품종별 버섯 분말 첨가에 따른 고수분 압출성형 식물조직단백의 품질 특성

1. 실험재료

본 실험에 사용된 단백질 원료인 탈지대두분말은 국산 대두(Glycine max (L.) Merr.) 품종 중 가장 재배량이 많은 대원콩을 국립종자원에서 구입하여 콩의 껍질을 벗기고 착유기(STS304, Seoheung-eng Co., Paju, Korea)를 이용하여 80℃에서 압착 탈지하여 얻어진 탈지박을 롤러밀(KM18, Kyung Chang Precision Seoul, Korea)로 분말화하였다. 글루텐(Comida, ADM BAZANCOURT, France), 옥수수 전분(Samyang Ltd, Ulsan, Korea)은 시중에서 구매하여 사용하였다. 버섯은 느타리(Oyster mushroom, ‘수한’), 큰느타리(King oyster mushroom), 표고(Shiitake mushroom, ‘모리209’), 복령(Poria mushroom, ‘복령1호’), 팽이(Enoki mushroom, ‘아람’), 양송이(Button mushroom, ‘이담’)는 국립원예특작과학원에서 분말화 상태로 제공받아 사용하였다. 모든 시료는 각각 밀봉하여 4℃ 냉장 보관하였으며(GC-124HGFP, LG Electronics Inc., Seoul, Korea), 실험 직전에 꺼내어 사용하였다.

2. 고수분 압출성형 식물성 단백질 제조

버섯 분말이 첨가된 식물조직단백은 Seo MS 등(2024)과 Cho SY & Ryu GH(2021)의 연구를 참고하여 여러 차례의 예비실험을 통해 배합비를 결정하였다(Table 1). 예비실험에서 버섯 분말 15% 이상 첨가 시 조직감이 현저히 저하되어 적절한 물리적 안정성을 유지하기 어려웠다. 이에 따라 버섯 분말 첨가 수준을 10%로 결정하였다. 즉, 탈지대두분말 50%, 글루텐 30%, 옥수수전분 20%로 구성된 기본 배합을 바탕으로, 기본 배합 90%에 버섯 분말 10%를 혼합하였다. 대조군은 버섯 분말을 첨가하지 않은 기본 배합 100%로 구성하였으며, 6종의 버섯 분말은 각각 동일한 조건으로 기본 배합과 혼합하여 시료를 제조하였다. 모든 시료는 실온에서 균일하게 혼합하여 사용하였다. 고수분 식물조직단백은 Intermeshing twin-screw extruder(Process-11, Thermo Fisher Scientific, Inc., Germany)를 사용하였으며, 배럴 말단에는 냉각 다이(cooling die)를 연결하였다. 압출기는 총 7개의 독립적인 온도 제어 구간으로 구성되어 있으며, 각 구간별로 Zone 2(40℃), Zone 3(60℃), Zone 4(80℃), Zone 5(100℃), Zone 6(120℃), Zone 7(120℃), Zone 8(150℃)로 설정하였다. 냉각 다이의 온도는 130℃로 설정하였다. 스크루 회전 속도는 250 rpm으로 유지하였고, 수분은 정량펌프(BT101S Peristaltic Pump Drive, Lead Fluid Technology Co., Baoding, China)를 이용해 34 rpm (16.6 g/min)의 속도로, 원료는 12 rpm (19.6 g/min)의 속도로 각각 주입하였다.

Table 1.

Formulation of texturized vegetable protein (TVP) with mushroom powders from different cultivars

3. 외관 및 색도

색도 측정을 위해 압출성형 직후의 시료를 지름 35 mm의 투명 셀(cell)에 담아 준비하였다. 색도 측정은 색차계(Color i7, X-rite Inc., Grand Rapids, MI, USA)를 사용하여 반사광 조건에서 수행하였으며, Hunter color 체계에 따라 표면의 명도(L, lightness), 적색도(a, redness), 황색도(b, yellowness)를 측정하였다. 표준 색판으로는 백색판(L: 95.78, a: —0.22, b: 2.72)을 사용하였다. TVP의 섬유 구조와 조직화 정도를 관찰하기 위해 시료를 다양한 방향에 따라 절단하여 촬영하였다(Galaxy Jump 2, Samsung Electronics Co., Ltd, Suwon, Korea). 먼저 외관 확인을 위해 수평으로 놓고 상단에서 촬영하였으며, 가로 방향 및 높이 절반 지점을 절단한 후 단면이 드러나도록 펼친 후 내부 섬유 조직을 촬영하였다.

4. pH 및 수분함량

pH 측정을 위해 시료 2 g을 증류수에 현탁하여 10% 현탁액을 제조한 뒤, 교반하여 균질화하였다. 이후 원심분리기(2236HR, GYROZEN, Kimpo, Korea)를 이용해 4,000 rpm에서 20분간 원심분리하고, 상등액을 취하여 pH meter(Orion Star A211, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)로 측정하였다. 수분함량은 식품공전에 명시된 상압가열건조법에 준하여 측정하였다(MFDS 2024). 각 시료 2 g을 정확히 칭량하여 건조용 알루미늄 접시에 고르게 펼친 뒤, 105℃로 설정된 건조기(KMC-1202D4, Vision Co., Ltd, Bucheon, Korea)에서 건조하였다. 이후 시료는 데시케이터에서 실온으로 냉각하였으며, 냉각된 시료의 무게를 측정하여 건조 전후의 질량 차이를 바탕으로 수분 함량을 계산하였다.

5. 수분흡수력

수분흡수력은 Park CS 등(2023)의 방법을 참고하여 측정하였다. 측정을 위해 압출성형 직후의 시료 10 g을 5배 중량의 끓는 물에 넣고 3분간 가열하였다. 체에 밭쳐 실온에서 30분간 냉각한 뒤 표면의 수분을 제거하고 무게를 측정하여 아래의 식에 따라 수분흡수력(Eq. 1)을 계산하였다.

6. 고형분 용출률 및 탁도

고형분 용출률은 Park CS 등(2023)의 방법을 참고하여 측정하였다. 측정을 위해 수분흡수력 측정 시 체에 밭쳐 수거한 가열수를 미리 무게를 측정해 둔 알루미늄 접시에 담아 105℃로 설정된 건조기(Vision Co., Ltd)에서 24시간 건조하였다. 이후 데시케이터에서 실온으로 냉각한 뒤, 접시의 무게를 측정하여 아래의 식(Eq. 2)에 따라 고형분 용출량을 계산하였다. 탁도 측정을 위한 시료는 고형분 용출량 측정 시 사용한 것과 동일한 방법으로 준비하였다. 체에 밭쳐 수거한 액의 흡광도는 분광광도계(Cary 3500 Multicell, Agilent, Santa Clara, USA)를 이용하여 600 nm 파장에서 측정하였다.

7. 조직감

조직감은 물성분석기(TAXTplus, Zwick Roell, Ulm, Germany)를 사용하여 측정하였다. 압출성형 직후의 시료를 1.0 × 1.0 × 0.5 cm 크기로 절단한 뒤, 직경 2.5 cm의 probe를 이용해 변형률 30%, 2 bite 조건으로 경도(hardness), 탄력성(springiness), 씹힘성(chewiness), 응집성(cohesiveness)을 측정하였다. 절단 강도는 레오미터(COMPAC-100Ⅱ, Sun Scientific Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 측정하였으며, 시료는 1.0 × 2.0 × 0.5 cm 크기로 절단하여 횡단면의 절단 강도(cutting strength)를 측정하였다.

8. 통계분석

모든 실험은 3회 이상 반복하여 진행하였다. 실험 결과는 SPSS Statistics(ver. 23, IBM Corp, Armonk, NY, USA)를 이용하여 평균과 표준편차로 나타내었다. 시료 간의 유의성을 검증하기 위해 분산분석을 실시하였고, 시료별 평균값에 대한 유의성은 Duncan’s multiple range test를 실시하여 분석하였다.

1. 외관 및 색도

버섯 분말이 첨가된 식물조직단백의 외관은 Table 2에 제시하였으며, 외부 표면의 색도 측정 결과는 Table 3과 같다. 명도(L-value)는 버섯 분말 첨가군에서 44.08∼53.25 범위를 나타내어 대조군(61.32)에 비해 유의적으로 낮은 결과를 보였다(p<0.001). 적색도(a-value)는 팽이버섯(EM) 첨가군이 7.73으로 가장 높은 값을 나타내었으며, 대조군과 느타리버섯(OM) 첨가군이 각각 4.07, 3.93으로 가장 낮은 값을 나타내었다(p<0.001). 황색도(b-value)는 대조군이 32.84로 가장 높은 값을 나타내었으며, 버섯 첨가군은 22.58∼29.35 범위로 대조군에 비해 유의적으로 낮은 황색도를 나타내었다(p<0.001). 버섯에 함유된 멜라닌 색소는 유멜라닌과 페오멜라닌의 혼합물 형태로 존재하며, 각각 흑갈색과 황적색을 띤다(Zhang Y 등 2022). 또한 버섯에는 상대적으로 비단백질 성분(당류, 페놀류, 탄닌류 등)이 풍부하고 유리 아미노산과 환원당을 다량 함유하고 있는데, 이들 성분은 Maillard 반응의 전구물질 농도를 증가시키는 역할을 한다(Lu X 등 2020; Tepsongkroh B 등 2019). 따라서 버섯 고유의 색소 성분과 압출 공정 중 촉진된 Maillard 반응으로 인한 색소 생성 증가가 본 연구의 색도 변화에 관여한 것으로 판단된다. Ketnawa S & Rawdkuen S(2023)는 새송이버섯과 느타리버섯을 첨가하였을 때 식물조직단백의 명도와 황색도는 낮아지고, 적색도는 높아졌다고 보고하였다. 또한 Moorthi P 등(2022)의 연구에서도 버섯 첨가 비율이 증가할수록 병아리콩 기반 너겟의 명도 및 황색도가 감소하는 결과가 보고된 바 있다. 본 연구에서도 이와 유사한 결과를 보여 선행 연구 결과를 뒷받침하였다. 한편, Table 2에 제시한 외관 이미지에서 볼 수 있듯이, 대조군은 밝은 색상을 띠고 섬유층 형성은 미약한 반면, 버섯 분말 첨가군은 종류에 따라 어두운 색상을 띠며 섬유층이 뚜렷하게 발달하였다. 특히 팽이버섯(EM) 및 표고버섯(SM) 첨가군은 명확한 섬유층 형성과 일정한 결 방향을 보였으며, 느타리버섯(OM) 및 큰느타리버섯(KM) 첨가군은 굵고 일정한 섬유층을 형성하였다. 복령(PM) 및 양송이버섯(BM) 첨가군은 상대적으로 치밀하고 촘촘한 조직 구조를 나타내었다. 이는 버섯에 함유된 다당류 성분이 압출 공정 중 단백질과의 상호작용을 통해 교차결합을 형성하여 섬유층 발달에 기여한 것으로 판단된다(Cho SY & Ryu GH 2021). 특히 버섯에는 품종에 따라 불용성 β-글루칸이 건조물 기준 15∼22 g/100 g으로 다량 함유되어 있는 것으로 알려져 있는데(Sari M 등 2017), 불용성 β-글루칸 함량 차이로 인해 형성된 섬유층 형태에 차이가 있었던 것으로 사료된다.

Table 2.

Appearance of texturized vegetable protein (TVP) with mushroom powders from different cultivars

Table 3.

Color characteristics of texturized vegetable protein (TVP) with mushroom powders from different cultivars

2. pH 및 수분함량

버섯 분말이 첨가된 식물조직단백의 pH 및 수분함량은 Table 4에 제시하였다. pH 측정 결과, pH는 대조군과 버섯 분말 첨가군 간 유의적인 차이(p<0.001)를 나타내었으나, 전체적으로 모든 시료의 pH는 중성 범위를 나타내었다. 이러한 결과는 사용된 원료들의 pH가 대부분 중성 범위(pH 6.5∼7.5)에 속하며, 압출 과정에서도 pH 변화가 크게 발생하지 않았기 때문으로 판단된다. 수분함량 측정 결과, 대조군(54.51%)과 느타리버섯(OM) 첨가군(54.39%)이 가장 높은 값을 나타낸 반면, 양송이버섯(BM) 첨가군(47.31%)이 가장 낮은 값을 나타내었다(p<0.001). 앞서 언급하였듯이 고수분 압출성형 식물조직단백은 일반적으로 수분함량 40∼70% 수준에서 압출이 이루어지는데 본 연구 결과도 해당 범위에 포함되었다. 다만, 품종별로 유의적인 차이를 보였는데, 이는 첨가된 버섯 분말의 불용성 식이섬유소 함량 차이에 기인한 것으로 사료된다. 불용성 식이섬유소는 수용성 다당류에 비해 수분 결합력이 상대적으로 낮은 것으로 알려져 있으며(Manzi P 등 2001; Dhingra D 등 2012), 이러한 성분 비율의 차이가 압출 후 수분함량에 영향을 미쳤을 가능성이 있다. 한편, 양송이버섯은 상대적으로 키틴 및 불용성 섬유소 비율이 높은 것으로 보고되었는데(Vetter J 2007; Sari M 등 2017), 이로 인해 양송이버섯(BM) 첨가군이 가장 낮은 수분함량을 나타낸 것으로 사료된다.

Table 4.

pH, moisture content, water absorption capacity, soluble solids content, and turbidity of texturized vegetable protein (TVP) with mushroom powders from different cultivars

3. 수분흡수력

버섯 분말이 첨가된 식물조직단백의 수분흡수력은 Table 4에 제시하였다. 수분흡수력 측정 결과, 대조군이 4.15%로 가장 높은 값을 나타내었다(p<0.001). 버섯 분말 첨가군은 1.55∼2.24% 범위로 대조군에 비해 유의적으로 낮은 값을 나타내었으며, 첨가군 간 유의한 차이는 나타나지 않았다. 이러한 결과는 버섯 분말 첨가로 인해 불용성 다당류 비율이 높아지면서 압출 공정 중 단백질-다당류 간 상호작용이 증가하고, 제품 내부의 다공성 구조가 감소했기 때문이라 판단된다. 일반적으로 불용성 다당류는 압출 공정 시 점도를 증가시키며, 단백질과의 교차결합을 통해 보다 밀집된 네트워크 구조를 형성한다(Cho SY & Ryu GH 2021). 이로 인해 압출 중 다이 출구에서의 수분 증발과 팽창이 제한되어 다공성 구조가 감소하며 밀집된 네트워크 형성이 촉진된다(Schmid EM 등 2022). 또한, 이렇게 형성된 치밀한 조직은 수분을 유효하게 결합·보유하기보다는 구조 내부에서 수분 이동을 제한하며, 결과적으로 압출 후 최종 제품의 잔류 수분함량에 영향을 미칠 수 있다(Ketnawa S & Rawdkuen S 2023). 이러한 조직 밀도 증가와 수분보유력 저하는 수분흡수력 감소에도 영향을 준 것으로 판단된다. 유사하게 Xiao T 등(2023)도 β-글루칸 첨가량이 증가할수록 식물조직단백의 수분흡수력이 감소하는 경향을 보고하였으며, 이는 β-글루칸이 대두단백의 친수성기와 물 간의 결합을 방해한 결과로 설명하였다. 본 연구 결과도 역시 이러한 선행 연구와 일치하는 결과를 나타내었다.

4. 고형분 용출률 및 탁도

버섯 분말이 첨가된 식물조직단백의 고형분 용출률 및 탁도는 Table 4에 제시하였다. 고형분 용출률 측정 결과, KM 첨가군이 1.12%로 가장 높은 값을 나타냈으며, 복령(PM) 첨가군이 0.84%로 가장 낮은 값을 보였다(p<0.01). 이러한 결과는 첨가된 버섯 분말의 용해성 및 불용성 성분 구성과 압출 후 형성된 식물조직단백의 밀도 차이에 따른 영향으로 사료된다. 일반적으로 압출 공정 중 불용성 다당류와 단백질 간 교차결합이 증가할수록 내부 네트워크 구조가 조밀하게 형성되며, 이는 조직의 팽창성 감소와 높은 밀도로 이어진다(Cho SY & Ryu GH 2021; Schmid EM 등 2022). 이때 저분자 다당류 및 유기산 등의 용해성 성분은 단백질-다당류 복합체 내부에 완전히 포획되지 않고 자유 상태로 존재할 가능성이 높으며, 재수화 시 물에 쉽게 용출되어 고형분 용출률이 증가할 수 있다(Osen R 등 2014; Schmid EM 등 2022).

버섯에는 만노오스, 글루코스, 자일로스 등 저분자 수용성 당류와 트레오닌, 히스티딘, 발린 등 유리 아미노산이 풍부하게 함유되어 있다(Kalač P 2013). Kim MY 등(2009) 또한 버섯 품종에 따라 약용 버섯보다 식용 버섯의 유리 아미노산 함량이 높으며, 특히 양송이버섯, 느타리버섯, 팽이버섯이 높은 유리 아미노산 함량을 보인다고 보고하였다. 본 연구에서도 큰느타리버섯(KM) 및 양송이버섯(BM) 첨가군의 고형분 용출률이 상대적으로 높은 결과를 보여, 해당 품종의 저분자 수용성 성분의 영향으로 용출 성분 증가가 나타난 것으로 판단된다. 반면 복령(PM) 첨가군은 상대적으로 수용성 성분 함량이 낮아 고형분 용출이 적게 나타난 것으로 보인다.

탁도 측정 결과, 대조군이 0.18로 가장 높은 값을 나타냈으며, 버섯 분말 첨가군은 0.12∼0.16 범위로 유의적으로 낮은 값을 보였다(p<0.001). 버섯 분말 첨가군 중 표고버섯(SM), 팽이버섯(EM), 양송이버섯(BM) 첨가군에서 탁도는 가장 낮은 수준을 나타내었다. 대조군은 탈지대두 및 글루텐 기반의 단백질 비율이 높아, 압출 시 고온·고압 조건에서 강한 단백질 변성과 응집이 발생하고, 이로 인해 형성된 불용성 미세 입자가 재수화 시 용액 내 부유하여 빛 산란을 유발해 탁도 증가에 영향을 준 것으로 사료된다(Osen R 등 2014). 반면, 버섯 첨가군은 탈지대두 및 글루텐 기반 단백질 비율이 낮은 반면, 유리 아미노산 함량이 높고 다당류와 복합체 형성 특성으로 인해 단백질 변성과 응집 반응이 억제되어 보다 조밀한 네트워크 조직 형성이 촉진되었을 가능성이 높다(Kim MY 등 2009; Kalač P 2013; Schmid EM 등 2022). 이러한 조직적 특성으로 인해 미세 부유 입자 생성이 억제되어, 버섯 첨가군에서는 고형분 용출률이 증가했음에도 불구하고 탁도는 상대적으로 낮게 유지된 것으로 판단된다.

5. 조직감

버섯 분말이 첨가된 식물조직단백의 조직감 측정 결과는 Table 5와 같다. 버섯 분말 첨가군은 경도(hardness), 씹힘성(chewiness), 절단 강도(cutting strength) 특성에서 대조군 대비 유의적으로 높은 값을 나타내었다(p<0.001). 반면, 탄력성(springiness)은 팽이버섯(EM) 및 양송이버섯(BM) 첨가군에서만 대조군 대비 유의적으로 낮았으며, 표고버섯(SM) 및 복령(PM) 첨가군은 수치상 다소 낮게 나타났으나 통계적으로 유의적인 차이는 보이지 않았다. 응집성(cohesiveness)은 팽이버섯(EM) 및 양송이버섯(BM) 첨가군이 낮은 값을 나타내었으나, 다른 시료군들 사이의 유의한 차이를 보이지 않았다. 전반적으로 버섯 첨가로 인해 식물조직단백의 내부 네트워크가 보다 조밀하게 형성되고, 구조적 밀도와 기계적 저항성이 증가한 것으로 판단되었다. 앞서 언급한 버섯 유래 다당류뿐만 아니라 버섯에 다량 함유되어 있는 폴리페놀 성분은 압출 공정 중 단백질과 상호작용하여 단백질-폴리페놀 복합체 교차결합을 형성하며, 이는 내부 구조의 강도를 높이고 섬유화 구조 형성에 기여하는 것으로 알려져 있다(Cho SY & Ryu GH 2021; Sakai K 등 2021). 또한, Cho SY & Ryu GH(2021)는 느타리버섯 첨가량이 증가할수록 분리대두단백 기반 압출 식물조직단백의 경도, 씹힘성, 그리고 절단 강도가 모두 증가한다고 보고하였으며, 이는 본 연구 결과와 유사하였다. 한편, 탄력성은 고온·고압 조건에서 고분자 단백질 간의 교차결합을 통해 형성된 3차원 네트워크의 구조적 유연성 및 복원력에 의해 결정된다(Cho & Ryu 2021). 그러나 버섯 분말 첨가로 인해 전체 단백질 비율이 감소하고, 유리 아미노산 및 저분자 당류 성분이 증가하면서 이러한 성분들이 단백질 간 결합 형성을 방해하거나 네트워크 내부 공간을 점유하여, 네트워크의 복원력이 약화되었을 가능성이 높다(Samard S 등 2019; Mohamad Mazlan M 등 2020). 또한, β-글루칸 및 키틴과 같은 불용성 다당류는 압출 중 치밀한 네트워크 구조 형성에는 기여하지만, 이러한 구조는 변형 후 복원되는 탄성 특성에는 부정적인 영향을 줄 수 있다(Schmid EM 등 2022). 따라서 본 연구 결과에서 버섯 분말 첨가군들이 경도, 절단 강도는 높았으나 탄력성은 다소 낮은 값을 나타낸 것은 이러한 복합적인 요인에 의한 것이라 판단된다. 아울러, 품종별로 버섯의 다당류, 유리 아미노산 및 기타 성분 조성 차이에 따라 조직감 특성에서도 차이를 보인 것으로 사료된다.

Table 5.

Texture characteristics of texturized vegetable protein (TVP) with mushroom powders from different cultivars