KR101846511B1

KR101846511B1 - 먹장어 껍질 단백질 및 계피 정유를 함유한 기능성 식품 포장 필름 제조 방법

Info

Publication number: KR101846511B1
Application number: KR1020180008864A
Authority: KR
Inventors: 송경빈; 김혜리; 백송이
Original assignee: 충남대학교산학협력단
Priority date: 2018-01-24
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2018-04-06

Abstract

본 발명은 먹장어 껍질 단백질을 이용한 생분해성 필름의 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 생분해성 필름에 관한 것으로, 본 발명의 방법으로 제조된 필름은 물성이 우수할 뿐만 아니라 항균 및 항산화 활성이 뛰어나기 때문에 친환경적인 식품 포장재로 유용하게 사용될 수 있다.

Description

먹장어 껍질 단백질 및 계피 정유를 함유한 기능성 식품 포장 필름 제조 방법{Manufacturing method of functional food packaging films using hagfish skin gelatin and cinnamon-bark essential oil}

본 발명은 먹장어 껍질을 이용한 생분해성 필름의 제조기술로써, 보다 상세하게는 먹장어 껍질로부터 추출한 단백질과 가소제, 계피 정유 및 유화제를 첨가하여 항균 및 항산화 능력을 가진 생분해성 식품 포장 필름을 제조하는 방법에 관한 것이다.

합성 플라스틱 필름은 가격이 저렴하고 물성이 뛰어나기 때문에 식품 포장재뿐만 아니라 다른 산업에서도 다양하게 사용되고 있다. 하지만 이는 생분해가 되지 않기 때문에 심각한 환경오염을 유발한다. 따라서 합성 플라스틱 필름을 대체할 수 있는 생분해성 포장재에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

생분해성 필름은 생분해가 가능한 단백질, 탄수화물 등을 이용하여 제조할 수 있기 때문에 친환경적이라는 장점이 있다. 하지만, 기존의 합성 플라스틱 필름에 비하여 인장강도와 신장률이 낮으며 상대적으로 제조 단가가 높아 경쟁력이 떨어진다. 따라서 저렴한 식품 가공 부산물을 이용하여 필름을 제조하면 가격 경쟁력을 갖출 수 있고, 상기 필름에 유연성을 부여하는 가소제, 인장강도를 향상시킬 수 있는 가교제 또는 항균/항산화 물질 등을 첨가하여, 필름의 물성을 개선시키거나 기능성을 부여할 수 있다.

먹장어(Eptatretus burgeri)는 주로 식용으로 사용되며, 조리 시 껍질을 제거하는 과정을 거친다. 이때 발생하는 부산물인 먹장어 껍질은 17 중량%의 단백질을 함유하고 있지만 특별한 쓰임새 없이 버려지고 있다. 이렇게 버려지는 부산물을 활용하는 방법으로, 대한민국 공개특허 제10-2017-0136879호에서는 장어 껍질을 이용하여 가죽을 가공하는 방법을 개시하고 있고, 제10-2014-0090120호에서는 장어 뼈-가공부산물을 이용하여 항동맥경화활성과 혈관질환 예방 및 억제활성을 가진 추출물을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 하지만, 버려지는 먹장어 껍질로부터 고부가가치 식품소재를 개발하기 위한 보다 많은 연구가 필요한 실정이다.

생선 껍질 단백질의 대부분은 젤라틴으로 이루어져 있으며 우수한 필름 형성능을 가지고, 이를 이용하여 제조한 필름은 우수한 물성을 갖는다. 하지만 먹장어 껍질을 이용하여 생분해성 필름을 제조한 사례는 없다.

계피(Cinnamomum verum)는 녹나무과에 속하는 상록교목인 생달나무의 껍질로 트랜스 신남알데하이드(trans-cinnamaldehyde), 유제놀(eugenol), 리모넨(limonene), 벤즈알데하이드(benzald ehyde) 등이 함유되어 있어 부패 방지, 천연 항균제 및 식용 향신료 등의 목적으로 사용되고 있다. 이를 활용하는 방법으로 특허 제10-2014-0141033에서는 계피 추출물을 함유하는 천연 복합 방부제 조성물을 개시하고 있고, 제10-2016-0065098에서는 계피를 함유한 항균성 방향제 조성물 및 이를 이용한 항균성 방향제 제조 방법이 개시되어 있지만, 계피 정유를 함유한 먹장어 껍질 단백질 필름에 관한 연구는 보고된 바 없다.

이에, 본 발명자들은 먹장어 조리시 발생하는 부산물인 먹장어 껍질로부터 추출한 단백질에 천연 항균/항산화제인 계피 정유를 첨가하여 가격 경쟁력을 갖출 뿐만 아니라 기능적 차별성을 갖춘 생분해성 필름을 제조함으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 먹장어 껍질 단백질을 이용한 생분해성 필름을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 1) 먹장어 껍질로부터 단백질을 추출하는 단계; 2) 상기 단계 1)에서 추출된 단백질에 계피 정유 및 유화제를 첨가하여 필름 용액을 제조하는 단계; 및 3) 상기 단계 2)의 용액에 가소제를 첨가하는 단계를 포함하는 생분해성 필름의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 방법으로 제조된 생분해성 필름을 제공한다.

아울러, 상기 생분해성 필름을 포함하는 식품 포장재를 제공한다.

본 발명은 먹장어 껍질 단백질을 이용한 생분해성 필름의 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 생분해성 필름에 관한 것으로, 본 발명의 방법으로 제조된 필름은 물성이 우수할 뿐만 아니라 항균 및 항산화 활성이 뛰어나기 때문에 친환경적인 식품 포장재로 유용하게 사용될 수 있다. 또한 먹장어 조리시 발생하는 부산물인 먹장어 껍질을 활용함으로써 제조 단가가 낮고 수산 폐기물의 양도 줄일 수 있다는 점에서 활용도가 우수하다.

도 1은 먹장어 껍질로부터 단백질을 추출하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 먹장어 껍질 단백질과 계피 정유를 이용하여 생분해성 필름을 제조하는 방법을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 하기 단계를 포함하는 생분해성 필름의 제조 방법에 관한 것이다:

1) 먹장어 껍질로부터 단백질을 추출하는 단계;

2) 상기 단계 1)에서 추출된 단백질에 계피 정유 및 유화제를 첨가하여 필름 용액을 제조하는 단계; 및

3) 상기 단계 2)의 용액에 가소제를 첨가하는 단계.

상기 단계 1)의 추출은 먹장어 껍질로부터 알칼리-산 전처리 후 열수 추출 방법 등으로 추출될 수 있고, 전처리 용매로써 0.01 내지 0.1 M의 수산화나트륨과 0.01 내지 0.1 M 초산 또는 염산 등을 이용할 수 있다. 바람직하게는 0.03 M 수산화나트륨 및 0.05 M 초산을 이용하여 먹장어 껍질을 전처리한 후 열수 추출법을 통해 단백질을 추출할 수 있으나, 이에 한정하지 않으며 단백질을 추출할 수 있는 방법이라면 무엇이든 이용할 수 있다.

상기 단계 1)의 먹장어 단백질은 전체 필름 중량의 3 내지 7 중량%로 첨가되는 것이 바람직하며, 구체적으로는 3 내지 5 중량%로 첨가될 수 있다. 상기 범위를 벗어나 3 중량% 미만의 경우 상대적으로 얇고 물성이 약한 필름이 제조된다는 문제점이 있고, 7 중량%를 초과하는 경우 필름의 두께가 두꺼워져 물성이 약해진다는 문제점이 있다.

상기 단계 2)의 계피 정유는 전체 필름 중량의 0.5 내지 1.5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하며, 구체적으로는 0.7 내지 1.2 중량%로 첨가될 수 있다. 상기 범위를 벗어나 0.5 중량% 미만으로 함유되면 항균성이 떨어지고 1.5 중량% 초과로 함유되면 물성이 크게 감소하여 필름으로써 적합하지 않다.

상기 단계 2)의 유화제는 트윈 20(Tween 20), 트윈 80(Tween 80), 스판 20(Span 20), 세틸피리디늄 클로라이드(cetylpyridinium chloride; CPC) 또는 염화벤잘코늄(benzalkonium chloride; BC)을 이용할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 세틸피리디늄 클로라이드를 이용하였으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 상기 단계 2)의 유화제는 계피 정유 중량에 대하여 20 내지 30 중량%로 첨가되는 것일 수 있고, 구체적으로는 2.2 내지 2.7 중량%로 첨가될 수 있다.

상기 단계 3)의 가소제는 글리세롤, 자당, 솔비톨 또는 과당을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 상기 단계 3)의 가소제는 먹장어 껍질 단백질에 대하여 30 내지 50 중량%로 첨가되는 것일 수 있으며, 구체적으로는 35 내지 45 중량%로 첨가되는 것일 수 있다. 상기 가소제의 함량이 30% 미만으로 첨가될 경우에는 필름의 신장률이 낮아 잘 부스러진다는 문제점이 있고, 50% 초과로 첨가될 경우에는 필름의 인장강도가 상대적으로 낮다는 문제점이 있다.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 생분해성 필름을 제공한다.

아울러, 본 발명은 상기 생분해성 필름을 포함하는 식품 포장재를 제공한다.

본 발명의 구체적인 실시예에서, 본 발명자들은 먹장어 껍질을 0.03 M 수산화나트륨 용액 및 0.05 M 초산 용액에서 처리한 후 열수 추출하여 단백질을 수득하였다(도 1 참조). 본 발명자들은 먹장어 껍질 단백질 필름 제조 방법에 있어서 최적의 가소제를 선정하기 위하여 솔비톨, 글리세롤 또는 과당을 첨가하여 필름의 물성을 측정한 결과, 솔비톨을 사용한 경우 신장률은 우수하나 인장강도가 상대적으로 낮았고, 글리세롤을 첨가한 경우에는 물성을 측정할 수 없을 정도로 필름의 점착성이 높았기 때문에 적합하지 않았으며, 과당을 첨가한 경우 가장 높은 인장강도를 나타내었고 다소 낮은 신장률을 나타내었으나 필름에 계피 정유를 첨가할 경우 인장강도가 감소하며 신장률이 향상된다는 점을 고려, 인장강도가 가장 높은 처리구인 과당을 먹장어 껍질 단백질 필름의 최적의 가소제로 선정하였다(표 1 참조).

또한, 본 발명자들은 가소제로써 첨가되는 과당의 최적 함량을 확인하기 위해, 먹장어 껍질 단백질에 대하여 30, 40 또는 50 중량%(w/w)의 과당을 첨가하여 물성을 측정한 결과, 30 중량% 첨가한 경우 인장강도가 가장 높으나 신장률이 낮아 필름이 잘 부스러진다는 문제가 있었고, 50 중량% 첨가한 경우 신장률은 가장 높지만 상대적으로 인장강도가 낮았으며, 40 중량% 첨가한 경우 높은 인장강도와 적절한 신장률을 나타내어 필름을 다루기 적합했다(표 2 참조).

또한, 본 발명자들은 먹장어 껍질 단백질 필름 제조 방법에 있어서 최적의 유화제를 선정하기 위하여 Tween 80, CPC 또는 BC를 첨가하여 필름의 물성을 확인한 결과, Tween 80을 사용할 경우 필름의 인장강도와 신장률이 모두 감소하여 가장 낮은 물성을 나타냈고, CPC를 사용한 경우 인장강도 감소가 가장 낮았으며 우수한 신장률을 나타냈다(표 3 참조).

본 발명의 제조방법으로 제조한 필름은 S. Typhimurium 및 L. monocytogenes 균에 대해서 항균활성을 나타내었고, 우수한 항산화 활성을 나타내었다(표 4 참조).

따라서, 본 발명의 방법은 먹장어 조리시 발생하는 부산물인 먹장어 껍질을 활용함으로써 수산 폐기물의 양을 줄일 수 있고 필름 제조시의 단가를 낮출 수 있다는 점에서 활용도가 우수하고, 상기 방법으로 제조된 필름은 항균 및 항산화 활성이 뛰어나기 때문에 친환경적인 식품 포장재로 유용하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의하여 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 또는 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.

먹장어( Eptatretus burgeri ) 껍질 단백질의 추출

먹장어 껍질로부터 단백질을 추출하기 위해, 먹장어 조리시 버려지는 껍질을 수거하여 세척하였고, 세척한 먹장어 껍질을 50℃에서 16시간 동안 건조한 후 2 cm 길이로 잘랐다. 건조된 먹장어 껍질 100 g을 0.03 M 수산화나트륨 용액(1 L)에서 15분간 알칼리 처리한 후 수돗물로 3회 세척하였다. 알칼리 처리된 먹장어 껍질을 0.05 M 초산 용액(1 L)에서 15분간 산 처리한 후 수돗물로 3회 세척하였다. 산 처리된 먹장어 껍질을 증류수(500 mL)에 넣고 70℃에서 3시간 동안 열수 추출한 후 원심분리하여 상등액을 동결건조하였다(도 1).

먹장어 껍질 단백질 필름의 제조

<2-1> 필름 용액의 제조

상기 실시예 1에서 얻은 먹장어 껍질 단백질 1.2 g(4%, w/v)을 증류수 30 mL에 넣고, 계피(Cinnamomum verum) 정유 0.3 g 및 세틸피리디늄 클로라이드(cetylpyridinium chloride; CPC) 0.075 g과 함께 30분간 교반하였다. 10,000 rpm에서 5분간 균질화하고 8분간 초음파 처리한 후 기포를 제거하였으며, 60℃의 항온수조에서 30분간 중탕한 후 가소제로써 과당 0.48 g을 첨가하여 30분간 상온에서 교반 후 여과하였다.

<2-2> 필름의 제조

상기 실시예 <2-1>에서 제조된 먹장어 껍질 단백질 필름 용액을 0.08 mm의 두께가 되도록 모듈에 일정한 양을 분주하였으며 상온에서 건조시켜 필름을 제조하였다(도 2).

< 실험예 1> 먹장어 껍질 단백질 필름의 물성 확인

상기 실시예 2로부터 제조된 먹장어 껍질 단백질 필름의 물성 측정을 위해 인장강도 및 신장률을 측정하였다.

구체적으로, 일정한 크기로 절단된 먹장어 껍질 단백질 필름을 25℃, 상대습도 50%가 유지되는 항온항습기에서 24시간 동안 보관하여 필름을 안정화시킨 후, 인장강도시험기(M250-2.5 CT, The Testometric company Ltd., Lancashire, UK)를 이용하여 ASTM D882-90 표준 시험법에 따라 필름의 물성을 측정하였다. 이때 초기 그립간 거리는 50 mm, 크로스헤드 이동 속도는 50 cm/min으로 조절하였으며, 인장강도 및 신장률은 하기 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 통하여 구하였다.

[수학식 1]

이때,

A=필름의 평균 단면적; 및

F=필름이 절단될 때까지 작용한 가장 큰 힘.

[수학식 2]

ΔL=필름이 절단될 때까지 움직인 그립간의 거리; 및

L=초기 그립간의 거리.

<1-1> 가소제 종류에 따른 필름의 물성 확인

먹장어 껍질 단백질 필름 제조 방법에 있어서 최적의 가소제를 선정하기 위하여, 먹장어 껍질 단백질에 대하여 40 중량%(w/w)의 가소제(솔비톨, 글리세롤 또는 과당)를 첨가하여 제조된 필름 각각의 물성을 측정하였다.

그 결과, 표 1에 나타낸 바와 같이 솔비톨을 사용한 경우 신장률은 우수하나 인장강도가 상대적으로 낮았다. 글리세롤을 첨가한 경우에는 물성을 측정할 수 없을 정도로 필름의 점착성이 높았기 때문에 적합하지 않다고 판단하였다. 그리고 과당을 첨가한 경우 가장 높은 인장강도를 나타냈으나 다소 낮은 신장률을 나타냈다. 하지만, 필름에 계피 정유를 첨가할 경우 인장강도가 감소하며 신장률이 향상된다는 점을 고려하여, 인장강도가 가장 높은 처리구인 과당을 먹장어 껍질 단백질 필름의 최적의 가소제로 선정하였다.

가소제 종류	인장강도(MPa)	신장률(%)
솔비톨	15.6 ± 3.28	249 ± 22.4
글리세롤	-	-
과당	30.5 ± 0.71	9.18 ± 0.82

<1-2> 과당 함량에 따른 필름의 물성 확인

가소제로써 첨가되는 과당의 최적 함량을 확인하기 위해, 먹장어 껍질 단백질에 대하여 30, 40 또는 50 중량%(w/w)의 과당을 첨가하여 필름을 제조, 물성을 측정하였다.

그 결과, 표 2에 나타낸 바와 같이 과당을 30 중량% 첨가한 경우 인장강도가 가장 높으나 신장률이 낮아 필름이 잘 부스러진다는 문제가 있었고, 과당을 40 중량% 첨가한 경우 높은 인장강도와 적절한 신장률을 나타내어 필름을 다루기 적합했다. 그리고 과당을 50 중량% 첨가한 경우 신장률은 가장 높지만 상대적으로 인장강도가 낮았다. 따라서 먹장어 껍질 단백질 필름을 제조하기 위한 과당의 최적 농도는 40 중량% 라고 판단하였다.

과당(%)	인장강도(MPa)	신장률(%)
30	34.1 ± 2.60	4.78 ± 0.48
40	30.5 ± 0.71	9.18 ± 0.82
50	17.4 ± 1.01	30.6 ± 4.66

<1-3> 유화제 종류에 따른 필름의 물성 확인

먹장어 껍질 단백질 필름 제조 방법에 있어서 최적의 유화제를 선정하기 위하여, 계피 정유를 전체 필름 부피에 대하여 1%를 첨가한 후 유화제(Tween 80, CPC 또는 BC)을 계피 정유 중량에 대하여 25 중량% 첨가하였다. 대조군으로는 계피 정유 및 유화제를 첨가하지 않았으며, 각 필름에는 가소제로 40 중량% 과당을 사용하였다.

그 결과, 표 3에 나타낸 바와 같이 Tween 80을 사용할 경우 필름의 인장강도와 신장률이 모두 감소하여 가장 낮은 물성을 나타냈고, CPC를 사용한 경우 인장강도 감소가 가장 낮았으며 우수한 신장률을 나타냈다. BC를 사용할 경우 CPC를 첨가한 필름에 비하여 인장강도에서 큰 차이를 보이지 않았지만 신장률에서 40% 정도 차이를 보였다. 따라서 계피 정유를 함유한 먹장어 껍질 단백질 필름을 제조하기 위한 최적의 유화제는 CPC이고 그 함량은 25%라고 판단하였다.

계피 정유(%)	유화제 종류	인장강도(MPa)	신장률(%)
0	-	30.5 ± 0.71	9.18 ± 0.82
1	Tween 80	4.70 ± 0.18	7.71 ± 1.06
1	CPC	12.7 ± 0.57	300 ± 3.69
1	BC	10.5 ± 0.48	258 ± 36.6

< 실험예 2> 먹장어 껍질 단백질 필름의 기능성 확인

<2-1> 항균성 확인

상기 실시예 2에서 제조한 먹장어 껍질 단백질 필름의 항균활성을 확인하기 위하여 디스크 확산법(disc diffusion test)을 이용하였다.

구체적으로, 8 mm 디스크에 먹장어 껍질 단백질 필름 용액을 75 μL 분주한 뒤 Salmonella Typhimurium(ATCC 14028, KCTC 2421) 또는 Listeria monocytogenes(ATCC 15313, KCTC 13064) 균이 접종된 배지에 부착시키고 37℃에서 24시간 배양하여 생긴 저지대(inhibition zone)의 직경을 측정하였다.

그 결과, 표 4에 나타낸 바와 같이 계피 정유를 함유한 먹장어 껍질 단백질 필름은 계피 정유를 함유하지 않은 필름에 비해 S. Typhimurium 및 L. monocytogenes 균에 대해서 항균활성을 나타내었다.

<2-2> 항산화성 확인

상기 실시예 2에서 제조한 먹장어 껍질 단백질 필름의 항산화 활성을 확인하기 위하여 ABTS(2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid)) 라디칼 소거능 및 FRAP(Ferric reducing antioxidant power) 분석법을 이용하였다.

구체적으로, ABTS 라디칼 소거능의 경우 1% 먹장어 껍질 필름 용액 0.1 mL 및 ABTS 시약 1.9 mL을 섞고 암소에서 10분간 보관한 뒤 732 nm에서 흡광도를 측정하여 라디칼 소거능을 백분율로 나타내었다. FRAP 분석법의 경우 1% 먹장어 껍질 필름 용액 0.15 mL 및 FRAP 시약 2.85 mL을 섞어 37℃에서 30분간 보관한 뒤 593 nm에서 흡광도를 측정하여 황산제일철(FeSO₄) 상당량으로 계산하였다.

그 결과, 표 4에 나타낸 바와 같이 계피 정유를 함유한 먹장어 껍질 단백질 필름은 계피 정유를 함유하지 않은 필름에 비해 항산화 활성을 나타내었다.

	억제영역 (mm)		항산화 활성
계피정유(%)	S. Typhimurium	L. monocytogenes	ABTS assay (%)	FRAP assay (mM)
0	-	-	-	-
1	13.8 ± 0.66	18.2 ± 1.45	91.9 ± 0.07	3.04 ± 0.01

Claims

1) 먹장어 껍질로부터 단백질을 추출하는 단계;
2) 상기 단계 1)에서 추출된 단백질에 계피 정유 및 유화제로써 세틸피리디늄 클로라이드(cetylpyridinium chloride; CPC)를 첨가하여 필름 용액을 제조하는 단계; 및
3) 상기 단계 2)의 용액에 가소제로써 과당을 먹장어 껍질 단백질에 대하여 35 내지 45 중량%를 첨가하는 단계;
를 포함하는 생분해성 필름의 제조 방법.

제 1항에 있어서, 상기 단계 1)의 단백질은 알칼리 및 산 전처리를 순차적으로 수행한 후 열수 추출하는 것인 생분해성 필름의 제조 방법.

제 1항에 있어서, 상기 단계 1)의 먹장어 단백질은 전체 필름 중량의 3 내지 7 중량%로 첨가되는 것인 생분해성 필름의 제조 방법.

제 1항에 있어서, 상기 단계 2)의 계피 정유는 전체 필름 중량의 0.5 내지 1.5 중량%로 첨가되는 것인 생분해성 필름의 제조 방법.

삭제

제 1항에 있어서, 상기 단계 2)의 유화제는 계피 정유 중량에 대하여 20 내지 30 중량%로 첨가되는 것인 생분해성 필름의 제조 방법.

삭제

제 1항의 방법으로 제조된 생분해성 필름.

제 9항의 필름을 포함하는 식품 포장재.