KR102507593B1

KR102507593B1 - 에탄올 및 초고압을 이용한 무정형 입자 전분의 제조방법

Info

Publication number: KR102507593B1
Application number: KR1020190111967A
Authority: KR
Inventors: 백무열; 박진호; 김병용
Original assignee: 경희대학교 산학협력단
Priority date: 2019-09-10
Filing date: 2019-09-10
Publication date: 2023-03-07
Also published as: KR20210030625A

Abstract

본 발명은 에탄올 및 초고압을 이용한 무정형 입자 전분의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 제조방법은 무정형이면서도 입자 구조를 갖는 호화 전분, 즉 전분의 결정 영역은 손실되었으나 입자 구조는 유지하고 있는 호화전분인 무정형 입자 전분을 제조할 수 있으며, 에탄올을 이용하여 전분의 팽윤을 억제시키고, 초고압을 이용하여 전분의 호화를 일으키는 현상을 발생시켜 화학적인 방법을 사용하지 않으면서 식용 가능한 무정형 입자 전분을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

에탄올 및 초고압을 이용한 무정형 입자 전분의 제조방법{Method for preparing amorphous granular starch using ethanol and high hydrostatic pressure}

본 발명은 에탄올 및 초고압을 이용한 무정형 입자 전분의 제조방법에 관한 것이다.

전분은 결정영역(crystal region)과 무정형영역(amorphous region)을 동시에 갖는 부분 결정 중합체(partially crystalline polymer)이다. 전분은 입자 형태로 존재하며 자연에 존재하는 안전한 중합체로써 다양한 산업에 널리 이용이 되며 특히 식품 산업에서 안정제, 점증제 등으로 쓰인다. 하지만 천연전분은 산업에서 이용될 때 물에 녹거나 분산되지 않는다는 제한점이 있어 다양한 목적에 맞게 물리적, 화학적으로 변성시켜 사용한다.

전분의 호화라 함은 전분에 수분을 더한 후 열을 가했을 때 무정형 영역에 먼저 수화가 일어나 팽창되고 이에 따라 결정영역이 파괴되며 점도가 상승, 입자 모양의 파괴가 일어나는 과정을 뜻한다. 또한 이 때 전분 입자 내의 질서정연한 구조가 무질서한 상태로 바뀌는 상전이가 일어나며 천연전분에서 나타나는 복굴절성을 잃게 된다.

천연전분은 산업에서 이용될 때 물에 녹거나 분산되지 않는다는 제한점이 있어 다양한 목적에 맞게 물리적, 화학적으로 변성시켜 사용한다. 이러한 변성전분 중에서도 알파(α)전분(pre-gelatinized starch, 호화전분, 즉석전분)은 물리적 변화로 인해 천연전분의 특성이 변화한 전분의 한 예이며 물과 함께 가열하여 호화시킨 후 팽윤된 상태에서 탈수시킨 전분이다. 그 결과 이 전분은 냉수에 쉽게 분산되며 물을 첨가시켰을 때 원하는 정도까지 팽윤되면서 가열하지 않아도 점도를 증가시킬 수 있다. 하지만 호화전분의 제조에 있어서 전분에 열을 가하게 되면 입자의 팽윤에 이어 입자 모양이 파괴되며 이 때 점도가 급격히 감소하며 수분결합력이 낮아지는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 화학적 처리를 통하여 입자 구조를 가지고 있는 호화전분을 개발하였는데, 이는 알칼리 용액 또는 암모니아 용액 등을 이용해 전분을 화학적 처리하여 제조하는 방법이다. 이들의 형태를 살펴보면 천연전분과 비교했을 때 호화는 되었지만 입자 형태에 변형이 많이 일어나고 화학적 처리로 인한 안전성 문제가 제기될 가능성이 있다.

이에 본 발명자들은 에탄올 및 초고압처리를 이용하여 무정형 입자 전분을 제조할 경우, 천연 전분과 유사한 입자 구조를 갖고 있으면서도 결정 영역이 파괴된 호화 전분을 제조할 수 있는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

한국등록특허 10-0887699호

본 발명의 목적은 무정형 입자 전분의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조된 무정형 입자 전분을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 무정형 입자 전분을 포함하는 식품 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 무정형 입자 전분을 포함하는 점도 증진제를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 에탄올 수용액에 전분을 분산시켜 전분 현탁액을 준비하는 단계(단계 1);

상기 단계 1의 전분 현탁액을 초고압 처리하는 단계(단계 2);

상기 단계 2의 초고압 처리된 전분 현탁액에 알코올을 첨가하고 원심분리하여 전분을 세척하는 단계(단계 3); 및

상기 세척한 전분을 건조 및 분쇄하여 무정형 입자 전분을 수득하는 단계(단계 4); 를 포함하고,

상기 무정형 입자 전분은 전분의 결정 영역은 손실되었으나 입자 구조는 유지하고 있는 호화전분인 것을 특징으로 하는 무정형 입자 전분의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 무정형 입자 전분을 제공한다.

나아가 본 발명은 상기 무정형 입자 전분을 포함하는 식품 조성물을 제공한다.

더 나아가 본 발명은 상기 무정형 입자 전분을 포함하는 점도 증진제를 제공한다.

본 발명에 따른 제조방법은 무정형이면서도 입자 구조를 갖는 호화 전분, 즉 전분의 결정 영역은 손실되었으나 입자 구조는 유지하고 있는 호화전분인 무정형 입자 전분을 제조할 수 있으며, 에탄올을 이용하여 전분의 팽윤을 억제시키고, 초고압을 이용하여 전분의 호화를 일으키는 현상을 발생시켜 화학적인 방법을 사용하지 않으면서 식용 가능한 무정형 입자 전분을 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 에탄올 및 초고압을 이용한 무정형 입자 전분의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1, 2의 무정형 입자 전분 및 비교예 1의 천연 쌀 전분의 DSC 분석에 의한 열적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 실시예 1, 2의 무정형 입자 전분 및 비교예 1의 천연 쌀 전분의 현미경 분석 결과이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

무정형 입자 전분의 제조방법

상기 단계 1의 전분 현탁액을 초고압 처리하는 단계(단계 2);

상기 무정형 입자 전분은 전분의 결정 영역은 손실되었으나 입자 구조는 유지하고 있는 호화전분인 것을 특징으로 하는 무정형 입자 전분의 제조방법을 제공한다(도 1참조).

본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 전분에 10 내지 80% (v/v)의 에탄올 수용액을 첨가하여 전분 현탁액을 제조하는 단계이고, 상기 에탄올 수용액의 농도는 10 내지 30% (v/v)가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 에탄올 수용액의 농도가 20% (v/v)인 것을 사용할 수 있다.

상기 전분 현탁액은 전분 현탁액 100 중량부 중 전분을 5 내지 50 중량부를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 5 내지 25 중량부를 사용할 수 있다. 전분 현탁액 내 전분의 함량이 5 중량부 미만인 경우 현탁액의 농도가 너무 낮아 효율이 낮으며, 전분의 함량이 50 중량부를 초과하는 경우 초고압의 전달 효율이 감소하게 된다.

상기 전분은 식물로부터 수득되는 천연 전분으로, 상기 전분의 예로는 옥수수 전분, 타피오카 전분, 쌀 전분, 감자 전분, 고구마 전분, 카사바 전분, 밀 전분, 보리 전분, 수수 전분, 귀리 전분, 호밀 전분 등이 될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 300 내지 1,000MPa의 압력을 가하여 수행할 수 있으며, 바람직하게는 350 내지 750MPa의 압력을 가하여 수행할 수 있고, 더욱 바람직하게는 400 내지 650MPa의 압력을 가하여 수행할 수 있다. 상기 초고압 처리 압력이 300MPa 미만인 경우 전분의 결정 영역을 파괴시키는데 충분하지 못하여, 초고압 처리 시간이 길어지게 된다.

상기 초고압 처리는 초고압을 10분 내지 60분 동안 가하여 수행할 수 있으며, 바람직하게는 20분 내지 50분 동안 가하여 수행할 수 있고, 더욱 바람직하게는 30분간 수행할 수 있다. 초고압 처리 시간이 10분 미만인 경우 완전한 무정형 전분을 제조하기 어렵고, 60분을 초과하는 경우 공정 시간이 불필요하게 길어지게 된다.

상기 초고압 처리는 0 내지 40℃에서 수행할 수 있으며, 바람직하게는 상온(25℃)에서 수행할 수 있다. 상기 초고압 처리 온도가 40℃를 초과할 경우 전분의 호화가 일어나게 되고, 이로 인해 입자 구조가 파괴되어 무정형 입자 전분을 제조하기 어려운 문제점이 있다. 또한 상기 초고압 처리 온도 범위를 벗어날 경우, 별도의 냉각/가열 장치가 필요하게 되어, 공정이 불필요하게 늘어나고 비용이 증가하게 된다.

본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 단계 3은 전분 현탁액을 초고압 처리한 후, 알코올을 이용하여 세척을 하게 되는데, 이 때 원심분리를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 세척을 통해 전분 현탁액의 탈수가 이루어지고, 원심분리를 이용함으로써 신속한 침전물 수득이 가능해진다. 상기 세척은 복수 회 반복하여 이루어질 수 있는데, 세척 횟수 및 원심분리기의 rpm, 온도 및 시간은 이용하는 알코올의 양 등에 따라 적절히 정할 수 있다.

상기 알코올은 메탄올, 에탄올 또는 프로판올인 탄소 수 3 이하의 저가 알코올을 사용할 수 있으며, 바람직하게 에탄올을 사용할 수 있다.

무정형 입자 전분

본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 무정형 입자 전분을 제공한다.

상기 무정형 입자 전분은 전분의 결정 영역은 손실되었으나 입자 구조는 유지하고 있는 호화 전분을 의미한다. 즉, 본 발명의 무정형 입자 전분은 천연 전분의 외형은 유지하되, 전분 입자 내부의 결정 영역이 손실된 가공 전분이다.

상기 무정형은 전분의 결정 영역이 손실되어 전분이 더 이상 결정 영역을 포함하지 않고, 복굴절성을 잃은 것을 가리킨다.

상기 입자 구조는, 알갱이, 즉 그래뉼(granule)의 외형을 가리키며, 본 발명의 무정형 입자 전분은 천연 전분과 마찬가지로 알갱이의 외형, 즉 입자 구조를 유지하고 있다.

식품 조성물

본 발명은 상기 무정형 입자 전분을 포함하는 식품 조성물을 제공한다.

상기 식품은 건강보조식품, 건강식품, 건강기능식품 등이 될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 또한, 천연식품, 가공식품, 일반적인 식자재 등에 본 발명의 무정형 입자 전분을 첨가하는 것도 포함된다.

점도 증진제

본 발명은 상기 무정형 입자 전분을 포함하는 점도 증진제를 제공한다.

상기 점도 증진제는 식품, 화학 분야, 공업 분야 등에 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

쌀 전분 10 g(고형분 무게 기준)에 전분에 포함된 수분량을 고려하여 20%(v/v)의 에탄올 수용액을 첨가하였다. 이때 현탁액의 총합이 100g이 되도록 하여 10%(w/w)의 현탁액을 제조하였다. 상기 전분 현탁액을 플라스틱 파우치팩에 넣어 밀봉하고, 균일하게 흔들어 주었다. 그 후, 전분 현탁액이 담긴 플라스틱 파우치팩을 초고압 장치 (C.I.P Process controller, Ilshin Autoclave, Daejeon, Korea)에 넣고 압력 전달 매개로서 증류수를 이용하여 상온(25℃), 550 MPa에서 30분간 압력을 가하여 주었다. 초고압 처리 후 시료를 바로 플라스틱 파우치백에서 꺼내어 현탁액 부피 대비 2배의 에탄올을 가하여 섞어 주고, 그 후 원심분리기를 이용하여 4℃에서 3,000rpm으로 5분 동안 원심분리 하였다. 원심분리에 의하여 얻은 침전물에 다시 에탄올을 가하는 방법으로 세척을 반복하고 이를 두 번 더 반복하여 총 3회 세척하였다. 그런 다음 40^oC 드라이오븐에서 24시간 건조하여 분쇄한 후 100 mesh체로 쳐서 통과한 것을 시료로 사용하였다.

<실시예 2>

쌀 전분 15 g(고형분 무게 기준)에 전분에 포함된 수분량을 고려하여 20%(v/v)의 에탄올 수용액을 첨가하였다. 이때 현탁액의 총합이 50g이 되도록 하여 30%(w/w)의 현탁액을 제조하였다. 상기 전분 현탁액을 플라스틱 파우치팩에 넣어 밀봉하고, 균일하게 흔들어 주었다. 그 후, 전분 현탁액이 담긴 플라스틱 파우치팩을 초고압 장치 (C.I.P Precess controller, Ilshin Autoclave, Daejeon, Korea)에 넣고 압력 전달 매개로서 증류수를 이용하여 상온(25 ℃), 550 MPa에서 30분간 압력을 가하여 주었다. 초고압 처리 후 시료를 바로 플라스틱 파우치백에서 꺼내어 현탁액 부피 대비 2배의 에탄올을 가하여 섞어 주고, 그 후 원심분리기를 이용하여 4℃에서 3,000rpm으로 5분 동안 원심분리 하였다. 원심분리에 의하여 얻은 침전물에 다시 에탄올을 가하는 방법으로 세척을 반복하고 이를 두 번 더 반복하여 총 3회 세척하였다. 그런 다음 40^oC 드라이오븐에서 24시간 건조 하여 분쇄한 후 100 mesh체로 쳐서 통과한 것을 시료로 사용하였다.

<비교예 1>

천연 쌀 전분을 준비하고, 이를 비교예 1로 사용하였다.

실시예	전분 원료	가공 방법
실시예 1	쌀 전분	20% (v/v) 에탄올 수용액첨가 10% (w/w) 전분 현탁액 제조 및 초고압 처리(550 MPa, 30분) 후 에탄올 세척
실시예 2	쌀 전분	20% (v/v) 에탄올 수용액첨가 30% (w/w) 전분 현탁액 제조 및 초고압 처리(550 MPa, 30분) 후 에탄올 세척
비교예 1	쌀 전분	-

<실험예 1> 전분의 열역학적 특성

실시예 1 내지 2의 무정형 입자 전분과 비교예 1의 천연 쌀 전분의 호화 중 열역학적 특성을 측정하였다. 이는 밀봉된 빈 pan을 reference로 하여 시차주사열량기(Differential Scanning Calorimeter, DSC 4000, Perkin Elmar, Inc., Waltham, MA, USA)를 사용하여 측정하였다. 실시예 1 내지 2 및 비교예 1을 수분함량 75% (습량기준)의 현탁액으로 제조하였다. 전분 현탁액 15 mg을 알루미늄 팬(aluminum pan)에 넣고 1시간 동안 실온에서 방치하여 안정화시켜 준 다음 30^oC에서 1분간 유지한 후 30℃에서 120℃까지 10℃/min으로 가열하여 열적 특성 곡선을 얻었다.

그 결과, 도 2에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 천연 쌀 전분의 경우 60℃에서 73℃사이에 전분이 호화될 때 피크가 나타나고 호화엔탈피(△H) 값은 13.3J/g인 것을 볼 수 있다. 하지만 실시예 1 및 실시예 2의 경우 피크가 나타나지 않아 이미 호화가 진행되어 내부의 결정영역이 파괴된 것을 확인하였다.

	Onset (℃)	Peak (℃)	End (℃)	Enthalpy (J/g)
실시예 1	-	-	-	-
실시예 2	-	-	-	-
비교예 1	60.6±0.1	67.5±0.2	74.6±0.4	13.3±0.7

<실험예 2> 전분의 현미경 분석

실시예 1 내지 2의 무정형 입자 전분과 비교예 1의 천연 쌀 전분현미경 분석을 실시하였다. 천연 전분 및 무정형 입자 전분에 증류수를 소량 가하여 분산시킨 후, 슬라이드 글라스에 한 방울 떨어뜨리고 커버 글라스를 덮어 일반 광학 현미경, 편광현미경 분석을 위한 시료를 제조하고 현미경 분석을 실시하였다.

구체적으로는 일반 광학 현미경 분석으로 편광 되어있지 않은 빛을 이용해 외형을 관찰하고, 편광현미경에서 편광을 통해 나타나는 복굴절성의 여부를 관찰하였다. 또한 전분의 외형을 자세히 비교, 관찰하기 위해 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, Hiyachi TM3000, Tokyo, Japan)를 이용하여 분석을 실시하였다. 이를 위해 알루미늄 stub에 double-side carbon tape를 붙이고 그 위에 천연 전분 및 무정형 입자 전분을 산재시킨 뒤 전자 빔 하에서 충전을 피하기 위해 코팅기계(MCM-200 Ion Sputter Coater)로 금 분말 코팅 후 이미지를 15 kV의 가속 전압에서 촬영하였다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 천연 쌀 전분의 경우 입자 모양을 확인할 수 있고(도 3 A1참조), 이를 편광 현미경으로 관찰한 B1결과를 보면 십자가 모양의 복굴절이 선명하게 나타나 있는 것을 알 수 있다. 또한 주사전자현미경으로 관찰한 C1결과를 통해서도 입자 형태를 확인할 수 있다.

한편, 무정형 입자 전분(실시예1 및 2)의 결과를 보면 B2, B3의 편광 현미경 관찰 결과 복굴절이 사라진 것을 확인할 수 있고, 상기 실험예 1의 DSC 분석결과와 마찬가지로 호화가 되었음을 알 수 있었다. 또한, A2, A3의 일반현미경 사진과 C2, C3의 주사전자현미경 결과를 보면, 실시예1 및 2의 전분의 경우 호화가 되었음에도 입자 형태는 유지하는 것을 확인할 수 있었다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특히 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

20% (v/v) 에탄올 수용액에 전분을 분산시켜 전분 현탁액을 준비하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 전분 현탁액을 25℃에서 550 MPa의 압력을 가하여 30분 동안 초고압 처리하는 단계(단계 2);
상기 단계 2의 초고압 처리된 전분 현탁액에 에탄올을 첨가하고 원심분리하여 전분을 세척하는 단계(단계 3); 및
상기 세척한 전분을 40℃ 드라이오븐에서 24시간동안 건조 및 분쇄하여 무정형 입자 전분을 수득하는 단계(단계 4); 를 포함하고,
상기 전분 현탁액은 전분 현탁액 100 중량부 기준 전분을 10 내지 50 중량부 포함하는 것이고,
상기 무정형 입자 전분은 전분의 결정 영역은 손실되었으나 입자 구조는 유지하고 있는 호화전분인 것을 특징으로 하는 무정형 입자 전분의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 전분 현탁액은 전분 현탁액 100 중량부 기준 전분을 10 또는 30 중량부 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 전분은 식물로부터 수득되는 천연 전분인 것을 특징으로 하는 제조방법.
제1항의 제조방법으로 제조된 무정형 입자 전분.
제8항의 무정형 입자 전분을 포함하는 식품 조성물.
제8항의 무정형 입자 전분을 포함하는 점도 증진제.