반응표면분석법을 이용한 식혜의 최적 분무건조 조건

엿기름 가루는 시중에 판매되고 있는 하늘가애 (Hamyangnonghyup, Hamyang, Korea) 제품을 마트에서 구 입하여 사용하였다. 식혜제조에 사용된 쌀은 경기도에서 생산되는 ‘호품’종을 이용하였다. 식혜의 분무건조 시 첨가 되는 피막물질은 maltodextrin(TS Corporation)을 이용하였 으며, 제조된 식혜와 피막물질을 혼합하여 분무건조기 (Mini spray dryer B-290, BUCHI Labortechnik AG, Switzerland)를 이용하여 분말화하였다.

엿기름 β-amylase의 활성은 1분당 PNPG5(p-nitrophenylmaltopentaoside) 로부터1 micromole의p-nitrophenol을 생산할 수 있는 효소의 총량인 betamyl unit로 나타내었다. β-Amylase 활성은 β-amylase kit(Megazyme, Wicklow, Ireland)를 사용 하여 MaCleary와 Codd의 Betamyl 방법(17)으로 측정하였 다. 엿기름 가루 0.5 g을 100 mL 정용플라스크에 담고 5 mL의 extraction buffer(0.05 M Tris-HCl, 1 mM EDTA)를 넣고 20℃에서 1시간 동안 효소를 추출한 후 1,000×g에서 10분간 원심분리하였다. 상등액 0.2 mL을 10 mL dilution buffer로 희석하여 효소추출액으로 사용하였다. 40℃에서 5분간 미리 incubation 시킨 PNPG5(p-nitrophenylmaltopentaoside) 를 포함하는 기질용액 0.2 mL과 효소추출액 0.2 mL을 test tube에 넣고 40℃에서 10분간 반응시켰으며 3 mL의 stopping reagent(1% (w/v) Trizma)를 넣고 혼합하여 반응을 중지시켰다. 반응물의 흡광도는 UV-visible spectrophotometer(UV-2550, Shimadzu, Kyoto, Japan)를 이 용하여 410 nm에서 측정하였다.

엿기름 가루 250 g에 물 2.5 L를 넣고 40℃에서 3시간동안 추출시킨 후 24시간동안 냉장(4℃)시켜 맑은 상층액을 엿기 름 추출물로 사용하였다. 쌀 250 g에 물 250 mL을 넣어 고두밥을 지은 다음 여기에 미리 준비한 엿기름 추출물을 넣고 70℃에서 3시간동안 당화시켰다. 이후 당화시킨 식혜 는 100℃에서 20분간 가열하여 설탕을 첨가하지 않고 시료 로 사용하였다.

당화시킨 식혜는 체(100 mesh)를 이용하여 밥알과 고형 물을 제거한 후 피막물질인 MD를 혼합하여 분무건조기에 유입하면서 inlet 온도별, 식혜의 공급 속도별로 조건을 달 리하여 분무건조(Mini spray dryer B-290, BUCHI Labortechnik AG, Flawil, Switzerland) 하였다. 식혜의 최적 분무건조 조 건을 예측하기 위해 반응표면분석법(RSM)을 실시하였고 실험구는 예비실험 결과를 바탕으로 중심합성계획법 (central composite design)을 사용하여 설정하였다. 분무건 조에 영향을 미치는 인자(parameter)인 공정의 독립변수 (X_n)는 피막물질인 MD 첨가비율(X₁)과 분무건조기의 inlet 온도(X₂), 분무건조기로 유입되는 시료의 공급속도(X₃)로 설정하였고, 독립변수에 대한 실험범위는 예비실험을 통해 5단계(-2, -1, 0, 1, 2)로 부호화하였다(Table 1). 이 후 중심합 성계획법으로 도출된 16개의 분무건조 조건을 무작위로 수행하여 분말화된 식혜의 흡습량, 용해도, 입자크기를 측 정하였다.

분말화된 식혜 0.5 g을 aluminium dish에 담고 질량을 측정한 후 습도를 보정한 데시케이터에서 3시간 보관한 다음 질량을 측정하여 흡수된 수분의 함량을 계산하였다. 습도의 보정은 데시케이터 밑바닥을 일정량의 증류수로 채운 후 24시간 동안 포화시켜 일정한 습도(92%, 20℃)를 유지하였다.

분말시료 0.5 g에 20 mL의 증류수를 가한 후 1분간 vortex 로 혼합시킨 다음 상층액을 제거하고 전 후의 무게 차이를 구한다음 백분율로 나타내었다. 각 시료는 3번씩 측정하여 평균값을 산출하였다.

분무건조에 의해 건조된 분말의 입자크기를 측정하기 위해 particle size analyzer(HELOS BF&QUIXEL, Sympatec, Clausthal-Zellerfeld, GERMANY)를 이용하여 건식 분석법 으로 측정하였으며 각 시료는 3번씩 측정하여 평균값을 산출하였다.

반응표면분석은 MD의 첨가비율(X₁), 분무건조기 inlet 온도(X₂), 시료 공급속도(X₃)을 독립변수로 설정하였고 독 립변수조건에 대한 분말의 흡습량(Y₁), 용해도(Y₂), 입자크 기(Y₃)를 종속변수로 하였다. 또한 이들의 독립변수(X_n)에 영향을 받는 종속변수(Y_n)는 아래와 같은 2차 회귀식으로 나타냈으며, 최적점을 찾기위해 반응표면그래프의 최대점, 최소점, 안장점 및 능선의 형태를 파악하여 예측하였다.

Y= b₀+b₁X₁+b₂X₂+b₃X₃+b₁₁X₁²+b₂₁X₂X₁+b₂₂X₂² +b₃₁X₃X₁+b₃₂X₃X₂+b₃₃X₃²

본 실험의 모든 통계분석과 최적화는 MINITAB software (17, Minitab Inc., State College, PA, USA)를 이용하였다.

식혜의 제조에서 전분의 당화에 관여하는 엿기름의 효소 작용은 식혜의 단맛과 풍미에 큰 영향을 미친다. 주로 당화 력은 보리품종에 따라 큰 차이를 나타내며 α-amylase보다 β-amylase와 높은 상관관계가 있다(18). 본 실험에서 사용 한 엿기름의 β-amylase 활성을 측정한 결과 1,323.01±76.59 betamyl unit이였고, 이는 Ryu 등(19)이 보고한 시판중인 엿기름 6종의 효소활성을 측정한 471.2~922.4 unit/g 범위 보다 높은 값을 나타낸 결과였다.

중심합성계획법에 의하여 산출된 16개의 실험구의 처리 조건에 따른 흡습량, 용해도, 입자크기는 Table 2와 같다. 흡습량은 0.023~0.048 g, 용해도는 78.77~96.08%, 분말 입 자의 크기는 6.34~13.24 μm의 범위를 나타냈다. 분무건조 를 통한 식혜분말의 독립변수(흡습량, 용해도, 입자크기)에 대한 회귀분석식은 Table 3과 같으며 흡습량은 p<0.001, 용해도는 p<0.05, 입자크기는 p<0.001 수준에서 유의성이 인정되었다. 피막물질을 첨가한 식혜의 분무건조 시 각 변 수의 F ratio는 Table 4에 나타내었다.

분말제품의 흡습특성은 저장기간 중 품질변화에 큰 영향 을 미치며 흡습성이 크면 caking 현상 발생을 유도하고 저장 안정성이 낮아진다고 보고되었다(20). 본 실험의 처리조건 에 따른 분무건조 식혜의 흡습량에 대한 반응표면 회귀식의 R²값은 0.97였고 p<0.001 이내에서 유의성이 인정되었다. 예측된 정상점은 안장점으로 MD 24.03%, inlet 온도 125.5 5℃, 시료 공급속도 48.09 mL/min이며 흡습량은 0.022 g였 다. 흡습량은 inlet 온도에 유의적으로 가장 큰 영향을 받았 으며 maltodextrin 첨가, 시료의 공급속도의 순으로 으로 나타났다. Table 3의 회귀식과 같이 일차항에서 독립변수인 피막물질 MD 첨가량과 분문건조기의 inlet 온도는 분말식 혜의 흡습량에 감소요인으로 나타났고 분무건조기로 유입 되는 시료의 공급 속도는 증가요인으로 나타났다. 또한 MD 의 첨가량과 분무건조기 inlet 온도는 긍정적 상호작용을 보인 반면에 분무건조기의 시료 공급속도는 MD의 첨가량 과 inlet 온도와 부정적 상호작용를 나타냈다. Kelly 등(21) 은 분무건조 시 inlet의 온도가 높아짐에 따라 분말의 수분함 량과 수분활성도가 높아진다고 보고하였으며 본 실험에서 도 inlet 온도가 높을수록 흡습량이 증가하였으며 이는 생산 된 분말의 초기 수분함량이 낮아 더 많은 수분을 흡습한 것으로 생각된다.Fig .1

Fig. 1. Response sur face analysis for the effects of spray drying conditions on water uptake (g) of Sikhye powder .

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식혜분말의 용해도에 대한 반응표면 회귀식의 R²값은 0.92였고 p<0.05의 수준에서 유의성이 인정되었으며 반응 표면그래프는 Fig. 2에 나타내었다. 종속변수인 용해도와 3가지 독립변수와의 관계는 MD 첨가량에 대한 영향이 가 장 컸으며 inlet 온도, 공급속도 순이었다(Table 4). 예측된정 상점은 MD 19.38%, inlet 온도 152.92℃, 시료 공급속도 44.30 mL/min 일 때 최대값 95.93%로 예측되었다. 독립변 수인 MD첨가량과 inlet 온도는 서로 긍정적인 상호작용을 보였으며 inlet 온도와 시료 공급속도도 긍정적인 상호작용 을 보였다. Fig. 2와 같이 MD의 첨가량이 많아질수록 유의 적(p<0.001)으로 분말식혜의 용해도는 감소하는 경향을 보 였다. 일반적으로 망고나 파인애플 주스의 분무건조 시에 도 말토덱스트린의 첨가량이 많아질수록 건조분말의 용해 도가 감소하는 경향을 보인다고 하였으며 이는 말토덱스트 린과 같은 첨가제가 용해될 때 덩어리를 형성하여 용해도를 감소시키는 것으로 추정하였다(22,23). 또한 Fig. 2의 반응 표면 그래프와 같이 MD의 첨가량을 고정했을 때 inlet의 온도가 높을수록 용해도가 증가하는 경향을 나타냈다. 이 는 분무건조기의 inlet 온도가 높을수록 빠른 증발로 인해 건조된 분말입자가 용적밀도(bulk density)가 낮아지는 다 공성 입자구조를 갖는 것(24)에 기인하는 것으로 보인다.

Fig. 2. Response surface analysis for the effects of spray drying conditions on solubility (%) of Sikhye powder.

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분말제품은 입자의 크기는 작을수록 내부물질의 포집에 유리하다는 연구결과가 있으며, 작은 입자는 표면적이 넓 어져 수화에 용이한 이점이 있다(25). 건조 조건에 따른 분말 입자크기에 대한 회귀식은 Table 3에 나타내었으며 R2는 0.97로 p<0.001수준에서 유의성이 인정되었다. 그리 고 예측된 최소점은 maltodextrin 첨가 함량 14.51%, inlet 온도 137℃ 그리고 공급 속도 51.07 mL/min일 때 최소값 5.78 μm로 예측되었다(Table 5). 분말입자의 크기는 독립변 수 중 분무건조기로 유입되는 시료의 공급속도가 유의적으 로 가장 큰 영향을 미쳤고, 그 다음으로 MD 첨가 함량의 영향력이 컸다(Table 4). Table 3의 회귀식과 같이 일차항에 서는 피막물질 MD 첨가량과 분문건조기의 inlet 온도는 분말식혜의 입자크기에 증가요인으로 나타났고 시료의 공 급속도는 감소요인으로 나타났다. 이차항에서는 MD 첨가 량과 inlet 온도는 분말식혜 입자크기에 감소요인으로, 시료 공급속도는 증가요인으로 나타났다. 그리고 MD의 첨가량 과 분무건조기 inlet 온도는 부정적 상호작용을 보인 반면에 inlet 온도와 시료 공급속도는 긍정적 상호작용를 나타냈다. Fig. 3의 반응표면 그래프와 같이 분말식혜 입자크기에 가 장 영향력이 큰 분무건조기의 시료 공급속도는 유입속도가 증가할수록 입자의 크기는 작아지다가 다시 증가하는 경향 을 보였다. 이는 시료의 공급속도가 높을수록 단위시간당 분무되는 시료의 양이 많아지고 한계이상의 분무량은 건조 되는 입자간의 뭉침현상을 높여 입자 크기가 커지게 하는 것으로 추정된다. 또한 외국 선행연구에서는 inlet 온도가 증가할수록 분말입자의 크기가 증가한다고 보고(26)하여 본 실험결과와 유사하였으나, 통계적으로 분무건조기의 inlet 온도는 최종 생산되는 분말 입자크기에 유의적인 영향 을 미치지 않는 것으로 보였다.

Fig. 3. Response sur face analysis for the effects of spray drying conditions on par ticle size (μm) of Sikhye powder .

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식혜 분말화의 최적조건 설정을 위하여 독립변수는 MD 의 첨가량, 분무건조기의 inlet 온도, 분무건조기 내로 유입 되는 시료의 공급속도로 설정하고 반응변수로는 흡습량 (g), 용해도(%), 분말입자의 크기(μm)로 설정하였다. 최종 산물인 식혜분말은 낮은 흡습량과 작은 크기의 입자를 갖고 높은 용해도를 갖는 품질을 최적으로 고려하였다. 그래서 각 반응변수의 최적점 조건으로 최적화한 결과 Fig. 4와 같이 MD 22% 첨가, inlet 온도 140℃, 그리고 시료의 공급속 도는 51 mL/min로 결정되었다. 이때 입자의 크기는 6.8 μm, 용해도는 92%, 흡습량은 0.03 g으로 나타났다.

Fig. 4. Process optimization curve for spray drying conditions of Sikhye powder.

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