식품 시스템에서 식용곤충의 단백질 기능성: 단백질 추출, 효소 및 근원섬유질과의 상관관계 Protein Functionality of Edible Insect in Food Systems: Interaction with Protein Extraction, Enzyme, and Myofibril원문보기
과거로부터 식용곤충은 인간의 단백질 공급원으로써 소비되었다. 기존의 식량 공급원은 높은 영양학적, 이화학적 기능성 때문에 식용곤충으로 대체될 수 있으며, 식용곤충의 이용은 식품산업에서 가치 있는 자원을 공급하는 또 다른 방법으로 이용될 수 있다. 그러나 선진국 등의 현대인들은 식품기신증으로 인한 식용곤충에 대한 혐오감을 느끼고 있다. 또한 약한 교차 결합력 등 기존의 동물성 단백질과는 다른 기능적 특성 때문에 사용에 제한을 받게 되었다. 그러므로, 식용곤충의 ...
과거로부터 식용곤충은 인간의 단백질 공급원으로써 소비되었다. 기존의 식량 공급원은 높은 영양학적, 이화학적 기능성 때문에 식용곤충으로 대체될 수 있으며, 식용곤충의 이용은 식품산업에서 가치 있는 자원을 공급하는 또 다른 방법으로 이용될 수 있다. 그러나 선진국 등의 현대인들은 식품기신증으로 인한 식용곤충에 대한 혐오감을 느끼고 있다. 또한 약한 교차 결합력 등 기존의 동물성 단백질과는 다른 기능적 특성 때문에 사용에 제한을 받게 되었다. 그러므로, 식용곤충의 이용성을 증대시키기 위하여 단백질 기능성을 변화시켜 단백질의 질을 상승시키는 것이 중요하다. 따라서 본 연구는 최적의 추출 조건을 탐색하며, 효소 및 근원섬유단백질간의 상호작용을 조사하여 새로운 식량자원으로써 식용곤충의 단백질 기능성을 향상시키고자 한다. 첫째로, 단백질의 추출 과정 중 발생하는 품질의 변화가 식품에 중요한 역할을 할 것이다. 이에 따라 밀웜(Tenebrio molitor), 장수풍뎅이 유충(Allomyrina dichotoma), 흰점박이꽃무지 유충(Protaetia brevitarsis) 등의 아미노산 함량 및 단백질의 기술적 기능성 변화를 조사하였으며, 분쇄, 탈지, 추출 등 총 3가지 단계로 분류하였다. 필수아미노산가는 추출 과정에 따라 점차 증가하였다. 장수풍뎅이 유충이 가장 높은 값을 가졌으며, 흰점박이꽃무지가 다음으로 높았다. pH의 경우 밀웜을 제외하고 모두 점차 증가하였다. 명도, 적색도, 및 황색도의 경우 점차 감소하였다. 단백질 분자량의 경우 흰점박이꽃무지가 가장 넓게 분포하였다. 추출을 할 경우, 거품 형성도 및 안정성이 급격하게 증가하였고, 유화도 및 안정성은 크게 증가하지 않았다. 결론적으로, 흰점박이꽃무지 유충이 추출과정을 통해 단백질의 기능적 특성을 향상시키기에 적절할 것으로 사료된다. 둘째로, 유수층분리와 유기용매(메탄올, 에탄올, 핵산)를 이용한 탈지가 흰점박이꽃무지 단백질의 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 탈지율, 아미노산 조성, 단백질 용해도, 및 가공 특성은 핵산을 이용할 경우 가장 높았다. 그러나 에탄올로 추출할 경우 핵산과 거품 형성도 및 유화 능력에서 유사한 기능성을 나타내었다. 표면 소수성의 경우 유기용매를 사용할 경우 감소하였으며, 과도한 지방 함량은 추출단백질의 기능성을 감소시켰다. 단백질은 탈지 방법에 따라 다양하게 분포하였으며, 유수 분리를 이용한 탈지 방법이 가장 낮은 값을 가졌다. CIE L*a*b*의 경우도 탈지 방법에 따라 다르게 나타났다. 핵산의 경우 가장 높은 효율을 보였으나, 에탄올 또한 핵산의 대체재로 사용 가능할 것이라고 판단된다. 셋째로, 추출 용매의 pH 및 NaCl이 단백질에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 용매의 pH와 추출 단백질의 pH는 유사한 경향을 나타내었으며, 소금의 첨가는 pH를 감소시켰다. 색도의 경우 pH와 소금의 농도에 따라 유의적인 차이를 보였다. 표면 소수성 및 단백질 용해도는 pH 1과 pH 14에서 감소하였고 소금의 농도가 증가할수록 감소하였다. 이는 비단백질 질소 성분에 의한 것으로 사료되며, 열 안정성의 경우 pH와 소금 농도가 증가할수록 증가하였다. 단백질 기능적 특성의 경우 소금의 농도와 pH의 증가는 거품형성도를 증가시켰으나, 유화 형성에 소금 농도의 증가는 적절하지 않은 것으로 판단된다. 넷째로, 트렌스글루타미나제(TG)의 반응 시간에 따라 단백질용액의 영양학적 특성 및 기능적 특성을 분석하였다. 10, 20, 30, 60, 및 90 분 동안 TG와 반응시켰으며, 아미노산 함량, 영양학적 질, pH, 색도, 분자량, 열 안정성, 거품 특성, 유화력 등을 평가하였다. TG의 반응시간이 증가함에 따라 영양학적 가치와 분자량 및 열 안정성은 증가하는 추세를 나타내었다. 그러나 90분 이상의 반응시간은 과도한 가교 결합을 일으켜 단백질의 기능적 특성의 하락을 유래하였다. 따라서 최적의 반응시간은 60분일 것으로 사료된다. 마지막으로, 돈육 myofibril 단백질에 대한 곤충단백질의 대체효과를 분석하였다. 단백질 농도는 겔과 용액을 평가하기 위해 30%와 1%로 조절하였으며, 20%의 비율로 대체하였다. 곤충단백질을 함유하였을 때, 낮은 점도와 열 안정성을 가졌다. 대체 비율이 증가할수록 겔은 거칠고 안 좋은 외형을 가졌다. 따라서 곤충단백질의 겔 형성에 있어서 가열은 효과적인 방법이 아닌 것으로 사료된다. 그러나 용액의 가공 특성의 경우 곤충단백질의 함량이 증가할수록 거품형성도 및 유화도가 증가하였다. 따라서 돈육단백질을 곤충단백질로 대체할 경우 겔화보다는 용액으로의 이용이 적절할 것으로 사료된다. 본 연구를 통해 식용 곤충의 단백질의 기능적 특성의 향상과 돈육단백질의 간의 대체효과를 검증하였다. 이러한 결과로 식품산업에서 새로운 단백질 자원으로써 식용곤충의 이용을 증진 시킬 수 있을 것이라고 사료된다.
과거로부터 식용곤충은 인간의 단백질 공급원으로써 소비되었다. 기존의 식량 공급원은 높은 영양학적, 이화학적 기능성 때문에 식용곤충으로 대체될 수 있으며, 식용곤충의 이용은 식품산업에서 가치 있는 자원을 공급하는 또 다른 방법으로 이용될 수 있다. 그러나 선진국 등의 현대인들은 식품기신증으로 인한 식용곤충에 대한 혐오감을 느끼고 있다. 또한 약한 교차 결합력 등 기존의 동물성 단백질과는 다른 기능적 특성 때문에 사용에 제한을 받게 되었다. 그러므로, 식용곤충의 이용성을 증대시키기 위하여 단백질 기능성을 변화시켜 단백질의 질을 상승시키는 것이 중요하다. 따라서 본 연구는 최적의 추출 조건을 탐색하며, 효소 및 근원섬유단백질간의 상호작용을 조사하여 새로운 식량자원으로써 식용곤충의 단백질 기능성을 향상시키고자 한다. 첫째로, 단백질의 추출 과정 중 발생하는 품질의 변화가 식품에 중요한 역할을 할 것이다. 이에 따라 밀웜(Tenebrio molitor), 장수풍뎅이 유충(Allomyrina dichotoma), 흰점박이꽃무지 유충(Protaetia brevitarsis) 등의 아미노산 함량 및 단백질의 기술적 기능성 변화를 조사하였으며, 분쇄, 탈지, 추출 등 총 3가지 단계로 분류하였다. 필수아미노산가는 추출 과정에 따라 점차 증가하였다. 장수풍뎅이 유충이 가장 높은 값을 가졌으며, 흰점박이꽃무지가 다음으로 높았다. pH의 경우 밀웜을 제외하고 모두 점차 증가하였다. 명도, 적색도, 및 황색도의 경우 점차 감소하였다. 단백질 분자량의 경우 흰점박이꽃무지가 가장 넓게 분포하였다. 추출을 할 경우, 거품 형성도 및 안정성이 급격하게 증가하였고, 유화도 및 안정성은 크게 증가하지 않았다. 결론적으로, 흰점박이꽃무지 유충이 추출과정을 통해 단백질의 기능적 특성을 향상시키기에 적절할 것으로 사료된다. 둘째로, 유수층분리와 유기용매(메탄올, 에탄올, 핵산)를 이용한 탈지가 흰점박이꽃무지 단백질의 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 탈지율, 아미노산 조성, 단백질 용해도, 및 가공 특성은 핵산을 이용할 경우 가장 높았다. 그러나 에탄올로 추출할 경우 핵산과 거품 형성도 및 유화 능력에서 유사한 기능성을 나타내었다. 표면 소수성의 경우 유기용매를 사용할 경우 감소하였으며, 과도한 지방 함량은 추출단백질의 기능성을 감소시켰다. 단백질은 탈지 방법에 따라 다양하게 분포하였으며, 유수 분리를 이용한 탈지 방법이 가장 낮은 값을 가졌다. CIE L*a*b*의 경우도 탈지 방법에 따라 다르게 나타났다. 핵산의 경우 가장 높은 효율을 보였으나, 에탄올 또한 핵산의 대체재로 사용 가능할 것이라고 판단된다. 셋째로, 추출 용매의 pH 및 NaCl이 단백질에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 용매의 pH와 추출 단백질의 pH는 유사한 경향을 나타내었으며, 소금의 첨가는 pH를 감소시켰다. 색도의 경우 pH와 소금의 농도에 따라 유의적인 차이를 보였다. 표면 소수성 및 단백질 용해도는 pH 1과 pH 14에서 감소하였고 소금의 농도가 증가할수록 감소하였다. 이는 비단백질 질소 성분에 의한 것으로 사료되며, 열 안정성의 경우 pH와 소금 농도가 증가할수록 증가하였다. 단백질 기능적 특성의 경우 소금의 농도와 pH의 증가는 거품형성도를 증가시켰으나, 유화 형성에 소금 농도의 증가는 적절하지 않은 것으로 판단된다. 넷째로, 트렌스글루타미나제(TG)의 반응 시간에 따라 단백질용액의 영양학적 특성 및 기능적 특성을 분석하였다. 10, 20, 30, 60, 및 90 분 동안 TG와 반응시켰으며, 아미노산 함량, 영양학적 질, pH, 색도, 분자량, 열 안정성, 거품 특성, 유화력 등을 평가하였다. TG의 반응시간이 증가함에 따라 영양학적 가치와 분자량 및 열 안정성은 증가하는 추세를 나타내었다. 그러나 90분 이상의 반응시간은 과도한 가교 결합을 일으켜 단백질의 기능적 특성의 하락을 유래하였다. 따라서 최적의 반응시간은 60분일 것으로 사료된다. 마지막으로, 돈육 myofibril 단백질에 대한 곤충단백질의 대체효과를 분석하였다. 단백질 농도는 겔과 용액을 평가하기 위해 30%와 1%로 조절하였으며, 20%의 비율로 대체하였다. 곤충단백질을 함유하였을 때, 낮은 점도와 열 안정성을 가졌다. 대체 비율이 증가할수록 겔은 거칠고 안 좋은 외형을 가졌다. 따라서 곤충단백질의 겔 형성에 있어서 가열은 효과적인 방법이 아닌 것으로 사료된다. 그러나 용액의 가공 특성의 경우 곤충단백질의 함량이 증가할수록 거품형성도 및 유화도가 증가하였다. 따라서 돈육단백질을 곤충단백질로 대체할 경우 겔화보다는 용액으로의 이용이 적절할 것으로 사료된다. 본 연구를 통해 식용 곤충의 단백질의 기능적 특성의 향상과 돈육단백질의 간의 대체효과를 검증하였다. 이러한 결과로 식품산업에서 새로운 단백질 자원으로써 식용곤충의 이용을 증진 시킬 수 있을 것이라고 사료된다.
Edible insects have been consumed as protein supplement of human in history. Because of their high value in nutritional, physicochemical, and functional value, conventional food sources could be replaced by edible insects. Therefore, the use of edible insects can be another approach to apply the val...
Edible insects have been consumed as protein supplement of human in history. Because of their high value in nutritional, physicochemical, and functional value, conventional food sources could be replaced by edible insects. Therefore, the use of edible insects can be another approach to apply the valuable resources for food industry. However, modern consumers, especially in developed countries, are reluctant to eat the edible insects majorly due to food neophobia. It also encountered some limitations because of their different functionality such as poor crosslinking properties from conventional animal-origin proteins. Therefore, it is important to improve the protein quality and to modify functionality of edible insect to increase utilization. In a series of study, the optimum extraction condition of edible insect proteins was investigated. Then, the interactions of enzyme and myofiblillar proteins with the extracted proteins were investigated to improve the protein functionality of the edible insect as a novel food ingredient. Firstly, quality changes of protein during extraction from edible insects are crucial for food application. Therefore, this study was conducted to investigate the changes of amino acid composition and protein physicochemical functionality extracted from three different edible insects (Tenebrio molitor, Allomyrina dichotoma, Protaetia brevitarsis). Three steps used for protein extraction were: grounding, de-fatting, and extraction. Essential amino acid index was increased undergone protein extraction steps. A. dichotoma had the best value at all steps and P. brevitarsis was followed. pH values of the extract increased with each step except for T. molitor. Further, Lightness, redness, and yellowness decreased generally. Protein molecular weight differed according to species and P. brevitarsis had the widest protein bands after extracting. Through extraction steps, foaming capacity and foam stability were improved and emulsifying capacity and emulsion stability did not improve dramatically. In conclusion, P. brevitarsis was the most suitable edible insect to use for protein sources and protein extraction can be useful way to improve protein physicochemical functionality of edible insects. Secondly, the effect of aqueous fat separation and defatting using organic solvents (99% of methanol, ethanol, and n-hexane) on the characteristics and functionality of proteins extracted from P. brevitarsis was investigated. The defatting efficiency, amino acid composition, protein solubility, and physicochemical properties were the highest when proteins were defatted using n-hexane. Proteins defatted using ethanol were similar in foaming capacity and emulsifying capacity. Surface hydrophobicity decreased when using organic solvents, and excessive fat content disrupted the functional properties of the extracted proteins. Proteins extracted using the different solvents displayed different pH values. The pH of the aqueous extract was the lowest. CIE L*a*b* color values also differed with the use of different extraction methods. Although n-hexane might be the most efficient solvent for defatting the proteins extracted from edible insects, ethanol could also be used to obtain similar foam and emulsifying capacities. Thirdly, the effect of pH and NaCl on protein quality and physicochemical functionality of P. brevitarsis was investigated. pH values of extracted protein were increased as pH of solvent and NaCl concentration increased. Color difference was increased away from neutral pH and 0 M NaCl. Although surface hydrophobicity and protein solubility was decreased at pH 1 and pH 14, it might be due to non-protein nitrogen components. The higher pH and higher NaCl concentration had the higher thermal stability. Foaming capacity was the highest at pH 14 and followed by pH 1 but their stability was low. Foaming capacity was the highest at 0.5 M and 1 M NaCl and their stability was low. Emulsifying capacity and emulsion stability was increased away from pH 4. Although increase of NaCl concentration interrupted emulsion formation, their emulsion stability was higher than low salt concentration. Therefore, protein of P. brevitarsis had high functionality extracted at alkaline condition and high concentration of NaCl. However, NaCl could be not proper to form emulsion phase. Fourthly, the functional properties of protein solutions extracted from P. brevitarsis was improved by use of transglutaminase (TG) as a cross-linking agent. After various incubation times (10, 20, 30, 60, and 90 min) with TG, the protein solutions were assessed with regard to their amino acid composition, protein nutritional quality, pH, color (yellowness), molecular weight distribution, thermal stability, foam ability (capacity and stability), and emulsion ability (capacity and stability). Incubation with TG changed the amino acid composition of the proteins and shifted the molecular weight distribution towards higher values, while improving the rest of the aforementioned properties. Since the incubation time for 90 min decreased the protein functionality, the optimum incubation time for cross-linking protein with TG will be 60 min. The application of TG to edible insect proteins ultimately increase its functionality and allow for development of novel insect processing technology. Finally, the replacement of conventional protein supply has been studied in the context of continuous population growth and the consequent environmental problems. Among protein substitutes, edible insects have gained relevance due to their high breeding efficiency. This study was conducted to estimate the effect of the partial replacement of porcine myofibril protein (PP) with protein extracted from P. brevitarsis (IP) in protein-containing solutions and gels. The protein concentration was regulated at 30% and 1% for gels and solutions, respectively; replacement percentages increased by 20%. Gels containing IP showed a lower viscosity and thermal stability; the texture and shape of the gels were negatively impacted as the replacement percentage increased. Therefore, heating is not an appropriate method to induce the gelation of IP containing solutions. However, the replacement of PP with IP increased the foaming capacity and emulsifying capacity in solutions. In conclusion, this study showed that the partial replacement of PP with IP impacts positively on protein solutions but impairs their gelation. In conclusion, the improvement of functional properties of edible insect proteins and the replacement effect of pork protein by insect protein was verified. These studies could improve the use of edible insects as new protein resources.
Edible insects have been consumed as protein supplement of human in history. Because of their high value in nutritional, physicochemical, and functional value, conventional food sources could be replaced by edible insects. Therefore, the use of edible insects can be another approach to apply the valuable resources for food industry. However, modern consumers, especially in developed countries, are reluctant to eat the edible insects majorly due to food neophobia. It also encountered some limitations because of their different functionality such as poor crosslinking properties from conventional animal-origin proteins. Therefore, it is important to improve the protein quality and to modify functionality of edible insect to increase utilization. In a series of study, the optimum extraction condition of edible insect proteins was investigated. Then, the interactions of enzyme and myofiblillar proteins with the extracted proteins were investigated to improve the protein functionality of the edible insect as a novel food ingredient. Firstly, quality changes of protein during extraction from edible insects are crucial for food application. Therefore, this study was conducted to investigate the changes of amino acid composition and protein physicochemical functionality extracted from three different edible insects (Tenebrio molitor, Allomyrina dichotoma, Protaetia brevitarsis). Three steps used for protein extraction were: grounding, de-fatting, and extraction. Essential amino acid index was increased undergone protein extraction steps. A. dichotoma had the best value at all steps and P. brevitarsis was followed. pH values of the extract increased with each step except for T. molitor. Further, Lightness, redness, and yellowness decreased generally. Protein molecular weight differed according to species and P. brevitarsis had the widest protein bands after extracting. Through extraction steps, foaming capacity and foam stability were improved and emulsifying capacity and emulsion stability did not improve dramatically. In conclusion, P. brevitarsis was the most suitable edible insect to use for protein sources and protein extraction can be useful way to improve protein physicochemical functionality of edible insects. Secondly, the effect of aqueous fat separation and defatting using organic solvents (99% of methanol, ethanol, and n-hexane) on the characteristics and functionality of proteins extracted from P. brevitarsis was investigated. The defatting efficiency, amino acid composition, protein solubility, and physicochemical properties were the highest when proteins were defatted using n-hexane. Proteins defatted using ethanol were similar in foaming capacity and emulsifying capacity. Surface hydrophobicity decreased when using organic solvents, and excessive fat content disrupted the functional properties of the extracted proteins. Proteins extracted using the different solvents displayed different pH values. The pH of the aqueous extract was the lowest. CIE L*a*b* color values also differed with the use of different extraction methods. Although n-hexane might be the most efficient solvent for defatting the proteins extracted from edible insects, ethanol could also be used to obtain similar foam and emulsifying capacities. Thirdly, the effect of pH and NaCl on protein quality and physicochemical functionality of P. brevitarsis was investigated. pH values of extracted protein were increased as pH of solvent and NaCl concentration increased. Color difference was increased away from neutral pH and 0 M NaCl. Although surface hydrophobicity and protein solubility was decreased at pH 1 and pH 14, it might be due to non-protein nitrogen components. The higher pH and higher NaCl concentration had the higher thermal stability. Foaming capacity was the highest at pH 14 and followed by pH 1 but their stability was low. Foaming capacity was the highest at 0.5 M and 1 M NaCl and their stability was low. Emulsifying capacity and emulsion stability was increased away from pH 4. Although increase of NaCl concentration interrupted emulsion formation, their emulsion stability was higher than low salt concentration. Therefore, protein of P. brevitarsis had high functionality extracted at alkaline condition and high concentration of NaCl. However, NaCl could be not proper to form emulsion phase. Fourthly, the functional properties of protein solutions extracted from P. brevitarsis was improved by use of transglutaminase (TG) as a cross-linking agent. After various incubation times (10, 20, 30, 60, and 90 min) with TG, the protein solutions were assessed with regard to their amino acid composition, protein nutritional quality, pH, color (yellowness), molecular weight distribution, thermal stability, foam ability (capacity and stability), and emulsion ability (capacity and stability). Incubation with TG changed the amino acid composition of the proteins and shifted the molecular weight distribution towards higher values, while improving the rest of the aforementioned properties. Since the incubation time for 90 min decreased the protein functionality, the optimum incubation time for cross-linking protein with TG will be 60 min. The application of TG to edible insect proteins ultimately increase its functionality and allow for development of novel insect processing technology. Finally, the replacement of conventional protein supply has been studied in the context of continuous population growth and the consequent environmental problems. Among protein substitutes, edible insects have gained relevance due to their high breeding efficiency. This study was conducted to estimate the effect of the partial replacement of porcine myofibril protein (PP) with protein extracted from P. brevitarsis (IP) in protein-containing solutions and gels. The protein concentration was regulated at 30% and 1% for gels and solutions, respectively; replacement percentages increased by 20%. Gels containing IP showed a lower viscosity and thermal stability; the texture and shape of the gels were negatively impacted as the replacement percentage increased. Therefore, heating is not an appropriate method to induce the gelation of IP containing solutions. However, the replacement of PP with IP increased the foaming capacity and emulsifying capacity in solutions. In conclusion, this study showed that the partial replacement of PP with IP impacts positively on protein solutions but impairs their gelation. In conclusion, the improvement of functional properties of edible insect proteins and the replacement effect of pork protein by insect protein was verified. These studies could improve the use of edible insects as new protein resources.
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