전통 메주 제조과정에 있어서 근적외 모니터링 가능성 조사

2015년 11월 초순에 경상북도 청도군 금천면 전통메주 전문업체에서 국산콩을 삶아 으깬 뒤 23×20×12 cm 크기로 만든 생메주를 구입하여 냉동보존하며 사용하였다.

상기 생메주를 볏짚으로 묶어 통풍이 잘되는 한옥 처마 아래에서 1개월간 말리면서 접균 시킨 뒤 20℃토방에 벽돌 모양으로 쌓아서 2개월간 보존하여 만든 발효메주를 실험 에 사용하였다.

상기 생메주를 3×4×3 cm 크기로 잘라서 수분함량이 30% 되게 말린 뒤 그 표면에 전통메주가루를 고루 묻혀서 보습을 위해 종이타올(Wypall X70, Yuhan-Kimberly, Seoul, Korea)로 싸서 25℃ 항온기에 넣고, 3주간 유지하면서 시료 를 채취하였다.

전통 발효메주의 표면을 5 mm 정도 벗겨내고 그 아래층 20 mm 까지를 겉 부분, 나머지 속 부분으로 잘게 자른 뒤, 분쇄기(HMF-502, Hanil, Seoul, Korea)로 가루로 만들어 실험에 사용하였다.

상기 분말 시료 3 g과 소금물 20 mL를 팔콘 튜브에 넣고 20℃에서 24시간 진탕 추출(BF-30SI, Biofree, Korea)한 뒤, 4,000 rpm에서 20분간 원심분리(Low speed centrifuge 416, Labo gene, Seoul, Korea)한 상징액을 여과하여 분석에 사용 하였다.

중간수분 메주 시료의 수분함량은 시료 크기를 2×2×1 cm가 되게 절단하여 바닥에 구멍이 뚫린 알루미늄 접시 (Ø80 mm)에 얹은 뒤 50℃에서 48시간 동안 온풍 건조 (LD-918BH, L'equip, Hwaseong, Korea)시켜 계산하였고, 발효메주의 수분 함량은 스테인레스 용기(Ø75 mm)에 담아 온풍건조(약 70℃, 48시간)시켜 계산하였다(10).

메주의 소금물 추출액 0.1 mL에 ninhydrin용액(Tokyo Chemical Industry Co., Tokyo, Japan) 1 mL와 증류수 4 mL 넣고 90℃에서 20분간 가열하여 정색반응 시킨 뒤 570 nm 에서 흡광도를 측정하여, Glutamic acid(Samchun Pure Chemical, Gyeonggi-do, Korea)로 작성한검량식y=(x+0.1427) /0.6624, R²=0.99에 대입하여 아미노산 함량을 산출하였다 (11).

메주추출액의 갈색도는 UV-Visible spectrophotometer (UV-1800, Shimadzu, Kyoto, Japan)로 420 nm에서 측정한 흡광도로 나타내었다(12).

분말상태로 조제한 메주시료를 석영유리창이 부착되어 있는 밀폐시료용기(closed cup)에 약 5 g을 넣고 spatula로 표면을 고른 뒤 스펀지가 부착된 뚜껑으로 압박하여 잠근 뒤 CARY 5G(Varian, California, USA)시료 창에 밀착시켜 400 nm - 2,500 nm 까지 확산 반사모드로 가시 및 근적외 스펙트럼을 측정하였다(13).

가시 및 근적외 스펙트럼의 해석은 Camo사의 다변량 통계 소프트웨어 Unscrambler(v10.3, CAMO, Oslo, Norway) 를 이용하였다. 화학분석 데이터와 근적외 스펙트럼 데이 터 간에 오차를 최소화시키기 위하여 전처리로서 2차 미분, SNV(standard normal variate), smoothing처리를 적용하였 다. 검량식 작성에는 부분최소자승회귀분석(partial least square regression, PLSR)방법을 사용하였으며, 검량식의 정 확도 평가는 결정계수(R², multiple correlation coefficient), 주성분(principal component, PC), 및 검량식을 통하여 나온 검증오차인 RMSECv(root mean square error of cross validation)로 확인하였다(14).

발효 메주의 겉 부분과 속 부분 시료 각각의 가시, 근적외 스펙트럼 자료의 판별분석에는 1,000-2,250 nm의 스펙트럼 자료를 이용하여 전처리로서 multiplicative scatter correction (MSC) 처리 후 1차미분한 자료를 Fisher’s liner discriminant orthogonal decomposition(FDOD)방법으로 분석하였다(15).

수분 60%인 생메주를 약 30%까지 건조시킨 뒤 25℃항온 기에넣고3주간보존하는동안에균의번식정도가점차증가 되는것을관찰할수있었다. 이들시료의근적외스펙트럼을 측정하여 Fig. 1에 나타내었는데 수분의 O-H에 기인되는 1,000 nm, 1,400 nm 및1,900 nm 부근에서흡수피크가관찰되 었으며, 대두 단백질의 -CONH와 아미노산의 N-H에 기인되 는 2,170 nm와 2,060 nm 부근에서 흡수 피크가 관찰되며, 대두지질의 C-H에 기인되는 1,700 nm 부근에서 흡수피크가 관찰되었지만, 2,300 nm에서는 뚜렷이 관찰할 수 없었다. 전반적으로 2,000 nm 이상에서 노이즈가 심하게 나타나있 음을 볼 수 있었는데, 이는 메주분말시료의 표면에 수분이 번져나와 반사되었기 때문인 것으로 추정되며(16), 이들 시 료의 원(raw)스펙트럼 자료를 smoothing 및 2차 미분 처리함 으로서 Fig. 2와 Fig. 3과 같이 노이즈가 소거되어져 관찰이 훨씬 쉬워졌다(17).

Fig. 1. NIR spectra of the model soybean lump after incubation at 25℃ for 21 days.

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Fig. 2. The second derivative NIR spectra of the model soybean lump after incubation at 25℃ for 21 days.

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Fig. 3. The second der ivative NIR spectra of the model soybean lump after incubation at 25℃ for 21 days.

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항온기에서 메주가 발효되는 기간이 경과됨에 따라 수분 함량이 낮아지면서 물의 O-H에서 기인된 980 nm에서의 흡광도는 줄었으며, 1,416 nm에서 1,430 nm쪽으로 시프트 되며 감소되는 것을 볼 수 있었다. 이는 발효 중 메주의 수소결합 상태가 느슨한 물이 먼저 증발되고 점차 수소 결합이 강한 물만 남게 되는 현상 때문에 시프트된 것으로 양념채소의 건조에 관한 연구에서도 물에 기인되는 흡수패 턴이 유사하게 보고된 바 있다(10). 2,056 nm에서는 3주에 이르는 동안 점차 흡수가 아래로 돌출됨을 볼 수 있는데, 이는 2,170 nm에서 흡수를 나타내는 대두단백질의 펩타이 드가 가수분해 되면서 그 결과 아미노기가 증가된 것으로 식품 단백질의 2차 구조해석에 관한 연구와 폴리펩타이드 를 해석한 연구에서도 이들 파장영역에서의 흡수패턴이 소개된 바 있다(18-19).

20℃ 조건에서 2개월간 충분히 띄운 메주의 겉 부분은 속 부분에 비해 건조가 많이 이뤄져 있음을 Table 1에서 볼 수 있는데, 수분이 상대적으로 2-3% 높게 유지된 메주의 속 부분이 겉 부분에 비해 아미노산의 생성정도가 약 2배정 도 높은 것을 알 수 있었다. 생메주의 사이즈가 발효메주의 품질과 연관하여 두께가 12 cm인 것 보다 얇은 7 cm인 것이 전반적으로 품질이 좋았다는 보고(20)가 있는데 이러 한 생메주의 건조 과정 중 접합된 자연계 미생물이 발효 중 단백질 분해 효소를 분비하기에 필요한 수분함량을 적절 히 공급하기 위한 조건을 설정하기 위한 연구에 도움이 될 것으로 사료된다.

전통메주의 속 부분이 겉 부분에 비해 갈색도가 1.2배 정도 높음을 볼 수 있었는데, 전통된장의 짙고, 탁한 갈색이 밀과 쌀Koji를 쓰는 일본식 양조된장의 밝은 황색에 비해서 소비자가 싫어한다는 보고가 있으며(21-22), 된장의 색깔 개선에 대한 연구가 보고되어있다(23).

대두단백질이 메주 제조기간 중 가수분해되어 생성되는 글루타민산, 라이신 같은 아미노산과(24) 대두 유래의 환원 당이 아미노 카르보닐 반응하여 생겨난 3-deoxyglucoson (3-DG)같은 카르보닐 물질이 추가로 반응하여 갈색물질인 멜라노이딘을 생성하기도 하지만 한편으로는 디카르보닐 화합물인 3-DG가 미쳐 잘라지지 않은 대두 단백질과 부분 절단된 펩타이드와 결합하면 펩타이드 또는 단백질 자체가 갈변되기도 하며, 이들 펩타이드간 크로스 링킹에 의해 중 합이 과도하게 일어나면 단백질의 불용화를 초래할 수 있다 는 기초적인 연구 결과가 있어 대두 단백질을 주원료로 사용하는 전통된장의 갈변을 개선시킬 수 있는 방법을 개발 하는데 참고가 될 것으로 사료된다(25-27).

일반적으로 메주의 제조과정 중 온도와 습도가 중요하게 관여하는데 잔여 수분이 증발되지 않고 지켜질 수 있는 조건 일 때 발효가 잘 되어 목적한바 대로 잘 발효되었는지 눈으 로 보고 평가할 수밖에 없다. 본 연구에서 메주의 겉 부분과 속 부분 시료의 가시 스펙트럼 데이터를 사용하여 판별 분석 을 시도한 결과, Fig. 4와 같이 일부 오판되는 판별 결과를 보였다. 식용유생산에서 부산물로 나오는 탈지대두를 간장 원료로 사용하는 비율이 증가하게 되었는데, 전지 대두로 만든 간장의 풍미가 훨씬 부드러우며 맛이 좋다는 소비자 반응에 따라 고가임에도 불구하고 전지대두 간장의 판매량 이 10%나 증가하게 되어 전지대두와 탈지대두로 만든 간장 을 식별하기 위해 중적외 스펙트럼 영역 데이터 보다 근적 외 영역에서 훨씬 판별 정확도가 높았으며, 이때 Genetic 알고리즘을 채택함으로서 완벽히 판별할 수 있었다는 Kikkoman 연구팀의 보고가 있는데(28), 이 결과와 유사하 게 Fig. 5에서는 분석자의 시각적 판단과 비슷한 가시광선 영역 데이터 보다 발효메주의 성분 정보가 풍부하게 들어있 는 근적외 영역 데이터에서 판별이 더 잘 이루어졌다고 생각된다(14)

Fig. 4. Discriminant analysis between outside part and inside par ts of the traditional fermented soybean lumps using visible spectral data.

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Fig. 5. Discriminant analysis between outside par t and inside par ts of the traditional fermented soybean lumps using NIR spectral data.

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전통메주의 겉부분 시료와, 속부분 시료 38점을 소금물 로 추출한 용액 중의 아미노산 함량을 ninhydrin 정색법으로 분석한 자료와, 이들 메주가루의 근적외 스펙트럼 자료 간 에 PLSR 분석한 결과를 Table 2와 Fig. 6에 나타내었다. 주성분(PC)6에서 중상관계수(R²)가 0.91이고, 측정오차 (RMSECv) 0.23%으로 가장 좋음을 알 수 있었다(Table 2). 성분치 폭에 비해 측정오차가 약 1/10 이어서 메주에서 추 출될 아미노산 함량을 비파괴 예측 할 수 있는 가능성이 인정되었다. 장차 전통 장류의 제조에 대한 공정 개선이나 객관적인 계수화 작업이 가능할 것으로 기대된다. 중국에 서 간장중의 아미노산 질소를 기준으로 0.4% 이상이면 고 급간장으로 인정 하고 있는데, 아미노산 질소를 분석할 때 인체에 유해한 포르말린을 쓰고 있는 현행 분석방법을 탈피 하기 위해 근적외 분석법을 활용함에 있어 Genetic 알고리 즘을 보강시킬 수 있는 개선된 소프트웨어를 도입함으로서 측정 정확도를 현저히 높일 수 있었다는 연구(29)에서와 같이 전통메주산업에서도 비파괴 측정 정확도를 높일 수 있는 키모메트릭스 기법을 도입할 계획이다. 수분의 경우 도 Fig. 6과 같이 PC5에서, R²가 0.81이고, RMSECv가 0.83%로 비파괴 측정이 가능할 것으로 판단되었다.

Fig. 6. Relationship between NIR predicted amino acid content and Ninhydrin reacted amino acid content of the traditional fermented soybean lump.

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전통 장류의 소비를 촉진하기 위해 제조 공정을 객관적 으로 수립하기 위해 본 논문에서는 생메주의 건조과정과 발효메주의 단백질 분해에 따른 아미노산의 생성관계를 근적외 분광법으로 해석하여 적용가능성이 있음을 알 수 있었는데, 이와 관련있는 연구로서 일본의 가정식 된장이 발효되는 동안 일어나는 화학적인 변화를 알기위해 근적외 스펙트럼을 측정하여 주성분 분석한 결과(30), 담금계절 및 숙성기간이 경과됨에 따라 확연한 경향 차이가 관찰된다 고 보고하였는데 구체적인 화학적 성분분석을 실시하지는 않았지만 단백질의 분자 사이즈에 변화가 예상된다고 추정 하고 있어, 그러한 연구의 변화해석에 본 연구결과가 도움 을 줄 수 있을 것으로 생각된다. 한편, 간장과 된장의 색깔, 냄새 및 맛에 관한 관능적 척도를 가시 및 근적외 스펙트럼 데이터와 PLSR하여 높은 상관이 얻어졌다는 보고(31)도 있어, 사람의 오관 중 특히 혀를 써서 평가하던 된장의 품질 평가법은 짠맛으로 인해 장시간 반복하여 검사하기 곤란했 었는데 이러한 취약점이 개선될 수 있을 것으로 전망된다.

간장이나 된장같은 고염 발효식품을 장기간 숙성시키는 동안 소금맛이 쏘지않고 순화되는 것은 멜라노이딘과 관련 이 있을 것으로 많은 식품학자들이 추정하고 있으나, 결정 적으로 뚜렷한 증거를 제시하지 못하고 있는데 Glucoselysin으로 멜라노이딘을 조제하여 측정한 가시 및 근적외 스펙트럼으로 멜라노이딘 생성에 대한 Kinetic 해석을 시도 한 기초적인 연구도 이루어지고 있다(32). 최근 한국과 일본 등에서 짠맛이 조금 덜한 감염 간장이나 된장이 상품으로서 많이 소개되고 있으나 아직 소금의 과잉 섭취에 대한 근본 적인 해결방안이 학술적으로 정립되지 못하였다(33). 상대 적으로 입맛이 떨어진 노년층이 행정부처의 가이드라인에 따라 습관적으로 먹어왔던 짠맛을 제대로 느끼지 못하게 조리된 음식물을 섭취해야 되기 때문에 식사를 통한 만족감 이 다소 저하되는 문제점이 지적되고 있으나 이를 개선하기 위한 적합한 공익적 연구시도가 부족한 상황이다. 이와 관 련하여 본 연구진이 별도로 수행한 실험에서 숙성기간이 7년까지 경과된 간장시료에서 점도가 약 2배 증가되고 짠 맛이 순하게 느껴지는 현상이 보였지만 숙성 간장 중의 멜라노이딘 구조에 소금이 결합되어 짠맛이 일부 완화되는 지를 밝히기 위해서는 추가연구가 수행될 필요가 있다.