초록 ▼

IV. 연구개발결과
돼지 심근은 근원섬유로 이루어져 있으며 이것을 구성하는 근원섬유 단백질은 대부분 0.5M 이상의 KCl 또는 NaCl의 고염농도 용액에서 추출되는 염가용성 단백질로 이루어져 있다. 염가용성 단백질은 육을 원료로 하는 햄이나 소시지 제조 시 겔을 형성하는데 필수적인 가장 중요한 역할을 담당하고 있으며, 우리들은 주로 이러한 단백질을 섭취하고 있다. 그러나 심근의 경우는 햄이나 소시지와 같은 가공품에는 적합하지 않은 것으로 알려져 있다. 그 이유는 단백질의 분자레벨에서는 겔형성능이 우수하나 근육레벨에서는 그렇지

IV. 연구개발결과
돼지 심근은 근원섬유로 이루어져 있으며 이것을 구성하는 근원섬유 단백질은 대부분 0.5M 이상의 KCl 또는 NaCl의 고염농도 용액에서 추출되는 염가용성 단백질로 이루어져 있다. 염가용성 단백질은 육을 원료로 하는 햄이나 소시지 제조 시 겔을 형성하는데 필수적인 가장 중요한 역할을 담당하고 있으며, 우리들은 주로 이러한 단백질을 섭취하고 있다. 그러나 심근의 경우는 햄이나 소시지와 같은 가공품에는 적합하지 않은 것으로 알려져 있다. 그 이유는 단백질의 분자레벨에서는 겔형성능이 우수하나 근육레벨에서는 그렇지 못하기 때문이다. 따라서, 심근의 경우는 우리나라의 전통식품인 순대 등에 일부 쓰여 지고 있을 뿐 대부분 폐기처분되고 있다. 한편 최근에는 건강 기능성식품을 선호하는 시대로 변화하고 있으며 가능한 고염 농도의 가공식품에서 탈피하려는 노력을 기울이고 있다. 본 연구에서는 염가용성 단백질인 근원섬유 단백질을 물리적 기법인 초음파 처리를 하여 수용화 시킴으로서 대부분 폐기되고 있는 심근의 건강 기능성 단백질 식품소재로서의 이용 가능성에 대하여 검토하였다.

1. 초음파 처리에 의한 근원섬유 단백질의 수용화
1) 심근으로부터 근원섬유를 추출하는데 있어서는 계면활성제 등을 활용하면 근육에 붙어았는 혈액 등을 손쉽게 제거할 수 있었다.
2) 초음파를 이용하여 근원섬유 단백질의 수용화를 검토한 결과 NaCl 농도는 0.2M, pH 8.0, 초음파는 20kHz의 60-100% amplitude, 40°C이하에서 초음파 처리하는 것이 적합하였다. 또한 이와 같이하여 분리된 근원섬유 단백질의 수율은 90% 이상으로 매우 효율적이었다.
3) 초음파에 의해서 분리된 성분을 SDS- PAGE로 분석한 결과 초음파 시간이 경과함에 따라서 myosin heavy chain (MHC), actin(A) 및 이외의 MHC과 A의 사이로 이동되는 성분이 관찰되었다.
4) 한편, 다른 염류와의 비교를 위하여 중합인산염 (PPi) 을 첨가하여 초음파 처리를 한 결과 5mM정도의 매우 적은 양의 PPi만 첨가하여도 90% 이상의 용해도를 나타내었다. 또한 이온강도 의한 것인지를 분석한 결과 0.2M NaCl의 경우 I = 0.2, PPi의 경우 I = 0.05를 나타내 이온강도에 의한 것은 아닌 것으로 판단되었다.
5) 이들의 증가속도 Ki를 산출하여 비교 검토한 결과 5mM PPi를 첨가하여 초음파 처리한 것이 가장 빠르게 나타났다.
6) 초음파 추출의 온도 의존성은 40°C까지는 용해도 증가에 큰 영향을 미치지 못하였지만 그 이상의 온도에서는 온도가 높을수록 용해도가 급격히 저하하는 것으로 나타났다.
7) 분리된 단백질의 점도는 초음파 처리 초기에는 증가하였지만, 처리시간이 지날수록 점도는 저하하였다. 이 결과로부터 초음파 처리에 있어서 초기에는 근원섬유의 구조 붕괴에 의한 고분자의 성분이 분리되지만, 후기로 진행될수록 단백질의 저분자화가 진행되는 것으로 나타났다. 이결과는 SDS- PAGE의 결과와 같았다.
8) 분리된 성분의 ATPase 활성은 초음파 처리 초기에 Ca 및 Mg-ATPase 활성 모두 급격히 떨어지는 것으로 나타나 초음파 처리는 단백질의 변성을 유발시키는 것으로 나타났다.
9) 또한 초음파에 의해서 얻어진 가용화 성분의 가공적성을 알아보기 위하여 유화력을 검토한 결과 가용화율이 높을수록 유화력도 높게 나타났다.
10) 단백질의 분말화는 동결건조법이 적합하였으며, 또한 분말의 물에 대한 재용해도는 95% 이상을 나타내었다.
11) 초음파 처리에 의해서 분리된 단백질은 처리하지 않은 단백질 보다 pepsin 또는 trypsin에 의해 훨씬 빠르게 소화되는 것으로 나타나 우리가 섭취하였을 때 빠른 소화와 함께 체내 흡수가 촉진될 것으로 예상할 수 있었다.
12) 이상의 결과로부터 돼지 심장의 근원섬유는 초음파에 의해서 수용화(가용화)가 가능하였으며 단백질 식품 소재로서 충분히 이용 가능할 것으로 사료되었다.

2. 초음파 처리에 의한 심근 단백질의 수용화
1) 심근의 혈액제거는 초음파를 활용함으로서 증류수로 제거하는 것 보다 약 15% 정도의 효과를 나타내었다.
2) 심근단백질은 낮은 염농도에서는 용해되지 않았으나, 초음파를 활용하면 단백질의 분리가 쉽게 일어났다. 이 결과는 근원섬유 레벨에서의 결과와 같았다.
3) 심근단백질의 분리에 있어서도 pH 및 초음파의 amplitude의 영향을 받았으며, pH 8.0 및 80%의 amplitude에서 용해도가 높았다.
4) 초음파에 의한 심근단백질의 온도의존성은 40°C이하에서는 매우 높은 용해도를 나타냈으나, 그 이상의 온도에서는 온도가 높을수록 용해도가 낮아지는 경향을 나타내었다.
5) 이상의 결과로부터 NaCl의 낮은 농도에서도 초음파를 활용하면 심근단백질의 분리가 쉽게 분리되는 것이 확인되었으므로 NaCl 이외의 식품첨가물로 활용되고 있는 PPi 또는 Pi와 같은 다른 염류의 영향에 대해서도 검토하였다.
6) NaCl, Pi 및 PPi를 pH 8.0으로 조절한 후 심근현탁액에 각각 10mM씩 첨가하여 초음파 처리를 한 결과 PPi를 첨가한 것이 가장 높은 용해도를 나타내었다.
7) 심근현탁액에 PPi를 첨가하여 초음파 처리한 것이 가장 높은 용해도를 나타내었으므로, PPi의 농도 의존성을 알아보기 위하여 PPi의 농도를 5〜20mM이 되도록 심근현탁액에 첨가한 후 초음파처리를 하였다. 그 결과 5mM의 PPi만 첨가하여도 초음파 처리시간 80분만에 90% 이상의 용해도를 나타내었으며, 10mM 이상에서는 40분만에 90% 이상의 용해도를 나타내었다.
8) 이상의 결과로부터 PPi를 첨가함으로서 NaCl보다 훨씬 적은량(약 17.8배의 차이가 있음)으로 심근단백질의 용해도를 높일 수 있었으며, 이와 같은 방법이 보다 친환경적이며, 산업화에 있어서 비용의 문제 등을 고려할 때 보다 유리할 것으로 사료되었다.
9) 한편, 초음파 처리와 PPi 중 어느쪽의 영향이 큰지를 알아보기 위하여 아무 처리도 하지 않은 것(Non), 5mM PPi를 첨가한 후 4°C에서 추출한 것 (5mM PPi), 초음파 처리만 한 것(sonication), 5mM PPi를 첨가한 투 초음파 처리한 것(5mM PPi- sonication) 을 상호비교 하였다. 그 결과 5mM PPi-sonication > sonication > 5mM PPi > Non의 순으로 빨랐다. 따라서 5mM의 PPi보다도 sonication의 형향이 큰 것으로 나타났다.
10) 초음파 처리에 의해서 심근으로부터 추출된 가용화 성분의 점도, ATPase 활성, 유화력, 펩신 또는 트립신에 의한 소화력은 기본적으로 근원섬유에서 추출된 성분과 같았다.

3. 초음파로 분리된 단백질의 활용방안 검토
1) 모델 파우더 제조
초음파에 의해서 추출한 단백질을 동결건조하면 흰백색을 나타내었다. 이것을 90일간 저장하여도 큰 변화는 없었다.
2) 모델 갭슐 제조
추출한 단백질을 동결건조한 후 분쇄하여 500mg의 캡슐에 충진하여 캡슐화 하였다.
3) 모델 죽 제조
추출단백질을 0 〜10% 범위에서 첨가한 후 죽을 제조한 결과 1% 까지는 변화가 없었다. 그러나 5% 이상에서는 열에 의한 갈변 현상이 일어났다. 따라서 죽의 경우 1% 정도의 단백질 첨가가 적당한 것으로 사료되었다.
4) 모델 음료 제조
사과주스와 스포츠 음료에 추출단백질을 0.5 또는 1.0% 를 첨가한 후 비열처리 또는 열처리에 의한 변화를 검토한 결과 첨가량이 많을수록 탁도가 증가하였고 비열처리보다는 열처리한 것이 탁도가 증가하였다. 그러나 단백질의 분산에는 큰 문제가 없었다.
5) 모델 비스켓 제조
추출단백질을 0〜5% 첨가하여 비스켓을 제조한 결과 대조구와 비교하여 외관상으로 단백질의 첨가에 따른 변화는 없었다. 따라서 비스켓류의 단백질 강화 소재로서 활용도가 높을 것으로 기대되었다.
6) 모델 젤리 제조
한천을 활용한 모델 젤리의 경우 단백질의 점가량이 높을수록 젤리형성능이 저하되는 것으로 나타났다. 젤리식품과 같은 경우에는 추출단백질과 한천의 적정비율을 고려할 필요성이 있었다.

4. 실험실 규모의 모델 원통수직형 초음파기 제작 및 산업화를 위한 초음파기의 layout 작성
1) 모델 순환식 원통수직형 초음파기 제작
본 기기는 초음파 발진부, Chiller, 초음파처리장치, 시료탱크, 순환펌프 등 크게 5파트로 구성되어 있으며, 그 특성은 다음과 같다. 초음파 발진부는 지금까지의 결과를 토대로 20kHz의 고정형으로 하였으며, 전원은 220V, 60Hz로 하였다. 또한 출력은 초음파의 힘을 조절할 수 있도록 0~1,000W로 하였으며, 여기에 단백질 추출 시 발생되는 열의 효과적인 차단을 위하여 -10~70°C까지 조절할 수 있는 냉각장치를 장착하였다. 본 기기의 가장 특징적인 것은 초음파 발생장치인 원통 수직형 초음파 장치인데, 원통의 길이는 직경 10cm, 길이 30 cm로 하였다. 또한 초음파를 일으키는 진동자는 총 8개로 구성되어 있으며, 상호간에 초음파의 영향을 받지 않도록 적당한 간격 (5~6cm) 을 두었다(Fig. 22 ). 유속은 0.1~1L/분의 범위에서 조절할 수 있게 하였다.

2) 순환식 모델 초음파기에 의한 심근단백질의 용해도
순환식 원통수직형 초음파기를 이용하여 20kHz의 800W 에서 5Mm ppi를 첨가한 심근현탁액으로부터 단백질을 추출한 결과 초음파 처리 90분까지는 급격히 용해도가 증가하였으며, 최대 약 85% 의 용해도를 나타내었다. 따라서 순환식 초음파기를 활용하여 심근으로부터 단백질을 추출하더라도 큰 문제점은 없었으며 산업화를 위한 기본적인 요건은 갖추었다고 사료되었다.
3) 산업화를 위한 초음파기의 layout 작성
산업화를 위한 초음파기의 layout은 단백질 분리장치, 시료탱크, 초음파 발생부, 냉각부, 시료공급관, 시료배출관, 순환펌프 등으로 구성하였다.

(출처 : 요약문 5p)

Abstract ▼

IV. Results
Cardiac muscle of pork is composed to myofibri and it is dissolved in high concentration of above 0.5M NaCl or KCl solution. Salt soluble proteins is main protein that composed muscle. This proteins has un important role when we are manufacturing sausage or ham is gellation food. Howe

IV. Results
Cardiac muscle of pork is composed to myofibri and it is dissolved in high concentration of above 0.5M NaCl or KCl solution. Salt soluble proteins is main protein that composed muscle. This proteins has un important role when we are manufacturing sausage or ham is gellation food. However, cardiac muscle is not used because processing aptitude of cardiac muscle is more bad than skeletal muscle. Some of the cardiac muscle is used to process food such as "sundae" is traditional food, the rest will be discarded. In this study, it investigated to the extraction technique of protein from cardiac muscle by ultrasonic treatment.

1. Extraction of protein from cardiac myofibril by ultrasonic treatment
1) When we extracted myofibrils from cardiac muscle utilizing surfactant, blood could be easily removed.
2) Optimal condition of protein extracted from cardiac myofibrils by ultrasonic treatment was 0.2M NaCl, pH 8.0, below 40°C at range to 60 from 80% amplitude of 20kHz and extraction yield was above 90%.
3) Extraction protein was analyzed by SDS-PAGE analysis. Myosin heavy chain (MHC), actin(A) and components is removed between MHC and A were observed with the passage of extraction time.
4) To compare with another salts, cardiac myofibrils with 5mM pyrophosphate were treated by ultrasound and it was shown that high solubility above 90%.
5) The increased rate (Ki) of solubility calculated from the each results, cardiac myofibrils treated with PPi was faster than that with NaCl.
6) Protein solubility of myofibrils was high to 40 °C, but decreased quickly at above 40 °C.
7) The viscosity of extraction protein by ultrasonic treatment increased at the early stage, but decreased slowly with extraction time. From the results, it was indicated that high molecular weight isolated at the early stage, but components of low molecular weight isolated with extraction time.
8) Ca and Mg-ATPase activity of myofibrillar protein were decreased quickly by ultrasonic treatment. Therefore, it was indicated that protein was denatured by ultrasonic treatment.
9) To investigate the processing aptitude of protein extracted protein from cardiac by ultrasonic treatment, the emulsifiability was investigated. The higher solubility of protein showed higher emulsifiability.
10) Manufacture of protein powder was suitable for freeze drying method and the solubility of protein powder for distilled water was above 95%.
11) Proteins isolated by ultrasonic treatment was digested rapidly by pepsin and trypsin than not ultrasonic treatment.
12) From the results, cardiac myofibrils of pork was extracted rapidly by ultrasonic treatment, it was considered that extracted proteins could be used as protein supplements.

2. Extraction of protein from cardiac muscle by ultrasonic treatment
1) The removing of biood from cardiac muscle by using ultrasonic treatment was higher about 15% than removed by distilled water.
2) The cardiac protein in 0.2M NaCl solution was not dissolved, but protein was dissolved easily by using ultrasonic treatment. The results were same as results of myofibrils level.
3) Optimal condition of protein extracted from cardiac muscle by ultrasonic treatment was 0.2M NaCl, pH 8.0, below 40°C at range to 60 from 80% amplitude of 20kHz and extraction yield was above 90%.
4) Solubility of protein from cardiac muscle was high to 40 °C, but decreased quickly at above 40°C.
5) From the results, we confirmed that cardiac protein with salt of low concentration was dissolved easily by using ultrasonic treatment. Therefor, we investigated for effect of another salt such as pyrophosphate (PPi) and phosphate (Pi) has been used as food additives.
6) The pH of NaCl, Pi and PPi adjusted to 8.0 and then cardiac muscle suspension with 10mM NaCl, PPi and Pi were treated with ultrasound. The solubility of protein were treated cardiac muscle suspension with PPi was highest.
7) When cardiac muscle were treated with PPi, solubility of protein by ultrasonic treatment was highest. Therefor, it was investigated that depend on PPi concentration (to 5 from 20mM PPi) for protein solubility by ultrasonic treatment. Solubility of cardiac protein treated with 5mM PPi and ultrasound for 80 minutes was shown above 90% and its treated with above lOmM PPi is required only 40 minutes to reach 90%.
8) From the results, it was able to increase solubility of cardiac protein by addtion of small amount of PPi than NaCl.
9) On the other hand, we investigated influence of solubility between ultrasonic and PPi treatment. The treatment conditions is shown below ; non treatment (non) , extraction at 4 °C with 5mM PPi (5mM PPi), extraction by sonication (sonication) , extraction with 5mM PPi by sonication. Solubility of cardiac protein was increased rapidly in order of 5mM PPi-sonication > sonication > 5mM PPi > Non. Therefor, effect of sonication was greater than PPi.
10) The results of viscosity, ATPase activity, Emulsifiability and digestion of pepsin and trypsin of extracted protein from cardiac muscle were same as extracted protein from cardiac myofibrils.

3. Utilization of proteins extracted by ultrasonic treatment
1) Manufacture of model powder
Protein extracted by ultrasonic treatment were freeze dried and it was shown white color. While protein stored for 90days at room temperature, color was not changed.
2) Manufacture of model capsule
Freeze dried protein was filled in the capsule of 500mg capacity.
3) Manufacture of model gruel
Gruel added to 0 from 10% protein was manufactured by heating. The color of gruel added 1% protein was not changed, however the color of gruel added above 5% protein was changed to brown. In the case of gruel, the addition of 1% protein was more suitable.
4) Manufacture of model drink
Apple juice and sports drinks added 0.5 or 1.0% protein was manufactured by heating or non heating. The turbidity of drinks increase as larger of amount of added protein and heating than non heating treatment increased.
5) Manufacture of model biscuits
Biscuits added to 0 from 5% protein was manufactured, and did not changed apparently.
6) Manufacture of model jelly
Gel forming ability using agar was decrease by added protein. Food such as jelly was necessary to investigation on mixing ratio of agar and protein.

4. Model manufacture of ultrasonic equipment formed vertical-cylinder of circulation type and drawing of layout of ultrasonic equipment for industrialization
1) Manufacture of ultrasonic equipment formed vertical-cylinder of circulation type The ultrasonic equipment of circulation type is composed by five parts of ultrasonic oscillation part, chiller, ultrasonic treatment device, material tank and circulation pump etc. The ultrasonic oscillation part made to fixed type of 20kHz and electric power was 220V of 60Hz. Output of ultrasound can be adjusted to 0 from 1,000W. When protein extracted by ultrasonic treatment, for effective blocking of heat, cooling devices was equipped, it can be controlled to -10 from 70°C.

2) Solubility of cardiac protein extracted by ultrasonic equipment of circulation type Solubility of protein extracted from the cardiac suspension added 5mM PPi by ultrasonic equipment of circulating type at 800W of 20kHz were measured. Solubility of protein extracted from the cardiac suspension increased with treatment time and the maximum value of solubility was about 85% . Therefor, utilization of ultrasonic equipment of circulating type on the extraction from cardiac suspension was no problem, it was considered that the basic requirement for industrialization was equipped.

3) Drawing of layout of ultrasonic equipment for industrialization
The layout of ultrasonic equipment for industrialization is composed by seven parts of ultrasonic oscillation part, chiller, ultrasonic treatment device, material tank, circulation pump, sample supply line and outlet line, etc.

(출처 : SUMMARY 12p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 10
• CONTENTS ... 17
• 목차 ... 19
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 21
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 23
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 27
• 제1절 재료 및 방법 ... 27
• 1. 시료 ... 27
• 2. 시료의 혈액제거 및 근원섬유단백질의 추출 ... 27
• 3. 초음파에 의한 혈액제거 ... 27
• 4. 초음파 처리 조건 ... 28
• 4. 단백질 용해도 측정 ... 28
• 5. Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) ... 28
• 6. 점도 측정 ... 29
• 7. 단백질의 emulsion 형성능 ... 29
• 8. 초음파에 의해서 분리된 단백질의 Ca, Mg-ATPase 활성 ... 29
• 9. Pepsin 및 trypsin에 의한 수용화 성분의 소화능 ... 29
• 10. 2차 수용화 능 ... 30
• 제2절 결과 및 고찰 ... 31
• 1. 초음파 처리에 의한 근원섬유단백질의 수용화 ... 31
• 가. 염농도 의존성 ... 31
• 나. pH 의존성 ... 34
• 다. 초음파 amplitude의 영향 ... 37
• 라. 중합인산염(PPi)의 영향 ... 40
• 마. 염류 및 초음파에 의해서 분리된 단백질의 증가속도 ... 43
• 바. 온도 의존성 ... 46
• 사. 초음파에 의해서 분리된 가용화 성분의 점도 ... 48
• 아. 초음파 처리에 의한 근원섬유의 ATPase 활성 ... 49
• 자. 초음파에 의해서 분리된 가용화 성분의 유화력 ... 51
• 차. 초음파에 의해서 분리된 가용화 성분의 pepsin 또는 trypsin에 의한 소화 ... 52
• 카. 초음파로 분리된 단백질의 동결건조에 의한 분말화 ... 53
• 2. 초음파 처리에 의한 심근 단백질의 수용화 ... 54
• 가. 심근의 혈액 제거 기술 ... 54
• 나. 초음파 처리에 의한 심근 단백질의 수용화 ... 55
• (1) 염농도 의존성 ... 55
• (2) pH 의존성 ... 57
• (3) 초음파 amplitude의 영향 ... 59
• (4) 온도 의존성 ... 60
• (5) 초음파에 의한 심근단백질의 수용화에 미치는 염류의 영향 ... 62
• (가) 염류의 영향 ... 62
• (나) Pyrophosphate(PPi)의 농도 의존성 ... 64
• 다. 초음파에 의해서 분리된 가용화 성분의 점도 ... 68
• 라. 초음파 처리에 의한 심근단백질의 ATPase 활성 ... 70
• 마. 초음파에 의해서 분리된 가용화 성분의 유화력 ... 72
• 바. 초음파에 의해서 분리된 가용화 성분의 pepsin 또는 trypsin에 의한 소화 ... 73
• 사. 초음파에 의해서 추출된 심근 단백질의 2차 수용화능 ... 74
• 3. 초음파로 분리된 단백질의 활용 방안 검토 ... 74
• 가. 모델 파우더 제조 ... 74
• 나. 모델 캡슐 제조 ... 75
• 다. 모델 죽 제조 ... 76
• 라. 모델 음료 제조 ... 77
• 마. 모델 비스켓 제품 ... 78
• 바. 모델 젤리 제품 ... 79
• 4. 실험실 규모의 모델 원통수직형 초음파기 제작 및 산업화를 위한 초음파기의 layout 작성 ... 80
• 가. 소규모의 순환식 모델 원통수직형 초음파기 제작 (추가) ... 80
• 나. 산업화를 위한 초음파의 단백질 생산 시스템 layout 작성 ... 83
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 89
• 제5장 연구개발 성과 및 성과활용 계획 ... 90
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 91
• 제7장 참고문헌 ... 95
• 끝페이지 ... 99