압출성형 공정변수가 압출성형 비지의 이화학적 특성에 미치는 영향

본 실험에 사용된 비지는 두유 생산 시 부산물로 얻어지 는 원료로서 정식품(Jung's Food, Chungju, Korea) 으로부 터 제공 받았다. 두유제조 부산물로 생성된 콩비지는 70°C 에서 12시간 열풍 건조 후 입도를 80 mesh로 하여 실온에 서 보관하며 실험재료로 사용하였다.

압출성형 비지의 제조에는 자체 제작한 실험용 쌍축 압출성형기(Incheon Machinery, Incheon, Korea)를 사용 하였으며, 스크루 직경은 30.0 mm, 직경과 길이의 비(L/D ratio)는 23:1이었고, 사출구는 원형으로 직경이 3.0 mm인 것을 사용하였다. 스크루 배열은 Fig. 1과 같다. 원료 투입 량은 120 g/min으로 고정하였고 스크루 회전속도는 200, 300 rpm으로 조절하였으며, 수분함량은 35, 45%로 조절하 였다. 배럴온도는 전열기와 냉각수를 사용하여 120, 140, 160°C로 조절하였다(Table 1). 압출성형 비지는 열풍건조기 (DS-520SS, Daewonsci Co., Bucheon, Korea)에서 60°C 조 건으로 8시간 건조하였으며, 분쇄기(MQ745, Braun Co., Aschaffenburg, Germany)를 이용하여 분쇄하였다. 시료는 1차 50 mesh 표준체(Testing Sieve, Chunnggye Sanggong Co., Gunpo, Korea)를 통과하였고, 2차 80 mesh 표준체를 통과한 분말을 시료로 사용하였다.

Fig. 1. Screw configuration used in this experiment (model THK 31T).

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AOAC (2005)법에 따라 비지 시료 5 g의 조단백, 조지방 및 조회분 함량을 Kjedahl Method, Soxhelt Method 및 550°C 건식 회화법으로 측정하였다. 수분 함량은 105°C에 서 30분간 수분분석기(HB43-S Halogen, Mettler Toledo, Columbus, OH, USA)를 이용하여 측정하였다. 탄수화물 함량은 100에서 조단백 함량, 조지방 함량, 조회분 함량, 수분 함량을 뺀 값을 사용하였다. 각 실험은 3회 반복하여 얻은 평균값을 사용하였다.

직경 팽화율은 캘리퍼스(CD-15C, Mitutoyo Co., Tokyo, Japan)로 10회 측정하여 사출구의 직경과 압출성형 비지 직경비의 평균값으로 산출하였고, 비길이는 단위 무게당 길이의 비로 식 (1)을 이용하여 평균값을 산출하였다.

D_extrudate : diameter of extrudate

D_die : diameter of die

압출성형비지의 수용성 성질을 분석하기 위해 AACC (1983)법에 따라 수분용해지수(water solubility Index, WSI) 를 측정하였다. 수분용해지수는 시료 1.5 g에 DW 30 mL를 가하여 30°C의 항온수조(BF-45SB, Biofree Co., Seoul, Korea)에서 30분간 진탕교반한 후 원심분리기(H-1003-3, Hanil Science Industrial Co., Gangneung, Korea)에서 3000 rpm으로 20분간 원심분리하였다. 상등액을 알루미늄 접시 에 부은 후 105°C의 열풍건조기(HB-502MP, Han Beak Co., Bucheon, Korea)에서 2시간 동안 건조하였다. 건조된 시료 를 데시케이터에 담아 30분간 방냉 후 고형분의 무게를 3 번 반복 측정하여 평균값을 구하고 식 (2)를 이용하여 수 분용해지수를 계산하였다.

압출성형 비지를 분쇄하여 80mesh 표준체를 통과한 분말 을 색도계(DP-400 Chroma meter, Minolta Konica, Tokyo, Japan)를 이용하여 명도(lightness, L), 적색도(redness, a), 황색도(yellowness, b) 값을 3회 반복 측정하여 그 평균값 을 사용하였으며, 이 때 사용한 표준 백색 판의 L = 97.22, a = 0.32, b = 2.47이었다.

압출성형 비지의 식이섬유 정량은 AOAC (2005)법을 이 용하여 측정하였다. 총식이섬유의 측정은 시료 1 g을 각각 의 비이커에 넣고 0.08M-soduim phosphate monobasic 50 mL을 넣은 뒤, 0.1 mL의 α-amylase를 혼합하고, 95°C 수 조에 15분간 반응을 시켰다. 실온에서 냉각 처리 후 pH를 7.5±0.2가 되도록 하고 0.27 N-NaOH를 혼합하여 완충용액 에 희석된 5 mg/mL의 protease를 각각의 비커에 넣어 60°C 항온수조에서 30분간 반응을 시킨 뒤 실온냉각 처리를 하 였다. pH 4.0-4.6이 되도록 0.325M-HCl을 가하여 0.1 mL 의 amyloglucosidase를 첨가한 후 30분간 반응시킨 다음, 반응을 멈추기 위해 95% ethanol을 가하였다. 규조토가 도 포된 유리여과기를 사용하여 여과 후 DW, 95% ethanol, acetone으로 세척하였다. 세척된 여과기를 105°C에서 항량 까지 건조한 후, 평균 잔사 중량(Residue)을 측정하고 각각 의 잔사 단백질(Protein)과 회분(Ash)값의 중량을 측정하여 그 값을 빼 주었다. 그 후, 공시험 잔사의 단백질 함량과 회 분량을 측정하여 보정 후 총식이섬유 함량을 정량 하였다.

불용성 식이섬유의 측정은 총식이섬유에서 얻은 잔사에 4배 용량의 95% 에탄올을 가한 후 60°C에서 1 시간 동안 침지하여 규조토를 도포한 유리여과기를 사용해 여과 하고, 78% ethanol, 95% ethanol, acetone 순으로 세척하여 건조 하였다. 건조한 잔사의 단백질과 회분을 측정하여 식 (3)에 대입하여 불용성 식이섬유 함량을 계산하였으며, 수용성 식이섬유는 총식이섬유와 불용성 식이섬유의 차로 계산하 였다.

R : residue weight

P : protein weight

A : ash weight

S : sample weight

환원당 함량은 DNS (Miller, 1959)법으로 측정하였다. 시 료 0.1 g을 DW 10 mL에 녹여 진탕한 후 3,000 rpm에서 20 분간 원심분리 하였다. 여과된 용액 1 mL를 시험관에 옮겨 DNS용액 3 mL을 가하고 끓는 물에서 5분간 반응시킨 후 찬물에서 15분간 냉각하였다. DW를 가하여 25 mL로 mess up한 후 UV/VIS spectrophotometer (WPA Lightwave II, Biochrom Ltd., Cambourne, UK)를 이용하여 550 nm에서 흡광도를 측정하였다. 환원당의 표준물질로는 D-glucose를 사용하였다.

총당 함량은 phenol-H₂SO₄ (Dubois, 1956)법으로 정량하 였다. 건조분말 시료 1 g에 DW 100 mL를 가하여 80°C에 서 2시간 환류냉각 추출한 뒤 Whatman No. 2 여과지로 여과한 여액에 DW를 가하여 500 mL로 정용하여 시료액 을 만들었다. 시료액 1 mL에 5% 페놀수용액 1 mL를 가한 뒤 진한황산(98% v/v) 5 mL를 가하여 혼합하고 상온에서 15분간 방치하여 반응시켰다. 이를 UV/VIS Spectrophotometer를 이용하여 550 nm에서 흡광도를 측정하였고 Dglucose를 이용하여 검량곡선을 작성하였다.

압출성형 된 비지는 그 조직이 형성되지 않았으나 원료 비지에 비해 표면이 단단하고 약간의 뭉침 현상이 발생하 였다. 따라서 원활한 추출을 위해 압출성형된 비지를 분쇄 하고 입도를 80 mesh로 하여 시료 200 g에 유기용매인 70% methanol을 10배수 가하여 12시간 동안 150 rpm에서 교반한 후, 초음파 추출기를 사용하여 3시간 동안 40°C에 서 추출하였다. 추출물들은 Advantec NO. 2 filter paper 를 사용하여 진공 여과한 다음 얻어진 여액을 Cooling Vacuum Evaporator (N-1110S-W, TOKYO RIKAKIKAI Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 40°C에서 감압농축 하였다. 농축액은 4°C에서 저장하여 DPPH Radical 소거능, ABTS Radical 소거능, total phenolic 함량을 측정하였다.

DPPH Radical 소거능은 Blois (1958)법을 변형하여 측정하 였다. 추출물 100 μL에 DPPH 용액 0.2mM, 50 μL를 가하고 10분 동안 반응시킨 후 흡광도의 변화를 517 nm에서 측정하 였다. DPPH 항산화능은 시료용액의 첨가구와 무 첨가구의 흡광도 감소율로 계산하였고, DPPH 항산화 활성이 50% 감 소하는데 필요한 시료의 농도인 RC₅₀ 값으로 나타내었다.

ABTS Radical 소거활성 측정은 Blois (1958)법을 변형하 여 측정하였다. 즉, 7 mM ABTS와 2.45 mM potassium persulfate 용액을 혼합하여 하루 동안 암소에 방치해 ABTS•+ 를 형성시킨 후, 이 용액을 734 nm에서 0.7-0.9가 되도록 몰 흡광계수를 이용하여 DW로 희석하였다. 추출물 50 μL 에 희석된 ABTS•+ 용액 100 μL를 가해 흡광도의 변화를 정확히 5분 뒤에 측정하였다. ABTS의 항산화능은 시료용 액의 첨가구와 무 첨가구의 흡광도 감소율로 계산하였고, ABTS 항산화 활성이 50% 감소하는데 필요한 시료의 농 도인 RC₅₀ 값으로 나타내었다.

총 폴리페놀의 함량은 분석방법으로 널리 사용되고 있는 Gutfiger (1981)법을 변형하여 측정하였다. 희석액 100 μL에 Folin-Ciocalteau 용액 100 μL를 가하고 3분간 방치한 다음 1mL의 0.7M-Na₂CO₃ 용액을 가하였다. 이 혼합액을 60분 동안 방치한 후, UV/VIS spectrophotometer 를 사용하여 750 nm에서 흡광도를 측정하였다. 시료의 총 폴리페놀 함 량은 tannic acid로 표준곡선을 작성하여 계산하였다.

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

압출성형 비지의 일반성분은 Table 2에 나타내었다. 압 출성형 비지의 경우 원료비지와 비교하여 수분, 회분에서 유의적인 차이가 나타나지 않았으며, 단백질의 함량은 31.4±0.80에서 29.5±0.17로 유의적인 차이를 나타내었다. 하지만 원료 비지와 압출성형 비지의 WSI를 비교하였을 때, 압출성형 비지의 WSI 값이 매우 낮은 것을 확인할 수 있는데 압출성형시 비지가 고온에 노출되어 단백질 변성이 일어나 소량의 단백질만 소실된 것으로 판단되며, 이는 압 출성형 시 열 변성된 콩 단백질은 내부의 -SH기와 소수성 아미노산 잔기가 분자표면에 노출되어 분자간의 S-S결합이 나 소수결합이 형성되면서 수용성인 주 단백질이 물에 불 용화 되기 때문이라는 Woo & Kim (2001)의 연구결과와 도 유사함을 확인하였다. 반면 조지방 함량은 21.8±0.82에 서 15.4±0.40로 압출성형 후 감소하였는데, 이는 압출성형 시 용융물이 강한 압력을 받으면서 지방이 추출되어진 것으 로 사료된다. Sio (1971)의 연구결과에서는 식물성 단백질 인 대두 단백의 농도가 증가할수록 압축성형물의 조직이 단단했다고 하였는데, 본 연구에서는 단백질의 함량은 조 직형성에 영향을 나타내지 못하였다. 압출성형 후 조지방 의 감소로 인하여 탄수화물의 함량이 36.01±1.91에서 46.1 ±0.74로 증가하였다.

수분 주입량과 스크루 회전속도, 온도의 변화에 따른 압 출성형 비지의 팽화율은 Table 3과 같다. 비지의 경우 단 독으로 압출성형 하였을 때 팽화가 일어나지 않았고, 고온 고압에 의한 조직화 정도가 약한 성형현상만 관찰되었다. 이는 비지 내에 유분이 다량 존재하고 흐름성이 적어 원료 의 균일한 주입이 일어나지 못하여 압출성형에 영향을 미 쳤을 것으로 판단되며, 또한 스크루 내부에서 지질이 추출 되어 caking 현상이 발생하여 균일한 압력이 전달되지 않 아 팽화가 되지 않은 것으로 사료된다.

압출성형 비지의 수분용해도는 Table 3과 같다. 압출성형 후 비지는 원료 비지 12.3±0.10%에 비해 스크루 회전속도 200 rpm, 용융물 온도 120°C, 수분함량 35%에서 3.9±0.10% 로 크게 감소하였으며, 스크루 회전속도 300 rpm, 용융물 온도 160°C, 수분함량 35%에서 6.6±0.26%로 가장 높게 나 타났다. 원료비지의 수분함량이 7%에서 35%로 증가할수록 수분용해도는 감소하는 경향을 보였으며, 수분주입량의 증 가에 따라 수분용해도가 감소된다는 Stojceska (2008)의 보 고와도 일치하였다. 또한 스크루 회전속도가 200 rpm에서 300 rpm으로 증가하고, 용융물 온도가 120°C에서 160°C로 높아짐에 따라 수분용해도는 5.8±0.10에서 6.6 ±0.26로 증 가하였다. 압출성형공정을 통해 수분용해지수는 증가하였으 며 이는 수분주입량과 용융물 온도를 조절하여 제조한 카사 바 전분 압출성형물의 특성 결과와 동일한 경향을 나타내었 다(Serge et al., 2011). 압출성형공정을 통해 수분용해지수가 증가한 원인은 수분함량, 스크루 회전속도, 용융물 온도와 비기계적 에너지에 의한 단백질 구조의 파괴가 진행되어 수 용성 다당류의 양이 증가되었기 때문이다(An et al., 2014).

압출성형 비지의 명도(L), 적색도(a), 황색도(b) 값은 Table 3과 같다. 명도는 배럴온도 120°C, 스크루 회전속도 300 rpm, 수분함량 45%인 압출성형 비지의 값이 69.37± 0.23으로 가장 높은 값을 나타내었고, 배럴온도 160°C, 스 크루 회전속도 200 rpm, 수분함량 35%에서 52.88±0.85로 가장 낮은 값을 나타내었다. 전체적으로 L값은 수분함량이 증가할수록, 배럴온도가 감소할수록, 스크루 회전속도가 증 가할수록 높아지는 경향을 나타내었다. 이는 압출성형 중 수분함량 증가로 인해 온도가 감소되고 수분이 수증기로 되어 사출구에서 빠져 나올 때 갈변화가 덜 일어났기 때문 인 것으로 생각 된다(Miwa et al., 1990). a값은 팽화온도 160°C, 스크루 속도 200 rpm에서 수분함량 35%일 때 7.22 ±0.26%로 가장 높은 값을 나타내었으며, 팽화온도 120°C, 스크루 속도 300 rpm, 수분함량 45%에서 5.29±0.18으로 가장 낮은 값을 나타내었다. 전체적으로 a값은 수분함량이 감소할수록, 팽화온도가 증가할수록, 스크루 속도가 낮을수 록 증가하는 경향을 나타내었다. b값도 a값과 마찬가지로 수분함량이 감소할수록, 배럴온도가 증가할수록, 스크루 속 도가 낮을수록 증가하는 경향을 나타냈다. Jang (2006)의 뽕잎 팽화과자에 관한 연구와 Cheon & Eun (2011)의 연 구에서도 일반 고구마 분말을 첨가한 팽화과자의 특성연구 에서 배럴온도가 증가함에 따라 L값은 감소하고 a, b값은 증가하였다고 보고하였다. 이는 본 연구결과와도 일치하였 고 즉석팽화스낵 제조과정 중 발생하는 Maillard reaction 에 의한 갈변반응이 원인인 것으로 판단되며, 갈변반응은 일반적으로 온도가 높을수록 수분함량이 낮을수록 더 쉽게 일어난다는 Ha et al. (2004)의 보고와도 일치하였다.

압출성형 비지의 식이섬유 함량은 Table 4와 같다. 불용 성 식이섬유(insoluble dietary fiber)는 압출성형 비지가 원 료 비지에 비해 낮게 측정되었으며 300 rpm, 160°C, 수분 함량 35% 조건에서 560.08±9.87 mg/g으로 낮게 분석되었 다. 또한 수용성 식이섬유(soluble dietary fiber)의 함량 역 시 동일 조건에서 32.22±0.33 mg/g으로 가장 높게 측정되 었다. 이는 Lee & Schwarz (1994)에 의해 보고된, 압출성 형 시 발생하는 고온, 고전단력에 의해 세포벽의 분해가 일어나 불용성 식이섬유는 감소하고 수용성 식이섬유는 증 가한 결과와 일치하였다. 그리고 Kim et al. (2009)의 보고 에 의하면 일반적으로 불용성 식이섬유의 주요 성분인 셀 룰로오스와 리그닌이 압출성형 시 발생하는 고온과 전단력 의 영향으로 섬유질 구조가 파괴되어 수용성 식이섬유가 증가하였으며, 불용성 식이섬유와 수용성 식이섬유가 압출 성형공정을 통하여 당류로 전환되어 총식이섬유 함량이 감 소한 것으로 판단된다.

압출성형 비지의 총당 및 환원당의 함량은 Table 4와 같 다. 압출성형 비지의 총당은 압출성형을 통하여 증가하는 경향을 보였으며, 300 rpm, 160°C, 수분함량 35% 조건에서 272.18±2.79 mg/g으로 높게 분석되었다. 이는 Ryu et al. (2008)의 산삼배양근을 압출성형 하였을 때 총당의 함량이 증가함을 보였다는 결과와 Ryu & Kim (2013)의 결과와도 유사하였다. 환원당의 경우 300 rpm, 160°C, 수분함량 35% 조건에서 9.58±1.18 mg/g으로 감소하였는데, 이러한 원인은 압출성형 공정을 거치면서 높은 온도로 인해 갈변화가 환 원당의 감소에 영향을 미친 것으로 판단된다.

압출성형 비지의 DPPH radical 소거능은 배럴의 온도가 증가할수록, 스크루 회전속도와 수분함량이 높아질수록 증 가하는 경향을 나타내었으며(Table 5), 수분함량이 45%, 스 크루 회전속도 300 rpm, 용융물 온도 160°C에서 10.1±0.4% 로 가장 높게 나타났다. 이는 수분함량이 증가할수록 DPPH radical 소거능의 값도 비례하여 증가하였다는 Yang & Choi (2016)의 보고와도 일치하였으며, 온도 증가로 인해 압출성형물에 함유되어 있는 단백질 펩타이드가 가수분해 되면서 항산화 활성도 비례하여 향상되었다는 Choi et al. (2011)의 보고와, 열처리가 항산화 활성 효과를 증진시킨다 는 Lee et al. (2014)의 보고와도 일치하고, 또한 Son & Ryu (2009)의 압출성형 백삼의 유리기 소거활성을 조사한 결과가 용융점 온도 140°C에서 압출성형한 백삼이 110°C 보다 높았다는 결과와도 일치하였으며, 수삼의 증삼온도 (100-120°C) 조건을 달리하여 제조한 인삼추출물의 DPPH radical 소거능을 비교하였을 때 120°C의 고온에서 제조된 인삼에서 활성이 높았다는 Kim et al. (2000)의 연구결과 와도 유사함을 확인하였다.

ABTS는 비교적 안정한 free radical로서 DPPH radical 소거능과 함께 항산화 활성을 분석하는데 많이 이용되고 있으며 압출성형 비지의 ABTS radical 소거능은 Table 5 와 같다. 압출성형 비지의 용융물 온도가 120°C에서 160°C로 증가함에 따라 ABTS radical 소거능은 높게 나타 났으며, 스크루 회전속도가 200 rpm보다 300 rpm에서 증가 하는 경향을 나타내었다. 압출성형 비지의 ABTS radical 소거능은 수분함량 45%, 스크루 회전속도 300 rpm, 용융 물 온도 160°C에서 34.6±0.78%로 가장 높게 나타났다. 이 는 가수량이 높을수록 ABTS radical 소거능이 증가하는 경향을 보인다는 Lee et al. (2014)의 보고와도 일치하였다.

각각의 시료에 대한 총 폴리페놀 함량의 측정결과는 Table 5와 같다. 총 폴리페놀 함량은 압출성형 처리하지 않은 비지에서 16.52 mg/g으로 가장 낮게 나타났다. 압출 성형 비지의 총 페놀함량은 수분함량 45%, 스크루 회전 속도 300 rpm, 용융물 온도 140°C에서 17.46 mg/g으로 가 장 높게 측정되었으며, 압출성형 조건에 따른 차이는 크 지 않았다. 페놀화합물은 식물성 자원 속에서 항산화 효 능과 관련이 깊은 성분으로 알려져 있으며, phenolic hydroxyl 그룹이 효소단백질을 포함하는 단백질과 2가 금 속이온 및 기타 거대 분자들과 결합하는 성질을 갖기 때 문에 높은 항산화효과를 가지는 것으로 보고되었다(Shin et al., 1994).