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효소 처리한 돈혈 활용 철분분말제제 특성

김미연1, 김민아1, 정용진1,*
Mi-Yeon Kim1, MinA Kim1, Yong-Jin Jeong1,*
Author Information & Copyright
1(주)케이엠에프
2계명대학교 식품보건학부
1KMF Co., Ltd., Daegu 41065, Korea
2Department of Food Science and Technology, Keimyung University, Daegu 42601, Korea
*Corresponding author. E-mail:yjjeong@kmu.ac.kr Phone:82-53-580-5557, Fax:82-53-580-6477

Korean Journal of Food Preservation. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Received: Jun 01, 2016; Revised: Jun 20, 2016; Accepted: Jun 21, 2016

Abstract

In this study, enzyme (thermoase) hydrolysis was applied to the porcine blood order to increase the iron content and solubility. It was confirmed that content of iron was increase up to 158.11 mg/100 g porcine powders after 0.2% thermoase treatment at 60℃ during 4 hr. The solubility of porcine blood powders was higher than other enzyme (various protease), temperature, reaction time. This optimized conditions were also worked to the in vitro iron bioavailability rate increasement, the bioavailability of hydolyzed porcine powders was 3-fold higher than that of an iron supplement on the market. These results indicate the possibility of porcine blood powder in iron supplements market as natural material. Also utilizing of reduced porcine blood will be possible to improve environmental issues.

Keywords: porcine blood; iron powder; protein hydrolysis condition; iron bioavailability

서 론

철분은 성인 기준 체중의 약 8% 구성하는 혈액 중에서 헤모글로빈의 구성성분으로 산소 운반에 필수적인 역할을 하며(1) 인체 내 약 3 g 정도를 차지하고 있다고 알려져 있다. 이러한 철분의 결핍은 부적절한 식단 유지, 체내 철분 흡수의 불량, 혈액 손실, 반복되는 임신 등의 이유로 인하여 영․유아 및 가임기 여성에게서 흔하게 발생한다(2). 철분은 생체 내에서 이루어지는 거의 모든 대사에 필수적인 성분이지만(3) 식품을 통한 철분 섭취는 흡수율이 10~30% 정도로 낮은 편이며, 그 이용률은 체내 철분 저장량, 식이인자 등에 의해 영향을 받는다(1). 부족한 철분의 보충을 위하여 복용하는 철분제는 대부분 염화 제 2철, 구연산 철, 피로인산 제 2철 등의 철 화합물을 이용한 합성철분제가 차지하고 있다(4). 합성철분제의 경우 무기철 성분으로 철의 함량이 높고 저렴한 장점이 있는 반면, 생체 흡수율이 낮고 과다 복용시 철분 중독 증상 또는 위장 장애를 발생시키는 단점이 있다(5). 체내 이용률 증가 및 부작용 감소를 위한 천연철분제에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 그 원료로 말의 비장에서 추출한 페리친 제제(6), 소 또는 돼지의 혈액에서 추출한 헴철 등이 이용되고 있다(7). 현재 판매되는 천연철분제 또는 그 원료는 대부분 수입에 의존하고 있어(8) 국내에서도 가축의 혈액을 원료로 하여 철분제 개발이 필요한 실정이다.

일반적으로 돼지 1마리당 2.3 L의 혈액이 방출되며, 2014년 기준 연간 약 3만 5천 톤의 폐혈액의 처리에 들어가는 비용은 약 227,100천원에 달하는 것으로 보고되었으며, 이는 도축 비용 처리 문제뿐만 아니라 환경오염, 위생 등의 문제와도 관련성이 높다(9). 이러한 도축 폐기물인 혈액을 활용하기 위한 방안으로 혈액을 이용한 기능성 소재(10), 아미노산제제로서의 활용(11), 항고혈압 식품소재용 ACE 저해 펩타이드 소재연구에 대한 보고가 있었으며(12), 효소를 이용한 가수분해 처리에 의한 돈혈 분말에서 무기질 성분이 풍부하게 존재하는 것을 확인한 바가 있다(13). 덴마크에서는 돈혈의 혈장을 식품첨가물로 가공하여 사용하고 있고(14) 일본에서도 돈혈을 이용한 철분 보충제제가 판매되고 있는 등 돈혈의 이용이 확대되고 있으며 이로 돈혈로 제조한 철분제의 가능성을 크다는 것을 알 수 있다. 본 연구에서는 돈혈의 철분을 다양하게 활용하기 위하여 단백질 분해효소를 이용하여 생체이용률이 높은 철분제를 제조하고, 그 특성에 관한 연구를 진행하였다.

재료 및 방법

실험재료

본 실험에 사용된 돈혈은 2015년 2월에서 3월 사이 3차례에 걸쳐 공급받았으며, 공급받은 샘플은 혈액의 응고방지를 위하여 구연산나트륨(DAEJUNG, Siheung, Korea)을 첨가하여 냉암소에서 보관하며 1~2일 내로 사용하였다. 가수분해효소는 현재 시판되는 Alcalase, Protamex, Esperase, Neutrase, Thermoase 및 Flavourzyme의 단백질 가수분해효소를 사용하였다. Alcalase와 Neutrase는 Novo 사(Novo Nordisk, Bagsvared, Denmark)에서 구입하여 사용하였고, 나머지 효소는 Sein Corporation Ltd.(Daegu, Korea)에서 제공받아 사용하였다.

효소처리 및 시료준비

돈혈의 가수분해를 위한 효소처리는 동일한 혈액의 양에 단일 처리시 0.2%, 복합 처리시 0.1%를 각각 첨가하여 진탕배양기(Maxturdy 45, Wisd, Wonju, Korea)에서 공통 최적 활성온도인 55℃로 100 rpm으로 진탕하며 4시간 동안 가수분해 한 다음 60℃에서 열풍 건조한 뒤 분쇄하여 1 mm sieve로 거른 돈혈분말 시료를 직사광선을 피한 서늘한 곳에서 보관하며 실험하였다.

총 고형분 함량, pH 및 색도 측정

총 고형분 함량은 digital refractometer(Pal-3, ATAGO Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 측정하였고 pH의 측정은 pH meter(ST3100, OHAUS, Parsippany, NJ, USA)를 이용하여 실온에서 측정하였다. 돈혈분말의 용해도 확인을 위하여 증류수 10 mL에 돈혈분말 0.1 g을 용해한 뒤 액상의 색도를 측정하였다. 색도 측정은 UV-spectrophotometer (UV-1800, Shimadzu, Kyoto, Japan)를 사용하여 측정하였으며 UV PC optional color analysis software를 이용해 명도(L), 적색도(a), 황색도(b) 값으로 변환하여 Hunter’s color value로 나타내었다. 이 때 대조구는 증류수를 사용하였으며 L=99.99, a=-0.11, b=-0.02의 값으로 측정되었다.

무기질 함량

돈혈 분말의 무기질 함량은 습식분해법(wet digestion method)(15)으로 분석하였다. 시료 1 g에 65%의 HNO3 6 mL와 30% H2O2 1 mL를 teflon bottle에 담은 후 이를 전처리 시험용액으로 하며, microwave digestion system(Ethos-1600, Milestone, Sorisole, Italy)을 이용하여 최고 600 W로 총 20분간 산분해를 실시한 다음, 전처리 과정을 거친 시료용액을 0.45 μm membrane filter(Milipore, New York, NY, USA)로 여과하여 유도결합플라즈마 원자방출분광기(ICP-IRIS, Thermo Elemental, Waltham, MA, USA)로 분석하였다.

In vitro 철분 분말의 생체이용률 측정

돈혈분말의 생체 내 이용률을 측정하기 위하여, Miller 등(16)의 방법으로 실험하였다. 실험에 사용된 돈혈 분말의 양은 미리 측정된 분말 내 철분 함유량을 철분의 1일 권장섭취량 기준(최대 14 mg)으로 환산하여 사용하였다. 환산된 돈혈 분말과 증류수의 무게 합을 100 g으로 하여 용해 한 다음 6 N HCl을 이용하여 pH 2로 보정하였으며 0.1 N HCl에 녹아있는 16% pepsin 용액을 0.5% (w/w) 첨가하여 37℃ 진탕배양기(Maxturdy 45, Wisd, Wonju, Korea)에서 2시간 동안 진탕시켰다. 진탕 완료 된 시료 20 g을 투석막(dialysis tubing cellulose membrand, Sigma)이 모두 잠길 수 있는 비이커(약 250 mL)에 넣고 3차 증류수 25 mL과 0.5 N NaHCO3가 함유 된 투석막을 잠기도록 넣은 후 pH 5에 도달할 때 까지 37℃ 진탕배양기에서 75 rpm으로 진탕시켰다. 이때 0.5 N NaHCO3는 진탕 완료한 시료 20 g에 pancreatin-bile extract mixture을 5 mL 혼합하고 0.5 N KOH를 이용하여 pH 7.5로 보정한 양과 동일하게 첨가하였다. pH 5에 도달된 시료에 pancreatin-bile extract mixture 5 mL 첨가 후 37℃ 진탕배양기에서 75 rpm으로 2시간 추가 진탕 시켰다. 진탕 종료 후 투석막 안의 투석액을 membrane filter(pore size 0.45 μm, Advantec MFS, Tokyo, Japan)를 이용하여 철분생체이용률을 측정하였다. 돈혈분말로 만들어질 철분 보조제의 우수성을 확인하기 위하여 판매중인 철분 보충용 제품 1제품을 시중에서 구입하여 같은 방법으로 측정하여 비교하였다. In vitro 철분 생체이용률은 아래의 식을 따라 계산하였다.

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결과 및 고찰

가축의 폐기 혈액을 이용하여 각종 단백질 및 아미노산을 제조하는 연구는 다양한 분야에서 보고되어 있으며 최근 혈액 내 철분을 분리하여 철분제제로서의 개발 가능성에 대한 연구가 진행되고 있다. 대부분의 연구는 혈액 내 철분, 특히 헴철을 추출하여 분리, 정제하는 등의 방식을 취하고 있다(4). 본 연구에서는 도축 후 폐기되는 돈혈을 활용한 철분분말제제 개발을 위하여 단백질 분해 효소를 이용하여 돈혈 분말을 제조한 뒤 각 분말의 품질특성, 무기질 함량 및 용해도 확인을 위한 색도 측정 등을 통해 철분함량 및 용해도가 높은 철분분말 제제 개발 가능성을 확인하고자 하였다.

총 고형분 함량, pH 및 색도 측정

국내 도축장에서 수급 받은 혈액에 6종의 단백질 가수분해 효소를 처리하여 pH, 총 고형분 함량 및 무기질 분석을 실시한 결과를 Table 1, 2에 나타내었다. 분석 결과 6종의 가수분해 효소 처리시 pH는 Thremoase 처리시 pH 6.65로 가장 낮게 측정되었으며, 총 고형분 함량은 6종의 효소처리 구간에서 모두 증가하였고 Thermoase 처리구에서는 2배 정도 증가한 것을 확인하였다. Kim 등(17)은 단백질 가수분해 효소 처리과정 중 총 고형분의 함량이 처리하지 않은 구에 비하여 상승하였다고 보고하고 있으며, Noh 등(18) 또한 상업적 효소를 이용한 가수분해 후 총 고형분 함량이 증가하였다고 보고하고 있어, 본 결과와 유사하였다. 무기질 분석 결과, 효소처리시 Fe, Ca, K, Mg, Na, 및 Zn 함량이Esperase 처리구에서 약 30% 높게 측정되었으며, Fe 흡수를 돕는 Zn의 경우 약 28% 높게 측정되었다. 용해도 확인을 위해 각 돈혈 분말을 1% (w/w) 농도로 증류수에 용해시켜 확인한 결과 Thermoase 처리시 가장 용해도가 높은 것으로 확인되었다.

Table 1. pH and soluble solid of porcine blood hydrolysates treated with various enzymes
Kinds of protease pH Soluble solid (°Brix)
Control 7.54±0.041) 11.67±0.51
Alcalase 7.29±0.03 12.25±0.64
Protamex 7.55±0.20 13.15±0.07
Esperase 7.29±0.06 12.15±0.49
Neutrase 7.43±0.05 12.30±0.00
Flavourzyme 7.38±0.07 12.60±0.14
Thermoase 6.65±0.10 22.93±0.15

1)Mean±SD (n=3).

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Table 2. Mineral contents of porcine blood hydrolysates treated with various enzymes
Kinds of protease Mineral contents (mg/100 g)
Fe Ca K Mg Na Zn
Control 82.05 49.95 252.57 18.31 955.03 1.03
Alcalase 82.99 70.99 1180.39 22.87 1143.85 1.22
Protamex 90.23 66.28 1189.79 25.97 1744.46 1.20
Esperase 108.37 69.66 1071.04 23.28 1447.83 1.27
Neutrase 95.65 71.10 1129.82 22.84 1526.47 1.32
Flavourzyme 82.99 70.99 1180.39 22.87 1483.35 1.22
Thermoase 110.00 63.86 1129.89 26.42 1712.81 1.42
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무기질 함량

Thermoase를 이용하여 돈혈의 분리도에 따른 무기질 분석 및 용해도 평가를 진행하였으며 그 결과는 Table 3,4에 나타내었다. 돈혈의 전혈, 응고혈 및 응고혈을 제외한 잔혈을 이용하여 동일한 조건에서 Thermoase를 처리한 결과, 전혈에 Thermoase를 처리한 구에서 158.11 mg/100 g으로 Fe 함량이 가장 높은 것을 확인하였다. 용해도 확인을 위한 1% 용해액의 색차 측정 결과 전혈의 Thermoase 무처리구 색차값인 69.44보다 감소한 것으로 나타났다.

In vitro 철분 분말의 생체이용률

Thermoase 0.2%, 4시간처리 후 열풍건조 조건 하에서 돈혈분말을 제조하여 생체이용률을 확인하였으며 그 결과를 Table 5에 나타내었다. 선정된 시중의 철분 보조제와의 비교한 결과, 돈혈 분말은 22.00%의 체내흡수율로, 시중의 철분 보조제의 체내 생체이용율 7.50%보다, 약 2.9배 높은 것으로 나타났다.

Table 3. Mineral contents of each porcine blood hydrolysate treated with 0.2% Thermoase
Condition Mineral contents (mg/100 g)
Fe Ca K Mg Na Zn
Whole blood Control 117.99 46.70 196.19 22.07 1045.77 1.31
Thermoase 158.11 59.71 877.66 31.85 1875.55 1.81
Coagulated blood Control 30.92 32.71 155.84 24.91 581.64 1.41
Thermoase 51.33 37.17 283.62 25.45 459.03 1.49
Remainder blood Control 45.60 77.66 196.67 16.00 901.08 1.36
Thermoase 48.75 74.47 122.09 13.26 531.83 1.08
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Table 4. Hunter 's color value of each porcine blood hydrolysate treated with 0.2% Thermoase
Condition Hunter’s color value1)
L a b ΔE
Whole blood Control 65.22±0.012) 4.00±0.02 23.49±0.00 69.44±0.01
Thermoase 33.26±0.002 27.96±0.01 19.70±0.00 47.71±0.00
Coagulated blood Control 67.85±0.00 8.36±0.00 25.66±0.01 73.02±0.00
Thermoase 31.32±0.013 31.94±0.00 19.22±0.01 48.69±0.01
Remainder blood Control 30.14±0.002 27.74±0.00 18.68±0.01 45.02±0.00
Thermoase 34.64±0.002 27.64±0.01 20.32±0.00 48.75±0.00

1)Solution of 1% DW.

2)Mean±SD (n=3).

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즉, 폐기되는 돈혈의 철분제제로서의 활용 가능성 검토 결과, Thermoase 0.2%, 4시간 처리 후 열풍건조를 거친 돈혈분말에서 Fe, Zn 등의 무기질 함량 및 용해도가 증가하는 것을 확인하였다. In vitro 생체이용률에서도 판매중인 제품에 비해 약 2.9배가 높으므로 돈혈의 철분제제로서의 개발시 생체이용율이 높을 것으로 판단된다.

가공처리가 간단하여 도살 직후 폐혈액을 수급하여 가공처리가 가능한 장점과 열풍건조를 거친 분말형태를 통하여 폐혈액의 활용도를 증가시킬 수 있을 것으로 기대되므로, 혈액 부산물 활용에 대한 제도적인 개선이 이루어져야 하며, 생체이용률이 높으면서도 저렴한 철분제에 대한 연구가 계속적으로 보고되고 있는 만큼(19-22) 현재 시중 판매 중인 제품과의 차별성에 대한 보완 연구가 진행되어야 할 것이다. 특히, 특유의 향 개선에 대한 제제연구가 추가적으로 더 진행되어야 할 것으로 사료된다. 또한 돈혈 수급에 있어서 구제역 등의 여파로 인해 일정한 공급이 원활하지 않고, 공급 루트 자체가 정형화 되지 않은 점 등의 문제점으로 인하여 철분제의 대량 생산시 어려움이 있을 것으로 예상된다. 2014년 농림축산식품부 및 농림축산검역본부 주체로 도축장 식육부산물 위생관리 매뉴얼이 발간되어 도축장의 위생관리감독 및 유통관리감독의 체계가 구축됨에 따라 추후 추가 연구 및 관리의 병행이 이루어진다면 국내 철분시장에서의 돈혈을 이용한 고부가가치 제품 창출에 도움이 될 것으로 판단된다.

Table 5. In vitro iron bioavailability rate of porcine blood powder and iron supplement
Contents Iron contentsin dialysis membrane(mg/kg) In vitroiron bioavailability rate(%)
Porcine blood powder1) 3.08 22.00
Iron supplement2) 1.06 7.57

1)Treated with Thermoase 0.2% in porcine whool blood, heating at 60℃ during 4 hr and treated hot air drying.

2)Iron supplement in the market.

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요 약

본 연구에서는 도축장에서 폐수 처리되는 돈혈을 활용하여 단백질 분해 효소 처리를 하여 철분함량 및 용해도가 높은 철분분말을 제조하고자 하였다. 철분함량을 높이기 위하여 효소처리 및 혈액 분리 정도에 따른 돈혈 분말의 품질특성을 분석하였고, 그 결과 수급 받은 돈혈의 전혈에 Thermoase 0.2%를 첨가한 후 60℃에서 4시간 처리하여 여과, 열풍건조처리를 하였을 때 철분함량이 110.00 mg/100 g 으로 가장 높은 것으로 확인되었으며, 재수화성 역시 높은 것을 확인하였다. 또 철분 보조제로써 활용 가능 여부를 확인하기 위하여 최종조건에 따라 제조 된 돈혈분말의 생체이용률을 측정하였으며, 대표적인 시중 판매 제품 보다 2.9배 높은 것으로 확인 되었다. 따라서 영양학적 가치가 있는 돈혈을 활용하여 철분분말을 제조한다면, 수입에 의존하고 있는 철분시장에 국내산 천연재료 공급이 가능할 뿐만 아니라 이의 폐기처리로 인한 비용처리 및 환경오염을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

감사의 글

본 논문은 2015년도 농림수산식품기술기획평가원의 과제 지원으로 수행된 연구에 의한 것입니다.

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