Rice bran proteins from different cultivars(Youngan, Sindongjin, Suwon 511) were extracted with Xylanase using orthogonal analysis method and their functional properties were investigated. The optimum extraction conditions, based on protein content in the extract found to be at 1 wt% xylanase, pH 7 ...
Rice bran proteins from different cultivars(Youngan, Sindongjin, Suwon 511) were extracted with Xylanase using orthogonal analysis method and their functional properties were investigated. The optimum extraction conditions, based on protein content in the extract found to be at 1 wt% xylanase, pH 7 and 50:1, solvent to rice bran ratio(v/w %). Nitrogen solubility indices(NSI) of rice bran protein concentrates were shown a minimum value at pH 4 ranged 2~23%, varied with different cultivars and a maximum (NSI${\geq}$90% for all cultivars) at pH 10. As for water adsorption and fat adsorption capacity, rice bran protein concentrates were shown to be better than Na-caseinate and isolated soy protein, respectively. Emulsifying activities were observed high in order of Na-caseinate>Youngan rice bran protein>Shindongjin rice bran protein>Suwon 511 rice bran protein>isolated soy protein. In general, the surface tension of rice bran protein solution($10^{-3}$ wt%, 5 mM bis-tris, pH 7) was increased with increasing concentrations and found a minimum value near pI. On heating, it was decreased slightly with increasing temperatures up to $70^{\circ}C$ and then increased above $80^{\circ}C$. Addition of sodium chloride was made the surface tension decrease. In conclusion, with Xylanase, rice bran protein concentrate can be successfully extracted from the rice bran of different cultivars and the Youngan rice bran protein was thought to have best functionality among rice cultivars tested. It might be used as a milk protein substitute.
Rice bran proteins from different cultivars(Youngan, Sindongjin, Suwon 511) were extracted with Xylanase using orthogonal analysis method and their functional properties were investigated. The optimum extraction conditions, based on protein content in the extract found to be at 1 wt% xylanase, pH 7 and 50:1, solvent to rice bran ratio(v/w %). Nitrogen solubility indices(NSI) of rice bran protein concentrates were shown a minimum value at pH 4 ranged 2~23%, varied with different cultivars and a maximum (NSI${\geq}$90% for all cultivars) at pH 10. As for water adsorption and fat adsorption capacity, rice bran protein concentrates were shown to be better than Na-caseinate and isolated soy protein, respectively. Emulsifying activities were observed high in order of Na-caseinate>Youngan rice bran protein>Shindongjin rice bran protein>Suwon 511 rice bran protein>isolated soy protein. In general, the surface tension of rice bran protein solution($10^{-3}$ wt%, 5 mM bis-tris, pH 7) was increased with increasing concentrations and found a minimum value near pI. On heating, it was decreased slightly with increasing temperatures up to $70^{\circ}C$ and then increased above $80^{\circ}C$. Addition of sodium chloride was made the surface tension decrease. In conclusion, with Xylanase, rice bran protein concentrate can be successfully extracted from the rice bran of different cultivars and the Youngan rice bran protein was thought to have best functionality among rice cultivars tested. It might be used as a milk protein substitute.
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문제 정의
벼의 도정과정 중 부산물로 얻어지는 미강은 우수한 생리기능성을 갖는 단백질이 다량 함유되어 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 미강 단백질은 추출의 어려움으로 인하여 그 이용성이 제한되었으며, 본 연구를 통하여 용이한 추출공정을 개발하고 이를 식품 소재화 하여, 미강의 고부가가치화를 달성하고자 하였다.
따라서 본 연구를 통하여 여러 품종의 국내산 미강으로부터 쌀 단백질을 분리·제조하고, 이를 기존의 우유단백질을 대체할 수 있는 가능성(유화기능성) 여부를 평가하기 위한 기초자료를 확보하고자 한다.
본 실험에서는 효소(xylanase)를 이용하여 각각 다른 품종의 미강으로 부터 쌀단백질 농축물을 추출할 수 있는 공정을 개발하였다. 적합한 추출 조건 설정을 위하여 직교계획법을 사용하였으며, 추출된 쌀단백질 농축물에 대하여 여러 가지 이화학적 측면에서 단백질의 기능성을 평가하였다.
'Kinsella와 Pearce(1978)'의 Turbidimetric method를 변형하여 측정하였다. 0.1wt% SDS 수용액 2000mL에 쌀단백질 농축물, 카제인나크륨 혹은 분리대두단백 유화액(단백질 1.1 wt%, n-tetradecane 10 wt%, 20 mM bis-tris, pH7) 1mL를 첨가한 후 분광광도계(UV120-02, Shimadzu Co., Japan)를 이용하여 500㎚에서 흡광도를 측정하였다.
Fig. 2에 나타난 바와 같이 쌀단백질 추출에 적합한 효소를 선정하기 위하여 추출시료의 pH를 변화하여 효소별로 처리하고, 추출물 중의 단백질 함량을 조사하였다(효소 첨가량 : 1 wt%). 그 결과 사용한 효소 종류에 따라 추출물 중의 단백질 함량은 다르게 나타났으며, xylanase를 사용하였을 때 단백질 함량이 가장 높았고, phytase, amylase+protease의 순으로 나타났다.
가수비율의 변화에 따른 쌀단백질 농축물 중의 단백질 함량 변화를 조사하였다(Fig. 3). 본 실험에 사용된 효소는 xylanase(1 wt%, pH 7)이었으며, 그 결과 가수비율이 증가할수록(20배→50배) 추출물 중 단백질 함량은 증가하는 경향을 나타내었다(56.
단백질 수용액의 온도 변화(60→90℃)에 따른 표면장력 변화를 관찰하기 위해 쌀단백질 수용액 시료를 각각의 온도에서 30분간 열처리한 후 표면장력 변화를 조사하였다(단백질 농도 : 10-3 wt%).
단백질 유화액은 ‘Hong (1996)’등의 방법을 변형하여 제조하였다.
1g의 쌀단백질 농축물을 10mL 시험관에 넣고 증류수 5mL 넣고 vortex mixer로 잘 교반한 후 원심분리(500×ɡ, 20 min)하였다. 상등액을 완전히 제거한 후 하등액의 무게를 측정하여 이를 수분흡수도로 하였으며, 지방흡수도는 같은 방법으로 증류수 대신 시판 대두유를 넣어 지방흡수도를 측정하였다.
쌀단백질 농축물 수용액의 단백질 농도(10-5~0.1 wt%), 온도(60∼90℃), pH(pH 7~5.0), NaCl(0.01~0.1M) 첨가량 변화에 따른 표면장력(K10ST, KRÜSS GmbH, Germany)의 변화를 조사하였다(5mM bis-tris, pH7, 25℃).
쌀단백질 농축물의 추출 최적조건을 조사하기 위해 직교계획법(orthogonal design)을 이용하였다. 요인변수 3인자(가수비율, 효소첨가량, pH)와 각각의 요인변수에 3개의 구간을 두어 처리하고, 단백질 함량을 독립변수로 하여 최적 조건을 구하였다. Table 1에 나타난 바와 같이 효소 농도의 R-value가 16.
수상으로 완충액(20mM bis-tris, pH 7)에 단백질(쌀단백질 농축물, 카제인나트륨 혹은 분리대두단백)을 첨가하여 용해한 후 유상(기름)으로 n-tetradecane(purity>99 wt%)과 9:1(wt%) 비율로 혼합하였다. 이 혼합물에 대하여 Silverson mixer(L4RT, Silverson machine Ltd., UK)를 사용하여 5000rpm, 2분간 예비 유화한 후 고압균질기(110-Y, Microfluids, U.S.A.)에서 2회 균질(3000 psi)하여 최종 유화액(단백질 1.1 wt%, n-tetradecane 10 wt%, 20 mM bis-tris, pH 7)을 제조하였다.
Xylanase를 사용한 경우 추출물 중의 단백질 함량이 가장 높은 것은 xylanase가 미강의 세포벽 성분들을 제거하여 쌀단백질을 추출 가능한 상태로 변화시켜 유도된 현상으로 사료되었으며 ‘Hettiarachchy 등(2003)’, 또한 중성 부근에서는 사용한 효소의 활성이 높아 단백질 추출에 가장 효율적인 것으로 판단되었다. 이상의 결과를 토대로 하여 이후 추출 실험에 사용된 쌀단백질 농축물 제조용 효소는 xylanase를 이용(pH 7)하였다.
본 실험에서는 효소(xylanase)를 이용하여 각각 다른 품종의 미강으로 부터 쌀단백질 농축물을 추출할 수 있는 공정을 개발하였다. 적합한 추출 조건 설정을 위하여 직교계획법을 사용하였으며, 추출된 쌀단백질 농축물에 대하여 여러 가지 이화학적 측면에서 단백질의 기능성을 평가하였다. 추출에 적합한 조건은 Xylanase 첨가량 1 wt%, pH 7, 가수비율 50:1로 조사되었으며, 이때 시료 중 단백질 함량은 67.
증류수를 이용하여 쌀단백질 농축물 수용액(2.5 wt%)을 만든 후 이를 일정량 취하고 여기에 0.1N-HCl 또는 0.1N-NaOH 를 첨가하여 각 단백질 수용액의 pH를 조정하였다(pH 2, 4, 6, 8, 10, 12). 이 수용액을 shaking water bath(SWB-5030-02, New Power Eng Co.
잔유물에 처음 미강 무게의 3배량 n-hexane을 첨가하여 30분 동안 교반한 후 핵산 층을 제거하고, 이 과정을 3회 반복하였다. 탈지된 미강 중에 남아있는 핵산을 제거하기 위해 후드(Hood)안에서 24시간 동안 방치하였다.
1에 나타내었다. 탈지미강(50g)에 증류수(2,500g)를 넣고 pH 7, 50℃로 조정 후 효소 xylanase(Novo Nordisk A/S, Denmark) 1 wt%를 첨가하여 Ommi Mixer(Omni micro, USA)를 사용하여 교반(4000 rpm, 1hr)하여 단백질을 추출하였다. 추출물 중의 효소를 불활성화 시키기 위하여 pH 10에서 20분간 정치한 후, 원심분리기(RS-206, Tomy Co.
표준체(0.84㎜)를 통과시킨 미강(300g)에 5배 무게의 n-hexane(특급시약) 1,500g을 첨가하고 30분간 교반한 후 핵산 층을 제거하였다. 잔유물에 처음 미강 무게의 3배량 n-hexane을 첨가하여 30분 동안 교반한 후 핵산 층을 제거하고, 이 과정을 3회 반복하였다.
대상 데이터
n-hexane 특급시약, n-tetradecane(purity≫99wt%), bis-tris는 sigma chemicals(USA)에서 구입하여 사용하였다.
본 실험에 사용된 미강은(영안벼, 수원511, 신동진) 농촌진흥청 국립식량과학원 유전육종과에서 지원받아 냉동(-20℃) 보관하여 사용하였고 효소는 Shearzyme Plus(250 FXU-S/g; xylanase), BAN 480L(α-amlyase), Alcalase 2.4L(2.4AU/g; protease), Ronozyme P(L)(phytase)로서 Novo Nordisk A/S(Denmark)社 제품을 사용하였다.
이론/모형
단백질의 수분흡수능 및 지방흡수능은 ‘Quinn와 Paton(1979)’ 및 ‘Thompson 등(1982)’등의 방법을 이용하여 측정하였다.
쌀단백질 농축물의 추출 최적조건을 조사하기 위해 직교계획법(orthogonal design)을 이용하였다. 요인변수 3인자(가수비율, 효소첨가량, pH)와 각각의 요인변수에 3개의 구간을 두어 처리하고, 단백질 함량을 독립변수로 하여 최적 조건을 구하였다.
성능/효과
3mN/m까지 감소하였다. NaCl의 첨가 효과는 단백질 분자 표면의 ion screening effect에 의한 것으로, NaCl 첨가량이 증가할수록 단백질 표면 전하량이 감소하고 따라서 표면으로 이동 농축되는 단백질 양이 증가하게 되며, 이 결과 표면장력은 감소한다.
각 시료의 표면장력은 70℃ 부근에서 다소 낮아지고(수원511 : 52.2→43.5 mN/m), 80→90℃에서 높아지는 경향을 나타내었다(수원511 : 43.5→54.1 mN/m).
쌀단백질 수용액에 소금을 첨가할 경우 첨가 농도의 증가와 더불어 표면장력은 낮아지는 것으로 관찰되었다. 결론적으로 효소 Xylanase 처리를 통하여 미강으로부터 단백질을 용이하게 추출할 수 있었으며, 추출 단백질의 이화학적 기능성을 품종별로 평가한 결과 영안벼 단백질이 가장 우수한 것으로 판단되었다.
2에 나타난 바와 같이 쌀단백질 추출에 적합한 효소를 선정하기 위하여 추출시료의 pH를 변화하여 효소별로 처리하고, 추출물 중의 단백질 함량을 조사하였다(효소 첨가량 : 1 wt%). 그 결과 사용한 효소 종류에 따라 추출물 중의 단백질 함량은 다르게 나타났으며, xylanase를 사용하였을 때 단백질 함량이 가장 높았고, phytase, amylase+protease의 순으로 나타났다. 또한, pH가 증가할수록(pH 7.
그 결과 효소 첨가량이 증가할수록(0.5 → 1.5 wt%) 쌀단백질 농축물 시료 중의 단백질 함량은 증가하는 것으로 관찰되었다(55.7 → 67.1%).
1%). 그리고, 효소농도가 0.1%에서 1.0%로 증가된 경우 단백질 함량이 급격히 상승하다가 효소농도가 1.5%로 증가되었을 때 단백질 함량은 약간 증가하면서 거의 최대치를 보였다. 효소농도가 1.
05). 단백질유화제로 많이 이용되는 대두분리단백질(soy protein isolate), 카제인(sodium caseinate)의 유화활성은 각각 0.0590, 0.3522로 나타나 쌀단백질은 카제인나트륨보다는 열세하지만 대두분리단백에 비해서는 매우 월등하며, 영안벼의 경우 3배 이상 높게 유화활성을 보였다. 'Aoki 등(1981)'에 의하면 단백질의 유화활성은 분자내의 친수성과 소수성 부분이 적절한 균형을 이루어야 하며, 'Shimizu 등(1986)'은 표면소수성(surface hydrophobicity)이 유화활성은 깊게 연관되어 있다고 보고하였다.
또한, pH가 증가할수록(pH 7.0→9.0) 추출물의 단백질 함량은 감소하는 경향을 나타내었다.
본 실험에 사용된 효소는 xylanase(1 wt%, pH 7)이었으며, 그 결과 가수비율이 증가할수록(20배→50배) 추출물 중 단백질 함량은 증가하는 경향을 나타내었다(56.9 → 66.2%).
질소 용해지수는 pH 4에서 최소값을 나타내었고 pH 10에서 질소용해지수가 90% 이상의 높은 값을 보였다. 수분 및 지방흡수능에 있어서 쌀단백질 농축물은 각각 카제인나트륨 및 분리대두단백에 비하여 높게 관찰되었으며, 유화활성은 카제인나트륨에 비하여 낮았으나 분리대두단백에 비하여 높게 나타났고, 쌀단백질 농축물 중 영안벼 미강 단백질이 가장 우수하였다. 쌀단백질 농축물 수용액(10-3 wt%, 5 mM bis-tris, pH 7)의 표면장력은 단백질 농도가 증가함에 따라 낮아졌으며, 등전점 부근에서 최소값을 나타내었다.
수분 흡수능은 분리대두단백이 가장 높게 나타났으며(7.2±0.1), 쌀단백질 농축물이 4.1~4.9의 범위에 있었고, 카제인나트륨이 가장 낮은 2.65±0.1로 조사되었다(Table 2).
전반적으로 pH 변화에 따른 표면장력 변화는 품종별로 다소 다르게 나타났다. 수원511과 신동진은 pH 5.8에서 가장 낮은 표면장력을 나타내었으며(수원511 : 48.7 mN/m, 신동진 :49.7 mN/m), 영안벼는 pH 6.6에서 가장 낮은 값을 나타내었다(50.2 mN/m). 등전점에서 단백질 분자의 표면 전하(surface potential)는 '0'에 근접하며 단백질 분자간의 정전기적 반발력이 최소로 된다.
쌀단백질 농축물 수용액(단백질 농도 : 10-3 wt%)에 NaCl을 농도별(0→0.1M)로 첨가하여 표면장력의 변화를 조사한 결과 Fig. 10와 같이 NaCl 첨가량이 증가할수록 표면장력이 낮아지는 경향을 나타내었다.
5에 나타내었다. 쌀단백질 용해도는 pH 4에서 최소값을 나타내었으며(품종별 : 2~24.3%), pH 6까지 급격히 증가하다 pH 10에서 최대값을 나타내었고(90 % 이상) pH 12에서 다소 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 pH 4 부근에서 단백질의 등전점(pI : 4∼4.
전 품종 시료에 있어서 단백질 농도가 증가할수록 표면장력은 감소하였으며, 품종별로는 저농도(10-4 wt%)에서 수원511>신동진>영안벼 순으로 영안벼가 54.6 mN/m로 가장 낮은 표면장력을 나타내었고, 고농도(10-1 wt%)에서는 신동진 단백질이 가장 높았으며 수원511(40.3 mN/m)과 영안벼(40.27 mN/m)의 표면장력 값은 유의적인 차이가 없는 것으로 조사되었다.
지방흡수능에 있어서 카제인나트륨이 가장 높은 3.55±0.1로 조사되었으며, 쌀단백질 농축물이 분리대두단백보다는 다소 높게 분석되었으며, 영안벼 품종이 타 품종에 비해 2배 이상 높게 나타났다.
1%로 분석되었다. 질소 용해지수는 pH 4에서 최소값을 나타내었고 pH 10에서 질소용해지수가 90% 이상의 높은 값을 보였다. 수분 및 지방흡수능에 있어서 쌀단백질 농축물은 각각 카제인나트륨 및 분리대두단백에 비하여 높게 관찰되었으며, 유화활성은 카제인나트륨에 비하여 낮았으나 분리대두단백에 비하여 높게 나타났고, 쌀단백질 농축물 중 영안벼 미강 단백질이 가장 우수하였다.
적합한 추출 조건 설정을 위하여 직교계획법을 사용하였으며, 추출된 쌀단백질 농축물에 대하여 여러 가지 이화학적 측면에서 단백질의 기능성을 평가하였다. 추출에 적합한 조건은 Xylanase 첨가량 1 wt%, pH 7, 가수비율 50:1로 조사되었으며, 이때 시료 중 단백질 함량은 67.1%로 분석되었다. 질소 용해지수는 pH 4에서 최소값을 나타내었고 pH 10에서 질소용해지수가 90% 이상의 높은 값을 보였다.
5%로 증가되었을 때 단백질 함량은 약간 증가하면서 거의 최대치를 보였다. 효소농도가 1.0%의 경우에 모든 기질이 효소분자로 포화되는 것으로 여겨지며 따라서, 효소농도는 1.0%에서 최적인 것으로 추정되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
벼란?
벼는 식물 분류학상 화본과(Gramineae) 벼속 식물에 속하고, 밀, 옥수수와 함께 세계 3대 작물에 포함된다. 벼는 한국을 비롯하여 아시아 여러 지역에서 재배되고 있고, 우리나라에서도 연간 500만톤 정도 생산하고 있다.
쌀단백질이 건강 기능성 월빙식품 자원으로 기대되는 이유는?
5이상) 및 소화율이 90%이상 되는 매우 우수한 곡물 단백질로 알려져 있다. 또한, 쌀단백질은 식품 알레르기 유발 경향이 매우 낮아 영·유아식 제조에 유용하게 사용할 수 있으며 ‘Kim 등(2004)’, 항암작용을 보유한 것으로 보고되어 건강기능성을 지향하는 21세기 웰빙식품 자원으로 기대되는 바가 크다고 할 수 있다. 그러나 국내의 경우 미강의 연간 생산량이 35,000톤에 달하는 유용한 자원임에도 불구하고, 30% 정도가 미강유 제조에 사용되고 나머지 70%는 사료나 비료 등의 물질로 이용되거나 농산 폐기물화 되고 있는 실정이다(Kim 등 2004).
xylanase를 이용하여 다른 품종 미강으로부터 쌀단백질 농축물 추출의 기능성 평가 결과 추출에 적합한 조건과 담백질 함량은?
적합한 추출 조건 설정을 위하여 직교계획법을 사용하였으며, 추출된 쌀단백질 농축물에 대하여 여러 가지 이화학적 측면에서 단백질의 기능성을 평가하였다. 추출에 적합한 조건은 Xylanase 첨가량 1 wt%, pH 7, 가수비율 50:1로 조사되었으며, 이때 시료 중 단백질 함량은 67.1%로 분석되었다. 질소 용해지수는 pH 4에서 최소값을 나타내었고 pH 10에서 질소용해지수가 90% 이상의 높은 값을 보였다.
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