열풍, 진공 및 동결건조가 눈개승마의 항산화 및 품질특성에 미치는 영향

본 실험에 사용한 눈개승마(Aruncus dioicus var. kamtschaticus)는 강원도 태백시에서 위치한 태백쌈채마을로부터 2017년 4월에 구입하여 줄기를 제거한 후 잎을 이용하였으며, 외관 상태가 양호하고 중량이 0.25±0.01 g으로 균일한 것을 선별하였고, 이를 5℃에서 보관하여 사용하였다.

눈개승마의 건조방법으로는 동결, 열풍, 진공건조를 실시하였으며, 최종 건조시간은 피건조물의 수분함량이 더 이상 변화가 없을 때까지 실시하였다. 동결건조는 액체질소를 이용하여 급속동결한 후 -80℃에서 48시간 동안 동결시켜 동결건조기(FDU-8612, Operon Co., Gimpo, Korea)를 이용하여 1 kPa 이하에서 30분 간격으로 180분간 건조하였다. 열풍건조의 경우 hot air dry oven(JS-150SP, Jinscience, Gimcheon, Korea)을 이용하였으며, 60, 80, 100, 120℃의 온도에서 건조하였다. 건조시간은 60, 80, 100, 120℃의 건조온도에서 각각 6분 간격으로 54분, 3분 간격으로 30분, 1분 간격으로 11분 동안 건조를 실시하였다. 진공건조는 vacuum dry oven(KS-VD-101, Kyongsang Science Co., Seoul, Korea)을 이용하여 10 kPa 이하에서 실시하였으며, 열풍건조 시 최적 건조온도에서 1분 간격으로 10분간 실시하였다. 건조 눈개승마의 평균 중량은 약 0.075 g으로 나타났으며, 수분함량, 수분활성도, 수화복원성은 건조물을 사용하여 분석하였다. 총 페놀 및 플라보노이드 함량, 항산화 활성과 수분용해지수 및 수분흡착지수의 경우에는 약 50 g의 건조물을 믹서기(HWF-630WG, Hanil Electric, Wonju, Korea)를 이용하여 30초간 분쇄한 후 직경 425 μm 체에 거른 분말을 실험에 사용하였다.

눈개승마의 수분함량은 AOAC법(12)에 따라 상압 가열 건조법에 의하여 측정하였다. 수분활성도는 수분활성도 측정기(AQS-2, Nagy mess system, Gäufelden, Germany)를 이용하여 측정하였으며, 증류수(Aw=1.000)를 이용하여 실온(20℃)에서 보정한 후 사용하였다. 건조 눈개승마를 20℃의 온도를 평형화하였고, 기밀용기에서 평형수분함량에 도달시킨 후 평형상대습도를 측정하여 수분활성도를 구하였다.

건조방법에 따른 눈개승마의 총 페놀 함량은 Kim 등(13)의 방법을 참고 및 수정하여 실험을 진행하였다. 즉, 건조 눈개승마 분말 0.5 g을 80% 에탄올로 희석하여 균질기(D-500, Wiggen Hauser, Berlin, Germany)로 10,000 rpm에서 30초간 균질한 후 5℃에서 200 rpm으로 추출하였으며, 이를 여과한 여과액을 이용하였다. 여과액 1 mL와 증류수 9 mL을 혼합 후 1 mL의 Folin & Ciocalteu’s phenol reagent를 첨가하여 실온 암실에서 5분간 방치한다. 그 후 7% Sodium carbonate 10 mL와 증류수 4 mL을 첨가한 후 실온 암실에서 2시간 방치하였으며, 분광광도계(UV-1800, Shimadzu Corporation, Kyoto, Japan)를 이용하여 760 nm에서 흡광도를 측정하였다. 표준곡선은 gallic acid를 표준물질로 0.025, 0.05, 0.1, 0.25, 0.5, 1 mg/mL로 제조하여 흡광도를 측정하였으며, 총 페놀 함량은 g gallic acid equivalent(GAE)/kg로 나타내었다.

총 플라보노이드 함량은 AOAC에서 공인된 방법을 수정한 Chae 등(14)의 방법에 따라 분석하였다. 여과액 0.1 mL와 90% diethylene glycol 0.9 mL를 혼합한 후 1 N NaOH 20 μL를 첨가하여 37℃ 항온수조에 20분 동안 반응시켰다. 이를 분광광도계를 이용하여 420 nm에서 흡광도를 측정하였으며, 총 플라보노이드 함량은 g rutin equivalent(RE)/kg로 나타내었다.

건조방법에 따른 눈개승마의 항산화 활성을 측정하기 위해 건조 눈개승마 분말 0.5 g을 80% 에탄올로 희석하여 균질기(D-500, Wiggen Hauser, Berlin, Germany)로 10,000 rpm에서 30초간 균질한 후 5℃에서 200 rpm으로 추출하였으며, 이를 여과한 여과액을 이용하였다. 항산화 활성 분석법으로는 DPPH 라디컬 소거능, ABTS 라디컬 소거능, FRAP 환원력을 실시하였으며, 모두 g trolox equivalent(TE) /kg으로 나타내었다.

2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl(DPPH) 라디컬 소거 활성은 Blois(15)의 방법을 변형하여 실험을 진행하였다. 100 mL의 에탄올에 8 mg의 DPPH를 용해시켜 제조하였으며, 여과액 0.1 mL를 DPPH 용액(OD:1.000) 0.9 mL와 혼합하여 실온 암실에서 30분간 방치 후 분광광도계를 이용하여 517 nm에서 흡광도를 측정하였다.

2,2'-Azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonic acid))(ABTS) 라디컬 소거능은 Re 등(16)의 방법을 변형하여 실험을 진행하였다. ABTS 용액은 7 mM ABTS diammonium salt와 2.45 mM potassium persulphate를 혼합 후 실온 암실에서 16시간 동안 방치하여 제조하였다. 여과액 20 μL와 ABTS 용액 980 μL를 혼합하여 실온 암실에서 6분 동안 방치한 후 분광광도계를 이용하여 734 nm에서 흡광도를 측정하였다.

Ferric ion reducing antioxidant power(FRAP) 측정은 Benzie와 Strain(17)의 방법을 변형하여 실험을 진행하였다. 즉 300 mM sodium acetate buffer(pH 3.6)와 40 mM HCl로 용해시킨 10 mM trpydyltriazine(TPTZ), 20 mM FeCl₃·6H₂O을 제조하였고, 이를 각각 10:1:1(v/v/v) 비율로 혼합하여 FRAP 용액을 제조하였다. 여과액 50 μL와 FRAP 용액 1.5 mL를 혼합하였고, 이를 실온 암실에서 30분간 방치한 후 분광광도계를 이용하여 593 nm에서 흡광도를 측정하였다.

건조방법에 따른 눈개승마의 수용성 성질을 분석하기 위해 수분용해지수 및 수분흡착지수를 AACC방법(18)을 응용하여 측정하였다. 건조 눈개승마 분말 0.5 g을 증류수 25 mL를 가하고 30℃ shaking water bath(BS-21, JEIO TECH, Kimpo, Korea)에서 200 rpm에서 30분간 교반한 후 3,000 rpm으로 20분간 원심분리하였다. 원심분리한 상등액을 105℃에서 5시간 건조 후, 30분간 데시케이터에서 방냉하여 고형분 함량을 도출하였다. 또한 원심분리 후 상등액을 제거, 침전물의 무게를 측정하였고 이를 이용하여 수분용해지수(water soluble index, WSI)와 수분흡착지수(water absorption index, WAI)를 산출하였다.

건조방법에 따른 눈개승마의 수화복원성(rehydration ratio)은 증류수 100 mL가 든 비커를 30℃ 항온수조에 넣어 증류수의 온도를 동일하게 하였고, 약 0.075 g의 건조 눈개승마를 완전히 침지한 다음 1시간 후에 꺼내어 시료의 표면의 물기를 10초간 제거하였고, 증가한 무게를 측정하여 다음 식에 의해 계산하였다(19).

실험결과는 6회 반복 실험하여 얻어진 평균±표준편차로 나타내었고, 통계처리는 Window 용 SAS 9.4 version(v 9.4 version, SAS Institute Inc, Cary, NC, USA)을 이용하여 p<0.05 수준에서 분산분석(analysis of variance)을 실시하였으며, Duncan의 다중 범위 검정법(Duncan's multiple range test)으로 유의성을 검증하였다.

열풍건조온도 및 시간에 따른 눈개승마의 수분함량변화는 Fig. 1과 같다. 열풍건조온도는 60, 80, 100, 120℃에서 실시하였으며, 시료의 수분함량이 변화가 없을 때까지 건조시간별로 수분함량을 측정하였다. 일반적으로 식품건조 시 피건조물이 기화 온도까지 가열되는 예열 기간과 자유수면에서 물이 증발하여 건조속도가 가장 빠른 항률 건조기간, 표면수분이 전부 제거되고 식품내부에 존재하는 수분이 표면으로 이동되면서 건조되는 감률 건조기간을 거치게 된다(21). 이와 같이 본 연구결과의 건조곡선에서 60, 80, 100℃의 건조온도에서는 예열 기간, 항률 건조기간, 감률 건조기간이 관찰되었으며, 120℃ 건조의 경우 높은 온도로 인해 예열 기간이 뚜렷하게 나타나지 않은 것으로 사료된다. 건조온도가 높아질수록 건조속도가 빨라지는 것으로 나타나 열풍건조온도는 건조속도에 매우 의존적인 것으로 생각된다. 또한 열풍건조온도 60, 80, 100, 120℃에서 건조시간이 각각 약 48분, 27분, 10분, 10분으로 나타났다. 감률 건조기간에 도달하는 건조시간은 100℃보다 120℃의 건조온도에서 더 빠른 것으로 나타났지만 평형수분함량에 도달하는 시간은 동일한 것으로 나타났다. Rhim과 Hwang(20)은 건조가 너무 빠르게 진행되어 감률 건조기간 중 표면 건조속도가 내부 수분의 확산속도보다 더 빠를 때 내부에 미처 건조되지 않은 수분이 존재하는 상태에서 건조된 겉껍질이 형성된 것을 표면경화라고 하며, 그 결과 평형수분함량에 도달하는 시간이 길어지거나 건조가 중지된다고 보고하였다.

Fig. 1. Changes in moisture content of Aruncus dioicus var. kamtschaticus as a function of air-drying temperatures of 60, 80, 100, and 120℃.

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산채식물에 다량 함유되어 있는 폴리페놀 화합물과 플라보노이드는 높은 항산화 활성을 가짐으로써 우수한 건강기능성을 부여하는 주요 생리활성물질로 알려져 있다(1,21,22). 따라서 각 열풍건조온도별 최종 건조시간으로 처리한 건조물의 총 페놀 및 플라보노이드 함량과 항산화 활성을 측정하여 비교하였으며, 그 결과는 Fig. 2와 같다. 60℃에서 건조한 눈개승마의 총 페놀 함량 및 플라보노이드 함량이 가장 낮은 것으로 나타났으며, 건조온도가 100℃까지 증가할수록 그 함량이 증가하여 총 페놀 함량은 85.38 g GAE/kg, 총 플라보노이드 함량은 60.49 g RAE/kg으로 나타났다. Lee 등(22)은 눈개승마의 잎에 존재하는 총 폴리페놀 및 플라보노이드 함량은 각각 66.48과 16.47 μg/mg으로 보고하였으며, Youn 등(1)은 눈개승마의 총 페놀 함량과 총 플라보노이드 함량이 각각 122.60 mg/g과 36.80 mg/g으로 보고하였다. 눈개승마의 총 페놀 및 플라보노이드 함량 차이는 산채식물의 재배지, 토양성분, 광조건 등의 재배환경과 채취시기와 추출조건의 차이에 기인한 것으로 생각된다(23).

Fig. 2. Total phenolic and flavonoid content (A) and antioxidant activity such as DPPH radical scavenging activity, ABTS radical scavenging activity, and FRAP assay (B) of Aruncus dioicus var. kamtschaticus as a function of air-drying temperatures of 60, 80, 100, and 120℃. Results shown are mean±SD (n=6). Different superscripts within the same parameter are significantly different (p<0.05) by Duncan's test.

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열풍건조온도별 눈개승마 건조물의 DPPH 라디컬 소거능, ABTS 라디컬 소거능, FRAP을 통해 분석한 항산화 활성 결과는 총 페놀 및 플라보노이드 함량 결과와 같이 60℃에서 100℃까지 건조온도가 증가할수록 항산화 활성이 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 건조온도가 높아질수록 건조기 내부와 피건조물의 수증기압 차이가 커짐에 따라 건조속도가 빨라져 건조시간이 단축됨으로써 시료가 열과 접촉하는 시간이 줄어들었기 때문으로 생각된다. 또한 고분자의 페놀성 화합물 및 단백질에 결합한 페놀성 화합물이 열처리에 의해 저분자의 페놀성 화합물로 전환되거나 이들 간의 결합이 파괴되었기 때문으로 생각된다(24). Kim 등(25)은 대추의 열처리에 의한 플라보노이드 함량의 증가는 열에 의한 페놀계 유도체의 가용화가 용이해졌기 때문이라고 보고하였다. 반면, 100℃의 건조온도까지 눈개승마의 총 페놀 및 플라보노이드 함량과 항산화 활성이 증가하였다가 120℃의 건조온도에서 함량 및 활성이 급격히 감소한 것으로 나타났다. Lee 등(26)은 과도한 열처리는 피건조물의 탄화로 인한 품질저하를 일으킬 수 있는데, 특히 페놀성 화합물 및 플라보노이드가 파괴되어 항산화 활성이 일부 소실되어 영양적 가치를 감소시킬 수 있다고 보고하였다. 결과적으로 눈개승마를 열풍건조 시 100℃에서 건조하는 것이 영양학적 측면에서 가장 적합할 것으로 생각된다.

눈개승마의 건조방법에 따른 수분함량 변화를 측정한 결과는 Fig. 3과 같다. 열풍건조와 진공건조는 최적 건조온도인 100℃에서 실시하였으며, 열풍건조, 진공건조, 동결건조 시 건조시간은 각각 10분, 10분, 210분으로 나타났고, 모든 건조방법에서 건조시간이 길어질수록 수분함량이 감소하는 것으로 나타났다. 진공건조의 건조시간에 따른 수분함량 경우 지수적인 감소 패턴을 보이는 것으로 나타났으며, 이는 건조기 내부의 감압에 의해 피건조물 내부와 외부의 수증기압 차이가 커짐에 따라 초기에 수분함량이 급격히 감소하였고, 이에 따라 내부 수분함량이 적어지면서 수증기압 차이가 작아져 감소 속도가 줄어든 것으로 생각된다. 동결건조는 건조 90분까지 시료의 수분함량이 급격히 증가하였지만 90분 이후부터 건조속도가 현저히 감소한 것으로 나타났다. 동결건조 시 승화건조는 유리수를 제거하여 총 수분의 65-95%를 승화시키는 구간이며, 탈습건조는 결합수를 제거하는 구간으로 수분 제거량은 적지만 승화건조기간과 비슷한 시간이 소요되는 것으로 알려져 있다(27). 동결건조 초기에는 피건조물의 열전달 저항과 응축기로의 물질 유속저항이 적기 때문에 건조속도가 빠르지만, 건조가 진행되면서 건조층이 다공성으로 되어 열유속에 단열효과를 형성하며 주위에 높은 물질저항을 갖게 된다(27). 이러한 열과 물질전달 그리고 다른 인자들에 의한 저항 증가에 의해서 동결건조의 건조속도가 열풍건조와 진공건조보다 느린 것으로 보고되어 있다. 또한 열풍 및 진공건조 시 수분의 증발속도보다 동결건조 시 수분의 기화속도가 느리다고 보고되었다(28).

Fig. 3. Changes in moisture content of Aruncus dioicus var. kamtschaticus dried by hot-air drying and vacuum drying at 100℃ (A) and freeze drying (B) as a function of drying time.

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건조방법에 따른 눈개승마 건조물의 총 페놀 및 플라보노이드 함량과 항산화 활성을 측정한 결과는 Fig. 4와 같다. 건조방법으로는 동결건조, 열풍건조, 진공건조를 실시하였으며, 각각의 최종 건조물을 이용하여 총 페놀 및 플라보노이드 함량과 항산화 활성을 비교하였다. 동결, 열풍, 진공건조한 눈개승마의 총 페놀 함량은 각각 40.72, 68.78, 108.75 GAE g/kg으로 나타났으며, 총 플라보노이드 함량은 각각 16.15, 22.55, 34.77 RAE g/kg으로 나타나 진공건조, 열풍건조, 동결건조 순으로 그 함량이 높았다. 또한 항산화 활성 측정을 위한 DPPH 라디컬 소거능, ABTS 라디컬 소거능, FRAP 분석 결과 모든 분석법에서 총 페놀 및 플라보노이드 함량의 결과와 일치하는 것으로 나타났다. Stewart 등(29)은 열처리 시 페놀 화합물의 증가는 조직 등과 결합되어 있는 결합형 페놀 화합물이 분리되어 유리형으로 전환되었기 때문으로 보고하였다. 대부분의 과채류에서 일어나는 효소적 갈변은 폴리페놀 화합물이 공기 중의 산소와 polyphenol oxidase에 의해 quinone류나 그 유도체로 산화하는 반응으로, 식품의 변색과 산화로 인한 품질 저하를 일으키는 주요한 요인 중 하나이다(30). 따라서 진공건조의 경우 산소 농도가 낮은 환경에서 건조를 실시함으로써 유리형 페놀성 화합물의 산화 반응이 제어됨에 따라 가장 우수한 총 페놀 및 플라보노이드 함량과 항산화 활성을 가지는 것으로 생각된다. 반면, 본 연구와 달리 여러 연구결과에서 열풍, 진공 및 동결건조의 방법으로 식품건조물을 제조하였을 때 총 페놀 함량 및 항산화 활성이 동결, 진공 및 열풍건조 순으로 높다고 보고하였다(31,32). 이러한 상반된 결과는 피건조물 및 건조 조건의 차이에 기인한 것으로 생각된다. 특히 열풍 및 진공건조 시 최적 건조온도인 100℃에서 단시간 건조를 실시한 본 연구와 달리, 보고된 연구에서는 통상적으로 사용하는 건조온도인 50-60℃에서 장시간 건조를 실시하였기 때문에, 서로 다른 연구결과가 도출된 것으로 생각된다.

Fig. 4. Total phenolic and flavonoid content (A) and antioxidant activity such as DPPH radical scavenging activity, ABTS radical scavenging activity, and FRAP assay (B) of dried Aruncus dioicus var. kamtschaticus by different drying methods such as freeze, hot-air, and vacuum drying. Results shown are mean±SD (n=6). Different superscripts within the same parameter are significantly different (p<0.05) by Duncan's test.

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건조방법에 따른 눈개승마 건조물의 건조특성을 알아보기 위해 수분함량, 수분활성도, 수분용해지수 및 수분흡착지수, 수화율을 분석하였으며, 그 결과는 Table 1과 같다. 건조 전 눈개승마의 수분함량은 76.09%로 나타났으며, 진공건조, 열풍건조, 동결건조 순으로 수분함량이 낮은 것으로 나타났다. 각 건조방법별 건조무게가 항량이 될 때까지 건조를 완료시킨 경우에도 수분이 완전히 제거된 것은 아니며, 모든 수분제거를 위해 건조된 시료의 수분함량을 105℃에서 수분정량을 실시하게 된다. 열풍건조와 진공건조의 최적 건조온도인 100℃는 수분정량 시 사용하는 온도와 유사하기 때문에 동결건조보다 열풍 및 진공건조의 건조효율이 높은 것으로 생각된다. 또한 진공건조한 시료는 열풍건조보다 초기 건조속도가 빠르기 때문에 수축현상이 적게 일어나고 다공성 구조를 가지고 있어 수분증발이 용이한 것으로 보고되었으며, 이에 따라 진공건조한 시료의 수분함량이 가장 낮은 것으로 생각된다(32,33). 건조 전 수분활성도는 0.75로 나타났으며, 건조방법에 따른 눈개승마의 수분활성도는 0.47-0.48로 유의적인 차이가 없었다. 수분용해지수의 경우 건조방법에 따른 유의적인 차이가 없었으며, 수분흡착지수와 복원성은 동결건조, 진공건조, 열풍건조 순으로 높은 것으로 나타났다. Ha 등(28)과 Lee 등(33)은 건조방법에 따른 식품의 물리적 특성을 연구한 결과, 재수화 특성의 경우 동결건조, 진공건조, 열풍건조 순으로 높다고 보고하였다. Koh 등(32)은 동결건조, 진공건조, 열풍건조 순으로 건조물의 공극률이 크고 밀도가 작은 것으로 나타났으며, 공극률이 클수록 흡습량이 높아진다고 보고하였다. 동결건조와 진공건조는 피건조물의 다공성 구조를 가지게 하며, 건조 동안에 수축현상이 적고, 수분흡착력과 수화 복원성이 우수한 것으로 알려져 있다(32).