초록 ▼

연구의 목적 및 내용
< 연구의 목적 >
▪ 식물자원 및 식물자원 가공부산물로부터 전분 추출·정제법 확립 및 전분 소재화
▪ 물리적 기능 및 생리적 기능, 생산성 증대를 위한 전분 산업화 연구
▪ 개발된 전분들의 물리적 및 생리적 기능탐색을 통한 용도별 소재화 및 산업화
▪ 식품산업과 농업 간 연계 강화로 수입대체 효과 증대 및 농부산물의 부가가치 제고

< 연구내용 >
▪ 국내 농산물 유래 전분의 추출·정제법 확립 및 전분소재 개발
- 국내 활용 전분 산업 원료의 대부분을 차지하고

연구의 목적 및 내용
< 연구의 목적 >
▪ 식물자원 및 식물자원 가공부산물로부터 전분 추출·정제법 확립 및 전분 소재화
▪ 물리적 기능 및 생리적 기능, 생산성 증대를 위한 전분 산업화 연구
▪ 개발된 전분들의 물리적 및 생리적 기능탐색을 통한 용도별 소재화 및 산업화
▪ 식품산업과 농업 간 연계 강화로 수입대체 효과 증대 및 농부산물의 부가가치 제고

< 연구내용 >
▪ 국내 농산물 유래 전분의 추출·정제법 확립 및 전분소재 개발
- 국내 활용 전분 산업 원료의 대부분을 차지하고 있는 식물자원(쌀, 감자, 고구마, 마)으로부터 전분생산 극대화를 위한 전분 추출·정제법 확립 및 특성평가
- 농산자원 가공부산물(쇄미, 감자 가공슬러지, 밀기울)로부터 전분생산을 위한 전분 추출·정제법 확립 및 특성평가
- 생 촉매 반응 등을 통한 특용자원 가공부산물의 전분성 물질의 고수율 회수공정 및 소재화 기술 개발(홍삼박 및 마박)
▪ 물리적 기능성 및 생리활성 효능의 향상을 위한 전분변성기술 개발
- 추출·정제된 전분으로부터 무정형전분입자 소재개발
- 무정형전분입자의 지소화성 향상을 위한 물리적 처리 공정 개발 및 기능 생리활성 검증(in vitro 및 in vivo)
- 생물전환기술 등을 활용한 지소화성 및 난소화성 전분소재 개발
▪ 개발된 전분 소재들의 물리적 및 생리적 기능성 탐색
- 개발된 전분 소재들과 기존 화학적 변성전분들의 물리적 기능성 비교연구
- 고 탄수화물 및 고지방 식이 동물모델에 의한 개발된 전분 소재들의 in vivo생리활성 효능(장 기능 개선, 항비만 등) 탐색 및 관련 효능 작용기전 규명
▪ 물리적 및 생리적 기능성에 따른 기능성 전분 소재들의 용도별 소재화 및 산업화

연구개발성과
< 연구개발결과 >
▪ 서류 작물인 감자와 고구마에서부터 효소적 전분을 추출공정을 수행한 결과,감자의 경우 β-glucanase 계열의 효소가, 고구마의 경우 Aspergillus oryzae 유래 cellulase 계열의 효소를 이용했을 때 물리화학적 특성에 변화 없이 높은 수율로 전분이 추출되었다. 마를 0.4% (w/v) sodium bicarbonate 용액에 침지시켰을 때 안정적인 전분추출수율을 얻을 수 있었다. 쌀의 경우 sodium carbonate와 단백질분해효소의 병행처리를 통해 개발된 방법을 이용할 경우 기존의 전분과 물리화학적 차이가 없는 전분을 얻을 수 있었다.
▪ 쌀 부산물인 쇄미(broken rice)에서 단백질분해효소 처리, 가압효소 추출법(Free-thaw infusion, FI), 그리고 알칼리 침전법을 통해 전분을 추출한 결과 이화학적 특성 차이 없이 FI에서 가장 수율로 전분이 추출되었다. 감자 sludge의 경우 감자에서 추출했을 때와 같이 β-glucanase 계열로 효율적으로 추출가능하며, 효소의 농도에 따라 추출효율에 큰 변화가 없었다. 또한 밀기울에서 전분을 추출하기 위해 단백질분해효소와 cellulase를 이용하였으며 이 때 곰팡이(Aspergillus oryzae) 유래 단백질분해효소에 의하여 추출효율이 높았으나, cellulase에 따른 유의적 변화는 나타나지 않았다.
▪ 반응표면 분석법을 통하여, 감자, 고구마, 쌀 유래 전분 추출의 최적화 방법을 확립하였다.
▪ 다양한 미생물 유래의 amylosucrase (ASase)를 비교 분석한 결과 열 안정성이 떨어지지만 당전이 활성이 높은 NPAS (Neisseria polysaccharea 유래 ASase), 그리고 당전이 활성이 NPAS에 비하여 비교적 낮지만 열안정성이 가장 높은 DGAS (Deinococcus geothermalis 유래 ASase)를 선정하여 하였다.
또한, sucrose phoshorlyase (SPase)와 glucan phosphorylase (GPase) 효소의 활성을 확인하여 효소수식공정을 개발하였다.
▪ 서류 전분 (감자와 고구마 유래 전분)을 다양한 온도에서 DGAS 처리 한 결과,감자의 경우 효소의 활성이 가장 높은 40℃, 고구마의 경우 30와 40℃에서 저항전분 함량이 가장 높게 형성되는 것을 확인하였다. 또한 각 반응 온도에 따라 amylopectin의 side-chain 길이의 차이가 나타났으며, 이에 다른 물리화학적 특성이 나타났다. 멥쌀 전분에 저항전분 함량은 0.7%에서 DGAS 처리 시 32.5%, NPAS 처리 시 저항전분 함량은 39.8%로, 찹쌀 전분의 저항전분 함량도 0.8%에서, DGAS 처리 시 23.6%, NPAS 처리 시 38.3%로 크게 증가한 것을 확인할 수 있었다. 또한 두 효소에 따라 물리화학적 특성에 차이가 나타났다.
▪ Dual enzyme system을 이용한 결과, sucrose와 SPase를 이용하여 값비싼 기질인 G-1-P을 생산하고, 이를 전분과 GPase를 반응하여 저항전분 함량이 크게 증가하였으며, 물리화학적 특성이 변한 기능성 전분을 합성하는 공정을 성공적으로 개발하였다.
▪ 마지막으로, ASase를 이용하여 농산물 가공부산물로부터 효소수식전분을 제조하였다. 전분을 추출하고 남은 마박의 경우 DGAS를 처리하였을 경우, 기존의 마박이 가지고 있는 저항전분 함량인 27.44 ± 3.45 % 보다 더 높은 35.21 ±2.32 %로 나왔다. 또한 ginsenoside를 추출하고 남은 홍삼박에 NPAS를 처리할 경우 저항전분함량이 0.26 ± 0.23 %에서 17.71 ± 0.62 %로 크게 증가하는 것을 확인하였다.
▪ 본 연구를 통하여 효소적으로 합성된 변성전분은 RS함량이 증가한 것뿐만이 아니라 전분 자체의 물리화학적 특성이 완전히 달라진 것을 확인 할 수 있었다.
▪ 무정형입자감자전분(AGPS)과 교차변성무정형입자감자전분(CLAGPS)을 각각 에탄올처리 및 가교화처리 후 열처리하여 제조 한 후 이들의 특성을 알아보았다. 두 전분 모두 입자모양은 유지하였으나 복굴절성이 소실되었으며 DSC 및 XRD결과에서도 완전하 호화를 나타내었다. 그러나 이들 전분의 겉보기점도,팽윤력, 용해도 및 RVA pasting properties는 전혀 다른 특성을 나타내었다.
무정형입자감자전분은 호화감자전분에 비해 상대적으로 높은 효소저항전분을 보였으나 교차변성무정형입자감자전분은 큰 차이를 나타내지 않았다. 다양한 수분함량 및 온도에서 무정형입자감자전분에 열수처리를 하여 이들의 물리화학적 변화를 유도하였다. 무정형입자감자전분을 열수처리한 결과 DSC 및 XRD상의 변화가 나타나 이들의 분자배열이 바뀌었음을 알 수 있었다. 열수처리한 무정형입자감자전분은 온도 및 수분함량에 따라 무정형에서 A- 또는 B-type 결정형을 가지는 입자전분으로 변화하였다. Raman spectroscopy와 FT-IR 분석결과 이들의 분자구조 변화를 확정할 수 있었다. 열수처리한 무정형입자감자전분은 상대적으로 높은 효소저항전분과 slowly digestible starch 함량을 나타냈고 상대적으로 작은 rapidly digestible starch 함량을 나타내었다.
▪ 다양한 유기산 (10~30%) 및 pH 3.5로 처리한 경우, citric acid 처리 시 높은 RS 함량으로 인해 현저히 낮은 소화율을 나타내었으며, malic acid, tartaric acid는 유사한 소화율을 보여 citric acid보다는 다소 높은 소화율을 유지함. 하지만, 모든 유기산 처리군은 호화 후에도 천연전분보다 현저히 낮은 소화율을 나타냄으로써 식품에 적용할 경우 가공처리에도 소화지연 효과를 유지할 것으로 기대되어짐. 이에 citric acid, malic acid, 및 tartaric acid 함량 10~30% 첨가 후 pH를 3.5로 조절하여 제조한 변성전분을 동물실험 효능검증을 위한 유용후보군으로 선정하였음.
▪ 유기산 첨가 없이 pH만 조절한 전분을 분석한 결과, pH level과 소화율이 경향 없이 나타나 유기산 처리 전분의 소화지연 효과는 산에 의한 가수분해에 의한 결과이기보다 유기산이 전분 사슬에 치환되어 나타나는 결과라고 추측할 수 있음.
▪ 동물실험 결과, CA30%, pH3.5-고농도 군에서 체중증가 억제효과 및 유의적으로 낮은 혈당수준을 보여 항비만 및 항당뇨 소재로서의 가능성을 확인하였음.
▪ 대표적 prebiotic 소재인 프락토올리고당(FOS)과 변성전분의 유익균 생육효과를 비교하였을 때 구연산 처리 변성전분에서도 그에 상응하는 유익균 생육효과를 나타냄을 확인하였음.
▪ 유기산(citric acid, malic acid, tartaric acid) 종류를 달리하여 제조한 변성전분과 균을 함께 장기간 배양할 경우 변성처리 전분이 glucose보다 균 수를 유지하는데 뛰어남을 보였으며, 유익균의 성장을 촉진하여 프리바이오틱 소재로써의 가능성을 확인하였음.
▪ 동물실험 결과, RS함량이 가장 높았던 citric acid 군에서 단쇄지방산 증가 및 유익균의 증가를 보여 쥐의 장내 환경 개선에 가장 높은 효과가 있음을 확인하였음.

< 연구개발성과 >
▪ SCI 논문 : 9건 / 비SCI 논문 : 6건 / 학술발표 : 41건
▪ 특허출원 : 4건 / 특허등록 : 2건
▪ 기술이전 : 1건
▪ 시제품제작 : 10건
▪ 전분제품 제품화 : 2건
▪ 전문인력양성 : 8명

연구개발성과의 활용계획(기대효과)
▪ 식품용 효소를 이용하여 국내산 농작물인 감자, 고구마에서 가장 효율적으로 전분 추출 공정을 개발하였으며, 마로부터 안정적으로 전분을 추출하는 방법을 개발하였다. 또한 효소처리를 통한 효율적인 전분 추출공정 개발을 통하여, 쌀전분 생산성 향상에 큰 기여를 할 것으로 보인다.
▪ 특히 농산 가공부산물의 전분을 추출하는 공정개발은 농산 가공부산물의 새로운 부가가치를 창출 할 가능성이 있다.
▪ 기존의 화학적 방법과 달리 효소를 이용할 경우, 자연친화적이며 순한 조건에서 전분의 물리화학적 특성이 전혀 다른 변성전분을 만들 수 있다. 특히 본 연구에 사용된 효소반응 시스템은 모두 중성의 조건에서 높은 활성들을 보이며,기질로 값이 싼 자당 (sucrose)를 이용하기 때문에 식품에 적용하기 유리하다.
▪ 더욱이 GI 수치가 낮고, 장내균총에 좋은 영향을 주기 때문에 주목을 받는 저항전분의 함량이, 효소처리를 통해 기존의 전분보다 높아지기 때문에 산업적으로 효용가치가 높다.
▪ 무정형입자감자전분 및 교차변성무정형입자감자전분은 천연전분과는 전혀 다른 물리화학적특성을 나타내어 향 후 식품산업, 제지산업, 의류산업 및 화장품산업 등에서 널리 사용될 수 있을 것이다.
▪ 무정형입자감자전분의 열수처리는 A-type 결정형태를 가지는 감자입자전분과 같은 특수한 성질을 가지는 변성전분을 만드는 데 활용될 수 있는 기술이다.
▪ 기능성 전분의 생리활성효능 평가기법 등의 기술 개발
▪ 개발된 기능성 전분 소재들의 비만, 당뇨, 변비 등 다발성 질환용 예방식품의 주원료 및 부원료로 활용
▪ 개발변성전분을 이용한 건강 기능성 제품생산으로 국민 건강 증진에 기여

( 출처: 국문 요약문 4p )

Abstract ▼

Purpose&Contents
< Research objectives >
▪ Development of starch extraction methods and starch materials from plant sources and plant processing by-products
▪ Study in industrialization of starch for enhancing the physical and physiological functionalities and its productivity
▪ Material

Purpose&Contents
< Research objectives >
▪ Development of starch extraction methods and starch materials from plant sources and plant processing by-products
▪ Study in industrialization of starch for enhancing the physical and physiological functionalities and its productivity
▪ Materialization and commercialization of developed starches by investigating their physical and physiological functionalities
▪ Enhancement of import-substituting effects and improvement of added value of agricultural products and their by-products by reinforcing the relation between food industry and agriculture

< Research contents >
▪ Development of starch extraction and materials from domestic agricultural products
- Extraction method design and characterization of starches from domestic plant sources for maximizing starch production
- Extraction method design and characterization of starches from agriculture processing by-products (broken rice, potato sludge, wheat bran)
- Recovery process development and materialization of starchy materials from special crop processing by-products using biocatalytic reaction
▪ Development of starch modification for enhancing physical functionality and bioactivity
- Development of amorphous granular starch from developed native starches
- Development of physical modification for enhancing slowly-digestibility of amorphous granular starch and investigation of in vitro and in vivo functionality of developed starch
- Development of slow- and non-digestion starch materials by bioconversion technology
▪ Investigation of physical and physiological functionalities of developed starch materials
- Comparative study of physical functionality between developed and existing modified starches
- Investigating of in vivo bioactivity of developed starch materials by mice
▪ Materialization and commercialization of functional starch materials depending on the intended uses based on their physical and physiological functionalities

Results
< R&D Results >
▪ When enzymatic starch extraction process was applied on the root & tuber crops (potatoes and sweet potatoes), starch was extracted at a high yield without changes to the physicochemical properties when β
- glucanase enzymes were used for potatoes and cellulase from Aspergillus oryzae enzymes were used for sweet potatoes. Stable starch extraction yield was achieved when flax was submerged in 0.4% (w/v) sodium bicarbonate solution. Starch with no physicochemical differences with existing starch could be extracted from rice by using a developed method that involved combined treatment with sodium carbonate and protease.
▪ When starch was extracted from the broken rice, a rice byproduct, using protease treatment, free-thaw infusion (FI), and alkali precipitation method, the highest starch extraction yield was achieved without physicochemical changes when FI was used. With respect to potato sludge, efficient extraction was possible by using β-glucanase enzymes, just as in potatoes, while there were no significant differences in extraction efficiency according to enzyme concentrations. Moreover, protease and cellulase were used to extract starch from bran, and while extraction efficiency was high when fungus (Aspergillus oryzae) derived protease was used, but significant changes versus cellulase could not be found.
▪ Optimization of starch extraction from potato, yam, and rice on a semi-pilot scale was established through the response surface methodology.
▪ Based on the results from comparative analysis on various microorganism-derived amylosucrase (ASase), Neisseria polysaccharea-derived ASase (NPAS) that shows low thermal stability but high transglycosylation activity and Deinococcus geothermalis-derived ASase (DGAS) that has relatively lower transglycosylation activity than NPAS but has the highest thermal stability were selected. Moreover, by identifying the activities of enzymes sucrose phoshorlyase (SPase) and glucan phosphorylase(GPase), an enzymatic modification process was developed.
▪ Starch of the root & tuber types (starch from potatoes and sweet potatoes) were treated with DGAS at varying temperatures, and the results showed that in case of potatoes, resistance starch content was highest at 40℃ when enzymatic activity level was the highest, while in case of sweet potatoes, resistance starch content was highest at 30℃ and 40℃. Moreover, the length differences of side-chains of amylopectin were observed according to the reaction temperature, which resulted in different physicochemical properties. Resistant starch content in normal rice starch showed significant increase from 0.7% to 32.5% and 39.8% when treated with DGAS and NPAS, respectively, while RS content in waxy rice starch also showed significant increase from 0.8% to 23.6% and 38.3% when treated with DGAS and NPAS, respectively. Moreover, differences in physicochemical properties appeared according to these two enzymes.
▪ When the dual enzyme system was used, G-1-P, a high-priced substrate, was produced using sucrose and SPase, and when this was reacted with starch and GPase, significant increase in RS content was found. As a result, a process of synthesizing a functional starch with altered physicochemical properties was successfully developed.
▪ Lastly, ASase was used to produce enzyme-modified starch from processed agricultural byproducts. When the flax marc remaining after starch extraction was treated with DGAS, RS content showed 35.21 ± 2.32%, which is higher than the RS content of the existing flax, 27.44± 3.45%. Moreover, when red ginseng marc remaining after ginsenoside extraction was treated with NPAS, RS content increased significantly from 0.26 ± 0.23% to 17.71 ± 0.62%.
▪ The findings in this study showed that enzymatically synthesized modified starch had increased RS content, as well as the physicochemical properties of starch itself have completely altered.
▪ Amorphous granular potato starch (AGPS) was prepared using heat treatment at 94℃ with 53% EtOH and cross-linked amorphous granular potato starch (CLAGPS) was prepared using cross-linking with STMP/STPP and heat treatment of native potato starch (NPS). Both AGPS and CLAGPS maintained granule shape and lost birefringence when observed by light and polarized microscopes. DSC and XRD of both AGPS and CLAGPS also showed complete gelatinization. However, their apparent viscosity, swelling power, solubility, and RVA pasting properties were distinctively different with each other. AGPS revealed relatively higher RS content than gelatinized potato starch, while CLAGPS did not show the increase of RS content in spite of cross-linking modification.
▪ Hydrothermal treatment were performed at different moisture contents(18, 29, 200% d.b) and temperatures (4, 25, 40, 60, 80oC)for 3 weeks. AGPS showed no amylopectin melting peak because it already gelatinized, while all treated AGPS revealed amylopectin melting peak suggesting rearrangement occurred during hydrothermal treatment. In XRD, AGPS showed amorphous pattern and treated AGPS revealed Aor B-type crystalline patterns depending on treated temperature and moisture content. Raman spectroscopy and FT-IR confirmed that ordered structure and crystalline region increased during hydrothermal treatment of AGPS. Resistance starch and slowly digestible starch contents of treated AGPS increased but rapidly digestible starch content decreased compared to AGPS.
▪ Combination of CA concentration and pH condition was found to significantly increase amount of RS in the potato starches compared to both native and hydrochloric acid treated-starches. Also, dietary treatment with citrate starch led to healthier blood glucose level and less adiposity in obese-induced mice.
▪ Probiotic bacteria B. bifidum and L. acidophilus grown in medium with citrate starch showed substantial viability. In brief, bacterial viability was higher when cultured in the presence of CA-modified starch(6.38-6.85 log CFU/mL) than in the presence of glucose (4.48 log CFU/mL). Moreover, CA-modified starch promoted the growth of beneficial bacteria and grew the highest number of Lactobacillus acidophilus.
▪ In animal experiments, all modified starch at a dose of 2.0 g/day was able to increase gastrointestinal transit, fecal moisture, and fecal lipid content. Overall, modified starch could promote the growth of beneficial bacteria by providing short-chain fatty acid production in the intestines and the most effective starch was modified with CA.
▪ pH conditions of different organic acid (e.g. citric acid, malic acid, tartaric acid) esterification significantly affect the struure, physicochemical properties, and nutritional value of potato starch.
▪ in vivo and in vitro relationships was confirmed and CA-, MA-, and TA-modified starch can be used as a functional material to improve the intestinal environment.

< R&D Outcome >
▪ SCI article : 9 cases / KCI article : 6 cases
▪ Patent application : 4 cases / Patent registration : 2 cases
▪ Technology transfer : 1 case
▪ Prototype production : 10 cases
▪ Starch product : 2 cases
▪ Human resource development : 8 persons

Expected Contribution
▪ This study developed the most efficient starch extraction process for Korean domestic crops (potatoes and sweet potatoes) by using food-grade enzymes, as well as a method for stable extraction of starch from yam. Moreover by developing an efficient starch extraction process through enzymatic treatment, the findings are expected to make a significant contribution in improving the productivity of rice starch.
▪ In particular, the development of a method for extracting starch from processed agricultural byproducts has the potential of creating novel value-added features to processed agricultural byproducts.
▪ When using an enzyme unlike existing chemical methods, it is possible to produce the modified starch with completely different physicochemical properties under mild and eco-friendly conditions. In particular, the enzymatic reaction system used in this study showed high activity levels at neutral conditions, and since it uses inexpensive sucrose as a substrate, it is advantageous for food applications. Moreover, since RS content, which is drawing attention for showing lower GI values and having health functionality, becomes higher than the existing starch level by enzymatic treatment, it also offers high industrial value as well.
▪ AGPS and CLAGPS revealed distinctively different physicochemical properties compared to NPS suggesting potential application in food, textile and paper industries.
▪ Hydrothermal treatment could change the physicochemical properties of AGPS and produce an identical material, such as granular potato starch with A-type crystalline.
▪ Development of a new value-added modified starches from cereals through chemical processing and extension the use of modified starches with enhanced physiological functions.
▪ A substantial impact on science by studying new structural modification procedures as well as industry by transferring the creative technology.

( 출처 : SUMMARY 7p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 국문 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 7
• CONTENTS ... 11
• 목차 ... 12
• 제1장. 연구개발과제의 개요 ... 13
• 제1절. 연구개발 목적 ... 13
• 제2절. 연구개발의 필요성 ... 13
• 제3절. 연구개발의 범위 ... 16
• 제2장. 국내외 기술개발 현황 ... 18
• 제1절. 국내외 전분소재 산업 현황 ... 18
• 제2절. 국내외 기술개발 현황 ... 22
• 제3장. 연구수행 내용 및 결과 ... 26
• 제1절. 국내산 농산물을 활용한 생전분 제조 및 특성 ... 26
• 제2절. 효소적 변성방법에 의한 전분소재 개발 및 특성 ... 96
• 제3절. 물리적 변성방법에 의한 전분소재 개발 및 특성 ... 159
• 제4절. 화학적 변성방법에 의한 전분소재 개발 및 특성 ... 195
• 제5절. 전분소재의 생리활성효능 검증 연구 ... 318
• 제6절. 연구개발성과 ... 385
• 제4장. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 393
• 제1절. 목표달성도 ... 393
• 제2절. 관련분야 기여도 ... 394
• 제5장. 연구결과의 활용계획 ... 395
• 제1절. 연구결과 및 연구성과의 활용계획 ... 395
• 제2절. 추가 연구의 필요성 및 계획 ... 395
• 제6장. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 397
• 제7장. 연구개발결과의 보안등급 ... 400
• 제8장. 국가과학기술종합정보시스템에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 401
• 제9장. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 402
• 제10장. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 409
• 제11장. 기타사항 ... 410
• 제12장. 참고문헌 ... 411
• 끝페이지 ... 421