[논문]쌀전분의 분자 및 결정구조가 상전이에 미치는 영향

정두연; 이수진; 정현정

doi:10.9721/kjfst.2019.51.5.432

쌀전분의 분자 및 결정구조가 상전이에 미치는 영향
Effect of molecular and crystalline structure on phase transition behaviors of rice starches 원문보기

한국식품과학회지 = Korean journal of food science and technology, v.51 no.5, 2019년, pp.432 - 437

정두연 (전남대학교 식품영양과학부) , 이수진 (수성대학교 호텔조리과) , 정현정 (전남대학교 식품영양과학부)

초록
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본 연구에서는 국내에서 육종된 쌀품종의 전분에 대한 분자 및 결정구조을 밝히고 이와 같은 결과들이 상전이 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 새미면 전분은 아밀로스 함량이 가장 높았으며, 다른 쌀전분에 비해 상대적으로 아밀로펙틴의 짧은 사슬(DP 6-12)과 평균사슬길이, 치반점도와 최종점도, 호화온도와 엔탈피, 2차 상전이인 ${T_g}^{\prime}$이 유의적으로 높았으며, 반대로 최고점도와 강하점도, ice melting 온도와 엔탈피가 유의적으로 낮았다. 아밀로스 함량이 가장 낮은 선향흑미는 다른 전분에 비해 유의적으로 높은 ice melting 엔탈피를 나타냈고 ${T_g}^{\prime}$이 높았다. 결과적으로 쌀 전분의 상전이 특성은 분자 및 결정 구조에 큰 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study was to determine the molecular/crystalline structures and phase transition properties of starches isolated from six rice cultivars grown in Korea. Apparent amylose content was highest in starch obtained from the Saemimyeon cultivar (30.8%) and lowest in that obtained from the Sheonhyangheukmi cultivar (20.3%). Starch from the Saemimyeon cultivar had a lower proportion of short chains (DP 6-12) and a the higher proportion of long chains (DP${\geq}37$) than that seen in other rice starches. Saemimyeon had relatively higher pasting temperature ($86.5^{\circ}C$), gelatinization temperature ($72.1^{\circ}C$) and gelatinization enthalpy (14.2 J/g) than these values found for other rice starches. The onset temperature and enthalpy for ice crystallization of rice starch ranged from $-27.1{\sim}-20.2^{\circ}C$ and 241.1~264.8 J/g, respectively. The ice melting enthalpy measured in excess water (67% water content) of rice starches was 282.4~310.1 J/g. Among the rice starches examined, starch obtained from Sheonhyangheukmi, with the lowest amylose content, showed the lowest glass transition temperature (${T_g}^{\prime}$).

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. HPAEC-PAD normalized chromatogram of rice starches.
표 Table 1. Amylose content and amylopectin structural properties of rice starches
$Fig. 2. XRD diffractograms of rice starches.$ 그림 Fig. 2. XRD diffractograms of rice starches.
표 Table 2. Relative crystallinity and pasting properties of rice starches
표 Table 3. Phase transition characteristics of rice starches

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 가공용도 및 기능성에 따라 개발된 쌀로부터 전분을 분리하여 이화학적, 분자 및 결정 구조가 다양한 상전이에 미치는 영향을 살펴봄으로써 쌀전분 분석 및 평가지표 활용과 다양한 쌀 산업을 위한 기초자료로 활용하고자 하였다.
본 연구에서는 국내에서 육종된 쌀품종의 전분에 대한 분자 및 결정구조을 밝히고 이와 같은 결과들이 상전이 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 새미면 전분은 아밀로스 함량이 가장 높았으며, 다른 쌀전분에 비해 상대적으로 아밀로펙틴의 짧은 사슬(DP 6-12)과 평균사슬길이, 치반점도와 최종점도, 호화온도와 엔탈피, 2차 상전이인 T_g'이 유의적으로 높았으며, 반대로 최고점도와 강하점도, ice melting 온도와 엔탈피가 유의적으로 낮았다.

제안 방법

반응을 마친 시료는 nylon filter (0.45 μm)를 통해 여과하고, HPAEC-PAD에 10 μL 주입하여 분석하였다.
분석조건은 5°C에서 1분간 정치한 후 5-150°C까지 5°C/min 속도로 가열하여 얻은 thermogram으로 호화 특성을 분석하였고, −50 C까지 10°C/min 속도로 냉각하여 ice crystallization특성을 분석하고, 다시 50°C까지 5°C/min 속도로 재 가열하여 유리전이와 ice melting특성을 분석하였다.
, Malvern, UK)를 이용하여, Target: Cu-Ka, filter: Ni, scanning speed: 5º/min, voltage: 40kV, cur-rent: 20 mA, 회절각도(2θ): 4-40° 범위에서 분석하였다. 상대 결 정성(relative crystallinity)은 얻어진 X-선 회절곡선으로부터 계산 하였다(Nara와 Komiya, 1983).
, Sunnyvale, CA, USA)을 이용하여 분석하였다. 쌀전분 시료(10 mg)를 90% DMSO 2 mL에 분산시키고 호화시켜준 후, 분산액의 3배에 해당되는 95% 에탄올을 첨가하여 시료를 침전시켰다. 침전된 시료는 다시 50 mM sodium acetate buffer (pH 3.
')는 thermogram을 통하여 분석한 결과를 Table 3에 나타냈다. 쌀전분의 freezable water 함량을 측정하기 위해 ice crystallization과 ice melting의 엔탈피를 수분함량으로 보정하여 구하였으며, 증류수를 대조군으로 사용하였다. 쌀전분의 호화 개시온도(onset gelatinization temperature, T_o ), 최고온도(peak gelatinization temperature, T_p ), 종결온도(conclusion gelatinization temperature, T_c )는 58.
쌀전분의 결정구조는 X-선 회절기(X-ray diffractometer, EMPY-REAN, Malvernpanalytical Co., Malvern, UK)를 이용하여, Target: Cu-Ka, filter: Ni, scanning speed: 5º/min, voltage: 40kV, cur-rent: 20 mA, 회절각도(2θ): 4-40° 범위에서 분석하였다.
쌀전분의 상전이(호화, 유리전이, ice crystallization, ice melting) 특성은 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC 4000, PerkinElmer Inc., Waltham, MA, USA)를 이용하여 분석하였으며, 스테인레스 팬(stainless pan)에 쌀전분과 증류수의 비율이 1:2가 되도록 시료를 넣고, 밀봉하여 수분평형을 위해 상온에서 2시간 동안 정치시켰다. 분석조건은 5°C에서 1분간 정치한 후 5-150°C까지 5°C/min 속도로 가열하여 얻은 thermogram으로 호화 특성을 분석하였고, −50 C까지 10°C/min 속도로 냉각하여 ice crystallization특성을 분석하고, 다시 50°C까지 5°C/min 속도로 재 가열하여 유리전이와 ice melting특성을 분석하였다.
쌀전분의 페이스팅 점도 특성은 신속점도분석기(rapid visco analyzer, RVA-4D, Newport Scientific Ltd., Warriwood, Australia)를 이용하여 분석하였다. 분석조건은 7% (w/v) 전분용액을 50°C에서 1분간 정치한 후, 95°C까지 6°C/min 속도로 가열하였고, 95°C에서 5분간 유지하였다.
아밀로펙틴의 분지 사슬 길이 분포(branch chain length distribution)는 high performance anion exchange chromatography-pulsed amperometric detection (HPAEC-PAD, Dionex ICS-5000, Dionex Co., Sunnyvale, CA, USA)을 이용하여 분석하였다.
이 후, 50°C까지 6°C/min 속도로 냉각하고, 50°C에서 2분간 유지하면서 점도 특성을 관찰하였다.
5 N HCl로 중화하였다. 전분용액에 요오드 시약(0.2% I₂+2% KI)를 첨가하고, 30분 방치하여, 625 nm에서 spectrophotometer (Optizen Pop, Mecasys Co., Daejeon, Korea)를 이용하여 흡광도를 측정하였다.
이 후, 50°C까지 6°C/min 속도로 냉각하고, 50°C에서 2분간 유지하면서 점도 특성을 관찰하였다. 페이스팅 점도 특성은 페이스팅온도(pasting temperature), 최고점도(peak viscosity), 강하점도(breakdown), 치반점도(setback), 최종점도(final viscosity)를 측정하였다.

대상 데이터

전분의 겉보기 아밀로스 함량은 Willams 등(1970)의 방법을 이용하여 측정하였다. 겉보기 아밀로스 함량을 측정하기 위해 표준 물질로 potato amylose (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)를 사용하였으며, 쌀전분 시료(10 mg)에 0.5 N KOH (1 mL) 용액을 첨가하여 호화시킨 후 0.5 N HCl로 중화하였다. 전분용액에 요오드 시약(0.
본 실험에서 사용된 6가지 쌀 품종인 호품(Hopum), 한가루(Hangaru), 설갱(Seolgaeng), 다산(Dasan), 새미면(Saemimyeon), 선향흑미(Sheonhyangheukmi)는 농촌진흥청(Jeonju, Korea)에서 제공받았다. 쌀전분은 백미로 도정된 쌀시료로부터 Lim 등(1995)의 알칼리 침지법을 사용하여 분리하였다.
본 연구에 사용된 쌀전분은 DP≤83까지 아밀로펙틴 분지 사슬 길이 분포를 나타냈으며, 짧은 분지 사슬인 DP 6-33과 긴 분지 사슬인 DP 34-83 두 부분으로 관찰할 수 있었다(Fig. 1).

데이터처리

모든 실험은 최소 3회 이상을 실시하여 평균과 표준편차로 나타냈고, 통계분석은 SPSS (version 12.0, SPSS Institute Inc., Chi- cago, IL., USA)를 이용하여, 분석별 3회 이상 반복 측정한 결과 값에 대해 분산분석(ANOVA)을 시행하였고, 시료간의 유의성 검정은 Duncan의 다중비교(Duncan’s multiple range test)로 95% 신뢰수준에서 실시하였다.

이론/모형

본 실험에서 사용된 6가지 쌀 품종인 호품(Hopum), 한가루(Hangaru), 설갱(Seolgaeng), 다산(Dasan), 새미면(Saemimyeon), 선향흑미(Sheonhyangheukmi)는 농촌진흥청(Jeonju, Korea)에서 제공받았다. 쌀전분은 백미로 도정된 쌀시료로부터 Lim 등(1995)의 알칼리 침지법을 사용하여 분리하였다.
쌀전분의 아밀로펙틴 분지 사슬 길이 분포 분석은 HPAEC-PAD 를 이용하였으며, 얻어진 크로마토그램은 Fig. 1에 나타냈고, 이 로부터 얻은 아밀로펙틴 평균 분지 사슬 길이(average chain length) 및 아밀로펙틴 분지 사슬 길이 분포 결과는 Table 1에 나타냈다. 본 연구에 사용된 쌀전분은 DP≤83까지 아밀로펙틴 분지 사슬 길이 분포를 나타냈으며, 짧은 분지 사슬인 DP 6-33과 긴 분지 사슬인 DP 34-83 두 부분으로 관찰할 수 있었다(Fig.
전분의 겉보기 아밀로스 함량은 Willams 등(1970)의 방법을 이용하여 측정하였다. 겉보기 아밀로스 함량을 측정하기 위해 표준 물질로 potato amylose (Sigma-Aldrich, St.

성능/효과

2 °C 로 선향흑미가 가장 낮았고 다산이 가장 높았으나 품종에 따라 유의적인 차이를 나타내지는 않았다. Ice melting의 freezable water 함량은 아밀로스 함량이 가장 높은 새미면이 282.4 J/g으로 상대 적으로 낮았고, 아밀로스 함량이 낮은 선향흑미는 310.1 J/g로 상 대적으로 높은 값을 나타냈다. 위 결과를 통해 아밀로스 함량은 ice crystallization 결과와 마찬가지로 ice melting의 freezable water 를 감소시키는 것을 확인할 수 있었다.
아밀로스 함량이 가장 낮은 선향흑미는 다른 전분에 비해 유의적으로 높은 ice melting 엔탈피를 나타냈고 T_g'이 높았다. 결과적으로 쌀 전분의 상전이 특성은 분자 및 결정 구조에 큰 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다.
7 J/g 로 상대적으로 높게 관찰되었다. 또한 아밀로스 함량이 가장 높은 새미면이 비교적 낮은 freezable water을 함유 하고 있어 아밀로스 함량은 얼음결정 생성과 연관성이 높은 것을 본 연구에서 확인할 수 있었다.
이는 본 연구에서도 T_g'이 가장 낮은 선향흑미가 가장 높은 ice melting 엔탈피를 보였고, 반대로 T_g '이 높은 설갱과 새미 면은 비교적 낮은 ice melting 엔탈피를 나타냈다. 본 연구를 통 하여 다양한 상전이 특성은 분자 및 결정구조와 높은 연관성을 보였으며, 특히 아밀로스 함량이 상전이에 큰 영향을 준 것으로 생각된다.
Raina 등(2007)과 Han과 Hamaker(2000)는 아밀로 스함량의 적은 차이는 페이스팅 온도특성에 크게 영향을 미치지 않는다고 보고하였다. 본 연구에서의 품종간의 아밀로스 함량의 차이가 적기에 페이스팅 온도와 높은 상관성을 나타내지 않은 것으로 생각된다.
또한 Tester와 Morrison(1990)은 전분 내 아밀로스-지질 복합체는 전분입자의 팽윤을 억제하여 높은 페이스팅 온도를 나 타낸다고 보고하였으며, Reddy 등(1994)은 전분의 아밀로스 함량이 높을수록 최고점도 및 강하점도가 감소한다고 보고하였다. 상대적으로 다른 품종에 비해 아밀로스 함량이 높은 새미면은 비교적 높은 페이스팅 온도와 낮은 최고점도 및 강하점도를 보였지만, 선향흑미는 가장 낮은 아밀로스 함량을 보였음에도 불구하고 높은 페이스팅 온도, 낮은 최고점도 및 치반점도를 나타냈다. Chung 등(2011)은 아밀로펙틴의 짧은 A사슬 함량이 높을수록 낮 은 페이스팅 온도 및 최고점도를 나타낸다고 보고하였다.
새미면 전분은 아밀로스 함량이 가장 높았으며, 다른 쌀전분에 비해 상대적으로 아밀로펙틴의 짧은 사슬(DP 6-12)과 평균사슬길이, 치반점도와 최종점도, 호화온도와 엔탈피, 2차 상전이인 Tg'이 유의적으로 높았으며, 반대로 최고점도와 강하점도, ice melting 온도와 엔탈피가 유의적으로 낮았다.
설갱은 다른품종에 비해 높은 DP6-12사슬함량을 나타내어 낮은 페이스팅 온도 및 최고점도를 보였으나, DP 6-12 사슬 함량이 가 장 많은 한가루는 상대적으로 높은 페이스팅 온도 및 최고점도 를 나타내었다.
쌀전분은 15°, 17°, 18°, 23°에서 뚜렷하게 강한 피크를 나타냈으며, 이와 같은 회절 양상은 일반적인 쌀전분에서 관찰되는 전형적인 A타입 결정 패턴을 보였다.
쌀전분을 동결시킨후해동하는과정중동결농축된용질의 유리전이에 기인한 유리전이온도(T ')는 −4.6~ −3.3 C에서 관찰되 었으며, 선향흑미가 가장 낮은 −4.6 C, 설갱이 가장 높은 −3.3 C 에서 T'을 각각 관찰할 수 있었다.
또한 DP 6-12 사슬 함량 은 호화온도와 음의 상관관계를 갖고 있으며, 이는 전분의 결정 형 영역내에 아밀로펙틴 긴 사슬 함량이 적어 이중나선 구조의 안정성이 감소되기 때문에 낮은 호화온도를 보이는 것으로 보고 되었다(Gidley와 Bulpin, 1987). 쌀전분의 호화 엔탈피는 11.5-14.6 J/g의 범위를 나타냈으며, 호품의 호화 엔탈피는 상대적으로 다른 쌀전분에 비해 유의적으로 낮았고, 아밀로스 함량이 가장 낮은 선향흑미는 가장 높은 호화 엔탈피를 나타냈다. 호화 엔탈피는 전분의 결정성 내에 존재하는 이중나선 구조를 붕괴하는데 필요한 에너지를 측정하는 지표로 결정성과 양의 상관성이 있으며, 이는 전분의 아밀로펙틴 함량이 높을수록 높은 결정성을 갖는 것으로 알려져있다(Cheetham와 Tao, 1998).
이와 반대로 새미면의 DP 6-12 (A chain) 분지 사슬 길이 분포 비율 은다른품종에비해매우낮은함량을나타냈으며,다산의DP ≥37 (B3+)분지 사슬 길이 분포 비율은 가장 높게 나타나 아밀로 펙틴의 긴 사슬을 많이 함유하고 있는 것으로 나타냈다. 쌀품종에 대한 전분 분자 구조결과를 통해 아밀로펙틴 구조가 품종에 따라 다르다는 것을 확인하였고, 이와 같은 결과는 전분의 이화 학적 및 상전이 특성에도 영향을 미칠 것으로 생각된다.
1 J/g로 상 대적으로 높은 값을 나타냈다. 위 결과를 통해 아밀로스 함량은 ice crystallization 결과와 마찬가지로 ice melting의 freezable water 를 감소시키는 것을 확인할 수 있었다.
이와 반대로 새미면의 DP 6-12 (A chain) 분지 사슬 길이 분포 비율 은다른품종에비해매우낮은함량을나타냈으며,다산의DP ≥37 (B3+)분지 사슬 길이 분포 비율은 가장 높게 나타나 아밀로 펙틴의 긴 사슬을 많이 함유하고 있는 것으로 나타냈다.
1). 짧 은분지사슬부분은DP11또는DP12와긴분지사슬부분은 DP 43에서 가장 높은 peak를 확인하였으며, 한가루, 설갱, 호품, 선향흑미는 DP 20에서 다산과 새미면에 비해 뚜렷한 shoulder를 나타냈다. 또한 한가루와 호품은 DP 11에서 상대적으로 다른 품 종에 비해 높은 peak를 형성하였다.
8 C로 각각 나타냈 다. 한가루는 다른 쌀전분에 비해 낮은 호화온도를 나타냈으며, 반면에 새미면은 가장 높은 호화온도를 보였다. 한가루는 상대적으로 다른 쌀전분들보다 아밀로펙틴의 짧은 사슬(DP 6-12)함량 비율이 높고 평균 사슬 길이는 낮았으며, 반대로 새미면은 짧은 사슬함량비율이낮고,긴사슬함량은높았으며평균사슬길 이는 높았다.
한가루는 다른 쌀전분에 비해 낮은 호화온도를 나타냈으며, 반면에 새미면은 가장 높은 호화온도를 보였다. 한가루는 상대적으로 다른 쌀전분들보다 아밀로펙틴의 짧은 사슬(DP 6-12)함량 비율이 높고 평균 사슬 길이는 낮았으며, 반대로 새미면은 짧은 사슬함량비율이낮고,긴사슬함량은높았으며평균사슬길 이는 높았다. Park 등(2007)은 호화온도는 아밀로펙틴의 긴 사슬 과 높은 상관관계를 나타내고, 직쇄상인 아밀로스는 사슬이 엉킴 으로써 전분입자의 무정형 영역에서 수화현상을 제한시켜 팽윤과 호화현상을 방해한다고 보고하였다.
3 값을 나타낸다고 보고하였다. 한가루의 DP 6-12 (A chain)에서 분지 사슬 길이 분포 비율(37.1%)은 다른 품종에 비해 다소 높았으며, B1, B2, B3+분 지사슬길이분포비율은비교적작은비율을차지했다.이와 반대로 새미면의 DP 6-12 (A chain) 분지 사슬 길이 분포 비율 은다른품종에비해매우낮은함량을나타냈으며,다산의DP ≥37 (B3+)분지 사슬 길이 분포 비율은 가장 높게 나타나 아밀로 펙틴의 긴 사슬을 많이 함유하고 있는 것으로 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	쌀 품종의 유전적인 다양성에 영향을 미치는 종속 변수는?	쌀 품종의 유전적인 다양성은 쌀의 물리적 특성,구성성분,가 공 특성에 영향을 미친다(Wani 등, 2012). 특히 쌀의 주성분인 전분은 이화학적 및 취반 특성 측면에서 쌀 품종의 이용가능성을 결정하는 주요한 요인 중 하나이며(Wani 등, 2013), 전분은 천연 고분자로서 무수 포도당이 α-1,4 결합으로 연결된 직쇄상의 구조를 가지는 아밀로스(amylose)와 α-1,6 결합으로 가지가 많고, 작은 분지 사슬로 이루어진 아밀로펙틴(amylopectin)으로 구성되어 있다.
	전분이란 무엇인가?	쌀 품종의 유전적인 다양성은 쌀의 물리적 특성,구성성분,가 공 특성에 영향을 미친다(Wani 등, 2012). 특히 쌀의 주성분인 전분은 이화학적 및 취반 특성 측면에서 쌀 품종의 이용가능성을 결정하는 주요한 요인 중 하나이며(Wani 등, 2013), 전분은 천연 고분자로서 무수 포도당이 α-1,4 결합으로 연결된 직쇄상의 구조를 가지는 아밀로스(amylose)와 α-1,6 결합으로 가지가 많고, 작은 분지 사슬로 이루어진 아밀로펙틴(amylopectin)으로 구성되어 있다. 쌀전분은 점증제, 증량제, 팽창제 등 다양한 용도로 가공식품 산업에 사용되고 있다.
	쌀전분의 기능적 특성들에 영향을 미치는 쌀전분의 다양한 구조 특성은 무엇인가?	쌀전분은 점증제, 증량제, 팽창제 등 다양한 용도로 가공식품 산업에 사용되고 있다. 이러한 쌀전분의 기능적 특성들은 주로 전분의 결정구조, 아밀로스와 아밀로펙틴 비율, 아밀로펙틴 구조 등에 의해 영향을 받는다(Jane 등, 1999; Ong와 Blanshard, 1995; Vandeputte 등, 2003). 위와 같은 쌀전분의 다양한 구조 특성 구 명은 식품산업에 응용 및 최적화, 소비자들에게 식품 소비를 위한 알맞은 쌀 품종 선택을 위해 매우 중요한 연구이다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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