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문제 정의
- 본 연구에서는 한국인의 식생활에서 다양한 조리방법으로 열처리되는 마늘을 연구 대상으로 하여 조리방법에 따른 마늘의 항산화 활성 변화에 초점을 맞추고자 하였다. 마늘을 다지거나 편(slicing)으로 잘랐을 때 생성된 thiosulfinates는 서양 가정식 조리법으로 삶거나(simmering, boiling) 볶은(stir-frying) 후 ajoenes, 2-vinyl-4H-1,3-dithiin, diallyl sulfide, diallyl disulfide, diallyl trisulfide 등 다양한 유기 황 화합물로 분해되어 새로운 프로파일을 보여주었다(1).
- 또한, 화학적 지표로는 수용성 고형분, 물리적 지표로는 색 특성 변화를 함께 검토함으로써 마늘의 열처리 공정 중 일어나는 이화학적 변화와 항산화 활성과의 연관성도 아울러 탐색하였다. 특히 마늘의 조리방법과 관련된 다양한 인자 중 열전도 매체와의 직접적 접촉 여부와 열처리 강도의 영향에 초점을 맞추고자 하였다.
제안 방법
- DPPH 라디칼 소거능은 금속 소거능과 동일한 방법으로 산출되었으며, 결과는 추출물과 라디칼 간의 반응 시간에 따른 라디칼 소거능의 변화로 나타내었다. 3.5 mM gallic acid의 DPPH 라디칼 소거능을 측정하여 조리된 마늘의 라디칼 소거능과 비교하였다.
- 이후 spectrophotometer(UV-1650, Shimadzu, Kyoto, Japan)로 412 nm에서 흡광도를 측정하였다. Cysteine을 농도별로 조제하여 얻은 표준 검량곡선으로부터 총 thiosulfinates 함량을 역산출하였으며 정량 값은 allicin 당량(allicin equivalents, AE)으로 나타내었다.
- 마늘의 조리 조건은 한국인이 마늘을 섭취할 때 주로 사용하는 조리법을 기준으로 하여 생것(raw), 삶기(boiling), 찌기(steaming), 전자레인지로 가열하기(microwave cooking), 튀기기(프라잉, deep-frying, frying), 오븐으로 굽기(오븐 로스팅, oven-roasting), 기름을 두른 예열된 팬에서 가열하기(팬 프라잉, pan-frying), 기름을 두르지 않은 예열된 팬에서 가열하기(팬 로스팅, pan-roasting)로 총 8가지를 선정하였다. 각 조리법의 적정 가열 시간은 조리된 마늘의 관능적 특성(매운맛이 감소하고 먹기 좋은 상태로 부드러워짐)을 기준으로 하여 예비실험을 통해 결정하였다. 구체적 조리 조건은 다음과 같았다.
- 각각의 조리방법에 따라 얻어진 마늘 분말 0.2 g에 70%(v/v) 메탄올 5 mL를 첨가하여 shaking water bath(BS21, Jeio Tech, Daejeon, Korea)에서 70°C, 150rpm의 속도로 30분 동안 추출하였다.
- 따라서 본 연구에서는 한국인이 마늘을 섭취할 때 주로 사용하는 8종의 대표적 조리방법을 선정하여 마늘을 가열 처리한 후 각 조리방법이 마늘의 항산화 활성에 미치는 영향을 thiosulfinates, 총 환원력, 플라보노이드 함량, 금속 소거능, 라디칼 소거능 등 일련의 항산화 지표들의 평가와 비교를 통해 탐색하였다. 또한, 화학적 지표로는 수용성 고형분, 물리적 지표로는 색 특성 변화를 함께 검토함으로써 마늘의 열처리 공정 중 일어나는 이화학적 변화와 항산화 활성과의 연관성도 아울러 탐색하였다.
- 따라서 본 연구에서는 한국인이 마늘을 섭취할 때 주로 사용하는 8종의 대표적 조리방법을 선정하여 마늘을 가열 처리한 후 각 조리방법이 마늘의 항산화 활성에 미치는 영향을 thiosulfinates, 총 환원력, 플라보노이드 함량, 금속 소거능, 라디칼 소거능 등 일련의 항산화 지표들의 평가와 비교를 통해 탐색하였다. 또한, 화학적 지표로는 수용성 고형분, 물리적 지표로는 색 특성 변화를 함께 검토함으로써 마늘의 열처리 공정 중 일어나는 이화학적 변화와 항산화 활성과의 연관성도 아울러 탐색하였다. 특히 마늘의 조리방법과 관련된 다양한 인자 중 열전도 매체와의 직접적 접촉 여부와 열처리 강도의 영향에 초점을 맞추고자 하였다.
- 마늘은 껍질을 제거하여 손질한 후 밑변×높이×두께 각 1.3×2×0.5 cm의 편 형태로 잘랐다(모서리가 둥근 삼각형인 마늘 편에서 긴 양쪽을 밑변으로 하고 그 지점에서 나머지 한쪽까지의 거리를 높이로 하였다).
- 5 cm의 편 형태로 잘랐다(모서리가 둥근 삼각형인 마늘 편에서 긴 양쪽을 밑변으로 하고 그 지점에서 나머지 한쪽까지의 거리를 높이로 하였다). 마늘의 조리 조건은 한국인이 마늘을 섭취할 때 주로 사용하는 조리법을 기준으로 하여 생것(raw), 삶기(boiling), 찌기(steaming), 전자레인지로 가열하기(microwave cooking), 튀기기(프라잉, deep-frying, frying), 오븐으로 굽기(오븐 로스팅, oven-roasting), 기름을 두른 예열된 팬에서 가열하기(팬 프라잉, pan-frying), 기름을 두르지 않은 예열된 팬에서 가열하기(팬 로스팅, pan-roasting)로 총 8가지를 선정하였다. 각 조리법의 적정 가열 시간은 조리된 마늘의 관능적 특성(매운맛이 감소하고 먹기 좋은 상태로 부드러워짐)을 기준으로 하여 예비실험을 통해 결정하였다.
- 8423)로 중화 적정하였다. 소모된 NaOH 부피로부터 시료 속 총산의 함량을 구연산(citric acid, 64.04 g/molar equivalent)의 함량으로 산출하였다.
- 오븐 로스팅은 200°C로 예열한 컨벡션 오븐(CKF-P5, Zhongshan Guanglong Gas & Electrical Appliance Co., Zhongshan, China)에 준비된 마늘 편 500 g을 오븐용 팬에 겹치지 않게 펼쳐서 놓은 후 10분 동안 가열하였다.
- 이후 원심분리기(5810R, Eppendorf, Hamburg, Germany)로 3,061×g에서 15분 동안 원심분리 하고 상층액을 취하여 굴절률(refractometer, PR201, Atago, Tokyo, Japan)을 측정하였다.
- 전자레인지 가열은 마늘 편 500 g을 7등분 하여 출력 700 W, 상하좌우 모두에서 고주파가 분사되는 TDS(Triple Distribution System) 가열방식의 가정용 전자레인지(REC230T, Samsung, Suwon, Korea) 안에서 각각 3분씩 조리하였다.
- 조리 후 육안으로 관찰된 마늘의 전체적 색상을 대표할 수 있는 마늘 편들을 9회 선택하여 시료의 명도(L, lightness), 적색도(a, redness), 황색도(b, yellowness)를 색차계(CR400, Konica Minolta Sensing, Osaka, Japan)로 측정하였다. 표준 백색판을 이용하여 색차계를 calibration 한 후 L 값은 0(검은색)에서 100(흰색)까지, a값(적색도)은 -80(녹색)에서 100(적색)까지, b값(황색도)은 -70(청색)에서 70(황색)까지의 범위에서 측정하였다.
- 이후 원심분리기(5810R, Eppendorf, Hamburg, Germany)로 3,061×g에서 15분 동안 원심분리 하고 상층액을 취하여 굴절률(refractometer, PR201, Atago, Tokyo, Japan)을 측정하였다. 조리에 의해 기름을 함유한 시료들은 상층액이 아닌 중간 부분을 회수하여 굴절률을 측정하였다. 수용성 고형분 함량은 당의 농도(degrees Brix, °Brix)로 나타내었으며 증류수에 의한 희석배수는 측정된 값에 별도로 반영하지 않았다.
- Thiosulfinate 정량은 thiosulfinate 1분자와 cysteine 2분자가 반응하여 S-alkenyl 혹은 S-alkylmercaptocysteine을 형성하는 원리를 바탕으로 하였다(13). 즉 시료에 충분한 양의 cysteine을 첨가하여 시료 속 thiosulfinate와 반응시킨 후 남은 cysteine을 DTNB와 반응시켜 발색물을 형성시킴으로써 감소한 cysteine의 함량을 통해 최종적으로 시료의 thiosulfinate 함량을 역정량하였다. 메탄올 추출물 0.
- 팬 로스팅은 기름을 두르지 않고 212°C로 달군 팬에 마늘 편 500 g을 펼쳐서 놓고 중약불에서 타지 않게 뒤집어가며총 10분 동안 가열하였다.
- 팬 프라잉은 콩기름을 두르고 가열하여 200°C로 예열된 팬에 마늘 편 500 g을 펼쳐서 놓고 중약불에서 타지 않게 뒤집어가며 총 15분 동안 가열하였다.
- 플라보노이드 함량은 플라보노이드가 알칼리 상태에서 aluminum과 분홍색의 complex(flavonoid-aluminum complex)를 형성하는 원리를 바탕으로 분석하였다(15). 메탄올 추출물 100 µL에 10%(w/v) NaNO2 60 µL, 20% AlCl3 120µL를 혼합한 후 1 N NaOH 용액 400 µL와 증류수 900 µL를 순서대로 첨가하고, 5분 후 spectrophotometer(UV-1650, Shimadzu)로 510 nm에서 흡광도를 측정하였다.
- 금속 소거능은 blank와 비교하여 메탄올 추출물에 의해 감소하여진 흡광도의 비율로 계산되었다. 한편 3.5 mM gallic acid의 금속 소거능을 측정하여 조리된 마늘의 금속 소거능과 비교하였다. Gallic acid 농도 3.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 마늘 추출물은 Kim 등(8)의 연구에 따라 준비되었다. 각각의 조리방법에 따라 얻어진 마늘 분말 0.
- 본 실험에 사용된 마늘은 2013년 경북 의성산으로 2014년 3월 의성농협 쇼핑몰(http://www.usnonghyup.com)에서 구입하였다. 분석에 사용된 Folin-Ciocalteu's phenol reagent, gallic acid, quercetin, cysteine, N-(2-hydroxyethyl)piperazine-N'-2-ethanesulfonic acid(HEPES), 5,5'-dithiobis(2-nitrobenzoic acid)(DTNB), sodium nitrite(NaNO2), aluminum chloride(AlCl3), ferrous chloride(FeCl2), 3-(2-pyridyl)-5,6-diphenyl-1,2,4-triazine-p,p'-disulfonic acid monosodium salt hydrate(Ferro ZineTM iron reagent), 2,2'-diphenyl-1-picrylhydrazyl(DPPH)은 Sigma-Aldrich Co.
- 조리된 마늘의 수분 함량은 동결건조 전후의 무게 차이로 산출되었다. 한편 수용성 고형분 분석에는 동결건조 후 갈아진 마늘 분말을 사용하였다. 마늘 분말 5 g을 증류수 15 mL에 분산시키고 homogenizer(Wise Mix HG-15, Daihan Scientific, Seoul, Korea)로 약 30초 정도 균질화시켰다.
데이터처리
- ANOVA, Duncan's multiple range test로 각각의 특성에 대해 유의적 차이가 있는지를 검증하였다.
- 표준 백색판을 이용하여 색차계를 calibration 한 후 L 값은 0(검은색)에서 100(흰색)까지, a값(적색도)은 -80(녹색)에서 100(적색)까지, b값(황색도)은 -70(청색)에서 70(황색)까지의 범위에서 측정하였다. 결과는 9회 측정된 값들의 평균과 표준편차로 나타내었다.
- 조리 조건이 다른 8종 마늘의 이화학적 특성과 항산화 활성은 3회 이상 반복 측정되었으며, 통계처리 프로그램 SAS(ver. 9.1, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)를 이용하여 결과를 평균값과 표준편차로 나타내었다. ANOVA, Duncan's multiple range test로 각각의 특성에 대해 유의적 차이가 있는지를 검증하였다.
이론/모형
- 총 환원력은 시료 내부의 페놀성 및 비페놀성 환원 물질이 염기적 조건에서 Folin-Ciocalteu's reagent(phosphomo- lybdic phosphotungstic acid complexes)에 전자를 전달하여 발색물질을 형성하는 원리를 바탕으로 한 Folin-Ciocalteu's reagent 법(14)으로 분석하였다.
성능/효과
- 1%의 분포를 나타내었다. 8종 마늘 중 삶기와 전자레인지로 조리된 마늘에서 유기산 보유 정도가 유의적으로 가장 높았다. 일반적으로 열처리하게 되면 다당체나 아미노산 등에 결합하여 존재하는 페놀산(phenolic acids) 등의 유용성 분들이 유리형으로 전환되고, 세포막과 세포벽의 붕괴로 인해 식품 매트릭스로부터 이들의 용출성이 더 높아지는 것으로 알려져 있다(8).
- 비효소적 갈변반응의 중간산물들과 최종 갈변물질들이 항산화력을 지닌다는 점을 고려하면(6,7) 조리 후 마늘의 낮아진 명도는 주목할 만하다. 8종 마늘 중 프라잉(L=58.60) 과 팬 프라잉(L=59.65)으로 가열 처리된 마늘들이 가장 낮은 명도를 나타내었다. 이는 기름의 가열산화에 의한 갈변반응이 더 추가된 결과로 볼 수 있다(18).
- 반응액을 실온의 어두운 곳에 보관하면서 5분 간격으로 275분까지 525 nm에서 흡광도(UV-1650, Shimadzu)를 측정하였다. DPPH 라디칼 소거능은 금속 소거능과 동일한 방법으로 산출되었으며, 결과는 추출물과 라디칼 간의 반응 시간에 따른 라디칼 소거능의 변화로 나타내었다. 3.
- Folin-Ciocalteu 방법으로 측정된 마늘의 총 환원력(Table 2)은 건조 중량 기준으로 생마늘은 800 GAE μg/g이었으며, 조리 조건에 따라 유의적 차이를 나타내었다(P<0.01).
- 그러나 본 연구에서는 가열 온도가 높고 시간이 길수록 유기산의 함량이 유의적으로 낮은 경향을 나타내었다(P<0.05).
- 이는 프라잉된 마늘이 다른 마늘들에 비해 thiosulfinates와 플라보노이드 함량이 낮았고, 총 환원력 역시 낮았던 결과 (Table 2)와 연관된 것으로 볼 수 있다. 그러나 팬 로스팅과 오븐 로스팅으로 조리된 마늘들은 삶은 마늘에 비해 총 환원력과 플라보노이드 총량이 유의적으로 높았음에도 불구하고 DPPH 라디칼 소거능은 현저하게 낮은 특성을 보여주었다. 이는 개별 플라보노이드와 페놀성 물질들의 가열 온도에 대한 안정성과 라디칼 소거 활성의 차이로 해석될 수 있다.
- 셋째, Maillard 반응과 캐러멜 반응 같은 비효소적 갈변반응이 가속화되어 환원성을 지닌 다양한 갈변반응의 중간물질들(dicarbonyl compounds, reductones)과 최종물질들(melanoidin, melanin)들이 형성될 수 있다(6,7,12). 넷째, 그러나 일부 열에 약한 페놀성 물질들은 조리 중 분해(degradation)될 수 있고(25,26), 다섯째, 수용성 혹은 지용성을 띠는 페놀성 및 비페놀성 환원물질들은 열전달 매체로 사용된 물과 기름으로 용출되어 손실될 수 있다(27). 이에 따라 삶기, 프라잉, 팬 프라잉으로 조리된 마늘에서는 열전달 매체로 환원물질들이 손실되었을 가능성이 있으며, 조리온도가 상대적으로 높았던 오븐 로스팅, 팬 로스팅으로 조리된 마늘에서는 비효소적 갈변반응에 의한 항산화물질들이 총 환원력을 증가시켰을 것으로 해석할 수 있다.
- 1%)과 동일하였다 (19). 마늘은 조리 후 열처리 조건에 따라 27.6~71.7%의 넓은 분포의 수분 함량을 나타내었다(Table 1). 습열 조리법인 삶기와 찌기로 조리된 마늘의 수분 함량은 각각 71.
- Thiosulfinates는 세포질에 존재하는 황 화합물인 알린 (alliin, S-allylcysteine sulfoxide)과 액포 속의 알리나아 제(alliinase)가 마늘 조직이 파괴됨에 따라 서로 만나 효소 작용에 의해 형성된 마늘의 매운맛과 향의 주성분이다(23). 본 실험에서 마늘을 편(slicing) 형태로 전처리하는 공정 중 생마늘은 thiosulfinates가 건조 중량 기준으로 12.16 AE mg/g 생성되었으며, 조리된 마늘은 5.19~9.05 AE mg/g의 분포로 유의적이지는 않으나 감소한 경향을 보여주었다 (Table 2). 이는 첫째, 가열처리에 의해 알리나아제가 불활성화되므로 thiosulfinates가 조리 중 더는 생성되지 않았으며, 둘째, 마늘 편을 준비하는 동안 효소적 반응 때문에 생성되었던 thiosulfinates가 열에 불안정한 특성으로 인해 가열조리하는 동안 대부분 disulfides, trisulfides 등의 polysulfides로 분해된 결과로 해석할 수 있다(1).
- 일반적으로 산화촉진 전이금속인 Fe2+를 소거할 수 있는 물질들은 pKa가 낮아 음전하를 띨 수 있는 페놀산을 포함한 유기산들이다. 본 연구에서 상대적으로 높은 온도와 긴 시간 동안 조리된 마늘일수록 유기산 보유 정도는 낮았으나(Table 1), 이들 마늘의 금속 소거능은 오히려 생마늘보다도 유의적으로 높았다. 이는 열처리 강도가 높은 조건에서 금속 소거능을 지닌 물질들이 새로이 생성되었음을 시사해준다.
- 생마늘과 조리된 마늘의 수용성 고형분 함량은 유의적 차이를 보였으며(P<0.001), 특히 명도가 가장 낮았던 프라잉과 팬 프라잉으로 조리된 마늘들에서 그 함량이 가장 낮았다 (Fig. 1, Table 1).
- 둘째, 산화효소가 불활성화되어 페놀성분들의 효소적 산화에 의한 손실을 줄일 수 있다(24). 셋째, Maillard 반응과 캐러멜 반응 같은 비효소적 갈변반응이 가속화되어 환원성을 지닌 다양한 갈변반응의 중간물질들(dicarbonyl compounds, reductones)과 최종물질들(melanoidin, melanin)들이 형성될 수 있다(6,7,12). 넷째, 그러나 일부 열에 약한 페놀성 물질들은 조리 중 분해(degradation)될 수 있고(25,26), 다섯째, 수용성 혹은 지용성을 띠는 페놀성 및 비페놀성 환원물질들은 열전달 매체로 사용된 물과 기름으로 용출되어 손실될 수 있다(27).
- 7%의 넓은 분포의 수분 함량을 나타내었다(Table 1). 습열 조리법인 삶기와 찌기로 조리된 마늘의 수분 함량은 각각 71.7%와 62.7%로 건열 조리법으로 조리된 마늘들보다 상대적으로 높았다. 마늘은 프라잉 후 수분 함량이 27.
- 05). 열전달 매체를 사용한 삶기, 프라잉, 팬 프라잉으로 조리된 마늘에서 플라보노이드 보유 정도가 가장 낮았으며, 찐 마늘과 전자레인지로 조리된 마늘에서는 생마늘보다도 높은 함량의 플라보노이드가 검출되었다. 이 현상은 선인장(9)과 찰옥수수(27)를 다양한 조리법으로 조리한 후 플라보노이드 함량을 측정한 결과와 매우 일치하였다.
- 오븐 로스팅(200°C, 10분), 팬 프라잉(200°C, 15분), 팬 로스팅(212°C, 10분)으로 조리된 마늘은 수분 함량이 각각 48.8%, 33.6%, 42.2%로 나타나 가열 시간이나 온도가 높을수록 수분 손실이 상대적으로 크게 일어났음을 알수 있었다.
- 전자레인지로 가열된 마늘(817 GAE μg/g)은 생마늘과 총 환원력이 유의적으로 다르지 않았으나 삶은 마늘(721 GAE μg/g)에서는 가장 낮았으며, 비교적 가열 온도가 높은 조리법으로 조리된 마늘에서는 높은 총 환원력을 나타내었다.
- 이 결과는 조리 시 열처리 강도(온도와 지속시간)에 따라 마늘 내부에서 일어날 수 있는 다양한 화학반응들의 상대적 기여도의 차이로 해석할 수 있다. 첫째, 열처리에 의해 마늘 내부에서 대부분 결합형으로 존재하는 페놀성 물질들이 유리형으로 전환되고 세포막과 세포벽의 붕괴와 식품 조직의 연화로 이들 물질의 용출성이 증가할 수 있다(8,9). 둘째, 산화효소가 불활성화되어 페놀성분들의 효소적 산화에 의한 손실을 줄일 수 있다(24).
- 총산도로 측정된 마늘의 유기산 함량(Table 1)은 건조 중량 기준으로 생마늘은 2.1%였고, 조리된 마늘은 1.7~2.1%의 분포를 나타내었다. 8종 마늘 중 삶기와 전자레인지로 조리된 마늘에서 유기산 보유 정도가 유의적으로 가장 높았다.
- 2). 특히 상대적으로 높은 가열 온도에서 열전달 매체를 사용한 프라잉으로 조리된 마늘에서 가장 낮은 DPPH 라디칼 소거능이 나타났다. 이는 프라잉된 마늘이 다른 마늘들에 비해 thiosulfinates와 플라보노이드 함량이 낮았고, 총 환원력 역시 낮았던 결과 (Table 2)와 연관된 것으로 볼 수 있다.
- 플라보노이드 함량(Table 2)은 건조중량 기준으로 생마늘은 2,469 QE μg/g이었고, 조리된 마늘은 2,068~3,756 QE μg/g의 분포를 보임으로써 총환원력 결과와 동일하게 조리 조건에 따른 유의적 차이가 관찰되었다(P<0.05).
후속연구
- 또한, 다양한 가열 조건으로 제조된 흑마늘의 경우에도 총 페놀산 함량은 생마늘보다 모두 유의적으로 높았으나, gallic acid, caffeic acid, ferulic acid 등 일부 개별 페놀산의 경우에는 증가 후 현저한 감소 현상을 나타내었다(8). 열처리는 복잡한 식품 매트릭스 안에서 다양한 화학반응을 촉진하는 중요 요인이므로 거시적 측면에서 총 플라보노이드와 페놀성 물질의 변화를 탐색하는 과정뿐 아니라, 조리 후 일어난 이들 물질의 상대적 조성 변화에 대한 미시적 연구가 후속으로 진행되어야 할 것이다.
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