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문제 정의
- 이상과 같이, 옥수수 글루텐 가수분해물 제조에 있어서 분해 공정 및 분해액을 처리하는 후속공정까지 유리아미노산 및 BCAA의 함량을 향상시킬 수 있는 제조방법에서의 공정개선이 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 옥수수 글루텐의 전처리 공정, 가수분해 방법, 농축 과정 및 분무건조기를 이용한 최적의 분말화 조건을 확립하는 과정을 통해 옥수수 글루텐 가수분해물의 제조공정을 최적화하고자 하였다. 이를 통해, 최종 제품의 품질 안정화와 함께 BCAA가 풍부하고 경제적인 장점을 보유한 옥수수 글루텐 가수분해물 제조법 확립을 목적으로 하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 옥수수 글루텐의 전처리 공정, 가수분해 방법, 농축 과정 및 분무건조기를 이용한 최적의 분말화 조건을 확립하는 과정을 통해 옥수수 글루텐 가수분해물의 제조공정을 최적화하고자 하였다. 이를 통해, 최종 제품의 품질 안정화와 함께 BCAA가 풍부하고 경제적인 장점을 보유한 옥수수 글루텐 가수분해물 제조법 확립을 목적으로 하였다.
제안 방법
- 이와 같이, 분말 제제화 과정에서 발생하는 여러 가지 문제 중 잔존하는 수분이나 흡수된 수분에 의해 발생하는 caking을 방지하는 것이 중요하다(12). 그러나 분말 제품마다 적합한 고결방지제가 다르기 때문에 lactose, dextrin, maltodextrin, 및 gum arabic을 사용하여 분말입도, 색도, 흐름성, 흡습정도 등을 분석하였다(Table 5). 본 연구에서 사용한 4종류의 고결방지제 중, maltodextrin→dextrin→lactose→gum arabic 순으로 분말입도, 색도, 흐름성, 흡습정도에 있어서 가장 좋은 caking 방지효과를 보였다.
- 농축 여과 공정으로서 분해 공정을 통해 얻은 가수분해물을 필터프레스(Pilot filter press, 제일산업개발, Incheon, Korea)를 이용하여 2시간 동안 여과 분리하고, 여과액을 2배 농축(Rotary vacuum evaporator system N-11, Tokyo Rikakikai Co., Ltd., Tokyo, Japan)한 후, 다시 필터프레스를 이용하여 1시간 동안 압착하여 액상과 고형분을 분리하고, 상기 액상은 전기투석을 통해 탈염(Pilot electrodialysis acilyzer 02, Astom Co., Tokyo, Japan)하였다.
- 미생물을 이용한 미생물(코지)분해는 옥수수 글루텐에 20% 수용액 형태의 코지(1×102의 농도로 희석한 메주시료를 2%의 casein을 함유한 potato dextrose(PD)배지에 접종하고 40℃에서 3일간 배양하여 분리한 Aspergillus oryzae를 이용 상업용 효소를 병용하여 사용하였다.
- 분무건조기(Pilot 분무건조기 KL-8, 서강엔지니어링, Chungnam, Korea)를 이용하여 분말 제제화하는 경우, 제품의 품질이 오염이나 흡습 등에 대해 안정화되고, 보관이 간편하며, 운송비용을 줄일 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서 사용한 분무건조기의 atomizer rpm은 일반적으로 사용하는 18,000 rpm으로 고정시키고, inlet 온도 180-190℃, outlet 온도 70-90℃ 범위에서 분말화 조건을 검토하였다.
- 일반적으로 옥수수 글루텐에는 60%(w/w) 정도의 단백질이 함유되어 있고, 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 등의 불용성 성분이 20-25%(w/w) 정도를 차지한다. 본 연구에서는 옥수수 글루텐의 단백질 회수를 최대한으로 유지하고자 단백질 효소분해에 앞서 옥수수 글루텐에 열처리를 가하여 단백질을 변성시키고, 셀룰레이즈 복합 효소인 CelluclastTM 처리를 전처리 과정으로 수행하였다(Table 1). 옥수수 글루텐의 단백질 회수율은 증자와 식이섬유 분해효소 처리 등의 전처리 과정에 의해 63.
- 본 연구에서는 원료의 전처리, 가수분해 방법, 농축과정 및 제형화 공정을 최적화하여 BCAA 함량이 증가된 옥수수 펩타이드 제조법을 확립하였다. 옥수수 글루텐의 단백질 회수율은 증자와 탄수화물 분해효소 처리 등의 전처리 과정에 의해 약 11% 정도 증가하였다.
- 분자량 분포를 분석하고자 Bio-sil SEC-125 컬럼(7.5×300 mm, Bio-Rad Co., Hercules, CA, USA)이 장착된 HPLC 시스템(Waters 510 HPLC pump, Waters 486 Tunable absorbance detector, Waters Co., Milford, MA, USA)을 이용하였다.
- 옥수수 글루텐의 전처리 방법으로서 옥수수 글루텐을 125℃에서 스팀을 이용하여 8분 동안 균일하게 열처리 및 증자하여 단백질을 변성시켰다. 수용성 당류와 무기물이 제거된 옥수수 글루텐에 10배의 물을 투입하고, 50℃에서 100 rpm으로 교반 세척 후, 섬유질 제거를 위한 효소처리를 진행하였다. 옥수수 글루텐에 5배의 물을 가하고, CelluclastTM를 원료의 단백질 함량 대비 0.
- 아미노산 조성을 분석하고자 시료 0.5 g에 증류수를 가하여 초음파 처리한 용액 50 mL에 붕산염 완충액 350 mL와 AccQ-Tag 유도체시약 100 mL을 넣어 잘 혼합한 후, 55℃에서 10분간 유도체화하였다.
- 옥수수 글루텐의 전처리 방법으로서 옥수수 글루텐을 125℃에서 스팀을 이용하여 8분 동안 균일하게 열처리 및 증자하여 단백질을 변성시켰다. 수용성 당류와 무기물이 제거된 옥수수 글루텐에 10배의 물을 투입하고, 50℃에서 100 rpm으로 교반 세척 후, 섬유질 제거를 위한 효소처리를 진행하였다.
- 미생물을 이용한 미생물(코지)분해는 옥수수 글루텐에 20% 수용액 형태의 코지(1×102의 농도로 희석한 메주시료를 2%의 casein을 함유한 potato dextrose(PD)배지에 접종하고 40℃에서 3일간 배양하여 분리한 Aspergillus oryzae를 이용 상업용 효소를 병용하여 사용하였다. 즉, Aspergillus oryzae를 30℃에서 2일 동안 배양하고, 배양된 원료의 농도가 20%(w/w), 염 농도 5%(w/w)가 되도록 50℃의 온수를 가하여 45℃로 조정한 다음, 혼합된 상업용 효소(동량의 AlkalaseTM와 FlavourzymeTM)를 원료의 단백질 함량 대비 0.5%(w/w)로 첨가한 후, 45℃에서 72시간 동안 미생물(코지) 분해를 실시하였다.
- 효소가수분해는 옥수수 글루텐에 5배의 물을 가한 후, 45℃, pH 7에서 AlkalaseTM와 FlavourzymeTM을 동량 혼합한 효소를 단백질 함량대비 4%로 첨가하여 72시간 동안 분해하였다.
대상 데이터
- 가수분해에 사용한 옥수수 글루텐은 (주)두산콘프로덕츠코리아(Incheon, Korea)에서 구입하였다. 본 실험에 사용한 효소인 Trichoderma reesei 유래의 CelluclastTM(700 U/g), Bacillus licheniformis 유래의 AlkalaseTM(2.
- 0 mL/min의 유속으로 분석하였다. 단백질 분자량 표준 물질은 티로글로뷸린(670 kDa), 소의 감마글로뷸린(158 kDa), 닭의 난백알부민(44 kDa), 말의 미오글로뷸린(17 kDa), 비타민 B12(1.35 kDa)로 구성된 표준시약(Bio-Rad Co., Hercules, CA, USA)을 사용하였다.
- 본 실험에 사용한 효소인 Trichoderma reesei 유래의 CelluclastTM(700 U/g), Bacillus licheniformis 유래의 AlkalaseTM(2.4 U/g), Aspergillus oryzae 유래의 FlavourzymeTM(1,000 U/g)은 Novozymes(Begsvaerd, Denmark)의 제품을 사용하였다.
이론/모형
- 가수분해도는 Su 등(7)의 방법에 따라 포르몰질소(FN)와 총질소(TN)를 각각 Kjeldahl법 및 포름알데히드 적정법에 의해 측정하였다.
- 일반성분 분석으로서 수분함량은 105℃ 상압가열건조법, 조단백질은 Kjeldahl 질소정량법, 조지방은 Soxhlet’s 추출법, 조회분은 550℃ 직접회화법을 이용하여 분석하였다.
성능/효과
- 특히, 효소를 이용하는 공정은 값비싼 정제효소를 많이 첨가해야 하는 문제가 있고, 정제효소를 사용한다 하여도 그 이용률이 55%를 넘지 못하는 실정이다(13,14). 그러나, 본 연구에서 개발한 미생물(코지)과 효소를 동시에 사용하는 방법에 의하여 옥수수 글루텐을 가수분해하면 그 이용률이 132%까지 향상됨을 확인하였다(Table 6). 또한, 가수분해에 사용되는 효소의 양도 상업용 효소만을 이용하는 경우(일반적인 효소공정은 첨가되는 효소의 양이 원료 단백질 함량대비 4%)에 비하여 0.
- 또한, 가수분해 방법에서는 산가수분해법이 효소처리와 미생물(코지)-효소 복합처리 가수분해물과 비교 시 유리아미노산과 BCAA 함량에서 각각 61%, 31% 및 31%, 4%까지 높게 나타났다. 그러나, 유리아미노산에 대한 BCAA의 비율에서는 효소적 가수분해법과 미생물(코지)-효소 복합사용이 산 가수분해보다 각각 42%와 26%까지 향상되었다. 그러나 전체적인 유리아미노산 및 BCAA 함량이 우수하고, 값싸게 대량으로 생산이 가능한 미생물(코지)과 기질 특이성을 보이는 상업용 효소를 동시에 이용함으로써 각각의 장점을 극대화할 수 있다.
- 본 연구에서 사용한 4종류의 고결방지제 중, maltodextrin→dextrin→lactose→gum arabic 순으로 분말입도, 색도, 흐름성, 흡습정도에 있어서 가장 좋은 caking 방지효과를 보였다. 따라서 옥수수 분해반응물의 분말화는 2% maltodextrin을 고결방지제로 사용하고, inlet 온도 185℃, outlet 온도 80℃, 분산속도 18,000 rpm에서 가장 좋은 상태의 분말 제품을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
- 5% 정도만 사용해도 된다. 따라서, 본 연구에서 개발한 옥수수 글루텐 가수분해물 제조공정은 매우 효율적이며, 경제적인 방법이라 할 수 있다.
- 또한, 본 연구에서 개발한 미생물(코지)과 효소를 동시에 사용하는 방법에 의하여 옥수수 글루텐을 가수분해하면 적은 양의 효소사용으로 유사한 유리아미노산 및 BCAA 함량을 나타내는 가수분해물을 얻을 수 있다. 따라서, 본 연구에서 개발한 옥수수 글루텐 가수분해물 제조공정은 매우 효율적이며, 경제적인 방법이라 할 수 있다.
- 그러나 전체적인 유리아미노산 및 BCAA 함량이 우수하고, 값싸게 대량으로 생산이 가능한 미생물(코지)과 기질 특이성을 보이는 상업용 효소를 동시에 이용함으로써 각각의 장점을 극대화할 수 있다. 따라서, 전처리 과정과 미생물(코지)-효소 복합사용에 의해 단백질 효율이 증가되고, 유리아미노산과 BCAA가 풍부한 옥수수 글루텐 가수분해물을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 가수분해 방법에서는 미생물을 배양하여 제조한 코지에 상업용 효소를 소량 혼합하여 반응시킨 가수분해물에서 향상된 유리아미노산 및 BCAA 함량을 얻을 수 있었다. 또한, 가수분해 반응액은 농축과 여과를 통해 BCAA의 함량이 약 100%정도 향상되었다. 위의 조건에서 제조한 옥수수 가수분해 반응물의 분말화를 위해 분무건조기의 온도와 고결방지제 종류를 비교한 결과, inlet 온도 185℃, outlet 온도 80℃, 분산속도 18,000 rpm에서 2% maltodextrin을 사용 시 가장 좋은 상태의 분말 제품을 얻을 수 있었다.
- 전처리 과정 후에 다양한 가수분해법을 적용한 결과, 유리아미노산은 약 20%, BCAA은 20-24%, 유리아미노산에 대한 BCAA의 비율은 0-3% 정도 증가함으로써 전처리 과정의 필요성을 재확인하였다. 또한, 가수분해 방법에서는 산가수분해법이 효소처리와 미생물(코지)-효소 복합처리 가수분해물과 비교 시 유리아미노산과 BCAA 함량에서 각각 61%, 31% 및 31%, 4%까지 높게 나타났다. 그러나, 유리아미노산에 대한 BCAA의 비율에서는 효소적 가수분해법과 미생물(코지)-효소 복합사용이 산 가수분해보다 각각 42%와 26%까지 향상되었다.
- 이상과 같이, 본 연구에서는 옥수수 글루텐 가수분해물 제조를 위한 최적화 과정을 통해 BCAA가 풍부한 가수분해물 제조와 최종 제품의 품질 안정화 조건을 확립할 수 있었다. 또한, 본 연구에서 개발한 미생물(코지)과 효소를 동시에 사용하는 방법에 의하여 옥수수 글루텐을 가수분해하면 적은 양의 효소사용으로 유사한 유리아미노산 및 BCAA 함량을 나타내는 가수분해물을 얻을 수 있다. 따라서, 본 연구에서 개발한 옥수수 글루텐 가수분해물 제조공정은 매우 효율적이며, 경제적인 방법이라 할 수 있다.
- 또한, 분말화된 시료의 형태학적인 관찰에서도 inlet과 outlet 온도가 각각 185℃와 80℃에서 제조한 분말이 수분함량이 적고, 색상이 밝고, 입자가 둥글고 일정한 크기의 결정형을 보임으로써 가장 적합한 특성을 나타냄을 확인하였다(Fig. 1).
- 본 연구에서 사용한 4종류의 고결방지제 중, maltodextrin→dextrin→lactose→gum arabic 순으로 분말입도, 색도, 흐름성, 흡습정도에 있어서 가장 좋은 caking 방지효과를 보였다.
- 위의 조건에서 제조한 옥수수 가수분해 반응물의 분말화를 위해 분무건조기의 온도와 고결방지제 종류를 비교한 결과, inlet 온도 185℃, outlet 온도 80℃, 분산속도 18,000 rpm에서 2% maltodextrin을 사용 시 가장 좋은 상태의 분말 제품을 얻을 수 있었다.
- 이와 같은 가수분해 및 분말화 공정을 통해 단백질 이용률이 32%까지 향상되고, BCAA 함량이 전체 유리아미노산 대비 41%의 높은 비율로 구성되어 있는 옥수수 글루텐 가수분해물을 제조할 수 있었다. 이상과 같이, 본 연구에서는 옥수수 글루텐 가수분해물 제조를 위한 최적화 과정을 통해 BCAA가 풍부한 가수분해물 제조와 최종 제품의 품질 안정화 조건을 확립할 수 있었다. 또한, 본 연구에서 개발한 미생물(코지)과 효소를 동시에 사용하는 방법에 의하여 옥수수 글루텐을 가수분해하면 적은 양의 효소사용으로 유사한 유리아미노산 및 BCAA 함량을 나타내는 가수분해물을 얻을 수 있다.
- 이상과 같이, 옥수수 글루텐을 증자→탄수화물 분해효소를 이용한 전처리→미생물과 효소분해의 복합공정→BCAA 외의 아미노산을 제거하기 위한 분해액 농축 및 여과→분무건조기를 이용한 분말화 과정을 통해 생산된 옥수수 펩타이드의 특성을 분석한 결과, 수분 5.0%, 단백질 62.5%, 탄수화물 26.5%, 조지방 0.0%, 회분 6.0%로 나타났다.
- 위의 조건에서 제조한 옥수수 가수분해 반응물의 분말화를 위해 분무건조기의 온도와 고결방지제 종류를 비교한 결과, inlet 온도 185℃, outlet 온도 80℃, 분산속도 18,000 rpm에서 2% maltodextrin을 사용 시 가장 좋은 상태의 분말 제품을 얻을 수 있었다. 이와 같은 가수분해 및 분말화 공정을 통해 단백질 이용률이 32%까지 향상되고, BCAA 함량이 전체 유리아미노산 대비 41%의 높은 비율로 구성되어 있는 옥수수 글루텐 가수분해물을 제조할 수 있었다. 이상과 같이, 본 연구에서는 옥수수 글루텐 가수분해물 제조를 위한 최적화 과정을 통해 BCAA가 풍부한 가수분해물 제조와 최종 제품의 품질 안정화 조건을 확립할 수 있었다.
- Table 2는 cellulase처리 과정 유무에 따른 산, 효소 및 효소와 미생물(코지)을 병용한 가수분해 방법에 따라 제조한 가수분해물의 유리아미노산 및 BCAA 함량을 조사한 결과이다. 전처리 과정 후에 다양한 가수분해법을 적용한 결과, 유리아미노산은 약 20%, BCAA은 20-24%, 유리아미노산에 대한 BCAA의 비율은 0-3% 정도 증가함으로써 전처리 과정의 필요성을 재확인하였다. 또한, 가수분해 방법에서는 산가수분해법이 효소처리와 미생물(코지)-효소 복합처리 가수분해물과 비교 시 유리아미노산과 BCAA 함량에서 각각 61%, 31% 및 31%, 4%까지 높게 나타났다.
- 즉, 가수분해물을 농축하고, 24시간 체류한 후에 필터프레스를 이용하여 분리하는 과정에 의해 유리아미노산(11.48%→14.40%) 및 BCAA(2.56%→5.30%)의 함량이 각각 25%와 100%로 증가하였다.
- 30%)의 함량이 각각 25%와 100%로 증가하였다. 특히, BCAA 중 leucine의 함량은 5.14%에서 15.97%로 약 3배 이상 향상되었다.
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