서 론
High pressure homogenization(HPH)는 식품 내의 유효성 분의 추출시간을 단축시키거나 미생물을 불활성 시키기 위 해 사용되어 왔으나(Smelt, 1998) 최근에는 관능 증대나 비타민과 같은 영양성분의 보존을 위해서도 사용하기 시작 했다(Sancho et al., 1999). HPH는 식품내의 단백질과 oligomer의 결합을 분해시키고 기능적인 성질을 변화시키는 역할을 하는데 그 효과는 식이섬유에서도 같은 효과를 나타 내고 있지만(Wennberg & Nyman, 2004) 아직 정확한 기작 은 밝혀지지 않고 있다. HPH는 근래 전분이나 단백질식품 뿐 만 아니라 야채나 과일(Butz et al., 2002; Wennberg & Nyman, 2004)에서도 미생물의 불활성화나 조직감 증대를 위해 사용되고 있으나, 리그닌이나 셀룰로오스의 분해와는 무관하다는 연구도 있다(Yang et al., 2009)
식이섬유는 인체의 소화효소에 의하여 가수분해되지 않 는 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스, 및 리그닌 같은 성분으 로, 수용성식이섬유(soluble dietary fiber; SDF) 와 불용성 식이섬유(insoluble dietary fiber; IDF)로 구분되며 이에 따 른 생리작용이 각각 다르다. IDF는 주로 식물 세포벽의 구 성성분으로서 셀루로오스, 리그닌 및 일부 헤미셀룰로오스 이며，곡류 및 채소류에 풍부하고, SDF는 펙틴, gum 및 β-glucan의 주성분이며 과일，콩류，보리 등에 많이 함유되 어있다(Anderson, 1985; Schneeman, 1989). 식이섬유의 생 리적 기능을 보면 IDF는 변비해소, 대장암예방, 독소물질 의 배설 등의 작용을 하는 반면 SDF는 혈중콜레스테롤 수 치를 저하시켜 동맥경화를 예방하고, 장내세균의 증가를 유발하는 생리기능을 갖고 있다(Selvendran, 1984). IDF가 빵, 과자 등 고체식품에 주로 이용될 수 있는데 반해 SDF 는 분리 또는 농축하여 다른 식품에 첨가하여 사용할 수 있어 폭넓은 이용성을 가지고 있다. 따라서 SDF가 식품에 사용되어질 경우 조직감, 겔화 점증성, 유화성, 안정성 등 의 기능 특성을 제공하기 때문에(Anderson et al., 1981; Blackbum et al., 1984), SDF의 증대를 위한 방법을 연구 할 필요가 있다.
따라서 본 연구는 식이섬유가 풍부한 비지에 HPH 처리 를 하여 수용성 식이섬유의 증가와 같은 가공적성을 향상 시키고 이를 이용하여 식이섬유강화 식빵을 만들어 새로운 식품으로서의 가능성을 살펴보고자 하며 혼합물 실험계획 법을 이용하여 밀가루와 비지의 최적배합 비율을 찾아내고 자 한다.
재료 및 방법
본 연구에서 제조된 비지는 핀밀과 기류밀(Korea Pulverizing Machinery Co. Ltd., Incheon, Korea)을 이용하여 건조 및 분말화를 시켰다. 건조 비지분말 시료들은 Warning blender로 분쇄하고 40mesh 표준 체를 통과하여 미분화시켜 사용하였다.
물과 비지분말 10%를 혼합한 용액을 30분간 교반한 후 1000 rpm에서 5분 동안 균질기(Ultra-Turrax Model T-25D, IKA Labortechnik, Staufen, Germany)를 이용해 균질화하 고 압력을 15,000 또는 25,000 psi에서, pass 횟수는 1 또 는 2로 HPH(D.O.S. Inc., Siheung, Korea) 처리하였다.
건조비지 분말의 입도분포는 입도분석기(Mastersizer 2000, Malvern, England)를 이용하여 분석하였다. 분말시료 0.5 g을 95% ethanol 500 mL에서 20분간 분산시킨 후, 분 산액 1 mL를 95% ethanol 500 mL와 섞은 후 입도분석을 위한 시료로 하였다.
건조비지 분말의 일반성분은 AOAC(1984)에 준하여 분 석하였다. 수분은 105℃에서 상압 가열건조법, 조단백질은 Kjeldahl법, 조지방은 Soxhlet법, 조회분은 건식 회화법을 이용하였으며 조섬유는 Henneberg-Stohmann법을 개량한 AOAC 법으로 측정하였다. 탄수화물 함량은 시료 100 g 중에서 수분, 조단백질, 조지방과 조회분 함량을 차감하여 구하였다.
수용성 및 불용성 식이섬유함량은 Prosky 등(1985)의 효 소중량법에 따라 total dietary fibre assay kit(Megazyme, Wicklow, Ireland)를 이용하여 구하였다. 건조비지 분말 1 g 에 MES-Tris buffer(pH 8.2) 40 mL를 가한 후 α-amylase 용액(50 μL)를 첨가하여 600℃에서 30분간 반응시킨 후 protease 용액 100 μL를 가하여 30분간 반응시켰다. 단백질 분해가 종결된 후 amyloglucosidase 300 μL를 첨가하여 30 분간 반응시키고 여과하였으며 분해 잔류물을 포함하는 fritted-glass filter crucible은 105℃에서 항량을 구하였다(불 용성 식이섬유분획).
여과를 통해 얻어진 여액은 fritted-glass filter crucible을 통과시켜 침전물을 회수한 후 75% ethanol(30 mL), 95% ethanol(10 mL)과 acetone(10 mL)을 연속적으로 통과시켜 침전물을 세척한 후 105℃에서 건조시켜 항량을 구하였다 (수용성 식이섬유분획).
건조비지분말(0.5 g)을 50 mL의 증류수에 분산시킨 후 fritted-glass filter crucible(W1) 위에서 감압여과 시켰다. Glass filter와 crucible 표면의 과도한 수분을 제거하기 위 해 여액이 배출되지 않을 때부터 10분간 추가로 감압여과 조작을 수행하고 그 무게(W2)를 측정하였다. 감압여과로부 터 회수된 여액에 증류수를 첨가하여 100 mL로 희석하였 고 5 mL의 희석된 여액을 105℃에서 건조하여 무게(W3)를 측정하였다. WAI와 WSI는 아래 식에 의해 계산되었다.
비지 paste의 분산 정도 및 안정도는 제타 전위를 통해 측정하였다. 비지 paste를 1000배 희석 후 Zeta sizernano Z(Malvern instruments Ltd. Worcestershire, UK)를 이용하여 제타 전위를 측정하였다. 전기장은 자동으로 설정한 후 희 석한 비지 paste 0.8 mL를 이용하여 3회 측정하여 평균값 으로 나타내었다.
제빵공정은 AACC straight method(1983)를 적용하였다. Baking formula는 밀가루 100 g, 설탕 7 g, 소금 1.5 g, 버 터 4 g, yeast 2 g이며 물의 함량은 밀가루 중량의 62%였 다. 비지와 HPH처리(25,000 psi/2 pass)비지를 첨가 시 밀가 루 함량의 5-9%를 혼합하였다. 밀가루에 비지를 포함한 모든 원료를 첨가하여 15분간 반죽한 후 39℃에서 발효시 켰다. 1차 발효는 60분간 행하였으며, 성형 후 45분간 2차 발효시킨 다음 baking oven(Dae Yung Machinery, Incheon, Korea)에 넣고 밑불 150℃, 윗불 185℃에서 30분 간 baking하였다. 제조된 빵의 비용적은(specific loaf volume)은 빵 부피(mL)/빵 무게(g)로 하였다.
완성된 식빵의 조직감을 측정하기 위해, Rheometer(Sun Co. CR-200D, Tokyo, Japan)를 이용하여, 원통형의 식빵(지 름 2 cm, 높이 2 cm)에 300 mm/min의 속도로 TPA test를 실시하여 hardness와 cohesiveness를 구하였다.
식빵의 관능평가 중 선호도 측정은 관능평가 9명의 요 원을 활용하여 9점 척도법을 사용하였다. 통계분석은 SPSS(Statistical Package for the Social Sciences v17.0, Chicago, IL, USA)를 사용하였고, 시료간의 차이를 검증하 기 위하여 Ducan의 다중비교법에 따라 p < 0.05 수준에서 유의 차를 결정하였다.
밀가루, HPH처리 비지 비율의 혼합비를 달리하여 식빵(지 름 4 cm, 높이 2 cm)을 제조하였다. Design-Expert 7 Program (Stat-Ease, Inc., Minneapolis, MN, USA)을 이용하여 혼합 최 적화 실험을 실시하였다. 9개의 실험점과 1개의 반복점을 실험디자인으로 설정하였고, constraint 값으로는 hardness, 기호도 및 밀도로 정하였다. 밀가루의 함량을 91-95%, HPH처리 비지의 함량을 5-9%의 범위로 정하였으며 최적 성분비를 선정하기 위해 canonical 모형의 수치최적화 (numerical optimization)을 통하여 예측하였다. Desirability는 Derringer & Suich(1980)가 제시한 식에 의하여 구하였다.
결과 및 고찰
건조비지 분말의 일반성분 분석한 결과는 단백질 18.91%, 지질 10.38%, 회분 3.72%, 탄수화물 66.99%, 조 섬유 20.32%, 식이섬유 59.03%으로 나타났다(Table 1). Cho & Lee(1996) 의 비지의 일반성분 분석 결과 단백질 17.3%, 지질 11.3%, 회분 3.4%, 식이섬유 59.0%으로 보고 되어 본 실험과 비슷한 경향을 보였고 비지의 식이섬유의 함량이 59%로 높아 생리활성이 높은 식이섬유 원으로서의 개발 가능성이 높은 것으로 사료된다.
| Compositions | Biji (%) |
|---|---|
| Crude protein | 18.91±0.85 |
| Crude fat | 10.38±0.42 |
| Crude ash | 3.72±0.01 |
| Carbohydrate | 66.99±0.44 |
| Crude fiber | 20.32±1.85 |
| Dietary fiber | 59.03±1.29 |
입도분석기를 이용하여 건조비지 분말의 입도 분석한 결과 를 Fig. 1에 나타내었다. 무처리한 경우(NT) 190.55 μm에서 peak를 형성하였고 15,000 psi에서 1 pass(HPH1-15)의 경우는 27.54 μm, 15,000 psi에서 2 pass(HPH2-15)의 경우는 25.12 μm, 25,000 psi에서 1 pass(HPH1-25)의 경우는 22.91 μm, 25,000 psi 에서 2 pass(HPH2-25)의 경우는 25.11 μm에서 peak를 형성하 였다. 건조비지 분말을 HPH를 처리한 경우 입도의 크기가 10배수 작아지는 것으로 나타났으나 횟수보다는 가해진 압력 이 입도크기에 영향을 미친 것으로 사료된다. 일반적으로 HPH를 처리할 경우 입자의 평균직경이 감소한다고 하였다 (Cheng & David, 2011). 본 실험에서도 HPH 처리 시 강한 전단력과 압력에 의한 비지의 단백질 입자들의 구조의 변화 와 파괴로 입도의 크기가 작아진 것으로 추정된다.
비지 paste의 HPH 조건에 따른 수용성 및 불용성 식이 섬유 함량을 Table 2에 나타내었다. 총 식이섬유(TDF) 함 량은 64.33%로 HPH의 압력과 pass 횟수에 따른 유의적 차이를 보이지 않았다. 수용성 식이섬유(SDF) 함량은 무처 리한 경우(NT) 2.50%, HPH1-15의 경우는 3.60%, HPH2- 15의 경우는 4.45%, HPH1-25의 경우는 5.68%, HPH2-25 의 경우는 7.59%로 나타났다. 불용성 식이섬유(IDF) 함량 은 NT 62.67%, HPH1-15의 경우는 56.80%, HPH2-15의 경우는 57.00%, HPH1-25의 경우는 55.61%, HPH2-25의 경우는 56.50%로 나타났다. HPH의 압력조건과 pass 횟수 가 증가할수록 총 식이섬유 함량은 큰 유의적 차이를 보이 지 않았지만, 수용성 식이섬유 함량은 크게 증가하였고 불 용성 식이섬유 함량은 감소하는 경향을 보였다. 고형분으 로서 주로 사용되는 불용성 식이섬유에 비해 수용성 식이 섬유는 주로 액상식품에 직접 사용될 수 있어 식품에서의 첨가소재로서 이용이 가능한 것으로 알려지고 있다(Andon, 1987). 본 실험에서도 HPH를 이용하여 수용성 식이섬유의 증가를 관측할 수가 있었으며, 식품의 첨가소재로 활용 가 능성이 있다고 사료된다.
비지 paste의 HPH 조건에 따른 수분흡착지수(WAI)와 수분용해지수(WSI)를 Table 3에 나타내었다. WAI는 무처 리한 경우(NT) 3.92 g/g, HPH1-15의 경우는 5.50 g/g, HPH2-15의 경우는 5.98 g/g, HPH1-25의 경우는 6.78 g/g, HPH2-25의 경우는 7.02 g/g로 나타났다. WSI는 NT의 경 우 0.65 g/g, HPH1-15의 경우는 1.09 g/g, HPH2-15의 경우 는 1.12 g/g, HPH1-25의 경우는 1.50 g/g, HPH2-25의 경우 는 1.60 g/g로 나타났다. HPH의 압력조건과 pass 횟수가 증가할수록 WSI는 무처리보다 증가하지만 조건에 따른 큰 유의적 차이를 보이지 않았다. 반면 WAI는 증가하는 경향 을 보였다. 이러한 이유는 수용성 식이섬유의 함량의 증가 와 HPH에 의해 입자가 작아졌기 때문으로 사료된다. Lee 등(2011)의 연구결과에서도 옥수수전분 압출성형물의 WAI 의 증가요인은 전분 용융물이 기계적 전단력에 의해 기공이 많은 조직으로 변화되었기 때문이라고 하였으며 McConnell 등(1974)은 수분흡착력은 식이섬유의 종류, 함량, 입자크기 에 따라 크게 영향을 받는다고 하였다. 즉, 식이섬유함량이 많을수록, 입자가 작을수록 수분흡착력이 높은 것으로 보 고되어 본 실험과 유사함을 보였다.
| Sample | Biji paste powder | |
|---|---|---|
| WAI (g/g) | WSI (g/g) | |
| NT | 3.92±0.51c | 0.65±0.22b |
| HPH1 – 15 | 5.50±0.17b | 1.09±0.34ab |
| HPH2 – 15 | 5.98±0.42b | 1.12±0.45ab |
| HPH1 – 25 | 6.78±0.02a | 1.50±0.22a |
| HPH2 – 25 | 7.02±0.23a | 1.60±0.38a |
비지 paste의 HPH 조건에 따른 Zeta-potential과 입자크 기(particle size)를 Table 4에 나타내었다. Zeta-potential은 무처리한 경우(NT) -17.4 mV, HPH1–15의 경우는 -20.4 mV, HPH2-15의 경우는 -22.6 mV, HPH1-25의 경우는 -26.2 mV, HPH2-25의 경우는 -27.8 mV로 나타났다. 제타전위(ζ)의 절대값이 증가하게 되면 입자들간의 반발력이 증가하게 되 어 입자는 안정하게 되는 반면 절대값이 0에 가까우면 입 자는 쉽게 응집하게 되어 침전하게 된다(Jung et al., 2003). 일반적으로 Zeta-potential 값이 +30mV 이상이거나 -30mV 이하인 경우 입자들은 일반적으로 안정하다고 한다(Sherman, 1970). 본 연구의 결과를 보면 HPH의 압력과 pass의 횟수가 증가함에 따라 Zeta-potential이 증가하는 경향을 보였고, 따 라서 분산 안정도가 높아지는 것으로 사료된다.
| Sample | Zeta-potential (mV) | Average particle diameter (nm) |
|---|---|---|
| NT | -17.4 | N/D |
| HPH1 – 15 | -20.4 | 469.4 |
| HPH2 – 15 | -22.6 | 459.3 |
| HPH1 – 25 | -26.2 | 419.8 |
| HPH2 – 25 | -27.8 | 405.3 |
Particle diameter는 무처리한 경우(NT) 측정되지 않았고, HPH1-15의 경우는 469.4 nm, HPH2-15의 경우는 459.3 nm, HPH1-25의 경우는 419.8 nm, HPH2-25의 경우는 405.3 nm 로 나타났다. 무처리한 비지의 입자크기가 측정되지 않은 이유는 분산안정도가 너무 낮아 침전을 일으켰기 때문이며 측정은 되지 않았지만 469.4 nm 이상의 값을 가진 것으로 추정된다. HPH의 압력과 pass 횟수가 증가할수록 입자가 작아지는 경향을 보였다. 이와 같은 결과는 Tadros 등 (2004)의 연구에서와 같이, 전단력이 클수록 입자크기가 작 아지고 안정한 에멀젼을 만드는 것으로 여겨지며 이는 압 력과 pass 횟수가 증가함에 따라 입자간의 충돌횟수가 많 아지고 이때 생기는 압력변동 및 충돌력 등으로 유화입자 가 더 작게 만들어진다고 판단된다.
제조된 빵의 부피 및 조직특징은 Table 5에 나타내었다. 빵의 부피는 밀가루만 사용했을 시 521 mL, 비지 7%를 첨가한 경우는 363.5 mL, HPH-비지를 첨가한 경우는 296 mL로 측정되었다. 중량의 경우는 밀가루만 사용했을 시 154.4 g, 비지 7%를 첨가한 경우는 159.62 g, HPH-비지 를 첨가한 경우는 158.6 g으로 측정되었다. 밀도는 각각 0.30 mL/g, 0.44 mL/g, 0.54 mL/g으로 측정되었다. 비지를 첨가한 경우 첨가하지 않은 경우보다 부피는 감소하였지만 밀도와 무게는 증가하는 경향을 보였다. 식이섬유 첨가 시 빵의 부피감소는 gluten과 식이섬유원간의 작용으로 여겨지 며(Pomeranz et al., 1977) 비지의 제빵적성 결여도는 글루 텐의 부족 때문으로 사료된다. 비지를 첨가할 경우 식이섬 유 함량이 많아지고 이에 따라 WAI는 더 높아지는데 비 지는 다른 각종 식이섬유원 중에서 수분흡수율이 가장 높 았으며, 이런 높은 수분 흡수율은 식이섬유의 강한 수분 흡착력 때문이거나 gluten의 dilution에 의한 것으로 사료된 다(Chen et al., 1988).
빵의 hardness는 밀가루만 사용했을 시 6.37 N, 비지 7% 를 첨가한 경우는 14.21 N, HPH처리 비지를 첨가한 경우 는 16.01 N으로 측정되었다. 빵의 cohesiveness는 밀가루만 사용했을 시 0.77, 비지 7%를 첨가한 경우는 0.93, HPH처 리 비지를 첨가한 경우는 0.92로 측정되었다. 빵에 비지가 첨가될 경우 그렇지 않은 경우보다 hardness와 cohesiveness 가 모두 증가하는 경향을 보였다. Cho & Lee(1996)는 비 지를 빵에 첨가하였을 경우 높은 hardness와 cohesiveness 를 나타내며 다소 거친 감촉을 나타낸다고 보고한 바가 있 고, Shin & Lee (2002)는 빵의 texture는 비지가루의 혼합 비율이 높을수록 씹힘성과 경도는 증가한다고 보고하였다. HPH 비지를 사용하는 경우 hardness와 cohesiveness가 비 지보다 더 증가한 이유는 HPH처리로 입자가 더 작아지고 수분흡착지수가 증가하여 빵이 많이 부풀지 못하고 수분을 더 많이 보유했기 때문으로 사료된다.
총 9개의 실험점에 대한 실험결과는 Table 6에 나타내 었다. 밀가루와 HPH 처리 비지의 최적배합비를 Derringer & Suich(1980)의 방법을 응용하여 설정하였다. 밀가루의 함량을 91-95%, HPH처리 비지의 함량을 5-9%로 정하고 최적화를 결정하는 주요 종속변수로 빵의 밀도, hardness, 전체적인 기호도로 잡았다. 전체적인 기호도를 최대로 예 측하여 목적범위를 설정하였고, 밀도와 hardness는 최소의 범위를 설정하였다. 예측된 canonical 식에서 설정된 계수 는 각 성분들이 미치는 영향을 수치로 나타나게 되고 각 첨가한 성분들이 상호작용하는 경우에는 비선형의 모델들이 설정되며, 각 성분들이 독립적인 기여도를 나타내면 linear 모델이 선정되었다(Han & Kim, 2003). 최적 수치점 (numerical point)을 예측한 결과 밀가루함량 94.2%, 비지함 량 5.8%이었고, 이 배합비에 따른 종속변수 값은 hardness 39.22 N, 밀도 0.403 mL/g, 전체적인 기호도 5.796으로 분석 되었다(Table 7). 예측된 값들을 그래프로 분석해 보면(Fig. 2) 각 성분과 반응에 대한 모형을 이용하여 그래프의 중첩 되는 범위를 나타내고 그 최적화된 정도를 desirability로 분 석하였다. 반복되는 연산으로 계산되는 최대의 desirability는 여러 결과들 사이에 최적화된 한 값에 수렴하는 것으로 0.725으로 나타났으며 비지의 함량이 많을수록 hardness는 증가하는 경향을 보이고 맛의 선호도와 밀도는 낮아지는 경향을 보였다.
| Constraints name | Goal | Numerical optimization solution |
|---|---|---|
| Wheat flour | in range | 94.192% |
| HPH-Biji | in range | 5.808% |
| Density | Minimize | 0.403 |
| Hardness | Minimize | 39.22 |
| Preference | Maximize | 5.796 |
| Desirability | 0.725 |
요 약
두부의 부산물인 비지를 이용하여 식이섬유가 강화된 식 빵을 개발하기 위해 HPH 처리를 하고 혼합디자인을 이용 한 식빵 최적배합비를 산출하였다. HPH 처리의 결과 압력 과 pass의 횟수가 증가함에 따라 수용성 식이섬유함량, 분 산안정도, 수분흡착지수가 증가하며 입자 크기는 감소하는 경향을 보였다. 이 결과에서 HPH를 25,000 psi에서 2 pass 처리한 비지 paste를 첨가하여 식빵의 최적배합비를 도출하 였다. 최적배합비를 결정하는 주요종속변수로 빵의 밀도, hardness, 기호도로 잡았다. 기호도를 최대로 예측하여 목 적범위를 설정하였고, 밀도와 hardness는 최소의 범위를 설 정하였다. 그 결과 예상 최적배합비는 밀가루함량 94.2%, 비지함량 5.8%이었고, 이 배합비에 따른 종속변수 값은 hardness 39.22 N, 밀도 0.403 mL/g, 전체적인 기호도 5.796으로 분석되었다.
