대두 탈지 처리가 식물조직단백 조직화 특성에 미치는 영향

본 실험에 사용된 대두 단백질 원료는 시중에서 구입한 분리대두단백[isolated soy protein(ISP), Shandong Yuxin Biotech Co., Ltd., Beijing, China], 껍질을 벗긴 대두를 믹서기로 분쇄한 대두분말[soy flour(SF), 대원콩, Korea], 80°C 저온에서 압착 탈지한 후 분말화한 탈지대두분말[soy defatted flour(DSF), 대원콩, Korea]을 사용하였으며, 글루텐(활성밀글루텐, Comida, ADM BAZANCOURT, Bazancourt, France), 옥수수 전분(Samyang Ltd., Ulsan, Korea)은 시중에서 구매하여 사용하였다. 혼합분은 대두 단백질 50%, 글루텐 30%, 옥수수 전분 20%로 섞은 것을 기본배합으로 하여 20 mesh 체에서 3회 통과시켜 분말을 사용하였다.

시료의 일반성분은 AOAC 표준분석법에 준하여 수분 함량은 105°C 상압가열건조법, 회분 함량은 550°C에서 직접회화법을 이용하여 분석하였다. 조단백질 함량은 micro-Kjeldahl법을 이용한 단백질 자동분석기(Kjeltec protein analyzer, Tecator Co., Hoeganaes, Sweden)로, 조지방 함량은 Soxhlet법으로 분석하였다. 총당질 함량은 위의 측정치를 합한 값을 100에서 뺀 값으로 산출하였다.

시료의 수분흡수력 측정을 위해 시료 2 g에 증류수 20 mL를 혼합한 후, 30초 동안 voltex mixer(G560E, Scientific Industries, INC, Bohemia, NY, USA)를 이용하여 교반하고 10분간 정치시키는 과정을 5번 반복한 후 4,000 rpm에서 20분간 원심분리기(2236HR, GYROZEN, Kimpo, Korea)를 이용하여 원심분리하였다. 최종적으로 상층액을 따라낸 상태에서 10분간 정치시킨 침전물의 중량을 측정하였다. 또한, 카놀라유를 사용한 동일한 방법으로 침전물의 무게에서 시료의 무게를 나누어 수분흡수력 및 유지흡수력 값을 아래의 식과 같이 계산하여 평균값을 측정하였으며, 모든 실험의 횟수는 총 3회로 하였다.

본 실험에 사용된 압출성형기는 Intermeshing twin-screw extruder(Process-11, Thermo Fisher Scientific, Inc., Dreieich, Germany)로 배럴 끝에는 냉각 다이(die)를 연결하였다. 압출성형 조건은 배럴온도 190°C, 스크루 회전 속도 250 rpm, 수분함량 50%, 원료 투입량은 5 g/min으로 조절하였다.

조직감 분석은 물성분석기(TAXTplus, Zwick Roell, Ulm, Germany)를 사용하여 시료는 가로×세로를 1.0× 1.0 cm로 자르고 Load cell은 직경 2.5 cm, 변형률 30%, 2 bite로 경도, 탄력성, 씹힘성, 응집성, 검성을 측정하였고, 절단강도는 레오미터(COMPAC-100Ⅱ, Sun Sci. Co., Tokyo, Japan)를 이용하여 시료는 1.0×2.0×0.5 cm로 자르고 횡단면의 절단강도를 측정하였다. 식물조직단백의 단면은 실체현미경(Nikon SMZ1270, Tokyo, Japan)으로 촬영하였으며, 표준 종합배율은 1×1 배율로 확대하고, 식물조직단백 중심을 잘라서 가른 단면의 특성을 관찰하였다.

시료 10 g을 5배 중량의 끓는 물에서 3분간 가열 후 체에 밭쳐서 2시간 실온에서 냉각 후 시료 표면의 물기를 제거하고 그 시료의 무게를 측정하여 수분 흡수율을 구하였다(Kang 등, 2012).

시료 10 g을 5배 중량의 끓는 물에서 3분간 가열 후 체에 밭쳐서 수거된 액을 spectrophotometer(Cary 3500 Multicell Agilent, Santa Clara, CA, USA)를 이용하여 OD 600 nm에서 흡광도를 측정하였다.

시료 2 g을 증류수로 10% 현탁액을 만들어 교반하고 4,000 rpm에서 20분간 원심분리기(2236HR, GYROZEN)를 이용하여 원심분리한 후 시료의 상등액을 pH meter(ORION STAR A211, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)로 측정하였다.

시료를 35 mm 용기에 담고, 색차계(Color i7, X-Rite Inc., Grand Rapids, MI, USA)를 사용하여 측정하였다. 분말과 식물조직단백의 색도 측정 시 표준백색판은 각각 백색도(L*) 95.77, 적색도(a*) −0.22, 황색도(b*) 2.70과 백색도(L*) 95.79, 적색도(a*) −0.21, 황색도(b*) 2.75이었다.

결과의 통계처리는 SPSS(version 23.0, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)를 이용하여 각 시료에 대한 평균과 표준편차로 나타내었다. 시료 간의 차이 분석은 일원배치 분산분석(one-way ANOVA)을 사용하고, Duncan’s multiple range test를 이용하여 유의적 차이(p<0.05)를 검증하였다.

대두단백을 이용한 압출성형 식물조직단백 제조에 사용한 원료인 분리대두단백(ISP), 대두분말(SF), 탈지대두분말(DSF)의 조단백, 수분, 무기질, 조지방, 탄수화물의 함량은 Table 1과 같다. 조단백 함량은 분리대두단백이 84.31%, 대두분말이 38.42%, 탈지대두분말이 43.53%로 나타나 분리대두단백 대비 대두분말은 0.46배, 탈지대두분말은 0.52배 수준의 단백질을 함유하고 있었다. 이는 대두 단백질을 분리․정제한 분리대두단백은 단백질 함량이 대두분의 2배 정도로 동량 사용할 때 2배의 단백질 강화 효과를 낼 수 있다(Lee, 1997)는 보고와 유사한 단백질 함량 차이를 나타냈다. 수분함량은 분리대두단백이 6.90%, 대두분말이 6.38%, 탈지대두분말이 6.75%였다. 무기질 함량은 탈지대두분말이 5.73%로 가장 높았으며 다음이 대두분말이 4.78%, 분리대두단백 4.56% 순으로 나타냈다. 조지방 함량은 대두분말이 21.07%로 가장 많은 지방을 함유하였으며, 탈지대두분말이 9.90%, 분리대두단백이 0.12% 순으로 조지방을 함유하고 있었다. 탄수화물 함량은 탈지대두분말이 34.09%, 대두분말이 29.35%, 분리대두단백이 4.11%로 나타났다. 대두의 열변성을 고려하여 80°C에서 압착 탈지하여 얻어진 탈지대두분말의 일반성분 조성비의 변화를 살펴보면 대두분말보다 조단백은 5.11%, 무기질 0.95%, 탄수화물 4.94% 높아졌으며, 조지방은 11.17% 낮아졌다. 압출성형 공정 단계는 혼합 및 수화 단계, 열과 기계 처리 및 냉각 단계로 지방은 원료들의 혼합과 수화단계에서 수화를 방해하게 된다. 그리고 농축대두단백, 분리대두단백과 같은 탈지 원료를 사용하는 것은 압출기 안에서 원료로부터 지방이 분리되어 발생할 수 있는 미끄러짐 현상과 전단력 감소를 방지하기 때문이다(Crowe와 Johnson, 2001). 대두 단백질을 압출성형공정에 위해 조직화시킬 때 단백질의 함량을 증가시키면 압출조직에 높은 전단력을 부여하고(Maurice와 Stanley, 1978), 조직이 치밀하고 단단해진다(Hager, 1984). 이에 따라 압출성형 식물조직단백 제조 시 대두를 탈지하여 사용할 경우 조단백이 증가하고 조지방이 감소하여 식물조직단백의 조직화에 긍정적으로 작용할 것으로 보여진다.

대두단백을 이용한 압출성형 식물조직단백 제조에 사용한 원료인 분리대두단백, 대두분말, 탈지대두분말의 수분흡수력, 유지흡수력, pH, 색도의 측정 결과는 Table 2와 같다. 수분흡수력은 분리대두단백이 469.62%로 가장 높은 값을 나타내었고, 대두분말은 161.12%로 분리대두단백의 0.34배 수준이며, 탈지대두분말은 200.89%로 분리대두단백의 0.43배 수준이다. 대두를 압착 탈지한 탈지대두분말은 탈지를 통해 수분흡수력이 9% 증가하였다. Park 등(2005)은 분리대두단백은 대두로부터 단백질만을 분리하여 탄수화물과 지방이 제거된 식물성 단백질원으로 우수한 수화력이 있다고 하였다. 유지흡수력은 분리대두단백이 128.94%로 가장 높은 값을 나타냈으며 대두분말과는 유의적인 차이는 없었다. 탈지대두분말은 115.53%로 가장 낮은 결과를 나타내었는데 이는 최대 유지흡수력을 가진 농축대두단백이 최소 수분흡수력을 보였고, 최대 수분흡수력을 가진 농축완두단백이 비교적 낮은 유지흡수력을 나타내었다(Cha 등, 2020)는 결과와는 상이한 결과를 보였다.

대두단백을 이용한 압출성형 식물조직단백 제조에 사용한 원료인 분리대두단백, 대두분말, 탈지대두분말의 pH와 색도의 측정 결과는 Table 3과 같다. pH는 분리대두단백이 7.16으로 가장 높았으며, 다음은 대두분말이었으나 탈지대두분말과의 사이에는 유의적인 차이가 없었다. Adiamo 등(2016)은 kariya seed에서 단백질 추출 시 pH 4.0 부근으로 낮춘 후 얻은 침전물을 다시 pH 7.0으로 조절한 경우, kariya seed 농축단백과 분리단백의 pH가 각각 6.65, 6.15로 증가하였다고 보고한 결과와는 다소 유사한 결과였지만, Cha 등(2020)의 연구에서 농축콩단백의 pH가 4.41을 보인 결과와는 차이가 있었다. 색도는 명도값을 나타내는 L값은 대두분말이 89.69로 가장 높았으며 다음으로 분리대두단백 83.36, 탈지대두분말 78.85 순으로 높았다. a값은 분리대두단백 1.07, 탈지대두분말 0.71, 대두분말 -0.45 순으로 높은 값을 보였다. 황색도 b값은 탈지대두분말 27.41, 분리대두단백 19.76, 대두분말 18.40 순으로 높은 값을 보였다. 탈지대두분말이 L값이 낮고 b값이 높은 것은 압착 탈지 과정에서 가열에 의한 maillard 반응으로 갈변하여 어두워지고 황색도가 높아진 것으로 보인다(Joung 등, 1997).

분리대두단백, 대두분말, 탈지대두분말을 이용하여 압출성형한 식물조직단백의 조직감을 측정한 결과는 Table 4와 같다. 경도는 탈지하지 않은 대두분말 처리구가 475.44 g으로 분리대두단백의 22.4% 수준이며, 탈지대두분말은 1,461.88 g으로 분리대두단백 대비 68.8% 수준이다. 대두를 탈지하여 압출성형할 경우 탈지하지 않은 대두분말을 사용할 때보다 경도가 3.07배 증가하는 것을 확인하였다. 탄력성은 분리대두단백 대비 대두분말은 80.5%, 탈지대두분말은 81.7%로 나타났으며 대두분말과 탈지대두분말 처리구간에는 유의적인 차이가 없었다. 검성은 분리대두단백 대비 대두분말은 17.6%, 탈지대두분말은 44.3% 수준으로 대두를 탈지하여 사용할 경우 2.7배 정도 증가하는 것으로 나타났다. 씹힘성은 분리대두단백 대비 대두분말이 14.2%이고 탈지대두분말이 38.6%로 나타났다. 응집성은 분리대두단백 대비 대두분말이 78.2%, 탈지대두분말이 69% 수준으로 나타났다. 절단강도는 분리대두단백 대비 대두분말이 49.9%, 탈지대두분말이 67.1%로 나타났다. 대두를 압착 탈지하여 압출성형 식물조직단백 제조 시 조직감에 미치는 영향을 살펴본 결과 응집성을 제외한 측정 항목 모두가 증가하는 것으로 나타났으며, 증가 정도는 경도가 가장 큰 증가 폭을 보였으며 다음은 검성, 씹힘성, 절단강도, 탄력성 순으로 나타났다. 또한, 원료분말의 수분흡수력과 식물조직단백의 조직감과의 상관관계를 비교하면 수분흡수력이 높을 때 식물조직단백의 조직감도 높아지는 것을 확인할 수 있었다. Saio(1987)의 탈지대두분 대신에 농축 또는 분리단백을 원료로 하면 조직화가 촉진된다는 결과와는 유사한 결과이며, Hong 등(2008)의 연구에서 증편 제조 시 대두분말과 분리대두단백 첨가 시 첨가군 간 경도, 탄력성, 응집성에 유의적인 차이가 없었다는 결과와는 상이한 결과를 나타내었다. 본 연구에서 대두분말 대비 탈지대두분말의 식물조직단백 조직감이 개선된 것은 탈지를 통하여 단백질 함량이 증가되고 지방의 함량이 감소되어 식물조직단백 조직감 개선에 영향을 준 것으로 보인다. 대두 단백질을 압출성형공정에 위해 조직화시킬 때 단백질의 함량을 증가시키면 압출조직에 높은 전단력을 부여하고(Maurice와 Stanley, 1978), 조직이 치밀하고 단단해지게 된다(Hager, 1984). 그리고 대두를 탈지하여 지방이 감소되면 압출기 안에서 원료로부터 지방이 분리되어 발생할 수 있는 미끄러짐 현상과 전단력 감소를 방지한다(Crowe와 Johnson, 2001). 또한, 압출성형 공정 단계에서 원료와 물이 혼합되어 반죽 과정에서 지방의 감소로 수화가 잘 일어나기 때문에 나타난 결과로 사료된다. 분리대두단백, 대두분말, 탈지대두분말을 이용하여 압출성형한 식물조직단백의 조직화와 색상에 대한 시각적인 비교는 Fig. 1과 같다. 압출성형 직후 촬영한 사진 (A)에서는 분리대두단백 처리구가 치밀하고 강도 있는 조직감과 진한 색감을 보였으며, 대두분말 처리구는 섬유상 구조층이 희미하였으며 연한 색감을 나타냈다. 탈지대두분말 처리구는 섬유상 구조층이 대두분말 처리구보다 분명하였으며 짙은 색감을 보였다. (A)의 시료에 대한 실체 현미경 사진 (B)에서는 탈지대두분말 처리구가 대두분말 처리구보다 섬유상 구조층이 선명하고 층간의 간격이 조밀한 것이 (A)에서 보다 확실하게 확인할 수 있었다. 대두를 탈지하여 사용할 경우 외관으로도 조직감이 개선됨을 확인하였다. 이와 같은 결과를 종합하면 대두를 압출성형 식물조직단백 원료로 사용 시 탈지를 통하여 단백질 함량을 높이고 지방 함량을 감소시키는 전처리가 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 1. Appearance of texturized vegetable proteins produced with soy proteins. (A), Photographs of texturized vegetable proteins; (B), dissection micrographs of texturized vegetable proteins. ¹⁾TISP, texturized vegetable protein using isolated soy protein; TSF, texturized vegetable protein using soy flour; TDSF, texturized vegetable protein using defatted soy flour at 80°C.

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분리대두단백, 대두분말, 탈지대두분말을 이용하여 압출성형한 식물조직단백의 pH와 색도를 측정한 결과는 Table 5와 같다. pH는 분리대두단백이 7.01로 가장 높고 다음이 대두분말 6.82, 탈지대두분말 6.75 순으로 높게 나타났다. 이는 실험에 사용한 압출성형 식물조직단백의 원료인 분리대두단백, 대두분말, 탈지대두분말 각각의 pH인 7.16, 6.68, 6.61과 유사한 경향을 나타내고 있어 원료분말의 pH의 영향에 따른 결과로 판단된다. 색도는 밝은 정도를 나타내는 L값은 대두분말이 61.48, 탈지대두분말이 56.90, 분리대두단백 52.86 순으로, 단백질 함량이 높을수록 어두워지는 경향을 보였다. 적색도를 나타내는 a값은 탈지대두분말 6.13, 분리대두단백 5.48, 대두분말이 3.68 순으로 높은 값을 보였다. 황색도를 나타내는 b값은 대두분말 21.63, 탈지대두분말 20.13, 분리대두단백 17.00 순으로 값이 높았다. 이는 Hong 등(2007)의 연구에서 증편 제조 시 대두분말 첨가군이 분리대두단백 첨가군보다 명도값 L값이 낮은 값을 보였다는 결과와는 상이하였으며, 황색도 b값은 대두분말이 분리대두단백보다 높은 값을 보였다는 결과와는 유사하였다. 대두 단백질을 압출성형공정을 통해 조직화시킬 때 단백질의 함량을 증가시키면 조직이 치밀하고 단단해지며(Hager, 1984), 압출성형물의 수분함량이 감소할 때 명도가 감소한다(Park 등, 2017). 이에 따라 단백질 함량에 따른 조직의 밀도와 압출성형물의 수분함량 차이가 명도값에 영향을 준 것으로 보인다. 또한, 마이야르 반응은 반응 온도와 반응물의 농도가 영향 인자로 분리대두단백의 질소화합물의 농도가 마이야르 반응에 영향을 주어 압출성형물의 색이 짙어진 것으로 사료된다.

분리대두단백, 대두분말, 탈지대두분말을 이용하여 압출성형한 식물조직단백의 수분함량, 수분흡수력, 탁도를 측정한 결과는 Table 6과 같다. 수분함량은 탈지하지 않은 대두분말 처리구가 51.21%로 가장 높은 값을 보였으며, 분리대두단백이 47.80으로 가장 낮은 값을 보였다. 이는 Hong 등(2007)의 연구에서 증편 제조 시 분리대두단백 첨가군과 대두분말 첨가군 사이에 수분함량에는 유의차가 없었다는 결과와는 차이가 있었다. 수분흡수력은 분리대두단백 식물조직단백이 13.85%로 가장 높은 값을 보였으며, 대두분말과 탈지대두분말 식물조직단백 사이에는 유의차가 없었다. 이는 증편 제조 시 분리대두단백 첨가군과 대두단백 첨가군 사이에 수분흡수력에서 유의차가 없었다(Hong 등, 2007)는 연구결과와는 차이가 있었다. Han과 Hwang(1992), Bae와 Rhee(1998)는 분리대두단백질은 면의 식감에 기여하며 수분흡수력에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있으며 식품에서 단백질의 이용도에 큰 영향을 준다고 하였다. 탁도는 분리대두단백 식물조직단백이 0.100%로 가장 낮았으며 대두분말과 탈지대두분말 식물조직단백 사이에는 유의차가 없었다. 이에 따라 대두분말과 탈지처리한 탈지대두분말 식물조직단백 처리구간에는 수분함량, 수분흡수력, 탁도에는 유의차가 없음을 확인하였다. 탈지대두분말 식물조직단백의 품질 특성을 분리대두단백 식물조직단백과 비교하면 수분함량은 유의차가 없었으며, 수분흡수력은 분리대두단백의 0.38배, 탁도는 2.85배 수준으로 탈지대두분말을 식물조직단백 재료로 이용 시 이에 대한 개선이 필요할 것으로 생각된다.

분리대두단백, 대두분말, 탈지대두분말을 이용하여 압출성형한 식물조직단백의 일반성분을 분석한 결과는 Table 7과 같다. 조단백 함량은 분리대두단백 처리구가 68.32%로 가장 높았으며 대두분말 처리구가 44.35%로 가장 낮은 값을 보였다. 수분함량은 분리대두단백 처리구가 5.75%로 가장 높았으며 다음이 탈지대두분말 처리구 3.60%, 대두분말 처리구 3.69%로 순으로 나타났다. 조회분 함량은 탈지대두분말 첨가구가 3.32%로 가장 높게 나타났으며 다음이 대두분말, 분리대두단백 첨가구 순으로 나타났다. 조지방 함량은 대두분말 첨가구가 9.77%로 가장 높고, 다음이 탈지대두분말, 분리대두단백 순이다. 탄수화물 함량은 탈지대두분말, 대두분말, 분리대두단백 순으로 높게 나타났다. 이와 같은 결과는 식물조직단백 제조에 사용된 원료인 분리대두단백, 대두분말, 탈지대두분말 3개의 시료 간에 조단백질, 무기질, 조지방, 탄수화물의 함량 차이와 유사한 경향으로 사용한 원료가 식물조직단백의 일반성분에 영향을 준 것으로 보여진다.