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문제 정의
- 따라서 본 고에서는 앞으로 나노기술을 유가공산업에 적용하여 부가가치를 향상시키는 기능성 유제품의 발전에 밑거름이 되기를 바라는 의미에서, 최근에 수행된 우유 및 유제품에 나노 및 미세캡슐 기능성 물질의 적용에 대한 연구결과를 고찰하고자 한다.
- 지금까지 캡슐화 기술을 이용하여 기능성 물질과 영양소를 우유 및 유제품에 접목시켜 기능성 제품의 개발이 가능하도록 연구한 결과를 정리해 보았다. 본고에서 언급한 캡슐화 연구의 내용은 기능성 제품의 극히 일부이며, 단지 캡슐화 기술이 기능성 유제품의 개발에 적용 가능하다는 것을 시사한 수준에 불과하다고 생각된다.
제안 방법
- 최근 우유 및 유제품에서 콜레스테롤을 제거하는 기능성 제품의 개발 연구에 관심이 집중되고 있으며, 이 연구의 하나로 0-cyclodextrin에 의한 콜레스테롤 제거가 90% 이상 가능하게 되었으나, 우유의 지방산 중 lauric, myristic, palmitic acids 가 약 40 % 포함되어 있는데, 이 산들이 혈중 콜레스테롤을 증가시키기 때문에 제품의 콜레스테롤 제거만으로는 혈중 콜레스테롤을 저하시키지 못한다. 그래서 이소플라본을 우유에 적용시켜서 혈중 콜레스테롤의 저하 효과를 위한 연구를 수행하였는데, 우선 이소플라본이 이취와 색깔의 문제가 있어서 캡슐화를 하였다. 코팅제를 MCT로 하여 이소플라본과비율이 15:1일 때 캡슐의 수율이 70% 나왔으며, 캡슐의 크기는 2~5um로 되어 우유에 첨가가 적당하였다.
- 우유에 강화하기 위하여 캡슐화한 철분과 비타민 C를 요구르트에 강화하여 저장기간에 캡슐화의 효과를 관찰하였다. 우선 요구르트의 pH가 4.
- 철분과 비타민 C의 캡슐을 체다치즈에도 강화하여 숙성 중에 변화하는 이화학적 및 관능검사를 하였다. 7 ℃ 에서 7개월 동안 숙성하면서 체다치즈의 TBA를 측정한 결과 캡슐하지 않은 철분의 강화 때는 TBA 가가 매우 높게 나타났지만 캡슐 첨가 때는 대조군과 거의 동일하였고, 중요한 향미성분인 short-chain fatty acid의 생성에서도 거의 동일하였다.
대상 데이터
- 그리고 위의 연구결과를 이용하여 비타민 C가 철분의 생이용성 증진에 얼마나 효과적인지를 관찰하기 위하여 나노캡슐 비타민 C를 첨가한 철분 강화우유를 20~25세의 여대생 15명에게 실시한 실험의 결과는 Table 2에서와 같다.(1) Serum iron(SI)이 체내에서 캡슐하지 않은 철분을 섭취했을 때 대조군에 비해 14%, 캡슐한 철분이 30%, 캡슐한 철분과 캡 슐한 비 타민 C에서 53%나 증가되었다.
성능/효과
- 결과는 Table 2에서와 같다.(1) Serum iron(SI)이 체내에서 캡슐하지 않은 철분을 섭취했을 때 대조군에 비해 14%, 캡슐한 철분이 30%, 캡슐한 철분과 캡 슐한 비 타민 C에서 53%나 증가되었다. 그리고 TIBC (total iron binding capacity)는 transferrin 에 내재되어 있는 free iron binding site의 수와 관련된 것으로 철분 결핍 시 TIBC가 빠르게 증가하고 철분 섭취의 수치가 비례적으로 감소하는데, 대조군에 서 의 수치를 100%로 할 때 캡 슐하지 않은 철분 첨가시 90 %, 캡슐철분에서 85 %, 캡슐 철분과 캡슐 비타민 C 첨가 시 70%로 감소하였다.
- 하였다. 7 ℃ 에서 7개월 동안 숙성하면서 체다치즈의 TBA를 측정한 결과 캡슐하지 않은 철분의 강화 때는 TBA 가가 매우 높게 나타났지만 캡슐 첨가 때는 대조군과 거의 동일하였고, 중요한 향미성분인 short-chain fatty acid의 생성에서도 거의 동일하였다. 또한 향미 성분의 생성에서도 양호하였으며(Table 4), 이미, 이취 등 관능검사와 조직에서도 이상 현상이 관찰되지 않아 캡슐화 철분과 비타민 C를 체다치즈에 강화가 가능한 것으로 관찰되었다.
- 5). 관능검사 결과에서는 control 과 매우 유사한 결과가 나왔으며, 일반적으로 철분의 생이용 도는 매우 낮아서 비햄철의 경우에 10% 정도인데, 캡슐화할 경우에는 30%로 향상되어 철분을 우유에 강화하기에 적합한 결과가 관찰되었다. 결과적으로 우유와 유제품에 철분을 강화할 수 있는 기술이 확립되어 빈혈 예방과 치유에 도움이 될 수 있게 되었으며, 이 기술을 다른 식품, 의약품, 동물사료 등에 응용이 가능할 것이다.
- 그리고 키토올리고당은 키틴과 키토산보다 식품에 이용하기에 좋은 형태로 개선되었지만, 우유에 적용하기에는 색깔, 점도, 이미, 이취의 단점이 있기 때문에 이를 캡슐화 할 필요가있다. 그래서 캡슐화 연구를 하여 관찰된 결과를 살펴보면”), PGMS와 키토올리고당의 비율을 10: 1로 했을 때 88%의 수율이 나왔고, 캡슐의 크기 범위는 50~20Oun로 비교적 크게 나타났다(Fig. 10). 이와 같은 결과는 이 당의 높은 점성 때문인 것으로 예측된다.
- (1) Serum iron(SI)이 체내에서 캡슐하지 않은 철분을 섭취했을 때 대조군에 비해 14%, 캡슐한 철분이 30%, 캡슐한 철분과 캡 슐한 비 타민 C에서 53%나 증가되었다. 그리고 TIBC (total iron binding capacity)는 transferrin 에 내재되어 있는 free iron binding site의 수와 관련된 것으로 철분 결핍 시 TIBC가 빠르게 증가하고 철분 섭취의 수치가 비례적으로 감소하는데, 대조군에 서 의 수치를 100%로 할 때 캡 슐하지 않은 철분 첨가시 90 %, 캡슐철분에서 85 %, 캡슐 철분과 캡슐 비타민 C 첨가 시 70%로 감소하였다. 또한 TS(transferrin saturation) 측정 에서 TS가 15 % 이 하이면 철분 결핍성 빈혈 단계, 30%면 철분 결핍단계, 35±15%면 정상적인 단계인데, 본 실험에서 control 은 TS가 19%로 철분결핍성 빈혈단계, 캡슐하지 않은 철분강화 시 빈혈이 약간 개선되었으며 캡슐 철분과 캡슐비타민 C 강화시 TS가 40% 이상으로 정상 단계로 회복되었다.
- 알려져 있다. 그리고 이소플라본은 여러 기능이 입증되었는데, 특히 폐경기 여성들이 에스트로겐의 생성이 급격히 감소되어 칼슘을 뼈로 이행시키는 능력이 매우 감소되는데, 이때 에스트로겐을 칼슘이 많은 우유에 첨가하므로써 이 흡수 효과가 가능하고, 또한 에스트로겐은 혈중 콜레스테롤을 저하시키는 기능도 확인이 되었다. 최근 우유 및 유제품에서 콜레스테롤을 제거하는 기능성 제품의 개발 연구에 관심이 집중되고 있으며, 이 연구의 하나로 0-cyclodextrin에 의한 콜레스테롤 제거가 90% 이상 가능하게 되었으나, 우유의 지방산 중 lauric, myristic, palmitic acids 가 약 40 % 포함되어 있는데, 이 산들이 혈중 콜레스테롤을 증가시키기 때문에 제품의 콜레스테롤 제거만으로는 혈중 콜레스테롤을 저하시키지 못한다.
- 그리고 TIBC (total iron binding capacity)는 transferrin 에 내재되어 있는 free iron binding site의 수와 관련된 것으로 철분 결핍 시 TIBC가 빠르게 증가하고 철분 섭취의 수치가 비례적으로 감소하는데, 대조군에 서 의 수치를 100%로 할 때 캡 슐하지 않은 철분 첨가시 90 %, 캡슐철분에서 85 %, 캡슐 철분과 캡슐 비타민 C 첨가 시 70%로 감소하였다. 또한 TS(transferrin saturation) 측정 에서 TS가 15 % 이 하이면 철분 결핍성 빈혈 단계, 30%면 철분 결핍단계, 35±15%면 정상적인 단계인데, 본 실험에서 control 은 TS가 19%로 철분결핍성 빈혈단계, 캡슐하지 않은 철분강화 시 빈혈이 약간 개선되었으며 캡슐 철분과 캡슐비타민 C 강화시 TS가 40% 이상으로 정상 단계로 회복되었다.
- 코팅제를 MCT로 하여 이소플라본과비율이 15:1일 때 캡슐의 수율이 70% 나왔으며, 캡슐의 크기는 2~5um로 되어 우유에 첨가가 적당하였다. 또한 이 시료를 저장 중(12일) 관능검사한 결과, 색깔, 이미, 이취 등이 대조군과 매우 유사하게 나타났으며(Table 5), 저장성 검사에서 3일간 4 ℃ 저장 시 8%의 캡슐이 터졌으며, in vitro 실험에서는 40 분 동안 처리시 낮은 pH(2~5) 범위에서는 4.0-93% 의 이소플라본이 방출되었으나 높은 pH(8)에서는 87.6 %나 방출되어 안정성이 양호하였다.
- 또한 이 시료의 산화도(TBA)의 측정결과 대조군과 그의 동일한 수준으로 낮았으며, 관능검사의 결과 sourness 등 이취가 거의 감지되지 않았다. 그리고 코팅제로 PGMS를 사용한 실험에서도 MCT의 경우와 유사하였다'".
- 그러나 미세캡슐 키토올리고당을 우유에 첨가하여 저장기간 동안의 점도는 대조군과 매우 유사하였으며(Table 7), 색도, 이미, 이취의 문제가 캡슐화로 해결이 되었다. 또한 이 캡슐을 이용한 우유의 저장 동안의 안정성도 양호하였으며, 동물실험의 결과 HDL 콜레스테롤의 증가가 대조군에 비하여 실험군에서 46%의 증가율을 보여 혈중 콜레스테롤 저하의 기능도 효과적인 것으로 관찰되었다.
- 7 ℃ 에서 7개월 동안 숙성하면서 체다치즈의 TBA를 측정한 결과 캡슐하지 않은 철분의 강화 때는 TBA 가가 매우 높게 나타났지만 캡슐 첨가 때는 대조군과 거의 동일하였고, 중요한 향미성분인 short-chain fatty acid의 생성에서도 거의 동일하였다. 또한 향미 성분의 생성에서도 양호하였으며(Table 4), 이미, 이취 등 관능검사와 조직에서도 이상 현상이 관찰되지 않아 캡슐화 철분과 비타민 C를 체다치즈에 강화가 가능한 것으로 관찰되었다.
- 산화도를 위한 TBA 가는 캡슐철분 강화우유는 control과 유사하였으며, in vitro 실험에서 낮은 pH (3~6)에서는 5% 이하의 캡슐이 터졌고, 높은 pH (8)에서는 96% 까지 철분이 방출되어 소화 흡수가 용이하게 되었다(Fig. 5). 관능검사 결과에서는 control 과 매우 유사한 결과가 나왔으며, 일반적으로 철분의 생이용 도는 매우 낮아서 비햄철의 경우에 10% 정도인데, 캡슐화할 경우에는 30%로 향상되어 철분을 우유에 강화하기에 적합한 결과가 관찰되었다.
- 관찰하였다. 우선 요구르트의 pH가 4.2로 되는데 요구되는 발효시간에 영항을 미치지 않았으며, 산화도측정을 위한 TBA에서도 대조군과 비교하여 거의 차이가 없었고, 점도와 관능검사에서도 매우 양호하였다. 그리고 저장기간 동안 유산균 수도 대조군과 차이를 보이지 않았다(Table 3)12).
- 이 효소의 캡슐화 연구에 관하여 살펴보면, macro 캡슐화는 가능한 것으로 나타났지만, 제품의 가치가 높지 못한 결점이 있기 때문에, 최근에 micro 캡슐화 연구가 심도 있게 수행되었다. 이 연구의 결과 지방산 ester가 코팅제로 효과적이었으며, polyglycerol monostearate(PGMS) 와 medium-chain tri- acylglycerol (MCT) 이 침전 방지, 저장성, 안정성, 관능적 특성 등에서 매우 양호하였다 이렇게 수행된 효소의 미세 캡슐은 우유의 가공 과정 중 열처리 이전에 첨가 시 캡슐이 깨지기 때문에 살균 후에 적용해야 하므로 이 캡슐을 비열처리 방법인 오존이 가장 효과적인 것으로 관찰되었으며, 이 미세 캡슐 제조시 밖에 남아있는 효소의 불활성화를 실험한 결과, 오존처리의 최적조건으로 오존농도를 10 ppm으로 10 분간 처리 시 90%가 불활성화 되었으며, 캡슐된 효소의 활성도는 오존농도 10ppm, 10분 처리 시 약 70%의 활성도를 유지하였다(Fig. 3).
- 이와 같은 문제를 해결하려는 연구가 최근에 집중적으로 수행되었는데, 이에 관련된 기술은 유당 분해효소의 연구에서와 같이, 철분을 캡슐화 하는 것이다. 이 연구의 결과를 살펴보면, 코팅제로 PGMS, 핵심물질로 ferric ammonium sulfhte를 사용하여 5:1의 비율로 하였을 때, 캡슐 크기는 평균 5 iim 였으며(Fig. 4), 캡슐의 수율이 70%였고, 증류수에 첨가하여 4 ℃에서 저장 3일에 12%의 철분이 방출되었다.
- 이상에서와 같이 유당 분해효소를 미세 캡슐 하여 우유에 적용하는 것이 가능한 것으로 판명되었다. 그리고 인체실험에 대한 연구는 조만간에 진행될 예정이며, 유당 분해효소의 nano 캡슐화 연구는 현재 진행 중이다.
- 이소플라본이 혈중 콜레스테롤을 저하시키는지에 관한 동물실험(Table 6)에서 혈중 콜레스테롤 총 함량은 실험군이 대조군에 비하여 50% 정도로 생성이감소되었으며, 총 지방량의 생성에서도 대조군에서는 20% 증가하였으나 실험군에서는 4% 정도 감소하는 경향을 보여 전체적으로 혈중 콜레스테롤을 저하하는 기능이 관찰되었다'2 그래서 이소플라본을 미세캡슐 하여 콜레스테롤 제거 우유에 첨가하여 제조한 제품이 기능성 우유로서의 가치가 있을 것으로 기대된다. 그리고 이 물질이 첨가된 우유의 골다공증 예방에 대한 연구는 진행 중이다.
- 그래서 여러 가지 해결되지 못한 문제들을 해결하고 또한 체내에서 철의 생이용도를 증가시키는 기술이 캡슐화이며, 최근에 이에 관한 연구가 집중적으로 수행되었는데, 그 결과를 알아보면 다음과 같다. 캡슐화 실험에서는 MCT와 비타민 C를 15:1의 비율로 했을 때 캡슐의 수율이 95%로 매우 높았고, 캡슐의 크기는 40~80nm로 매우 작았다(Fig. 6). 그리고 이 비타민 C 나노캡슐을 우유에 첨가하여 12 일 동안 저장시 안정성 실험에서 비타민 C의 방출이 증가되어 12일에는 8% 정도로 소량이 관찰되었다(Fig.
- 그래서 이소플라본을 우유에 적용시켜서 혈중 콜레스테롤의 저하 효과를 위한 연구를 수행하였는데, 우선 이소플라본이 이취와 색깔의 문제가 있어서 캡슐화를 하였다. 코팅제를 MCT로 하여 이소플라본과비율이 15:1일 때 캡슐의 수율이 70% 나왔으며, 캡슐의 크기는 2~5um로 되어 우유에 첨가가 적당하였다. 또한 이 시료를 저장 중(12일) 관능검사한 결과, 색깔, 이미, 이취 등이 대조군과 매우 유사하게 나타났으며(Table 5), 저장성 검사에서 3일간 4 ℃ 저장 시 8%의 캡슐이 터졌으며, in vitro 실험에서는 40 분 동안 처리시 낮은 pH(2~5) 범위에서는 4.
후속연구
- 관능검사 결과에서는 control 과 매우 유사한 결과가 나왔으며, 일반적으로 철분의 생이용 도는 매우 낮아서 비햄철의 경우에 10% 정도인데, 캡슐화할 경우에는 30%로 향상되어 철분을 우유에 강화하기에 적합한 결과가 관찰되었다. 결과적으로 우유와 유제품에 철분을 강화할 수 있는 기술이 확립되어 빈혈 예방과 치유에 도움이 될 수 있게 되었으며, 이 기술을 다른 식품, 의약품, 동물사료 등에 응용이 가능할 것이다.
- 본고에서 언급한 캡슐화 연구의 내용은 기능성 제품의 극히 일부이며, 단지 캡슐화 기술이 기능성 유제품의 개발에 적용 가능하다는 것을 시사한 수준에 불과하다고 생각된다. 앞으로는 나노기술에 더 다양한 기능성 물질을 응용하여 기능성 유제품의 발전에 기여될 수 있을 것으로 기대되며, 캡슐화 기술뿐만 아니라 나노 분체화를 이용하여 다양한 기능성이 부여된 기능성 물질이 개발될 수 있고, 식품첨가물이 아닌 물질에서도 새로운 기능성이 발견되어 기능성 식품의 발전이 가속화 될 가능성도 있을 것이다. 머지 않은 장래에는 기능성 식품이 나노식품(nanofood)으로 발전될 것으로 예측된다.
- 앞으로도 유제품의 연구에 나노기술이 융합된다면 기능적인 면에서 부가가치가 향상된 기능성 제품 시대가 되어, 유가공 산업과 낙농산업의 발전에 전기를 마련할 수 있을 것이고, 또한 인류에게 건강하게 장수할 수 있도록 기여할 것으로 기대되며, 이 작은 연구 결과들이 기능성 유제품의 연구에 도움이 되기를 바라는 마음이다.
- 위의 실험에서와 같이 키토올리고당을 캡슐화 하므로써 콜레스테롤 제거 우유에 적용시켜 기능성 우유의 개발이 또한 가능할 것으로 기대된다.
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