식품용 Hemicellulase 계열 효소를 이용한 국내산 감자 가공 부산물의 전분 추출 및 이화학적 특성

연구에 사용된 감자 가공부산물은 국내 감자칩 생산 공 장(N사 가공공장)에서 제공 받았으며, 제공받은 감자 부산 물을 2분간 믹서기(BLENDFORCE BL3051; Tefal, Rumilly, France)에서 습식 분쇄한 뒤 동결건조하여 상온에서 보관하 며 사용하였다. 감자 가공부산물의 전분을 추출하기 위해 식품용 hemicellulose 분해효소인 Laminex^® BG2는 Biosion Biochem (Sungnam, Korea)에서 구입하여 사용하였다. 이 외 감자 가공부산물 전분의 분석 및 추출에 사용된 시약과 용매들은 ACS 등급 이상의 것을 사용하였다.

감자 슬러지에서 hemicellulase를 이용하여 전분을 추출 하기 위해 10 g의 감자 가공부산물을 30 mL의 증류수에 녹여 교반하였다. 감자 가공부산물 혼합물에 건조중량 대 비 0.50, 0.75, 1.00, 그리고 1.50%양의 Laminex^® BG2를 시료에 첨가하였다. 이후 40°C에서 3시간동안 300 rpm으로 교반하여 반응하였다. 반응이 끝난 전분유는 원심분리 (2,000×g, 30 min)를 통해 전분층과 상등액을 분리한 후 상등액을 버려주고 남아있는 전분층에 다시 30 mL의 증 류수를 가하여 3회 세척한 뒤 각각의 전분은 -72°C에서 동 결하여 동결건조기(Freeze Dryer, Ilsin lab Co., Suwon, Korea)에서 48시간 동안 동결건조하였다. 서로 다른 농도의 효소를 이용하여 만든 추출물의 total starch 함량은 AOAC international method 996.11 (AOAC, 2007)에 따라 실시 한다.

감자 슬러지의 경우 식품공전(Food & Association, 2015)에 따라 수분함량, 조지방함량, 조단백 함량, 회분함 량 그리고 총 탄수화물 함량을 측정하였다. 이 후 감자 슬러지에 서로 다른 농도의 효소를 이용하여 감자 가공부 산물에서 추출된 전분의 수율은 아래의 계산식으로 계산 하였다.

$\text{추출수율(\%)\hspace{0.17em}=\hspace{0.17em}}\frac{\text{추출된 쇄미 전분의 건조중량\hspace{0.17em}}\left(\text{g},\text{\hspace{0.17em}d}\cdot \text{b}\right)}{\text{초기 쇄미 조직의 건물량\hspace{0.17em}}\left(\text{g},\text{\hspace{0.17em}d}\cdot \text{b}\right)}\times 100$

전분의 입도분포는 레이저 회절(laser diffraction)을 이용 한 입도분석기(Laser Particle size analyzer, CILAS 1190 Liquid, Cilas, France)를 이용하여 분석하였다.

전분의 호화특성을 AACC Method 61-02에 의하여 RVA (Rapid Visco Analyzer, Newport Scientific, RVA-Super4, Warriewood, Australia)를 이용하여 측정하였다. 각 시료는 건물 기준으로 14% 수분함량이 되도록 제조하였으며, 측 정온도는 1분간 50°C를 유지하고 95°C까지 12°C/min의 속 도로 온도를 상승시킨 후 2분 30초 동안 95°C를 유지, 12°C/min의 속도로 50°C까지 온도를 하강시킨 후 50°C에 서 2분간 유지하여 점도곡선을 얻었다. 얻어진 점도 곡선 으로부터 호화개시온도(initial pasting temperature), 최고점 도(peak viscosity), 최저점도(minimum viscosity), 최종점도 (final viscosity)를 측정하고, 이들 측정치로부터 breakdown, setback 값을 구하였다.

각 시료의 미세구조는 주사전자현미경(SEM, Scanning electron microscope, JSM7800, JEOL, Tokyo, Japan)을 사용 하여 검경하였다. 동결건조 한 감자 전분을 gold-palladium 으로 ion sputter (C1010 Hitachi, Tokyo, Japan)를 이용하 여 도금한 후, 가속전압 20 kV에서 전분의 미세구조를 각 각 500배, 800배 그리고 1,250배의 배율로 관찰하였다.

전분의 열전이(thermal transition)은 시차주사열량계(DSC 4000, Perkin Elmer, Waltham, MA, USA)를 이용하여 분 석하였다. 전분(10 mg, d.b)을 알루미늄 팬에 직접 칭량하 고 탈이온수(20 μL)를 가하여 밀폐한 후 상온에서 24시간 동안 방치하였다. DSC thermogram은 25°C부터 120°C까지 10°C/min의 속도로 가열하여 얻은 후 용융온도(onset temperature), 피크온도(peak temperature), 종료온도(end temperature) 와 용융엔탈피(ΔH; gelatinization enthalpy)를 Pyris software version 11.1.0.04.88 (PerkinElmer Inc.)에 의해 계 산하였다.

모든 실험결과는 SPSS 통계프로그램(SPSS 20.0 for window, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하여 t-test 와 분산분석(ANOVA)을 실시하였으며 Duncan's multiple range test에 의해 평균값의 유의차(p<0.05)를 검증하였다.

감자 가공부산물의 경우 조단백 0.1%, 회분 0.4%, 그리고 탄수화물 함량이 99.5%를 차지하고 있으며, 탄수화물 함량 중 16.1%가 비전분성 다당류(NSP, non-starch polysaccharide) 계열로 나타났다. 그러므로 감자에서 전분 추출 효율 을 높이기 위해서는 NSP를 제거해야 된다. Sriroth et al. (2000)에 연구에 따르면 cassava pulp에서 전분을 추출할 때, cellulase와 pectinase를 동시에 처리하여 전분 추출 수 율을 증가시켰으며, 여기서 추출 된 전분과 cassava 전분간 에 점도, 열전이 등의 물리화학적 특성을 비교해보았을 때 유의적 차이가 감지 되지 않았다. 또한 Seo et al. (2016)의 연구에서도 cellulase 효소들을 이용하여 전분 자체에 영향 을 주지 않고, 전분 추출 효율이 증진 된 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 감자 및 이의 가공부산물에는 전분을 함유하고 있는 유세포 및 NSP를 가지고 있으며, cellulase 는 전분에 영향을 주지 않고 이를 제거하기 때문에 전분 추출 효율이 증대 될 것으로 기대할 수 있다. 이에 본 연 구에서는 감자 전분 추출을 효율적으로 증가시킨 식품용 hemicellulase를 선정하여 감자 가공부산물의 전분 추출을 수행하였다. 감자 가공부산물의 건조중량 대비 0.50, 0.75, 1.00, 그리고 1.50% (v/w) 비율로 각각의 효소액에 3시간 침지시켜 반응을 진행하였다. 선정된 hemicellulase 효소 (Laminex^® BG2)는 cellulose 분해 능력이 뛰어난 Trichoderma reesei 유래 β-glucanase 계열의 효소이다. Endo-형태로 분 해하며 cellulose와 xylan을 분해하여 glucose와 xylose를 생산하는 능력이 뛰어나 맥주발효에 사용되는 효소제이다 (Bhat, 2000). 감자 세포벽 부분의 대부분은 유세포로 이루어 져 있으며 이는 cellulose, pectin polysaccharide, xyloglucan, heteromannans, heteroxylan으로 구성되어 있다(Hoff & Castro, 1969; Xiao & Anderson, 2013). Laminex^® BG2는 유세포의 cellulose, xyloglucan, heteroxylan을 분해하여 glucose, xylose를 생성하는 것으로 알려져 있으며(Zurbriggen et al., 1991), 이를 통해 유세포의 구조를 파괴하여 내부 의 전분이 수월하게 용출될 수 있게 만든 것으로 사료된다. 서로 다른 농도의 동일한 효소를 반응한 결과, 최종 무게의 변화는 크게 관찰되지 않은 상태에서 효소 농도에 상관 없 이 총 전분 함량이 83%에서 96% 내외로 증가 한 것을 확 인 할 수 있다(Table 1). 이 실험결과를 통해 감자 가공부산 물에 총 성분 중 16%를 차지하는 NSP는 감자 유세포와 비 슷한 구성을 가지며, cellulose, xyloglucan, heteroxylan 성 분이 풍부한 것으로 판단된다.

서로 다른 농도의 Laminex^® BG2를 이용하여 감자 가공 부산물에서 추출한 전분의 입도분포를 입도 분석기를 이용 하여 분석하였다(Table 2). 입자의 크기는 이화학적 특성을 변화시켜 제품의 품질에 영향을 미치므로, 입자의 크기를 정확하게 파악하는 것이 가공과정에 있어서 매우 중요하다 (Kum & Lee, 1999; Rasenack & Müller, 2004). 입자의 크기는 용해도 및 안정성을 포함한 생물학적 그리고 물리 적 특성을 향상시키기 위한 중요한 요소이다(Lee et al., 2008). 일반적으로 비 효소적 처리에 의하여 추출된 전분의 입자 크기는 15-100 μm로 알려져 있다(Lee et al., 2012). Laminex^® BG2를 처리하여 추출한 전분의 평균입도는 효소 농도가 0.50, 0.75, 1.00, 그리고 1.50%일 때 각 각 36.69 ±0.21^a, 40.47±0.07^b, 40.76±0.35^b, 39.31±0.21^a μm의 크기로 측정되었다(p<0.05). 즉, Laminex^® BG2를 이용하여 생성 된 감자 전분의 입도는 기존 상업용 감자전분 입도 범위 안에 포함되어, 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다. 기존 연 구에 따르면 세절한 감자에 Laminex^® BG2를 처리하였을 때 입자 사이즈가 평균 36.79±0.09 μm로 나왔으며 이 값 은 감자 가공부산물에 서로 다른 농도의 동일한 효소를 처 리했을 때의 입자 사이즈 평균과 유사하게 나왔다(Seo et al., 2016). 이를 통해 감자 가공부산물의 NSP 성분들이 일 반 감자의 NSP 성분과 큰 차이가 없어, 동일 효소에 유사 한 반응을 보이는 것으로 생각된다.

주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 추출된 전분의 granular 구조를 확인하였다(Fig. 1). 카사바, 혹은 타로 전분을 제외한 대부분의 뿌리 혹은 괴 경 유래 전분의 경우 간단한 구조로 구형 혹은 타원형의 균열이 없는 매끈한 구조를 보인다(Hoover, 2001). 감자 가공부산물 유래 전분의 granule 구조도 기존의 tuber 유래 전분과 같이 매끈한 표면의 타원형을 이루는 것으로 나타 났다. 감자 가공부산물에서 추출한 전분 또한 효소의 농도 차이에 큰 상관없이 모양이 비슷한 것을 알 수가 있으며, 이는 효소 농도에 따라 전분의 granule 구조에 영향을 받 지 않음을 의미한다.

Fig. 1. Scanning electron microscope micrographs of starches extracted from potato sludge with 0.50, 0.75, 1.00, and 1.50% of Laminex^® BG2 treatment.

Download Original Figure

Rapid Visco Analyzer (RVA)를 통하여 Laminex^® BG2의 농도에 따른 추출한 감자 가공부산물 유래 전분의 호화특 성을 확인하였다(Table 3). Pasting viscosity 값을 측정한 결과, 효소 농도에 상관 없이 추출된 전분의 final viscosity 의 경우 4,452 cP 내외로, pasting temperature의 경우 66°C 내외로 유의적 차이가 나타나지 않았다. 하지만, 효소 농도 에 따라 peak, breakdown, setback viscosity에 어느 정도 차이를 보이며, 특히 감자 가공부산물에 cellulase를 1.5% 첨가한 경우 peak 점도는 8,435 cP, breakdown 점도 값은 4,563.5 cP로 가장 높으며, setback viscosity의 값은 654 cP로 가장 낮게 나왔다. Seo et al. (2016)에 따르면, Laminex^® BG2를 이용하여 추출한 감자 전분은 비 효소 처리 전분에 비하여 breakdown값이 높게 나타났고, setback값이 낮게 나왔다. 다량의 cellulase를 첨가할 경우, breakdown값이 낮 다는 것은 팽윤 된 전분입자가 shearing에 의해 급격하게 분해되는 것에 기인하는 것으로 생각되며, 낮은 setback 값 은 전분의 재결합이 쉽게 일어나지 않는 것으로 사료된다. RVA에 의한 호화양상은 전분입자의 배열과 결합력, 입자 크기, amylose와 amylopectin의 구성비 및 구조차이 등에 의해 결정된다(Choi et al., 2008). 그러므로, 1.5% 이상 고 농도의 hemicellulase를 첨가할 경우 전분의 재결합 능력이 떨어지며, shearing에 의해 급격하게 변하는 등 전분 특성 의 변화가 나타나는 것을 알 수 있다.

Differential scanning calorimetry (DSC)를 이용하여 감자 가공부산물 유래 전분의 열전이(thermal transition)를 조사 한 결과는 Table 4에 나타내었다. 0.75, 1.00, 그리고 1.50% 의 Laminex^® BG2효소를 처리하였을 때, 전분의 용융 온도 (onset temperature), 피크 온도(peak temperature) 및 종료 온도(end temperature)의 값은 각각 55.47°C, 59.15°C, 그리 고 63.68°C 내외로 큰 유의적 차이는 나타나지 않았다 (p<0.05). 단, 0.50% 농도의 Laminex^® BG2효소를 첨가했 을 때, 전분의 용융 온도(onset temperature)와 피크 온도 (peak temperature)는 각각 53.68±0.17^a와 58.03±0.09^a로 다 른 농도를 처리했을 때 보다 값이 낮게 나왔다(p<0.05). 전 분에 불순물이 많을 경우, 수분이 기타 성분의 결합 등에 의해 전분의 수분 이용성이 감소하고, 이로 인해 순수한 전분보다 높은 용융 온도(onset temperature)와 피크 온도 (peak temperature) 값을 보인다(Liu et al., 2007). 이를 통해 Laminex^® BG2 효소액의 양이 0.75% 이상일 경우, 효소액 내에 있는 불순물에 의해, 감자 전분에 수분 이용성이 감소 하여 용융 온도와 피크 온도가 올라간 것으로 사료된다. Alvani et al. (2011)의 보고한 바에 따르면 감자의 품종에 따라 용융 온도(onset temperature), 피크 온도(peak temperature) 및 종료 온도(end temperature)의 온도 범위가 각각 58.7 에서 62.5°C 사이, 62.5에서 66.1°C 사이, 그리고 68.7 에서 72.3°C 사이로 나왔다. 또한 Singh & Kaur (2004)에 따르면 감자의 재배지 및 입도 사이즈에 따라 용융 온도 (onset temperature), 피크 온도(peak temperature) 및 종료 온 도(end temperature)가 다른 것으로 알려져 있다. 이 값들은 감자 가공부산물 추출 전분의 열전이(thermal transition) 값 과는 유의적 차이를 보였다. 이를 통해서 감자의 열전이 (thermal transition) 특성은 감자 품종, 재배지, 입도 사이즈 뿐만 아니라, 효소 농도에 의해 결정 된다고 할 수 있다.