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문제 정의
- 본 연구에서는 연구실 규모와 산업화 적용의 중간 단계로 알칼리 처리 방법으로 어육 단백질을 회수하기 위한 최적의 단위 공정의 조건과 회수한 단백질의 수율 및 가열 젤의 특성을 조사하였다.
가설 설정
- 이 같은 결과는 본 연구에 사용한 산업용 균질기의 대단위 공정사용 가능성을 보여주고 있다. 한편 소 심장육에서 단백질을 추출할 때 12,500 rpm 이하의 균질화 속도는 충분한 양의 단백 질을 추출하지 못하며, 15,000 rpm 이상의 속도에서는 과량의 거품을 발생시켜 단백질을 변성시키기 때문에 15,000 rpm에서 30초가 적당하고(16), 산업용 균질기를 사용한 닭가슴살의 균질화는 근기질 단백질에 의해 많은 방해를 받는다고 한 점(17)에 미루어 본 연구에 사용한 균질기를 이용한 축육의 마쇄는 한계가 있을 것으로 추정하였다.
제안 방법
- Punch test는 Okada의 방법(10)에 따라 실린형의 시료 위에 지름 5 mm의 구형 plunger를 장착하고 60 mm/min의 속도로 올리면서 Rheometer(model CR-100D, Sun Scientific Co, Tokyo, Japan)로 파괴강도(g)와 변형 값(mm)를 측정하였다. 가열 젤 표면의 CIE Lab color는 색차계(ZE-2000, Nippon Denshoku, Tokyo, Japan)로 측정하여 백색도는 L*-3b*로 계산하였다(11).
- 9×20 cm) 에 충진한 후, 90℃의 수조에서 15분 동안 가열한 후 0℃의 얼음물에서 15분 동안 냉각하였다. 냉각시킨 가열 젤은 하룻밤 냉장 보관한 후 물성 측정에 사용하였으며, 물성 측정 전에 실온에서 1시간 동안 방치하여 온도 평행을 이루도록 하였다.
- 산업용 균질기의 균질화 속도에 따른 단백질의 용해도를 측정하기 위해 산업용 균질기의 속도 조절기를 5, 6, 7, 8, 9로 조정하여 원료어를 균질화하고, pH 11.0으로 조절한 후 현탁물을 원심분리하여 상층액의 단백질 농도를 측정하였다(Fig. 1). 단백질 농도는 set 9에서 가장 높았으나, set 5에서 9까지 유의적인 차이는 보이지 않았다.
- 식품급 HCl과 NaOH를 대체할 수 있는 pH 조절제를 조사할 목적으로 citric acid, sodium phosphate(tribasic) 및 calcium oxide를 농도별로 첨가하여 깡치 단백질의 용해도 미치는 영향을 측정하였다(Fig. 4). 5 mM의 citric acid 농도에서 균질 단백질의 pH는 5.
- 알칼리 처리 공정 중 pH 5.0~5.5에서 어육 단백 질을 침전시켜 회수하는 과정에서 발생하는 폐수의 고형분, 총질소함량 및 화학적 산소 요구량을 측정하여 수세 공정에서 발생하는 폐수와 비교하였다(Table 3). 수세 공정 에서 발생하는 수세수의 고형분 함량은 pilot 규모에 비하여 1/10 정도였으나, 총질소 함량과 화학적 산소요구량은 각각 2배와 150배로 알칼리 공정이 수세 공정에 비하여 폐수의 유기물 저감 효과가 우수함을 확인하였다.
- 알칼리 처리 공정에 따라 pH 11.0으로 조절한 용해 단백질에 1, 5, 10 및 20 mM이 되도록 CaCl2 용액을 첨가하여 잘 혼합한 후 원심관에 20 mL를 분취하고 원심분리(5,000×g, 10,000×g)하였다. 원심분리 후 상층액에 있는 지방을 여과지(Toyo No.
- 0으로 조절한 용해 단백질에 1, 5, 10 및 20 mM이 되도록 CaCl2 용액을 첨가하여 잘 혼합한 후 원심관에 20 mL를 분취하고 원심분리(5,000×g, 10,000×g)하였다. 원심분리 후 상층액에 있는 지방을 여과지(Toyo No.2)에 모으고 105℃에서 12시간 건조하여 지방의 중량을 측정하였다.
- 용해한 단백질은 연속식 원심분리기로 7,500 rpm에서 원심 분리하여 회수하고, 뼈, 비늘 등의 미용해 물질은 잔사로 제거하였다. 회수한 용해 단백 질에 6 N HCl을 첨가하여 pH를 5.0~5.5로 조절하여 30분 동안 단백질을 침전시킨 후, 연속식 원심분리기로 7,500 rpm에서 원심 분리하여 침전한 단백질을 회수하고, 회수한 침전 단백질에 냉동변성방지제 (5% sorbitol, 4% sucrose, 0.3% polyphosphate)를 첨가하여 -20℃의 동결고에 보관하면서 단백질 특성 측정을 위한 시료로 사용하였다. 어육 단백질의 회수를 위한 산처리 공정은 단백질 용해를 위해 pH 2.
대상 데이터
- 사용하였다. 깡치 (Johnius grypotus; 체장, 11.5±0.4 cm; 체중, 17.6±2.4 g) 는 부산시 소재 공동 어시장에서 구매하여 연구실로 운반하고 -20℃의 동결고에 저장하면서 실험에 사용하였다. 냉동 보관한 깡치 20 kg을 수돗물에서 하룻밤 해동시킨 후 두부와 내장을 제거하고 수도수로 2회 세척한 다음 단백질 회수를 위한 시료로 사용하였다.
- 4 g) 는 부산시 소재 공동 어시장에서 구매하여 연구실로 운반하고 -20℃의 동결고에 저장하면서 실험에 사용하였다. 냉동 보관한 깡치 20 kg을 수돗물에서 하룻밤 해동시킨 후 두부와 내장을 제거하고 수도수로 2회 세척한 다음 단백질 회수를 위한 시료로 사용하였다. 해동한 깡치의 평균 수분 함량과 조단백질 함량은 각각 76.
- 단백질 회수 공정에 따른 수율을 얻기 위해 냉동 부세, 냉동 꼬마민어, 냉동 백조기, 냉동 깡치(크기가 작아서 식용으로는 사용하기 어려운 작은 민태), 망치 고등어 및 전갱이의 6종 어류를 사용하였으며, pilot 알칼리 공정의 최적화와 회수단백질의 특성 실험을 위해 냉동 깡치를 사용하였다. 깡치 (Johnius grypotus; 체장, 11.
데이터처리
- 표준편차와 유의성 검정은 통계프로그램인 JMP를 사용하여 oneway ANOVA와 Tukey-Kramer HSD로 각각 실시하였으며(13), 유의차는 p<0.05 수준에서 검토하였다.
이론/모형
- 보수력은 Kocher와 Foegeding 의 방법 (12)에 따라 시료를 보관할 수 있는 0.20 μm nylon filter와 유리한 물을 모을 수 있는 1.5 mL의 micro-centrifuge 여과 tube를 사용하였다. 가열 젤을 잘게 자르고 약 0.
- 451×g, 10분). 원심분리하여 얻은 상층액의단백질 농도는 Biuret 법(9)에 따라 측정하였으며, bovine serum albumin으로 작성한 표준곡선에 따라 단백질 농도를 계산하였다.
- 회수 단백질의 수분 함량은 적외선 수분 측정기 (FD-600, Kett Electric Lab, Tokyo, Japan)로 측정하였고, 조단백질 함량은 semi-micro Kjeldahl 법(8)으로 측정하였다. 수율은 처리 단계별로 회수한 단백질의 고형물 함량을 원료어 및 마쇄육에 대한 중량비로 표시하였다.
성능/효과
- 침전하였다. Citric acid와 sodium phosphate는 pH 조절을 위해 각각 식품급 HCl 과 NaOH 를 대체할 수 있지만, 잔여 citric acid는 냄새에 영향을 미치고 sodium phosphate는 가열 젤 1 g 당 0.09 g이 잔존하는 것으로 나타나 식품위생법상의 허용 기준인 0.9%와 일치하여 허용 기준을 초과할 가능성이 큰 것으로 나타났다. 그리고 citric acid와 sodium phosphate를 pH 조절제로 사용하여 알칼리 처리 공정에 따라 회수한 단백질 가열 젤의 파괴강도와 변형 값은 수분 함량 78%에서 30.
- Pilot 공정으로 회수한 어육 단백질의 파괴강도와 변형값은 수분 함량 78%에서 224.4±5.1 g과 7.46±0.30 mm로나타나 3회 수세하여 회수한 백조기 어육 단백질 가열 젤의 파괴강도 값 92.4±5.6 g(7)에 비하여 2배 이상 높은 것으로 나타났다(Table 2). 이 같은 결과는 백조기 단백질은 pH 10.
- 5). Sodium phosphates는 농도가 증가함에 따라 단백질의 농도도 증가하는 경향을 보였으나 25 mM 이후의 농도에서는 감소하는 경향을 보였다. 이 같은 결과는 sodium phosphate 농도의 증가는 이온강도의 증가를 초래하여 알칼리 pH에서 용해도를 감소시키기 때문인 것으로 추정된다.
- 가열 젤의 명도와 백색도는 염과 전분 및 소혈장 단백질을 첨가했을 때 증가하였으며, 염만을 첨가했을 때 명도 및 백색도가 다소 높았다(Table 2). 이 같은 결과는 염이 빛의 산란을 증가시키고 전분의 백색이 회수 단백질의 황색도를 감소시키기 때문인 것으로 추정된다.
- 균질기의 속도를 set 9로 고정하고 균질화 시간에 따른 단백질의 용해도를 측정한 결과(Fig. 2), 5분에서 가장 높은 단백질 용해도를 보였고 균질 시간이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 그리고 20분 동안 균질화했을 때는 마찰열로 인하여 타는 냄새가 확인되었다.
- 8%였다. 균질화 속도와 시간은 3,000 rpm에서 5분이 가장 적당하였으며, 용해 단백질의 회수는 4,000 rpm 이상, 침전 단백질의 회수는 2,000 rpm 이상의 원심속도가 적당하였다. pH 조절제로서 citric acid, sodium phosphate (tribasic) 및 calcium oxide는 pH 조절 효과는 있으나, 회수단백질 가열 젤의 물성을 현저히 감소시켰다.
- 3%에 해당하였다. 그리고 2%의 소금, 4%의 감자전분 및 5%의 소혈장 단백질을 첨가한 가열 젤의 파괴강도와 변형 값은 각각 179.4±5.7 g과 5.64±0.57 mm로서 회수단백질만을 사용한 가열 젤의 파괴강도와 변형 값에 비하여 낮았으나, 변형 값은 2%의 소금을 포함하는 가열 젤과 유의적인 차이를 보이지 않았다. 이 같은 결과는 알칼리 처리하여 회수한 어육 단백질 가열 젤의 파괴강도는 염을 첨가함에 따라 감소한다는 보고(7)와 일치하였으며, 2% 소금만을 사용한 가열 젤에 비하여 전분과 소혈청 단백질을 첨가한 젤의 파괴강도가 증가한 것은 전분과 소혈청 단백질의 영향 때문이다.
- 단백질 회수에 미치는 연속원심분리기 회전 속도의 영향을 측정한 결과(Fig. 3), pH 11.0에서 용해한 단백질의 농도는 4,000 rpm 이상의 속도에서는 유의적인 차이를 보이지 않았고, pH 5.5에서 침전시킨 후 단백질을 회수하는 과정에서 발생하는 상층액의 단백질 농도는 2,000 rpm 이상에서는 유의적인 차이를 보이지 않았다. 실험의 결과는 알칼리 pH에서 용해한 단백질의 회수를 위해서는 4,000 rpm 이상, 침전 단백질의 회수를 위해서는 2,000 rpm 이상의 원심력이 필요함을 제시하고 있다.
- 그러나 근형질 단백질과 비단백태 질소 화합물을 제거하고 근원섬유 단백질만을 회수하기 때문에 수율은 어체 중량의 25~28% 수준이다(2). 산 및 알칼리 pH에서 어육 단백질을 용해하고 등전점침전을 통해 회수하는 새로운 어육 단백질 회수 공정은 31~33%의 높은 수율을 나타낼 뿐 아니라(3), 냉동어류 및 적색육 어류의 단백질 회수에 성공적으로 적용할 수 있었다 (4,5). 그리고 알칼리 공정을 이용하여 축육에서 회수한 단백질의 가열 젤도 높은 파괴강도와 변형 값을 가진다(6).
- 5에서 어육 단백 질을 침전시켜 회수하는 과정에서 발생하는 폐수의 고형분, 총질소함량 및 화학적 산소 요구량을 측정하여 수세 공정에서 발생하는 폐수와 비교하였다(Table 3). 수세 공정 에서 발생하는 수세수의 고형분 함량은 pilot 규모에 비하여 1/10 정도였으나, 총질소 함량과 화학적 산소요구량은 각각 2배와 150배로 알칼리 공정이 수세 공정에 비하여 폐수의 유기물 저감 효과가 우수함을 확인하였다. 냉동 수리미 혹은 어육 연제품 제조업에서 배출하는 폐수의 BOD 값은 냉동 수리미 제조업이 가장 많은 1,000~7,000 ppm이고, 선어와 냉동 수리미를 사용하는 연제품 제조업체는 100~5,000 ppm의 폐수를 방출하여 어체의 세정, 수세 및 탈수 공정 중에 다량의 농후한 폐수가 발생한다(19).
-
회수단백질의 수율
수세 공정으로 회수한 단백질의 회수율은 전어체에 대하여 20.2~30.7%였으며, 연구실 규모의 알칼리 공정으로 회수한 단백질의 회수율은 27.7~32.7%로서 수세공정에 비하여 대체로 2.0~10.4%까지 증가하였다(Table 1). 특히 깡치에서 알칼리 공정으로 회수한 단백질의 수율은 수세공정에 비하여 10.
- 한다. 알칼리 pH에서 어육 단백질을 용해하는 공정 중에 CaCl2를 첨가하여 상층에 부유하는 지질의 함량을 측정한 결과(Fig. 6), 5 mM의 CaCl2 농도에서 지질의 제거 효과가 가장 큰 것으로 나타났으며, 10,000 ×g의 원심력에 비하여 5,000×g의 원심력이 효과적으로 지질을 제거하였고, 지질의 제거 효과는 원심력과 상관이 있는 것으로 나타났다.
- pH 조절제로서 citric acid, sodium phosphate (tribasic) 및 calcium oxide는 pH 조절 효과는 있으나, 회수단백질 가열 젤의 물성을 현저히 감소시켰다. 알칼리 pilot 공정으로 회수한 단백질 가열 젤의 파괴강도와 변형 값은 수세 공정으로 회수한 단백질의 가열 젤에 비하여 우수하였고, 소금, 전분 및 소혈청 단백질의 첨가는 파괴강도와 변형 값을 감소시켰다. 백색도는 수세 공정으로 회수한 단백질에 비하여 낮았다.
- 알칼리 처리에 의한 어육 단백질의 회수 공정은 수세공정에 비하여 폐수의 오염부하량을 현저히 감소시켰다. 이 같은 결과는 어육 단백질 회수를 위해 산업적 규모로 알칼리 공정을 적용할 수 있으며, 특히 수산 가공품의 중간 소재로 활용하기 위한 적색육 및 냉동 어육 단백질의 회수에 적절할 것으로 판단하였다.
- 4%까지 증가하였다(Table 1). 특히 깡치에서 알칼리 공정으로 회수한 단백질의 수율은 수세공정에 비하여 10.4% 증가하였으며, pilot 알칼리 공정을 적용한 경우는 13.0%까지 증가하였다. 알칼리 공정에서 수율이 증가한 것은 근형질 단백질과 비근육 단백태 질소성분의 회수에 기인한 것으로 추정된다.
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