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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 머핀 제조 시 밀가루 일부를 미나리 분말로 대체하고 현대인의 건강 추구에 부합할 수 있는 머핀을 제조하고자 품질특성도 좋고 관능적으로 우수한 최적의 머핀을 만들기 위해 반응표면 분석을 시도하여 최적 배합비를 찾고자 하였다.
제안 방법
- 관능항목(외관, 향미, 맛, 질감, 전체적인 기호도)과 미나리의 기능성으로 항산화성을 포함하여 최대로 결정한 후, 모델화에 의해 결정된 반응식을 이용하여 만족하는 점을 수치 최적화(numerical point)와 모형적 최적화(graphical opimization)를 통해 미나리분말, 설탕, 계란의 양을 선정하였다[Table 7, Figure 6].
- 머핀을 굽고 난 다음 실온(20±1℃)에서 냉각 시킨 후 무게를 측정하고 높이는 위에서 아래로 정확히 반으로 자르고 자른 단면의 최고 높이를 측정하였으며 머핀의 부피는 종자 치환법을 이용하여 3회 반복하였다.
- 머핀의 실험결과 높이, 수분함량, DPPH radical scavenging, L값, a값, 탄력성, 응집성, 씹힘성, 부서짐성은 각 요인이 독립적으로 작용하는 linear model이 채택되었으며 pH와 b값 은 각 요인이 교호작의 영향을 받는 quadratic model이 채택 되었다.
- 머핀의 조직감은 색도와 동일한 샘플을 Rheometer(Compac-100, Sun Sci. Co Ltd., Tokyo, Japan)를 이용하여 mastication test를 실시하였고 plunger diameter 10 mm, table speed 60 mm/min, sample heigh 10 mm, load cell 2 kg의 조건으로 시료당 3회 반복 측정하여 평균치를 나타내었다. 시료는 표면을 제거시키고 분석하였으며 경도(hardness), 응집성(cohesiveness), 탄력성(springiness), 씹힘성(chewiness), 부서짐성(brittleness)을 측정하였다.
- 머핀의 항산화성을 알아보고자 머핀의 내부를 10 g 채취해 에탄올 20 mL를 첨가하여 교반시켜 원심분리 한 후 DPPH(1,1-diphenyl-2picriylhydrazyl, D9132, Sigma, Germany) 0.1 mM 용액과 혼합하여 30분 후 517 nm에서 흡광도를 측정하였다. 항산화 효과는 시료 용액 대신 같은 양의 에탄올을 대조구로 하여 실험구와 비교하여 다음과 같이 분석하였다.
- 머핀 제조과정은 [Figure 1]과 같으며 버터는 상온에서 부드럽게 만들어 설탕을 넣어 5분간 저어 크림상태로 만든 후 계란을 넣어 주면서 3분간 저었다. 모든 가루재료는 20 mesh체에 통과시킨 후 물을 섞고 반죽기(LM-0008, Daeyung, Korea)로 반죽하여 유산지를 깐 머핀컵(직경: 7.0 cm, 높이 4.5 cm)에 90 g씩 취하여 180℃로 예열된 오븐(FDO-7102, Daeyung, Korea) 30분간 구웠다. 모든 시료는 실온에서 1시간 방냉 후 실험에 사용하였다.
- 미나리 첨가 머핀의 최적 배합비를 탐색하기 위해 반응 표면 분석을 실시하였으며 3- level-3-factor 실험계획인 box-behnken design (BBD)에 따라 세 가지 변수를 −1, 0, 1의 3단계로 부호화하였다.
- 본 연구는 생리활성 기능을 지닌 미나리 분말을 활용하여 머핀 제조 시 미나리 분말, 계란, 설탕의 양을 달리하여 Box-behnken design을 이용하여 머핀의 품질특성과 기호도 측면에서 최적화를 시도하였다.
- [Table 1]에서와 같이 13개의 배합 조건을 이용하여 모든 실험순서(run)는 구획에 따른 오차를 없애기 위하여 무작위로 실행하였고 분석은 모델에 대한 F-test를 통하여 유의성 검증을 하였다. 선택된 모델에 대한 반응표면과 trace plot을 이용하여 일정한 비율에서 다른 요소들이 고정되는 동안 각 혼합물 성분 변화에 따른 영향을 가식화하였다.
- [Table 1]에서와 같이 13개의 배합 조건을 이용하여 모든 실험순서(run)는 구획에 따른 오차를 없애기 위하여 무작위로 실행하였고 분석은 모델에 대한 F-test를 통하여 유의성 검증을 하였다. 선택된 모델에 대한 반응표면과 trace plot을 이용하여 일정한 비율에서 다른 요소들이 고정되는 동안 각 혼합물 성분 변화에 따른 영향을 가식화하였다.
- , Tokyo, Japan)를 이용하여 mastication test를 실시하였고 plunger diameter 10 mm, table speed 60 mm/min, sample heigh 10 mm, load cell 2 kg의 조건으로 시료당 3회 반복 측정하여 평균치를 나타내었다. 시료는 표면을 제거시키고 분석하였으며 경도(hardness), 응집성(cohesiveness), 탄력성(springiness), 씹힘성(chewiness), 부서짐성(brittleness)을 측정하였다.
- 재료의 배합비율을 설정하기 위해서 예비실험을 통하여 밀가루 대체 재료로 미나리분말(A)과 계란(B), 설탕(C) 함량 3개 요인으로 설정하고 각 요인을 3개 수준으로 나누어 분석하였다. 이 요인을 근거로 무게, 단면의 높이, 부피, 수분 함량, pH, DPPH radical scavenging, 색도, 물성특성을 조사하고, 관능검사를 실시하였다. 미나리 첨가 머핀의 최적 배합비를 탐색하기 위해 반응 표면 분석을 실시하였으며 3- level-3-factor 실험계획인 box-behnken design (BBD)에 따라 세 가지 변수를 −1, 0, 1의 3단계로 부호화하였다.
- 머핀은 Kim 등(2010)과 Seo 등(2011)의 제조 방법을 참고하여 재료 배합비율은 예비실험을 통하여 [Table 1]과 같다. 재료의 배합비율을 설정하기 위해서 예비실험을 통하여 밀가루 대체 재료로 미나리분말(A)과 계란(B), 설탕(C) 함량 3개 요인으로 설정하고 각 요인을 3개 수준으로 나누어 분석하였다. 이 요인을 근거로 무게, 단면의 높이, 부피, 수분 함량, pH, DPPH radical scavenging, 색도, 물성특성을 조사하고, 관능검사를 실시하였다.
- 제조 직후 1시간 실온에서 방치한 후 제공하였으며 시료 번호는 난수표를 이용하여 3자리 숫자로 지정하였으며 직경 25 cm 흰 접시에 물과 함께 제공하였다. 관능검사는 평점법에 의하여 실시하였으며, 관능 요원은 대구가톨릭대학교 식품가공학과 20명을 대상으로 검사방법과 평가특성에 대해 충분히 교육을 시킨 후 7점 항목 척도법(1점-가장 약하다, 7점-가장 강하다)으로 나타내었다.
- 제조한 머핀의 수분 함량은 머핀의 중심부에서 시료 1g을 취하여 수분 측정기(FD-600, KETT Electric Laboratory, Japan)로 수분을 측정하였다.
- 관능검사는 평점법에 의하여 실시하였으며, 관능 요원은 대구가톨릭대학교 식품가공학과 20명을 대상으로 검사방법과 평가특성에 대해 충분히 교육을 시킨 후 7점 항목 척도법(1점-가장 약하다, 7점-가장 강하다)으로 나타내었다. 평가항목은 크게 외관(appearance), 향미(flavor), 맛(taste), 조직감(texture), 기호도(acceptability) 항목을 조사하였다.
- 1 mM 용액과 혼합하여 30분 후 517 nm에서 흡광도를 측정하였다. 항산화 효과는 시료 용액 대신 같은 양의 에탄올을 대조구로 하여 실험구와 비교하여 다음과 같이 분석하였다.
대상 데이터
- 실험의 재료로는 2014년산 미나리 분말(Palgongsan minari neungsung youngnong johap, Daegu, Korea)을 20 mesh체에 내려 사용하였으며, 박력분(Qone, Seoul, Korea), 버터(Haitai, Seoul, Korea), 계란(CJ cheiljedang, Seoul, Korea), 베이킹 파우더(Jenico, Seoul, Korea), 설탕(CJ cheiljedang, Seoul, Korea)을 구입하여 사용하였다.
데이터처리
- Box-behnken법에 따라 세 가지 독립변수의 13가지 조건으로 얻어진 각 검사의 결과는 이화학적 특성은 [Table 2]와 같고, [Table 3]은 설정된 반응별로 모델링화 하여 F-tset로 유의성 검증 결과 회귀식으로 반응표면도를 [Figure 3]에 제시하였다.
- 박스벤켄 실험설계는 3-수준 요인 실험설계의 대표적 방법으로서 실험구역이 구형이고 총 실험회수가 크게 증가하지 않으면서도 구성과 실험의 편리성이 있는 유용한 실험설계로 잘알려져 있다(Kim & Lee 2012b). [Table 1]에서와 같이 13개의 배합 조건을 이용하여 모든 실험순서(run)는 구획에 따른 오차를 없애기 위하여 무작위로 실행하였고 분석은 모델에 대한 F-test를 통하여 유의성 검증을 하였다. 선택된 모델에 대한 반응표면과 trace plot을 이용하여 일정한 비율에서 다른 요소들이 고정되는 동안 각 혼합물 성분 변화에 따른 영향을 가식화하였다.
- 실험 결과는 Design-Expert 8.0 program (Doe Expert, Seoul, Korea)을 이용하여 반응 표면 분석을 실시하였으며, 분석은 3회 반복하였으며 모델에 대한 F-test를 통하여 유의성 검사를 하였다. 선택된 모델에 대한 반응표면과 trace plot을 이용하여 일정한 비율에서 다른 요소들이 고정되는 동안각 혼합물 성분 변화에 따른 영향을 가식화하였다.
이론/모형
- pH는 An 등(2010)의 방법을 참고하여 반죽과 완성된 머핀을 각각 5g씩 취하여 증류수 25 mL를 가하여 stirrer를 사용하여 균질화 시키면서 pH meter (pH 210, Hanna, Italy)을 사용하여 측정하였다.
- 무게와 부피, 경도는 이차 회귀분석에 대한 설명력이 부족한 것으로 나타났다. 관능검사 항목에서는 색과 외관의 기호도는 linear model, 향 미, 맛, 질감에서는 quadratic model, 삼킨 후 느낌, 전체적인 기호도에서는 2FI model이 채택되었다. 머핀 제조시 높이와 부피에서는 달걀의 영향이 높게 나타났으며 수분함량은 미 나리 분말이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다.
- 23으로 나타났다. 색과 외관은 독립변수간 독립적으로 작용하는 linear model 이 선정되었으며 향미, 맛, 질감은 각 요인들이 교호작용의 영향을 받는 quadratic model로 나타났으며 삼킨 후 느낌과 전반적인 기호도는 첨가시료간이 상호관계를 작용하는 2FI model이 채택되었다. 색은 회귀곡선의 결정 계수 R2=0.
성능/효과
- 0401로 5%이내에서 유의한 수준을 나타냈다. 각 반응에 미치는 영 향을 반응표면도로 살펴본 결과 미나리 분말(A-A선)의 첨가량이 가장 많은 영향을 미치는 것으로 나타났으며 미나리 머 핀의 관능적 최적 제조 조건에서 미나리분말의 비율의 필요성이 요구되었다.
- 0313으로 유의한 차이는 보였으나 이차 회귀분석에 대한 설명력이 낮은 것으로 나타났다. 경도에서 8번(미나리 분말 2 g, 달걀 100 g, 설탕 80 g)과 7번(미나리 분말 8 g, 달걀 100 g, 설탕 80 g)이 높은 경도를 나타내 달걀이 최대일 경우 머핀의 단단한 정도가 다소 높아지는 것을 볼 수 있었다. Joo 등(2006)은 달걀의 단백질은 묽은 반죽이나 된 반죽에 사용되었을 때 특히 중요한데 이것은 굽는 동안 단백질의 응고가 최종제품의 구조에 기여하고 부드러움을 감소시킨다고 보고한 바 있다.
- 제조 직후 1시간 실온에서 방치한 후 제공하였으며 시료 번호는 난수표를 이용하여 3자리 숫자로 지정하였으며 직경 25 cm 흰 접시에 물과 함께 제공하였다. 관능검사는 평점법에 의하여 실시하였으며, 관능 요원은 대구가톨릭대학교 식품가공학과 20명을 대상으로 검사방법과 평가특성에 대해 충분히 교육을 시킨 후 7점 항목 척도법(1점-가장 약하다, 7점-가장 강하다)으로 나타내었다. 평가항목은 크게 외관(appearance), 향미(flavor), 맛(taste), 조직감(texture), 기호도(acceptability) 항목을 조사하였다.
- 색도에서는 미나리 분말이 첨가될수록 L, a, b값이 감소되었으며 물성특성에서는 미나리 분말의 영향이 거의 나타나지 않아 머 핀 제조가 가능한 것으로 나타났다. 관능검사에서 기호도면에서 미나리 분말의 영향이 가장 높게 나타났으며 일정 비율 이상에서는 기호도가 감소되는 것을 보여 최적화 조건 접근으로 수치적 최적화와 모형적 최적화 결과 미나리 분말 6 g, 계란의 양 77 g, 설탕의 양 60 g으로 머핀 제조시 바람직 할 것으로 사료된다.
- 높이는 설정된 반응별로 모델링화 하여 F-test를 통해 유의성을 검증한 결과 회귀식을 살며보면, linear(R2=0.9029) 모델이 선정되었으며 p<0.001 이내에서 높은 유의성을 보였다.
- 001 이내에서 높은 유의성을 보였다. 또한 머핀의 높이에 유의적으로 가장 영향을 많이 주는 인자는 달걀의 함량으로 달걀의 양이 증가할수록 머핀의 높이가 증가하는 반면, 설탕의 양이 증가할수록 머핀의 높이는 감소하였다. 이는 Ryu 등(2008)의 부추 첨가 머핀에서 설탕의 양이 증가할수록 머핀의 높이가 감소하였다는 보고와 비슷한 경향을 보였다.
- 이는 자색고구마 분말(Ko & Seo 2010)과 대추 분말(Kim & Lee 2012a), 돼지감자 분말(Park 등 2014) 첨가 머핀에서도 밀가루 대체 첨가물에 대한 수분결합력이 증가됨에 따라 수분함량이 감소된다고 보고하여 본 연구와 동일한 결과를 보였다. 또한 본 연구에서 사용된 밀가루의 수분함량은 11.8%, 미나리 분말은 9.5%로 밀가루의 수분함량에 비해 미나리 분말이 낮아 미나리 첨가량이 많아질수록 수분함량이 감소되는 것으로 사료된다.
- 관능검사 항목에서는 색과 외관의 기호도는 linear model, 향 미, 맛, 질감에서는 quadratic model, 삼킨 후 느낌, 전체적인 기호도에서는 2FI model이 채택되었다. 머핀 제조시 높이와 부피에서는 달걀의 영향이 높게 나타났으며 수분함량은 미 나리 분말이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 색도에서는 미나리 분말이 첨가될수록 L, a, b값이 감소되었으며 물성특성에서는 미나리 분말의 영향이 거의 나타나지 않아 머 핀 제조가 가능한 것으로 나타났다.
- 머핀의 DPPH radical 소거능은 회귀 곡선에 대한 결정 계수 R2=0.7243의 설명력을 보였으며 p-value=0.0002로 1%이내의 유의성을 보여 모델의 적합성이 인정되었다. 회귀 계수 식을 살펴본 결과 미나리 분말이 가장 많은 영향을 미치는 것으로 나타나 미나리 분말 첨가량이 증가할수록 항산화성이 높아지는 것을 알 수 있었다.
- 01%범위 내에서 유의성을 보이며 모델의 적합성이 인정되었다. 머핀의 L값의 회귀식 계수들과 trace plot에서 보이는 기울기에서 미나리 분말이 명도에 가장 큰 영향을 보였으며 미나리 분말 첨가량이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 이는 시금치 분말 첨가 머핀(Joo 등 2006)과 천년초 분말 첨가 머핀(Kim 등 2012)에서도 첨가 재료의 증가로 재료 자체의 색소에 의한 영향이 색상을 어둡게 만든다고 보고 한 바 있어 본 연구와 동일한 결과를 나타냈다.
- 머핀의 부피는 재료의 고유 성분에 따라 머핀의 부피도 다르게 나타나는데 이차회귀 분석에 대한 설명이 유의적이지 않는 것으로 나타났으며 6번 시료(미나리 분말 8 g, 달걀 60 g, 설탕 80 g)가 가장 낮은 부피(71.67 mL)를 나타내어 미나리 분말을 많이 첨가하거나 달걀의 양을 최소화하였을 때 머핀의 부피가 다소 낮아지는 것으로 나타났다.
- 항산화성은 미나리 분말 첨가량이 많아질수록 높았으며 가 장 많은 영향을 미치는 것으로 나타났다. 무게와 부피, 경도는 이차 회귀분석에 대한 설명력이 부족한 것으로 나타났다. 관능검사 항목에서는 색과 외관의 기호도는 linear model, 향 미, 맛, 질감에서는 quadratic model, 삼킨 후 느낌, 전체적인 기호도에서는 2FI model이 채택되었다.
- 0014로 유의한 수준을 나타내었다. 미나리 분말의 첨가량이 가장 높은 영향을 주는 것으로 나타났으며 미나리 분말의 첨가량이 증가할수록 기호도가 감소하였다가 증가하는 경향을 보였다. 맛에 대한 기호도에서는 R2 =0.
- 8359의 설명력을 나타냈으며 독립변수간 각각 작용하는 leaner model이 채택되었다. 미나리 함량에 의한 영향은 적었으며 달걀의 함량이 증가할수록 높아졌고 설탕의 양이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. Park 등(2014)은 초석잠 첨가 쌀머핀에서 설탕의 양이 증가할수록 증가하다가 일정한 수준에서 감소하고 달걀의 양이 증가할수록 감소하다고 일정한 수준에서 급격히 증가하는 경향을 보여 본 실험과 유사한 결과를 보였다.
- 일반적으로 빵류 및 머핀에 다른 곡류 및 부재료를 첨가할 경우 밀가루가 첨가재료에 대체됨에 따라 글루텐의 희석효과로 인하여 높이와 부피가 감소되지만(Jung 등 2011), 지방(버터)이 creaming process에서 많은 공기를 포함하여 부피를 증가시킨다(McWilliams M 2001)고 하였다. 본 연구에서는 버터의 양을 동일하게 첨가 함으로써 미나리 분말을 증가하거나 계란의 양이 감소하였지만 부피에 큰 영향을 주지 않은 것으로 사료된다.
- 머핀 제조시 높이와 부피에서는 달걀의 영향이 높게 나타났으며 수분함량은 미 나리 분말이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 색도에서는 미나리 분말이 첨가될수록 L, a, b값이 감소되었으며 물성특성에서는 미나리 분말의 영향이 거의 나타나지 않아 머 핀 제조가 가능한 것으로 나타났다. 관능검사에서 기호도면에서 미나리 분말의 영향이 가장 높게 나타났으며 일정 비율 이상에서는 기호도가 감소되는 것을 보여 최적화 조건 접근으로 수치적 최적화와 모형적 최적화 결과 미나리 분말 6 g, 계란의 양 77 g, 설탕의 양 60 g으로 머핀 제조시 바람직 할 것으로 사료된다.
- 0216으로 5% 이내 유의수준을 보였으며 미나리 분말, 달걀, 설탕에서 각각 독립적으로 작용하는 linear model이 선택되었다[Table 4]. 세 요인 중 계란이 가장 많은 영향을 미치는 것으로 나타났으며 미나리 분말이 첨가할수록 수분함량은 감소하는 것으로 나타났다(A-A선). 이는 자색고구마 분말(Ko & Seo 2010)과 대추 분말(Kim & Lee 2012a), 돼지감자 분말(Park 등 2014) 첨가 머핀에서도 밀가루 대체 첨가물에 대한 수분결합력이 증가됨에 따라 수분함량이 감소된다고 보고하여 본 연구와 동일한 결과를 보였다.
- 0027로 5% 이내에서 유의한 수준을 보였으며 미나리분말, 달걀, 설탕이 서로 상호작용 없이 각각 독립적으로 작용하는 linear model로 채택되었다. 씹힘성에서는 달걀의 첨가량이 가장 많은 영향을 나타냈으며 설탕의 첨가량은 증가할수록 씹힘성이 감소하는 경향을 나타났다. 전반적으로 미나리 분말은 머핀의 탄력성, 응집성, 씹힘성에서 가장 적게 영향을 미치고 있었으며 달걀이 많은 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 0001로 유의한 값을 나타냈으며 특히 미나리 분말의 첨가량이 가장 높은 영향력을 미치는 것으로 나타났다. 외관의 기호도에서는 달걀의 첨가량이 증가할수록 높게 나타났으며 설탕의 첨가량이 증가할수록 감소하는 경향을 나타냈다. 머핀의 형태에서 계란과 설탕의 첨가에 따라 상이한 평가가 나타남으로 그 최적점을 찾는 것이 중요하다고 사료 된다.
- 15 g로 수치 최적화점과 거의 일치 하였다. 이 경우 관능적인 기호도(overlay plot)는 외관 4.70, 향미 4.50, 맛 4.80, 조직감 4.60, 삼킨 후 느낌 4.10 전체적 인 기호도 4.20인 것으로 나타났다.
- 씹힘성에서는 달걀의 첨가량이 가장 많은 영향을 나타냈으며 설탕의 첨가량은 증가할수록 씹힘성이 감소하는 경향을 나타났다. 전반적으로 미나리 분말은 머핀의 탄력성, 응집성, 씹힘성에서 가장 적게 영향을 미치고 있었으며 달걀이 많은 영향을 주는 것으로 나타났다. 이는 미나리 분말이 머핀의 품질에는 영향을 미치지 않으면서 건강에 긍정적인 영향을 주는 생리활성 물질을 첨가함으로써 기능적인 머핀 제조가 가능하리라 판단된다.
- 항산화성은 미나리 분말 첨가량이 많아질수록 높았으며 가 장 많은 영향을 미치는 것으로 나타났다. 무게와 부피, 경도는 이차 회귀분석에 대한 설명력이 부족한 것으로 나타났다.
- 0002로 1%이내의 유의성을 보여 모델의 적합성이 인정되었다. 회귀 계수 식을 살펴본 결과 미나리 분말이 가장 많은 영향을 미치는 것으로 나타나 미나리 분말 첨가량이 증가할수록 항산화성이 높아지는 것을 알 수 있었다. 이는 대추가루를 첨가한 머핀(Kim & Lee 2012a)과 들깻잎 분말을 첨가한 머핀(Yoon 등 2011), 흑마늘 추출 분말을 첨가한 머핀(Yang 등 2010)에서도 기능성 재료를 첨가할수록 머핀의 항산화활성이 높게 나타났으며 머핀 제조 후에도 남아 있어 머핀의 기능성에 좋은 영향을 주는 것으로 보고된 바 있다.
- 0612 로 유의한 수준은 나타나지 않았다. 회귀식에 나타난 계수들 과 trace plot에서 보이는 기울기를 살펴보면 맛의 기호도에 대한 반응표면도와 비슷한 경향을 보여 첨가 재료의 일정 비율 이상에서는 기호도가 감소되는 것을 알 수 있었다. 삼킨 후 느낌에 대한 회귀곡선의 결정 계수 R2 =0.
후속연구
- 한편 우리의 식생활 패턴은 서구화되고 간편화됨에 따라 향후 더욱 다양한 베이커리 관련 제품의 연구가 필요한 실정이며(Kim 등 2008), 바쁜 현대 사회에 맞는 간편한 식사대용으로 머핀을 식생활에 활용한다면 소비자의 선택권을 만족시킬 수 있고 건강에 좋은 재료를 첨가하여 만든 머핀의 연구가 필요하다.
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