부형제 종류에 따른 분무건조 칡분말의 품질특성

본 실험에서 사용된 칡은 강원도 홍천에서 2017년 12월 채취한 생 칡을 구매하여 사용하였으며, 흙과 먼지 등의 이물질을 제거하여 5-10 cm 길이로 절단한 후 건조하여 4℃에서 보관하면서 사용하였다.

칡 추출물의 제조는 절단한 칡 2 kg에 6배의 증류수를 가하여 압력 한약추출기(KSNP B1130, kyungseo e&p, Incheon, Korea)를 사용해 105℃에서 6시간 추출하였다. 추출액은 여과지에 걸러 불순물을 제거한 뒤 회전 감압농축기(N-N series, Eyela, Tokyo, Japan)를 이용해 60℃에서 최종 농도가 11 ˚Brix가 될 때까지 감압 농축하여 제조하였다.

부형제는 콘프로덕츠 코리아(Corn Products Korea Inc., Seoul, Korea)에서 구입하여 사용하였으며 β-cyclodextrin(CD), dextrin(DE=10), dextrin(DE=20) 및 gum arabic(GA)을 사용하였다. 칡 농축액 500 mL에 부형제를 각각 20%씩 첨가하고 homogenizer(RW20DZM-N, IKA^Ⓡ, Freiburg, Germany) 를 이용하여 9,000 rpm에서 10분간 균질화 하였다.

균질된 액은 분무건조기(KL-8, Seogang Engineering Co., Ltd., Cheonan, Korea)를 이용하여 칡분말을 제조하였으며, 분무건조 조건은 inlet temperature 140-150℃, oulet temperature 100-110℃로 설정하였고, pump speed 10-12 mL/min로 조절하였다. 대조 실험구로는 부형제를 첨가하지 않은 동결건조 분말을 사용하여 비교하였다.

수분함량은 적외선 수분측정기(HG53 Halogen Moisture Analyzer, Mettler-Toledo, Zurich, Switzerland)를 사용하여 측정하였으며, 색도는 색차계(CR-300, Minolta Co., Osaka, Japan)로 측정하였으며, 밝기를 나타내는 L* (lightness), 적색도를 나타내는 a*(redness), 황색도를 나타내는 b*(yellowness) 를 측정하였다.

총당 함량은 phenol-sulfate acid법(19)에 따라 측정하였다. 시료 1 mL에 5% phenol 1 mL와 sul-furic acid 5 mL를 가한 후 교반하여 발색시킨 다음 20분 방치 후 spectrophotometer(UV1800, shimadzu, Kyoto, Japan)을 이용하여 470 nm에서 흡광도를 측정하였고, glucose 표준물질 검량선에 대입하여 함량을 산출하였다.

수분흡수지수(water absorption index, WAI) 및 수분용해지수(water solubility index, WSI) 측정은 Phillips 등(20)의 방법을 변형하여 측정하였다. 건조분말 0.5 g에 20 mL 증류수를 첨가하여 3,000 rpm에서 20분간 원심분리한 후 침전물은 수분흡수지수로 계산하였으며, 상등액은 미리 무게를 구한 수기에 분리하여 105℃에서 4시간 동안 건조시킨 고형분을 수분용해지수로 사용하여 아래와 같이 계산하였다.

안식각은 시료의 흐름성을 알아 볼 수 있는 쌓임각의 방법(21)을 변형하여 측정하였다. 시료 20 g을 고정시킨 깔때기에 넣고 일시에 내려오도록 진동시켰다. 평면 위로 낙하되어 건조분말이 원뿔모양으로 퇴적시킨 후 원주의 모선을 그리고, 10 군데를 지정하여 평균 반지름을 측정하였고, 깔때기와 수평면과의 높이를 측정하여 수평면과 이루는 각을 측정하였으며 다음 식을 이용하여 안식각을 계산하였다.

Dewanto 등의 방법(22)에 따라 시료 100 μL에 2% sodium carbonate 2 mL과 50% Folin-Ciacalteu reagent 100 μL을 가한 후 720 nm에서 흡광도를 측정하였으며 gallic acid(Sigma-Aldri-ch Co., St. Louis, MO, USA)의 검량선에 의하여 함량을 산출하였다.

Abdel-Hameed의 방법(23)에 따라 시료 100 μL에 5% sodium nitrite 0.15 mL을 가한 후 25℃에서 6분간 방치한 다음 10% aluminium choloride 0.3 mL를 가하여 25℃에서 5분간 방치하였다. 다음 1N NaOH 1 mL를 가하고 vortex상에서 가한 후 510 nm에서 흡광도를 측정하였으며 rutin hydrate(Acros-Organics, New jersey, NJ, USA)의 검량선에 의하여 함량을 산출하였다.

Blois의 방법(24)에 따라 시료 0.2 mL에 0.4 mM DPPH(1,1diphenyl-2-picryl-hydrazyl)용액 0.8 mL를 가하여 10분간 방치 한 다음 525 nm에서 흡광도를 측정하였으며 계산식, DPPH radical scavening activity(%) = 100 - [(OD of sample/OD of control)×100]에 의하여 활성도를 산출하였다.

Marklund와 Marklund의 방법(25)에 따라 시료 200 μL에 pH 8.5로 조정한 tris-HCl buffer 용액 3 mL와 7.2 mM pyrogallol 200 μL을 가하고 25℃에서 10분간 반응시킨 후 1 N HCl 1 mL를 가하여 반응을 정지시키고 420 nm에서 흡광도를 측정하였으며 계산식, SOD-like activity(%) = 100 - [(OD of sample/OD of control)×100]에 의하여 활성을 산출하였다.

ADH(alcohol dehydrogenase)의 활성 측정은 ADH quantification assay kit(Megazyme, Wicklow, Ireland)를 사용하여 Megazyme protocol에 따라 측정하였다(26). 즉, 증류수 1 mL, buffer plus sodium azide(0.02% w/v) 0.1 mL, NAD+ solution 0.1 mL와 20% 에탄올 10 μL를 혼합하여 시료 20 μL를 가한 후 실온에서 2분동안 반응시킨 후 340 nm에서 기본흡광도(A1)를 측정하였다. 이후 ADH 10 μL(1 assay unit)를 가하고 실온에서 5분 동안 반응시킨 후 340 nm에서 NADH 생성 때문에 증가한 흡광도(A2)를 측정하였으며 알코올 분해효소의 활성은 변화된 흡광도(A2-A1)를 기반으로 시료를 첨가하지 않은 대조구에 대한 상대적인 활성(%)으로 나타내었다.

ALDH(acetaldehyde dehydrogenase)의 활성 측정은 ALDH quantification assay kit(Megazyme, Wicklow, Ireland)를 사용하여 Megazyme protocol에 따라 측정하였다(26). 즉, 증류수 1 mL, buffer plus sodium azide(0.02% w/v) 0.1 mL, NAD+ solution 0.1 mL과 증류수에 녹인 20% 아세트알데하이드 10 μL를 혼합하여 시료 20 μL 별로 가한 후 실온에서 2분 동안 반응시킨 후 340 nm에서 기본흡광도를 측정하였다. 이후 ALDH 25 μL(1 assay unit)를 가한 후 실온에서 5분 동안 반응시킨 후에 340 nm에서 NADH 생성 때문에 증가한 흡광도를 측정하였다. ALDH의 활성은 변화된 흡광도를 기반으로 시료를 첨가하지 않은 대조구에 대한 상대적인 활성(%)으로 나타내었다.

모든 실험은 3회 반복으로 행하여 평균치와 표준편차로 나타내었고, 유의성 검증은 SPSS 12(SPSS Inc., Chicago, IL, USA) software package program을 이용하여 Duncan’s multiple range test를 행하였다.

칡 추출물의 동결건조 및 분무건조, 부형제 종류[β-cyclodextrin(CD), dextrin(DE=10), dextrin(DE=20), gum arabic(GA)]첨가에 따른 수분함량 및 색도를 측정한 결과는 Table 1과 같다. 동결건조 분말은 4.06%를 나타내어 분무건조 분말 2.54-3.14%에 비해 높은 함량이 나타났다. 이는 분무건조 분말 제조를 위한 분무건조 공정에서 가열 온도가 증가하면 열전달 효율성의 증가로 인해 수분함량이 감소한다는 보고와 일치하였으며(27), 부형제 종류에 따른 차이는 크게 나타나지 않았다.

칡 추출 분말의 총당 함량은 동결건조, 분무건조에서 각각 15.84%, 16.97-18.72%로 분무건조에서 높게 나타내었지만 큰 차이는 나타나지 않았다. 부형제 종류에 따라서는 차이가 거의 나타나지 않았으나, 부형제로 사용된 β-cyclodextrin, dextrin, gum arabic 자체에 존재하는 당류에 의하여 부형제를 사용하지 않은 분말에 비해 높은 총 당 함량을 나타낸 것으로 생각되며, Park 등(28)은 노루궁뎅이버섯 추출물을 이용한 과립과 타블렛 제조 시 부형제로 사용한 탄수화물 제제로 인하여 총당 함량이 증가한다고 보고한 결과와 일치하였다.

분말의 외관상 품질을 결정하는 요소 중 하나인 색도의 경우 동결건조 분말의 L* 값, a* 값 및 b* 값이 각각 44.35, 2.21, 7.84를 나타내었으며, 분무건조 분말의 경우 L* 값은 40.68-41.98을 나타내었으며, a* 값 및 b* 값의 경우 2.93-3.17 및 9.36-11.21으로 분무건조 분말이 동결건조 분말에 비해 a* 값 및 b* 값이 높게 나타났다. 이러한 결과는 온도의 영향에 따른 갈변 현상으로 인한 결과로 판단되며, Kim 등(29)이 보고한 건조방법에 따른 양파분말의 품질특성에 관한 연구에서 건조온도가 높을수록 L* 값이 감소하고, a* 값 및 b* 값이 증가한다는 결과와 유사하였다.

건조 분말의 경우 수분흡수지수와 용해지수는 식품산업 활용 측면에서 중요한 가공적성 요인으로 알려져 있다(30). 건조 방법 및 부형제 종류에 따른 칡 추출물 분말의 수분흡수지수와 용해지수, 그리고 안식각을 비교한 결과는 Table 2와 같다. 칡 추출분말의 수분흡수지수(WAI)는 동결건조 분말에서 0.85로 가장 높은 지수를 나타내었으며 분무건조 분말에서 0.31-0.80의 범위를 나타내어 분무건조 시 낮은 흡수지수를 보였다. 또한 부형제를 달리하여 제조한 분무건조 분말의 흡수지수는 GA > CD > DE20 > DE10 순으로 DE10에서 가장 낮은 수치를 나타내었고 GA에서 가장 높은 수치를 나타내었다. 이는 DE에 따른 흡습성 등 부형제의 물리화학적 특성의 차이로 DE 값이 낮을수록 흡습성도 함께 낮아지는 특성에 기인된 결과로 사료되며(31), Kim 등(32)의 블랜칭 처리 및 부형제 종류에 따른 곰취 착즙액 분무건조 분말에서 DE 값이 낮을수록 흡습지수가 낮아진다고 보고하여 본 연구결과와 일치하였다. 또한 Han과 Youn(33)의 습식분쇄하여 분무건조한 초미세 분말 칼슘의 품질특성에서 gum arabic을 첨가하여 제조한 액상초미세칼슘 분무건조 분말이 가장 많이 흡습하는 것과 유사한 결과를 나타내었다.

수분용해지수는 동결건조 분말에서 93.95%로 가장 낮게 나타내었으며 분무건조 분말에서 97.23-98.95%로 나타나 우수하였다. 용해도의 경우 분말에서 중요한 품질특성으로 간주됨에 따라 β-cyclodextrin 및 dextrin(DE=10-20)을 부형제로 활용할 경우 용해도 증가에 유효할 것으로 판단된다.

안식각은 자유낙하한 분말이 바닥에 떨어지면서, 퇴적층이 차지하는 최대경사의 수평면과 이루는 각도로 안식각이 작을수록 분체의 유동성이 좋은 것으로 판단할 수 있는데, 이를 통해 분말의 caking 정도를 간접적으로 측정할 수 있다(34). 동결건조 분말의 안식각은 18.38°, 부형제를 첨가하지 않은 분무건조 분말의 안식각은 16.43°로 나타나 분무건조 분말의 안식각이 낮음을 확인하였다. 안식각이 작을수록 입자가 더 멀리 넓게 퍼지는 것을 의미한다(35). 따라서 부형제별 분무건조 분말의 안식각을 비교분석한 결과 gum arabic을 사용한 분무건조 분말이 10.62로 가장 낮은 안식각을 나타내어 유동성을 증대시킨 제품을 생산하거나 산업적 활용에 우수할 것으로 사료된다.

총 폴리페놀 함량은 동결건조와 분무건조에서 g당 각각 11.28 mg과 13.52-17.41 mg으로 분무건조가 동결건조에 비하여 높은 함량을 나타내었다. 분무건조 분말의 경우 부형제를 사용하지 않은 분말이 17.41 mg로 가장 높게 나타났으며, 부형제 종류에 따라서는 GA에서 가장 높게 나타내었으나 부형제 종류에 따라 큰 차이는 나타나지 않았다. 총 플라보노이드 함량에서도 마찬가지로 동결건조와 분무건조에서 g당 각각 6.91 mg, 10.17-11.25 mg로 분무건조가 유의적으로 높은 함량을 나타내었지만 부형제 종류에 따른 분무건조 분말간의 차이는 크지 않았다. 이는 Lee 등(36)의 감국, 산국 및 구절초꽃 분말 차의 총 폴리페놀 및 플라보노이드 함량을 측정한 결과 부형제의 종류 및 농도에 따라 유의적인 차이를 나타내지 않은 결과와 유사하였다.

칡 추출물의 분무건조 및 동결건조한 분말의 DPPH radical 소거활성 및 superoxide dismutase(SOD) 유사활성을 조사한 결과는 Fig. 1, 2와 같다. DPPH 소거활성의 경우 모든 농도에서 분무건조 분말이 동결건조 분말에 비해 높은 활성을 나타내었으며, 특히 1 mg/mL 농도에서 분무건조가 68.39-72.45%, 동결건조가 61.18%로 분무건조가 동결건조에 비해 더 높은 DPPH 라디칼 소거활성을 나타내었다. DPPH 라디칼 소거활성은 분무건조 시 항산화 활성이 증대되는 현상은 칡 추출물에 존재하는 환원성 물질, 고분자 물질, 라디칼 소거활성을 가지는 물질 등으로 인해 폴리페놀의 함량이 증가함에 따라 활성 또한 증가한 것으로 판단된다.

Fig. 1. Electron donating ability of spray-dried powders prepared with Pueraria thunbergiana extracts. Values are mean±SD of triplicate determinations. Values with different letters on the bar (a-e) indicate significant differences (p<0.05).

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Fig. 2. Superoxide dismutase like activity of spray-dried powders prepared with Pueraria thunbergiana extracts. Values are mean±SD of triplicate determinations. Values with different letters on the bar (a-b) indicate significant differences (p<0.05).

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칡 추출물의 분무건조 및 동결건조한 분말의 superoxide dismutase(SOD) 유사활성을 조사한 결과 Fig 2와 같다. SOD 유사활성은 동결건조 및 분무건조 각각 13.25%, 13.07-14.37%로 유사한 활성을 나타내었으며 Kim 등(37)의 해조분말 추출물의 건조방법에 따른 품질 및 항산화 특성에서 미역 추출물의 분무 및 동결건조 분말의 SOD 유사활성이 차이가 나타나지 않은 결과와 일치하였다. SOD 유사활성이란 SOD와 같이 superoxide를 정상의 산소로 전환시킬 수는 없으나 superoxide의 반응성을 억제하여 생체를 산화적 손상으로부터 보호할 수 있는 주로 phytochemical의 저분자 물질이라고 보고하였다(38). 따라서 칡 추출물의 SOD 유사활성은 건조 방법 및 부형제 종류에 따른 영향을 받지 않는다고 사료된다.

칡 추출물의 분무건조 및 동결건조한 분말의 ADH 및 ALDH 활성을 조사한 결과는 Table 4와 같다. 체내 알코올 대사 1차 관여 효소인 ADH의 활성 증진 정도를 측정하였으며, 또한 acetaldehyde 분해에 직접적인 영향을 미치는 효소인 ALDH의 활성에 대하여 조사하였다. ADH 활성은 동결건조 분말 191.49%, 분무건조 분말 187.01-227.7%로 활성 증가를 확인하였다. 부형제를 첨가하지 않은 분무건조 분말에서 227.7%로 가장 높게 나타났으며 부형제를 첨가한 분말에서는 CD > DE10 > GA > DE20 순으로 나타났다. ALDH 활성은 동결건조, 분무건조 각각 23.9%, 24.71-27.97%로 분무건조 분말에서 ALDH 활성 증진 효과가 더 높게 나타내었으나 유의적인 차이는 나타나지 않았으며, 또한 부형제 종류에 따른 활성 차이도 나타나지 않았다. 이는 Hong 등(39)의 dextrin과 β-cyclodextrin이 생체내에서 헛개나무 추출물의 알코올성 손상으로부터 간보호에 미치는 영향에서 dextrin과 β-cyclodextrin가 ADH 및 ALDH 활성에 영향을 미치지 않은 결과와 유사하였다.

따라서 β-cyclodextrin을 부형제로 분무건조한 분말은 ADH, ALDH 활성을 증진시키는 제품을 생산할 경우 활성에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 판단되며, 기능성 식품소재의 부형제로서 유용하리라 사료된다.