편리성 및 저장성이 증진된 구형과립 요구르트 제조

액상형 요구르트 제조는 증류수 1,000 mL를 autoclave에 서 121℃에서 15분간 멸균시킨 증류수에 탈지분유 300 g을 넣고 잘 녹인 뒤, 혼합유산균(Kookjeayouup, Seoul, Korea) 을 넣고 잘 녹여 40℃에서 12시간 발효시켜 starter를 제조하 였다. 과립형 요구르트 제조를 위한 액상형 요구르트는 탈 지분유의 총 함량이 8, 12, 16, 20, 24%가 되도록 하여 요구 르트를 제조하였고, 나머지 제조 방법은 탈지분유의 양만 다르고 starter 제조 방법과 같다.

요구르트의 유산균수 측정은 pour plate method를 이용하 여 측정하였다. 각각의 시료를 멸균 유리봉으로 잘 혼합한 후 혼합된 시료 10 mL를 멸균용기에 취해 9배량의 멸균생 리 식염수와 혼합한 것을 시험용액으로 하였다. 시험용액 1 mL와 멸균 생리 식염수로 희석한 각 단계 희석액 1mL씩 을 멸균 페트리접시에 도말하고, 약 43-45℃로 유지한 MRS 배지(Difco, MRS^TM, Difco, Becton, Dickinson & Co., Sparks, MD, USA)를 분주하고, 냉각 응고된 페트리접시는 거꾸로 하여 35-37℃에서 72±3시간 후 발생한 유산균의 집락으로 계측하였다(5).

pH는 각각의 요구르트 5 g을 취하여 45 mL의 증류수로 희석 한 후 pH meter(Mettler Toledo 340, Postfach, Switzerland) 를 이용하여 측정하였다.

점도는 Brookfield rotational viscometer(Brookfield DV-II, Engineering Lab. Inc., USA)를 이용하여 rotational speed 20 rpm 에서 정확도가 50%이상일 때의 겉보기 점도를 centipoise(cP)로 표시하였다(7).

액상형 요구르트를 사용하여 분무건조기(500 g/h capacity, L-8 Model, Ohkawara Kohoki 168 Co., Ltd., Yokohama, Japan)를 이용하여, 입구온도 90℃, 출구온도 70℃, 아토마 이저 회전속도 20,000 rpm의 분무건조조건하에서 분말형 요구르트를 제조하였다(16,17).

구형과립 요구르트 제조를 위한 유동층코팅기(GRE-Lab 1. GR Engineering, Kyunggido, Korea)의 최적 운영조건을 확립하기 위해 response surface methodology(RSM) 방법을 사용하였으며, 최적화 실험조건은 Table 1에 표시하였다. 구형과립 요구르트 제조에 영향을 미치는 주요인자로는 feeding rate(FR, mL/min), atomization air pressure(AP, kPa) 와 product temperature(PT, ℃)를 선정하였으며, 최적 운영 조건 확립은 구형과립 요구르트(입자크기: 0.25 mm-0.59 mm)의 회수율로 결정하였다(19).

구형과립 요구르트의 물리화학적 특성을 분석하기 위해, 최적화된 유동층코팅기 운영조건(FR 0.5±0.1 mL/min, AP 2.5±0.5 kPa, PT 58.0±2.0℃)하에서 액상형 요구르트를 희 석하여 분무용 요구르트액을 제조한 다음, 유동층코팅기 내부에 분무용 요구르트액을 바텀스프레이(bottom spray) 방식으로 분무하면서 반복적인 유동화를 통해 구형과립 요구르트를 제조하였다(18).

요구르트의 색도는 color difference meter(Chroma Meters CR-200, Minolta Camera Co., Ltd., Osaka, Japan)를 사용하 여 명도(L, lightness), 적색도(a, redness), 황색도(b, yellowness) 값을 측정하였다.

요구르트의 유동성 분석은 평판한 입구의 지름이 150 mm, 출구의 지름이 12 mm인 깔때기를 유리 바닥으로부터 높이 80 mm의 위치에 설치한 후, 분말형 및 구형과립 요구 르트 각각 20 g을 취하여 깔때기에 서서히 부은 다음, 바닥 에 생기는 원뿔 모양의 지름(R)과 높이(H)를 측정한 후 입사 각(angle of repose)을 아래식과 같이 구하였다(19).

$\text{Angle of repose(°)=Arctan}\frac{\text{H(height of cone)}}{\text{R(diameter of cone)}}$

요구르트의 용해성 분석은 분말형 및 구형과립 요구르트 각각 1 g을 50 mL 삼각플라스크에 넣은 후 실온의 증류수 10 mL를 첨가한 다음, 교반기(SK 300 model, Jeio Tech, Daejeon, Korea)를 사용하여 분말 및 구형과립의 형태가 완전히 사라져 분산될 때까지의 소요시간을 측정하였다 (19).

요구르트의 유산균수 측정은 pour plate method를 이용하 여 측정하였다. 유산균수는 분말형 및 구형과립 요구르트 는 각각 시료 10 g을 취하여 9배량의 멸균생리 식염수에 분산시킨 것을 시험용액으로 하였으며 배지 및 배양조건은 액상형 요구르트의 유산균 측정방법과 동일하게 실시하였 다(5).

구형과립 요구르트를 상대습도 75% 및 저장온도 25℃ 조건하에서 4개월간 저장하면서 액상형 및 분말형 요구르 트와 유산균수의 변화를 비교하였다.

결과분석은 SPSS프로그램(v21.0, IBM Company, Chicago, IL, USA)을 사용하여 분산분석 후 최소 유의차 검정 (p<0.05)을 실시하였으며, 구형과립 요구르트 제조시 반응 표면분석(RSM)을 이용한 최적화 결과해석은 Minitab 13 statistical software package(Minitab Inc., State College, PA, USA)를 사용하였다.

요구르트의 구조는 kappa-casein 사이의 disulfide 결합, 유산균의 산생성에 따른 casein 단백질의 등전점 pH까지 낮아짐에 의한 casein 단백질이 엉김현상 및 발효과정 중 protease의 작용에 의한 단백질의 결합 등에 의해 생성되는 구조이다(6). Tamime과 Robinson(20)은 12-20%의 고형분 을 이용하였을 때 요구르트가 잘 형성되었다고 보고하였 다. 본 실험에서는 요구르트도 잘 형성 되면서 분말화가 가능한 탈지분유의 농도를 조정하기 위해 탈지분유의 농도 를 달리하여 요구르트를 제조하였다. 탈지분유의 농도를 달리하여 요구르트를 제조하여 유산균수를 측정한 결과는 Table 2에 나타내었으며, 8-24%의 농도에서 요구르트를 제조하였을 때 유산균수는 통계적으로 차이가 없는 것을 알 수 있었다. Damin 등(21)은 skim milk powder, whey powder와 sodium caseinate를 각각 12% 고형분 함량이 되게 하여 요구르트를 제조 하였을 때, 유산균수는 log 8.3-8.9 CFU/mL 이었다고 보고하여 본 실험의 결과와 유사하였다.

탈지분유의 농도를 달리하여 제조 된 요구르트의 pH는 4.03-4.32 범위로 탈지분유의 농도가 높아질수록 높아짐을 알 수 있었다(Table 2). 탈지분유의 농도를 달리하여 제조 된 요구르트의 pH는 요구르트의 바람직한 pH 범위인 3.27-4.42(22) 안에 포함되어 있어 8-24% 탈지분유 농도의 어떤 것을 사용하여도 바람직한 요구르트를 제조 할 수 있음을 알 수 있었다.

탈지분유의 농도를 달리하여 제조 된 요구르트의 점도를 측정한 결과는 Table 2에 표시하였으며 탈지분유의 농도가 높아질수록 점도는 점점 강해지는 것을 알 수 있었다. 본 연구에서는 요구르트의 저장성과 편리성을 증진시키기 위 해 요구르트를 분말화 한 후 과립화하는 것이 목적이기 때문에 탈지분유의 농도를 달리하여 제조 된 요구르트를 혼합 한 후 분무건조를 실시하였다. 요구르트는 전단응력 을 높이면 흐름에 대한 저항성이 감소되는 pseudoplastic 특성(21)을 가지므로 24% 농도의 요구르트를 혼합하면서 분무건조기에 분무하였을 때 충분히 분무가 가능하였다.

분무건조 시 너무 낮은 농도를 분무할 경우에는 시간 및 비용이 높아지므로 조해성이 높지 않은 용액의 경우 고형분 함량이 약 30% 수준이면 분무가 가능하다(23). 예비 실험 결과 24% 이상 농도에서는 분무가 어려워 요구르트가 형성될 수 있는 최대 탈지분유 양을 24%로 조정하여 분무 건조하여 요구르트 분말을 제조 하였다. 분무건조 후 요구 르트의 색도를 측정한 결과는 Table 3에 표시하였다. 액상 형 요구르트를 분말화하였을 때 L 값과 a 값은 낮아지는 경향을 나타내었고 b 값은 높아지는 경향을 나타내었으나 통계적으로 유의차는 나타내지 않았다. 분말형 요구르트의 용해성, 유동성 및 유산균수를 측정한 결과(Table 4) 유산균 수는 7.41 log CFU/g이었다. Bielecka와 Majkowska(18)가 요구르트의 분무건조 시 출구온도를 70℃로 하였을 때 S. thermophilus는 생존수가 9.32 log CFU/g 이었고, L. delbrueckii sub sp. bulgaricus 는 생존수가 8.77 log CFU/g 이었다고 보고하여 본 실험결과가 이들 연구 결과에 비해 낮은 생존수를 나타내었으나 이는 균의 종류에 의한 것으로 판단된다. 그러나 액상형 요구르트를 분무건조한 후에도 상당히 높은 수의 유산균이 생존함을 알 수 있었다.

본 실험에서 제조한 구형과립 요구르트는, 유동층과립기 내부에서 요구르트분말을 유동화하면서 바인더액을 탑스 프레이(top-spray) 방식으로 분무하여 과립화하는 일반적인 방법과는 달리, Lee와 Shin(18)이 개발한 홍삼농축액을 희 석한 분무용 홍삼액을 유동층코팅기 내부에 바텀스프레이 (bottom spray) 방식으로 분무하면서 반복적인 유동화를 통 해 홍삼농축액 알갱이를 제조하는 홍삼농축액분말의 구형 과립화 기술을 응용하여 제조하였다. 즉 액상형 요구르트 를 희석하여 분무용 요구르트액을 제조한 다음, 유동층코 팅기 내부로 분무용 요구르트액을 바텀스프레이(bottom spray) 방식으로 분무하면서 반복적인 유동화를 통해 구형 과립 요구르트를 제조하였다.

구형과립 요구르트의 유동층코팅기 최적 제조조건은 반응표면분석방법(RSM design)을 이용하여 설정하였으며 (Table 1), 그 결과는 Table 5와 같다. Table 5에서 보는 바와 같이 feeding rate(FR) 0.54 mL/min, atomization air pressure (AP) 2.64 bar, product temperature(PT) 58.18℃의 유동층코 팅기 운영조건하에서 최대회수율은 79.42%로 예측되었다.

구형과립, 액상형 및 분말형 요구르트의 색도를 측정한 결과는 Table 3과 같다. 유동층코팅기를 이용해 제조된 구 형과립 요구르트의 색상은 분말형 요구르트에 비해 색이 약간 노랗게 변한 것을 볼 수 있었는데, 이는 구형과립 요구 르트의 제조시간이 분말형 요구르트보다 길어, 제조과정 중 casein 단백질과 lactose 등 당류와의 비효소적 갈변반응 이 더 많이 일어난 것으로 판단된다(24).

구형과립 요구르트의 용해성, 유동성 및 유산균수를 측 정한 결과는 Table 4와 같다. 구형과립 요구르트는 분말형 요구르트에 비해 용해성이 아주 우수함을 알 수 있었다. 이와 같은 현상은 분말형 요구르트는 체표면적이 적어 물과 결합할 수 있는 공간이 작을 뿐만 아니라 입자사이로 물이 침투하기 어렵지만, 구형과립은 입자사이에 공극이 존재하 여 입자사이로 물분자가 침투하기 쉽기 때문에 용해성이 좋은 것으로 알려져 있다(25). Table 5

입자의 유동성 정도는 입사각의 크기로 측정하고 있으 며, 입사각이 작을수록 유동성이 좋음을 의미하는데(26), Table 4에서 보는 바와 같이 구형과립 요구르트 입사각은 분말형 요구르트보다 훨씬 작은 값을 보여주어 유동성이 아주 우수함을 알 수 있었다.

특히, 구형과립 요구르트의 유산균수는 10⁶-10⁷ log CFU/g으로, 유동층코팅 제조공정을 거치면서 액상형 요구 르트와 비교하면 약 30% 정도 감소하였지만 10⁶-10⁷ log CFU/g의 상당히 많은 유산균이 잔존함을 알 수 있었다 (Table 4).

구형과립 요구르트의 저장중 유산균수 변화는 Table 6에 표시하였다. 일반조건에서 장기저장이 어려운 액상형 요구 르트와는 달리, 상대습도 75% 및 저장온도 25℃ 조건하에 서 4개월 동안 저장 시, 구형과립 요구르트의 유산균수 감소 는 아주 미미한 것으로 측정되었으며, 이는 분말형 요구르 트와 함께 저장성이 아주 우수함을 알 수 있었다. Schell 와 Beerman(8)은 유산균을 과립화하여 저장하였을 때 유산 균수의 변화는 통계적으로 유의차가 없었다고 보고하여 본 연구의 결과와 유사함을 알 수 있었다.