사랑과 열정으로 더불어 함께 하는 세상 만들기 - 율촌재단(栗村財團)

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(1)나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환 단국대학교 식품공학과. 1. 서 론 전분은 식물체의 주요한 저장 탄수화물이자 인간의 음식물의 주된 탄수화물 공급원으로 식 물체의 세포내 색소체에 의하여 광합성 작용으로 합성되는 고분자 화합물1)이며 생물자원으로 서 풍부함과 다양한 용도 특성 측면에서 매우 중요한 산업적 생물고분자(industrial bio-polymer) 이다.2) 전분의 사용분야는 식품뿐만 아니라 건축, 제지, 섬유, 의약품, 화학물질의 전구체 등으 로 다양하며 석유 에너지의 대체 가능성이 가장 큰 소재로서 태양에너지, 원자력 에너지와 함께 3대 에너지원으로 중요시되고 있다.3) 전분은 천연고분자 중 유일하게 입자형태를 가지고 있으 며, 전분의 생합성은 식물체 내의 기본 구성단위인 색소체(plastid) 중의 하나인 아밀로플라스트 (amyloplast) 내에서 일어나는데 다양한 효소들에 의하여 포도당이 중합되어 사슬 및 가지를 형성 하며 또한 최종적인 구조가 결정된다. 전분 입자의 형태와 크기는 식물의 종류, 온도 및 기후 등 생합성 환경에 따라 달라진다. 식물 의 잎 속에 있는 엽록소(chlorophyll)에 의해 이산화탄소와 물을 원료로 하여 광합성된 전분은 식 물체 내에서 즉시 이용되나, 그 식물의 성숙기에는 저장소에 대량으로 저장된다. 생산된 전분은 hilum을 중심으로 성장한다. 크기에 있어서 옥수수나 소맥 등의 곡류의 종자에서 합성되는 전 분은 대체로 작은 반면 감자, 고구마 등의 뿌리에서 얻어지는 전분은 둥글고 크다.4) 두류 식물 도 전분을 많이 생산하는데 두류 전분입자는 타원형(ovary), 콩팥형(lenticular) 등 다양한 형태 를 가지고 있다. 전분의 입자 크기는 직경이 약 1~150micron 직경으로 그 범위가 넓으며 형태 및 크기의 분포가 쌀(2~10micron), 옥수수 전분(3~26micron) 등과 같이 비교적 균일한 경우와 소맥 (1~40micron), 감자 전분(5~100micron) 등과 같이 두세 가지의 서로 다른 크기의 전분입자가 혼합 되어 bimodal 형태의 분포도를 나타내기도 한다.5) 6) 7) 근래의 여러 연구에서 전분의 입자 크기에 따른 기능적, 이화학적 특성에 관한 조사가 활발히 이루어지고 있다.8) 9) 전분입자의 크기는 전분. 47. 김명환.indd 47. 2010-04-16 오후 5:13:56.

(2) 을 식품과 기타 산업용으로 이용할 때 매우 중요한 영향을 미치며 예로서, 특히 입자크기가 작은 쌀 전분의 경우 분말상으로 유아용 기저귀 발진 방지제 또는 수술용 장갑 안에 발라져(dusting powder) 피부와 달라붙는 현상을 줄이는 목적으로 이용되며 페이스트 상태에서는 작은 입자가 부드러운 조직감을 부여할 수 있어 냉동 디저트, 쿠키, 치즈 케이크, 저지방 또는 무지방 식품의 지방 대체재(fat replacer)로서 사용되며 다른 전분에 비하여 우수하다고 알려져 있다. 또한 전분은 제지공업에서 생분해성 플라스틱의 소재로도 각광받고 있다. 미분말(fine powder)의 제조방법을 크게 나누면 커다란 덩어리를 분할하는 방법(break-down process)과 작은 입자를 크게 하는 방법(build-up process)이 있으며 용매의 사용 유무에 따라 건식 (dry milling)과 습식(wet milling)의 방법으로 구분한다.10) 일반적으로 습식방법에 의한 분쇄가 건 식분쇄 방법보다 입자의 미립화 시간이 짧고 분쇄의 입자형상을 조절하는 데 용이하다고 하나 습식분쇄는 사용된 용매의 탈수, 여과 및 건조의 공정을 수반하여 동력비 상승, 경제성 문제 및 환경오염 문제를 수반하는 단점을 지니고 있다.10) Break-down process는 기계적 분쇄를 이용하는 방법으로 주로 식품 등의 소재를 대상으로 큰 입자를 작게 하는 가공공정에서 이용되며, buildup process는 고체의 열분해, 고상반응 등을 이용한 물질의 합성방법으로 주로 유기합성에 널리 이용되고 있다. 기계적 분쇄는 볼밀 분쇄로서 원료의 응집입자 분쇄가 가장 대표적이며 분쇄의 과정에서 얻은 미립화된 입자를 분체(pulverulent body)라고 하며 분체는 작은 크기의 고체 입자 가 모여 새로운 상을 형성한 것으로서 분쇄 전 상태와는 전혀 다른 고유한 성질을 가지며 최근 에는 산업의 발달에 따라 요구되고 있는 분체의 입도가 나노급으로 매우 미세해지고 있다.11) 분 체는 입자의 크기에 따라 0.1㎛ 이하를 콜로이드, 0.1~1㎛를 미분, 1~100㎛를 보통 분체, 0.1~1mm를 조분, 1mm 이상을 입체로 구분한다. 분체의 제조기술로 가장 널리 사용되고 있는 것은 볼밀을 이용한 분체의 제조기술로서 볼밀은 1928년 미국의 Union Process사의 Dr. Szegvari에 의하여 연구 개발되었으며, 1948년“Attritor”라는 명칭으로 처음 상품화되었다.12) 70여 년의 역사를 지닌 교반 볼밀에 관련된 연구로서 분쇄에 의하여 미립자화된 분체를 이용하여 신물질의 개발을 꾀하는 시 도는 여러 가지 산업분야에서 중요한 위치를 차지하고 있으며 점차적으로 요구되는 분체의 크기 가 1㎛ 이하의 크기인 나노 영역으로의 산업적 요구가 증대되고 있는 실정이다. 원료 물질의 분쇄 정도를 나타내는 입자의 사이즈, 분쇄시간, 볼의 크기 등을 대상으로 파쇄되어지는 입자의 비율 로서 분쇄 속도를 결정하려는 연구가 활발히 진행되고 있지만 파쇄에 의하여 생성된 입자는 서로 응집하려는 현상이 일어나 분체입자의 크기가 오히려 증가되는 문제점을 안고 있다. 미립자화 된 분체가 가지는 응집성의 문제는 식품원료의 수분함유 특성으로 인하여 다른 산업의 소재에 비 하여 응집성이 보다 증가하는 결과를 수반하여 식품산업에서 분체의 분급에 가장 큰 어려움을 야기하는 원인이 되고 있다. 본 연구에서 사용한 분쇄 방법 중 그림 1은 nano-scale pulverizer의 구성도를 간단히 나타낸 것. 48. 김명환.indd 48. 2010-04-16 오후 5:13:56.

(3) Material input Turn table Round steel bar. Upper Table. Vibration Vibration. Bottom Table. Material output. Material output. Rotation Upper and bottom table : separation possible, regulating RPM Round steel bar : regulation RPM, vertical vibration, gas spring system. 그림1 Schematic diagram of nano-scale pulverizer.. 이다. Nano-scale pulverizer는 서로 반대 방향으로 회전하는 2개의 테이블과 상단 테이블에 회전하 면서 진동하는 원형의 steel bar가 장착되어 있다. 시료의 공급은 상단 테이블을 통해 이루어지며 시료의 분쇄는 서로 반대 방향으로 회전하는 테이블 사이에서 작용하는 기계적인 에너지와 테이 블 사이를 회전하면서 진동하는 steel bar의 충격력 및 압착력이 작용하여 입자의 분쇄효율을 높 이는 원리로 구성되어 있다. 이렇게 회전하는 테이블 사이에서 분쇄된 입자는 자연적으로 회전 테 이블 밖으로 빠져나오게 된다. 최근 볼밀과 관련한 기술은 매우 급속도로 발달하였고 그에 따른 개량분쇄기의 개발이 이미 이루어져 있다. 분쇄조작은 압축, 전단, 마찰, 충격 등의 기계적인 힘을 이용하여 고체의 미립자를 제조하는 수단으로 종래의 볼밀은 용기 내의 볼의 회전력을 분쇄에 이용하였으나 최근에 개발된 변형된 볼밀인 ultra-fine pulverizer는 중심에 회전하는 축이 있고 그 축 위를 같이 회전하는 bowl 로 구성된 장치로 분쇄시 압축, 전단, 마찰, 충격력을 극대화하여 분쇄의 효율을 높일 수 있다. 볼 밀과 ultra-fine pulverizer 장치의 분쇄 원리는 그림 2~3과 같다. 과거의 분쇄 조작은 분쇄시 에너지 의 증가에 따른 입자 크기의 감소와 그에 따른 입자의 비표면적 증가의 측면에서만 주된 평가가 이루어졌으나 최근에는 입자 내부에서 발생하는 메카노케미칼(mechano-chemical) 현상에도 초점 이 맞춰지고 있다.13) 본 연구는 상업적으로 가장 많이 이용되고 있는 옥수수 전분을 대상으로 nano-scale pulverizer(NSP) 처리와 ultra-fine pulverizer(UFP) 처리한 옥수수 변성전분의 이화학적, 물성적 특성 및 효소적 민감성 등을 비교·분석하여 제시하였다. 또한 물리적인 방법으로 변성이 유도된 옥수 수 전분에 대한 저장·안정성에 대한 결과도 함께 나타내었다.. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환.indd 49. 49. 2010-04-16 오후 5:13:56.

(4) Rotation Bowl Milling Ball. Milling materials. Roller. f the support ing ent o dis vem o c M. 그림 2 Schematic diagram of ball mill.. Rotation of the grinding bowl. 그림 3 Schematic diagram of ultra-fine pulverizer.. 2. 연구방법 2.1 재료 옥수수전분은 시판제품을 사용한다.. 2.2 호화전분 제조 Tsuge 등의 방법을 수정하여 호화전분을 제조한 다음 동결건조시켜 호화전분 시료로 사용한다.. 50. 김명환.indd 50. 2010-04-16 오후 5:13:57.

(5) 2.3 건조 시료를 동결건조법에 의하여 수분함량 6%(wet basis)까지 동결건조시킨다.. 2.4 분쇄 습식분쇄방법으로 ultra-fine pulverizer(UFP)를 이용하여 옥수수전분의 농도(w/v), 매개체의 종류 와 크기, 회전속도(rpm)과 분쇄시간을 조절하여 옥수수변성전분을 제조한다. 건식분쇄방법으로 는 무진동 동력전달시스템, 순차 가동형 집진시스템, 베어링 적정온도 유지시스템, 저온 운전 가 동시스템 등이 갖추어진 nano-scale pulverizer(NSP)를 이용하여 옥수수변성전분을 제조한다.. 2.5 전분겔 제조 전분을 밀봉이 되고 가압살균이 가능한 병에 넣고 수분함량을 조절한 다음 끓는 항온수조에서 흔들면서 30분 이상 방치하여 완전히 호화시켜 제조한다.. 2.6 전분겔 분말 제조 각 온도에서 저장한 전분겔을 즉시 무수 에탄올을 80% 알코올 농도가 되게 넣고 호화 전분제조 와 같은 방법으로 전분겔 분말시료를 제조한다.. 2.7 저장 다양한 수분함량의 겔 시료(고수분 시료)를 멸균된 200ml screw cap 병에 담은 다음 4℃와 25℃에 서 일정기간 저장한다. 온도변화는 최대빙결점생성대의 온도조건에서 동결 및 해동 속도를 조절 하여 안정성실험을 한다. 저수분의 분말형태의 시료는 다양한 상대습도와 온도에서 안정성분석 을 한다.. 2.8 주요 분석 등온흡습곡선 시료의 각기 다른 수분함량에 대하여 hygrometer를 사용하여 4℃ 와 25℃에서 각각 측정한다.. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환.indd 51. 51. 2010-04-16 오후 5:13:57.

(6) 입도 분포 Particle size analyzer를 이용하여 시료의 평균입자 크기, 입자 분포, 비표면적 등을 측정한다.. 입자의 성상 및 caking 현상 시료를 곧바로 동결건조시킨 후 주사전자현미경(SEM) 또는 scanning transmission electron microscope(STEM)을 이용하여 미세구조 및 caking정도를 관찰한다.. 물리적 성질 시료의 물 결합 능력은 Medcalf와 Gilles의 방법에 따라 측정하고 팽윤력과 용해도는 Schoch의 방 법을 보완하여 구한다. 당 투과도는 Wilson 등의 방법에 따라 측정한다.. 아밀로오스 및 아밀로펙틴의 분리 Mongomery와 Senti의 방법에 따라서 아밀로오스 및 아밀로펙틴을 정제한다.. 아밀로오스 함량 아밀로오스 함량의 표준곡선을 이용하여 Juliano의 방법에 의하여 측정한다.. 아밀로오스 및 아밀로펙틴의 사슬길이 측정 아밀로오스 사슬길이는 HPLC chromatogram 상의 변곡점을 기준으로 이용하며 아밀로펙틴의 평균사슬길이(CL)는 과요오드산 산화법과 HPAEC-PAD방법으로 측정한다. 아밀로펙틴의 바깥 사슬길이 (OCL)와 안쪽사슬길이(ICL)는 Lee 등의 방법에 따라 계산한다.. 분자량 분포 Gel permeation chromatography(GPC)를 사용하여 Robin 등의 방법에 따라 측정한다.. 호화특성 1) 신속점도계에 의한 측정 신속점도계(RVA)의 특성치는 최고의 점도(P), 95℃에서 2.5분 유지한 후의 점도(H), 50℃에서의 냉 각점도(C)와 이로부터 consistency(C-H), set back(C-P), breakdown(P-H)을 계산한다. 2) 시차주사열량기에 의한 측정 시료와 물을 적당 비율 혼합 후 시차주사열량기(DSC)를 이용하여 초기 호화개시온도, 호화정점 온도, 호화종료온도 및 호화엔탈피 등의 호화특성을 구한다.. 52. 김명환.indd 52. 2010-04-16 오후 5:13:57.

(7) 노화특성 X-선 회절기(X-ray diffractometer)를 사용하여 회절각도를 회절시켜 분석한다.. 색도 측정 시료의 색도는 색차계를 이용하여 L, a, b 등으로 나타낸다.. 물성 측정 Brookfield visocometer로 시료에 따른 점도의 특성을 분석하며, 점도 특성변화로는 점조성지수, 유동지수 및 항복응력 등을 구한다.. 3. 결과 및 고찰 3.1 Nano-scale pulverizer(NSP)와 ultra-fine pulverizer(UFP)를 이용한 물리적 옥수수 변성전분의 이화학적 특성 비교 미세구조 NSP 처리와 UFP의 처리시간에 따른 옥수수 전분의 미세구조를 SEM을 이용하여 3,000배의 배율 로 입자표면을 관찰한 결과는 그림 4에 나타내었다. 분쇄 전 옥수수 전분은 원형 또는 다각형의 입자 형태가 불규칙적으로 섞여 있었다. NSP 및 USP 처리 후 옥수수 전분의 미세구조에서는 분 쇄 전 옥수수 전분과는 전혀 다르게 입자 표면이 눌려지거나 입자 표면에서 균열이 많이 관찰되 었으며, 상대적으로 큰 입자 주변에 분쇄에 의하여 형성된 작은 입자들이 달라붙어 있는 형태의 미세구조를 나타내었다. UFP 처리 시간에 따른 옥수수 전분의 입자형태에서 큰 입자 주변에 붙어 있는 작은 입자의 수가 분쇄시간이 증가함에 따라 점차적으로 증가하였다. NSP 또는 UFP를 이 용하여 처리한 옥수수 변성전분 입자는 분쇄과정에서 마찰력, 전단력 등의 물리적인 힘이 작용하 여 입자표면에 정전기가 발생하였으며, 입자 사이의 정전기적 성질로 인하여 입자가 서로 엉겨붙 는 것으로 판단되며 이와 같은 결과는 본 연구와 비슷한 연구에서도 이미 제시된 바 있다.14) 15) 16) 이러한 입자의 뭉침현상은 break-down 방식으로 제조한 미세분말의 식품을 크기별로 분획하 는 분급과정에서 문제점을 일으키는 큰 요소로 작용하고 있다. 현재까지 식품소재를 대상으로 하는 분급기술은 공기분급17)을 이용한 방법이 주로 이용되고 있지만 식품소재가 갖는 수분함유 성, 점성 및 탄성 등으로 인하여 크기에 따른 입자의 분급이 잘 이루어지지 못하고 있고 현재까지 의 식품 소재에 대한 분급은 평균입자 직경이 30㎛ 정도로 그 한계를 나타내고 있다. 이 때문에 최. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환.indd 53. 53. 2010-04-16 오후 5:13:57.

(8) A. SE 24-Jan-08. B. SE 24-Jan-08. WD17.6mm 15.okv x3.ok 10um. WD16.8mm 13.okv x3.ok 10um. C. SE 24-Jan-08. WD16.7mm 13.okv x3.ok 10um. D. SE 24-Jan-08. WD16.7mm 13.okv x3.ok 10um. E. SE 24-Jan-08. WD16.8mm 13.okv x3.ok 10um. F. SE 24-Jan-08. WD16.8mm 13.okv x3.ok 10um. G. SE 24-Jan-08. WD18.0mm 15.okv x3.ok 10um. 그림 4 Scanning electron microscope(×3,000) of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nanoscale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min). A: CS, B: UCS30, C: UCS60, D: UCS90, E: UCS120, F: UCS360, G: NCS.. 근의 분급기술은 에보나이트 봉을 사용하여 입자의 정전기적인 특성을 이용한 분급으로의 전환 도 모색 중에 있다.. 입도분석 NSP 처리와 각 시간대별로 UFP 처리하여 제조한 옥수수 변성전분의 입도분포, 평균입자직경 및 비표면적은 그림 5와 표 1에 나타내었다. 분쇄 전 옥수수 전분은 10㎛를 중심으로 특징적인 입도 분포 양상을 나타내었고 14.27㎛의 평균입자 크기의 입자 크기를 나타내었다. UFP 처리 후의 옥 수수 변성전분에서는 10㎛ 이하의 작은 입자크기에서 작은 언덕을 형성하거나 입자분포가 약간 broad한 형태를 나타내었다. UFP 처리시간에 따른 옥수수 변성전분의 10%의 상대분포 비율에 서의 입자크기 결과는 전반적인 입자의 크기가 분쇄 시간의 증가함에 따라 점차적으로 감소하. 54. 김명환.indd 54. 2010-04-16 오후 5:13:58.

(9) 는 경향을 나타내어 분쇄 시간의 증가와 입자크기의 감소가 연관성을 지니는 것으로 보인다. 그 러나, 50%와 90%의 상대분포에서의 평균입자크기는 오히려 분쇄 전 옥수수 전분에 비하여 오히 려 증가하는 양상을 나타내었다. NSP 처리 옥수수 변성전분은 평균입자직경이 7.19㎛로 UFP를 이용하여 처리한 옥수수 전분보다 현저히 낮았으며 이같이 작은 입자직경은 10%, 50% 및 90% 의 상태분포에서도 같은 양상을 나타내었다. 입자의 비표면적 또한 2.386m2/g으로 UFP 처리 옥 수수 변성전분의 0.405~0.441m2/g이나 분쇄 전 옥수수 전분 0.421m2/g에 비하여 현저히 높은 값을 보였다. 이상의 입도분포나 상대분포별 입자크기 분석결과, NSP 처리한 옥수수 전분입자의 평균 직경은 분쇄 전에 비하여 약 50%의 직경감소율을 나타내었으나 UFP 처리에 의해서는 입자의 평 균직경 감소현상이 관찰되지 않았다. 그러나 옥수수 전분의 미세구조를 분석한 결과에서는 크. Particle Size Distribution. 18 16 14 12 10 8 6 4 2 00.01. Volume (%). B. 12 10 8 6 4 2. 0. 1. 10 Particle Size (µm). 100. 0 0.01. 1000 3000. Particle Size Distribution. 18 16 14 12 10 8 6 4 2 00.01. C. 0. 1. 10 Particle Size (µm). 100. 1000 3000. Particle Size Distribution. 14. D. 12 10 8 6 4 2. 0. 1. 10 Particle Size (µm). 100. 0 0.01. 1000 3000. Particle Size Distribution. 16. E Volume (%). 14. Volume (%). Particle Size Distribution. 14. A. Volume (%). Volume (%). Volume (%). 기가 상대적으로 감소하였음을 확인할 수 있었다. 이것은 NSP나 UFP를 이용한 분쇄 과정에서. 12 10 8 6 4 2 0 0.01. 0. 1. 10 Particle Size (µm). 100. 1000 3000. 0. 1. 0. 1. Particle Size Distribution. Volume (%). 12. 10 Particle Size (µm). 100. 1000 3000. F. 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0.01. 10. 100. 1000 3000. G. Particle Size Distribution. 10 8 6 4 2 0 0.01. 0. 1. 10 Particle Size (µm). 100. 1000 3000. in volume / undersize. Q3 (Cumulative values) %. G. 0.04. 0.1. 1.0. 10.0 x (Diameter) (µm). 100.0. 500.0. 김명환.indd 55. 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0.01 18 16 14. Particle Size Distribution. 0. 1. 10 Particle Size (µm). Particle Size Distribution. 100. 1000 0 3000. Particle Size Distribution. 14. A. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구 B. 12. Volume (%). Volume (%). 그림 5 Particle size distributions of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min). A: CS, B: UCS30, C: UCS60, D: UCS90, E: UCS120, F: UCS360, G: NCS.. 0. C. 55. 10 8 6 4 2 0 0.01 14 12 10. 0.1. 1. 10 Particle Size (µm). Particle Size Distribution. 100. 1000 3000. D. 2010-04-16 오후 5:13:58.

(10) 표 1 Mean particle size and specific surface area of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min) Mean diameter. Mean diameter. Mean diameter. Mean diameter. Specific surface. at 10%(㎛). at 50%(㎛). at 90%(㎛). (㎛). area (m2/g). 9.713±0.10. 15.176±0.24. 23.307±0.89. 14.266±0.12. 0.421±0.00. UCS 30. 9.453±0.00. 15.150±0.02. 23.860±0.06. 14.151±0.01. 0.424±0.00. UCS60. 9.525±0.00. 16.146±0.02. 26.532±0.06. 14.803±0.01. 0.405±0.00. UCS90. 9.173±0.14. 17.335±0.10. 29.888±0.04. 14.211±0.11. 0.423±0.00. UCS120. 9.002±0.29. 17.679±0.36. 30.798±0.60. 14.262±0.53. 0.421±0.02. UCS360. 7.526±0.16. 17.385±0.25. 32.935±0.33. 13.614±0.22. 0.441±0.01. NCSd. 1.19±0.19. 5.58±0.28. 15.57±0.45. 7.19±0.11. 2.386±0.02. Sample CSa b. c. a. corn starch. ultra-fine pulverized corn starch. c milling time(min). d nano-scale pulverized corn starch. b. 발생한 전분입자 간의 회합이 입도분석 결과에 영향을 미친 것으로 판단되며 이에 대한 극복 방 안의 모색이 break-down 방식의 물리적 변성전분의 연구에서 매우 중요할 것으로 판단된다.. 물결합능력 NSP와 UFP를 이용한 분쇄 전후 옥수수 변성전분의 물결합능력 결과는 그림 6과 같다. 전분의 물결합능력은 전분의 입자 크기, 결정 구조 등과 관련이 있는 성질로 비결정성 영역에서의 수분 흡수와 분자내부의 치밀도가 관여하며 비결정성부분의 비율이 증가할수록, 내부치밀도가 낮을 수록 증가하는 성질이다. NSP와 UFP 처리 옥수수 전분들에 대한 물결합능력 결과에서 가장 높 은 값의 물결합능력을 나타낸 전분은 NSP 처리 옥수수 변성전분으로 346.86%의 물결합능력을 나타내었고 그 값은 분쇄 전 41.33%에 비하여 약 8.4배 상승하였다. UFP 처리 옥수수 변성전분 의 경우는 분쇄 시간이 증가함에 따라 지속적으로 물결합능력이 상승하는 것으로 나타났으며 UFP 처리시간이 360분인 옥수수 변성전분은 분쇄 전에 비하여 약 7.8배의 물결합능력 증가를 보 여 NSP 처리 옥수수 변성전분과 비슷한 수준에서 물결합능력이 상승하였다. UFP 처리 옥수수 변성전분의 경우 이와 같은 물결합능력의 증가는 분쇄시간이 60분까지는 가파른 상승을 보이 다 60분 이후에는 물결합능력의 증가 양상이 다소 둔화되는 경향을 나타내었다. 이와 같은 물결 합능력의 상승은 전분입자의 결정성 영역의 비율에 따라 변화되는 것으로, 분쇄시간이 증가함에 따라서 그 결정성 영역의 면적 값이 점차적으로 작아지는 X-ray pattern 결과(그림 13)가 이를 입증 하고 있다. 이와 같은 결과로 미뤄볼 때 물리적으로 변성이 유도된 전분의 물결합능력의 상승은. 56. 김명환.indd 56. 2010-04-16 오후 5:13:58.

(11) 350. Water holding capacity. 300 250 200 150 100 50 0 CS. UCS30. UCS60. UCS90. UCS120 UCS360. NCS. 그림 6 Water holding capacity of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min).. 옥수수 전분의 결정구조가 완전히 사라지는 시점까지 이뤄진다 하겠다. 전분의 물결합능력은 전 분입자의 수분에 대한 수화능력을 나타내는 것으로 전분입자의 효소반응을 포함한 여러 가지 화학반응과도 밀접한 관련을 갖는 성질로 NSP 또는 UFP 처리한 옥수수 전분이 갖는 물결합 능 력의 증가는 결과적으로 차후 옥수수 전분의 물성 변화 및 이화학적 성질 변화의 주요한 원인으 로 작용하였다 판단된다.. 팽윤력과 용해도 40~90℃의 온도구간에서 옥수수 변성전분에 대한 팽윤력과 용해도의 결과는 그림 7 및 8에 나타 내었다. 옥수수 전분의 호화온도 이전 구간인 70℃ 이하의 온도에서의 옥수수 전분의 팽윤력에 서는 분쇄 전 옥수수 전분의 경우 평행한 형태의 팽윤력을 보인 반면 NSP 처리 옥수수 변성전분 과 UFP 처리 옥수수 변성전분의 경우는 호화온도 이전 구간에서도 가열온도가 증가함에 따라 서 지속적인 팽윤력의 증가를 보였다. 이는 물리적으로 손상을 입은 옥수수 변성전분 입자가 가 열온도가 증가함에 따라 보다 많은 양의 물분자를 흡수한다는 것을 의미하며, NSP 또는 UFP 처리를 통하여 물리적으로 손상을 입은 전분입자의 팽윤이 천연전분보다 쉽게 이루어진다는 것 을 의미한다. 호화온도 이전 구간에서의 UFP 처리 옥수수 변성전분의 경우 UFP 처리 시간이 증 가함에 따라 그 값이 유의적으로 증가하는 양상을 나타내다가 70℃의 가열온도 이후의 구간에 서는 분쇄 전 옥수수 전분과의 차이가 줄어드는 결과를 보였다. 90℃의 가열온도에서의 팽윤력 은 UFP를 이용하여 360분 처리한 옥수수 전분과 NSP 처리한 옥수수 변성전분의 경우 분쇄 전. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환.indd 57. 57. 2010-04-16 오후 5:13:59.

(12) 옥수수 전분에 비하여 낮은 팽윤력을 나타내었는데 이는 NSP 또는 UFP 처리에 의하여 손상을 받은 전분입자 상호간의 결합이 강하게 작용하여 수분흡수가 이루어지지 못하여 팽윤되지 않은 채로 남아있던 전분이 영향을 미쳐 팽윤력이 낮게 나타난 것으로 보인다. 20. Swelling power. 16. 12. 8. 4. 0 40. 50. 60. 70. 80. 90. Heating Temp.(°C). 그림 7 Swelling power of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min). CS: -■-, UCS30: -◆-, UCS60: -▲-, UCS90: -●-, UCS120: -□-, UCS360: -◇-, NCS: -△-. 60 50. Solubility(%). 40 30 20 10 0 40. 50. 60. 70. 80. 90. Heating Temp.(°C). 그림 8 Solubility of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min). CS: -■-, UCS30: -◆-, UCS60: -▲-, UCS90: -●-, UCS120: -□-, UCS360: -◇-, NCS: -△-.. 58. 김명환.indd 58. 2010-04-16 오후 5:13:59.

(13) 전분의 용해도는 수분과 혼합한 전분을 가열하는 과정에서 전분입자로부터 수용액상으로 분리·용출되어지는 당류의 양을 의미하는 것으로 일반적인 옥수수 전분의 용해도 값은 95℃에 서 약 25% 정도의 용해도 값을 나타낸다고 한다.18) 본 연구에서 NSP 또는 UFP 처리 전 옥수수 전분은 90℃에서 6.52%의 용해도 값을 나타내었다. NSP 또는 UFP 처리에 따른 옥수수 전분의 용해도의 변화는 팽윤력 결과와 마찬가지로 UFP 처리시간이 증가함에 따라 용해도 값이 유의적 으로 증가하였으며 이 같은 양상은 모든 온도 구간에서 같은 양상이었다. 팽윤력과 용해도의 결 과를 종합적으로 판단해 볼 때 NSP 또는 UFP 처리에 의하여 물리적으로 손상을 받은 옥수수 전 분 입자는 그 결정구조가 비결정화되고, 전분 입자의 크기가 작아지는 등의 구조적인 변화가 야 기되어 천연전분이 나타내는 팽윤력이나 용해도에 비하여 높은 값을 나타내는 것으로 판단된다.. 광투과도 광투과도는 전분입자의 내부치밀도, 입자크기 및 비표면적과 관련되며 분자 간의 회합강도나 입자의 내부치밀도를 예측할 수 있다. 전분의 광투과도는 그림 9로 가열시간에 따른 옥수수 변 성전분의 광투과도 결과를 도식화하였다. 광투과도 결과는 팽윤력과 용해도 결과에서와 같이 처리시간에 따른 뚜렷한 변화의 양상은 발견할 수 없었으나 NSP 처리 옥수수 변성전분과 UFP 를 이용하여 360분간 처리한 옥수수 변성전분의 경우 다른 옥수수 변성전분에 비하여 모든 온 도구간에서 높은 광투과도 값을 형성하였다. 모든 시료에서 광투과도 값이 60℃의 가열온도 100. Transmittance(T/%). 90 80 70 60 50 40 0 30 40. 50. 60. 70. 80. 90. Heating Temp.(°C). 그림 9 Transmittance of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min). CS: -■-, UCS30: -◆-, UCS60: -▲-, UCS90: -●-, UCS120: -□-, UCS360: -◇-, NCS: -△-.. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환.indd 59. 59. 2010-04-16 오후 5:13:59.

(14) 를 중심으로 낮은 온도 구간에서는 전반적으로 일정한 광투과도 값을 나타낸 반면 60℃ 이상의 온도에서는 급격하게 상승하는 모양을 나타내었다. 또한, 가열온도가 증가함에 따라 광투과도 값의 지속적인 상승이 관찰되었다. 90℃의 가열온도에서 가장 높은 광투과도 값은 UFP를 이용 하여 360분간 처리한 옥수수 변성전분(90.10%)으로, 처리 전 옥수수 전분의 74.00%에 비하여 약 20%가량의 광투과도가 증가하였다. NSP 처리 옥수수 변성전분 또한 UFP를 이용 360분간 처리 한 옥수수 변성전분과 비슷한 광투과도 값을 형성하였다. 이러한 현상은 물리적 손상에 의하여 옥수수 변성전분의 내부치밀도가 약해진 것이 광투과도 값에 영향을 미친 것으로 판단되고 USP 또는 UFP 처리를 통하여 물리적으로 변성 유도된 옥수수 전분의 빛의 투과성이 높아진 것으로 여겨진다.. 분자량 분포 NSP 처리를 전후한 옥수수 전분에 대하여 분자량 분포를 측정한 결과는 그림 10 및 표 2와 같 다. NSP 처리한 옥수수 변성전분은 분자량이 큰 첫 번째 peak의 intensity가 감소하면서 두 번째 peak의 intensity가 증가하는 결과를 보였다. 각 peak의 상대적인 면적값, 평균분자량(Mw) 및 입자 의 직경(Rg)에 대한 결과는 표 2에 나타내었다. NSP 처리 옥수수 전분에서 peakⅡ의 면적 증가율 이 보다 높았으며 Peak Ⅱ의 면적 값은 NSP 처리 전 옥수수 전분은 21.0%이었고 NSP 처리한 옥수 수 전분은 86.5%로 나타나 peakⅡ의 상대적인 면적 값이 4.1배 증가하였다. 이러한 분자량의 감소 가 차후의 전분의 물성이나 전분겔의 강도에 영향을 미친 것으로 판단된다. 0.8. LS.AUX(volts). 0.6. NCS 0.4. CS. 0.2. 0.0 80. 120. 160. 200. 그림 10 Molecular weight distribution diagrams of corn starch(CS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) by HPSEC-MALLS system.. 60. 김명환.indd 60. 2010-04-16 오후 5:13:59.

(15) 표 2 Average molecular weight on each peak, particle size distribution and peak area of corn starch(CS) and nanoscale pulverized corn starch(NCS) Peak I a. 6. Peak II. b. 6. Mw (10 g/mol). Rg (nm). Mw (10 g/mol). Rg(nm). Cont.(%). CS. 182.5±30.5. 420.1±7.6. 3.7±2.3. 162.1±53.3. 21.0±5.6. NCS. 539.3±30.7. 461.8±4.8. 0.7±0.4. 74.8±7.7. 86.5±3.5. a. Molecular weight.. b. Radius of gyration.. CS: corn starch, NCS: nano-scale pulverized corn starch.. 손상전분 함량 NSP와 UFP 처리를 전후한 옥수수 전분의 손상전분함량을 측정한 결과는 그림 11에 나타내었 다. 전분의 손상도는 전분의 추출 및 가공과정에서 물리적 또는 화학적으로 손상을 받는 입자의 함량을 효소적인 방법을 이용하여 측정하는 것으로, 최근 손상전분을 이용한 식품의 가공적성 연구, 공정개선과 제품의 품질 개선 등의 가능성을 제시한 연구가 많이 수행되었다.19 20) UFP 처리 한 옥수수 변성전분의 손상전분함량은 UFP 처리시간이 증가함에 따라 지속적으로 증가하는 것으로 확인되었다. UFP를 이용하여 30분 처리한 옥수수 변성전분의 손상전분 함량은 33.55%이 었으며 360분간 처리한 옥수수 변성전분의 경우는 82.41%의 높은 손상전분함량을 나타내었다. 가장 높은 손상전분함량을 나타낸 전분은 NSP 처리한 옥수수 변성전분으로 83.57%이었다.. 90. Damaged starch content(%). 80 70 60 50 40 30 20 10 0 CS. UCS30. UCS60. UCS90. UCS120 UCS360. NCS. 그림 11 Damaged starch content of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min).. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환.indd 61. 61. 2010-04-16 오후 5:14:00.

(16) 360분간 UFP 처리한 옥수수 변성전분과 NSP를 이용하여 처리한 옥수수 변성전분이 서로 유사 한 손상전분 함량 값을 나타내었다. 손상전분함량은 전분입자의 내부균열 및 구조변화에 따라 효소의 접근이 보다 용이할 경우 높게 나타나는 전분의 특성으로 UFP 또는 NSP 처리에 의하여 손상전분함량이 증가한 것은 효소의 접근이 보다 쉽게 이루어진다는 것을 의미하는 것이라 하 겠다. Han 등21)의 연구에서 볼밀 처리한 옥수수 변성전분의 손상전분 함량은 분쇄시간이 증가 함에 따라 커진다고 하였는데 본 연구에서도 NSP 또는 UFP를 이용하여 건식분쇄한 옥수수 변 성전분의 경우 그와 유사한 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 손상전분을 이용한 식품개발 시 NSP 처리 또는 UFP 처리에 의하여 물리적으로 변성 유도된 전분의 이용가능성을 시사한다 하겠 으며, NSP나 UFP가 물리적으로 변성이 유도된 전분을 생산하는기술로서 이용될 수 있음을 보 여준다고 판단된다.. 아밀로오스 함량 NSP와 UFP 처리 전후의 옥수수 전분에 대한 아밀로오스 함량을 측정한 결과는 그림 12에 나타 내었다. 분쇄 전 옥수수 전분의 아밀로오스 함량은 20.27%로 나타났고 분쇄 후 옥수수 변성전 분의 아밀로오스 함량에서는 NSP 처리 옥수수 변성전분이 18.57%로 가장 낮은 함량을 보였다. 가장 높은 아밀로오스 함량을 나타낸 옥수수 전분은 UFP를 이용하여 30분간 분쇄한 옥수수 변성전분으로 이때의 아밀로오스 함량은 23.30%이었다. 분쇄를 전후한 옥수수 변성전분. 30. Amylose content(%). 26. 22. 18. 14. 10 CS. UCS30. UCS60. UCS90. UCS120 UCS360. NCS. 그림 12 Amylose contents of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min).. 62. 김명환.indd 62. 2010-04-16 오후 5:14:00.

(17) 에서 모두 20% 부근의 아밀로오스 함량을 형성하여 분쇄조건과 시간에 따른 아밀로오스 함량 의 변화양상은 발견되지 않았다. Meuser 등22)과 Morrison 등23)의 연구에서 아밀로오스는 아밀로 펙틴에 비하여 기계적인 손상에 덜 민감하여 물리적 손상을 받은 전분에서는 아밀로오스 함량 의 변화가 나타나지 않는다고 하며, Yin 등24)은 보리 전분의 경우는 기계적인 손상에 의하여 수분 용해성 아밀로펙틴의 fragment들이 증가하나 전체적인 아밀로오스 함량의 변화는 크게 발생하 지 않는다고 하였는데 본 연구에서도 NSP 처리 또는 UFP 처리 시간의 증가에 따른 옥수수 전분 의 아밀로오스 함량의 변화가 발견되지 않았다.. β-amylolysis 분해한도 및 아밀로펙틴 사슬길이 표 3에는 NSP와 UFP 처리 전후의 옥수수 전분으로부터 분리한 아밀로펙틴에 대한 β-amylolysis 분해한도, 평균사슬길이, 바깥사슬길이 및 안쪽 사슬길이를 나타내었다. 본 연구에서 옥수수 전 분의 β-amylolysis 분해한도는 51.19~62.72%로 나타났으나 각 분쇄방법 및 분쇄시간에 따른 차이 점은 발견하지 못하였다. 표 3 β-Amylolysis limit(%) and average amylopectin chain length(glucose unit) of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min) β-amylolysis limit(%). CLa. OCLb. ICLc. 54.19. 12.13. 8.57. 2.56. UCS 30. 52.74. 12.29. 8.48. 2.81. UCS60. 59.16. 11.91. 9.04. 1.86. UCS90. 50.84. 11.26. 7.73. 2.54. UCS120. 63.31. 11.73. 9.43. 1.31. UCS360. 54.59. 12.41. 8.77. 2.63. NCSf. 55.61. 11.65. 8.48. 2.17. CS d. a. e. Average unit chain length(glucose unit).. b. Average outer chain length(glucose unit) = β-Amylolysis limit(%)×CL+2.. c. Average inner chain length(glucose unit) = CL-OCL+1.. d. ultra-fine pulverized corn starch.. e. milling time(min).. f. nano-scale pulverized corn starch.. X-RD NSP와 UFP를 이용하여 처리 전후의 옥수수 전분에 대한 X-rd pattern은 그림 13에 나타내었다. 전분의 X-rd pattern을 통한 분석은 전분이 지닌 결정성 영역과 비결정성 영역을 분석하는 데 유용 하게 이용되는 분석기술로 전분의 호화는 비결정성 영역에서 수분흡수가 이루어지고 가열에 의. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환.indd 63. 63. 2010-04-16 오후 5:14:00.

(18) 하여 호화가 진행되면서 전분입자의 결정성 부분이 비결정화되어 호화전분에서는 특징적인 결정 구조를 갖지 않는 비결정 구조를 나타낸다고 한다. 전분의 결정구조는 특정 angle에서의 결정구 조가 나타내는 각 peak의 면적을 이용하여 상대적인 전분의 결정화도를 분석한다.25) 옥수수 전 분의 경우 12~24°사이에서 특정적인 3개의 peak를 나타내는 B-type의 X-rd pattern을 나타내었다.26) 반면 UFP 처리 옥수수 변성전분의 경우 30~90분 처리한 경우 전분결정이 나타내는 특징적인 peak 들의 intensity가 점차적으로 감소하다가 120분과 360분 처리한 옥수수 변성전분에서는 특징적인 결정구조를 나타내지 않는, broad한 형태의 호화전분에서와 같은 V-type의 X-rd pattern을 나타내 었다. 이는 Huang 등15)의 연구에서 볼밀을 이용하여 60분간 처리한 카사바 전분에 대한 연구결과 에서도 나타난 바 있다. NSP 처리 옥수수 변성전분의 경우 UFP를 이용하여 120분 또는 360분 처 리한 옥수수 변성전분의 경우와 같은 broad한 형태의 V-type의 X-rd pattern을 나타내었다. 이 같 은 분쇄에 의한 옥수수 변성전분의 상대적인 결정화도 감소가 전분이 갖는 여러 가지 이화학적 성질의 변화에 영향을 미친 것으로 판단된다. NSP와 UFP를 이용한 두 가지 처리 모두에서 전분 입자의 결정구조가 비결정화된 결과를 나타내어 전분 고유의 성질을 변화시키는 물리적 변성전. Intensity(kcps). 분의 제조가 가능한 기술로 여겨진다.. 4. 8. 12. 16. 20. 24. 28. 32. 36. 40. 2T angles(deg). 그림 13 X-ray patterns of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min). A: CS, B: UCS30, C: UCS60, D: UCS90, E: UCS120, F: UCS360, G: NCS.. 64. 김명환.indd 64. 2010-04-16 오후 5:14:00.

(19) RVA UFP와 NSP를 이용하여 처리를 전후한 옥수수 전분의 RVA pasting curve는 그림 14에 나타내었 고 RVA pasting curve로부터 구한 특성 값은 표 4에 나타내었다. 처리 전 옥수수 전분은 최고점도, 최저점도, 최종점도 및 파괴점도 값이 각각 132.25, 94.08, 135.00, 38.17 RVU를 지니는 명확한 점도 pattern을 나타내었다. 반면, NSP 또는 UFP 처리 후의 옥수수 변성전분은 UFP 처리 시간이 증가 함에 따라 전분의 각 pasting 특성치가 유의적으로 감소하는 결과를 나타내었다. UFP를 이용하 여 처리한 옥수수 변성전분의 경우는 점도 특성의 변화 양상이 매우 뚜렷이 나타났다. 최고점도 에서 UFP를 이용 120분 처리한 옥수수 변성전분의 경우 최고점도 값이 11.92 RVU로 처리 전 옥 수수전분의 132.25 RVU에 비하여 약 91%의 감소를 보였다. 이러한 최고점도의 감소는 UFP를 이 용하여 120분 처리한 시점까지는 8분대의 구간에서 봉우리 형태의 점도특성을 나타내었지만 360 분 UFP 처리한 옥수수 변성전분과 NSP 처리 옥수수 변성전분의 경우는 다른 전분들과는 현저 히 다른 linear한 viscogram pattern을 보여 최고점도, 최저점도, 파괴점도 및 최종점도 값이 모두 매 우 낮게 형성되었다. 가장 낮은 점도를 나타낸 전분은 UFP를 이용 360분간 처리한 옥수수 변성 전분으로 모든 점도 특성이 3.25 RVU 이하의 값을 보였다. 이는 전분의 분쇄과정에서 전분의 입 자구조가 완전히 변화하여 가열온도가 증가함에 따라 전분현탁액의 점도 변화가 거의 일어나지 않았다는 것을 의미하며, UFP 처리에 의하여 옥수수 전분의 결정구조가 완전히 변화되어 호화 자체가 일어나지 않는 paste 형태의 물성을 지니는 것으로 판단된다. UFP를 이용하여 물리적으로 변성이 유도된 옥수수 전분의 특성을 활용하여 각종 식품의 기초소재 또는 여타의 산업에서의 100. 160 140. 80. UCS30. 120. 70. 100. 60 UCS60. 80. 50. UCS90. 40. 60. 30. 40. 20. 20 0. Temperature (°C). Viscosity (RVU). 90. CS. UCS120 NCS. UCS360 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12 14 16 Time (Min). 18. 20. 22. 24. 10 26. 0. 그림 14 RVA profile changes of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min).. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환.indd 65. 65. 2010-04-16 오후 5:14:01.

(20) 표 4 Pasting characteristics of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min). CS d. e. Break. Set Backc. Peak time. Pasting temp.. (RVU). down. (RVU). (RVU). (min). (℃). 132.25. 94.08. 38.17. 135.00. 40.92. 8.60. 78.50. a. Hold Visc.. Final Visc.. (RVU ). Peak Visc.. b. UCS 30. 95.58. 75.83. 19.75. 119.75. 43.92. 8.93. 73.25. UCS60. 66.58. 53.83. 12.75. 82.67. 28.83. 9.13. 78.10. UCS90. 57.67. 44.58. 13.08. 70.75. 26.17. 9.07. 79.30. UCS120. 11.92. 10.08. 1.83. 16.50. 6.42. 9.27. 88.55. UCS360. 0.42. 0.08. 0.33. 3.25. 3.17. 8.80. -. 4.92. 3.25. 1.67. 8.00. 4.75. 9.13. -. f. NCS a. Rapid Viscosity Unit.. b. Break down=Peak viscosity - Hold viscosity.. c. Setback=Final viscosity - Hold viscosity.. d. ultra-fine pulverized corn starch.. e. milling time(min).. f. nano-scale pulverized corn starch.. 소재로의 이용 가능성에 대한 고려도 필요하리라 판단된다. Kim 등27) 28)의 연구결과에 의하면 물 리적 변성 감자전분을 제조할 목적으로 감자 전분을 장시간 볼밀을 이용하여 분쇄처리하면 감 자전분은 글라스 상태(glass state)를 나타내어 통상적인 전분이 갖는 수화-가열호화의 상태를 나 타내지 않는 천연의 전분과는 전혀 다른 열물성, 수분흡착성 등을 갖는다고 하였는데 본 연구결 과에서도 같은 결과를 나타내었다.. 색도 표 5는 NSP 및 UFP 처리를 전후한 옥수수 전분의 분말과 20%(w/v) gel에 대한 색도를 측정한 결 과로 분쇄 전 옥수수 전분의 L, a, b 값은 각각 95.54, -1.42, 3.20으로 거의 표준 백판에 가까운 매 우 밝은 색도 값을 보였다. 반면, NSP 처리한 옥수수 변성전분의 경우 명도 값이 UFP를 이용하 여 처리한 옥수수 변성전분에 비해 전반적으로 높은 값을 나타내었다. 일반적으로 분말의 색도 는 입자의 크기가 감소할수록 선명해지며 이에 따라 분말의 L, a 및 b 값에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. UFP 처리에 따른 색도 변화는 UFP 처리 시간이 증가함에 따라“a”값은 상승하였 으며“b”값은 약간 감소하는 결과를 나타내었다. UFP 처리한 옥수수 전분과 NSP 처리한 옥수 수 전분은 모두 분쇄 전 옥수수 전분의 -1.42보다 낮은 적색도를 나타내었다. 황색도를 나타내 는“b”값의 경우 UFP를 이용하여 처리한 옥수수 변성은 처리시간의 증가에 따라 그 값이 점차적 으로 감소하는 경향을 보였으며, 가장 낮은 황색도는 UFP를 이용하여 360분 처리한 옥수수 변. 66. 김명환.indd 66. 2010-04-16 오후 5:14:01.

(21) 표 5 Color values of modified corn starch with various milling condition Corn starch powder. . a. b. 20%(w/v) Corn starch gel c. L. a. b. L. a. b. 95.54±3.04. -1.42±0.08. 3.20±0.10. 71.28±3.64. -2.34±0.05. -6.64±0.73. UCS 30. 97.10±0.34. -1.08±0.08. 2.94±0.09. 68.66±1.80. -2.60±0.16. -6.54±0.63. UCS60. 94.82±0.16. -1.04±0.09. 2.48±0.04. 63.52±0.99. -2.00±0.10. -8.26±0.34. UCS90. 98.78±0.08. -1.04±0.09. 2.40±0.10. 67.46±0.96. -2.44±0.15. -7.86±0.39. UCS120. 97.52±0.13. -0.94±0.21. 2.14±0.05. 67.38±1.66. -2.72±0.16. -6.80±0.57. UCS360. 97.32±0.28. -0.68±0.08. 1.52±0.04. 78.48±1.31. -2.86±0.09. -3.28±0.51. 99.34±0.31. -1.12±0.08. 3.08±0.08. 67.28±1.04. -2.42±0.13. -7.84±0.42. CS d. e. f. NCS a. degree of whiteness(white +100 ↔ 0 black).. b. degree of redness(red +100 ↔ -80 green).. c. degree of yellowness(yellow +70 ↔ -80 blue).. d. ultra-fine pulverized corn starch.. e. milling time(min).. f. nano-scale pulverized corn starch.. 성전분으로 1.52의 황색도 값을 나타내었다. 이 같은 결과는 UFP 처리 과정에서 형성된 직경이 감 소된 입자가 색도의 변화에 영향을 미친 것으로 보인다. NSP와 UFP 처리에 따른 옥수수 전분 gel 에 대한 색도특성을 옥수수 전분 분말과 비교하였을 때 감소현상이 현저히 나타났으며“a”값의 경우는 전분분말과 비슷한 값을 형성하여 적색도의 변화는 거의 관찰되지 않았다. 황색도를 나 타내는“b”값의 경우 옥수수 전분분말은 모두“+”값을 나타내었으나 전분 gel의 경우는“-”값 을 나타내었다. 이는 전분의 호화가 진행되는 동안에 형성되는 전분 gel의 노란색 계통의 색상이 크게 감소한다는 것을 의미한다. UFP를 이용하여 처리시간에 따른 옥수수 전분 gel의 명도 값의 변화양상은 관찰되지 않았으며 가장 높은 명도 값은 UFP를 이용 360분간 분쇄한 옥수수 변성 전분 gel로 78.48의 명도값을 보였다.. In vitro 소화율 NSP 처리와 UFP 처리한 옥수수 전분에 대한 in vitro 소화율을 호화 전과 후로 구분하여 분석한 결과는 그림 15에 나타내었다. 호화하지 않은 상태의 옥수수 전분 가운데 가장 낮은 소화율을 나타낸 것은 분쇄 전 옥수수 전분으로 17.1%의 소화율을 나타내었다. 반면 호화 후의 옥수수 전 분의 소화율은 NSP 또는 UFP 처리와는 상관없이 모든 전분에서 90.2~95.6%로 거의 100%에 가 까운 소화율을 나타내었다. UFP를 이용하여 처리한 옥수수 변성전분의 소화율 결과에서는 UFP 처리시간이 증가함에 따라서 소화율이 지속적으로 증가하는 결과를 나타내었다. UFP를. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환.indd 67. 67. 2010-04-16 오후 5:14:01.

(22) 100 Ungelatinization gelatinization. In vitro digestibility(%). 80. 60. 40. 20. 0 CS. UCS30. UCS60. UCS90. UCS120 UCS360. NCS. 그림 15 In vitro digestibility of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min).. 이용하여 360분 처리한 옥수수 변성전분의 경우 호화 전 옥수수 전분 가운데 95.9%의 가장 높은 소화율을 나타내어 호화 후 옥수수 전분의 소화율인 94.5%와 거의 유사한 값을 나타내었다. 이와 같은 소화율 증가는 UFP 처리시간이 120분까지 가파른 증가를 보이다 120분 처리 이후 에는 둔화되었다. 또한 NSP 처리 옥수수 변성전분의 경우도 호화하지 않은 상태에서 92.3%의 높 은 소화율을 나타내었다. 이상의 결과를 종합적으로 판단해 볼 때 NSP 또는 UFP를 이용하여 360분 처리한 전분의 경우는 건식분쇄만으로도 호화전분과 비슷한 형태의 전분의 제조가 가능 하다 판단된다. Wu 등29)의 연구에 의하면 옥수수의 습식분쇄 시간이 3시간 이상 진행될 경우 전 분이 갖는 결정구조가 파괴되고 이에 따라 효소에 의한 가수분해율이 증가한다고 보고한 바 있 어 본 연구결과와 일치하였다. NSP 또는 UFP를 이용하여 물리적으로 변성 유도된 전분은 호화 하지 않은 상태로 소화효소의 활성이 낮은 어린이나 노인들을 대상으로 하는 특수영양식의 소 재 또는 소스류 개발시 이용가능성이 기대된다.. 열적거동 NSP 또는 UFP 처리를 전후한 옥수수 전분을 시차주사열량계를 이용하여 열적거동을 측정한 결 과는 그림 16 및 표 6에 나타내었다. 옥수수 전분은 특징적인 70℃ 부근의 첫 번째 peak와 100℃ 부근의 두 번째 peak를 지녔다. 옥수수 전분의 DSC thermogram에서 첫 번째 peak는 전분의 결 정성과 관련된 것으로 주로 전분입자의 결정이 녹으면서 나타나는 peak이며 100℃ 부근의 peak 는 아밀로오스와 지질의 복합체가 녹으면서 형성되는 peak이다.30) 전분의 호화는 전분입자의 결. 68. 김명환.indd 68. 2010-04-16 오후 5:14:01.

(23) 정성과 관련이 있는 것으로, 전분입자 중 비결정성 부분에 수분이 흡수되다가 가열에 의하여 전 분 내의 결정성 부분이 불안정화되면서 일어나는 현상으로 전분입자의 결정성이 호화개시온도 와 호화 엔탈피에 영향을 미친다.31) 32) NSP와 UFP를 이용하여 처리한 옥수수 변성전분 중 UFP 를 이용한 옥수수 변성전분은 호화개시 온도(Ti)가 56.95~57.94℃로 나타나 분쇄 전 옥수수 전분 의 64.63℃에 비하여 약 7℃ 호화개시 온도가 빨라지는 것으로 관찰되었으며 NSP 처리 옥수수 변 성전분의 경우는 분쇄 전 옥수수 전분과 비슷한 62.36℃에서 아주 약한 peak가 관찰되었다. UFP 처리 옥수수 변성전분의 가장 특징적인 변화는 엔탈피(ΔE) 값으로 호화 엔탈피 값이 처리시간 이 증가함에 따라서 현저히 감소하였다. UFP를 이용하여 360분 동안 처리한 옥수수 변성전분의 경우는 일반적인 전분이 지니는 70℃ 부근에서의 peak를 형성하지 않는 DSC thermogram을 보여 가열처리에 의하여 전분현탁액의 상변화가 발견되지 않았다. NSP 처리 옥수수 변성전분의 경우 는 엔탈피 값이 0.33J/g을 나타내어 전분의 상변화에 매우 작은 열량만을 필요로 하는 것으로 분 석되었다. UFP 처리에 따른 endothermic peak는 120분까지는 미약한 peak가 나타났는데 이는 부 분적으로 결정성 영역을 유지한 전분입자에 의하여 나타나는 peak로 보인다. 이 같은 결과는 전 분의 분쇄과정에서 전분입자가 갖는 결정성 영역의 변화가 이루어졌다는 것을 의미하는 것으로 UFP 처리에 의하여 물리적 변성이 유도된 옥수수 변성전분의 경우는 결정성 부분의 변화가 초래 되었다는 의미로도 해석할 수 있겠다. Amylose-lipid complex에 의하여 melting을 나타내는 second peak에서는 모든 전분에서 90℃ 부근의 Ti 값과 100℃ 근처의 Tp값 및 0.56~1.33(J/g)의 엔탈피 값을. Heat flow(w/g). 나타내었다.. 40. 50. 60. 70 80 Temperature(°C). 90. 100. 110. 그림 16 Differential scanning calorimeter thermograms of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min). A: CS, B: UCS30, C: UCS60, D: UCS 90, E: UCS120, F: UCS360, G: NCS.. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환.indd 69. 69. 2010-04-16 오후 5:14:02.

(24) 표 6 DSC parameters of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min) 1st Peak a i. d. CS. e. f. 2nd Peak b p. c. T. T. ΔE. Ti. Tp. ΔE. 64.63. 70.38. 12.94. 88.39. 98.99. 0.75. UCS 30. 57.94. 67.62. 4.23. 89.85. 97.05. 0.78. UCS60. 57.06. 63.78. 0.91. 88.37. 97.48. 0.86. UCS90. 57.33. 66.14. 0.99. 87.23. 96.06. 0.67. UCS120. 56.95. 64.82. 0.60. 90.61. 98.10. 0.60. UCS360. -. -. -. 90.46. 100.45. 0.70. NCSg. 62.36. 68.21. 0.33. 91.24. 98.74. 1.15. a. Ti : onset temperature.. b. Tp : peak temperature.. c. ΔE : gelatinization enthalpy(J/g).. d. corn starch.. e. ultra-fine pulverized corn starch.. f. milling time(min).. g. nano-scale pulverized corn starch.. 등온흡습곡선 그림 17은 상대습도 조절이 용이한 포화염 용액을 이용하여 NSP 또는 UFP 처리를 전후한 옥수 수 전분의 등온흡습 패턴을 분석한 결과이다. NSP 처리 또는 UFP를 이용하여 처리한 모든 옥수 수 전분에서 sigmoid 형태의 등온흡습 패턴을 나타내었고 동일 수분활성도에서 25℃보다는 4℃ 에서의 평형수분함량이 높은 결과를 나타내었다. 저온인 4℃의 등온조건에서는 수분활성도 0.5 부근을 중심으로 0.5 이하의 수분활성도 구간에서는 NSP 또는 UFP 처리한 옥수수 변성전분의 평형수분함량이 처리 전 옥수수 전분에 비해 낮은 평형 수분함량 값을 나타낸 반면, 0.5 이상의 수분활성도 구간에서는 분쇄 전 옥수수 전분에 비하여 높은 평형 수분함량을 보였다. 0.1의 수 분활성도에서의 평형 수분함량에서는 UFP를 이용하여 처리한 옥수수 변성전분보다는 NSP 처리 한 옥수수 변성전분의 경우가 보다 낮은 평형수분함량을 보였다. 25℃의 조건에서의 등온흡습 패턴은 4℃의 등온조건과는 다른 양상을 나타내었는데 수분활성도 0.5 이상의 수분활성도 구간 에서는 분쇄 전 옥수수 전분과 NSP 또는 UFP를 이용하여 처리한 옥수수 변성전분 사이의 평형 수분함량 차이를 발견할 수 없었다. 반면 수분활성도 0.5 이하의 구간에서는 4℃ 등온 조건에서 와 같이 NSP 또는 UFP를 이용하여 처리한 옥수수 변성전분의 평형수분함량이 전반적으로 낮은 값을 형성하였다.. 70. 김명환.indd 70. 2010-04-16 오후 5:14:02.

(25) 30. Moisture contents(%). 25. CS. UCS30. UCS60. UCS90. UCS120. UCS360. 20 NCS 15 10 5. 4¡C 0 0.00. 0.20. 0.40. 0.60. 0.80. 1.00. Water activity(Aw) 30. Moisture contents(%). 25 20. CS. UCS30. UCS60. UCS90. UCS120. UCS360. NCS. 15 10 5 25¡C 0 0.00. 0.20. 0.40 0.60 Water activity(Aw). 0.80. 1.00. 그림 17 Isotherm absorption patterns of corn starch(CS), ultra-fine pulverized corn starch(UCS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) for various milling time(min).. 겉보기 점도 30~80℃의 온도와 Brookfield 점도계의 회전속도 변화에 따른 NSP 처리 전후의 옥수수 전분의 겉 보기 점도를 측정한 결과는 표 7과 같다. NSP 처리 전후의 옥수수 전분은 모두 brookfield 점도 계의 회전속도(rpm)가 증가함에 따라서 겉보기 점도는 줄어들었다. 이는 의가소성 유체(pseudo plastic fluid)의 성질을 가진다는 뜻이다. 일반적으로 옥수수 전분의 유동특성은 thixotrophy 거동. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환.indd 71. 71. 2010-04-16 오후 5:14:02.

(26) 을 가지고 있으며 Herschel-Bulkley 식이 가장 적합하다고 한다. 또한 NSP 처리 전후의 옥수수 전 분은 모두 측정온도가 높아짐에 따라서 겉보기 점도가 감소하였다. NSP 처리 전 옥수수 전분의 경우는 회전속도 20rpm을 기준으로 볼 때 30℃의 측정온도에서 겉보기 점도는 42,800mPa·S이었 으나 80℃ 측정온도에서는 14,460mPa·S로 66.21%의 겉보기 점도감소율을 보였다. 본 실험 구간 표 7 Apparent viscosity of corn starch(CS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) gel at 90%(w/v) moisture content Temp.(℃). 30. 40. 50. 60. 70. 80. RPM. Apparent viscosity(mPa·S) CS. NCS. 2. 315,000. 19,900. 4. 193,250. 11,200. 10. 82,500. 5,670. 20. 42,800. 3,380. 2. 196,500. 8,240. 4. 102,500. 4,900. 10. 48,800. 2,712. 20. 30,400. 1,720. 2. 113,000. 6,200. 4. 67,500. 3,860. 10. 34,000. 2,120. 20. 20,050. 1,298. 2. 112,500. 5,720. 4. 60,000. 3,550. 10. 29,000. 1,904. 20. 18,000. 1,224. 2. 102,500. 5,000. 4. 52,500. 2,950. 10. 25,400. 1,640. 20. 15,250. 1,040. 2. 92,000. 2,940. 4. 50,500. 1,990. 10. 24,080. 1,580. 20. 14,460. 802. 72. 김명환.indd 72. 2010-04-16 오후 5:14:02.

(27) 내에서 NSP 처리 옥수수 변성전분은 NSP 처리 전 옥수수 전분 대비 8% 이하의 겉보기 점도를 나타내었으며 측정온도가 높아짐에 따라서 그 차이는 커졌다. 이러한 결과는 옥수수 전분의 호 화액을 냉각하여 제품화하는 과정에서 열에너지의 감소로 인하여 분자간 수소결합이 생성되 고, 그에 따른 점도의 상승으로 인하여 야기되는 전분가공 산업에서의 애로사항을 해결할 수 있 는 방안으로 기대된다. 각 옥수수 전분의 점조도 지수(flow consistency index, m)와 유동지수(flow behavior index, n)에 대한 결과는 표 8과 같다. NSP 처리 전 옥수수 전분의 점조도 지수는 측정온 도가 30℃에서 80℃로 높아짐에 따라서 겉보기 점도가 65,103mPa·S에서 18,597mPa·S로 감소하였 으며 NSP 처리 후의 옥수수전분의 경우에는 4,916mPa·S에서 935mPa·S로 감소하여 온도변화에 따른 점조도 지수 값의 변화율이 NSP 처리 전에 비하여 상대적으로 컸다. 유동지수 값에서는 측 정온도가 30℃에서 80℃로 높아짐에 따라서 0.125에서 0.196으 로 증가하였으며 NSP 처리 옥수수 변성전분의 경우에는 0.234에서 0.479로 증가하여 온도상승에 따라서 pseudoplastic 성질이 줄어드 는 경향을 보였다. 표 8 Flow consistency index and flow behavior index of corn starch(CS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) at 90%(w/v) moisture content Sample. CS. NCS. Temp.(℃). Flow consistency index(m). Flow behavior index(n). 30. 65,103. 0.125. 40. 38,616. 0.190. 50. 24,779. 0.249. 60. 22,556. 0.204. 70. 19,915. 0.177. 80. 18,597. 0.196. 30. 4,916. 0.234. 40. 1,945. 0.324. 50. 1,496. 0.324. 60. 1,379. 0.329. 70. 1,176. 0.324. 80. 935. 0.479. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환.indd 73. 73. 2010-04-16 오후 5:14:02.

(28) 3.2 NSP 처리 옥수수 변성전분의 저장 안정성 저장 중 케이킹과 색도 저장온도와 상대습도에 따른 NSP 처리 옥수수 전분의 케이킹 정도(caking degree)와 색도변화 를 측정한 결과는 표 9~10과 같다. 옥수수 전분의 저장 상대습도(RH)가 증가함에 따라서 케 이킹 현상이 증가되었으며 NSP 처리 전 옥수수 전분의 경우 4℃의 저장온도에서 상대습도가 10%에서 90%로 증가함에 따라서 케이킹 정도가 15.81%에서 97.32%로 크게 증가하였다. NSP 처리 옥수수 전분의 경우도 NSP 처리 전 옥수수 전분의 경우와 마찬가지로 4.18%에서 94.51% 로 증가하였다. 10% RH의 낮은 상대습도에서는 NSP 처리 전 옥수수 전분의 15.81%에 비하여 NSP 처리 후는 4.18%로 케이킹 현상이 상대적으로 작게 나타나 NSP 처리 전 옥수수 전분 대 비 26.4% 수준의 케이킹을 보였다. 반면, 90% RH에서의 케이킹 정도는 NSP 처리 전과 후의 옥 수수 전분이 각각 97.32%, 94.51%의 케이킹 정도로 차이가 거의 없었다. 모든 저장온도 및 상 대습도 조건에서 NSP 처리 후가 NSP 처리 전에 비해 케이킹 정도가 더 낮은 값을 형성한 것으 로 미루어 볼 때 NSP 처리한 전분의 경우가 케이킹 현상이 보다 억제되는 것으로 여겨진다. 저장온도와 상대습도에 따른 저장 2일 후 NSP 처리 전후 옥수수 전분 분말의 색도변화(표 9)에서는 저장온도 및 상대습도 변화에 따른 명도 값(L) 및 적색도(a) 값의 변화양상은 나타나 지 않았다. 반면 황색도를 나타내는“b”값에서는 저장 상대습도가 증가함에 따라서 점차 감 소하는 경향을 나타내었다. 저장 4일 후 옥수수 전분 gel의 색도 측정 결과는 표 10과 같다. 분 말상태와 gel 상태의 옥수수 전분의 색도를 비교한 결과는 분말상태보다 gel상태에서의“L” 값이 매우 낮았으며 이는 호화과정에서 백색의 전분 분말이 불투명한 반고체의 gel을 형성하 면서 명도 값이 낮아진 것으로 판단된다. 수분함량이 60%인 옥수수 전분 gel에서는 NSP 처리 전과 NSP 처리 후의 명도 값의 차이가 뚜렷하였으나 90% 수분함량 gel에서는 그 차이가 상대 적으로 작았다. 저장온도에 따른 명도값의 변화에서는 4℃ 저장 옥수수 전분 gel이 25℃ 저장 옥수수 전분 gel에 비하여 낮았다. 적색도를 나타내는“a”값에서는 저장온도와 관계없이 60% 옥수수 전분 gel이 90% 옥수수 전분 gel에 비하여 작은 값을 나타내었다. 수분함량이 60%에 서 90%로 증가함에 따라서“a”값은 증가하였고“b”값에서는 감소가 상대적으로 크게 나 타났다. 저장온도에 따른 비교에서는 4℃ 저장이 25℃의 저장에 비하여 작은 값을 보였다. NSP 처리 전과 후의“b”값 비교에서는 NSP 처리 전에 비하여 NSP 처리 후가 더 높은 값을 형 성하였다.. 74. 김명환.indd 74. 2010-04-16 오후 5:14:03.

(29) 표 9 Caking degree and color values of corn starch(CS) powder and nano-scale pulverized corn starch(NCS) powder after 2 days storage Storage temp. (℃) Unstored. Relative. Caking. Color value. Humidity(%). degree(%). L. a. b. CS. 95.54±0.45. -1.42±0.05. 3.20±0.13. NCS. 99.34±0.15. -1.12±0.06. 3.08±0.06. Sample. CS 4 NCS. CS 25 NCS. 10. 15.81. 98.67±0.21. -1.30±0.10. 3.43±0.15. 75. 86.31. 98.50±0.10. -1.17±0.08. 3.00±0.13. 90. 97.32. 98.07±0.15. -1.20±0.10. 2.70±0.17. 10. 4.18. 98.43±0.06. -1.13±0.06. 2.93±0.06. 75. 82.46. 97.97±0.49. -1.20±0.10. 2.73±0.23. 90. 94.51. 96.03±0.64. -1.43±0.15. 2.49±0.31. 10. 8.81. 98.53±0.23. -1.17±0.06. 3.37±0.12. 75. 75.33. 98.73±0.21. -1.06±0.10. 3.23±0.06. 90. 90.65. 98.63±0.06. -1.10±0.10. 3.07±0.06. 10. 4.01. 98.40±0.00. -1.17±0.06. 3.93±0.06. 75. 64.07. 98.67±0.06. -1.07±0.06. 3.03±0.06. 90. 80.91. 98.40±0.10. -1.07±0.06. 3.33±0.06. 표 10 Color values of corn starch(CS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) treated modified corn starch gels after 4 days storage Moisture content. Storage temp.. (%). (℃) 4. 60 25. 4 90 25. Sample. Color value L. a. b. CS. 45.47±0.15. -3.10±0.17. -0.30±0.10. NCS. 72.10±0.71. -3.70±0.00. 3.00±0.00. CS. 48.65±0.07. -3.25±0.21. 0.10±0.28. NCS. 72.70±0.71. -4.10±0.00. 3.85±0.07. CS. 52.65±0.78. -1.55±0.07. -9.70±0.14. NCS. 57.75±0.35. -2.60±0.14. -8.00±0.14. CS. 60.80±0.49. -2.80±0.14. -10.35±0.07. NCS. 67.25±0.07. -3.40±0.14. -7.10±0.00. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환.indd 75. 75. 2010-04-16 오후 5:14:03.

(30) 저장 중 옥수수 전분 분말과 옥수수 전분 gel의 미세구조 4℃에서 90% 상대습도 조건에서 2일간 저장한 옥수수 전분 분말의 미세구조와 60% 수분함량의 옥수수 전분 gel을 4℃에서 2일간 저장한 후의 각 시료의 미세구조는 그림 18과 같다. 저장 후 전 분분말에 대한 미세구조를 관찰한 결과 저장 전(A, B)에 비하여 저장 후(C, D) 케이킹 현상이 두 드러지게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 큰 입자 주변에 작은 입자들이 달라붙어 있는 형태를 확연히 알 수 있었다. 60% 수분함량의 옥수수 전분 gel의 입자상태를 SEM으로 촬영한 결과(E, F) 에서는 초기 옥수수 전분 자체가 지니고 있던 입자의 규칙적인 모양들이 소멸되어진 불규칙적인 형태의 입자모양을 나타내었다. 4℃에서 90%의 상대습도 조건에서 2일간 저장한 옥수수 전분 분 말의 SEM 촬영 결과는 NSP 처리 전과 NSP 처리 후 옥수수 전분 모두에서 입자들이 coagulation 된 형태가 관찰되었으며, NSP 처리 옥수수 변성전분의 경우 분쇄 전 큰 입자 주변에 각이 진 형태 의 입자가 4℃에서 90% 상대습도 조건으로 2일간 저장한 후에는 각이 진 형태의 작은 입자는 사 라지고 둥근 모양의 입자형태를 나타내었다. 이는 NSP 처리 옥수수 변성전분 입자가 수분흡수 에 의하여 형태와 크기가 변화하였다는 것을 의미하며, NSP 처리 옥수수 전분 입자의 수분흡수 에 의하여 입자크기가 증가할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 이러한 결과로 미뤄볼 때 NSP 처리 입도분석 시 수분으로 인하여 입자가 커질 수 있으므로 입도분석 시 전분입자의 팽윤을 억제할 수 있는 적절한 용매의 선택이 무엇보다도 중요하다고 판단된다.. A. SE 24-Jan-08. WD17.6mm 15.okv x3.ok 10um. C. SE 6-May-08. B. SE 24-Jan-08. WD18.0mm 15.okv x3.ok 10um. E. WD18.2mm 15.okv x3.ok 10um SE 6-May-08. WD15.3mm 15.okv x3.ok 10um. D. SE 6-May-08. WD17.4mm 15.okv x3.ok 10um. F. SE 6-May-08. WD18.0mm 15.okv x3.ok 10um. 그림18 Scanning electron microscope(×3,000) of corn starch(CS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS). A: CS, B: NCS, C: CS(4℃, 90% RH), D: NCS(4℃, 90% RH), E: 60% moisture content gel CS, F: 60% moisture content gel NCS.. 76. 김명환.indd 76. 2010-04-16 오후 5:14:03.

(31) TPA를 이용한 옥수수 전분 gel의 저장 안정성 수분함량 및 저장온도에 따른 옥수수 전분 gel에 대하여 TPA(texture profile analysis)를 실시한 결 과는 표 11과 같다. NSP 처리 전과 후의 60% 수분함량의 옥수수 전분 gel을 저장하기 전의 경 도(hardness)는 각각 2,400.93과 689.13gf로 나타났다. 이같이 NSP 처리 전 옥수수 전분 gel에 비 하여 NSP 처리 옥수수 전분 gel의 경도 값이 낮게 나타난 이유는 NSP 처리 과정에서 전분입자 의 변화로 인하여 옥수수 전분의 평균분자량이 감소하여 gel 형성 능력이 저하되었기 때문이라 판단된다. 탄력성(springiness)에서는 NSP 처리 전에는 0.942, NSP 처리 후에는 0.663으로 나타나 NSP 처리에 의하여 급격한 탄력성 저하를 보였다. 응집성(cohesiveness), 씹힘성(chewiness) 및 검성 (gumminess) 또한 NSP 처리한 옥수수 변성전분의 경우가 보다 작은 값을 나타내었다. 각 수분 함량의 옥수수 전분 gel을 4℃에서 4일간 저장하였을 때는 저장 전에 비해 크게 증가하였다. 반면 저장 후의 옥수수 전분 gel의 탄력성과 응집성은 감소하였으며 검성과 부착성은 증가하였다. 이 는 옥수수 전분 gel의 저장과정에서 아밀로오스 분자들 간의 회합이 이루어지는 노화가 진행되 면서 전분 gel의 내부의 수분이 바깥으로 용출되면서 옥수수 전분 gel의 경도 값이 상승한 것으로 표 11 Texture profile analysis(TPA) values of corn starch(CS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) gels after 4 days storage Moisture. Storage. content(%) temp.(℃). Sample Springiness. Cohesiveness. NCS. 0.663±0.07. 0.436±0.02. CS. 0.897±0.00. 0.455±0.00. NCS. 0.551±0.02. 0.308±0.03. CS. 0.918±0.00. 0.491±0.00. 4 60. 25. Unstored. 90. 4. 25. Chewiness(gf) Gumminess(gf) Hardness(gf) 1179.75. 1250.89. ±258.01. ±260.18. 689.13±28.06. 3970.00. 4427.06. 11684.65. ±64.86. ±47.05. ±58.12. 2412.53. 7794.60. 7794.60. ±499.38. ±841.60. ±841.60. 3749.79. 4083.82. 8356.00. ±42.67. ±57.65. ±36.98. 755.75. 1286.81. 4608.25. ±177.99. ±245.74. ±328.88. NCS. 0.585±0.03. 0.278±0.03. CS. 0.698±0.07. 0.498±0.06. 13.73±4.51. 19.38±4.43. 60.80±4.31. NCS. No gelling. CS. 0.883±0.05. 0.447±0.01. 52.14±2.59. 61.51±6.21. 196.95±16.56. NCS. 0.609±0.04. 0.379±0.03. 38.12±2.70. 62.64±4.43. 137.80±11.70. CS. 0.888±0.00. 0.434±0.00. 43.41±0.99. 51.04±0.97. 165.40±0.99. NCS. 0.714±0.03. 0.373±0.03. 29.93±4.60. 42.10±8.05. 114.30±30.55. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환.indd 77. 77. 2010-04-16 오후 5:14:04.

(32) 보여진다. 25℃의 저장온도에서 경도의 증가는 4℃에 비하여 작게 나타났다. 이는 노화가 빙결정 형성대 부근에서 최대가 된다는 연구결과와 비슷한 결과를 형성하였다. 그 이외의 TPA 특성은 4℃와 유사한 패턴을 나타내었다. 수분함량의 변화에 따른 경도 비교에서 60%와 90% 수분함 량의 옥수수 전분 gel의 경도 값이 각각 2400.93gf에서 60.80gf로 나타나 수분함량이 증가함에 따 라 매우 큰 폭으로 감소하였다. 이 밖에 탄력성, 응집성, 씹힘성 및 검성은 모두 60% 수분함량 gel 에 비하여 작은 값을 나타내었다. NSP 처리 전 90% 수분함량의 옥수수 전분 gel의 저장 전 경도 (hardness)는 60.80gf로 나타났으나 NSP 처리 후 옥수수 전분 gel은 sol 상태로 TPA 측정이 불가능 하였다. 각 수분함량의 옥수수 전분 gel을 4℃와 25℃에서 4일간 저장한 후의 경도는 60% 수분 함량의 옥수수 전분 gel이 90% 수분함량의 옥수수 전분 gel보다 크게 나타났다. 특히, NSP 처리 옥수수 전분 gel의 경우 90% 수분함량에서는 호화 직후 gel을 형성하지 못하는 sol 형태의 물성을 나타내었지만 저장 후에는 gel을 형성하여 TPA 측정이 가능하였으며 4℃와 25℃의 저장온도에서 NSP 처리 전 옥수수 전분 gel 대비 약 70%의 경도 값을 나타내었다.. DSC를 이용한 옥수수 전분의 저장 안정성 60%와 90%의 수분함량으로 조절한 전분용액을 DSC를 이용하여 1차 가열하고 이를 4℃ 및 25℃에서 4일간 저장한 옥수수 전분을 2차 가열하여 peak에 대한 DSC 특성값을 표 12에 나타내 었다. 수분함량 변화에 따른 옥수수 전분의 열적 특성에서는 NSP 처리 전 옥수수 전분의 경우 100℃ 미만의 온도에서 60%와 90%의 수분함량의 두 가지 옥수수 전분에서 호화 peak(1st peak)가 관찰되었으나 NSP 처리한 옥수수 변성전분의 경우는 고수분 함량(90%)과 저수분 함량(60%) 모두에서 100℃ 미만에서의 호화 peak가 관찰되지 않았다. 이는 NSP 처리에 의하여 전분의 결정 성 영역이 이미 비결정화되었기 때문으로 여겨진다. 저장 후의 재가열 peak에서는 100℃ 부근의 2nd peak는 90% 수분함량의 NSP 처리 옥수수 전분 gel을 4℃에서 4일 동안 저장한 옥수수 전분 과 90%의 수분함량의 NSP 처리 전 옥수수 전분 gel을 25℃에서 4일 동안 저장한 경우를 제외하 고 나머지 시료에서는 관찰되었다. 이는 실험에 사용한 시료의 정제과정 중 제거되지 않은 지질이 아밀로오스와 complex를 이루어 나타내는 peak로 여겨지며 저장기간이나 수분함량에 따른 peak 의 변화 양상이 관찰되지 않았다. 수분함량 변화에 따른 옥수수 전분의 엔탈피 값에서는 NSP 처 리 전 옥수수 전분의 경우 60%와 90%의 수분함량에서는 각각 11.69J/g와 12.32J/g의 엔탈피 값을 나타내어 고수분 함량에서 호화에 필요한 엔탈피 값이 약간 높은 값을 보였다. 60% 수분함량의 옥수수 전분 gel을 재가열하여 얻은 DSC thermogram을 분석하면 50~54℃ 부근에서 옥수수 전분 의 노화가 진행되면서 형성된 아밀로오스 분자의 용융 peak가 나타나며 이 peak의 엔탈피 값은 저장기간이 증가함에 따라 지속적으로 상승한다는 연구결과가 있다.33) 본 연구에서도 결과로 기 록하지는 않았지만 재가열하여 얻은 DSC thermogram을 분석하는 과정에서 DSC가 안정화되는. 78. 김명환.indd 78. 2010-04-16 오후 5:14:04.

(33) 표 12 Differential scanning calorimetry of corn starch(CS) and nano-scale pulverized corn starch(NCS) after 4 days storage Moisture. Storage temp. Sample. 1st heat. content(%). (℃). Ti. Tp. ΔE. Ti. Tp. ΔE. CS. 64.02. 69.66. 11.69. 88.64. 102.60. 1.81. NCS. -. -. -. 97.02. 102.18. 0.96. CS. -. -. -. 86.52. 96.10. 1.53. NCS. -. -. -. 86.42. 96.04. 1.04. CS. -. -. -. 91.46. 100.39. 1.62. NCS. -. -. -. 83.66. 96.75. 0.96. CS. 63.91. 69.76. 12.32. 81.51. 84.56. 1.14. NCS. -. -. -. 92.48. 97.89. 1.13. CS. -. -. -. 80.16. 86.39. 0.66. NCS. -. -. -. -. -. -. CS. -. -. -. -. -. -. NCS. -. -. -. 95.76. 96.42. 0.03. Unstored. 60. 4. 25. Unstored. 90. 4. 25. 2nd heat. 50~55℃ 부근에서의 약한 peak가 baseline peak와 겹쳐진 형태로 관찰되었는데, 이 peak가 전분의 노화과정에서 재결정화가 이루어진 아밀로오스 분자가 용융되면서 나타나는 peak로 여겨진다. 노화 peak에 대한 분석 시 가열속도와 가열온도 구간의 조절을 통하여 전분노화에 관한 보다 면 밀한 검토가 이루어져야 할 것이며 건식분쇄에 의하여 변성 유도된 전분의 노화 특성에 대한 결 과가 반드시 제시되어야 한다고 본다.. 4. 요 약 Nano-scale pulverizer(NSP) 또는 ultra-fine pulverizer(UFP)의 두 가지 물리적 변성방법에 따른 전분 의 특성변화는 옥수수 전분을 이용하였다. 미세구조에서는 UFP 처리에 따라 전분 입자표면에 금이 가거나 작은 입자들이 달라붙어 있는 형태가 관찰되었으나 입도분석에서는 오히려 입자사 이의 엉겨붙는 현상으로 인하여 입자의 크기가 오히려 증가한 것으로 나타났다. 물결합능력, 팽 윤력, 용해도, 광투과도 및 in vitro 소화율 값은 UFP 처리시간이 증가할수록 점차적으로 증가하. 나노 크기 옥수수 변성전분의 기능적 특성연구. 김명환.indd 79. 79. 2010-04-16 오후 5:14:04.