Preparation and Their Chemical and Bioactive Properties of Protease Hydrolysates from Steam-dried Concentrate of the Skipjack Tuna (Katsuwonus pelamis) Roe원문보기
가다랑어 (Katsuwonus pelamis)는 고등어과의 어류 가운데 비교적 중소형 어종 속하는 어류로서, 고정된 서식권 없이 난류를 따라 수천 km를 이동하는 대 회유 어종이다. 가다랑어는 다랑어 중 가장 풍부한 어종으로, 우리나라의 어획량은 원양어업을 통해 2015년에 238,732톤 (MOF, 2016)이 어획 되었으며, 주로 통조림이나 참치 회 같은 생식 요리로 소비되고 있다. 또한, 다랑어류의 주요 가공품인 통조림은 2015년에 51,201톤이 생산 되어, 전체 통조림 제품의 57%를 차지하였다 (KOSIS, 2016). 가다랑어의 가공 중에, 전체 중량의 약 60% 가량의 내장, 머리, 껍질, 뼈 및 알 등이 가공부산물로 발생한다. 이러한 가공부산물의 일부는 ...
가다랑어 (Katsuwonus pelamis)는 고등어과의 어류 가운데 비교적 중소형 어종 속하는 어류로서, 고정된 서식권 없이 난류를 따라 수천 km를 이동하는 대 회유 어종이다. 가다랑어는 다랑어 중 가장 풍부한 어종으로, 우리나라의 어획량은 원양어업을 통해 2015년에 238,732톤 (MOF, 2016)이 어획 되었으며, 주로 통조림이나 참치 회 같은 생식 요리로 소비되고 있다. 또한, 다랑어류의 주요 가공품인 통조림은 2015년에 51,201톤이 생산 되어, 전체 통조림 제품의 57%를 차지하였다 (KOSIS, 2016). 가다랑어의 가공 중에, 전체 중량의 약 60% 가량의 내장, 머리, 껍질, 뼈 및 알 등이 가공부산물로 발생한다. 이러한 가공부산물의 일부는 어유, 어분, 비료, 애완동물 사료 및 어류 사료에 사용이 되고, 대부분 무단 폐기되어 환경오염을 유발하고 있다. 따라서, 이들 가공부산물의 식품 재 자원으로서의 활용은 경제적인 측면에서 부가가치를 향상시킬 수 있고, 더 나아가 필수 지방산, 단백질 및 필수아미노산과 같은 영양적인 가치를 증대시킬 수 있다 (Narsing Rao, 2012a). 가공부산물 중에서, 어류 알은 전체중량의 약 1.5~10%를 차지하며, 단백질, 지방질, 비타민이 풍부하여 영양학적으로 우수한 기능성 식품 성분의 좋은 급원이 될 수 있다. 또한 단백질의 구성분으로는 11% albumin, 75% ovoglobulin 그리고 13%의 collagen을 함유하고 있고, 아미노산 조성으로는 근육과 비교하면 Leu, Pro 등과 같은 아미노산이 풍부하며, 다른 부위에 비해 비타민 C, 비타민 E 및 콜레스테롤의 함량이 풍부한 것으로 아려져 있다 (Sikorski 1994). 어류 알 가공품에는 명란 젓, 연어알 젓, 대구알 젓, 성게알 젓 등의 젓갈류, 말린 청어 및 숭어알과 같은 부분 염건품, 철갑상어 알 (캐비아) 등 국한된 어종의 알만이 수산가공식품으로 이용되고 있을 뿐이다. 따라서 고영양성의 어류 알의 주성분인 단백질은 추출, 분획, 농축 등의 처리기술을 통하여 고부가가치 식품소재 자원으로서의 전환기술이 요구된다. Cook-dried process는 먼저 가열처리 (boiled 및 steamed)를 통하여, 단백질의 입체구조의 변화 (단백질 열 변성)를 일으킴으로서, 소화성과 식미를 향상시키고, 아울러 영양적 또는 기능적 특성을 향상 시키는 것이 가능하다 (Adebiyi et al. 2009). 또한, 가열처리로 인해 유해 세균이나 미생물을 사멸시킴으로서 위생적으로도 안전하게 한다 (Duan et al. 2011). 이어서 건조과정은 내인성 효소의 작용을 불활성화하고, 수분함량을 낮춤으로서 수분활성이 감소하게 되며, 이를 통해 박테리아와 곰팡이의 생장을 억제 할 뿐만 아니라, 이렇게 가공한 제품은 상온 보관 및 부피를 대폭 감소시켜, 보관 용이성이 높아지기도 한다 (Bellagha et al,. 2002; Bala and Mondol, 2001; Duan et al. 2004). 한편, 단백질분해효소의 응용은 영양 및 생물학적 성질을 잃지 않으면서, 식품 단백질의 기능적 특성을 개선하기 위한 좋은 방법이다 (Chalamaiah et al, 2015). 효소의 기질특이성을 이용한 단백질 가수분해물은 다양한 펩티드 및 아미노산을 함유하여 용해도, 기포성 및 유화성 등 식품 기능적 특징으로 인하여 식품산업에서 널리 이용되고 있다. 효소 가수분해물의 제조를 위하여는 다양한 식물, 동물 및 미생물 기원의 단백질분해효소가 이용되고 있으며, 주로 가공부산물 및 저이용/미활용 식품재자원 등에 적용함으로써 새로운 식품자원의 개발과 고부가가치화를 위한 수단으로 응용되고 있다. 최근에는 광범위한 기질 특이성, 넓은 작용 pH 및 온도 범위로 인해 동-식물기원의 효소보다는 미생물기원의 효소를 식품 개발 및 연구에 이용하고 있는 추세이다. 효소 가수분해물의 제조를 위하여는 효소 및 기질의 특성을 고려하여야 하는데, 주로 효소/기질비, pH, 온도, 반응시간 등과 같은 조건의 최적화가 필수적이다. 이러한 최적화를 위해서는 수학적 통계학적 기법 (반응표면 분석법)을 이용함으로써 경제적, 시간적 제약을 극복할 수 있으며, 보다 나은 실험적 접근이 이루어 질수 있다. 본 연구의 목적은 가다랑어 알로부터 cook-dried process를 통하여 제조한 concentrates의 식품성분 및 그 기능성에 대하여 검토하고, 이어서 식품기능성의 개선을 위해 시판 단백질분해효소를 이용한 가수분해물의 제조와, 이들 효소 가수분해물의 용해도, 기포성 및 유화성 등 식품 기능적 특성과 항산화성, 항고혈압, 미백 및 피부노화 개선 등의 생리활성에 대해 살펴보았다. 최종적으로 식품기능성, 항산화성 및 생리활성이 종합적으로 뛰어난 가수분해물의 제조를 위해 반응표면분석법의 중심합성계획을 통하여 효소 가수분해물의 최적조건을 구명하고자 하였다. 제1장. 가다랑어 알 단백질 농축물 (RPC, roe protein concentrate)은 가열처리 및 건조공정을 통해 각각 boiled-dried concentrate (BDC)와 steamed-dried concentrate (SDC)를 제조하였으며, 비가열 건조공정을 통해 freeze-dried concentrate (FDC)를 제조하여 제조 공정별 이화학적 특성 및 식품기능성에 대해 상호비교 하였다. RPCs의 수율은 22.4-26.7% 범위로서, FDC가 BDC 및 SDC에 비해 높은 반면에 단백질 함량은 71.1-76.0% 범위로 SDC가 가장 높은 것으로 나타났다. RPCs의 아미노산 조성 (%)은 처리공정에 따른 유의적인 차이를 나타내지 않았으며, glutamic acid (12.7-13.0%), aspartic acid (8.8-9.1%), leucine (8.5-8.6%) 함량이 높았다. 한편, RPCs의 식품기능 특성으로서, 완충능은 산성 영역보다 알칼리 영역에서 강한 것으로 나타났고, 보수력 (WHC)은 3.7-4.2 g/g of protein 범위였다. RPCs의 용해도는 FDC가 13.9%로 BDC (5.4%) 및 SDC (6.0%)에 비해 높았으며, 거품성도 FDC가 143.3%가 가장 좋은 것으로 확인 되었다. 이들의 거품 안정성은 FDC가 60 min까지 거품이 유지된 반면, BDC와 SDC에서는 관찰되지 않았다. 유화성에 있어서는 단백질 g 당 FDC는 10.0 m2/g protein이었고, BDC (2.9 m2/g protein)와 SDC (1.9 m2/g protein)보다 높은 것으로 나타났으며, 유화안정성은 SDC가 29.5 min으로서 FDC (17.3 min)와 BDC (19.9 min)보다 안정하였다. SDC는 BDC보다 단백질 함량, 보수력, 용해도 및 유화안정성이 우수하였으며, 완충능과 거품성에서는 비슷한 수준이었다. 이상의 결과로부터 물리화학적 특성과 식품 기능특성으로 살펴 본 가다랑어 알 농축물들은 단백질재자원으로서의 이용가능성을 확인할 수 있으나, 보다 효율적인 이용을 위하여 식품기능성을 개선하기 위한 방안이 필요할 것으로 판단되었다. 따라서 식품기능성 개선을 위한 시료로는 실제로 가공현장에서 이용되고 있고, 본 실험결과에서도 상대적으로 식품기능성이 좋은 steam-dried concentrate를 선택하여 다음 실험을 진행하고자 하였다. 제2장. steam-dried 공정을 거쳐 얻어진 가다랑어 알의 단백질 농축물 (SDC)은 시판 단백질 분해효소를 사용하여 단백질 가수분해물을 제조하여, 이들의 생리 활성과 기능적 특성에 대하여 살펴보았다. 동일한 가수분해조건하 (pH 5.8, 50℃ and 150 min)에서, 가수분해율은 Protamex (PR, 20.5%)가 가장 높았으며, 다음으로 Alcalase (AL, 18.5%), Aroase AP-10 (AA, 17.9%) 및 Neutrase (NE, 17.9%) 순이었다. Bromelain (BR) 가수분해물의 거품성은 180%로 가장 높았으며, 거품안정성도 60 min 이르기 까지 58%가 유지되었다. 그러나 높은 가수분해율을 가진 PR (106%)과 AL (107%)은 가장 낮은 거품성을 나타내었다. 대조구의 유화성 (22.3 m2/g protein)은 효소 가수분해물보다 높은 것으로 확인 되었으며, 효소 가수분해물 중에서는 BR이 7.43 m2/g protein로 가장 높았으며, 다음으로는 chymotrypsin (CH, 4.2 m2/g protein)와 trypsin (TR, 4.1 m2/g protein)이었으며, 그 외의 효소 가수분해물은 1.1-2.6 m2/g protein범위이었다. 가장 좋은 ABTS+ 소거활성 (IC50, μg/mL)은 대조구 (49.7 ㎍/mL)와 Flavourzyme (FL, 52.3 ㎍/mL)이었으며, 상호간에는 유의적 차이가 없었다. 모든 효소 가수분해물 (74.8-93.4%)들의 ACE 저해활성들은 대조구 (55.0%)에 비하여 보다 강한 저해능을 보였으며, 효소 가수분해물들 중에서는 AA (93.4%)이 가장 강한 저해활성을 나타내었다. 따라서 효소에 의한 가수분해로 인해 항고혈압 활성이 강해지는 경향이었으며, 높은 DH 가진 가수 분해물은 높은 항 고혈압제 활성을 나타내는 것으로 확인되었다. 모든 실험구에서 tyrosinase 저해활성들은 양 (positive)의 값을 나타내었다. 효소 가수분해물들 중에서 AA (33.8%), FL (31.1%) 그리고 PR (28.9%)가 대조구 (13.3%)와 다른 효소 가수분해물들 (9.3-14.7%)에 비해 상대적으로 우수한 저해활성을 보였다. SDC의 효소 가수분해물들 중에서, FL, CH, AA 및 BR은 강력한 항산화 활성을 보였으며, PR, AA, NE 및 AL은 높은 항 고혈압 활성을 보였고, BR, CH, 대조군 및 NE의 식품 기능성이 우수 하였다. 전반적으로 bioactivities 및 식품 기능성에 대한 결과를 종합하면 serine protease로서 chymotrypsin, cysteine protease로서 bromelain 그리고 food-grade protease로서는 Aroase AP-10이 우수한 것으로 나타났다. 따라서, 이들 가수분해물들은 기능성 식품 ingredients로써 새로운 형태의 기능성 강화 음료, seafood 및 식품가공산업에 적용 가능할 것이다. 제3장에서 우리는 가다랑어 알의 단백질 농축물의 건강 기능에 초점을 맞추어 효소 가수 분해를 위한 최적의 조건을 확인하기 위해 반응 표면 방법론을 사용하는 가공 공정을 개발할 것이다. 제3장. 제2장의 결과를 토대로, 가다랑어 알 농축물 (SDC)의 식품 기능성 및 생리 활성을 갖는 복합 기능성 가수분해물의 제조를 위하여 적합한 효소로서 serine protease인 chymotrypsin (CH), cysteine protease인 bromelain (BR) 그리고 food-grade protease로서는 Aroase AP-10 (AA)을 선택하여, 반응표면분석법 (Response surface methodology)의 중심합성계획 (Central composite design)을 통해 가수분해 최적조건을 구명하고자 하였다. 중심합경계획에 따른 독립 변수로서 효소/기질비 (X1, %)는 기질 단백질에 대하여 CH의 경우에는 0.2-1.4% 범위로, BR과 AA의 경우에는 1.0-7.0% 범위로, 가수분해시간 (X2, min) 30-270분 범위로 5단계 구간으로 설정하여, 11개의 실험구의 각 효소 가수분해물들을 제조하였다. CH 가수분해물들에 대하여 회귀분석 결과 유의적인 차이를 보이는 실험항목은 단백질농도 (6.0-7.7 mg/mL), 가수분해율 (11.5-16.2%), 거품성 (100.0-125.6%), 유화성 (6.8-12.5 m2/g protein), 환원력 (EC50, 1.6-2.1 mg/mL), collagenase 저해활성 (20.1-35.9%)에서 적합한 것으로 나타났고, 이들 실험항목에 대하여 Minitab 통계프로그램을 구동하여 구한 복합 기능을 가지는 최적 가수분해 조건의 독립변수 (X1과 X2)는 각각 0.4%와 211.8 min이었고, 예측값은 각각 단백질농도 6.0 mg/mL, 가수분해율 11.5%, 거품성 114.1%, 유화성 9.8 m2/g protein, 환원력 IC50 1.8 mg/mL, collagenase 저해활성 31.1%으로 예측 되었다. 최적 조건에서의 종속변수들의 실측치들은 단백질농도에 대해 5.6 mg/mL, 가수분해율에 대해 10.2%, 거품성에 대해 100.0%, 그리고 collagenase 저해활성에 대해 28.5% 이었으며, 예측치에 비해 각각 0.4 mg/mL, 1.3%, 14.1% 및 2.6% 정도 감소하였다. 그러나 유화성 (12.9 m2/g protein) 및 환원력 (IC50, 1.5 mg/mL)는 예측치에 비하여 우수한 결과를 나타내었다. 따라서 최적 가수분해 제조조건하에서 CH 가수분해물은 유화성이 식품기능성에 있어서 우수하였으며 항산화활성이 생체활성에서 우수한 것으로 나타났다. BR 가수분해물들의 경우, 회귀분석을 통해 유의성이 인정되는 실험항목은 단백질농도 (3.5-7.0 mg/mL), 가수분해율 (4.0-14.1%), 거품성 (109.0-187.4%), 유화능 (7.3-16.3 m2/g protein), 환원력 (EC50, 1.2-2.0 mg/mL), ACE 저해활성 (IC50, 1.3-2.1 mg/mL)에서 적합한 것으로 확인되었다. Minitab 통계프로그램을 구동하여 구한 최적 가수분해 조건은 효소/기질비 (X1)가 3.8% 그리고 가수분해시간 (X2)은 268.8 min이었고, 이 조건에서의 예측값은 단백질농도 5.0 mg/mL, 가수분해율 8.2%, 거품성 149.4%, 유화성 11.8 m2/g protein, 환원력 (EC50) 1.6 mg/mL, ACE 저해활성 (IC50) 1.5 mg/mL 이었다. 최적 조건에서의 종속변수들의 실측치들은 단백질농도에 대해 4.6 mg/mL, 가수분해율에 대해 7.0%, 유화성에 대해 9.3%, 그리고 ACE 저해활성 (IC50) 에 대해 1.9 mg/mL이었으며, 예측치에 비해 각각 0.4 mg/mL, 1.2%, 2.5 m2/g protein 및 0.4 mg/mL 정도 감소하였다. 그러나 거품성 (161.5 %) 및 환원력 (EC50, 1.2 mg/mL)는 예측치에 비하여 우수한 결과를 나타내었다. 최적 가수분해 제조조건에서 bromelain 가수분해물은 식품기능성에서 발포성이 우수하였고, 생체활성에서 항산화활성이 우수한 반면에, 항고혈압 효과에서는 예측치에 보다 다소 낮은 수준이었다. AA 가수분해물들에 대하여 회귀분석을 통해 조건별 유의적인 차이를 보이는 실험항목은 단백질농도 (5.6-7.4 mg/mL), 가수분해율 (10.5-15.2%), 거품성 (138.2-178.6%), ABTS+ 소거활성 (IC50, 74.0-92.8 μg/mL), ACE 저해활성 (IC50, 0.46-0.78 mg/mL)에서 적합한 것으로 나타났다. 이들 실험항목에 대하여 Minitab 통계프로그램을 구동하여 구한 최적 가수분해 조건은 효소/기질비 (X1,) 이 2.0% 그리고 가수분해시간 (X2)이 235.2 min이었다. 이 조건에서의 예측값은 단백질농도 6.3 mg/mL, 가수분해율 12.3%, 거품성 139.6%, ABTS+ 소거활성 (IC50) 76.7 μg/mL 그리고 ACE 저해활성 (IC50)은 0.6 mg/mL로 예측 되었다. 최적 조건에서의 종속변수들의 실측치들은 거품성에 대해 115.1%, ABTS+ 소거활성 (IC50)에 대해 103.8 μg/mL이었으며, 예측치에 비해 각각 24.5%, 27.1 μg/mL 정도 감소하였다. 그러나 단백질농도 (9.2 mg/mL), 가수분해율 (21.1%) 및 ACE 저해활성 (IC50, 0.5 mg/mL)는 예측치에 비하여 우수한 결과를 나타내었다. 따라서 최적 가수분해 제조조건에서, Aroase AP-10 가수분해물은 가수분해율과 항고혈압효과가 예측치보다 우수하였다. 본 연구의 결과, steam-dried 공정을 통해 제조한 가다랑어 알 농축물(roe concentrate)은 물리화학적 특성 및 식품 기능성에 있어서, 식품재자원의 활용측면에서 단백질 소재로서 이용가능성이 확인되었으며, 효소처리 공정을 통하여 제조한 가수분해물은 용해도, 거품성 및 유화성에서의 식품기능성 개선과 항산화성, 항고혈능 및 피부노화 방지와 같은 생리활성이 확인되어, 기능성 식품소재로서의 이용가능성도 확인 할 수 있었다. 따라서, 단백질 강화소재, 필수 아미노산 및 기능성 아미노산 강화음료, 수산가공식품 (기능성 강화 연제품, 소스 소재), 식품가공산업 (제면, 제빵, 제과의 거품성, 유화 및 결착 강화제 등)의 새로운 기능성 강화 식품개발소재로서 이용가능하리라 판단된다. 아울러 일부의 가수분해물에서는 In vitro 상의 미백 (tyrosinase 저해활성) 및 항 피부노화 (collagenase 저해활성) 활성이 확인 되어 화장품 소재로서의 이용도 가능할 것으로 판단되었다.
가다랑어 (Katsuwonus pelamis)는 고등어과의 어류 가운데 비교적 중소형 어종 속하는 어류로서, 고정된 서식권 없이 난류를 따라 수천 km를 이동하는 대 회유 어종이다. 가다랑어는 다랑어 중 가장 풍부한 어종으로, 우리나라의 어획량은 원양어업을 통해 2015년에 238,732톤 (MOF, 2016)이 어획 되었으며, 주로 통조림이나 참치 회 같은 생식 요리로 소비되고 있다. 또한, 다랑어류의 주요 가공품인 통조림은 2015년에 51,201톤이 생산 되어, 전체 통조림 제품의 57%를 차지하였다 (KOSIS, 2016). 가다랑어의 가공 중에, 전체 중량의 약 60% 가량의 내장, 머리, 껍질, 뼈 및 알 등이 가공부산물로 발생한다. 이러한 가공부산물의 일부는 어유, 어분, 비료, 애완동물 사료 및 어류 사료에 사용이 되고, 대부분 무단 폐기되어 환경오염을 유발하고 있다. 따라서, 이들 가공부산물의 식품 재 자원으로서의 활용은 경제적인 측면에서 부가가치를 향상시킬 수 있고, 더 나아가 필수 지방산, 단백질 및 필수아미노산과 같은 영양적인 가치를 증대시킬 수 있다 (Narsing Rao, 2012a). 가공부산물 중에서, 어류 알은 전체중량의 약 1.5~10%를 차지하며, 단백질, 지방질, 비타민이 풍부하여 영양학적으로 우수한 기능성 식품 성분의 좋은 급원이 될 수 있다. 또한 단백질의 구성분으로는 11% albumin, 75% ovoglobulin 그리고 13%의 collagen을 함유하고 있고, 아미노산 조성으로는 근육과 비교하면 Leu, Pro 등과 같은 아미노산이 풍부하며, 다른 부위에 비해 비타민 C, 비타민 E 및 콜레스테롤의 함량이 풍부한 것으로 아려져 있다 (Sikorski 1994). 어류 알 가공품에는 명란 젓, 연어알 젓, 대구알 젓, 성게알 젓 등의 젓갈류, 말린 청어 및 숭어알과 같은 부분 염건품, 철갑상어 알 (캐비아) 등 국한된 어종의 알만이 수산가공식품으로 이용되고 있을 뿐이다. 따라서 고영양성의 어류 알의 주성분인 단백질은 추출, 분획, 농축 등의 처리기술을 통하여 고부가가치 식품소재 자원으로서의 전환기술이 요구된다. Cook-dried process는 먼저 가열처리 (boiled 및 steamed)를 통하여, 단백질의 입체구조의 변화 (단백질 열 변성)를 일으킴으로서, 소화성과 식미를 향상시키고, 아울러 영양적 또는 기능적 특성을 향상 시키는 것이 가능하다 (Adebiyi et al. 2009). 또한, 가열처리로 인해 유해 세균이나 미생물을 사멸시킴으로서 위생적으로도 안전하게 한다 (Duan et al. 2011). 이어서 건조과정은 내인성 효소의 작용을 불활성화하고, 수분함량을 낮춤으로서 수분활성이 감소하게 되며, 이를 통해 박테리아와 곰팡이의 생장을 억제 할 뿐만 아니라, 이렇게 가공한 제품은 상온 보관 및 부피를 대폭 감소시켜, 보관 용이성이 높아지기도 한다 (Bellagha et al,. 2002; Bala and Mondol, 2001; Duan et al. 2004). 한편, 단백질분해효소의 응용은 영양 및 생물학적 성질을 잃지 않으면서, 식품 단백질의 기능적 특성을 개선하기 위한 좋은 방법이다 (Chalamaiah et al, 2015). 효소의 기질특이성을 이용한 단백질 가수분해물은 다양한 펩티드 및 아미노산을 함유하여 용해도, 기포성 및 유화성 등 식품 기능적 특징으로 인하여 식품산업에서 널리 이용되고 있다. 효소 가수분해물의 제조를 위하여는 다양한 식물, 동물 및 미생물 기원의 단백질분해효소가 이용되고 있으며, 주로 가공부산물 및 저이용/미활용 식품재자원 등에 적용함으로써 새로운 식품자원의 개발과 고부가가치화를 위한 수단으로 응용되고 있다. 최근에는 광범위한 기질 특이성, 넓은 작용 pH 및 온도 범위로 인해 동-식물기원의 효소보다는 미생물기원의 효소를 식품 개발 및 연구에 이용하고 있는 추세이다. 효소 가수분해물의 제조를 위하여는 효소 및 기질의 특성을 고려하여야 하는데, 주로 효소/기질비, pH, 온도, 반응시간 등과 같은 조건의 최적화가 필수적이다. 이러한 최적화를 위해서는 수학적 통계학적 기법 (반응표면 분석법)을 이용함으로써 경제적, 시간적 제약을 극복할 수 있으며, 보다 나은 실험적 접근이 이루어 질수 있다. 본 연구의 목적은 가다랑어 알로부터 cook-dried process를 통하여 제조한 concentrates의 식품성분 및 그 기능성에 대하여 검토하고, 이어서 식품기능성의 개선을 위해 시판 단백질분해효소를 이용한 가수분해물의 제조와, 이들 효소 가수분해물의 용해도, 기포성 및 유화성 등 식품 기능적 특성과 항산화성, 항고혈압, 미백 및 피부노화 개선 등의 생리활성에 대해 살펴보았다. 최종적으로 식품기능성, 항산화성 및 생리활성이 종합적으로 뛰어난 가수분해물의 제조를 위해 반응표면분석법의 중심합성계획을 통하여 효소 가수분해물의 최적조건을 구명하고자 하였다. 제1장. 가다랑어 알 단백질 농축물 (RPC, roe protein concentrate)은 가열처리 및 건조공정을 통해 각각 boiled-dried concentrate (BDC)와 steamed-dried concentrate (SDC)를 제조하였으며, 비가열 건조공정을 통해 freeze-dried concentrate (FDC)를 제조하여 제조 공정별 이화학적 특성 및 식품기능성에 대해 상호비교 하였다. RPCs의 수율은 22.4-26.7% 범위로서, FDC가 BDC 및 SDC에 비해 높은 반면에 단백질 함량은 71.1-76.0% 범위로 SDC가 가장 높은 것으로 나타났다. RPCs의 아미노산 조성 (%)은 처리공정에 따른 유의적인 차이를 나타내지 않았으며, glutamic acid (12.7-13.0%), aspartic acid (8.8-9.1%), leucine (8.5-8.6%) 함량이 높았다. 한편, RPCs의 식품기능 특성으로서, 완충능은 산성 영역보다 알칼리 영역에서 강한 것으로 나타났고, 보수력 (WHC)은 3.7-4.2 g/g of protein 범위였다. RPCs의 용해도는 FDC가 13.9%로 BDC (5.4%) 및 SDC (6.0%)에 비해 높았으며, 거품성도 FDC가 143.3%가 가장 좋은 것으로 확인 되었다. 이들의 거품 안정성은 FDC가 60 min까지 거품이 유지된 반면, BDC와 SDC에서는 관찰되지 않았다. 유화성에 있어서는 단백질 g 당 FDC는 10.0 m2/g protein이었고, BDC (2.9 m2/g protein)와 SDC (1.9 m2/g protein)보다 높은 것으로 나타났으며, 유화안정성은 SDC가 29.5 min으로서 FDC (17.3 min)와 BDC (19.9 min)보다 안정하였다. SDC는 BDC보다 단백질 함량, 보수력, 용해도 및 유화안정성이 우수하였으며, 완충능과 거품성에서는 비슷한 수준이었다. 이상의 결과로부터 물리화학적 특성과 식품 기능특성으로 살펴 본 가다랑어 알 농축물들은 단백질재자원으로서의 이용가능성을 확인할 수 있으나, 보다 효율적인 이용을 위하여 식품기능성을 개선하기 위한 방안이 필요할 것으로 판단되었다. 따라서 식품기능성 개선을 위한 시료로는 실제로 가공현장에서 이용되고 있고, 본 실험결과에서도 상대적으로 식품기능성이 좋은 steam-dried concentrate를 선택하여 다음 실험을 진행하고자 하였다. 제2장. steam-dried 공정을 거쳐 얻어진 가다랑어 알의 단백질 농축물 (SDC)은 시판 단백질 분해효소를 사용하여 단백질 가수분해물을 제조하여, 이들의 생리 활성과 기능적 특성에 대하여 살펴보았다. 동일한 가수분해조건하 (pH 5.8, 50℃ and 150 min)에서, 가수분해율은 Protamex (PR, 20.5%)가 가장 높았으며, 다음으로 Alcalase (AL, 18.5%), Aroase AP-10 (AA, 17.9%) 및 Neutrase (NE, 17.9%) 순이었다. Bromelain (BR) 가수분해물의 거품성은 180%로 가장 높았으며, 거품안정성도 60 min 이르기 까지 58%가 유지되었다. 그러나 높은 가수분해율을 가진 PR (106%)과 AL (107%)은 가장 낮은 거품성을 나타내었다. 대조구의 유화성 (22.3 m2/g protein)은 효소 가수분해물보다 높은 것으로 확인 되었으며, 효소 가수분해물 중에서는 BR이 7.43 m2/g protein로 가장 높았으며, 다음으로는 chymotrypsin (CH, 4.2 m2/g protein)와 trypsin (TR, 4.1 m2/g protein)이었으며, 그 외의 효소 가수분해물은 1.1-2.6 m2/g protein범위이었다. 가장 좋은 ABTS+ 소거활성 (IC50, μg/mL)은 대조구 (49.7 ㎍/mL)와 Flavourzyme (FL, 52.3 ㎍/mL)이었으며, 상호간에는 유의적 차이가 없었다. 모든 효소 가수분해물 (74.8-93.4%)들의 ACE 저해활성들은 대조구 (55.0%)에 비하여 보다 강한 저해능을 보였으며, 효소 가수분해물들 중에서는 AA (93.4%)이 가장 강한 저해활성을 나타내었다. 따라서 효소에 의한 가수분해로 인해 항고혈압 활성이 강해지는 경향이었으며, 높은 DH 가진 가수 분해물은 높은 항 고혈압제 활성을 나타내는 것으로 확인되었다. 모든 실험구에서 tyrosinase 저해활성들은 양 (positive)의 값을 나타내었다. 효소 가수분해물들 중에서 AA (33.8%), FL (31.1%) 그리고 PR (28.9%)가 대조구 (13.3%)와 다른 효소 가수분해물들 (9.3-14.7%)에 비해 상대적으로 우수한 저해활성을 보였다. SDC의 효소 가수분해물들 중에서, FL, CH, AA 및 BR은 강력한 항산화 활성을 보였으며, PR, AA, NE 및 AL은 높은 항 고혈압 활성을 보였고, BR, CH, 대조군 및 NE의 식품 기능성이 우수 하였다. 전반적으로 bioactivities 및 식품 기능성에 대한 결과를 종합하면 serine protease로서 chymotrypsin, cysteine protease로서 bromelain 그리고 food-grade protease로서는 Aroase AP-10이 우수한 것으로 나타났다. 따라서, 이들 가수분해물들은 기능성 식품 ingredients로써 새로운 형태의 기능성 강화 음료, seafood 및 식품가공산업에 적용 가능할 것이다. 제3장에서 우리는 가다랑어 알의 단백질 농축물의 건강 기능에 초점을 맞추어 효소 가수 분해를 위한 최적의 조건을 확인하기 위해 반응 표면 방법론을 사용하는 가공 공정을 개발할 것이다. 제3장. 제2장의 결과를 토대로, 가다랑어 알 농축물 (SDC)의 식품 기능성 및 생리 활성을 갖는 복합 기능성 가수분해물의 제조를 위하여 적합한 효소로서 serine protease인 chymotrypsin (CH), cysteine protease인 bromelain (BR) 그리고 food-grade protease로서는 Aroase AP-10 (AA)을 선택하여, 반응표면분석법 (Response surface methodology)의 중심합성계획 (Central composite design)을 통해 가수분해 최적조건을 구명하고자 하였다. 중심합경계획에 따른 독립 변수로서 효소/기질비 (X1, %)는 기질 단백질에 대하여 CH의 경우에는 0.2-1.4% 범위로, BR과 AA의 경우에는 1.0-7.0% 범위로, 가수분해시간 (X2, min) 30-270분 범위로 5단계 구간으로 설정하여, 11개의 실험구의 각 효소 가수분해물들을 제조하였다. CH 가수분해물들에 대하여 회귀분석 결과 유의적인 차이를 보이는 실험항목은 단백질농도 (6.0-7.7 mg/mL), 가수분해율 (11.5-16.2%), 거품성 (100.0-125.6%), 유화성 (6.8-12.5 m2/g protein), 환원력 (EC50, 1.6-2.1 mg/mL), collagenase 저해활성 (20.1-35.9%)에서 적합한 것으로 나타났고, 이들 실험항목에 대하여 Minitab 통계프로그램을 구동하여 구한 복합 기능을 가지는 최적 가수분해 조건의 독립변수 (X1과 X2)는 각각 0.4%와 211.8 min이었고, 예측값은 각각 단백질농도 6.0 mg/mL, 가수분해율 11.5%, 거품성 114.1%, 유화성 9.8 m2/g protein, 환원력 IC50 1.8 mg/mL, collagenase 저해활성 31.1%으로 예측 되었다. 최적 조건에서의 종속변수들의 실측치들은 단백질농도에 대해 5.6 mg/mL, 가수분해율에 대해 10.2%, 거품성에 대해 100.0%, 그리고 collagenase 저해활성에 대해 28.5% 이었으며, 예측치에 비해 각각 0.4 mg/mL, 1.3%, 14.1% 및 2.6% 정도 감소하였다. 그러나 유화성 (12.9 m2/g protein) 및 환원력 (IC50, 1.5 mg/mL)는 예측치에 비하여 우수한 결과를 나타내었다. 따라서 최적 가수분해 제조조건하에서 CH 가수분해물은 유화성이 식품기능성에 있어서 우수하였으며 항산화활성이 생체활성에서 우수한 것으로 나타났다. BR 가수분해물들의 경우, 회귀분석을 통해 유의성이 인정되는 실험항목은 단백질농도 (3.5-7.0 mg/mL), 가수분해율 (4.0-14.1%), 거품성 (109.0-187.4%), 유화능 (7.3-16.3 m2/g protein), 환원력 (EC50, 1.2-2.0 mg/mL), ACE 저해활성 (IC50, 1.3-2.1 mg/mL)에서 적합한 것으로 확인되었다. Minitab 통계프로그램을 구동하여 구한 최적 가수분해 조건은 효소/기질비 (X1)가 3.8% 그리고 가수분해시간 (X2)은 268.8 min이었고, 이 조건에서의 예측값은 단백질농도 5.0 mg/mL, 가수분해율 8.2%, 거품성 149.4%, 유화성 11.8 m2/g protein, 환원력 (EC50) 1.6 mg/mL, ACE 저해활성 (IC50) 1.5 mg/mL 이었다. 최적 조건에서의 종속변수들의 실측치들은 단백질농도에 대해 4.6 mg/mL, 가수분해율에 대해 7.0%, 유화성에 대해 9.3%, 그리고 ACE 저해활성 (IC50) 에 대해 1.9 mg/mL이었으며, 예측치에 비해 각각 0.4 mg/mL, 1.2%, 2.5 m2/g protein 및 0.4 mg/mL 정도 감소하였다. 그러나 거품성 (161.5 %) 및 환원력 (EC50, 1.2 mg/mL)는 예측치에 비하여 우수한 결과를 나타내었다. 최적 가수분해 제조조건에서 bromelain 가수분해물은 식품기능성에서 발포성이 우수하였고, 생체활성에서 항산화활성이 우수한 반면에, 항고혈압 효과에서는 예측치에 보다 다소 낮은 수준이었다. AA 가수분해물들에 대하여 회귀분석을 통해 조건별 유의적인 차이를 보이는 실험항목은 단백질농도 (5.6-7.4 mg/mL), 가수분해율 (10.5-15.2%), 거품성 (138.2-178.6%), ABTS+ 소거활성 (IC50, 74.0-92.8 μg/mL), ACE 저해활성 (IC50, 0.46-0.78 mg/mL)에서 적합한 것으로 나타났다. 이들 실험항목에 대하여 Minitab 통계프로그램을 구동하여 구한 최적 가수분해 조건은 효소/기질비 (X1,) 이 2.0% 그리고 가수분해시간 (X2)이 235.2 min이었다. 이 조건에서의 예측값은 단백질농도 6.3 mg/mL, 가수분해율 12.3%, 거품성 139.6%, ABTS+ 소거활성 (IC50) 76.7 μg/mL 그리고 ACE 저해활성 (IC50)은 0.6 mg/mL로 예측 되었다. 최적 조건에서의 종속변수들의 실측치들은 거품성에 대해 115.1%, ABTS+ 소거활성 (IC50)에 대해 103.8 μg/mL이었으며, 예측치에 비해 각각 24.5%, 27.1 μg/mL 정도 감소하였다. 그러나 단백질농도 (9.2 mg/mL), 가수분해율 (21.1%) 및 ACE 저해활성 (IC50, 0.5 mg/mL)는 예측치에 비하여 우수한 결과를 나타내었다. 따라서 최적 가수분해 제조조건에서, Aroase AP-10 가수분해물은 가수분해율과 항고혈압효과가 예측치보다 우수하였다. 본 연구의 결과, steam-dried 공정을 통해 제조한 가다랑어 알 농축물(roe concentrate)은 물리화학적 특성 및 식품 기능성에 있어서, 식품재자원의 활용측면에서 단백질 소재로서 이용가능성이 확인되었으며, 효소처리 공정을 통하여 제조한 가수분해물은 용해도, 거품성 및 유화성에서의 식품기능성 개선과 항산화성, 항고혈능 및 피부노화 방지와 같은 생리활성이 확인되어, 기능성 식품소재로서의 이용가능성도 확인 할 수 있었다. 따라서, 단백질 강화소재, 필수 아미노산 및 기능성 아미노산 강화음료, 수산가공식품 (기능성 강화 연제품, 소스 소재), 식품가공산업 (제면, 제빵, 제과의 거품성, 유화 및 결착 강화제 등)의 새로운 기능성 강화 식품개발소재로서 이용가능하리라 판단된다. 아울러 일부의 가수분해물에서는 In vitro 상의 미백 (tyrosinase 저해활성) 및 항 피부노화 (collagenase 저해활성) 활성이 확인 되어 화장품 소재로서의 이용도 가능할 것으로 판단되었다.
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