KR100648093B1

KR100648093B1 - 압출성형공법을 이용한 효소저항전분의 생산방법

Info

Publication number: KR100648093B1
Application number: KR1020040086325A
Authority: KR
Inventors: 류기형; 최용석; 임진우; 이재강; 박무영
Original assignee: 동아제분 주식회사; 류기형
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2006-11-24
Also published as: KR20060037153A

Abstract

본 발명은 압출성형공법을 이용한 효소저항전분의 생산방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압출성형공법을 이용한 효소저항전분의 생산방법에 있어서, 수분함량, 바렐온도, 스크류 회전속도, 구연산, 비타민 C 등 유기산 첨가 등의 압출성형공정변수, 압출성형 후 저장·건조 조건, 압출성형 횟수 등 여러 가지 영향인자들을 최적화하고, 탄산가스 주입에 의한 압출성형공정을 새로이 도입함으로써 효소저항전분의 수율을 최대화시킨, 고효율의 경제적인 효소저항전분 생산방법에 관한 것이다.

압출성형공법, 효소저항전분, 탄산가스 주입

Description

압출성형공법을 이용한 효소저항전분의 생산방법{A preparation method of enzyme-resistant starch using extrusion process}

도 1은 본 발명에서 압출성형 효소저항전분을 제조하기 위해 사용한 실험용 쌍축 동방향 압출성형기(THK 31T, Inchen Machinery, Korea)의 스크류 배열을 나타낸 그림이다.

도 2는 본 발명에서 사용한 인산완충용액을 이용한 효소저항전분의 분석방법을 도표화한 것이다.

도 3은 본 발명에서 사용한 Mes-Tris 완충용액을 이용한 효소저항전분의 분석방법을 도표화한 것이다.

도 4는 수분함량과 바렐온도(60~80℃)에 따른 압출성형 소맥전분의 RS 수율 변화를 나타낸 그래프이다.

도 5는 수분함량과 바렐온도(50~110℃)에 따른 압출성형 소맥전분의 RS 수율 변화를 나타낸 그래프이다.

1980년대 이후 전분은 단순한 에너지원으로서의 역할 뿐만 아니라 인류의 건강증진에 기여할 수 있는 자원으로도 인식되기 시작하였다. 이러한 관점에서 인체 소화기관에 존재하는 전분분해효소에 저항성이 있는 전분, 즉 효소저항전분(enzyme-resistant starch, RS)에 대한 생산공정 및 인체에 미치는 기능성에 대한 연구가 시작되었다(Englist et al., Classification and measurement of nutritionally important starch fractions, Eur. J. Clin. Nutri. 46(2): 33-40, 1992). 효소저항전분은 인체 소장에서 소화되지 않은 섬유소와 영양학적인 측면에서 유사성이 많지만 식감이나 점탄성, 응집성, 수분흡착도, 수분용해도, 색도 등과 같은 물리적인 기능성은 섬유소를 비롯한 인체내 비소화성 영양소와 다른 점이 많아 기존의 식품에 첨가할 수 있다. 즉 빵류, 햄버거, 스낵, 파스타, 곡류팽화식품, 팽화스낵, 스프, 요구르트, 음료, 기능성 식품의 유사한 성질을 가진 식품 뿐만 아니라 나아가서 새로운 개념의 식품(innovative foods)의 개발에도 적용될 수 있는 소재가 될 수 있다(Brown et al., The use of high maize starch inthe preparatuin of nutritional foods, Food Australia 52(1,2): 22-26, 2000).

저항전분은 유사 이래로 있었던 것이다. 구조적인 분리방법인 건식제분(dry milling) 과정을 거쳐 효소의 작용이 용이하지 않은 구조를 가진 곡류, 성분의 분리인 습식제분(wet milling)을 거쳐 생산된 전분을 수분과 열처리를 거치지 않아 완전히 호화되지 않은 전분도 저항전분의 범주에 속한다. 이러한 전분을 호화와 노화를 반복하여 결정을 형성시켜 건조한 전분(RS-3)과 전분의 하이드록실(hydroxyl) 기 간의 가교의 형성시킨 변성전분(RS-4)에 대한 연구가 활발하게 진행되었으며, 이 때 원료는 고아밀로오스 옥수수전분을 많이 사용하고 있다.

호화와 노화과정을 거쳐 생산되는 RS-3는 125℃의 고온에서 용융시킨 다음 4℃에서 보관하는 가열과 냉각저장동안 결정을 형성시켜 인체 효소에 저항하여 소화되지 않은 전분이다. 효소저항전분 형성수율을 향상시키기 위하여 비휘발성 유기산, 구연산, 젖산 등을 첨가하여 전분사슬의 일부분해를 유도하여 효소저항전분 수율을 증가시키는 연구가 수행되었다. 가압상태의 120~130℃에서 전분의 호화공정을 압출성형공정을 이용하여 압출성형한 압출성형물의 효소저항전분 수율과 유기산 첨가에 의해 효소저항전분 수율이 향상되었다는 연구논문이 발표되었다.

전분은 적정한 수분과 온도조건하에서 가열하면 호화가 일어나고, 이를 냉각하면 전분분자의 재결합으로 B형의 결정형이 형성되는데, 이러한 일련의 과정을 노화라고 하며, 상기 노화에 의해 형성된 아밀로오스의 결정화를 RS-3라고 한다. 그러므로 전분의 노화와 관계되는 요인들이 효소저항전분 함량에 영향을 줄 수 있다. 즉, 전분의 종류, 아밀로오스 함량, 수분함량, 가열-냉각회수, 가열온도, 첨가물질에 따라 RS-3 생성에 영향을 미칠 수 있다. RS-3를 증가시키기 위한 물리적 처리방 법으로 알려진 공정은 압출성형, 어닐링 처리법(Annealing), 수분-열처리법 등이 있으며, 이러한 방법 중에서 압출성형 방법은 연속적으로 대량생산이 가능하다.

이와 관련한 종래 기술로 국내공개특허 제2000-4816호는 압출성형공법을 이용한 효소저항전분 함량의 추가방법에 대해 개시하고 있다. 그러나, 상기 종래 기술은 별다른 비교처리 없이 단순히 수분함량이 10~50%(w/w)인 전분을 80~150℃에서 압출하고, 상기와 같이 압출한 전분을 추가로 100~150℃에서 가열하며, 또한 상기와 같이 압출한 전분을 -10 ~ -20℃에서 일정시간 방치하는 것을 특징으로 하는 방법에 지나지 않는 것으로, 효소저항전분의 수율을 최대로 높일 수 있는 최적의 수분함량과 온도 등 압출성형공정변수 등에 대해서는 전혀 연구되어 있지 않다.

이러한 연구는 주로 국외에서 수행되었으며, 국내에서는 전남대 식품영양학과와 공주대 식품공학과에서만 일부 수행된 상태이다. 하지만, 상기 국내외에서의 연구도 수분함량, 바렐의 온도분포, 스크류 회전속도, 유기산의 첨가량에 따른 체계적인 연구는 심도있게 수행되지 않은 실정이다. 따라서, 압출성형공정변수와 효소저항전분 수율에 대한 연구를 통해 수율에 유의적으로 영향을 미치는 공정변수를 최적화할 필요성이 있었다.

한편, 호화된 옥수수전분 압출성형물을 -2℃ ~ 상온에서 저장함에 따른 효소저항전분의 형성에 대한 연구도 전남대 식품영양학과와 공주대 식품공학과에서 일부 수행되었다. 그러나, 이 또한 상기 압출성형공정변수와 마찬가지로 기본적인 저장기간과 온도에 따른 유의적인 인자 및 압출성형물의 크기와 압출성형물의 저장조건(온도와 기간) 이외에 습도, 건조속도의 조절에 의한 결정형성 카이네틱스(kinetics)의 해석을 통한 결정형성 속도(reaction rate constant)를 증가시켜 단시간에 효소저항전분 수율을 증가시키기 위한 연구의 필요성이 있었다.

임계상태의 탄산 또는 탄산가스주입에 의한 압출성형공정은 열에 불안정한 영양소의 파괴를 최소화하고 압출성형물 내부기공의 조절에 의하여 조직감의 조절을 위하여 기공형성제로 기존의 수분대신 탄산가스를 주입하여 팽화시키는 공정이다. 이의 식품가공에의 응용분야를 보면 비타민 C의 파괴율 최소화, 유제품강화 압출성형물의 제조, 열적 특성 및 물성 변화에 대한 연구 등 매우 폭넓다(Ryu et al., 1995-2002). 따라서, 이러한 탄산가스 주입에 의한 압출성형 공정을 효소저항전분 생산에 응용하면 고수분함량에서 기공형성을 통한 건조속도 및 결정형성속도의 조절, 효소저항전분 형성의 최대화, 기공형성에 의한 압출물의 파괴력 감소를 통한 압출물의 분쇄에너지 요구량의 감소 등 기존의 공정과 비교하여 많은 이점이 있지만 아직까지 국내외에서 상기 탄산가스 주입에 의한 압출성형공정을 효소저항전분 생산에 적용하기 위한 연구는 전혀 시도되지 않았다.

그러므로 본 발명자는 상기한 점들을 고려하여 압출성형공정변수에 따른 효소저항전분 수율, 압출성형후 공정변수에 따른 결정형성속도, 효소저항전분의 생성을 향상시키는 첨가제와 탄산가스주입에 의한 효소저항전분 생산공정 개발에 관한 연구를 통해 고효율의 경제적인 압출성형공정을 응용한 효소저항전분 생산방법을 제공하고자 하였다.

본 발명의 목적은 압출성형공법을 이용한 효소저항전분의 생산방법에 있어서, 수분함량, 바렐온도, 스크류 회전속도, 유기산 첨가 등의 압출성형공정변수, 압출성형 후 저장·건조 조건, 압출성형 횟수 등 여러 가지 영향인자들을 최적화하고, 탄산가스 주입에 의한 압출성형공정을 새로이 도입함으로써 보다 고효율의 경제적인 효소저항전분 생산방법을 제공하는데 있다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

본 발명은 상기 목적에 따라 압출성형공법을 이용한 효소저항전분의 최적 생산방법을 제공한다.

본 발명은 압출성형공법을 이용한 효소저항전분의 생산방법에 있어서, 전분을 바렐온도 95~110℃, 수분함량 30~40%(w/w), 스크류 회전속도 250~350 rpm의 조건에서 구연산, 비타민 C, 열안정성 액화효소 또는 고아밀로오스 중 선택된 어느 하나를 첨가하여 압출성형함을 특징으로 한다.

이 때, 상기 바렐온도 95~110℃, 수분함량 30~40%(w/w) 및 스크류 회전속도 250~350 rpm의 조건은 효소저항전분의 수율을 최대화 하기 위한 압출성형시의 최적 조건으로, 여기에 구연산, 비타민 C, 열안정성 액화효소 또는 고아밀로오스 중 선택된 어느 하나를 첨가함으로써 효소저항전분의 수율을 더더욱 증가시킬 수 있다.

상기에서 구연산, 비타민 C, 열안정성 액화효소, 고아밀리오스 등의 첨가제는 전분 중량 기준으로 0.1% 내지 10.0%를 첨가함이 바람직하다.

또한 본 발명은 상기와 같은 조건에서 압출성형한 전분을 0℃~80℃의 온도, 수분함량 50~70%(w/w)의 조건에서 6시간~3일 동안 저장 및 건조함을 특징으로 한 다.

이와 관련하여 종래기술 국내공개특허 제2000-4816호는 압출한 전분을 100~150℃ 온도에서 가열하고, -10 ~ -20℃에서 일정시간 방치함을 특징으로 하는 효소저항전분의 생산방법을 개시하고 있지만, 본 발명은 그에서 더 나아가 상기와 같이 압출성형공정변수를 최적화함으로써 압출성형한 전분의 저장·건조온도시의 상한선을 80℃ 까지 가능하게 하며, 전분의 노화를 최대로 촉진시킬 수 있는 저장건조시의 전분의 수분함량이 50~70%(w/w) 임을 최초로 밝힌다는 점에서 커다란 차이점을 갖는다.

본 발명은 또한 상기와 같은 압출성형 및 압출성형 후의 저장·건조 조건에 추가로 탄산가스나 임계상태의 탄산을 주입함을 특징으로 하는 효소저항전분의 생산방법을 제공한다.

이와 같이 압출성형공정과정에서 탄산가스나 임계상태의 탄산을 바렐 내부로 주입하면, 80℃ 이하에서 팽화가 일어나지 않는 압출성형물의 내부에 기공이 형성되어 건조한 압출성형물의 분쇄가 훨씬 용이해지며, 상기와 같이 건조 압출성형물의 분쇄효율이 증가함에 따라 효소저항전분의 수율도 크게 향상된다.

이러한 탄산가스나 임계상태의 탄산의 주입을 통한 전분의 압출성형공정은 본 발명에서 세계 최초로 제공되는 것이며, 이 때, 탄산가스나 임계상태의 탄산은 8~12기압으로 주입하는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한 탄산가스나 임계상태의 탄산의 주입에 의해 전분을 압출성형함에 있어서 효소저항전분의 수율을 더욱 향상시킬 수 있는 방법으로, 압출성형된 전분의 저장·건조시 마이크로웨이브를 처리함을 특징으로 한다. 이 때, 마이크로웨이브의 처리횟수를 증가시킬수록 효소저항전분의 수율은 더욱 증가된다.

마지막으로 본 발명은 상기한 압출성형 및 저장·건조 조건에서 전분의 압출성형 횟수를 2회로 함을 특징으로 하는 효소저항전분의 생산방법을 제공한다. 최적의 압출성형 조건 및 최적의 압출성형물 저장·건조 조건에서의 효소저항전분 생산공정을 2회 반복하면 1회 압출성형시보다 효소저항전분의 수율이 현저히 크게 증가한다.

한편, 본 발명에서 사용된 재료 및 실험과정은 하기와 같다.

1. 재료

압출성형 효소저항전분 제조용 전분은 수분함량 13%(w/w, 이하 동일), 아밀로오스 함량 28%인 일반 옥수수 전분(삼양제넥스(주)), 수분함량 14%, 아밀로오스 함량 27%인 일반 옥수수 전분(두산(주))과 수분함량 14.2%, 아밀로오스 함량 15.5%인 소맥전분을 사용하였다.

2. 압출성형공정

압출성형 효소저항전분의 제조는 실험용 쌍축 동방향 압출성형기(THK 31T, Inchen Machinery, Korea)를 사용하였으며, 스크류 배열은 도 1과 같다. 스크류 직경은 3.0cm 이며, 길이와 직경비(L/D ratio)는 25:1이였고, 사출구는 원형으로 직경이 3mm인 것을 사용하였다. 바렐의 온도 조절은 전열기와 냉각수를 사용하여 조 절하였다.

압출성형 공정변수는 바렐온도, 수분함량 및 스크류 회전속도 등이며, 바렐의 온도는 80/70/60/40℃에서 130/120/80/40℃(바렐부위 1/2/3/4)의 범위, 수분함량은 20~40% 범위, 스크류 회전속도는 250~350 rpm 범위에서 각각 실험을 수행하였다.

원료 사입량은 원료사입기 스크류 회전속도 20 rpm에서 157.8g/min로 고정하였다. 압출성형한 압출성형물의 전분사슬의 결정화를 증가시키기 위하여, 저장온도 0~80℃의 범위에서 저장한 다음 열풍건조하여 압출성형물을 수분함량 8% 이하로 건조한 후 가정용 소형 분쇄기로 분쇄한 압출성형 효소저항전분 분말을 시료하여 분석하였다.

3. 효소저항전분 분석방법

(1) 인산완충액을 사용한 효소저항전분 수율

효소저항전분 생성율은 효소중량법(AOAC, 1990)을 변형하여 도 2와 같이 분석하였다. 즉, 시료 0.5 g(d.b.)을 인산완충용액(pH 6.0) 25 mL와 열에 안정한 알파 아멜레이즈(heat-stable α-amylase) 0.05 mL를 혼합하여 100℃ 항온수조에서 30분 동안 반응하여 실온에서 냉각하였다. 냉각한 시료를 0.275N NaOH를 가하여 pH 7.5로 조절한 다음 인산완충용액(pH 6.0) 1.0 mL에 프로테아제(protease) 50 mg을 희석한 용액 0.05 mL를 가하여 60℃에서 30분 동안 반응한 다음 실온에서 냉각하였다. 냉각한 시료 0.325N HCl을 가하여 pH 4.3으로 조절한 다음 아밀로 글로코시다 제(amyloglucosidase) 0.15 mL을 가하여 60℃에서 30분 동안 반응한 다음 실온으로 냉각하여 80% 알코올로 희석하여 셀라이트(celite) 0.5 g을 가한 글래스 필터(glass filter)를 사용하여 여과한 잔사를 건조한 후 정량하여 잔사량과 시료의 무게의 비로 나타내었다.

효소저항전분 생성 수율(%) = 건조 후 불용성 잔사의 무게 / 시료의 무게 × 100

(2) Mes-Tris 완충용액을 사용한 효소저항전분 수율

Mes-Tris 완충용액을 사용한 효소저항전분 수율은 도 3과 같은 절차로 분석하였다. 즉, 압출성형 효소저항전분 시료 1g, ,Mes-Tris 완충용액(pH 8.2) 40 mL와 열에 안정한 알파 아밀레이스 0.1 mL를 혼합하였다. 상기 혼합액을 항온수조 100℃에서 예열 5분 후 15분간 반응시킨 다음 실온에서 냉각하였다.

Mes-Tris 완충용액(pH 8.2) 1 mL에 프로테아제(protease) 50 mg을 희석한 용액 0.1 mL를 냉각한 시료에 첨가하여 항온수조 60℃에서 30분간 교반한 다음 0.567 N HCl 5 mL 첨가하여 pH 4.6으로 보정하였다. 보정한 시료액에 아밀로글루코시다제(amyloglucosidase) 0.1 mL를 첨가하여 항온수조 60℃ 3분간 shaking 하여 반응시킨 후 실온에서 냉각하였다. 냉각 시료액에 총 알콜농도 80%가 되도록 95% 에탄올 첨가후 1시간 방치하여 셀라이트(celite) 0.5 g을 글래스 필터(glass filter)에 덮어서 진공흡입 여과한 불용성 잔사를 95% 에탄올과 78% 아세톤으로 세척 후 불용성 잔사를 105℃ 오븐에서 건조 항량 후 불용성 잔사의 무게를 정량하여 다음 식에 대입하여 계산하였다.

이하, 본원발명의 구성을 실시예를 들어 보다 자세하게 설명한다.

[실시예 1: 옥수수 전분으로부터 압출성형을 이용한 효소저항전분 생산의 최적화]

1. 압출성형 공정변수에 따른 효소저항전분 수율

효소저항전분(이하, RS라 함)의 수율을 최대로 향상시킬 수 있는 최적의 조건을 결정하기 위하여, 1차 단계로 RS 수율에 영향을 미치는 압출성형 공정변수인 바렐온도 및 수분함량과, 압출성형한 다음 압출성형물 내부 전분사슬의 결정화를 유도하기 위한 저장온도 및 건조온도에 따른 RS 수율을 분석하였다.

원료는 삼양제넥스(주)에서 생산한 수분함량 13%, 아밀로오스 함량 28%인 일반 옥수수 전분을 사용하였으며, 압출성형 공정변수는 바렐온도 80℃와 100℃, 수분함량 20%(w/w)와 40%(w/w), 스크류 회전속도 250rpm, 원료 사입량은 157.8 g/min(원료 사입기스크류 회전속도 20rpm)으로 고정하였다.

또한, 상기와 같은 압출성형 조건에서 압출성형한 전분을 저장온도 25℃에서 2일간 저장한 다음 100℃에서 2시간 건조하여 얻은 시료와, 80℃에서 6시간 동안 건조한 다음 100℃에서 2시간 건조하여 수분함량 5%(w/w) 이하가 되도록 한 시료를 각각 분쇄하여 RS 수율을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

압출성형 공정변수에 따른 RS 수율의 변화(pH 6.0 인산완충용액)

압출성형 공정변수		수분조절 및 건조	RS 수율(%)
바렐온도(℃)	수분함량(%(w/w))	수분조절 및 건조	RS 수율(%)
80	20	25℃에서 2일	5.72
80	20	80℃에서 6시간	4.01
80	40	25℃에서 2일	7.01
80	40	80℃에서 6시간	4.91
100	20	25℃에서 2일	5.02
100	20	80℃에서 6시간	4.96
100	40	25℃에서 2일	5.13
100	40	80℃에서 6시간	5.72

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 바렐온도 80℃ 보다 100℃에서 RS 수율이 좀 더 증가하였으며 수분함량이 20%(w/w)에서 40%(w/w)로 증가할수록 압출성형물의 RS 수율이 높았다. 또한, 본 실험에서 압출성형 후 저장온도는 유의적으로 RS 수율에 영향을 미치지 않았다. 다만 효소저항전분을 식품중간소재로 이용하기 위해서는 분쇄공정이 필요하므로 건조가 필수적이고, 또 저장온도가 낮으면 건조에 필요한 건조시간이 증가하여 효소저항전분 생산단가를 높이는 요인이 되므로, 저장온도로 80℃가 25℃ 보다 양호하다는 결론을 얻었다.

2. 저장온도와 건조온도에 따른 RS 수율

두산(주)에서 생산한 일반 옥수수 전분(수분함량 14%, 아밀로오스 함량 27%)을 바렐온도 110℃, 수분함량 35%(w/w), 스크류 회전속도 250 rpm에서 압출성형한 후 상기 압출성형물을 다양한 온도에서 저장 및 건조하여 저장온도와 건조온도에 따른 RS 수율을 좀 더 자세하게 검토하였다. 먼저 저장온도 25℃에서 8시간 동안 저장한 다음 건조온도 60℃에서 4시간과 8시간 건조하여 수분함량을 10%(w/w) 이하로 조절한 후 분쇄하였다. 또한, 저장과 건조를 동시에 수행하기 위하여 70℃와 110℃에서 4시간 및 8시간 건조한 압출성형물을 분쇄하여 RS 수율을 분석하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

저장온도와 건조온도에 따른 압출성형 옥수수 전분의 RS 수율 변화

저장 및 건조조건		RS 수율(%)
저장 및 건조온도(℃)	건조시간	RS 수율(%)
25^*	4	8.29
25^**	8	9.45
70	4	8.70
70	8	11.81
110	4	10.42
110	8	9.68

^*, ^**: 저장온도 25℃에서 저장한 다음, 건조온도 60℃에서 각각 4시간, 8시간 건조

실험 결과 상기 표 2에서 알 수 있듯이, 상기 1.에서의 압출성형 공정변수 설정에 관한 실험과 같이 저장온도에 따라 RS 수율의 유의적인 차이는 보이지 않았다. 즉, 저장온도 25℃와 70℃에서 건조시간이 4시간에서 8시간으로 증가할수록 RS 수율은 증가하는 경향을 보였지만 건조온도 110℃에서는 건조시간이 4시간에서 8시 간으로 증가해도 RS 수율이 증가되지 않았다. 따라서, 상기 결과로부터 저장 및 건조온도는 80℃ 까지가 가장 적합함을 확인할 수 있었다.

3. 열안정성 액화효소(Thermamyl) 첨가와 RS 수율

삼양제넥스(주)에서 생산한 옥수수 전분(수분함량 13%, 아밀로오스 함량 28%)에 열에 안정한 전분분해효소인 써마밀(Thermamyl; heat-stable α-amylase)을 상기 전분 중량 기준으로 3% 첨가하여 압출성형한 후 그 RS 수율을 분석함으로써 열안정성 액화효소의 첨가에 따른 영향을 검토하였다. 이 때, 바렐온도는 95℃로 고정하여 효소의 불활성화를 최소화하였으며, 수분함량은 25%(w/w), 30%(w/w), 35%(w/w)로 조정하였다.

또한 예비수분조절(preconditioning)의 영향을 검토하기 위하여, 압출성형하기 전에 전분의 수분함량을 35%(w/w)로 조절한 후 12시간 동안 냉장고에 보관하여 전분입자 내부로 수분을 충분히 확산시킨 다음, 써마밀(Thermamyl)을 첨가하면서 압출성형하였다. 이 때, 압출성형물의 건조조건은 80℃에서 6시간 동안 열풍건조한 시료를 분쇄하여 분석하였다.

그 결과 하기 표 3에 나타낸 바와 같이, 열안정성 액화효소(전분분해효소)인 써마밀(Thermamyl)의 첨가와 함께 수분함량 35%(w/w)에서 압출성형한 시료의 경우, RS 수율이 4.22%에서 7.13%로 크게 증가하였다. 또한, 동일한 효소함량이 첨가되었을 때 수분함량이 25%(w/w)와 30%(w/w)일 경우에는 RS 수율이 각각 5.15%와 5.13%로 차이가 없었으나, 수분함량이 35%(w/w)일 경우에는 RS 수율이 7.13%로 크게 증 가하였다. 한편, 예비수분조절에 의하여는 RS 수율이 증가하지 않았다.

효소처리 및 수분함량의 차이에 의한 RS 수율의 변화(pH 6.0 인산완충용액)

압출성형 공정변수			예비수분조절	RS 수율(%)
바렐온도(℃)	수분함량 (%(w/w))	써마밀 첨가 (Thermamyl)		RS 수율(%)
95	25	첨가	-	5.15
95	30	첨가	-	5.13
95	35	무첨가	-	4.22
95	35	첨가	-	7.13
95	35	무첨가	12시간	3.64
95	35	첨가	12시간	3.98

4. 비타민 C 첨가에 따른 RS 수율

비타민 C 수용액은 약산으로 전분사슬을 분해한다. RS 수율을 증가시키기 위하여 구연산과 같은 비휘발성 유기산을 첨가할 경우 RS 수율이 증가한다는 연구결과가 있으므로, 비타민 C를 옥수수 전분에 상기 전분 중량 기준으로 3%를 첨가하여 RS 수율변화를 결정하였다. 이 때, 바렐온도 90, 110, 130℃에서 수분함량 35%(w/w), 스크류 회전속도 250 rpm으로 고정하였다.

그 결과, 하기 표 4에 나타낸 바와 같이, 비타민 C를 첨가하였을 때, 바렐온도 90, 110, 130℃에서 RS 수율은 각각 6.42%, 4.69%, 4.52%로 감소하는 경향을 보였으며, 바렐온도 90℃에서 가장 높은 6.42%의 RS 수율을 보였다.

비타민 C 첨가에 따른 압출성형 옥수수 전분 RS 수율 변화(pH 6.0 인산완충용액)

바렐온도(℃)	RS 수율(%)
90	6.42
110	4.69
130	4.52

[실시예 2: 소맥전분으로부터 압출성형공법을 이용한 효소저항전분 생산의 최적화]

1. 압출성형 횟수에 따른 소맥전분의 RS 수율

고아밀로오스 옥수수 전분을 사용한 효소저항전분의 제조방법에서는, 옥수수 전분을 고온에서 호화시킨 다음 냉각시키는 과정을 여러 번 반복하면 전분 사슬 간의 결합증가에 의해 결정이 증가하여 RS 수율이 증가하므로 호화 및 냉각과정을 계속해서 반복한다. 압출성형공정을 이용한 효소저항전분 전분의 생산공정에서도 호화(용융)와 냉각을 반복하기 위하여 압출성형한 다음 수분조절과 건조한 압출성형물을 조분쇄하여 다시 압출성형을 반복한 후 그에 따른 RS 수율의 변화를 검토하였다.

그 결과, 하기 표 5에 나타낸 바와 같이, 바렐온도 115℃, 수분함량 40%(w/w), 스크류 회전속도 250 rpm의 압출성형 조건에서 소맥전분을 압출성형한 후 건조조건을 달리하여 압출성형한 압출물의 RS 수율은 2.88% 였지만, 동일한 조건에서 압출성형을 2회 반복했을 때에는 그 RS 수율이 3.3~3.4%로 증가하였다.

또한, 압출성형할 때 1회 압출성형한 소맥전분은 원료사입기로 사입이 용이 하지 않았으므로 새로이 1차 압출물 50%와 원료 소맥전분 50%를 혼합하여 압출성형하였으며, 그 경우 얻어진 압출성형물의 RS 수율은 저장온도 80℃를 제외하고는 25℃ 및 45℃에서 저장한 경우 둘 다 1차 압출성형물을 다시 압출성형한 시료와 비교하여 동일한 RS 수율을 나타내었다.

따라서, 상기 결과로부터 압출성형공정을 이용한 효소저항전분 생산공정에서도 압출성형을 2회 반복할 경우 RS 수율을 더욱 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었으며, 1차 압출성형물을 최적 저장온도에서 저장하여 노화를 촉진시킨 다음 다시 동일한 조건으로 압출성형할 경우 RS 수율을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대되었다.

압출성형 횟수에 따른 압출성형 소맥전분의 RS 수율 변화(Mes-Tris 완충용액)

압출성형 공정변수			예비수분조절	RS 수율(%)
압출성형 횟수 (cycles)	바렐온도(℃)	수분함량 (%(w/w))		RS 수율(%)
1	115	40	80℃에서 6시간	2.88
2	115	40	45℃에서 12시간	3.33
2	115	40	25℃에서 24시간	3.41
2^*	115	40	80℃에서 6시간	2.67
2^*	115	40	45℃에서 12시간	3.59
2^*	115	40	25℃에서 24시간	3.37

2^*: 1회 압출성형물 50%와 원료 소맥전분 50%를 혼합하여 2차 압출성형

2. 압출성형 공정변수에 따른 RS 수율

압출성형공정의 바렐온도(60, 70, 80℃)와 수분함량(25, 30, 35%(w/w))에 따른 소맥전분의 RS 수율변화를 알아보기 위하여 스크류 회전속도 250 rpm, 저장온도 0℃에서 3일간 저장하여 80℃에서 건조한 시료의 RS 수율을 분석하였다.

그 결과, 하기 표 6에 나타낸 바와 같이, 바렐온도와 수분함량에 따른 압출성형 소맥전분의 RS 수율은 바렐온도 80℃에서 전반적으로 높았으며, 수분함량의 경우에는 그 함량 변화에 따라 유의적인 RS 수율의 차이를 보이지 않았다. 일반적으로 수분함량이 증가할수록 전분겔의 노화시 사슬의 이동성이 증가하여 노화도가 증가하지만 본 실험에서는 고수분 함량에서 RS 수율의 증가가 나타나지 않았다.

한편, 바렐온도 60℃에서는 수분함량이 낮을수록 RS 수율이 높은 것으로 나타났다. 이것은 전분이 호화된 후 노화과정에 의해 아밀로오스의 재결합이 많아짐에 따라 효소저항전분 함량(타입 3)이 증가했거나 호화도가 낮아 B 형의 결정형을 유지하고 있는 전분입자에 의해 효소저항전분 2 계열의 전분이 유지된 때문인 것으로 사료되었다.

압출성형 공정변수에 따른 압출성형 소맥전분의 RS 수율 변화(Mes-Tris 완충용액)

바렐온도(℃)	스크류 회전속도 (rpm)	저장·건조조건 온도 (℃)/시간(day)	수분함량 (%(w/w))	RS 수율(%)
60	250	0℃/3일	25	4.40
			30	3.55
			35	2.84
70	250	0℃/3일	25	2.86
			30	2.34
			35	2.88
80	250	0℃/3일	25	3.90
			30	2.96
			35	3.74

한편 도 4는 수분함량과 바렐의 온도에 따른 RS 수율을 나타낸 3차원 그래프로, 수분 35%(w/w), 바렐온도 80℃에서 가장 높은 RS 수율을 보였으나, 실험범위에서 최대 RS 수율의 최적 수분함량과 바렐온도는 찾지 못하였다. 수분함량 25%(w/w)에서 35%(w/w) 범위에서 바렐온도 60℃에서 70℃로 증가함에 따라 RS 수율은 감소하다가 70℃에서 80℃로 증가할 때 RS 수율은 증가하는 경향을 보였다.

따라서, 바렐온도와 수분범위를 넓혀서 최적 압출성형 공정변수를 결정할 실험의 필요성이 있었고, 그에 따라 수분함량을 10%(w/w)에서 40%(w/w) 범위, 바렐온도를 50℃에서 110℃ 범위로 넓혀 그에 따른 RS 수율의 변화를 도 5에 나타내었다.

그 결과, 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 수분함량이 40%(w/w)로 증가하고 바렐온도가 95℃에서 110℃인 범위에서 RS 수율이 최대가 됨을 확인하였다.

3. 구연산 첨가와 RS 수율

구연산 첨가에 따른 압출성형 소맥전분의 RS 수율을 조사하기 위하여, 바렐 온도 110℃, 수분함량 40%(w/w), 스크류 회전속도 250 rpm에서 구연산 분말의 함량을 전분 중량 기준으로 2.5%, 5.0%, 10.0%로 첨가했을 때의 RS 수율 변화를 검토하였다.

그 결과, 하기 표 7에 나타낸 바와 같이, 구연산의 첨가량이 높아질수록 압출성형 소맥전분의 RS 수율은 증가하는 경향을 보였으며, 특히 저장온도 80℃에서 6시간 건조했을 때가 RS 수율이 가장 높았다.

구연산 첨가에 따른 압출성형 소맥전분의 RS 수율 변화(Mes-Tris 완충용액)

바렐온도(℃)	스크류 회전속도 (rpm)	저장조건	수분함량 (%(w/w))	구연산함량 (%)	RS 수율
110	250	80℃/6시간	40	2.5	4.92
				5.0	5.04
				10.0	6.66
110	250	45℃/12시간	40	2.5	3.36
				5.0	4.47
				10.0	4.77
110	250	25℃/24시간	40	2.5	4.47
				5.0	4.39
				10.0	4.85

4. 스크류 회전속도 및 수분함량과 RS 수율

바렐온도 60℃에서 스크류 회전속도를 250 rpm과 350 rpm으로 조정하고 , 수분함량을 25%(w/w) 및 35%(w/w)으로 조정한 후 소맥전분을 압출성형하여 그 RS 수율을 비교 분석하였다. 이 때, RS 수율을 증가시키기 위하여 고아밀로오스 옥수수 전분(Himaize)을 전분 중량 기준으로 10% 만큼 첨가하였으며, 또한 바렐온도 80℃ 이하에서 팽화가 일어나지 않는 압출성형물 내부에 기공을 형성시켜 RS 수율을 향상시키고 건조한 압출성형물의 분쇄효율을 향상시키기 위하여 압출성형공정과정 중 CO₂ 가스를 바렐 내부로 10 atm 주입하였다.

그 결과 하기 표 8에 나타낸 바와 같이, 수분함량과 스크류 회전속도를 각각 25%(w/w)에서 35%(w/w), 250 rpm에서 350 rpm으로 증가시켰을 때 압출성형 소맥전분의 RS 수율이 약간 증가하였으며, 고아밀로오스를 전분 중량 기준으로 10% 만큼 첨가하였을 때 첨가하지 않은 시료와 비교하여 현저하게 RS 수율이 증가되었다. 이는 스크류 회전속도의 증가와 함께 전분분자의 절단(macrodegradation)에 의해 전분사슬 간의 결합이 증가되어 RS 수율이 증가한 것으로 판단되었으며, 아밀로오스가 효소저항전분의 생성에 매우 중요하다는 점을 시사하였다.

또한, CO₂ 가스를 압출성형공정 중 바렐 내부로 주입하면, 압출성형물 내부에 기공이 형성되어 압출성형물의 파괴력이 감소함으로써 분쇄를 용이하게 할 수 있음을 알게 되었고, 따라서 CO₂ 가스를 주입하여 전분을 압출성형하면 그 건조 압출성형물의 분쇄효율을 향상시켜 분쇄비용을 절감할 수 있을 것으로 기대되었다.

스크류 회전속도와 수분함량에 따른 RS 수율의 변화(Mes-Tris 완충용액)

바렐온도(℃)	스크류 회전속도 (rpm)	수분함량 (%(w/w))	고아밀로오스 첨가 (%(w/w))	CO₂ 주입(atm)	RS 수율(%)
60	250	25	10	10	5.18
	350	25			5.37
	250	35			5.19
	350	35			6.87

5. 저장·건조 조건과 RS 수율

(1) 수분함량과 RS 수율

전분의 압출성형 후 저장·건조 조건 중 수분함량에 따른 RS 수율 변화를 조사하기 위하여, 압출성형조건을 수분함량 30%(w/w), 스크류 회전속도 250 rpm, 바렐온도 60℃ 및 90℃로 고정시켜 소맥전분을 압출성형한 후, 상기 압출성형물의 수분함량을 상기 압출성형물에 수분을 분무하여 50~70%(w/w)로 조절한 후 0℃에서 3일간 냉장저장하여 RS 수율을 조사하였다.

그 결과 하기 표 9에 표시한 바와 같이, 저장건조시 수분함량이 증가할수록 RS 수율이 크게 증가하였으며, 특히 바렐온도 90℃, 스크류 회전속도 250 rpm, 수분함량 30%(w/w)의 압출성형조건과 저장·건조시 수분함량 70%(w/w)의 조건에서 생산한 소맥전분 압출성형물의 RS 수율이 5.01%로 가장 높았다. 이러한 현상은 저장건조시 수분함량이 증가할수록 아밀로오스 사슬간의 유동성 증가에 의한 재결정화를 활발히 촉진시켜 효소저항전분 수율이 현저하게 증가한 것으로 사료되었다.

(2) 구연산 첨가 및 저장·건조 수분함량과 RS 수율

압출성형공정 중의 구연산 첨가 및 저장건조시의 수분함량에 따른 RS 수율 변화를 조사하였다. 이를 위해 바렐온도 100℃, 수분함량 40%(w/w), 스크류 회전속도 250 rpm로 압출성형 조건을 고정시키고, 구연산분말의 함량을 전분 중량 기준으로 0%, 2.0% 및 3.0%로 첨가하여 압출성형물을 제조한 다음, 상기 압출성형물의 저장시 증류수를 압출성형물에 분무하여 수분함량을 60%(w/w)로 조절하여 압출성형 소맥전분의 RS 수율을 검토하였다.

그 결과 하기 표 9에 나타낸 바와 같이, 압출성형된 압출물을 저장·건조시 증류수를 분무하여 저장한 시료의 경우에 RS 수율이 크게 증가하였으며, 압출성형시 구연산의 첨가에 의해 RS 수율이 상승하였다. 최대의 RS 수율은 3%의 구연산 첨가와 저장·건조시 분무하여 압출성형물의 수분함량을 60%(w/w)로 조정한 시료에서 6.78%로 나타났다.

구연산 첨가와 저장건조시 수분함량에 따른 압출성형 소맥전분의 RS 수율 변화(Mes-Tris 완충용액)

바렐온도(℃)	압출성형 수분함량 (%(w/w))	구연산 첨가량 (%)	저장온도 /기간	저장건조 수분함량 (%(w/w))	RS 수율(%)
100	40	-	0℃/3일	60	4.25
100	40	-	0℃3일	-	2.52
100	40	-	80℃/6시간	60	3.43
100	40	-	80℃/6시간	-	1.90
100	40	2.0	0℃/3일	60	5.46
100	40	2.0	0℃/3일	-	2.54
100	40	2.0	80℃/6시간	60	4.22
100	40	2.0	80℃/6시간	-	1.72
100	40	3.0	0℃/3일	60	7.72
100	40	3.0	0℃/3일	-	5.30
100	40	3.0	80℃/6시간	60	6.78
100	40	3.0	80℃/6시간	-	3.33

6. 탄산가스(CO ₂ ) 주입과 RS 수율

탄산가스와 임계상태의 탄산 주입에 의한 압출성형공정은 원래 열에 불안정한 영양소를 강화하기 위하여 100℃ 이하에서 탄산가스나 임계상태의 탄산을 주입하여 기공을 형성하는 기공형성제로 이용하기 위한 공정이다. 그러나, 상기한 바와 같이 탄산가스를 압출성형공정을 이용한 효소저항전분의 생산공정에 적용시킨 경우 현재까지 재래식 압출성형공정을 응용하여 효소저항전분을 생산할 때의 문제점을 깨끗이 해결할 수 있었다. 즉, 압출성형공정을 이용한 효소저항전분 생산은 고수분함량이 필수적이므로 저장·건조후에는 압출성형물의 기공이 붕괴되어 그 강도가 매우 높아 분쇄하는데 문제가 있었는데, 압출성형시 탄산가스나 임계상태의 탄산을 바렐내부로 주입하면 압출물의 내부 조직에 기공이 형성되어 건조한 압출성형물의 분쇄가 용이할 수 있었다.

또한 탄산가스와 수분이 압출성형기 바렐로 주입될 경우에는 탄산이 수분과 반응하여 탄산이 생성됨으로써 전분의 사슬이 분해될 수 있으며, 이미 알아본 바와 같이 구연산과 같은 유기산을 첨가할 경우 RS 수율이 현저하게 증가하므로, 결국 탄산가스와 유기산의 주입에 의해 RS 수율을 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 실험에서는 압출성형시 탄산가스를 주입한 후 여러 가지 압출성형공정변수의 값에 따른 RS 수율을 분석하였다. 즉, 사출구의 직경 3.0mm, 탄산가스 주입압력 약 10 기압, 바렐온도 80~100℃에서 반죽의 수분함량, 마이크로웨이브 건조, 구연산 첨가 및 고아밀로오스 옥수수 전분의 첨가에 따른 RS의 수율변화를 결정하는 실험을 하기와 같이 수행하였다.

(1) 수분함량과 RS 수율

수분함량 30, 35, 40%(w/w)에서 탄산가스 주입에 의한 소맥전분의 RS 생성수율을 실험하였다. 생산된 압출성형물은 탄산가스 주입을 통해 기공이 형성되어 분쇄가 용이하였다. 특히, 수분함량 40%(w/w)에서 탄산가스를 주입하지 않았을 경우에는 압출성형물의 강도가 매우 높아 분쇄가 불가능하였지만, 탄산가스를 주입하였을 경우에는 분쇄가 용이하였다.

수분함량의 증가에 따른 RS 수율의 증가경향은 재래식 일반공정에서와 마찬가지로 탄산가스 주입을 통한 압출성형공정에서도 동일하게 나타났다(표 10 참조). 그러나 탄산가스 주입만을 통해서는 RS 수율이 증가되지 않았다.

수분함량에 따른 탄산가스주입 압출성형 소맥전분의 RS 수율변화( Mes-Tris 완충용액)

수분함량(%(w/w))	저장·건조조건	CO₂ 주입(atm)	RS 수율(%)
30	80℃/6시간	10	1.88
35	80℃/6시간	10	2.35
40	80℃/6시간	10	2.05

(2) 마이크로웨이브 건조와 RS 수율

탄산가스 주입을 통해 생산한 압출성형물을 저장할 때 마이크로웨이브 처리를 하여 RS 수율을 향상시키기 위한 실험을 수행하였다. 그 결과, 하기 표 11에 나타낸 바와 같이 마이크로웨이브 처리를 통해 RS 수율이 향상되는 것을 알 수 있었다. 또한, 마이크로웨이브 처리를 반복했을 때 RS 수율이 더욱 증가하는 것으로 나타났다.

마이크로웨이브 처리에 따른 탄산가스주입 압출성형 소맥전분의 RS 수율변화(Mes-Tris 완충용액)

수분함량 (%(w/w))	저장·건조조건	마이크로웨이브 횟수	CO₂ 가스 주입(stm)	RS 수율(%)
35	80℃/6시간	1	10	2.75
35	80℃/6시간	2	10	3.02

(3) 구연산 첨가와 RS 수율

탄산가스 주입을 통한 압출성형공정을 응용한 효소저항전분 제조공정에서 구연산 첨가에 따른 압출성형 소맥전분의 RS 수율을 검토하기 위하여 바렐온도 90℃, 수분함량 40%(w/w), 스크류 회전속도 250 rpm에서 구연산분말의 함량을 전분 중량 기준으로 0.5% 및 1.0%로 첨가한 후 그 RS 수율변화를 분석하였다.

그 결과 하기 표 12에 나타낸 바와 같이, 구연산의 첨가량이 높아질수록 압출성형 전분의 RS 수율이 증가하는 경향을 보였던 일반 압출성형공정에서와 달리 탄산가스 주입을 통한 압출성형공정에서는 구연산의 첨가량이 0.5%(w/w)에서 1.0%(w/w)로 증가할수록 RS 수율이 감소하는 경향을 보였다. 이는 구연산의 첨가량 차이가 0.5%로 적기 때문이거나 탄산가스 주입의 영향인 것으로 판단되었지만, 보다 자세한 원인의 규명이 필요하다고 생각되었다.

구연산 첨가에 따른 탄산가스 주입 압출성형 소맥전분의 RS 수율변화(Mes-Tris 완충용액)

수분함량 (%(w/w))	저장·건조조건	구연산 첨가량 (%)	CO₂ 가스 주입 (atm)	RS 수율(%)
40	80℃/6시간	0.5	10	5.02
40	80℃/6시간	1.0	10	3.84

(4) 고아밀로오스 첨가와 RS 수율

탄산가스 주입을 통한 압출성형공정에서 고아밀로오스 첨가에 따른 RS 수율 변화를 검토하기 위하여, 바렐온도 60℃, 수분함량 35%(w/w), 스크류 회전속도 350 rpm에서 고아밀로오스를 전분 중량 기준으로 10% 만큼 첨가하여 압출성형한 후 그 RS 수율을 고아밀로오스를 첨가하지 않은 시료의 RS 수율과 비교 분석하였다.

그 결과 하기 표 13에 나타낸 바와 같이, 고아밀로오스를 전분 중량 기준으로 10% 첨가하였을 때 첨가하지 않은 시료와 비교하여 현저하게 RS 수율이 증가되었다. 이는 아밀로오스가 효소저항전분의 생성에 매우 중요함을 의미한다.

고아밀로오스 첨가에 따른 탄산가스 주입 압출성형 소맥전분의 RS 수율변화(Mes-Tris 완충용액)

바렐온도 (℃)	수분함량 (%(w/w))	스크류 회전속도	고아밀로오스	CO₂ 가스 주입 (atm)	RS 수율(%)
60	35	350	무첨가	10	5.39
60	35	350	첨가	10	6.87

이상 상기 실시예를 통하여 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 압출성형공법을 이용한 효소저항전분의 생산방법에 있어서, 수분함량, 바렐온도, 스크류 회전속도, 구연산, 비타민 C 등 유기산 첨가 등의 압출성형공정변수, 압출성형후 압출성형물의 저장·건조 조건, 압출성형 횟수, 탄산가스 주입의 새로운 도입 등 효소전분의 생산에 영향을 미칠 수 있는 여러 가지 요소들을 최적화함으로써 효소저항전분의 수율을 최대화 할 수 있는, 고효율의 경제적인 효소저항전분 생산방법을 제공하므로 식품가공산업상 매우 유용한 발명이다.

Claims

전분을 바렐온도 95~110℃, 수분함량 30~50%(w/w), 스크류 회전속도 250~350rpm의 조건에서 구연산, 비타민 C, 열안정성 액화효소 또는 고아밀로오스 중 선택된 어느 하나를 첨가하여 압출성형함을 특징으로 하는 효소저항전분의 생산방법에 있어서,

상기 압출성형시 탄산가스나 임계 상태의 탄산을 주입하여 압출성형함을 특징으로 하는 효소저항전분의 생산방법.
전분을 바렐온도 95~110℃, 수분함량 30~50%(w/w), 스크류 회전속도 250~350rpm의 조건에서 구연산, 비타민 C, 열안정성 액화효소 또는 고아밀로오스 중 선택된 어느 하나를 첨가하여 압출성형한 다음 상기 압출성형한 전분을 0~80℃, 수분함량 30~70%(w/w)의 조건에서 6시간~3일 동안 저장 및 건조시킴을 특징으로 하는 효소저항전분의 생산방법에 있어서,

상기 저장 및 건조시 탄산가스나 임계 상태의 탄산을 주입하여 저장 및 건조시킴을 특징으로 하는 효소저항전분의 생산방법.
삭제
제 2항에 있어서, 압출성형한 전분을 마이크로웨이브 처리하여 저장 및 건조시킴을 특징으로 하는 효소저항전분의 생산방법.
삭제