의 차이를 breakdown 점도로 나타내는데 DHT 처리구에서 이들 점도 값이 유의적으로 감소하였는데 이러한 낮은 shear-thinning 결과는 전분 입자의 팽윤 후 전단력에 의한 저항성이 감소했음을 알 수 있다. 최종 점도와 trough 점도와의 차이값인 setback 점도는 냉각 시 용출된 전분 분자의 재배열에 의해 전분의 노화 현상과 연관이 있는데(Kim et al., 2013), setback 점도의 경우 MHT 처리와 대조구는 2,337∼2,380 cp의 값으로 유의적으로 차이가 없었으나 DHT 처리구는 1,799 cp로 가장 낮은 값을 나타냈다. 대조구와 모든 처리군에서 대두유 첨가는 모든 온도변화에 걸쳐 호화 점도를 다소 변화시켰으나 그 변화폭은 전처리에 의한 변화보다 훨씬 작았다. 결과적으로 녹두 전분의 전처리는 전분 입자의 호화 점도 변화를 가져올 수 있으며 대두유 첨가는 호화 점도의 변화에 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다. 전처리에 의한 호화 점도의 변화를 통해 호화시켜 냉각시켜 제조한 녹두 전분 겔의 조직감에도 차이가 생길 수 있음을 예상할 수 있다.

Fig. 1. RVA viscogram of mung bean starch with pre-treatments and oil addition. Control: raw mung bean starch; MHT: mung bean starch treated by microwave heat treatment; DHT: mung bean starch treated by dry heat treatment; +oil: addition of 4% soybean oil.

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녹두 전분의 전처리와 대두유 첨가에 따른 녹두 전분 겔의 색도 변화를 측정한 결과는 Table 3와 같다. 대조구의 L*값은 48.71, a*값은 –0.84, b*값은 –12.12로 나타났고, MHT 처리구에서는 유의적인 색도 변화는 없었으나 DHT 처리구에서는 L*값이 증가하였고 a*값과 b*값은 감소하였다. MHT 처리는 녹두 전분의 색도를 변화시키지 않아 결과적으로 녹두 전분 겔에서도 색도의 유의적인 변화가 없었지만, 직접 열을 가하는 DHT 처리에 의한 녹두 전분 겔의 L*값은 48.71에서 53.02로 높아져 명도가 유의적으로 증가함을 알 수 있고 a*와 b* 값은 유의적으로 낮아져 녹두 전분 겔의 색을 변화시키는 것을 알 수 있었다. 무첨가군에 비해 대두유를 첨가한 첨가군에서 L*값과 b*값은 증가하였고 a*값은 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 대두유를 4% 첨가한 10% 녹두 전분 겔의 명도가 증가한다는 연구 결과(Joo & Chun, 1991)와 같았다.

녹두 전분의 전처리(MHT, DHT)와 대두유 첨가에 따른 겔의 TPA (Texture Profile Analysis)와 부서짐성 측정(fracture test)의 결과는 Table 4와 Table 5에 각각 나타내었다. 겔의 경도(hardness)는 대조구의 10.32 N에서 MHT 처리구는 11.17 N으로 다소 증가하였으나 DHT 처리구에서 21.46 N으로 2배 이상 크게 상승하였다. DHT 처리 시 전분 내 분자간 수소결합이 깨지면서 입자의 팽윤을 증가시키며 전분 분자들 간의 강한 결합을 유발한다는 연구결과(Liu et al., 2019)로 설명할 수 있다. 모든 시료에서 대두유 첨가는 겔의 경도를 다소 증가시키는 경향을 보였다. 겔 표면의 끈적거리는 정도를 나타내는 점착성(adhesiveness)은 대조구의 0.23에 비해 MHT 처리구는 0.18, DHT 처리구는 0.15로 다소 감소하였으나 유의적인 차이는 없어 전처리에 의한 겔의 표면의 끈적거림의 변화는 없는 것으로 나타났다. 응집성(cohesiveness)의 경우 대조구의 0.74와 MHT 처리구의 0.73에 비해 DHT 처리구의 경우 0.67로 유의적으로 낮은 결과를 보였다. 응집성은 겔 구조를 유지하는데 필요한 내부적 결합력을 나타내는데 전처리에 의해 응집성이 감소하는 것은 전처리에 의해 전분 겔 구조내의 분자 간 결합력이 감소되었음을 나타내는 결과이다(Kim et al., 2018). 대두유 첨가로 인한 응집성의 변화는 모든 시료에서 증가하는 경향을 보였다. 겔의 탄력성(springiness)은 전처리와 대두유 첨가에 의해 다소 증가하는 경향을 보였지만 유의적인 차이는 없었다. 검성(gumminess)과 씹힘성(chewiness)은 대조구에 비해 전처리 시 유의적으로 증가하였는데, 특히 DHT 처리구에서 가장 큰 값을 보였으며 대두유 첨가에 의해 모든 시료에서 증가하는 경향을 보였다. 결과적으로 녹두 전분의 물리적인 전처리는 겔의 조직감을 변화시킬 수 있으며 이러한 변화는 DHT 처리에 의해 더 크게 나타났으며, 대두유 첨가에 의해서도 겔의 조직감을 다소 변화시킬 수 있었으나 전처리에 의한 변화보다는 적었다. TPA 측정 시 사용된 변형률인 45%는 겔을 파괴하지 않은 범위에서 다양한 조직감 특성을 파악하였다면 fracture 측정에서는 80%까지 변형률을 높여 겔이 파괴될 때의 힘과 변화율을 측정함으로써 겔을 씹었을 때 단단함에 대한 정보와 부스러짐에 대한 정보를 각각 파악하는 지표로 사용할 수 있다. 제조 직후 겔의 부서짐성은 14.29였으나 MHT 처리구는 15.73으로 다소 증가하였고 DHT 처리구는 23.34로 큰 폭으로 증가하였다. 이러한 결과는 TPA 특성 결과의 경도와 같은 경향이었다. 부서짐 변형률의 경우 DHT 전처리 구에서 유의적으로 낮은 값을 보였는데 이는 겔이 쉽게 부서진다는 의미로 TPA 특성 결과에서 낮은 응집성과도 연관시킬 수 있다. 따라서 DHT 처리에 의해 제조된 겔은 단단한 식감과 쉽게 부서지는 식감을 가지는 것을 알 수 있다. 대두유의 첨가는 모든 시료의 부서짐성을 증가시키고 부서짐 변형율을 다소 증가시키는 경향을 보여 대두유 첨가로 인해 단단하지만, 덜 부서지는 쫀득한 겔의 제조가 가능한 것으로 보인다. 냉장고에서 24시간 저장 후 모든 시료는 부서짐성이 증가하고 부서짐 변형율이 감소하여 겔의 식감이 단단해지고 잘 부스러지는 식감을 보였다. DHT 처리구는 가장 높은 부서짐성의 증가율과 낮은 부서짐 변형율을 보였다. 따라서 낮은 온도에서 저장 시 DHT 처리 한 겔의 조직감의 변화가 가장 큰 것을 알 수 있었다. 저장 후에도 대두유 첨가는 제조 직후와 같은 결과를 보였다. TPA 결과와 부서짐성 결과를 종합해 볼 때 녹두 전분의 전처리를 통해 전혀 다른 식감의 겔을 제조할 수 있으며, 특히 DHT 전처리는 전혀 다른 식감의 녹두 전분 겔의 제조가 가능하며 대두유의 첨가는 녹두 전분 겔이 가지고 있는 부스러지는 식감을 향상시킬 수 있었다.

녹두 전분의 전처리와 대두유 첨가에 따른 녹두 전분 겔의 저장 후 이수율의 변화를 Table 6에 나타내었다. 대조군의 이수율은 9.70%로 가장 낮은 값을 나타냈고 DHT 처리구는 10.41%, MHT 처리구는 11.74%로 유의적으로 증가하였다. 또한 대두유 첨가는 대조구와 DHT 처리구에서 이수율을 다소 증가시키는 결과를 보여 대두유의 지방 분자가 전분 분자의 물과의 결합을 방해하여 이수율을 증가시킨 것으로 판단된다. 결과적으로 전분의 전처리와 대두유 첨가는 저온저장 시 발생하는 전분겔의 이수현상을 억제하지 못하는 것으로 나타났다.