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ISSN : 1226-4768(Print)
ISSN : 2288-1247(Online)
Food Engineering Progress Vol.24 No.4 pp.299-308
DOI : https://doi.org/10.13050/foodengprog.2020.24.4.299

Chemical Composition Affecting Physical Properties of Textured Vegetable Proteins

Hwi Won Jung1, Hyun Woo Choi1, Hyun-Seok Kim1,2*
1Department of Food Science and Biotechnology, Graduate School, Kyonggi University
2Major of Food Science and Biotechnology, Division of Bio-convergence, Kyonggi University
*Corresponding author: Hyun-Seok Kim, Major of Food Science and Biotechnology, Division of Bio-convergence, College of Convergence and Integrated Science, Kyonggi University, Suwon 16227, Korea Tel.: +82-31-249-1319; Fax: +82-31-249-9604 E-mail: khstone@kyonggi.ac.kr
October 31, 2020 November 6, 2020 November 6, 2020

Abstract


The objective of this study was to determine chemical compositions affecting the physical and thermal properties of the textured vegetable protein (TVP). The 14 commercial TVPs were pulverized, followed by analyzing their morphology, chemical composition, water absorption index (WAI) and water solubility index (WSI) (for the pulverized and original TVPs), solubility, swelling power, melting property, and hardness. All TVPs showed the rough surface with irregular cracks and pores and the porous structure with varied pore sizes. WAI was positively correlated to moisture and crude protein contents and negatively correlated to the total carbohydrate content. WSI and solubility were directly and reversely influenced by the crude ash and total carbohydrate contents and the crude protein and total starch contents, respectively. The swelling power and melting temperature of TVPs did not significantly affect chemical compositions. Melting enthalpies increased with crude ash content, while decreased with the total starch content. The hardness of the rehydrated TVPs was enhanced with their crude ash and total carbohydrate contents, whereas reduced with their crude protein and total starch contents. Overall, the yield and texture of the rehydrated TVP could be modulated with the crude protein and ash contents of TVP.



식물조직단백의 물리적 특성에 영향을 미치는 화학적 성분

정 휘원1, 최 현우1, 김 현석1,2*
1경기대학교 대학원 식품생물공학과
2경기대학교 바이오융합학부 식품생물공학전공

초록


    Kyonggi University

    서 론

    국내의 식품소비는 과거 곡물과 채소 등의 채식 위주의 식생활에서 사회 및 경제의 발달과 함께 1990년대 이후부 터 식육과 식육가공품 등의 육식 위주의 식생활로 변화되 었다(Yeo & Kim, 2016). 식육 및 식육가공품들은 필수아 미노산과 단백질의 주요 공급원이며, 이들의 지질은 에너 지와 필수지방산을 제공할 뿐만 아니라, 철과 미량의 비타 민을 공급하는 중요한 식품이다(You et al., 2020). 국내 연 간 육류 소비량은 2000년부터 2017년까지 소고기가 44.8%, 돼지고기가 63.2%와 닭고기가 112.8%로 증가하였 고(Korea meat distribution export association, 2020), 이와 더불어 식육가공품들의 연도별 판매액도 품목에 따른 차이 가 있지만 지속적인 증가를 나타내고 있다(MFDA, 2019). 그럼에도 식육 및 식육가공품의 소비는 대사성 질환과 관 련된 건강상 이슈, 종교적인 이유로 인한 식육 섭취 제한 의 이슈 및 가축 사육에 따른 환경오염과 자연파괴에 대한 이슈들이 지속적으로 연계되어 있다(Lee & Cho, 2019;Yeo & Kim, 2016). 이런 이슈들과 함께 급격한 인구증가 에 따른 미래 식량부족 문제의 해결을 위해, 식육 및 식육 가공품을 대체할 수 있는 식품의 개발이 요구되고 있다 (Lee & Cho, 2019;Yeo & Kim, 2016).

    최근 식물성 단백소재, 식용 곤충과 배양육(cultured meat)을 이용한 식육 및 식육가공품의 대체소재와 대체식 품의 개발에 대한 연구가 진행되고 있다(Alexander et al., 2017;Lee & Cho, 2019). 식용 곤충은 식품소재로 활용하 기 위해 안전성 확보, 관능적 특성 개선 및 소비자들의 곤 충에 대한 혐오감 개선이 필요하며, 배양육은 현재 높은 생산단가와 관능적 특성의 개선이 요구되고 있어 상업적 활용이 제한되고 있다(Alexander et al., 2017;You et al., 2020). 이에 반해 식물성 단백소재는 기술적 한계가 있음 에도 식물조직단백(textured vegetable protein, TVP)으로 가공되어 식육의 조직감을 대체하기 위해 식물성 식육 대 체식품에 활용되고 있다(Cho & Ryu, 2018;Lee & Cho, 2019). 식물성조직단백은 방사법(spinning process), 압출성 형(extrusion process)과 증기법(steam texturization) 등으로 제조될 수 있다(Lee & Cho, 2019). 이중 압출성형공정은 다른 조직화 공정에 비해 공정이 단순하며, 조작이 간단하 고, 경제적이며, 다양한 형태로 성형이 가능하여 상업적인 식물조직단백을 제조하는데 널리 활용되고 있다(Cho & Ryu, 2018). 압출성형에 의한 식물조직단백은 일반적으로 분리대두단백을 주원료로 사용하며, 이외에도 완두, 깨, 땅 콩, 목화씨, 쌀 등에서 분리된 단백소재들을 활용하기도 한 다(Cho & Ryu, 2018;Lee & Cho, 2019). 또한 식물성 조 직단백에 섬유상 결의 형성을 위해 밀 글루텐을, 조직 결 착력을 향상시키기 위해 전분을 첨가하고 있다(Cho & Ryu, 2018). 이러한 원료들의 종류와 배합비율의 변화를 통해 압출성형된 식물조직단백의 특성을 평가하는 연구가 주로 수행되고 있고(Cheong et al., 2018;Hager, 1984;Han et al., 1989;Ma & Ryu, 2019;Park et al., 2017), 압출성형 공정변수들이 식물조직단백의 특성에 미치는 영 향(Maung et al., 2020;Maurice & Stanley, 1978;Moon et al., 2020;Park et al., 2017;Song et al., 1994)과 식물 조직단백의 식육 대체식품 적용가능성 평가(Cho & Ryu, 2017;Maung et al., 2020)에 대한 연구들 또한 수행되고 있다. 그러나 식물조직단백의 화학적 성분특성들이 이의 물 리적 특성에 미치는 영향에 대한 연구는 찾아볼 수 없다.

    따라서 본 연구는 현재 식물성 대체육가공품에 이용되고 있는 식물조직단백 소재들의 화학적 성분특성과 물리적 특 성을 조사하고, 이들 사이의 상관성을 평가하여 식물조직 단백의 물리적 특성에 영향을 미치는 화학적 성분을 탐색 하고자 하였다. 이를 통해 맞춤형 물성을 보유한 식물조직 단백소재의 개발을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.

    재료 및 방법

    재료

    식물조직단백 소재들은 국내(6종) 및 국외(스페인 생산 1 종, 태국 생산 5종, 일본 생산 2종)에서 압출성형공정을 통 해 생산되어 상업적으로 활용되고 있는 총 14종의 제품을 구입하여 사용하였다. 본 연구에 사용된 식물조직단백의 외관과 제조국가를 Table 1에 제시하였다. 식물조직단백의 특성분석에 사용된 시약과 용액들은 ACS 등급의 것을 사 용하였다.

    주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)

    식물조직단백 원료들의 표면과 단면은 SEM (SNE- 3000MB, SEC Co. Ltd., Suwon, Korea)을 이용하여 관찰 하였다. 식물조직단백을 종으로 절단한 후 카본 테이프에 부착하고 gold 코팅하여 가속전압 15 kV에서 50배의 배율 로 관찰하였다.

    식물성 조직단백의 전처리

    확보된 식물조직단백은 다양한 크기 및 모양을 가지고 있다(Table 1). 식물조직단백의 물리적 특성에 대한 형태학 적 특성의 영향을 배제하기 위해 각 식물조직단백은 가정 용 믹서기를 이용하여 분쇄한 후 40 mesh 표준체망(No. 40, Chunggye, Seoul, Korea)을 통과시켜 PET 시료병에 흡습제와 함께 밀봉하여 실온(~24°C)에서 저장하였다.

    화학적 성분 분석

    식물조직단백 분말의 수분 함량은 130°C에서 적외선수분 측정기(MA-150, Sartorius AG, Göttingen, Germany)를 이 용하여 측정하였다. 조단백질 함량은 킬달법(%N×5.71)을, 조지방 함량은 속실렛법을, 조회분 함량은 건식회화법을 이용하여 분석하였으며, 총 탄수화물 함량은 조단백질, 조 지방과 조회분의 건조중량의 총합을 100에서 차감하여 계 산하였다(AOAC, 2000). 총 전분 함량은 AACC법 73-13에 따라 total starch assay kit (Megazyme Int., Wicknow, Ireland)을 이용하여 측정하였다(AACC, 2000).

    수분흡수지수와 수분용해지수

    식물조직단백 분말(2 g, dry base (d.b.))과 탈이온수(35 mL)를 50 mL conical tube에서 혼합하여 25°C에서 40분간 정치하면서 5분 간격으로 vortexing하였다. 10분 간격으로 채취한 시료는 원심분리(1,000×g, 15 min)한 후 상층액을 침전물로부터 분리하여 침전물의 무게를 측정하였다. 회수 된 상층액은 알루미늄 접시에 옮겨 105°C에서 상층액 내 고형물의 항량을 구하였다. 한편 분쇄하지 않은 식물조직 단백(2-5 g, d.b)과 탈이온수(35 mL)를 250 mL 원심분리관 에 넣고 밀봉하여 진탕항온수욕조(25°C)에서 100 stroke/ min으로 30분과 60분간 진탕하였다. 진탕이 완료된 후 식 물조직단백-탈이온수 혼합물은 fritted-glass filtered crucible 위에서 감압여과하여 잔류물의 무게를 측정하였고, 여액은 알루미늄 접시에 옮겨 105°C에서 상층액 내 고형물의 항 량을 구하였다. 식물조직단백의 수분흡수지수와 수분용해 지수는 다음의 계산식에 따라 결정되었다.

    Eq1.gif

    Eq2.gif

    • w.b: wet base

    • d.b: dry base

    용해도 및 팽윤력

    식물조직단백 분말(0.5 g, d.b)과 탈이온수(25 mL)를 50 mL conical tube에서 혼합하여 30분간 가열(75°C)한 후 냉수욕조에서 20분간 냉각하여 원심분리(2,500×g, 20 min)하였다. 이후 침전물과 상층액을 분리하여 침전물의 무게를 측정하고 상층액은 알루미늄 접시로 옮겨 105°C 에서 상층액 내의 고형물의 항량을 측정하였다. 식물조직 단백의 용해도와 팽윤력은 아래의 계산식에 따라 결정되 었다.

    Eq3.gif

    Eq4.gif

    시차주사열량계(differential scanning calorimetry, DSC)

    식물조직단백의 용융(melting)특성은 DSC (DSC4000, PerkinElmer, Inc., Waltham, MA, USA)를 이용하여 분석 하였다. 식물조직단백 분말(5 mg, d.b)을 스테인리스강 pan 에 직접 칭량하고 탈이온수를 가하여 총 20 mg으로 한 후 기계적으로 밀봉하였다. 시료 pan은 상온에서 18시간 동안 방치한 후 25°C에서 150°C까지 5°C/min의 가열속도로 스캔 하였으며, 대조군으로는 비어 있는 pan을 사용하였다. DSC thermogram으로부터 Pyris software (version 11.1.0.04.88, PerkinElmer Inc.)를 사용하여 호화온도와 호화엔탈피를 결 정하였다.

    경도(hardness)

    식물조직단백 분말은 25°C의 탈이온수 안에서 30분간 수화시켜 2% (w/w) κ-carrageenan 수용액에 분산시킨 후 non-stick 스테인리스강 용기(지름 4 cm, 높이 2 cm)에 부 어 상온에서 2시간 동안 방냉시켜 겔을 형성시켰다. κ- carrageenan-식물조직단백 혼합 겔(gel) 내의 식물조직단백 함량은 건조중량 기준으로 10%이었다. 혼합된 겔은 지름 2 cm, 높이 2 cm의 원통형으로 성형하여 물성측정기(Model Compac-100, Sun Scientific CO., Tokyo, Japan)를 이용하 여 30%의 변형율로 압착하여 경도를 측정하였다. 경도 측 정 시 지름 25 mm의 원통형 probe가 사용되었으며, table speed는 60 mm/min이었다.

    통계처리

    식물조직단백의 성분특성 및 물리적 특성은 최소 3회 이 상 반복하였고, 경도는 최소 4회 이상 반복하여 측정하였 다. 측정된 특성치들은 one-way ANOVA 분석을 수행하여 평균±표준편차로 나타내었으며, 평균값들 사이의 통계적 유의성은 95% 신뢰수준에서 Tukey’s HSD multiple range test를 이용하여 분석하였다. 또한 식물조직단백의 화학적 성분과 물리적 특성들 사이의 상관관계는 Pearson’s correlation에 의해 평가되었다. 모든 통계적 계산과 분석은 Minitab 18 (Minitab Inc., State College, PA, USA)을 이용 하여 수행되었다.

    결과 및 고찰

    형태학적 특성

    본 연구에 사용된 14종의 상업적 식물조직단백(TVP)의 표면과 단면 구조를 전자주사현미경을 이용하여 관찰하여 Fig. 1에 제시하였다. 표면이 상대적으로 매끈한 TVP-I을 제외하고 모든 관찰된 식물조직단백들의 표면은 거칠고 울 퉁불퉁하며 불규칙적으로 갈라진 금(crack)들이나 다양한 크기의 구멍(pore)을 나타내었다(Fig. 1 TVP-A1-TVP-N1). 특히 TVP-E, TVP-F, TVP-K과 TVP-M에서는 다양한 크 기의 구멍들이 표면에 불균일하게 분포하고 있었다(Fig. 1). Guerrero et al. (2012)은 저 수분 환경에서 분리대두단 백을 압출성형할 때 젤라틴과 당류의 첨가에 따라 조직단 백의 표면구조가 치밀해지고 상대적으로 매끈해진다고 하 였다. 따라서 본 연구에서 관찰된 결과는 식물조직단백의 제조 시 사용된 원료들의 차이에 기인한 것으로 생각된다. 한편 식물조직단백의 단면구조를 관찰하였을 때, TVP-I과 TVP-N을 제외하고 다양한 크기의 구멍들이 불규칙적으로 분포된 다공성 구조를 나타내었으며(Fig. 1), 섬유상(fibrous) 의 구조는 관찰되지 않았다. 식물조직단백에 있어 섬유상 의 구조는 글루텐이 원료에 첨가되었거나 고 수분 환경 (40% 이상)에서 압출성형한 경우에 주로 관찰된다(Maung et al., 2020;Moon et al., 2020). 따라서 본 연구에서 사용 된 상업적 식물조직단백들은 주로 저 수분 환경에서 압출 성형하여 제조된 것으로 판단된다. 게다가 다공성 구조를 보유하지 않은 TVP-L과 TVP-N은 탈지대두박이나 농축분 리단백과 같이 섬유성분이 많은 원료를 사용하였기 때문으 로 생각된다. Cheong et al. (2018)은 식이섬유 함량이 높 은 비지를 조직대두단백 제조 시 첨가하였을 때, 비지 첨 가량이 증가하면서 다공성 구조가 감소되는 것을 관찰하였 다. 결과적으로 본 연구에 사용된 식물조직단백의 표면 및 내부 구조의 특성들이 상이하기 때문에, 본 연구에서는 식 물조직단백의 물리적 특성에 대한 구조적 특성의 차이를 배제하기 위해 분쇄하여 일정크기 이하로 선별된 식물조직 단백 분말을 시료로 사용하였다.

    화학적 성분

    식물조직단백의 일반성분과 총 전분 함량을 분석하여 Table 2에 제시하였다. 수분함량은 2.58-8.41%의 범위에 있 었고, 이는 본 연구에 사용된 식물조직단백은 건식제품이 라는 것을 나타낸다. 건량기준으로 조단백질 함량은 36.46- 58.60%의 범위를, 조지방 함량은 0.16-7.21%의 범위를, 조 회분 함량은 4.16-8.94%의 범위를, 총 탄수화물 함량은 36.97-50.33%의 범위를 나타내었다. 상업적인 식물조직단 백과 유사한 원료와 배합비율을 적용한 Yu et al. (2013)은 본 연구에서 얻은 조단백질과 총 탄수화물 함량이 유사하 였다. 그러나 식물조직단백의 원료로 분리대두단백, 밀 글 루텐과 옥수수전분을 사용한 Ma and Ryu (2019)의 경우 에는 조단백질, 조지방, 조회분과 총 탄수화물 함량이 본 연구의 결과와 상이하였다. 결과적으로 식물조직단백의 화 학적 성분은 제조 시 사용된 원료에 따라 변화되는 것으로 생각된다. 한편 식물조직단백의 총 전분 함량은 0.33- 17.76%의 범위를 나타내었으며, TVP-H가 5.13%, TVP-J가 10.92%, TVP-K가 17.76%로 유의적으로 높았으며, 나머지 식품조직단백들은 2% 미만이었다. 압출성형 시 단백성분 들 사이의 결착력 향상과 다공성 구조 형성을 용이하게 할 목적으로 전분을 첨가하기도 한다(Cho & Ryu, 2018). 따 라서 TVP-H, TVP-J와 TVP-K의 경우 전분을 인위적으로 식물조직단백의 원료로 사용한 것으로 보이며, 2% 미만의 전분 함량을 나타내는 식물조직단백들은 압출성형 시 형성 된 고전단 및 고열에 의해 비전분성 탄수화물고분자들의 부분적인 가용화에 의한 것으로 생각된다.

    수분흡수지수(water absorption index, WAI)와 수분용해 지수(water solubility index, WSI)

    식물조직단백의 분쇄물과 원물의 WAI와 WSI를 분석하 시료들 (TVP-B, TVP-J, TVP-K)에 있어서는 원물이 분쇄물보다 높았다. 또한 분쇄물들 사이의 WAI 수준의 경향은 원물과 다른 경향을 나타내었다. 예들 들어, 분쇄물에 있어 TVPA가 TVP-B보다 높은 WAI를 나타내었으나, 원물에 있어 서는 반대의 경향을 보였다. 식물조직단백의 높은 팽창율 과 공극(air cell)의 크기 증가와 균일한 분포는 WAI를 향 상시킨다고 알려져 있다(Guerrero et al., 2012;Ma & Ryu, 2019;Yu et al., 2012, 2013). 본 연구에서 관찰된 식 물조직단백의 WAI에 있어 분쇄물과 원물 사이의 수준 차 이와 다른 패턴은 다양한 팽화율(또는 크기)과 다공성 구 조를 가진 원물을 분쇄하여 일정 수준 이하의 입도분포를 가진 분말상으로 만들면서 분쇄물의 표면적을 유사하게 하 였기 때문으로 생각된다. 그럼에도 식물조직단백의 WAI는 분쇄물과 원물 사이에서 양의 상관성(r=0.613, p<0.01)을 보였다. 따라서 식물조직단백의 WAI에 대한 화학적 성분 의 영향을 판단하는데 있어 분쇄물이 더욱 적합한 것으로 판단된다. 한편 식물조직단백의 WAI에 대한 화학적 성분 의 영향을 보면(Table 6), 분쇄물의 WAI는 수분 함량 (r=0.551, p<0.01) 및 조단백질 함량(r=0.524, p<0.01)과 양 의 상관성을, 총 탄수화물 함량과 음의 상관성(r=-0.574, p<0.01)을 보였다. 식물조직단백 원물의 WAI는 수분 (r=0.555, p<0.01), 조단백질(r=0.654, p<0.01)과 총 전분 (r=0.540, p<0.01) 함량들과 양의 상관성을, 조회분(r= -0.516, p<0.01) 및 총 탄수화물(r=-0.678, p<0.01) 함량들과 음의 상관성을 나타내었다. 식물조직단백의 조회분과 총 전분 함량들이 원물의 WAI에 영향을 미치는 것 이외에 분쇄물과 원물의 WAI에 영향을 미치는 화학적 성분은 수 분, 조단백질과 총 탄수화물로 동일하였다. 본 연구의 결과 를 선행연구들과 비교할 때, 식물조직단백의 WAI에 대한 수분 함량의 영향은 Yu et al. (2012, 2013)와 Park et al. (2017)이 보고한 것과 동일하였으나, 조단백질 함량의 영향 은 상이하였다. 선행연구들은 단백질 함량의 증가는 압출 성형에 의해 단백질 사이의 조직화가 빈번히 일어나 식물 조직단백의 재수화율을 감소시킨다고 하였다(Park et al., 2017;Yu et al., 2012, 2013). 반면 Yu et al. (2012)은 상 대적으로 낮은 배럴온도(140°C)에서 압출성형된 식물조직 단백의 재수화율은 단백질 함량이 증가하면서 증가한다고 하였다. 따라서 본 연구에서 조단백질 함량 증가와 함께 WAI가 증가하는 것은 식물조직단백들이 선행연구들에 비 해 상대적으로 낮은 온도에서 압출성형되었기 때문으로 추 측된다.

    식물조직단백 분쇄물과 원물의 WSI는 각각 7.07-28.36% 와 0.87-21.92%의 범위에 있었다(Table 3). WAI에서 관찰 되었던 경향과 달리, WSI는 주어진 식물조직단백에서 분 쇄물이 원물보다 높았으며, WSI 수준 차이도 분쇄물과 원 물이 유사한 경향을 나타내었다. 그 결과로서 분쇄물과 원 물의 WSI 사이에 양의 상관성(r=0.754, p<0.01)이 관찰되 었다(Table 6). 이러한 결과는 식물조직단백의 원물을 분쇄 함으로써 표면적이 넓어지고 조직이 붕괴되며 가용성 성분 들의 용출이 용이해졌기 때문으로 판단된다. 한편 식물조 직단백의 WSI에 대한 화학적 성분의 영향을 보면(Table 6), 분쇄물의 WSI는 조단백질(r=-0.755, p<0.01) 및 총 전 분(r=-0.916, p<0.01) 함량들과 음의 상관성을, 조회분 (r=0.760, p<0.01)과 총 탄수화물(r=0.722, p<0.01) 함량과 양의 상관성을 나타내었다. 식물조직단백 원물의 WSI는 조단백질(r=-0.708, p<0.01) 및 총 전분(r=-0.574, p<0.01) 함량들과 음의 상관성을, 총 탄수화물 함량(r=0.801, p<0.01)과 양의 상관성을 나타내었다. 식물조직단백의 WSI 와 조회분, 총 탄수화물과 총 전분 함량 사이의 상관성은 선행연구들에서 보고되지 않았지만, 조단백질 함량의 증가 는 식물조직단백의 WSI를 감소시킨다고 하였고(Gumming et al., 1973;Park et al., 2017), 본 연구의 결과와 유사하 였다.

    용해도와 팽윤력

    식물조직단백의 용해도와 팽윤력은 75°C에서 측정하여 Table 4에 제시하였다. 식물조직단백의 용해도는 14.95- 35.08%의 범위에 있었으며, 식물조직단백 분쇄물의 WSI와 높은 양의 상관성(r=0.981, p<0.05)을 나타내었다(Table 6). 화학적 성분과의 상관성을 보면, 용해도는 조단백질(r= -0.749, p<0.01) 및 총 전분(r=-0.882, p<0.01) 함량들과 음 의 상관성을, 조회분(r=0.785, p<0.01)과 총 탄수화물(r= 0.719, p<0.01)과 양의 상관성을 나타내었다. 이와 같은 상 관성은 식물조직단백 분쇄물의 WSI와 화학적 성분들 사 이의 관계와 동일하였다. 결과적으로 압출성형 후 단백질 과 전분성 성분들은 식물조직단백의 조직 형성 및 결착에 관여함으로써 불용화되는 것으로 생각된다. 한편 식물조직 단백의 팽윤력은 6.82-13.64 g/g의 범위에 있었으며, 식물 조직단백 분쇄물의 WAI (r=0.777, p<0.01) 및 용해도 (r=0.386, p<0.01)와 양의 상관성을 나타내었다. 그러나 식 물조직단백의 팽윤력과 상관성을 보이는 화학적 성분은 존 재하지 않았다. 이는 팽윤력에 있어서는 식물조직단백의 화학적 성분보다는 수분을 흡수하여 보유할 수 있는 구조 적인 특성이 더욱 중요하다는 것을 암시한다.

    열 특성

    식물조직단백의 용융특성(melting property)을 시차주사 열량계(DSC)를 이용하여 조사하여 Table 5에 제시하였다. 모든 식물조직단백은 넓은 온도범위의 endothermic peak 를 나타내었다(endothermic thermogram not shown). 구 체적으로 식물조직단백의 용융개시온도(melting onset temperature)는 71.76-75.23°C의 범위를, 용융최고온도 (melting peak temperature)는 105.82-122.73°C의 범위를, 용융종결온도(melting completion temperature)는 143.77- 144.83°C의 범위를 나타내었다. 넓은 용융온도 범위의 결 과로서 식물조직단백의 용융엔탈피는 11.47-25.85 J/g의 범 위를 나타내었다. 이와 같은 현상은 분리대두단백을 압출 성형에 의해 제조된 식물조직단백이 60-150°C의 넓은 용융 온도 범위를 보였다는 보고(Guerrero et al., 2012)와 동일 하였다. 이와 같은 현상은 식물조직단백 제조를 위해 첨가 된 분리대두단백의 유의적인 양이 압출성형에 의해 변성되 지 않고 원래의 구형 구조(globular structure)를 유지하고 있기 때문이라 설명하였다(Guerrero et al., 2012). 따라서 본 연구에서 사용된 식물조직단백들의 단백성분들 모두가 압출성형에 의해 변성되지 않고 native conformation을 유 지하고 있는 것으로 생각된다. 한편 식물조직단백의 용융 특성에 대한 화학적 성분의 영향을 보면(Table 6), 용융개 시온도는 총 전분 함량과 음의 상관성(r=-0.447, p<0.05)을 가지고 있었다. 이는 압출성형에 의해 호화된 후 노화된 전분의 용융개시온도가 40-50°C의 범위로 낮아지기는 현상 에 의한 것이다(Kang et al., 2020). 그러나 본 연구에서 사용된 식물조직단백의 대부분은 총 전분 함량이 2% 미만 이며(Table 2), 식물조직단백의 용융개시온도의 범위가 너 무 좁기 때문에 도출된 상관성은 유의미하지 않은 것 같다. 식물조직단백의 용융최고온도는 화학적 성분들과의 상관 성이 존재하지 않았고, 용융종결온도는 조단백질, 조회분, 총 탄수화물과 총 전분 함량들과 상관성을 나타내었으나, 조사된 용융종결온도들 사이의 범위(0.19°C)가 너무 적어 (Table 5) 유의미하지 않았다. 식물조직단백의 용융엔탈피 는 조회분 함량과 음의 상관성(r=-0.457, p<0.05)을, 전분과 양의 상관성(r=0.375, p<0.05)을 보였다. 식물조직단백에 있 어 전분은 미량 성분으로 제외하고, 양이온들은 단백질과 비특이적으로 결합하여 단백질의 구조를 안정화시키는 역 할을 하는 것으로 알려져 있다(Maltais et al., 2005). 그래 서 식물조직단백 내 조회분 함량의 증가는 단백질의 구조 를 안정화시켜 열에 의한 용융을 제한하기 때문에 용융엔 탈피와 조회분 사이의 음의 상관성이 관찰된 것으로 생각 된다.

    경도(hardness)

    식물조직단백의 경도를 측정하여 Fig. 2에 나타내었다. 선행연구들에서는 통제된 조건하에서 식물조직단백을 제조 하였기에 이것 자체의 수화 전후 경도를 측정하여 직접적 으로 비교하였다(Moon et al., 2020;Park et al., 2017). 그 러나 본 연구에 사용된 식물조직단백은 다양한 크기와 모 양 뿐만 아니라 다양한 크기의 공극이 불균일하게 분포된 내부구조를 보유하고 있어(Table 1 & Fig. 1), 식물조직단 백 원물의 경도는 시료들 사이에 직접적인 비교가 불가능 하다. 그래서 식물조직단백 분쇄물을 수화시킨 후 겔화제 로 κ-carrageenan을 이용하여 원통형으로 성형한 후 경도를 측정하였다. 식물조직단백의 경도는 4.35-9.47 kN/m2의 범 위로 시료들 사이의 유의적인 차이를 나타내었다(Fig. 2). 식물조직단백의 경도에 대한 화학적 성분의 영향을 보면 (Table 6), 조단백질(r=-0.567, p<0.01)과 총 전분(r=-0.890, p<0.01) 함량은 음의 상관성을, 조회분(r=0.802, p<0.01)과 총 탄수화물(r=0.545, p<0.01) 함량들은 양의 상관성을 보 였다. 미량 성분인 총 전분 함량에 대한 영향과 조단백질 과 조회분의 함량을 결과로서 결정되는 총 탄수화물의 영 향은 제외하고, 조단백질의 함량 증가는 식물조직단백의 경도를 낮추었다. 이는 글루텐 함량을 증가시켜 제조한 식 물조직단백의 springiness가 감소한다고 보고한 Park et al.(2017)의 연구와 일치한다. 또한 조회분 함량의 증가는 식물조직단백의 경도를 증가시키는데, 이는 조회분을 구성 하는 양이온들의 단백질 구조의 안정화 및 단백질 겔 형성 에 관여하기 때문인 것으로 생각된다(Maltais et al., 2005).

    요 약

    식물조직단백의 상업적인 제품 14종을 이용하여 식물조 직단백의 물리적 및 열적 특성에 대한 화학적 성분의 영향 을 조사하였다. 사용된 식물조직단백들은 다양한 크기의 공극(air cell)들이 다양하게 분포하고 있는 다공성 구조를 보유하고 있었고, 일반성분(수분, 조단백질, 조지방, 조회분 과 총 탄수화물)과 총 전분 함량은 상이하였다. 수분흡수 지수는 수분 및 조단백질 함량들과 양의 상관성을, 총 탄 수화물 함량과 음의 상관성을 나타내었으며, 수분용해지수 는 조단백질 및 총 전분 함량들과 음의 상관성을, 조회분 및 총 탄수화물 함량들과 양의 상관성을 나타내었다. 용해 도는 조단백질 및 총 전분 함량들과 음의 상관성을, 조회 분 및 총 탄수화물 함량들과 양의 상관성을 보였다. 팽윤 력은 식물조직단백의 화학적 성분들과 유의적인 상관성을 보이지 않았다. 식물조직단백의 열 특성은 용융개시온도에 서 총 전분 함량과 음의 상관성을 보였으나, 식물조직단백 에서 전분은 미량 성분일 수 있어 중요한 인자는 아닌 것 으로 보인다. 또한 용융최고온도는 화학적 성분들과 상관 성이 관찰되지 않았으며, 용융종결온도는 수분과 조지방을 제외한 화학적 성분들과 상관성이 관찰되었으나 용융종결 온도의 범위가 너무 좁아 유의미하지 않았다. 식물조직단 백의 경도는 조단백질 및 총 전분 함량들과 음의 상관성 을, 조회분과 총 탄수화물 함량들과 양의 상관성을 나타내 었다. 이상의 결과를 종합하여 볼 때, 수분 및 단백질 함 량이 높은 식물조직단백은 높은 수분흡수율에 의해 재수화 식물조직단백의 수율을 높일 수 있을 것으로 생각된다. 또 한 부드러운 조직감을 보유한 식물조직단백을 위해서는 높 은 단백질 함량을 보유하며 조회분 함량이 적은 것을 사용 하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 게다가 식물조직단백 의 원료들은 가능한 적은 회분 함량을 보유한 것을 사용하 는 것이 식물조직단백의 조직감을 조절하는데 용이할 것으 로 생각된다.

    감사의 글

    본 논문은 한국식품산업클러스터진흥원에서 주관하는 2019년 중기기술지원 최신 트렌드 기술개발 사업으로 진행 되어진 연구의 일부이며 이에 감사드립니다. 또한 본 연구 는 2020년 경기대학교 대학원 연구원장학생 장학금 지원 에 의해 수행되었습니다.

    Figure

    FOODENGPROG-24-4-299_F1.gif
    SEM images of the surface and cross-section of commercial textured vegetable proteins.

    The suffixes of 1 and 2 in the denoted sample codes indicate the surface and cross-section images of the commercial textured vegetable proteins, respectively.

    FOODENGPROG-24-4-299_F2.gif
    Hardness of commercial products of textured vegetable protein.

    Bars sharing the same lowercase letters are not significantly different at p<0.05.

    Table

    Appearance, sample code, and country of origin of textured vegetable proteins used in this study

    Chemical compositions1) of commercial products of textured vegetable protein (TVP)
    <sup>1)</sup>Mean values of three replicate measurements; values sharing the same lowercase letters are not significantly different at <i>p</i><0.05.
    Water absorption index (WAI)1) and water solubility index (WSI)1) of the pulverized and original products of the commercial textured vegetable protein (TVP)
    <sup>1)</sup>Mean values of three replicate measurements; values sharing the same lowercase letters are not significantly different at <i>p</i><0.05.
    <sup>2)</sup>Both WAI and WSI are obtained from the pulverized textured vegetable proteins, and both WAI(O) and WSI(O) are obtained from the original (nonpulverized) textured vegetable proteins.
    Solubility1) and swelling power1) of commercial products of textured vegetable protein (TVP)
    <sup>1)</sup>Mean values of three replicate measurements; values sharing the same lowercase letters are not significantly different at <i>p</i><0.05.
    Melting temperature1) and enthalpy1) of commercial products of textured vegetable protein (TVP)
    <sup>1)</sup>Mean values of three replicate measurements; values sharing the same lowercase letters are not significantly different at <i>p</i><0.05.
    Pearson’s correlation coefficients among chemical composition, physical property, thermal property, and hardness of commercial products of textured vegetable proteins
    * <i>p</i><0.05, ** <i>p</i><0.01.
    <sup>1)</sup>Carb: total carbohydrate, WAI: water absorption index, WSI: water solubility index, WAI(O): water absorption index of the original textured vegetable protein, WAI(O): water solubility index of the original textured vegetable index, Sol: solubility, SP: swelling power, MO: melting onset temperature, MP: melting peak temperature, MC: melting completion temperature, ME: melting enthalpy, Hard: hardness.

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