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문제 정의
- 기존 연구 중 글루텐과 분리대두단백의 혼합 압출성형에 대한 성질에 따른 비교 연구는 미비하였다. 따라서 본 연구는 분리대두단백을 수분 함량과 글루텐 첨가량을 달리하여 압출성형 했을 때 조직화 및 물리적 특성을 알아보기 위하여 비기계적 에너지 투입량, 수분 흡수율, 조직감, 색도, 조직잔사지수, 수용성 질소지수 등의 변화를 살펴보았다.
제안 방법
- 압출성형물의 조직화 정도를 가장 쉽게 평가할 수 있는 것은 관능평가지만 섬유상 조직감을 수치상으로 나타내기는 어렵다. 따라서 본 실험에서는 육조직 평가에 사용되는 조직보존성 측정법을 조직화 평가에 맞게 변형한 Han 등(15)과 Park 등(19)의 방법을 응용하여 압출성형물의 조직잔사지수를 측정하였다. 시중에 유통되는 고기의 조직잔사지수는 Fig.
- 수화된 압출성형물의 조직감은 Sun Rheo-meter(Compac-100Ⅱ, Sun Sci. Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 10회 측정한 후 평균값을 산출하였다. 압출성형물을 probe에 닿는 단면이 1 cm×1 cm가 되게 성형 후 90℃에서 2시간 수화하여 복원 후 측정하였다.
- 시료의 총질소량은 시료 0.5 g(d.b. 기준)에 6 N 염산(Samchun Chemical Co., Pyeongtaek, Korea)을 사용하여 100°C, 24시간 가수분해하고 증류수 30 mL에 희석한 후 30℃, 3,000 rpm에서 30분간 원심분리 한 다음 40배 희석 후 상등액 0.15 mL를 채취하여 측정하였다.
- 용융물의 온도는 전열기와 냉각수를 사용하여 조절하였다. 압출성형 공정변수는 수분 함량에 따른 물리적 특성을 알아보기 위해 원료 사입량 100 g/min, 사출구 온도 140℃, 스크루 회전속도 250 rpm으로 고정시키고 분리대두단백에 첨가된 글루텐의 배합비는 각각 20, 40, 60%로, 수분 함량은 45, 50, 55%로 조절하였다. 제조한 압출성형물은 Fig.
- 3에 나타내었다. 압출성형물을 50℃에서 8시간 건조보관 후 고온에서 수화하여 수분 흡수율, 조직감, 조직잔사지수를 측정하였고, 가정용 분쇄기(FM-909T, Hanil, Haman, Korea)로 분쇄한 후 50 mesh 체망에 통과시킨 다음 70 mesh 체망에 거른 분말을 시료로 사용하여 수용성 질소지수, 색도를 측정하였다.
- 압출성형물을 90℃의 물에 2시간 수화시킨 후 동결 건조하여 단면을 백금으로 코팅 후 고분해능 주사전자현미경(MIRA LMH, Tescan, Brno, Czech)으로 가속전력 20 kV에서 미세구조를 관찰하였다.
- 압출성형물의 수분 흡수량을 평가하기 위하여 수분 흡수율(hydration ratio)을 Lawton(18)의 방법을 응용하여 다음과 같이 측정하였다. 압출성형물 10 g을 121℃에서 15분간 가압 가열하여 복원 후 무게를 측정하여 다음 식 (6)에 따라 산출하였다.
- 수분 함량은 펌프로 원료사입구에 직접 물을 주입하여 조절하였다. 용융물의 온도는 전열기와 냉각수를 사용하여 조절하였다. 압출성형 공정변수는 수분 함량에 따른 물리적 특성을 알아보기 위해 원료 사입량 100 g/min, 사출구 온도 140℃, 스크루 회전속도 250 rpm으로 고정시키고 분리대두단백에 첨가된 글루텐의 배합비는 각각 20, 40, 60%로, 수분 함량은 45, 50, 55%로 조절하였다.
- 조직화 압출성형물의 조직형성 정도를 평가하기 위하여 조직잔사지수(integrity index)를 Park 등(19)의 방법을 변형하여 다음과 같이 측정하였다. 압출성형물 5 g을 80℃의 물에서 30분간 침지 후 121℃에서 45분간 가압 가열하여 homogenizer(IKA, Staufen, Germany)에서 15,000 rpm으로 1분간 균질화시킨 다음 20 mesh 체에 걸러내었다.
대상 데이터
- 20%였다. 분석시약은 ninhydrin(Duksan Chemical Co., Ansan, Korea), ethylene glycol(Daejung Chemical Co., Goryeong, Korea), acetic acid(Daejung Chemical Co.), sodium acetate(Duksan Chemical Co.), stannous chloride(Kokusan Chemical Co., Kita Saiwai, Nishi-ku, Japan)를 구입하여 사용하였다.
- 1과 같다. 사출구의 구조는 Fig. 2와 같으며, 길이는 약 4.4 cm이고, 직사각형 형태로 너비 1 cm, 높이가 0.45 cm인 것을 사용하였다. 수분 함량은 펌프로 원료사입구에 직접 물을 주입하여 조절하였다.
- 실험에 사용된 압출성형기는 실험용 동방향 쌍축 압출성형기(THK31T, Incheon Machinery Co., Incheon, Korea)로 스크루 직경은 30 mm, 길이와 직경의 비(L/D ratio)는 23:1이었고, 스크루의 배열은 Fig. 1과 같다. 사출구의 구조는 Fig.
- 실험에 사용한 분리대두단백(Wachsen Industry Co., Qingdao, China)과 글루텐(Roquette Freres, Lestrem, France)의 수분 함량은 6.20%였다. 분석시약은 ninhydrin(Duksan Chemical Co.
데이터처리
- 1)Values with different letters in the same column for each gluten content are significantly different (P<0.05) by Duncan’s multiple range test.
- 2)Values with different letters in the same column for each gluten content are significantly different (P<0.05) by Duncan’s multiple range test.
- 결과의 통계처리는 SPSS(Statistical Package for the Social Science, version 23.0) 프로그램(IBM-SPSS, Thornwood, NY, USA)을 이용하여 일원배치분산분석(one-way ANOVA)을 실시한 후 유의적 차이가 있는 항목에 대해서 P<0.05 수준에서 그 결과를 Duncan’s multiple range test로 검정하였다.
이론/모형
- 비기계적 에너지 투입량(specific mechanical energy input, SME input)은 Ryu와 Mulvaney(16)의 방법을 이용하여 압출성형기가 단위 질량당 소비한 전기에너지로 나타내었다. 즉 원료 투입 시의 전력과 모터 공회전 시의 전력의 차와 압출성형물의 생산량과의 비로부터 실제 원료에 투입된 전력을 식 (1)로 구하였다.
- 수용성 질소지수(nitrogen solubility index, NSI) 측정을 위해 질소량을 Ninhydrin법(20)을 응용하여 0.5% KOH 수용액을 이용하여(21) 측정 후 다음 식 (8)에 따라 산출하였다.
- 측정조건은 probe angle type(65°), 최대응력 2 kg, 지지대 이동속도 100 mm/min이었다. 측정치로 탄성력(Fs)과 응집력(Fc)을 Trinh과 Glasgow(17)가 제시한 방법을 이용하여 식 (2)와 식 (3)으로 계산하였고 절단력(Fcs)을 식 (4)로 계산하였다.
성능/효과
- G60은 대부분의 조직이 고기의 근육과 비슷한 섬유 구조를 띄었으며 결이 더욱 선명하였다. 1,000배 확대한 결과 G20은 기공 없이 일정한 결을 이루고 있었고 G40은 많은 기공을 지니며 섬유와 같은 조직을 이뤘다. G60은 거친 표면을 띄며 일정한 결을 이루며 G40보다 큰 기공을 가지고 있었다.
- Table 3에서 수분 함량이 증가할수록 조직잔사지수는 감소하였는데, 글루텐 함량이 60%일 때 수분 함량이 45에서 55%로 증가함에 따라 71.15±0.93에서 56.08±2.97%로 조직잔사지수가 감소하였다.
- 수분 함량이 증가하면서 비기계적 에너지 투입량은 감소하였다. 글루텐 함량 20%일 때 수분 함량 45%에서 329.94 kJ/kg, 수분 함량 55%에서 79.64kJ/kg으로 비기계적 에너지 투입량은 감소하였다(Table 1). 압출성형 시 수분 함량이 증가하면 원료와 스크루의 마찰이 감소하면서 토크와 사출구 압력이 감소한다(23).
- 글루텐 함량이 20에서 60%로 증가함에 따라 수분 함량이 45%일 때 글루텐 함량 20%에서 56.46±1.39%, 글루텐 함량 60%에서 25.77±3.22%로 NSI 값은 감소하였다.
- 글루텐 함량이 증가하면서 비기계적 에너지 투입량은 감소하였는데, 수분 함량 50%일 때 글루텐 함량 20%에서 193.41 kJ/kg, 글루텐 함량 60%에서 45.51 kJ/kg으로 비기계적 에너지 투입량은 감소하였다. 이는 Fig.
- 글루텐 함량이 증가하면서 수분 흡수율은 감소하였는데, Table 3과 같이 압출성형물의 수분 함량이 55%일 때 글루텐 함량이 20에서 60%로 증가함에 따라 293.23±13.68에서 222.88±4.36%로 수분 흡수율이 감소하였다.
- 글루텐 함량이 증가할수록 조직잔사지수는 증가하였는데, 수분 함량이 50%일 때 글루텐 함량이 20에서 60%로 증가함에 따라 24.74±4.49에서 63.05±2.27%로 조직잔사지수가 증가하였다.
- 또한, 수분 함량이 증가하면서 수분 흡수율은 증가하였는데, 글루텐 함량이 40%일 때 수분 함량이 45에서 55%로 증가함에 따라 185.35±3.29에서 240.24±5.05%로 수분 흡수율이 증가하였다.
- 수분 함량 50%일 때 글루텐 함량이 20에서 60%로 증가함에 따라 명도는 67.63±0.44에서 69.32±0.04로 증가하였다.
- 수분 함량이 증가할수록 탄성력, 응집력, 절단강도가 감소하였는데, 글루텐 함량 40%일 때 수분 함량이 45에서 55%로 증가함에 따라 94.17±1.53에서 89.96±0.61%로 탄성력이 감소하였고, 90.51±3.78%에서 86.70±4.42%로 응집력이 감소하였다.
- 수화된 압출성형물의 조직감은 글루텐 함량이 증가할수록 탄성력, 응집력, 절단강도가 증가하였는데(Table 1), 수분함량 45%일 때 글루텐 함량이 20에서 60%로 증가함에 따라 92.53±1.10에서 98.66±4.42%로 탄성력이 증가하였고, 87.01±5.99에서 95.04±9.55%로 응집력이 증가하였으며, 6.79E+04에서 1.11E+05 N/m2로 절단강도가 증가하였다.
- 실험에서 사용한 원료 분리대두단백의 NSI는 98.67±0.92% 값을 보였다.
- 압출성형물의 수분 함량이 증가할 때 명도는 증가하는 경향을 보였으며, 적색도와 황색도는 뚜렷한 경향을 보이지는 않았다. 글루텐 함량 40%일 때 명도는 수분 함량 45%에서 67.
- 원료는 압출성형 후 명도는 감소하였고 적색도와 황색도는 증가하였다. 총색도차는 글루텐 함량과 수분 함량이 낮을수록 증가하는 경향을 보였다.
- G60은 거친 표면을 띄며 일정한 결을 이루며 G40보다 큰 기공을 가지고 있었다. 이를 볼 때 글루텐 함량이 60% 이상일 때 고기와 같은 체계적인 섬유 구조를 이룰 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 11E+05 N/m2로 절단강도가 증가하였다. 이를 응용하여 산업에서 인조육 제조 시 글루텐 비율을 증가함으로써 강도가 더 강하고 고기와 같이 질긴 인조육을 생산할 수 있을 것으로 기대된다.
- Table 3과 같이 글루텐 함량이 60%인 압출성형물의 조직잔사지수는 닭 가슴살이나 돼지 목심의 조직잔사지수보다 대체로 높았다. 이를 응용하여 시중에 유통되는 고기와 같은 단단한 육질의 인조육을 제조할 수 있을 것으로 기대된다.
- 이는 Lawton(18)이 밀 글루텐 압출성형물의 수분 함량이 높아질수록 수분 흡수율이 증가한다는 결과와 일치하며, 압출성형 시 수분 함량이 높을수록 배럴 내 과열된 증기가 많아 사출되고 증기가 조직의 재결합을 방해하며 증발되어 다공성의 구조를 형성하여(12) 수분 흡수율이 높아진 것으로 판단된다. 이를 통해 수분이 잘 흡수되는 것을 제품 생산에 적용하여 조리시간 단축이나 다공성의 구조를 통해 소화도를 높이는 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
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