본 연구에서는 영양적으로 우수한 밀기울의 식품 소재화를 위해 산지별 밀기울의 고압균질처리에 따른 이화학적 특성변화를 연구하였다. 고압균질처리로 밀기울의 입자 크기를 효과적으로 줄일 수 있었으며, 이러한 미세화 처리에 의해 물리 화학적 특성을 변화시킬 수 있었다. 입자 크기와 용적밀도가 감소함에 따라 보수력, 팽창력, 보유력 및 양이온치환력을 증가시킬 수 있었다(p<0.05). 이는 고압균질기의 노즐 지름이 작을수록, 통과횟수가 많을수록 증가하는 경향이 있었다. IC 200으로 1회 및 IC 100 2회 처리한 시료에 있어서는 유의적인 차이가 있었으나 IC 100 5회 처리한 시료는 IC 100 2회 처리한 시료와 유의적인 차이가 없었다. 따라서 경제적인 면과 기능적인 면을 고려할 때 IC 100 2회 처리한 시료가 가장 효율적임을 알 수 있었다. 또한 산지별 밀기울 간에는 이화학적 특성에 큰 차이가 없는 것으로 나타나 우리밀과 수입밀의 밀기울 특성에는 차이가 없음을 알 수 있었다. 결론적으로 밀기울의 고압균질처리에 의해 불용성 식이섬유소의 기능을 향상시킬 수 있으며 나아가 섬유소를 강화하고 유지와 수분의 보유를 필요로 하며 지질 흡수를 저해하는 식품에 기능성 소재로서 활용할 수 있을 것이다. 따라서 본 연구는 미세화 처리를 통한 기능성 식품소재 개발에 도움이 될 것으로 사료된다.
본 연구에서는 영양적으로 우수한 밀기울의 식품 소재화를 위해 산지별 밀기울의 고압균질처리에 따른 이화학적 특성변화를 연구하였다. 고압균질처리로 밀기울의 입자 크기를 효과적으로 줄일 수 있었으며, 이러한 미세화 처리에 의해 물리 화학적 특성을 변화시킬 수 있었다. 입자 크기와 용적밀도가 감소함에 따라 보수력, 팽창력, 보유력 및 양이온치환력을 증가시킬 수 있었다(p<0.05). 이는 고압균질기의 노즐 지름이 작을수록, 통과횟수가 많을수록 증가하는 경향이 있었다. IC 200으로 1회 및 IC 100 2회 처리한 시료에 있어서는 유의적인 차이가 있었으나 IC 100 5회 처리한 시료는 IC 100 2회 처리한 시료와 유의적인 차이가 없었다. 따라서 경제적인 면과 기능적인 면을 고려할 때 IC 100 2회 처리한 시료가 가장 효율적임을 알 수 있었다. 또한 산지별 밀기울 간에는 이화학적 특성에 큰 차이가 없는 것으로 나타나 우리밀과 수입밀의 밀기울 특성에는 차이가 없음을 알 수 있었다. 결론적으로 밀기울의 고압균질처리에 의해 불용성 식이섬유소의 기능을 향상시킬 수 있으며 나아가 섬유소를 강화하고 유지와 수분의 보유를 필요로 하며 지질 흡수를 저해하는 식품에 기능성 소재로서 활용할 수 있을 것이다. 따라서 본 연구는 미세화 처리를 통한 기능성 식품소재 개발에 도움이 될 것으로 사료된다.
In this study, the effects of high-pressure homogenizer treatment on the physicochemical properties of wheat bran from different areas were evaluated. The results showed that the high-pressure homogenizer process could effectively decrease particle size and loosen the microstructure of the wheat bra...
In this study, the effects of high-pressure homogenizer treatment on the physicochemical properties of wheat bran from different areas were evaluated. The results showed that the high-pressure homogenizer process could effectively decrease particle size and loosen the microstructure of the wheat bran matrix. As the particle size decreased, the bulk density of wheat bran was significantly decreased (p<0.05) and the water-holding capacity, swelling capacity, oil-holding capacity, and cation-exchange capacity were substantially increased. In addition, microscopic analysis revealed the gradual disintegration of the original cell wall structure and the dissociation of bran tissues over the course of high-pressure homogenization treatment. Scanning electron micrographs showed that the process could also effectively separate out the structural components of wheat bran. These results suggest that the high-pressure homogenizer process is an effective method to modify the physicochemical properties of wheat bran and likely other cereal brans, which might provide potential fiber-rich ingredients for use in functional foods.
In this study, the effects of high-pressure homogenizer treatment on the physicochemical properties of wheat bran from different areas were evaluated. The results showed that the high-pressure homogenizer process could effectively decrease particle size and loosen the microstructure of the wheat bran matrix. As the particle size decreased, the bulk density of wheat bran was significantly decreased (p<0.05) and the water-holding capacity, swelling capacity, oil-holding capacity, and cation-exchange capacity were substantially increased. In addition, microscopic analysis revealed the gradual disintegration of the original cell wall structure and the dissociation of bran tissues over the course of high-pressure homogenization treatment. Scanning electron micrographs showed that the process could also effectively separate out the structural components of wheat bran. These results suggest that the high-pressure homogenizer process is an effective method to modify the physicochemical properties of wheat bran and likely other cereal brans, which might provide potential fiber-rich ingredients for use in functional foods.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 밀기울의 특성을 효율적으로 활용하기 위한 목적으로 고압균질처리에 따른 산지별 밀기울의 이화학적 특성을 분석하고 영양적으로 우수한 가치가 있는 밀기울의 식품 소재화를 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 영양적으로 우수한 밀기울의 식품 소재화를 위해 산지별 밀기울의 고압균질처리에 따른 이화학적 특성변화를 연구하였다. 고압균질처리로 밀기울의 입자 크기를 효과적으로 줄일 수 있었으며, 이러한 미세화 처리에 의해 물리 화학적 특성을 변화시킬 수 있었다.
가설 설정
1)Standard deviation which is one measure of the width of the particle size distribution.
제안 방법
관찰 각각의 시료들은 carbon black tape를 붙인 stub에 일정량 놓은 후 약하게 불어 tape에 부착되지 않은 밀기울들을 불어서 날려보낸 다음 120초간 platinum coating 한 후 주사전자현미경 관찰용 시료로 사용하였다. Platinum coating된 시료는 주사현미경 (S-3400 FEG, Hitachi Co., Tokyo, Japan)으로 가속전압 5 kv 하에서 관찰하였다.
분산액은 지름이 200 μm (IC 200), 100 μm (IC 100)인 노즐을 통과시켰으며 상온에서 150 MPa의 압력을 가해주었다. 각각의 처리 조건은 IC 200 노즐 1회와 IC 100 노즐 2회 및 5회 통과로 HPH 처리 하였으며 IC 100 노즐을 통과하기에 앞서 IC 200을 1회 통과시킨 후 처리하였다. 1회 통과는 고압균질기의 주입구를 시작으로 기계 내부를 통과하여 배출될 때 까지를 의미한다.
고압균질처리를 위하여 고압균질기(MINI DeBEE, BEE International Inc., MA, USA)를 사용하였다. 고압균질 처리에 앞서 밀기울을 증류수에 분산시켰으며, 이때 밀기울과 증류수의 비율을 3.
밀기울 시료 25 g을 칭량하여 25 mL 눈금의 메스실린더에 넣은 뒤 실린더를 딱딱한 표면에 두드린 후 눈금을 읽어 시료가 차지하는 부피를 측정하였다. 용적밀도의 계산은 단위 용적당 시료의 무게(g/mL)로 나타내었다.
보유력 측정은 보수력 측정 실험과 동일하며 증류수 대신 콩기름(Sajo Haepyo, Seoul, Korea)을 사용하였다.
시료를 준비 한 뒤 ethanol을 사용하여 시료를 분산시켰으며, 이 때 투입되는 시료의 농도는 obscuration 8-12% 내에 있도록 하였다. 실험은 3회 반복 측정하였다.
5 g과 증류수 20 mL을 가한 후 막대를 이용해 교반해주고, 증류수와 시료가 완전히 섞인 후 파라필름을 이용해 밀봉한 뒤 완전히 수화시키기 위해 24시간 동안 방치 하였다. 완전히 수화되면 메스실린더의 눈금을 읽어 팽창된 시료의 부피를 측정하였다. 팽창력의 계산은 시료 1 g이 차지하는 팽창된 시료의 부피(g/g)로 나타내었다.
1회 통과는 고압균질기의 주입구를 시작으로 기계 내부를 통과하여 배출될 때 까지를 의미한다. 처리된 각각의 밀기울 시료는 원심분리 후 동결건조기(PVTFD30RSS, Ilshin Lab Co., Ltd., Yangju, Korea)를 이용하여 수분함량이 6.0-6.5%가 되도록 동결건조 하였다. 동결건조 한 시료는 실험에 사용하기 전까지 밀폐유리용기에 넣어 −20℃에서 보관하였다.
대상 데이터
관찰 각각의 시료들은 carbon black tape를 붙인 stub에 일정량 놓은 후 약하게 불어 tape에 부착되지 않은 밀기울들을 불어서 날려보낸 다음 120초간 platinum coating 한 후 주사전자현미경 관찰용 시료로 사용하였다. Platinum coating된 시료는 주사현미경 (S-3400 FEG, Hitachi Co.
본 연구의 재료로 사용한 산지별 밀기울은 동아원(주) 당진공장에서 제공 받았다. 국내산은 금강밀 100%, 호주산은 ASW 100%, 그리고 미국산은 HRW와 NS가 각각 90, 10% 비율인 원맥으로 제분시에 생산된 밀기울을 사용하였다. 밀기울에 잔류되어있는 밀가루의 제거와 이물질 분리를 위해 증류수로 세척한 후 30℃에서 24시간 동안 건조시켰다.
본 입자분석 장비는 일정한 부피의 에멀젼(emulsion)이나 분말(powder) 상태의 시료에 대하여 입도 및 입도분포를 측정하는 분석 장비이다. 본 시험에 사용된 시험장비 LS 13 320은 광산란법에 적합하도록 설계되어 있으며 습식 방식으로 시료를 투입하였다. 광산란법은 시료 입자들에 의해 산란된 빛의 패턴을 측정하여 입자 크기 및 분포를 측정하는 방법이다.
본 연구의 재료로 사용한 산지별 밀기울은 동아원(주) 당진공장에서 제공 받았다. 국내산은 금강밀 100%, 호주산은 ASW 100%, 그리고 미국산은 HRW와 NS가 각각 90, 10% 비율인 원맥으로 제분시에 생산된 밀기울을 사용하였다.
분산액은 지름이 200 μm (IC 200), 100 μm (IC 100)인 노즐을 통과시켰으며 상온에서 150 MPa의 압력을 가해주었다.
실험에 사용하기 전까지 밀폐유리용기에 넣어 −20℃에서 보관하였다. 사용된 시약은 Sigma-Aldrich (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)사에서 구매하였다.
데이터처리
a-cMeans with the same letter in column are not significantly different by duncan’s multiple range test (p<0.05).
통계 처리 프로그램 SPSS (ver. 21.0, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)를 이용하여 평균과 표준편차로 나타내었으며, ANOVA, Duncan 다범위 검증(Duncan’s multiple range test)을 실시하여 p<0.05 수준에서 유의성을 검증하였다.
이론/모형
고압균질 처리한 밀기울의 입도 크기 측정을 위하여 laser diffraction particle size analyzer (LS 13 320 SGL, Beckman Coulter, Inc., Anaheim, CA, USA)를 사용하였다. 본 입자분석 장비는 일정한 부피의 에멀젼(emulsion)이나 분말(powder) 상태의 시료에 대하여 입도 및 입도분포를 측정하는 분석 장비이다.
성능/효과
반면 고압균질처리 한 시료의 경우 전분 입자나 세포벽의 구조가 상당히 변형되었음을 알 수 있었다. IC 100으로 5회 고압균질 처리한 결과 대조군에 비해 균열, 불규칙한 배열 및 거친 표면이 관찰 되었으며, 이를 통해 표면적이 증가하고 다공성 구조의 표면으로 변화되었음을 알 수 있었다. 고압균질처리에 의해 고압, 고전단력이 작용하여 밀브랜 입자가 팽창됨으로써 세포벽의 구조를 변형 시키고 이러한 과정에서 표면적 뿐만 아니라 polar groups나 uronic acid groups와 같은 작용기가 노출되어 이 화학적 특성에 영향을 미치는 것으로 사료된다.
IC 100을 사용하여 2회 처리한 결과는 각각 국내산 39.52 μm, 미국산 40.22 μm 및 호주산 41.62 μm였으며 5회 처리한 결과는 각각 국내산 26.81 μm, 미국산 28.23 μm 및 호주산 27.52 μm로 2회와 5회 처리한 밀기울 간의 입자 크기에서는 큰 감소가 관찰되지 않았다.
10%까지 증가하였다. IC 200으로 1회, IC 100으로 2회 처리한 시료의 CEC 값 증가에 있어서는 유의적인 차이가 있었으나 IC 100으로 5회 처리 한 것은 2회 처리한 시료와 비교했을 때 유의적인 차이가 없었다. 또한 같은 고압균질처리 조건에서의 산지별 밀기울 간에도 유의적인 차이는 나타나지 않았다.
IC 200을 사용하여 1회 고압균질 처리한 결과 국내산 87.02 μm, 미국산 86.16 μm 및 호주산 90.17 μm로 감소 하였으며 평균적으로 약 78% 감소하였음을 알 수 있었다.
70 meq/kg의 값을 나타내었고 이 값은 이전의 연구결과 범위(140-220 meq/kg)에 속한다(25). Table 3에서 보듯이 CEC는 IC 200을 사용하여 1회 고압균질처리 시켰을 때 7.28%까지 증가하였고, 그 이후의 처리에 있어서도 계속적으로 증가하였으며 IC 100을 5회 처리 한 것은 대조군과 비교했을 때 17.10%까지 증가하였다. IC 200으로 1회, IC 100으로 2회 처리한 시료의 CEC 값 증가에 있어서는 유의적인 차이가 있었으나 IC 100으로 5회 처리 한 것은 2회 처리한 시료와 비교했을 때 유의적인 차이가 없었다.
본 연구에서는 영양적으로 우수한 밀기울의 식품 소재화를 위해 산지별 밀기울의 고압균질처리에 따른 이화학적 특성변화를 연구하였다. 고압균질처리로 밀기울의 입자 크기를 효과적으로 줄일 수 있었으며, 이러한 미세화 처리에 의해 물리 화학적 특성을 변화시킬 수 있었다. 입자 크기와 용적밀도가 감소함에 따라 보수력, 팽창력, 보유력 및 양이온치환력을 증가시킬 수 있었다(p<0.
대조군 밀기울의 평균 입자 크기는 각각 국내산 403.15 μm, 미국산 401.50 μm 및 호주산 403.94 μm로 분석되었으며, SD 값이 각각 국내산 180.54 μm, 미국산 185.10 μm 및 호주산 186.71 μm로 상대적으로 광범위한 입자 크기 분포를 나타내었다.
1-3에 나타내었다. 대조군 시료의 경우 세포벽의 표면이 매끄러우며 전분입자의 형태가 원형 그대로 유지되고 있었고, 산지별 대조군 시료 간에는 큰 차이 없이 유사한 형태적 구조를 나타내고 있음을 알 수 있었다. 반면 고압균질처리 한 시료의 경우 전분 입자나 세포벽의 구조가 상당히 변형되었음을 알 수 있었다.
07 g/g로 현저히 증가한 반면 두 번 통과한 것은 더 작은 크기의 노즐(IC 100)을 사용하였지만 OHC 값의 증가 폭이 미비하였다. 따라서 IC 200의 1회 처리 만으로도 OHC의 큰 폭의 증가를 관찰 할 수 있었으며, 산지별 밀기울의 동일한 처리조건 하에서는 유의적인 차이가 없음을 알 수 있었다.
IC 200으로 1회 및 IC 100 2회 처리한 시료에 있어서는 유의적인 차이가 있었으나 IC 100 5회 처리한 시료는 IC 100 2회 처리한 시료와 유의적인 차이가 없었다. 따라서 경제적인 면과 기능적인 면을 고려할 때 IC 1002회 처리한 시료가 가장 효율적임을 알 수 있었다. 또한 산지별 밀기울 간에는 이화학적 특성에 큰 차이가 없는 것으로 나타나 우리밀과 수입밀의 밀기울 특성에는 차이가 없음을 알 수 있었다.
33 g/g으로 고압균질 처리된 시료보다 낮은 수화특성을 나타냈다. 또한 WHC 값은 입자 크기가 줄어들수록 증가하는 경향이 있어 1회와 2회 처리한 시료에서는 그 증가 폭이 유의적인 차이가 있으나 5회 처리한 시료에서는 2회 처리한 시료와 비교 했을 때 유의적인 차이가 없었다. 이러한 특성은 미국산, 호주산 밀기울에서도 마찬가지로 비슷한 경향으로 나타났다.
이러한 특성은 미국산, 호주산 밀기울에서도 마찬가지로 비슷한 경향으로 나타났다. 또한 국내산 밀기울에서 IC 200을 처음 통과한 결과 SC값이 4.70 g/g에서 9.90 g/g으로 증가했으며, SC 값은 입자 크기가 감소할수록 증가하는 경향을 나타내었다. 따라서 고압균질처리에 의한 입자크기 감소, 표면적의 증가와 물리적 구조의 변화는 WHC와 SC 같은 밀기울의 수화 특성의 변화로 이어지는 것으로 사료된다.
따라서 경제적인 면과 기능적인 면을 고려할 때 IC 1002회 처리한 시료가 가장 효율적임을 알 수 있었다. 또한 산지별 밀기울 간에는 이화학적 특성에 큰 차이가 없는 것으로 나타나 우리밀과 수입밀의 밀기울 특성에는 차이가 없음을 알 수 있었다. 결론적으로 밀기울의 고압균질처리에 의해 불용성 식이섬유소의 기능을 향상시킬 수 있으며 나아가 섬유소를 강화하고 유지와 수분의 보유를 필요로 하며 지질 흡수를 저해하는 식품에 기능성 소재로서 활용할 수 있을 것이다.
고압균질처리에 따른 OHC의 변화는 Table 2와 같다. 산지별 대조군의 평균 OHC 값은 2.51 g/g이었고 시료간에 유의적인 차이는 없는 것으로 나타났다. Thebaudin 등(17)이 연구한 밀기울의 입자크기가 600 μm였을 때 OHC 값이 2.
입자 크기와 용적밀도가 감소함에 따라 보수력, 팽창력, 보유력 및 양이온치환력을 증가시킬 수 있었다(p<0.05).
Table 2는 대조군 밀기울과 각각의 다른 조건에서 고압균질 처리된 밀기울의 보수력(WHC)과 팽창력(SC)을 나타낸 것이다. 전체적으로 고압균질처리에 의해 수분보유능력과 팽창도가 증가한 것을 알 수 있었고 동일한 처리조건 하에서 산지별 밀기울의 수화특성에는 유의적인 차이가 없음을 알 수 있었다. 국내산 대조군 밀기울의 WHC 값은 3.
52 μm로 2회와 5회 처리한 밀기울 간의 입자 크기에서는 큰 감소가 관찰되지 않았다. 한편 SD 값에 의해 나타난 입자 크기 분포도는 처리 회수가 증가함에 따라 감소함을 알 수 있었다.
후속연구
식이섬유에 있어서 CEC 값은 매우 중요한 생리적 기능을 지니는데, Thibault 등(26)에 따르면 CEC 값이 높으면 높을수록 지질 에멀전을 불안정화 시키고 붕괴시키며 흡착하는 능력이 증진되고 지방이나 콜레스테롤의 흡수를 감소시킨다고 보고하고 있다. 결과적으로 고압균질처리된 식이섬유소의 높은 CEC는 소장에서의 지질흡수를 방해함으로써 혈중 콜레스테롤을 저하시키고 최근 성인병의 발병률이 증가하고 있다는 점을 고려할 때 기능성 식품소재로서 건강상에 이로움을 줄 것으로 사료된다.
또한 산지별 밀기울 간에는 이화학적 특성에 큰 차이가 없는 것으로 나타나 우리밀과 수입밀의 밀기울 특성에는 차이가 없음을 알 수 있었다. 결론적으로 밀기울의 고압균질처리에 의해 불용성 식이섬유소의 기능을 향상시킬 수 있으며 나아가 섬유소를 강화하고 유지와 수분의 보유를 필요로 하며 지질 흡수를 저해하는 식품에 기능성 소재로서 활용할 수 있을 것이다. 따라서 본 연구는 미세화 처리를 통한 기능성 식품소재 개발에 도움이 될 것으로 사료된다.
결론적으로 초미세화 처리된 밀기울의 높은 WHC와 SC는 밀기울의 물리적 특성을 향상시키며(14), 저장 시 수분보유를 필요로 하는 식품에 응용하여 저칼로리 식품소재로서 활용할 수 있는 가능성이 있다고 볼 수 있다.
결론적으로 밀기울의 고압균질처리에 의해 불용성 식이섬유소의 기능을 향상시킬 수 있으며 나아가 섬유소를 강화하고 유지와 수분의 보유를 필요로 하며 지질 흡수를 저해하는 식품에 기능성 소재로서 활용할 수 있을 것이다. 따라서 본 연구는 미세화 처리를 통한 기능성 식품소재 개발에 도움이 될 것으로 사료된다.
본 연구에서 고압균질 처리된 밀기울의 OHC의 급격한 증가는 물리적으로 유지와 결합하려는 성질이 강화된 밀기울의 투과성, 다공성 그리고 모세관 인력 때문인 것으로 사료된다(22). 이는 유지의 보유를 필요로 하는 식품에 적용하여 기능성 섬유소로서 활용이 가능할 것으로 사료되며, 나아가 생리학적 측면에서 체내의 지방과 콜레스테롤의 흡수율을 저하시킬 수 있는 기능성 소재로서도 활용 가능할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
식품재료의 초미세화 기술 중 고압균질처리의 원리는?
여러 미세화 기술 중에서 고압균질처리는 가장 효과적임을 증명하고 있다(11). 고분자 분쇄 기술 중 하나인 고압균질(high-pressure homogenizer, HPH) 처리는 증압 펌프의 작용에 의해 고압의 상태에 있는 시료가 미세한 관을 통과할 때 순간적으로 저압의 상태로 변하게 되는데 이때 생성되는 cavitation, impact 및 shear force에 의해 시료가 매우 미세한 상태로 쪼개지게 된다(12). 고압유화기의 일종인 microfluidizer는 고압과 전단력에 의한 유화의 안정화 이외에 미생물 살균, 단백질과 전분의 기능성 조절작용 등이 보고되면서, 최근 식품가공의 여러 분야에서 주목 받고 있다.
고압유화기의 일종인 microfluideizer의 유익성은?
고분자 분쇄 기술 중 하나인 고압균질(high-pressure homogenizer, HPH) 처리는 증압 펌프의 작용에 의해 고압의 상태에 있는 시료가 미세한 관을 통과할 때 순간적으로 저압의 상태로 변하게 되는데 이때 생성되는 cavitation, impact 및 shear force에 의해 시료가 매우 미세한 상태로 쪼개지게 된다(12). 고압유화기의 일종인 microfluidizer는 고압과 전단력에 의한 유화의 안정화 이외에 미생물 살균, 단백질과 전분의 기능성 조절작용 등이 보고되면서, 최근 식품가공의 여러 분야에서 주목 받고 있다. 그 예로 당근의 불용성 식이섬유의 입자 크기가 줄어들면 콜레스테롤 억제효과가 있다는 것을 증명한 연구결과가 있다(13).
밀기울의 식품 소재화를 위해 산지별 밀기울의 고압균질처리에 따른 이화학적 특성변화를 관찰한 결과, 입자 크기와 용적밀도가 감소함에 따라 어떤 특성을 증가시킬 수 있었는가?
고압균질처리로 밀기울의 입자 크기를 효과적으로 줄일 수 있었으며, 이러한 미세화 처리에 의해 물리 화학적 특성을 변화시킬 수 있었다. 입자 크기와 용적밀도가 감소함에 따라 보수력, 팽창력, 보유력 및 양이온치환력을 증가시킬 수 있었다(p<0.05).
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