KR20200000603A - 가교화 마카전분 및 이를 이용한 피커링 에멀젼 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가교화 마카전분의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 가교화 마카전분, 상기 가교화 마카전분을 이용한 피커링 에멀젼에 관한 것이다.
Description
본 발명은 가교화 마카전분의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 가교화 마카전분, 상기 가교화 마카전분을 이용한 피커링 에멀젼에 관한 것이다.
전분을 식품 첨가제로써 이용하는 경우 식품의 물리적 성질을 충족시키기 위해 화학적, 물리적 또는 효소 처리를 하여 전분 고유의 구조를 변형시키기도 하는데, 상기와 같이 변형을 일으킨 전분 변성전분(modified starch)이라고 부른다.
변성전분은 가교 결합 반응(cross-linking reaction), 에스테르화 반응(esterification), 에테르화 반응(eterification), 컨버전(conversion) 등에 의해 제조될 수 있으며, 상기 제조방법은 단독으로, 또는 서로 조합되어 사용될 수 있다(한국공개특허 제10-2018-0055200).
이러한 변성전분의 제조를 통해 전분의 물성을 개선시키고자 하는 기술 개발이 계속되고 있으나, 변성전분 제조의 원료가 되는 전분으로 옥수수 전분, 감자 전분, 고구마 전분 등 일반적인 전분만이 사용되고 있을 뿐, 사포닌, 테르페노이드 등의 활성성분을 풍부하게 함유하고 있는 마카전분을 이용한 변성전분의 제조에 대한 연구는 미비한 실정이다.
한편, 산소 민감성 오일 성분은 식품 성분의 중요한 부류로, 식품 성분의 산화 반응에 대한 민감도 때문에, 상기 성분은 보호되는 형태뿐만 아니라 그 사용의 용이성을 향상시키는 형태로 존재하는 것이 필요하다.
이러한 성분은 일반 식품, 신규 식품, 기능성 식품(functional foods) 및 기능식품(nutraceuticals)에 대한 성분으로서 적합한 형태로 제조하고, 통상의 수송 조건 하에 안정하게 저장하는 것이 필요하다. 상기 성분들은 보통 그 최종 용도에 따라 안정한 수중유(Oil in water) 에멀젼 또는 안정한 분말로 가공 처리된다.
그러나, 수중유 에멀젼의 경우, 보관 시간이 경과할수록 불안정해지는 경향을 보이는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 가교화 마카전분 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 가교화 마카전분을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 가교화 마카전분을 이용한 피커링 에멀젼 조성물 및 상기 피커링 에멀젼 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 마카전분을 구연산과 혼합하여 가교 결합 반응시키는 단계를 포함하는 가교화 마카전분의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서, '마카(Maca, Lepidium meyenii)'는 남미 페루의 안데스산맥 해발 4.000미터 이상의 고지를 원산으로 하는 십자화과 식물로서, 페루의 인삼이라고 알려져 있다. 고지의 혹독한 기후 속에서 자생하는 식물로, 영양가가 높고 안데스 고지에서 기원전 2000년 전부터 재배되고 있다.
이러한 마카는 단백질, 불포화 지방산 및 미네랄이 풍부하며, 특히 마카분말은 탄수화물 55 내지 60 ％, 단백질 9 내지 12 ％, 지질 1 내지2％, 섬유질 8 내지 9 ％, 다량의 필수아미노산, 철분 및 칼슘 등을 함유하는 영양식품으로 알려져 있다.
또한 상기 성분 이외에도 마카는 알칼로이드, 안토시아닌, 사포닌, 테르페노이드, 덱스트린, 식물성 스테롤 및 미네랄도 다량 함유하고 있으며, 마카엔(macaene), 마카마이드(macamide)와 같은 다른 식물에서는 발견되지 않는 고유의 불포화지방산이 존재하고, 이러한 활성성분들은 생리활성을 지니는 것으로 보고되고 있다. 특히 마카의 글루코시놀레이트(glucosinolate) 함량은 다른 십자화과 작물의 100배에 달하고, 이는 면역시스템을 조절하고 항암작용을 한다고 보고된 바 있다.
본 발명에서, '마카전분'은 상기 '마카'로부터 추출되거나 분리된 모든 형태의 다당류를 말하며, 구체적으로 마카 뿌리에서 추출되거나 분리된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 구연산(citric acid)은 높은 온도에 존재하게 되면 탈수되어 상기 구연산 내부의 인접 카르복시기들 사이에서 무수물(anhydride)이 형성된다. 이때 마카전분이 함께 존재하면 전분의 하이드록시기(-OH)와 추가적인 탈수반응을 일으켜 에스테르화 반응이 이루어지게 된다.
또한, 이에 추가적인 열을 가하면 상기 구연산 내부에 잔존하는 카르복시기들 사이에서 추가적인 무수물이 더 형성되고 함께 존재하는 상기 마카전분의 잔여 하이록시기와 추가적인 에스테르화 반응이 더 이루어지게 된다. 상기와 같은 단일 또는 다중 에스테르화 반응은 상기 구연산과 상기 마카전분을 공유결합을 통해 결합시키며, 이를 가교화 반응이라 한다.
구체적으로, 상기 구연산은 마카전분 총량 대비 10 내지 30중량%으로 마카전분과 혼합되어 가교 결합 반응이 이루어지도록 할 수 있다. 구연산이 마카전분 총량 대비 10 중량% 미만인 경우 구연산과 마카전분의 가교화 반응이 충분하게 일어나지 않아 마카전분이 호화되거나(표 2) 저항전분 함량이 적을 수 있으며(표 3), 구연산이 마카전분 총량 대비 30 중량%를 초과하는 경우 마카전분의 입자가 과도하게 손상되어 마카의 활성성분들이 파괴될 수 있다.
본 발명 일 실시예에서는 마카전분 총량 대비 10 내지 30중량%의 구연산을 혼합하여 가교 결합 반응을 통해 가교화 마카전분을 제조하였으며, 상기 가교화 마카전분이 가교결합에 의해 단단한 구조를 가지고 있음을 확인하였다(표 5).
본 발명의 다른 일 측면은 상기 제조방법으로 제조된 가교화 마카전분을 제공한다. 구체적으로, 상기 가교화 마카전분은 총 저항전분 함량이 50 내지 90%인 것을 특징으로 할 수 있다.
일반적으로 전분은 소장에서의 소화 형태에 따라 빨리 소화되는 전분(rapidly digestible starch, RDS), 천천히 소화되는 전분(slowly digestible starch, SDS), 및 저항 전분(resistant starch, RS)과 같이 3가지로 분류된다.
상기 저항전분은 소장에서 소화되지 않고 불활성 상태로 대장으로 유입되는 전분의 한 종류로서 상기 저항전분이 대장으로 유입되는 경우 대장에서의 부틸산(butylic acid) 생성을 유도하고, 대장의 지방을 분해하거나 흡수하여 대장암, 고혈당, 고지혈증 등을 예방하고, 지방의 축적을 억제하는 등의 다양한 효능을 가진다.
또한, 상기 저항전분은 식이섬유와 비슷한 생리활성을 가지므로 식품 소재로 유용하게 활용될 수 있으며, 당뇨, 고지혈, 비만 등을 예방 또는 치료하기 위한 건강기능식품 또는 의약품의 소재로 활용될 수 있다. 그 외에도 제과, 드레싱, 시럽, 푸딩, 음료수 등 다양한 형태의 식품에 사용될 수 있으며, 이는 상기 예시에 한정되는 것은 아니다.
본 발명 일 실시예에서는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 가교화 마카전분이 천연 마카전분에 비해 저항전분의 함량이 현저히 증가되어 있는 것을 확인하였다(표 6). 이는 본 발명의 가교화 마카전분이 건강기능성 식품의 소재로서 활용될 수 있음을 나타내는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 측면은 상기 가교화 마카전분을 포함하는, 피커링 에멀젼 조성물을 제공한다.
본 발명에서, '피커링 에멀젼(pickering emulsion)'은 고 분산상 에멀젼(High Internal Phase Emulsion; HIPE)이라고 하며, 방울들의 부피가 전체 에멀젼 중 74 부피% 이상인 에멀젼 시스템을 일컫는다. 이러한 피커링 에멀젼은 보통의 에멀젼에 비해 매우 높은 부피 대비 표면적을 가지고 있어 유용하게 활용될 수 있으며, 피커링 에멀젼을 템플레이트(Template)로 이용하여 다양한 다공성 물질의 제작이 가능하여, 필터, 센서, 흡착제, 촉매 서포트 등 산업의 전반적인 분야에서 활용될 수 있다.
구체적으로, 상기 피커링 에멀젼 조성물은 가교화 마카전분이 피커링 에멀젼에 포함된 증류수 대비 0.25 내지2.0 중량%로 포함된 것일 수 있다.
가교화 마카전분이 피커링 에멀젼에 포함된 증류수 대비 0.25 중량% 미만인 경우 유화안정지수가 낮아져 피커링 에멀젼의 불안정성이 커질 수 있고, 2중량%를 초과하여 포함되더라도 유화안정지수가 크게 증가하지 않아 가교화 마카전분을 추가하는 것이 경제적이지 못할 수 있다.
본 발명 일 실시예에서는 천연 마카전분을 이용하여 제조한 피커링 에멀젼 대비 가교화 마카전분을 이용하여 제조한 피커링 에멀젼의 경우 상기의 모든 수치범위에서 유화안정지수가 현저히 높게 나타남을 확인하였으며, 가교화 마카전분의 함량이 증가할수록 유화안정지수도 함께 증가하는 경향을 나타냄을 확인하였다(도 9).
또한, 구체적으로, 상기 피커링 에멀젼은 중심물질과 피복물질로 구성되며, 상기 중심물질은 중간사슬 트리글리세리드(Medium-chain triglyceride, MCT)이고, 상기 피복물질은 가교화 마카전분인 것일 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 중심물질 및 피복물질은 2 : 8 내지 4 : 6의 부피비로 포함될 수 있다.
상기 중심물질은 중간사슬 트리글리세리드에 제한되는 것은 아니며 필요에 따라 적절한 물질로 변경하여 사용할 수 있다.
본 발명 일 실시예에서는 중심물질과 피복물질의 비율을 2 : 8, 3 : 7 및 4 : 6의 부피비로 변경하면서 유화안정지수를 측정하였으며, 가교화 마카전분을 이용하여 제조한 피커링 에멀젼은 중심물질과 피복물질의 비율이 2 : 8(v/v) 내지 3 : 7(v/v)의 모든 실시범위에서 약 80% 이상의 유화안정지수를 나타내어 천연 마카전분을 이용한 피커링 에멀젼에 비해 매우 우수한 안정도를 나타내는 것을 확인하였다(도 10).
본 발명의 또 다른 일 측면은 a) 마카전분을 구연산과 혼합하여 가교 결합 반응시켜 가교화 마카전분을 제조하는 단계; 및 b) 상기 a) 단계에서 제조된 가교화 마카전분를 피복물질로 하고, 중심물질과 혼합하여 균질화하는 단계를 포함하는, 피커링 에멀젼 제조방법을 포함한다.
구체적으로, 상기 상기 중심물질은 중간사슬 트리글리세리드일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 필요에 따라 적절한 물질로 변경하여 사용할 수 있다.
또한 구체적으로, 상기 피커링 에멀젼 제조방법은 상기 b) 단계 이전에 a) 단계에서 제조된 가교화 마카전분을 증류수와 혼합하여 분산하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명 일 실시예에서는 중간사슬 트리글리세리드(Medium-chain triglyceride, MCT)를 중심물질로 하고, 마카전분을 구연산과 혼합하여 가교 결합 반응시켜 가교화 마카전분을 피복물질로 하여 혼합 후 균질화 단계를 거친 피커링 에멀젼 조성물을 제조하였다.
더욱 구체적으로, 상기 가교화 마카전분은 혼합되는 증류수 대비 0.25 내지2.0 중량% 포함되는 것일 수 있다.
본 발명 일 실시예에서는 가교화 마카전분이 각각0.25중량%, 0.5중량%, 0.75중량%, 1.0중량%, 1.5중량% 및 2.0중량%의 비율이 되도록 증류수와 혼합하고 30분 동안 교반기에서 분산시키는 단계를 추가로 포함하여 피커링 에멀젼 조성물을 제조하였으며, 상기와 같이 제조된 피커링 에멀젼 조성물이 상기의 모든 수치범위에서 유화안정지수가 현저히 높게 나타남을 확인하였으며, 가교화 마카전분의 함량이 증가할수록 유화안정지수도 함께 증가하는 경향을 나타냄을 확인하였다(도 9).
또한 구체적으로, 상기 제조방법에 있어 중심물질 및 피복물질은 2 : 8 내지 4 : 6의 부피비로 혼합될 수 있다.
본 발명 일 실시예에서는 중심물질 : 피복물질 혼합비율(v/v)이 각각2 : 8, 3 : 7 및 4 : 6으로 포함되도록 하는 단계를 포함하는 피커링 에멀젼 조성물을 제조하였으며, 상기와 같이 제조된 피커링 에멀젼 조성물이 비율이 2 : 8(v/v) 내지 3 : 7(v/v)의 모든 실시범위에서 약 80% 이상의 유화안정지수를 나타내어 천연 마카전분을 이용한 피커링 에멀젼에 비해 매우 우수한 안정도를 나타내는 것을 확인하였다(도 10).
상기 본 발명의 피커링 에멀젼 조성물은 계면활성제, 표면처리된 콜로이드 입자 또는 특수 제조된 입자를 첨가하지 않고도, 장시간 경과 후에도 상 분리가 쉽게 일어나지 않는, 매우 안정적인 분산상을 가짐에 따라, 화장품, 폼구조체, 식품 저장 소재 등의 형성을 위해 활용이 가능할 수 있다.
본 발명의 제조방법으로 제조된 가교화 마카전분은 마카가 가지는 다양한 활성성분의 효능을 그대로 유지하면서, 저항전분의 함량이 증가된 효과를 나타낸다.
본 발명의 가교화 전분은 미세캡슐에 적용시 저장안정성이 증가하므로 피커밍 에멀젼으로 활용 가능하며, 저항전분의 함량이 증가함에 따라 면류, 쿠키, 스낵류 등의 식품에 기능성 소재로 활용할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 주사전자현미경을 이용하여 비교예 1의 마카전분(A) 및 실시예 1 내지 3의 가교화 마카전분(B 내지 D)의 표면구조 특성을 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 FT-IR을 이용하여 실시예 1 내지3 및 비교예 1의 작용기를 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 X선 회절계를 이용하여 실시예 1 내지3 및 비교예 1의 결정성 정도를 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 광학현미경을 이용하여 비교예 2(A) 및 실시예 4 내지 6(B 내지 D)의 피커링 에멀젼 입자 형태를 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 입자 크기 분석기를 이용하여 실시예 4 내지6 및 비교예 2의 입자 크기를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 4 내지6 및 비교예 2의 제타전위를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 4 내지6 및 비교예 2의 시간이 흐름에 따른 에멀젼 입자의 크기를 측정한 결과를 나태난 것이다.
도 8은 실시예 4 내지6 및 비교예 2의 시간이 흐름에 따른 유화안정지수를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 비교예 3 내지 8 및 실시예 7 내지 12에서의 증류수 대비 가교화 마카전분의 함량과 유화안정지수의 상관관계를 나타낸 것이다.
도 10은 비교예 9 내지 11 및 실시예 13 내지 15에서의 중심물질 및 피복물질의 비율과 유화안정지수의 상관관계를 나타낸 것이다.
도 2는 FT-IR을 이용하여 실시예 1 내지3 및 비교예 1의 작용기를 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 X선 회절계를 이용하여 실시예 1 내지3 및 비교예 1의 결정성 정도를 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 광학현미경을 이용하여 비교예 2(A) 및 실시예 4 내지 6(B 내지 D)의 피커링 에멀젼 입자 형태를 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 입자 크기 분석기를 이용하여 실시예 4 내지6 및 비교예 2의 입자 크기를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 4 내지6 및 비교예 2의 제타전위를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 4 내지6 및 비교예 2의 시간이 흐름에 따른 에멀젼 입자의 크기를 측정한 결과를 나태난 것이다.
도 8은 실시예 4 내지6 및 비교예 2의 시간이 흐름에 따른 유화안정지수를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 비교예 3 내지 8 및 실시예 7 내지 12에서의 증류수 대비 가교화 마카전분의 함량과 유화안정지수의 상관관계를 나타낸 것이다.
도 10은 비교예 9 내지 11 및 실시예 13 내지 15에서의 중심물질 및 피복물질의 비율과 유화안정지수의 상관관계를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
제조예 1. 마카뿌리로부터의 전분의 분리
마카뿌리 200 g에 증류수 1,000 mL를 가하여 48시간 침지시킨 후, 분쇄(1분씩 4회)한 후, 원심분리를 통해 상등액을 제거하고 이 공정을 5 내지 10 회 반복하였다. 슬러리(slurry)를 여과시켜 35℃에서 열풍건조 시킨 후 150 μm 체에 분쇄하였다. 추후 진행될 실험에 있어, 본 제조예 1에 의해 분리된 천연 마카전분은 비교예 1로 사용하였다.
제조예 2. 가교화 마카전분의 제조
마카뿌리로부터 분리된 마카전분 대비 10 중량%, 20 중량%, 30 중량%에 해당하는 구연산을 증류수 7 mL에 용해시킨 후, 10 M 수산화나트륨(NaOH) 용액으로 구연산 용액의 pH를 3.5로 조정하고, 증류수로 최종 부피를 10 mL로 맞추었다.
상기 구연산 용액을 건조한 마카전분 10 g에 넣고 16시간 동안 실온에서 교반하였다. 이후 60 °C에서 수분 함량이5-10중량%에 도달할 때까지 3시간 건조하고 분쇄하여 140 °C의 드라이오븐에서 4시간 동안 반응시켰다.
제조된 가교화 전분을 증류수에 현탁하여 3,000 rpm 에서 10분간 원심분리를 하고, 수세를 반복하여 반응하지 않은 구연산을 제거하였다. 수세한 전분은 40 °C의 오븐에서 24시간 건조한 후 분쇄하여 하기와 같이 실시예 1 내지 3을 제조하였다(표 1).
| 구분 | 구연산(g) | 마카전분(g) | 마카전분 대비 구연산 함량 |
| 실시예 1 | 1 | 10 | 10중량% |
| 실시예 2 | 2 | 10 | 20중량% |
| 실시예 3 | 3 | 10 | 30중량% |
제조예 3. 가교화 마카전분을 포함하는 피커링 에멀젼 제조
잔기가 없어서 화학적 반응을 일으키지 않는 중간사슬 트리글리세리드(Medium-chain triglyceride, MCT) 오일을 중심물질로 사용하였으며, 피복물질로는 상기 실시예 1 내지 3의 가교화 마카전분을 이용하였다. 중심물질과 피복물질은 교반기를 이용하여 350 rpm에서 3분가량 교반한 후 2 단계에 걸쳐 균질화되도록 하였다. 1 단계로 초음파처리(ultra-sonication)를 통해 1 시간 동안 혼합하였으며, 2 단계로 균질기(Homogenizer)를 이용하여 18,000 rpm에서 3 분간 균질을 하였다. 상기와 같은 방식으로 실시예 4 내지 6을 제조하였다.
나아가, 중심물질과 피복물질의 교반에 있어 실시예 1 내지 3의 가교화 마카전분을 이용하여 가교화 마카전분이 각각0.25중량%, 0.5중량%, 0.75중량%, 1.0중량%, 1.5중량% 및 2.0중량%의 비율이 되도록 증류수와 혼합하고 30분 동안 교반기에서 분산하였다(실시예 7 내지 실시예 12).
또한, 마카뿌리로부터 분리된 마카전분 대비 30중량%에 해당하는 구연산을 혼합하여 제조된 가교화 마카전분(실시예 3)을 기본으로 하여, 가교화 마카전분이 1.0중량%의 비율이 되도록 증류수와 혼합하여 제조된 실시예 7을 이용하여, 중심물질 : 피복물질 혼합비율(v/v)이 각각2 : 8, 3 : 7 및 4 : 6이 되도록 하는 실시예 13 내지 실시예 15를 제조하였다.
비교예 2 내지 비교예 11은 모두 가교화 마카전분이 아닌 제조예 1에서 분리된 천연 마카전분을 이용하였으며, 대비되는 실시예와 동일한 공정이 적용되도록 하였다.
각 조건에 따른 비교예 및 실시예는 아래 표 2 내지 표 4에 정리된 바와 같다.
| 구분 | 마카전분 대비 구연산 함량 |
| 비교예 2 | - |
| 실시예 4 | 10중량% |
| 실시예 5 | 20중량% |
| 실시예 6 | 30중량% |
| 구분 | 마카전분 대비 구연산 함량 | 증류수 대비 (가교화) 마카전분 함량 |
| 비교예 3 | - | 0.25중량% |
| 비교예 4 | - | 0.5중량% |
| 비교예 5 | - | 0.75중량% |
| 비교예 6 | - | 1.0중량% |
| 비교예 7 | - | 1.5중량% |
| 비교예 8 | - | 2.0중량% |
| 실시예 7 | 30중량% | 0.25중량% |
| 실시예 8 | 30중량% | 0.5중량% |
| 실시예 9 | 30중량% | 0.75중량% |
| 실시예 10 | 30중량% | 1.0중량% |
| 실시예 11 | 30중량% | 1.5중량% |
| 실시예 12 | 30중량% | 2.0중량% |
| 구분 | 마카전분 대비 구연산 함량 | 증류수 대비 (가교화) 마카전분 함량 | 중심물질:피복물질 혼합비율(v/v) |
| 비교예 9 | - | 1.0중량% | 2 : 8 |
| 비교예 10 | - | 1.0중량% | 3 : 7 |
| 비교예 11 | - | 1.0중량% | 4 : 6 |
| 실시예 13 | 30중량% | 1.0중량% | 2 : 8 |
| 실시예 14 | 30중량% | 1.0중량% | 3 : 7 |
| 실시예 15 | 30중량% | 1.0중량% | 4 : 6 |
실험예 1. 가교화 마카전분의 이화학적 분석 및 구조 분석
상기 실시예 1 내지 3의 가교화 마카전분 및 비교예 1의 마카전분에 대하여 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 미세구조를 관찰하였다.
비교예 1의 입자는 둥글고 매끈한 형태를 나타낸 반면, 가교화 마카전분인 실시예 1 내지 3의 경우 표면이 쭈글쭈글해지고, 여러 부분에서 표면이 오목해지는 것을 확인하였다(도 1).
이러한 결과로부터 마카전분 입자가 구연산 처리에 의해 가교화되어 입자 형태 및 표면 구조가 변화되었음을 알 수 있었다.
실험예 2. 마카전분의 주요 작용기 분석
퓨리에변환적외선(FT-IR, Spectrum One System, Perkin-Elemer, USA)을 이용하여 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 마카전분의 주요 작용기를 분석하였다.
3000 내지 3600 cm-1(OH stretching), 2928 cm-1(CH stretching), 1642 cm-1(OH stretching), 1421 cm-1(CH stretching), 1019 cm-1 내지 1158 cm-1(포도당의 pyranose 형태)에서 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 모두 피크를 확인할 수 있었지만, 1736 cm-1에서의 피크는 실시예 1 내지 3에서만 관측되었다(도 2).
1736 cm-1의 에스테르 결합과 관련있는 것이므로, 상기 결과는 마카전분의 OH 그룹이 구연산의 COOH 그룹과 결합하여 마카전분 구조 내에 새로운 에스테르 결합을 형성하였음을 나타내는 것이다.
실험예 3. 가교화 마카전분의 결정성 분석
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 결정성을 X선 회절계(X-ray diffractometer, D8 Advance Bruker, Germany)를 이용하여 회절각도 (2θ) 40∼5°까지 회절 시켜 얻었으며, 회절각도에 따른 피크의 위치와 강도로써 결정성 정도를 비교하였다.
도 3에 나타난 바와 같이, 비교예 1의 피크는 17° 부근에서 피크가 나타나 X-선 회절에 의한 전분의 분류에 따라 전형적인 B형 전분에 속하는 것을 알 수 있었다. 반면, 실시예 1 내지 3의 경우, 첨가된 구연산의 함량이 증가할수록 결정성 피크가 약해짐을 확인하였다.
실험예 4. 가교화 마카전분의 열적 특성 분석
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 열적 특성을 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimeter, DSC; A200, TA Instruments, New castle, DE, USA)를 이용하여 확인하였다.
구체적으로, 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 전분20 mg과 증류수 1 mL를 알루미늄 DSC 팬에 넣고, 즉시 봉한 후 실온에서 1시간 동안 평형상태를 유지시켜주었다. 전처리한 샘플을 30°C에서 130°C까지 10°C/min의 속도로 가열하였으며, 빈 알루미늄 팬을 레퍼런스(reference)로 사용하였다. 제조사에서 제공한 Universal Analysis 소프트웨어를 이용하여 호화시작온도(onset temperature), 호화정점온도(peak temperature), 호화종결온도(final temperature), 호화엔탈피(gelatinization enthalpy)를 구하였다.
하기 표 5에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3은 가교결합에 의한 단단한 구조 때문에 호화되지 않아 열적 특성을 측정되지 않았다. 반면, 비교예 1의 경우, 호화개시온도, 호화정점온도, 호화종료온도, 호화엔탈피는 각각 47.67 °C, 53.25 °C, 60.48 °C, 1.95 J/g를 나타내었다.
| 구분 | 열적 특성 | |||
| 호화개시온도 (°C) | 호화정점온도 (°C) |
호화종료온도 (°C) |
호화엔탈피 (J/g) |
|
| 비교예 1 | 47.67±0.27 | 53.25±0.19 | 60.48±0.90 | 1.95±0.91 |
| 실시예 1 | N.D. | N.D. | N.D. | N.D. |
| 실시예 2 | N.D. | N.D. | N.D. | N.D. |
| 실시예 3 | N.D. | N.D. | N.D. | N.D. |
실험예 5. 가교화 마카전분의 소화흡수율 특성 분석
2mL 마이크로튜브(micro tube)에 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 시료 30mg, 유리비드(glass bead), 소듐아세테이트 버퍼(sodium acetate buffer 0.1 M, pH 5.2, 0.75 mL)를 넣은 뒤 효소혼합액 0.75 mL을 첨가하여 37 ℃ 진탕항온수조(shaking water bath, 240 rpm)에서 반응시켰다. 반응시간 20분과 120분에 각각 반응액을 10분 동안 끓여 효소반응을 중지시킨 후, 원심분리 하여 상등액만 측정에 이용하였다.
상등액의 글루코스 농도는 3,5-dinitrosalicylic acid(DNS)방법으로 측정하였다. 20분 이내 소화되는 전분을 RDS(rapidly digestible starch, 급속히 소화되는 전분), 20분과 120분 사이에 소화되는 전분을 SDS(slowly digestible starch, 천천히 소화되는 전분), 120분 이후에도 소화되지 않는 전분을 RS(resistant starch, 저항 전분)으로 분류하였다.
RDS는 37 ℃의 진탕배양기(shaking incubator)에서 10분이 지난 후 방출된 글루코스(glucose) 양(mg)에 0.9를 곱한 후 시료 전체의 무게로 나누어 주어 계산되었고, SDS는 240분이 지난 후 방출된 글루코스 양(mg)에 똑같이 0.9를 곱하고 시료 전체의 무게로 나누어 주어 계산하였다. RS는 시료 중의 전체 전분의 함량에서 RDS와 SDS 함량의 합을 빼 준 나머지 값으로 정의하였다.
아래 표 6은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1각각에 대한 빨리 소화되는 전분(RDS), 천천히 소화되는 전분(SDS) 및 저항전분(RS) 함량을 나타낸 것이다.
| 구분 | 전분 함량(%) | ||
| RDS | SDS | RS | |
| 비교예 1 | 57.32±0.16a1) | 10.39±0.11a | 32.29±0.09d |
| 실시예 1 | 37.16±0.03b | 6.55±0.03b | 56.29±0.20c |
| 실시예 2 | 24.06±0.21c | 5.45±0.15c | 70.48±0.15b |
| 실시예 3 | 14.94±0.22d | 2.13±0.03d | 82.94±0.12a |
*동일 컬럼 내의 동일 알파벳 문자가 붙은 값은 유의적 차이를 보이지 않음(p<0.05)
상기 표 3에 나타난 바와 같이, SDS 함량은 가교화 처리에 의해 유의적으로 감소하였으나, RS 함량은 유의적으로 증가하였다. 이는 가교화 처리에 의해 생성된 마카 전분 입자간의 에스테르 결합은 α-amylase 등과 같은 전분 가수분해 효소에 의해 분해될 수 없으며, 가교화 결합의 결과로 생성된 입체적 장애로 인해 효소들의 기질 내 반응이 억제된 것에 기인한 것이다.
상기와 같은 결과로부터 마카전분에 가교화 처리를 함으로써 천연 마카전분에 비해 저항전분의 함량이 증가됨을 확인하였는바, 본 발명의 가교화 마카전분은 건강기능성 식품의 소재로 활용될 수 있다.
실험예 6. 피커링 에멀젼의 입자 형태 분석
상기 실시예 4 내지 6 및 비교예 2의 입자의 형태를 광학현미경을 이용하여 관찰하였다.
도 4에 나타난 바와 같이, 가교화 되지 않은 마카전분을 이용하여 제조된 피커링 에멀젼인 비교예 2는 전분입자가 깨져서 에멀젼을 제대로 형성하지 못해 타원형 입자를 형성하였으나, 가교화 마카전분을 이용하여 제조된 피커링 에멀젼인 실시예 4 내지 6의 경우 전체적으로 둥근 모양의 입자를 형성하였다. 즉, 상기와 같은 결과로부터 가교화 마카전분을 이용하였을 때 피커링 에멀젼이 형성이 되는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 7. 피커링 에멀젼의 입자 크기 분석
입자 크기 분석기(particle size analyzer, Mastersizer-2000, Malvern Ins. Ltd., Worcestershire, UK)를 이용하여 형성된 피커링 에멀젼의 입자 크기를 측정하였다.
도 5에 나타난 바와 같이, 비교예 2의 경우 에멀젼이 제대로 형성되지 않고 입자 크기는 11㎛로 나타났으나, 실시예 4 내지 6의 입자 크기는 각각 3.5, 2.5, 2.2㎛로 측정되어 에멀젼으로서 적절한 입자 크기를 나타냄을 확인하였다. 또한, 가교도 높은 전분을 사용할수록 입자의 크기가 작은 에멀젼이 형성되는 것을 확인하였으며, 에멀젼 입자의 크기가 작아질수록 식품 등에서의 유화제, 화장품 등에서의 계면활성제 등으로의 적용 가능성이 높아지는 바, 본 발명의 가교화 마카전분을 이용한 피커링 에멀젼은 다양한 소재로 적용될 수 있다.
실험예 8. 피커링 에멀젼의 제타전위 분석
피커링 에멀젼의 제타전위측정은 ELSZ-1000 type zeta-potential & particle size analyzer (Phota Otsuka Electronics, Osaka, Japan)로 측정하였다. 전기장에서 이동하는 입자들의 속도는 입자에 의해 이동된 전자기파(microwave radiation)의 도플러 편이(Doppler shift)를 측정하고, 전기영동이동도(electrophoretic mobility)를 측정하여 제타 포텐셜을 나타내었다.
에멀젼의 안정함을 예측하는데 제타 포텐셜이 이용되는데 에멀젼 입자의 표면은 수중의 이온이 콜로이드 입자의 표면에 대하여 흡착되는 경우와 콜로이드 입자를 구성하는 물질이 이온화 될 수 있는 기를 가진 경우 등에 의해 주위에 전하가 생기게 되고 분자 간에는 일상 반데르발스(van der Waals) 인력이 작용하게 됨으로 음이온 값의 크기에 따라 안정함을 알 수 있는 방법이다.
도 6에 나타난 바와 같이, 비교예 2의 제타전위는 -15 mV임에 반해, 실시예 4 내지 6은 각각 -44 mV, -38 mV, -35 mV로 나타나, 가교도가 높은 전분을 사용할수록 제타 안정성이 높은 것을 확인하였다. 상기와 같은 결과는 가교화 마카전분을 이용하여 피커링 에멀젼을 제조하였을 때, 피커링 에멀젼의 안정성이 현저히 향상됨을 나타내는 것이다.
실험예 9. 피커링 에멀젼의 유화안정성 평가
상기 실시예 4 내지 6 및 비교예 2의 피커링 에멀젼을 실온에서 저장하면서 유화안정성을 평가하였다.
유화안정성은 유화안정지수(emulsion stability index, ESI) 산출법인 Volumetric method를 사용하였으며, 유화액을 형성시킨 후 실온에서 24 시간이 경과되었을 때 분리된 층과 총 유화액 층의 부피를 측정하고 그 측정값을 하기 식에 대입하여 ESI(%)를 산출하였다.
[식 1]
도 7 및 도 8에 나타난 바와 같이, 비교예 2는 3시간 이후 유화안정지수가 감소하고, 에멀젼의 크기가 증가하였으나, 실시예 4 내지 6은 12시간 경과 후에야 유화안정지수가 감소하고, 에멀젼의 크기가 증가하였다.
상기 결과로부터 가교화 마카전분으로 피커링 에멀젼을 제조하였을 때, 저장안정성이 현저히 증가함을 확인할 수 있었다. 이는 저장안정성이 중요한 식품 소재에 있어 가교화 마카전분 및 이를 이용한 피커링 에멀젼이 새로운 소재로서 적용될 수 있음을 나타내는 것이다.
실험예 10. 최적의 피커링 에멀젼 성분비 확인
마카전분의 농도를 조절함으로써 저장안정성이 현저하게 증가된 피커링 에멀젼을 제조하기 위해 증류수 대비 가교화 마카전분의 함량을 0.25, 0.5, 0.75, 1, 1.25, 1.5 및 2중량%로 변경하면서 유화안정지수를 측정하였다(상기 표 3 참조).
도 9에 나타난 바와 같이, 천연 마카전분을 이용하여 제조한 피커링 에멀젼인 비교예 3내지 8은 증류수 대비 혼합되는 마카전분의 함량이 증가하더라도 유화안정지수가 50% 정도로 불안정함을 나타내었다. 반면, 가교화 마카전분을 이용하여 제조한 피커링 에멀젼인 실시예 7 내지 12는 증류수 대비 혼합되는 가교화 마카전분의 함량이 증가할수록 유화안정지수도 함께 증가하는 경향을 나타내었으며, 모든 수치범위에서 가교화 마카전분을 이용한 피커링 에멀젼의 유화안정지수가 천연 마카전분을 이용한 피커링 에멀젼에 비해 현저히 높게 나타남을 확인하였다.
특히 증류수 대비 가교화 마카전분이 1.0중량% 포함된 실시예 10의 경우, 86%의 높은 유화안정지수를 나타내었으며, 이러한 높은 유화안정지수는 증류수 대비 가교화 마카전분의 함량이 1.0중량% 이상 범위에서 더욱 우수하게 나타냄을 알 수 있었다.
또한, 중심물질과 피복물질의 비율을 2 : 8, 3 : 7 및 4 : 6의 부피비로 변경하면서 유화안정지수를 측정하였다(상기 표 4 참조).
도 10에 나타난 바와 같이, 천연 마카전분을 이용하여 제조한 피커링 에멀젼인 비교예 9내지 11은 중심물질과 피복물질의 비율을 변경하더라도 유화안정지수가 50% 정도로 불안정함을 나타내었다. 반면, 가교화 마카전분을 이용하여 제조한 피커링 에멀젼인 실시예 13 내지 15는 중심물질 및 피복물질의 비율에 관계없이 모두 비교예 9내지 11에 비해 현저히 높은 유화안정지수를 나타내었다. 특히 중심물질과 피복물질의 비율이 2 : 8(v/v) 내지 3 : 7(v/v)인 경우 약 80% 이상의 유화안정지수를 나타내어 천연 마카전분을 이용한 피커링 에멀젼에 비해 매우 우수한 안정도를 나타내는 것을 확인하였다.
상기와 같은 결과들을 통하여 마카전분에 가교화 처리를 함으로써 천연 마카전분에 비해 열적특성 및 저항전분의 함량이 증가하고, 나아가 가교화 마카전분을 이용하여 제조한 피커링 에멀젼의 안정성이 매우 우수함을 확인하였는 바, 이는 본 발명의 가교화 마카전분 및 이를 이용한 피커링 에멀젼이 점증제, 안정제 등의 식품 첨가물 및 새로운 기능성 식품 소재로서 활용될 수 있음을 시사하는 것이다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (13)
- 마카전분을 구연산과 혼합하여 가교 결합 반응시키는 단계를 포함하는 가교화 마카전분의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 구연산은 마카전분 총량 대비 10 내지 30 중량%인 가교화 마카전분의 제조방법. - 제1항에 또는 제2항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 가교화 마카전분.
- 제3항에 있어서,
상기 가교화 마카전분은 총 저항전분 함량이 50 내지 90 %인 것인, 가교화 마카전분. - 제3항의 가교화 마카전분을 포함하는, 피커링 에멀젼 조성물.
- 제5항에 있어서,
상기 가교화 마카전분은 피커링 에멀젼에 포함된 증류수 대비 0.25 내지 2.0 중량%로 포함된 것인 피커링 에멀젼 조성물. - 제5항에 있어서,
상기 피커링 에멀젼은 중심물질과 피복물질로 구성되며,
상기 중심물질은 중간사슬 트리글리세리드(Medium-chain triglyceride, MCT)이고,
상기 피복물질은 가교화 마카전분인 것인, 피커링 에멀젼 조성물. - 제7항에 있어서,
상기 중심물질 및 피복물질은 2 : 8 내지 4 : 6의 부피비로 포함되는 것인, 피커링 에멀젼 조성물. - a) 마카전분을 구연산과 혼합하여 가교 결합 반응시켜 가교화 마카전분을 제조하는 단계; 및
b) 상기 a) 단계에서 제조된 가교화 마카전분를 피복물질로 하고, 중심물질과 혼합하여 균질화하는 단계를 포함하는, 피커링 에멀젼 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 중심물질은 중간사슬 트리글리세리드인 것인, 피커링 에멀젼 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 b) 단계 이전에 a) 단계에서 제조된 가교화 마카전분을 증류수와 혼합하여 분산하는 단계를 추가로 포함하는, 피커링 에멀젼 제조방법. - 제11항에 있어서, 상기 가교화 마카전분은 혼합되는 증류수 대비 0.25 내지 2.0 중량% 포함되는 것인, 피커링 에멀젼 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 중심물질 및 피복물질은 2 : 8 내지 4 : 6의 부피비로 혼합되는 것인, 피커링 에멀젼 제조방법.
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| KR20040065072A (ko) * | 2003-01-15 | 2004-07-21 | 동아제분 주식회사 | 산처리 과정에 의한 가교결합전분의 ｒｓ 함량 증가방법 |
| KR20120119464A (ko) * | 2011-04-21 | 2012-10-31 | 강용수 | 마카를 포함하는 정제의 제조방법 |
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| Starch particles for food based Pickering emulsions . Procedia Food Science. 2011. Vol. 1. 95-103* * |
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