유색감자 홍영(Solanum tuberosum L.)의 입자 크기에 따른 반죽과 면의 물리적 특성

유색감자 홍영(Solanum tuberosum L.)은 한국과학기술연 구원(Korean Institute of Science and Technology, KIST, Gangneung, Gangwon, Korea)에서 제공받았다. 면의 제조 에 이용한 밀가루(Daehan Flour Co., Seoul, Korea)와 소금 (CJ CheilJedang, Seoul, Korea)은 시중에서 구입하였다.

홍영의 분쇄를 위하여 직경 20 mm, 높이 5 mm의 형태 로 자른 후 60°C의 열풍 건조기(NB-901M, N-BIOTEK, Bucheon, Korea)에서 8 h 동안 건조하였다(Moon et al., 2015). 건조 홍영 30 g은 150W의 분쇄기(MFM 002H, Hibell, Hwaseong, Korea)를 이용하여 5, 10, 20, 30, 45, 60 s 동안 분쇄하였다. 이후 다양한 입자 크기의 홍영 분 말을 얻기 위하여 분쇄물을 screen mesh (2, 1.4, 1.18, 1, 0.6, 0.425, 0.25 mm)와 sieve shaker (CG-211-8, Chunggye, Seoul, Korea)로 분리하였다(Lee et al., 2013). 또한 미세 분말을 얻기 위하여 600 g의 건조 홍영을 12 h 동안 ballmill 분쇄를 하였다. Ball-mill 분쇄 입자의 크기는 입도 분 석기(Mastersizer 2000, Malvern Instruments Ltd, Malvern, Worcestershire, UK)를 이용하여 분석하였다.

분쇄를 이용하여 얻은 다양한 크기의 홍영 분말(RFPF) 과 ball-mill 분쇄 분말(BM)을 첨가한 반죽의 경우, 홍영 분말의 입자 크기는 각각 425-600 (R1), 600-1,000 (R2), and 1,000-1,150 (R3) μm이며, ball-mill 분말의 입자 크기 는 37.86±0.12 μm였다. 반죽의 대조군(control)으로는 밀가 루(W, <160 μm) 반죽을 이용하였다. 반죽 샘플을 제조는 30 g의 홍영 분말과 70 g의 밀가루를 반죽기(5K5SS, KitchenAid, St. Joseph, MI, USA)에 넣고 30 s 동안 교반시킨 후 증류수 50 g과 소금 2 g을 30 s 동안 천천히 투입하였다 . 이후 5 min 동안 반죽을 한 후 반죽이 완료된 샘플은 수 분 손실을 막기 위하여 폴리에틸렌 비닐에 넣은 후 10 min 동안 상온에서 휴지시켰다. 완성된 반죽 샘플은 이후 반죽 과 면의 특성을 확인하기 위한 실험에 이용되었다. 면의 경우 시트의 제조를 위해 제면기(Atlas 150, Marcato, Campodarsego, Italy)를 이용하여 20 g의 반죽을 3 mm, 2mm, 1 mm 간격의 롤러에 순서대로 각각 3회 반복하여 시트를 통과시킨 후 2 mm 너비로 세절하여 두께 1 mm, 너비 2 mm의 면을 제조하였다.

면 반죽의 미세 구조는 variable pressure field emission scanning electron microscopy (VP-FESEM, Supra 55VP, Carl Zeiss, Oberkochen, Germany)를 이용하여 ×800 배율 로 관찰하였다. 미세 구조의 측정을 위하여 샘플은 -40°C 에서 48 h 동안 동결 건조 시켰다.

입자 크기 별 분말의 호화 특성은 강원대학교 공동실험실 습관의 differential scanning calorimeter (DSC, DSC Q2000, TA Instruments, New Castle, DE, USA)를 이용하여 측정하 였다. 밀가루와 홍영 분말 샘플을 각각 증류수와 1:2의 비 율로 혼합한 후 샘플 10 mg을 DSC 측정 팬에 넣고 밀폐하 였다. 이후 30°C부터 130°C까지 10 °C/min의 속도로 열을 가하면서 heat flow의 변화를 관측하였다(Izydorczyk et al., 2005). 얻어진 데이터를 이용하여 분말의 호화 개시 온도 (T_o), 최대 호화 온도(T_p), 엔탈피(enthalpy)를 측정 및 계산하 였다.

면의 인장 특성은 O-ring 인장도 측정 방법을 이용하였 다. 인장도는 36 mm, 너비 2 mm, 두께 1 mm의 O-ring형 태로 제조한 면이 끊어질 때의 힘으로 표현하였다. 고리 형태의 면은 원형 틀을 이용하여 제조하였으며(Fig. 1b, 1c), 직접 제작한 인장도 측정 장치를 이용하였다(Fig. 1a). 면을 위로 당기는 속도는 0.7 mm/s이며 5회 반복 측정을 수행하였다.

Fig. 1. The tensile measurement equipment (a); (b) ring cutter; (c) ring specimen for measuring tensile properties of noodle.

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반죽 30 g을 직경 38 mm, 높이 18 mm의 원기둥 형태로 제조한 후 샘플을 익히기 전과 후인 생반죽과 익힌반죽의 stress relaxation test를 수행하였다. 측정 시 test speed는 0.3 mm/s이며, 변형률은 20%, holding time은 600 s였다. 반죽의 holding 동안의 힘은 시간에 대한 함수로 기록되었 다. Stress relaxation test의 결과는 generalized Maxwell model (Eq. (1)) (Bhattacharya, 2010)로 해석하였다.

n은 Maxwell body의 수를 나타내며, E_i는 Maxwell body 의 탄성 계수(spring modulus)를, λ_i는 relaxation time을, E_e는 독립 탄성 계수(lone spring modulus)를 나타낸다. 힘 은 반죽의 relaxation 동안 지수적으로 감소하며 relaxation time (λ)은 점성(η)과 탄성(E)의 비로 나타낸다(Eq. (2)).

밀가루 반죽과 여러 입자 크기의 홍영 분말을 첨가한 면 반죽의 색도 측정은 색차계(CR-310, Konica Minolta, Tokyo, Japan)를 이용하여 표준 백색판으로 보정한 후 명도(L), 적 색도(a), 황색도(b) 값을 측정하였다. 반죽을 2 mm 두께의 시트로 제조한 후 직경 38 mm의 원형으로 절단하여 이용 하였으며, 각 실험군에서 3개 이상의 원형 샘플을 제조하 여 평균과 표준편차로 나타내었다.

본 연구의 모든 결과는 통계분석 프로그램(SPSS Statistics ver. 21, IBM, Armonk, NY, USA)을 이용하여 평균과 표준편차로 나타내었으며, 결과의 유의성을 검증하기 위하 여 일원분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였다(p<0.05).

다양한 입자 크기의 RFPF를 첨가하여 제조한 생반죽(R) 및 익힌 반죽(C) 단면의 미세 구조에서 반죽을 구성하는 분말 내의 전분, 단백질 구조 및 감자 세포의 형태를 확인 할 수 있었다(Fig. 2). 밀가루 반죽(W)의 미세 구조에서는 타원형 및 원형의 전분이 글루텐 단백질에 둘러싸여 있는 연결된 구조로 이루어져 있었다(RW in Fig. 2). 밀가루 반 죽의 글루텐 구조는 반죽의 제조 과정 동안 글루텐 단백질 의 수화가 일어나면서 단백질이 선형 구조를 나타내게 되 며, 이러한 단백질 간의 교차 결합으로 인하여 연속적인 형태를 가진다(Roman-Gutierrez et al., 2002; Auger et al., 2008). RFPF를 첨가한 반죽의 경우 연속적인 글루텐 단백 질의 교차 결합이 비교적 큰 감자 분말에 의하여 분리되게 된다(Fig. 2(a)). Ball-mill 분말의 경우 분쇄 과정 동안의 물리적 충격으로 인하여 감자 전분이 손상 전분(damaged starch)의 형태가 되기 때문에 ball-mill 반죽의 미세 구조에 서는 입자 크기가 큰 감자 전분 및 감자의 세포 구조를 확인할 수 없었다.

Fig. 2. Scanning electron microscopy analysis of raw and cooked noodle dough with/without the red fleshed potato flour (R: raw; C: cooked; W: wheat flour; BM: ball-milled RFPF; R1: 425-600 μm RFPF; R2: 600-1,000 μm RFPF; R3: 1,000- 1,180 μm RFPF).

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RFPF 첨가 및 미첨가 반죽을 조리한 후 조리 반죽의 미 세 구조를 관찰한 결과, 밀가루(W) 반죽에서는 전분의 호 화로 인하여 전분 과립의 크기가 증가한 반면 ball-mill 분 말(BM) 반죽의 경우 전분의 크기 증가가 적었다(CW, CBM in Fig. 2). 일반적으로 자유수가 적으면 전분의 팽윤 이 적게 일어나고 호화도가 낮은 결과를 보여준다(Bagley & Christianson, 1982). Ball-mill 반죽에서 호화가 적게 일 어난 원인으로는 ball-mill 분말의 입자 크기가 작아 표면 적이 크고 이 표면적을 통한 물의 흡수가 호화온도 이전에 이루어져, 이에 따라 호화에 필요한 자유수가 적어 조리 후에도 큰 변화를 나타내지 않는 것으로 사료된다. Ballmill 분말 외 비교적 큰 입자 크기의 R1 (425-600 μm), R2 (600-1,000 μm), R3 (1,000-1,150 μm) 분말을 첨가한 반죽의 조리 후 미세 구조에서는 감자 분말의 위치에 공극 구조가 관찰되었으며(Fig. 2(b)), 감자 전분이 호화된 후 과 립 구조를 잃고 세포질화가 되었기 때문에 감자 전분의 형 태를 확인할 수 없었다. Bordoloi et al. (2012)은 네 종류 의 뉴질랜드산 감자를 조리한 후 미세 구조를 관찰하였을 때 감자 전분이 호화와 함께 과립 구조를 잃으면서 세포벽 을 따라 전분 구조를 이루는 것을 확인하였다. 공극의 경 우 감자 전분의 호화에 따라 세포질화가 이루어지면서 원 래의 세포질 물질들이 밀려나게 되는데 이는 SEM 촬영을 위한 시료 전처리 중 제거되므로 세포질 물질이 차지하던 자리가 공극으로 나타나게 된다(Alvarez & Canet, 1998).

반죽을 구성하는 밀가루 및 홍영 감자 분말의 호화 열 특성을 DSC 측정 결과로 나타내었다(Fig. 3, Table 1). 밀 가루의 경우 감자 분말에 비하여 호화 개시 및 최대 호화 온도, 엔탈피가 낮았다. Ratnayake & Jackson (2007)의 연 구 결과, 밀 전분에 열처리를 하였을 때 50-60°C 사이에서 호화가 일어났다. 감자 전분의 경우 밀보다 높은 60-65°C 에서 호화 특성이 나타났으며, 본 연구 결과와 마찬가지로 감자 전분의 호화 엔탈피가 더 높았다. 본 연구에서는 순 수한 전분이 아닌 밀과 감자의 분말을 사용하였고 160 μm 이하의 작은 밀가루와 400 μm 이상의 비교적 큰 감자 분 말에 의한 분말의 크기 차이로 Table 1과 같은 결과가 나 타난 것으로 사료된다. 입자 크기가 가장 큰 R3에서 높은 호화 온도 및 낮은 엔탈피가 관찰되었으며 ball-mill 분말 (BM)은 호화 엔탈피가 관찰되지 않았다. 이는 BM은 ballmilling 과정에서 물리적 충격에 의하여 분말 내의 손상 전 분 함량이 높아 호화가 발생하지 않은 것으로 사료된다.

Fig. 3. Endothermic transition of wheat and red fleshed potato flour during gelatinization obtained by differential scanning calorimetry (W: wheat flour; BM: ball-milled RFPF; R1: 425- 600 μm RFPF; R2: 600-1,000 μm RFPF; R3: 1,000-1,180 μm RFPF).

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Morrison et al. (1994)의 연구 결과에서 maize 전분을 8 h 동안, 또한 밀 전분을 16 h 이상 ball-milling 하였을 때 높 은 손상 전분 함량으로 인하여 DSC 측정 시 호화를 확인 할 수 없었다.

밀가루(W) 및 홍영 분말(RFPF)을 첨가하여 두께 1 mm, 너비 2 mm의 고리 형태 숙면을 제조한 후 인장도를 측정한 결과는 Fig. 4와 같다. 인장 시 파열 힘(failure tensile load) 은 W, BM, R1, R2으로 제조한 면 간의 유의적 차이가 나타나지 않았다. 그러나 그 평균은 입자 크기가 커질수록 감소하였으며, 밀가루(W) 면은 36.00±3.74 g, BM 면은 38.33±6.24 g으로 가장 높은 평균을 나타내었고 가장 입자 크기가 큰 R3으로 제조한 면은 16.67±6.24 g의 파열 힘을 가졌다. 반죽에 RFPF를 첨가하면 그 입자 크기가 증가함 에 따라 반죽의 연속적인 글루텐 구조를 방해하기 때문에 인장력에 대하여 면이 쉽게 끊어져 힘이 점차 감소하며, 이러한 글루텐 구조와 분말의 분리는 Fig. 2의 미세 구조 를 통하여 확인할 수 있었다. BM 첨가 반죽은 입자 크기 가 충분히 작아 글루텐 구조를 방해하지 않기 때문에 W 반죽과 유사한 파열 힘을 가지는 것으로 사료된다. Shiau et al. (2012)의 연구 결과에서 역시 밀기울을 면에 첨가하 였을 때 숙면의 경우 입자 크기가 작을수록 면의 파열 힘 이 증가함을 확인하였다.

Fig. 4. Effects of the addition and particle size of red fleshed potato flour on the failure tensile strength of cooked noodle (W: wheat flour; BM: ball-milled RFPF; R1: 425-600 μm RFPF; R2: 600-1,000 μm RFPF; R3: 1,000-1,180 μm RFPF). ^a-bMeans not sharing a common letter are significantly different (p<0.05) by Duncan's multiple range test.

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다양한 크기의 RFPF를 첨가하여 제조한 원기둥 형태의 생반죽과 익힌 반죽의 stress relaxation 데이터는 Maxwell model(Eq. (1))에 적합하게 피팅되었다(r²≥0.98, Table 2). Bhattacharya (2010)는 모스빈(moth bean) 분말로 제조한 반죽의 점탄성을 Maxwell model로 해석하였으며, Rodríguez- Sandoval et al. (2009) 또한 재구성 카사바 반죽 (reconstituted cassava dough)을 3-Element Maxwell model 을 이용하여 반죽 점탄성의 패턴을 예측한 바 있다. Table 2의 Maxwell model 변수를 통하여 밀가루 반죽과 RFPF 첨가 반죽은 모두 점성이 탄성보다 더 우세함을 확인하 였다.

면의 생반죽에서 평형상태의 응력을 나타내는 E_e는 ballmill 분말(BM)을 이용할 경우 가장 높았으며, 밀가루 반죽 에서 가장 낮은 값을 가졌다. E_e는 면과 반죽 시트의 견고 성을 나타낸다(Huang & Lai, 2010). 초기 응력완화반응을 나타내는 1차 성분인 E₁ 과 η₁ 은 W 반죽이 RFPF를 첨 가한 반죽 샘플보다 높은 값을 나타내었으나, 시간이 진행 되면서 진행되는 응력완화도인 E₂, E₃와 η₂, η₃는 W 반죽 에 RFPF를 첨가한 반죽이 더 높은 값을 보였다. 반면에 반죽의 성형적성을 나타내는 relaxation time(λ_i)은 RFPF를 첨가한 모든 반죽이 W 반죽보다 유의적으로 낮은 값을 나 타내었다. 낮은 relaxation time을 가진 반죽은 성형시의 flattening과 sheeting에 보다 적합한 것으로 알려져 있으며 (Bhattacharya, 2010), 본 연구에서 RFPF를 첨가한 반죽이 W 반죽에 비하여 낮은 relaxation time을 나타내므로 반죽 의 성형적성에 적합한 것으로 사료된다. RFPF 첨가 반죽 이 높은 elastic components를 나타내는 것은 감자 분말을 첨가하였을 때 감자 분말의 단백질, 전분, 섬유질, 무기질 등의 성분이 자유수를 경쟁적으로 흡수하기 때문이다 (Bhattacharya, 2010). 또한 BM 반죽에서 elastic components가 가장 높은 원인은 작은 입자 크기로 인한 표면적 의 증가와 낮은 온도에서도 자유수를 흡수하는 손상 전분 의 성질로 인한 것이다(Tester, 1997). Tester & Morrison (1994)은 ball-milling에 의하여 제조된 손상 전분에 저온의 물에서도 용해가 가능한 아밀로펙틴의 저분자 조각이 있음 을 밝혔다. 따라서 손상 전분은 낮은 온도에서의 높은 수 화도로 인하여 전분의 팽윤도와 젤 형성능이 높다.

익힌 반죽의 경우 W 반죽을 제외한 나머지 RFPF 첨가 반죽 사이에는 stress relaxation parameter 값 사이에 유의 차가 나타나지 않았으며, 밀가루 반죽은 홍영 분말 첨가 반죽에 비하여 유의적으로 낮은 값을 나타내었다(p<0.05). RFPF 첨가 반죽은 작은 입자 크기의 홍영 분말에 더 많은 손상 전분이 존재하기 때문에 호화 후 유의차가 나타나지 않는 결과를 나타내었다. Tester (1997)의 연구에서 저온 (20°C)에서 94.3% 손상 전분은 61.0의 팽윤도를, 0.7%의 손상 전분은 1.0의 팽윤도를 나타내었다. 그러나 80°C의 호화가 발생하는 조건에서는 각각 40.5와 96.6의 팽윤도를 나타냄으로, 손상 전분의 경우 저온에서 팽윤도가 높고 고 온에서 호화가 적게 발생함을 확인할 수 있었다. 또한 BM 생반죽과 같은 경우 자유수가 부족할 때 호화에 필요한 수 분이 충분하지 않기 때문에 BM 반죽을 호화시키기 위해 고온에서 조리하면 조직감의 변화가 적고, 반면에 손상도 가 낮은 CR1, CR2, CR3의 경우 높은 자유수 함량으로 인하여 호화가 많이 일어나 elastic component가 증가하여 서로 다른 입자 크기의 반죽에서 유의차가 감소하였다.

생반죽에서의 relaxation time은 밀가루(W) 반죽이 가장 길었으며, 이는 밀가루 반죽 내 글루텐 단백질의 disulphide 결합으로 인한 점탄성 특징으로 사료된다(Belton, 1999). RFPF를 첨가한 반죽은 W 반죽에 비하여 밀가루의 함량이 낮기 때문에 글루텐의 disulphide 결합 감소로 인하 여 낮은 relaxation time을 나타내며, 호화 이후에는 전분의 영향으로 relaxation time의 유의차가 감소하였다.

홍영 분말을 첨가한 면의 제조를 위한 반죽의 명도(L), 적색도(a), 황색도(b)를 Table 3에 나타내었다. 반죽에 홍영 분말을 첨가하였을 때 밀가루 반죽에 비하여 명도는 감소, 적색도와 황색도는 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 홍 영 분말에 존재하는 천연 색소인 안토시아닌의 붉은색에 의한 영향으로 사료된다. 본 연구와 유사하게 마 분말, 토 마토 분말 및 파래 분말을 첨가하여 국수를 제조하였을 때 역시 첨가 및 첨가량에 따라 L값이 크게 감소함을 확인할 수 있었다(Ahn & Yoon, 2008; Cho, 2010; Kim et al., 2015). 홍영 분말의 입자 크기가 증가할수록 적색도가 감 소하였으며, 입자 크기가 가장 작은 BM 반죽은 가장 낮은 황색도를 나타내었다. 반죽을 조리한 후에는 L값이 감소하 나 a값은 증가하고 b값은 감소함을 통하여 홍영 특유의 붉 은색을 더 잘 나타내는 것을 확인하였다.