대추 식초 음료 생산을 위한 대추 추출액 발효 조건 최적화 Optimization of Acetic Acid Fermentation for Producing Vinegar from Extract of Jujube (Zizyphus jujuba Mill.) Fruits원문보기
대추 추출물로부터 식초를 생산하기 위한 발효공정의 최적 조건을 연구하였다. 아세트산 세균을 이용한 발효 공정의 조절 변수로 초기 세균수, 에탄올의 농도, 대추 추출물의 농도, 온도, pH를 고려하여 반응 표면 분석법을 통해 분석하였다. FCD 기반의 통계 분석을 통해, 영향이 낮은 것으로 나타난 초기 세균수와 대추 추출물의 농도는 고려요소에서 제거한 다음, 아세트산 생성과 최대 산도를 얻을 수 있는 발효 공정 최적 조건을 탐색하였다. 최대 산도와 최대 아세트산 생성 조건에 대해 각각 $R^2$값이 0.71, 0.78로 나타난 반응 표면 회기식 분석을 통해 7.69% 에탄올을 함유한 25%의 대추 추출물로부터 $21.75^{\circ}C$에서의 아세트산 발효를 통해 52.76 mg/mL의 아세트산을 생산하는 것이 최대 효율 공정으로 예측되었으며 이를 실험을 통해 검증하였다.
대추 추출물로부터 식초를 생산하기 위한 발효공정의 최적 조건을 연구하였다. 아세트산 세균을 이용한 발효 공정의 조절 변수로 초기 세균수, 에탄올의 농도, 대추 추출물의 농도, 온도, pH를 고려하여 반응 표면 분석법을 통해 분석하였다. FCD 기반의 통계 분석을 통해, 영향이 낮은 것으로 나타난 초기 세균수와 대추 추출물의 농도는 고려요소에서 제거한 다음, 아세트산 생성과 최대 산도를 얻을 수 있는 발효 공정 최적 조건을 탐색하였다. 최대 산도와 최대 아세트산 생성 조건에 대해 각각 $R^2$값이 0.71, 0.78로 나타난 반응 표면 회기식 분석을 통해 7.69% 에탄올을 함유한 25%의 대추 추출물로부터 $21.75^{\circ}C$에서의 아세트산 발효를 통해 52.76 mg/mL의 아세트산을 생산하는 것이 최대 효율 공정으로 예측되었으며 이를 실험을 통해 검증하였다.
The optimum conditions for producing vinegar from Jujube (ziziphus jujuba) juice using Acetobacter aceti were exploited by employing the response surface methodology (RSM). In addition to the initial concentration of ethanol, which is known to be a significant factor affecting acetic acid fermentati...
The optimum conditions for producing vinegar from Jujube (ziziphus jujuba) juice using Acetobacter aceti were exploited by employing the response surface methodology (RSM). In addition to the initial concentration of ethanol, which is known to be a significant factor affecting acetic acid fermentation, the effects of initial concentration of Jujube juice, A. aceti concentration, pH, and temperature on acetic acid fermentation were also investigated. Out of these factors, the effects of the initial concentration of jujube juice and inoculation amount of A. aceti were determined to be negligible based on statistical analysis. By employing the face-centered experimental design in RSM, the optimum conditions for acetic acid fermentation were exploited for achieving maximum acidity and acetic acid production. The coefficients ($R^2$) of the derived equations from the response surface regression were 0.71 and 0.78 for acidity and acetic acid production, respectively. The maximum production of acetic acid was expected to be 52.76 mg/mL from 25% jujube extract at $21.75^{\circ}C$ with 7.69% alcohol content.
The optimum conditions for producing vinegar from Jujube (ziziphus jujuba) juice using Acetobacter aceti were exploited by employing the response surface methodology (RSM). In addition to the initial concentration of ethanol, which is known to be a significant factor affecting acetic acid fermentation, the effects of initial concentration of Jujube juice, A. aceti concentration, pH, and temperature on acetic acid fermentation were also investigated. Out of these factors, the effects of the initial concentration of jujube juice and inoculation amount of A. aceti were determined to be negligible based on statistical analysis. By employing the face-centered experimental design in RSM, the optimum conditions for acetic acid fermentation were exploited for achieving maximum acidity and acetic acid production. The coefficients ($R^2$) of the derived equations from the response surface regression were 0.71 and 0.78 for acidity and acetic acid production, respectively. The maximum production of acetic acid was expected to be 52.76 mg/mL from 25% jujube extract at $21.75^{\circ}C$ with 7.69% alcohol content.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 아세트산 세균 발효 조건을 최적화하여 우수한 기호성의 대추 양조 식초를 대량 생산하는 조건을 찾고자 하였다. 아세트산 발효 시, 원료마다 최적 조건들이 달리 나타나고, 알코올 농도, 발효 온도, 당 농도 등이 주요영향 인자로 작용할 것으로 판단된다.
제안 방법
500 mL 삼각플라스크에 전배양된 A. aceti를 3%(v/v) 만큼 접종한 20% 건대추 착즙액(13.25±0.21oBx) 100 mL을 요인변수로 설정된 발효온도(X1)와 초기 에탄올 함량(X2)로 각각 3수준(-1,0,1)로 부호화하고 11개의 실험 조건들을 설계하여 반응표면 분석을 실시하였다. 이 때 아세트산배양액 특성지표 반응변수로는 아세트산함량(Y1)과 산도(Y2)로 설정하였다.
또한, 식초는 발효과정 중 아세트산 세균의 작용으로 생성되는 아세트산이 총산 함량을 좌우하여 품질판정의 지표로 이용되지만, 이외에도 다양한 유기산이 함께 함유되어 식초의 산미를 형성한다고 하였다(16). 따라서 발효 온도(X1)와 초기 알코올 농도(X2)를 요인변수, 아세트산 함량(Y1)과 산도(Y2)를 반응변수로 하여 아세트산 발효의 최적 발효 조건을 반응표면분석법으로 조사하였다.
초기 아세트산 세균 접종량은 발효 특성을 결정짓는 주요 요소로 알려져 있다(17). 따라서 초기 아세트산 세균 접종량에 따른 아세트산발효 특성변화를 보기 위해 아세트산 세균(AA) 접종 농도를 1-10% (v/v)로 달리하고 배양 후 72시간과 16일이 경과하였을 때의 균, 에탄올, 아세트산 및 환원당 농도의 변화 및 차이를 조사하였다. 일반적으로 초기 접종량이 많을수록 생육 곡선에서의 유도기(lag phase)가 짧아지나, 아세트산 발효에 적합한 초기 접종량이 따로 존재하였다(Fig.
발효온도가 아세트산 세균 생육과 아세트산 생산에 미치는 영향은 5% 알코올을 함유한 25% 건대추 착즙액에 전배양한 아세트산 세균이 5% (v/v)가 되도록 접종하고 27, 30, 33, 40oC에서 200 rpm의 조건으로 진탕배양하면서 아세트산 세균의 생육과 배양액의 산도, 환원당량, 에탄올 농도 변화를 측정 조사하였다.
아세트산 세균의 접종량이 아세트산 세균 생육과 아세트산 생산에 미치는 영향을 알아보기 위하여 5% 알코올을 함유한 25% 건대추 착즙액에 전배양한 아세트산 세균이 1, 3, 5, 10% (v/v)가 되도록 접종하고 30oC에서 200 rpm의 조건으로 진탕배양하면서 생육과 산도, 환원당량, 에탄올 농도를 측정하였다. 초기 당 농도가 아세트산 세균 생육과 아세트산 생산에 미치는 영향은 5% 에탄올을 함유한 대추 착즙액에 전배양한 아세트산 세균 5% (v/v)을 접종하여 30oC에서 200 rpm에서 진탕 배양하고 이 때, 건대추착즙액을 5, 10, 15, 20, 25%의 다양한 농도를 사용하여, 생육과산도, 환원당량, 에탄올 농도를 측정하여 조사하였다.
조사된 최적점에서의 대추 식초 생산량을 검증하기 위해 초기 에탄올 농도 7.69%, 21.75oC의 조건에서 배양기간에 따른 아세트산 발효를 살펴보았다. 아세트산 세균의 생장은 초기에 유도기가 거의 나타나지 않으며 5일에 가장 높게 나타났으나 그 이후 서서히 감소를 보였다.
C에서 200 rpm의 조건으로 진탕배양하면서 생육과 산도, 환원당량, 에탄올 농도를 측정하였다. 초기 당 농도가 아세트산 세균 생육과 아세트산 생산에 미치는 영향은 5% 에탄올을 함유한 대추 착즙액에 전배양한 아세트산 세균 5% (v/v)을 접종하여 30oC에서 200 rpm에서 진탕 배양하고 이 때, 건대추착즙액을 5, 10, 15, 20, 25%의 다양한 농도를 사용하여, 생육과산도, 환원당량, 에탄올 농도를 측정하여 조사하였다. 초기 에탄올 농도에 따른 영향을 알아보기 위해 3, 4, 5, 6, 7%의 에탄올을 함유한 25% 건대추 착즙액에 전배양한 아세트산 세균 5% (v/v)을 접종하고 30oC에서 200 rpm에서 진탕 배양하며 이때의, 생육과 산도, 환원당량, 에탄올 농도를 측정하였다.
초기 당 농도가 아세트산 세균 생육과 아세트산 생산에 미치는 영향은 5% 에탄올을 함유한 대추 착즙액에 전배양한 아세트산 세균 5% (v/v)을 접종하여 30oC에서 200 rpm에서 진탕 배양하고 이 때, 건대추착즙액을 5, 10, 15, 20, 25%의 다양한 농도를 사용하여, 생육과산도, 환원당량, 에탄올 농도를 측정하여 조사하였다. 초기 에탄올 농도에 따른 영향을 알아보기 위해 3, 4, 5, 6, 7%의 에탄올을 함유한 25% 건대추 착즙액에 전배양한 아세트산 세균 5% (v/v)을 접종하고 30oC에서 200 rpm에서 진탕 배양하며 이때의, 생육과 산도, 환원당량, 에탄올 농도를 측정하였다.
대상 데이터
아세트산 발효를 하기 위한 건대추는 보은에서 구매한 보은대추를 사용하였다. 또한 본 실험에 사용한 Acetobacter aceti(KCCM 12654)은 (사)한국종균협회 부설 한국미생물보존센터(Seoul, Korea)에서 구매하여 사용하였다.
아세트산 발효를 하기 위한 건대추는 보은에서 구매한 보은대추를 사용하였다. 또한 본 실험에 사용한 Acetobacter aceti(KCCM 12654)은 (사)한국종균협회 부설 한국미생물보존센터(Seoul, Korea)에서 구매하여 사용하였다.
데이터처리
3회 이상 반복하여 얻어진 실험결과들은 분산분석을 통해 유의적으로 차이가 나는 경우, 던칸시험(Duncan’s test)을 통해 유의수준 p=0.05에서 그 유의성을 검증하였다. 반응표면분석에서 독립변수 X1와 X2에 대한 종속변수 Y(산도, 아세트산함량)는 다음과 같은 2차 회귀식으로 나타낼 수 있었다.
대추식초 생산 최적 배양조건을 찾기 위하여 SAS 프로그램(Version 9.1, SAS Institute, Cary, NC, USA)을 이용하여 반응표면분석을 실시하였으며, face centered design (FCD)에 따라 실험을 설계하였다. 500 mL 삼각플라스크에 전배양된 A.
모든 통계 처리 작업은 통계 소프트웨어 package인 SAS (version 9.1 SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)를 이용하여 실시하였으며, 반응표면그래프는 Mathematica (version 7.1, Wolfram, Champaign, IL, USA)를 사용하여 나타내었다.
이론/모형
대추열매 추출액의 당도는 추출액을 원심분리한 상층액을 취한 후 당도계(PR-101α, ATAGO, Tokyo, Japan)을 사용하여 측정하였다. 아세트산 발효 배양액의 환원당 정량은 DNS법으로 정량하였다. 즉, 반응액을 취해 희석하여 0.
성능/효과
또한 16일의 장기 배양 후 아세트산함량 또한 72시간에 비하여 큰 변화를 보이지 않아(Fig. 1(D)), 비록 유도기의 차이가 있더라도 균의 기질이 제한되어 있는 상태로 충분한 시간이 지나면 거의 동일한 균 농도로 자라며, 1% (v/v) 이상의 균 접종량이면 충분한 아세트산 발효가 진행되었음을 알 수 있었다. 다만, 접종량이 높을수록 균의 증식에서의 유도기가 짧아지므로, 빠른 아세트산 발효 공정을 위해서는 3%의 접종량이 대추 아세트산 발효에 적합함을 알 수 있었다.
8% 이상의 에탄올을 사용한 선행실험에서는 균의 생장이 크게 감소하여 72시간 후 균 농도가 상대적으로 매우 낮게 나타났다. 5% 이하의 에탄올이 사용되었을 때 보다 5-7% 에탄올이 사용되었을 때 높은 아세트산 생성을 보였고, 특히 에탄올 함량이 6%일 때 유의적으로 높은 값을 보였다. 당 함량을 비교한 결과, 초기 72시간에는 에탄올 함량이 3%일 경우에 환원당 함량이 상대적으로 높았으나 다른 에탄올 농도에서도 큰 차이는 나타나지 않았다.
따라서 산도는 능선분석을 통해 아세트산 생성이 가장 높은 점을 구하였다. 그 결과 초기 에탄올 농도를 7.69%로 하여 21.75oC에서 19일 동안 발효하면 52.76 mg/mL의 아세트산 생산을 기대할 수 있으며, 초기 에탄올 농도 7.86%로 하여 22.16oC에서 19일 동안 발효하면 5.53%의 산도를 기대할 수 있을 것으로 예측되었다. 이는 22oC가 최적 온도로 보고한 엿기름의 아세트산 발효 조건 최적화 연구나(20), 25oC가 최적 발효 온도라고 보고한 Acetobacter sp.
1(D)), 비록 유도기의 차이가 있더라도 균의 기질이 제한되어 있는 상태로 충분한 시간이 지나면 거의 동일한 균 농도로 자라며, 1% (v/v) 이상의 균 접종량이면 충분한 아세트산 발효가 진행되었음을 알 수 있었다. 다만, 접종량이 높을수록 균의 증식에서의 유도기가 짧아지므로, 빠른 아세트산 발효 공정을 위해서는 3%의 접종량이 대추 아세트산 발효에 적합함을 알 수 있었다.
상기 발효 환경 조건별 실험을 통해 대추의 아세트산 발효에 초기 에탄올 함량과 발효 온도의 영향이 크다는 사실을 알 수 있었다. 따라서 중심합성계획법에 따라 아세트산 생산의 최적화를 위해 19일 동안 초기 에탄올 함량과 발효 온도를 요인변수들로 고려한 반응표면분석을 실시하여 아세트산 생성과 산도, 각각에 대한 Table 1(A)과 같은 이차 회귀식 (R2값은 각각 0.71, 0.78)을 얻었다. 고려된 요인변수들 중 발효 온도의 반응변수인 아세트산 함량과 산도의 아세트산 생산에 대한 개별적 영향이 통계적으로 유의한 것으로 조사되었다(Table 1(B)).
따라서, 초기 에탄올 함량은 초기 균 증식에는 많은 영향을 주지만, 균 증식기의 아세트산 생산에는 영향을 주지 않음을 알 수 있었다. 하지만, 균 증식 후의 대사 물질인 아세트산 생성에는 에탄올 함량이 주요 영향인자로 작용함을 알 수 있었다.
Lee 등(7)에 의하면 아세트산 발효의 기질인 알코올을 일정량 첨가하면 초기에 빠른 산의 증가에 따른 pH의 감소로 인해 잡균의 증식억제와 함께 산 생성이 급격하게 증가한다고 한다. 따라서, 초기 에탄올 함량의 발효 효율에 대한 영향을 알아보기 위해, 선행 아세트산 발효 실험 결과를 바탕으로 3-7%의 초기 에탄올적용에 따른 72시간(Fig. 3(A), (B))과 16일(Fig.
4). 발효 온도는 초기 72시간 내 발효과정에서는 균 생장에 큰 영향을 나타내었으나 발효시간이 길어질수록 그 영향이 적어지는 것으로 나타났다. 30oC를 정점으로 이보다 온도가 증가하면 72시간 내 균 생장이 크게 억제되었으나, 16일 이후의 발효 상태에서는 발효 온도에 상관없이 일정한 수준의 균 농도를 유지하였다.
상기 발효 환경 조건별 실험을 통해 대추의 아세트산 발효에 초기 에탄올 함량과 발효 온도의 영향이 크다는 사실을 알 수 있었다. 따라서 중심합성계획법에 따라 아세트산 생산의 최적화를 위해 19일 동안 초기 에탄올 함량과 발효 온도를 요인변수들로 고려한 반응표면분석을 실시하여 아세트산 생성과 산도, 각각에 대한 Table 1(A)과 같은 이차 회귀식 (R2값은 각각 0.
따라서, 초기 에탄올 함량은 초기 균 증식에는 많은 영향을 주지만, 균 증식기의 아세트산 생산에는 영향을 주지 않음을 알 수 있었다. 하지만, 균 증식 후의 대사 물질인 아세트산 생성에는 에탄올 함량이 주요 영향인자로 작용함을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대추 열매는 어떤 약용 성분들에 대해 설명하시오.
대추 열매는 단백질, 지방 등의 영양소와 더불어 다양한 당류, 유기산류, 비타민(vitamin)류와 미량의 무기원소들로 구성되어 있고, 특히 비타민 C와 인 성분이 풍부하고 식이섬유 함유량 또한 매우 높다. 뿐만 아니라 완화제, 이뇨제, 강장제, 담즙증, 강정, 체력회복, 거담제, 항염증제 등의 약리효과가 있는 것으로 알려진 각종 스테롤(sterol), 알칼로이드(alkaloid), 사포닌(saponin), 비타민류, 유기산류, 아미노산류 등의 약용 성분들이 다량 존재하는 것으로 알려져 있으며(3), 대추에 함유되어 있는 페놀성 화합물은 항산화활성(4), 항암작용(5)을 하는 것으로 알려져 있다. 특히, 각종 호르몬(hormone), 프로스타글란딘(prostaglandin), 그리고 카테콜아민(catecholamine)의 분비 등의 신호전달에 관여하는 2차 대사 물질인 c-AMP (cyclic adenosine monophosphate, adenosine, 3'-, 5'-cyclic monophosphate)의 경우(6,7), 대추에 포함된 것에서만 약리, 생리 활성이 나타나는 것으로 보고 되고있다(6).
식초는 어떤 식품인가?
식초는 동서양을 막론하고 오랜 옛날부터 이용되어온 전통식품으로 소량의 휘발성 및 비휘발성의 유기산, 당류, 아미노산, 에스터(ester) 등을 함유한 독특한 방향과 신맛을 지닌 대표적인 발효식품이다(12). 식초는 동맥경화, 고혈압 등의 성인병 예방효과, 식품중독세균의 살균효과, 콜레스테롤 저하효과, 체지방감소, 피로회복 등의 기능이 밝혀져 있다(13).
가공식품 개발에 있어서 대추의 단점은?
다양한 음식료품들이 대추를 이용하여 개발되어 왔으며, 대추 추출액을 첨가한 빵 반죽의 이화학적 특성(8), 대추 추출물이 유산균의 생육에 미치는 영향(9), 반응표면분석에 의한 건대추의 추출 조건 최적화(10) 등 대추를 식품으로 활용하기 위한 여러 연구들이 진행되어 왔다. 하지만, 가공식품 개발에 있어서 대추의 상대적으로 높은 당 농도는 지나치게 높은 감미도로 인해 상품의 기호도를 떨어뜨리는 단점이 있다. 따라서 당을 균의 생육에 활용하는 발효 공정기반의 발효 상품의 개발은 대추의 당 농도 조절을 통한 기호도 향상뿐만 아니라, 다양한 발효산물로 인한 혈압강하, 피로회복, 칼슘 흡수 촉진 등 여러 가지 생리적 기능을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
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