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JKFN Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition



Online ISSN 2288-5978

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Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51(4): 375-380

Published online April 30, 2022 https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.4.375

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

Quality Characteristics of Plant-Based Proteins Used in Meat Analogs

Sun Young Cho and Gi-Hyung Ryu

Department of Food Science and Technology, Food and Feed Extrusion Research Center, Kongju National University

Correspondence to:Gi-Hyung Ryu, Department of Food Science and Technology, Food and Feed Extrusion Research Center, Kongju National University, 54-3, Daehak-ro, Yesan-eup, Yesan-gun, Chungnam 32439, Korea, E-mail: ghryu@kongju.ac.kr
Author information: Sun Young Cho (Researcher), Gi-Hyung Ryu (Professor)

Received: December 30, 2021; Revised: March 14, 2022; Accepted: March 15, 2022

This is Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

This study aims to investigate the physicochemical and functional properties of promising plant-based proteins used for meat analogs processing. The plant-based proteins were isolated soy protein (ISP), gluten, pea proteins (Pea 1, 2) which are the different manufacturers, and isolated rice proteins (Rice 1, 2), and mung bean protein. The highest water absorption capacity (WAC) and oil absorption capacity (OAC) were observed in and pea protein (Pea 1), while the lowest WAC and OAC were seen in rice protein (Rice 2). Pea 1 had the highest emulsifying activity (EA) and emulsion stability (ES), whereas Rice 2 indicated in the lowest EA and ES. The highest nitrogen solubility index (NSI) was seen in ISP, while Rice 2 had the lowest NSI. Pea 1 had the higher NSI compare with Pea 2. Mung bean protein had the highest the antioxidant properties with DPPH radical scavenging activity and total phenolic content among the plant-based proteins. Pea 2 also had the higher antioxidant properties than Pea 1. Our study revealed that the kinds of plant-based proteins had the different physicochemical and functional properties, which could influence their quality characteristics of raw materials for meat analogs.

Keywords: plant-based protein, meat analog, isolated mung bean protein, isolated rice protein

단백질은 생명 활동 유지를 위한 필수 영양소로, 양질의 단백질 자원과 공급 문제가 국가적 화두로 부각되고 있다. 이에 육고기의 대체식품 개발과 지속가능한 소비증대가 해결안으로 제시되면서, 단백질 대체 소재로서 식물성 단백질, 식용곤충, 해조류, 미생물, 배양육 등의 활용방안이 주요 쟁점으로 떠오르고 있다(Lee 등, 2021). 특히, 식물성 단백질 원료들은 동물성 원료에 비하여 저지방 저칼로리에 영양적으로 손색이 없으면서, 동물성에는 없는 폴리페놀 및 각종 생리활성 물질이 함유되어 건강상 유익하다.

대체육에 사용되는 식물성 단백질로는 대두단백, 밀글루텐, 완두단백 이외에도 카놀라, 해바라기 씨와 같은 씨앗류나 땅콩, 쌀이나 녹두 단백 등이 있다(Cho와 Ryu, 2021; Samard와 Ryu, 2019). 이들 원료는 고함량의 정제된 형태로 사용되며, 보수력, 겔화 유도, 유화 안정성 등의 장점들이 있어 대체육으로 제조 시에 기존의 육고기와 유사한 조직감을 구현해 낼 수 있는 장점을 지닌다(Kyriakopoulou 등, 2019).

대체육 제조에 사용되는 주된 식물성 단백질은 분리대두단백(isolated soy protein)으로, 대두에 포함된 수용성 다당류와 올리고당이 모두 제거되어 90% 이상의 높은 단백질 함량을 지니고 있으며, 소시지나 햄버거의 식육가공품의 결착제로도 이용된다(Choi 등, 2015). 활성 글루텐은 밀전분 생산 시 발생하는 부산물로 불용성 단백질이며 일반적으로 gliadin과 glutenin의 이중구조로 구성되어, 분리대두단백과 함께 대체육으로 가공 시에 조직에 이황화 결합(disulfide networking)을 촉진하여 섬유상 조직화를 강화하는 역할을 한다(Samard와 Ryu, 2019). 완두콩 단백질의 경우, 렌틸콩이나 다른 두류에 비하여 비교적 높은 겔화 능력과 유화 안정성을 나타내어 주로 햄버거 패티의 주원료나 소시지과 같은 식육 가공품의 부원료로 사용된다(Choi와 Chin, 2020; Cho, 2021).

또한, 대체육의 주요 소재로 사용되고 있는 분리대두단백이나 밀글루텐, 완두단백 외에도 땅콩 단백이나 쌀단백, 녹두단백이 육고기의 증량제나 대체육의 원료, 부원료로 사용되고 있다(Rehrah 등, 2009; Samard와 Ryu, 2019; Cho, 2021). 밀과 비교하여 필수 아미노산인 라이신(lysine) 함량이 높고 소화율이 높다고 알려진 쌀 단백의 경우, 치킨 너겟에 첨가하였을 시에 그 함량의 증가에 따라 보수력은 증가하고 감열감량은 감소하여, 기존 가공육의 조직감을 개선하였다는 보고가 있다(Shoaib 등, 2018). 플라보노이드류 등 기능성 물질을 다량 함유하고 있는 녹두는 탄수화물과 단백질이 높아 전통적으로 묵, 국수, 고물, 죽, 소 등의 가공식품으로 이용되어 왔으며, 최근에는 압출성형을 통한 대체육의 제조에도 사용되고 있다(Woo 등, 2018). Samard와 Ryu(2019)는 분리녹두단백 소재 압출성형 대체육이 분리완두단백이나 밀글루텐 소재보다 높은 수분 흡수율과 단백질 용해도를 보였다고 보고하였다.

이들 식물성 단백질의 종류와 함량은 최종식품의 이화학적, 기능적 품질에 영향을 미친다(Choi와 Chin, 2020). 현재 동일 방법으로 분리 추출한 콩 단백질의 종류별 기능성의 연구(Cha 등, 2020), 고함량의 식물성 정제 단백질의 연구(Samard와 Ryu, 2019), 완두단백과 쌀단백을 첨가한 치킨 너겟의 기능성과 관능적 특성에 대한 비교(Shoaib 등, 2018), 밀, 콩, 쌀, 완두단백의 기능성 비교(Zhao 등, 2020)에 관한 연구들이 있으나, 이는 단백질 시료 간의 기능성에 대한 단순 비교나 가공육의 부원료로서 가능성에 대한 기초 연구로써, 대체육 제조를 위한 식물성 단백질 원료의 품질에 대한 심도 있는 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 최근 대체육의 원료로 사용되고 있는 식물성 단백질이 대체육의 가공 품질에 미칠 수 있는 영향을 알아보기 위하여 식물성 단백질들의 이화학적, 기능적 특성들을 살펴보았다.

재료

본 실험은 원료로 분리대두단백(Pingdingshan Tianjing Plant Albumen Co., Ltd., Zhengzhou, China), 밀 글루텐(Roquette Freres, Lestrem, France), 분리녹두단백(Et Protein, Suzhou, China)과 분리완두단백 1(The Green Labs LLC., Clifton, NJ, USA), 분리완두단백 2(Yantai Suangta Food Co., Ltd., Shandong, China), 분리쌀단백 1(RP-80, Vedan Enterprise Corp., Ltd., Dong, Vietnam)과 분리쌀단백 2(VRT-80N, Vedan Enterprise Corp., Ltd.)를 구입하여 사용하였다. 단백질 시료들의 기본성분들은 Table 1에 나타내었다. 조단백은 Ninhydrin 방법(Starcher, 2001)을, 수분함량, 조회분, 조지방은 AOAC(1990)에 따라 측정하였으며, 탄수화물 함량은 타 기본성분의 총합을 감하여 계산하였다. 분석시약은 ninhydrin(Duksan Chemical Co., Ansan, Korea), ethylene glycol(Daejung Chemical Co., Goryeong, Korea), acetic acid(Daejung Chemical Co.), sodium acetate(Duksan Chemical Co.), stannous chloride Ⅱ(Kokusan Chemical Co., Yokohama, Japan), 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl(Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA), Folin&Ciocalteu’s phenol reagent(Sigma-Aldrich)를 구입하여 사용하였다. 그 외에 실험에 사용된 모든 시약은 일급 및 특급 시약을 사용하였다.

Table 1 . Composition of plant-based proteins used in extruded meat analog

Plant-based proteinProtein (%)Moisture (%)Ash (%)Fat (%)Carbohydrate (%)
ISP92.08±0.10a6.31±0.11a0.81±0.06g0.80±0.18d
Gluten90.83±0.01b5.85±0.23c2.71±0.05f0.12±0.15e0.51
Pea 188.91±0.03c5.62±0.11e7.56±0.38a<0.1
Pea 288.58±0.10d5.63±0.12d7.46±0.20b<0.1
Rice 179.22±0.10f6.23±0.05b5.52±0.09d0.82±0.15b8.21
Rice 279.01±0.03g5.23±0.05f5.69±0.03c0.81±0.10c9.26
Mung bean87.58±0.03e4.24±0.09g3.69±0.07e2.10±0.19a2.39

ISP, isolated soy protein; Pea, isolated pea protein; Rice, isolated rice protein.

All values are mean±standard deviation of three replicates.

Means followed by the same letter in the same column are not significantly different at P<0.05.



수분흡수력과 유지흡수력

단백질 시료의 수분흡수력(water absorption capacity, WAC)과 유지흡수력(oilabsorption capacity, OAC)은 Cha 등(2020)의 방법을 이용하여 측정하였다. 수분흡수력 측정을 위해 시료 2 g에 증류수 20 mL를 혼합한 후, 30초 동안 voltex mixer(KMC-1300V, BioNex Solutions, Inc., San Jose, CA, USA)를 이용하여 교반하고 10분간 정치시키는 과정을 5번 반복한 후 4,000 rpm에서 20분간 원심분리하였다. 최종적으로 상층액을 따라낸 상태에서 10분간 정치시킨 침전물의 중량을 측정하였다. 또한, 식용유를 사용한 동일한 방법으로 침전물의 무게에서 시료의 무게를 나누어 수분흡수율 및 유지흡수율 값을 식 (1), (2)와 같이 계산하여 평균값을 측정하였으며, 모든 실험의 횟수는 총 3회로 하였다.

WAC %sample weight after water absorbing g/ sample weight g×100

OAC %[sample weight after oil absorbing g/sample weight g]×100

유화 활성과 유화 안정성

단백질 시료의 유화 활성(emulsifying activity, EA)과 유화 안정성(emulsifying stability, ES)은 Kim과 Park(1995)의 방법에 따라 측정하였다. 시료 0.5 g에 증류수 5 mL를 가하여 균질기(IKA Co., Ltd., Seoul, Korea)를 사용하여 5,000 rpm에서 1분간 분산시킨 후, 식용류 5 mL를 다시 첨가하여 동일한 방법으로 분산시켜 혼합하였으며, 이때 형성된 혼합액을 이용하여 유화 활성과 유화 안정성을 측정하였다. 유화 활성은 1,600 rpm에서 5분간 원심분리하였으며, 유화 안정성은 유화액을 80°C에서 30분간 가열한 후 냉각하여 1,600 rpm에서 5분간 원심분리하였다. 시험관 내 시료의 유화 활성과 유화 안정성은 Cha 등(2020)의 공식에 따라 식 (3), (4)와 같이 계산하여 평균값을 측정하였으며 모든 실험의 횟수는 총 3회로 하였다.

Emulsifying activity %[volume in emulsifiedlayer mL/ sample volume mL]×100

Emulsion stability %[volume in emulsified layerafterboiling mL/ sample volume mL]×100

수용성 질소지수

단백질 시료의 수용성 질소지수(nitrogen solubility index, NSI)의 실험은 Cho(2021)의 방법을 사용하였다. 시료 1.5 g을 0.5%의 KOH 용액 75 mL에 넣고 30°C의 shaker(SI-300R, Jeiotech, Seoul, Korea)에 120 rpm으로 교반하였다. 그중 50 mL를 취하여 3,000 rpm에서 20분 동안 원심분리한 후 0.5 mL의 상등액을 최종적으로 취하여 Ninhydrin 방법(Starcher, 2001)으로 수용성 질소 함량(soluble nitrogen content)을 측정하였다. 총 질소 함량 값은 시료 1.5 g을 6 N의 염산 100°C에 24시간 동안 완전히 가수분해하여 75 mL의 증류수에 녹인 후 상등액 0.5 mL를 취하여 Ninhydrin 방법(Starcher, 2001)으로 측정하여 식 (5)에 대입하여 평균값을 측정하였으며, 모든 실험의 횟수는 총 3회로 하였다.

NSI %[soluble nitrogen contentin sample/ total nitrogen content]×100

DPPH 라디칼 소거 활성

단백질 시료의 DPPH 라디칼 소거 활성(DPPH radical scavenging activity) 실험은 Brand-Williams 등(1995)의 방법을 사용하였다. 시료 1 g을 PBS 시약 10 mL에 넣고 2시간 동안 추출한 후 3,000 rpm으로 30분 동안 원심 분리하였다. 그중 상등액 0.1 mL를 취하여 메탄올에 녹인 DPPH 시약 3.9 mL에 넣고 실온의 암실에서 30분 동안 반응시킨 후 spectrophotometer(Biowave 3, Biochrom WPA Co., Ltd., Sanghai, China)를 사용하여 515 nm 파장에서 흡광도를 측정하였다. 공시험도 역시 같은 방법으로 시행하고 산출된 흡광도를 이용하여 식 (6)에 대입하여 평균값을 측정하였으며, 모든 실험의 횟수는 총 3회로 하였다.

DPPHradicalscavengingactivity%=A0AiA0×100

A0: Absorbance of the blank

Ai: Absorbance of the sample

총 폴리페놀 함량

단백질 시료의 총 페놀성 화합물의 함량은 Thin 등(2016)의 방법에 따라 측정하였다. PBS 시약 10 mL에 2시간 추출한 0.3 mL의 상등액에 10배 희석한 FolinCiocalteu’s phenol reagent(Sigma-Aldrich Co.) 1.5 mL를 첨가하여 5분간 반응시킨 다음, 6%의 Na2CO3 1.5 mL를 첨가하여 상온의 암실에서 2시간 동안 반응시켰다. 흡광도는 spectrophotometer(Biowave 3, Biochrom WPA Co., Ltd.)를 사용하여 765 nm에서 그 값을 측정하였으며, 총 폴리페놀의 함량은 표준용액 gallic acid를 사용한 검량선을 통해 계산하였다.

통계처리

결과의 통계처리는 SPSS(version 23.0, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)를 이용하여 일원배치 분산분석(one-way ANOVA)을 실시한 후 유의적 차이가 있는 항목에 대해서 P<0.05 수준에서 그 결과를 Duncan’s multiple range test로 검정하였다.

일반성분

식물성 단백질의 조단백, 수분, 회분, 조지방, 탄수화물 함량은 Table 1에 나타내었다. 조단백 함량에서 분리대두단백(ISP)이 92.08±0.10%로 가장 높은 값을 나타내었고, 그 뒤를 글루텐이 90.83±0.01%, 분리완두단백(Pea 1, 2)이 88.91±0.03%, 88.58±0.10%의 순으로, 대체육의 주요 식물성 단백질 원료들의 조단백 함량이 분리녹두단백(87.58±0.03%)이나 79.22±0.10%, 79.01±0.03%인 분리쌀단백(Rice 1, 2)보다 높게 나타났다. 반면, 탄수화물 함량은 Rice 2가 9.26%로 가장 높은 값을 나타내었으며, Rice 1이 8.21%, 분리녹두단백이 2.39%의 순으로 높아, 분리쌀단백 시료들과 분리녹두단백이 주요 단백질 원료들보다 높은 탄수화물 함량을 나타내었다. 또한, 분리녹두단백의 조지방 함량이 2.10±0.19%로 가장 높았으며, ISP를 포함한 주요 단백질 원료들은 모두 1% 미만으로 매우 낮았다. 그 외에 동일 분리완두단백(Pea 1, 2)과 분리쌀단백(Rice 1, 2) 원료 간 조회분 및 기본성분들의 차이는 시료의 품종 또는 생산지, 분리단백 제조 방법의 차이 때문이라고 생각된다(Kim 등, 1995).

수분흡수력 및 유지흡수력

수분흡수력은 단백질 분자의 구조적 특성, 단백질 분자 내 아미노산의 친수성 및 소수성의 균형 이외에 다양한 매개변수에 영향을 받으며, 유지흡수력은 농축단백 내에 소수성, 비공유결합과 같은 단백질 분자와 지질의 상호작용에 영향을 받는다(Cha 등, 2020; Adiamo 등, 2016).

식물성 단백질 원료들의 수분흡수력과 유지흡수력은 Fig. 1에 나타내었다. 수분흡수력은 분리대두단백(ISP)이 353.54±2.87%로 가장 높은 값을 나타내었고, 그 뒤를 분리녹두단백이 324.65±0.23%로 높게 나타났다. 이는 ISP 소재와 분리녹두단백의 높은 용해도와 친수성 아미노산의 함량이 이에 영향을 미친 것으로 생각되며, ISP와 분리녹두단백 소재 대체육의 수분흡수력 값이 글루텐이나

Fig. 1. Water absorption capacity and oil absorption capacity of plant-based proteins. ISP, isolated soy protein; Pea, isolated pea protein; Rice, isolated rice protein. Different letters on the bars indicate significant differences (P<0.05).

분리완두단백 소재보다 높은 값을 나타내었다는 Samard와 Ryu(2019)의 보고와도 일치하였다. 또한, 분리녹두단백의 수분흡수력이 기존 대체육의 주된 원료인 ISP나 글루텐에 비하여 크게 낮지 않고 분리완두단백보다 높은 값을 나타내어, 분리녹두단백 소재 대체육은 높은 보수력을 지닌 조직감을 나타낼 것으로 생각된다.

유지흡수력은 글루텐이 109.83±0.08%로 가장 높은 값을 나타내었으며, 수분흡수력의 결과와 같이 Rice 2가 48.17±0.08%로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이는 친유성 아미노산의 함량이 상대적으로 높은 글루텐의 유지와 강한 상호작용을 통해 높은 유지흡착 및 보유력을 나타낸 것으로 생각된다. 수분흡수력에서는 Pea 1과 Pea 2 간에 큰 차이를 보이지 않았지만, 유지흡수력에서 각각 108.83±0.13%, 98.23±0.13%로 Pea 1이 보다 높은 값을 나타내었다. 이는 동일한 분리완두단백 소재라도 Pea 1의 단백질 분자 크기가 크고 분자 간의 밀도가 상대적으로 낮기 때문인 것으로 생각된다. 또한, 이는 참깨 및 농축대두 단백질의 겉보기 밀도와 유지흡수력 간에 음의 상관관계가 성립했다는 Dench 등(1981)의 보고와도 일치하였다. 수분흡수력과 유지흡수력에서 모두 가장 낮은 값을 나타낸 Rice 2의 경우, 다른 소재보다 높은 탄수화물 함량이 단백질 분자의 조밀성에 영향을 준 것으로 생각된다(Cha 등, 2020). 분리쌀단백 간 비교에서는 수분 및 유지흡수력에서 각각 236.01±2.97%, 57.99±0.30%로 모두 더 높은 값을 나타낸 Rice 1이 단백질 분자의 크기가 상대적으로 크고 밀도가 낮아 수분 및 유지를 흡착하고 보유하는 능력이 큰 것으로 생각된다.

유화 활성 및 유화 안정성

단백질은 천연계에 존재하는 천연유화제로서 유화 과정에서 물과 기름의 계면 장력을 낮추어 유화액 형성을 용이하게 하고, 형성된 유화액을 안정화시키는 역할을 한다(Cha 등, 2020). 식물성 단백질 원료의 유화성을 측정하기 위한 두 가지 지표인 유화 활성과 유화 안정성 값은

Fig. 2에 나타내었다. 유화 활성과 유화 안정성 모두 글루텐이 각각 54.47±0.20%, 86.64±0.02%로 가장 높은 값을 나타내었고, 그 뒤를 Pea 1이 50.33±0.33%, 85.78±0.18%, Pea 2가 43.83±0.02%, 75.96±0.83% 순으로 높은 값을 나타내었다. 이는 완두단백이나 글루텐의 경우 대체육 패티 및 샐러드드레싱에 적합한 유화성이 높은 소재로, 응고나 침전이 적은 특성 때문인 것으로 생각된다. 또한, 이는 분리완두단백과 글루텐의 유화 활성과 유화 안정성이 분리녹두단백이나 분리대두단백보다 높은 값을 나타내었다는 Samard와 Ryu(2019)의 보고와도 일치하였다. 동일 분리완두단백 소재인 Pea 1과 Pea 2와의 비교에서 높은 유분흡수력을 지닌 Pea 1의 유화 활성과 유화 안정성이 더 높게 나타났다. 이는 Pea 1의 단백질 분자가 유지와의 강한 상호작용을 통해 단백질 막을 견고하게 형성하여 응집과 유착 정도가 감소하였기 때문인 것으로 생각된다(Lee와 Lee, 1997). 가장 낮은 값을 나타낸 분리쌀단백 소재들(Rice 1, 2)의 경우, 다른 소재들에 비하여 상대적으로 적은 단백질 함량 때문에 유화 점도가 떨어져 낮은 유화 활성과 안정성을 나타낸 것으로 생각되며, 이는 대두단백의 단백질 농도가 증가할수록 유지의 입도가 감소하고 유화 점도가 증가하여 유화 안정성이 증가하였다는 Hwang 등(1992)의 보고와도 일치하였다.

Fig. 2. Emulsifying activity and emulsion stability of plant-based proteins. ISP, isolated soy protein; Pea, isolated pea protein; Rice, isolated rice protein. Different letters on the bars indicate significant differences (P<0.05).

수용성 질소지수

수용성 질소지수는 물에 용해되어 분산되는 수용성 단백질의 측정을 위하여 널리 사용된다(Cho, 2021). 단백질 시료들 중 ISP가 94.52±0.03%로 가장 높은 값을 나타냈으며, 그 뒤를 글루텐이 93.22±0.71%, 분리녹두단백이 90.92±0.01%의 순으로 높게 나타났다(Fig. 3). 반면, Rice 2가 81.19±0.53%로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이는 친수성 아미노산의 함량이 많고 수분흡수력이 높은 ISP의 단백질 분자들이 물 분자와의 강한 상호작용을 통해 높은 분산성을 나타낸 것으로 생각되며, ISP의

Fig. 3. Nitrogen solubility index of plant-based proteins. ISP, isolated soy protein; Pea, isolated pea protein; Rice, isolated rice protein. Different letters on the bars indicate significant differences (P<0.05).

용해도가 완두단백이나 녹두단백에 비하여 높은 값을 나타내었다는 Cha 등(2020)의 보고와도 일치하였다. 수용성 질소지수는 대체육의 소화율 및 조직감과 유의적인 상관관계를 지니며 대체육의 품질에 영향을 미친다(Cho, 2021). 따라서 기존 대체육의 원료로 사용되는 ISP나 글루텐에 비하여 수용성 질소지수가 크게 낮지 않고 분리완두단백보다 높은 값을 나타낸 분리녹두단백은 대체육의 주원료로서 가능성을 나타내었다. 가장 낮은 수용성 질소지수를 나타낸 분리쌀단백의 경우, 다른 소재에 비하여 전분질 함량이 높아 용해되는 수용성 단백질의 함량이 감소하였기 때문인 것으로 생각된다. 두 분리완두단백 간 비교에서 Pea 1이 88.58±0.01%로, 87.45±0.03%인 Pea 2보다 높은 수용성 질소지수를 나타내었다. 분리쌀단백 시료들 간에서는 수분흡수력 및 유분흡수력에서 모두 높은 값을 나타낸 Rice 1의 수용성 질소지수가 Rice 2보다 더 높았다.

항산화 특성

폴리페놀 화합물(total phenolic content)은 식물에만 존재하는 생리활성 물질로서 강한 항산화능을 지니며, 안정한 형태의 free radical인 DPPH의 소거 활성능은 추출물의 항산화 활성을 평가하는 척도가 된다(Seleshe와 Kang, 2019).

식물성 단백질 시료의 항산화 특성과 관련된 총 폴리페놀 화합물 함량과 DPPH 라디칼 소거 활성에서 분리녹두단백이 각각 444.04±1.63 mg GAE/g, 55.06±2.97%로 가장 높은 값을 나타내었다(Fig. 4A, B). 이는 녹두에 함유된 특유의 생리활성 물질인 vitexin과 isovitexin 외에도 다른 단백질 시료들에 비해 높은 총 폴리페놀 화합물 함량 때문인 것으로 생각된다(Kim 등, 2014). 두 분리완두단백들 간의 비교에서는 Pea 2가 Pea 1보다 더 높은 항산화 특성을 보였다. 이는 동일한 종류의 시료라도 그 품종이나 추출조건 및 추출방법에 따라 항산화 특성에 차이가 있기 때문인 것으로 생각된다(Jeon 등, 2015). 반면, 가장 낮은 총 폴리페놀 함량과 DPPH 라디칼 소거 활성 값을 나타낸 Rice 1과 Rice 2 간에는 유의적인 차이가 없었다.

Fig. 4. DPPH radical scavenging activity (A) and total phenolic content (B) of plant-based proteins. ISP, isolated soy protein; Pea, isolated pea protein; Rice, isolated rice protein. Different letters on the bars indicate significant differences (P<0.05).

또한, Cho(2021)는 느타리버섯 첨가 대체육에 관한 연구에서 느타리버섯의 폴리페놀과 대체육의 단백질 간 상호작용에 의해 교차결합이 형성되어 조직감 특성들이 증가하였다고 보고한바, 폴리페놀 함량이 풍부한 분리녹두단백은 항산화 기능성뿐만 아니라 조직감 강화 면에서도 우수한 대체육 소재가 될 수 있다고 생각된다.

본 연구는 조직감 및 기능성 면에서 우수한 대체육의 제조를 위하여 이의 재료가 되는 식물성 단백질 원료인 분리대두단백, 분리녹두단백, 글루텐과, 분리완두단백(Pea 1, 2)과 분리쌀단백(Rice 1, 2)의 품질 특성에 대하여 각각 살펴보았다. 수분흡수력에서는 분리대두단백이, 유지흡수력에서는 글루텐이 가장 높은 값을 나타내었다. 또한, 유지흡수력에서 Pea 1이 Pea 2보다 높은 값을 나타내었으며, 분리쌀단백 Rice 1이 수분 및 유지흡착력에서 Rice 2보다 높은 값을 나타내었다. 유화 활성과 유화 안정성 모두에서 글루텐이 가장 높은 값을 나타내었고, Pea 1의 유화 활성과 유화 안정성이 Pea 2보다 더 높게 나타났다. 가장 낮은 유화 활성과 유화 안정성을 나타낸 분리쌀단백 시료의 경우, Rice 1이 Rice 2보다 더 높은 값을 나타내었다. 수용성 질소지수는 분리대두단백이 가장 높았고, Pea 1이 Pea 2보다, Rice 1이 Rice 2보다 더 높은 값을 나타내었다. 항산화 특성인 DPPH 라디칼 소거 활성과 총 폴리페놀 화합물에서 모두 분리녹두단백이 가장 높은 값을 나타내었으며, Pea 2가 Pea 1보다 높은 값을, 분리쌀단백 Rice 1과 Rice 2 간에는 유의적인 차이가 없어 항산화 기능성 면에서 두 시료가 유사한 것으로 나타났다. 식물성 단백질의 종류뿐만 아니라 동일 종의 단백질도 그 품질에 차이가 있으며, 이러한 식물성 단백질 원료의 우수한 이화학적, 기능적 특성은 대체육의 가공 품질 향상에 영향을 미칠 것으로 생각된다.

본 연구는 농림축산식품부의 재원으로 농림수산식품기술기획평가원의 고부가가치 식품기술개발사업의 지원을 받아 연구되었음(321021031HD020).

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Article

Article

Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51(4): 375-380

Published online April 30, 2022 https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.4.375

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

대체육에 사용되는 식물성 단백질의 품질 특성

조선영?류기형

공주대학교 식품공학과, 식품 및 사료 압출성형 센터

Received: December 30, 2021; Revised: March 14, 2022; Accepted: March 15, 2022

Quality Characteristics of Plant-Based Proteins Used in Meat Analogs

Sun Young Cho and Gi-Hyung Ryu

Department of Food Science and Technology, Food and Feed Extrusion Research Center, Kongju National University

Correspondence to:Gi-Hyung Ryu, Department of Food Science and Technology, Food and Feed Extrusion Research Center, Kongju National University, 54-3, Daehak-ro, Yesan-eup, Yesan-gun, Chungnam 32439, Korea, E-mail: ghryu@kongju.ac.kr
Author information: Sun Young Cho (Researcher), Gi-Hyung Ryu (Professor)

Received: December 30, 2021; Revised: March 14, 2022; Accepted: March 15, 2022

This is Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

This study aims to investigate the physicochemical and functional properties of promising plant-based proteins used for meat analogs processing. The plant-based proteins were isolated soy protein (ISP), gluten, pea proteins (Pea 1, 2) which are the different manufacturers, and isolated rice proteins (Rice 1, 2), and mung bean protein. The highest water absorption capacity (WAC) and oil absorption capacity (OAC) were observed in and pea protein (Pea 1), while the lowest WAC and OAC were seen in rice protein (Rice 2). Pea 1 had the highest emulsifying activity (EA) and emulsion stability (ES), whereas Rice 2 indicated in the lowest EA and ES. The highest nitrogen solubility index (NSI) was seen in ISP, while Rice 2 had the lowest NSI. Pea 1 had the higher NSI compare with Pea 2. Mung bean protein had the highest the antioxidant properties with DPPH radical scavenging activity and total phenolic content among the plant-based proteins. Pea 2 also had the higher antioxidant properties than Pea 1. Our study revealed that the kinds of plant-based proteins had the different physicochemical and functional properties, which could influence their quality characteristics of raw materials for meat analogs.

Keywords: plant-based protein, meat analog, isolated mung bean protein, isolated rice protein

서 론

단백질은 생명 활동 유지를 위한 필수 영양소로, 양질의 단백질 자원과 공급 문제가 국가적 화두로 부각되고 있다. 이에 육고기의 대체식품 개발과 지속가능한 소비증대가 해결안으로 제시되면서, 단백질 대체 소재로서 식물성 단백질, 식용곤충, 해조류, 미생물, 배양육 등의 활용방안이 주요 쟁점으로 떠오르고 있다(Lee 등, 2021). 특히, 식물성 단백질 원료들은 동물성 원료에 비하여 저지방 저칼로리에 영양적으로 손색이 없으면서, 동물성에는 없는 폴리페놀 및 각종 생리활성 물질이 함유되어 건강상 유익하다.

대체육에 사용되는 식물성 단백질로는 대두단백, 밀글루텐, 완두단백 이외에도 카놀라, 해바라기 씨와 같은 씨앗류나 땅콩, 쌀이나 녹두 단백 등이 있다(Cho와 Ryu, 2021; Samard와 Ryu, 2019). 이들 원료는 고함량의 정제된 형태로 사용되며, 보수력, 겔화 유도, 유화 안정성 등의 장점들이 있어 대체육으로 제조 시에 기존의 육고기와 유사한 조직감을 구현해 낼 수 있는 장점을 지닌다(Kyriakopoulou 등, 2019).

대체육 제조에 사용되는 주된 식물성 단백질은 분리대두단백(isolated soy protein)으로, 대두에 포함된 수용성 다당류와 올리고당이 모두 제거되어 90% 이상의 높은 단백질 함량을 지니고 있으며, 소시지나 햄버거의 식육가공품의 결착제로도 이용된다(Choi 등, 2015). 활성 글루텐은 밀전분 생산 시 발생하는 부산물로 불용성 단백질이며 일반적으로 gliadin과 glutenin의 이중구조로 구성되어, 분리대두단백과 함께 대체육으로 가공 시에 조직에 이황화 결합(disulfide networking)을 촉진하여 섬유상 조직화를 강화하는 역할을 한다(Samard와 Ryu, 2019). 완두콩 단백질의 경우, 렌틸콩이나 다른 두류에 비하여 비교적 높은 겔화 능력과 유화 안정성을 나타내어 주로 햄버거 패티의 주원료나 소시지과 같은 식육 가공품의 부원료로 사용된다(Choi와 Chin, 2020; Cho, 2021).

또한, 대체육의 주요 소재로 사용되고 있는 분리대두단백이나 밀글루텐, 완두단백 외에도 땅콩 단백이나 쌀단백, 녹두단백이 육고기의 증량제나 대체육의 원료, 부원료로 사용되고 있다(Rehrah 등, 2009; Samard와 Ryu, 2019; Cho, 2021). 밀과 비교하여 필수 아미노산인 라이신(lysine) 함량이 높고 소화율이 높다고 알려진 쌀 단백의 경우, 치킨 너겟에 첨가하였을 시에 그 함량의 증가에 따라 보수력은 증가하고 감열감량은 감소하여, 기존 가공육의 조직감을 개선하였다는 보고가 있다(Shoaib 등, 2018). 플라보노이드류 등 기능성 물질을 다량 함유하고 있는 녹두는 탄수화물과 단백질이 높아 전통적으로 묵, 국수, 고물, 죽, 소 등의 가공식품으로 이용되어 왔으며, 최근에는 압출성형을 통한 대체육의 제조에도 사용되고 있다(Woo 등, 2018). Samard와 Ryu(2019)는 분리녹두단백 소재 압출성형 대체육이 분리완두단백이나 밀글루텐 소재보다 높은 수분 흡수율과 단백질 용해도를 보였다고 보고하였다.

이들 식물성 단백질의 종류와 함량은 최종식품의 이화학적, 기능적 품질에 영향을 미친다(Choi와 Chin, 2020). 현재 동일 방법으로 분리 추출한 콩 단백질의 종류별 기능성의 연구(Cha 등, 2020), 고함량의 식물성 정제 단백질의 연구(Samard와 Ryu, 2019), 완두단백과 쌀단백을 첨가한 치킨 너겟의 기능성과 관능적 특성에 대한 비교(Shoaib 등, 2018), 밀, 콩, 쌀, 완두단백의 기능성 비교(Zhao 등, 2020)에 관한 연구들이 있으나, 이는 단백질 시료 간의 기능성에 대한 단순 비교나 가공육의 부원료로서 가능성에 대한 기초 연구로써, 대체육 제조를 위한 식물성 단백질 원료의 품질에 대한 심도 있는 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 최근 대체육의 원료로 사용되고 있는 식물성 단백질이 대체육의 가공 품질에 미칠 수 있는 영향을 알아보기 위하여 식물성 단백질들의 이화학적, 기능적 특성들을 살펴보았다.

재료 및 방법

재료

본 실험은 원료로 분리대두단백(Pingdingshan Tianjing Plant Albumen Co., Ltd., Zhengzhou, China), 밀 글루텐(Roquette Freres, Lestrem, France), 분리녹두단백(Et Protein, Suzhou, China)과 분리완두단백 1(The Green Labs LLC., Clifton, NJ, USA), 분리완두단백 2(Yantai Suangta Food Co., Ltd., Shandong, China), 분리쌀단백 1(RP-80, Vedan Enterprise Corp., Ltd., Dong, Vietnam)과 분리쌀단백 2(VRT-80N, Vedan Enterprise Corp., Ltd.)를 구입하여 사용하였다. 단백질 시료들의 기본성분들은 Table 1에 나타내었다. 조단백은 Ninhydrin 방법(Starcher, 2001)을, 수분함량, 조회분, 조지방은 AOAC(1990)에 따라 측정하였으며, 탄수화물 함량은 타 기본성분의 총합을 감하여 계산하였다. 분석시약은 ninhydrin(Duksan Chemical Co., Ansan, Korea), ethylene glycol(Daejung Chemical Co., Goryeong, Korea), acetic acid(Daejung Chemical Co.), sodium acetate(Duksan Chemical Co.), stannous chloride Ⅱ(Kokusan Chemical Co., Yokohama, Japan), 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl(Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA), Folin&Ciocalteu’s phenol reagent(Sigma-Aldrich)를 구입하여 사용하였다. 그 외에 실험에 사용된 모든 시약은 일급 및 특급 시약을 사용하였다.

Table 1 . Composition of plant-based proteins used in extruded meat analog.

Plant-based proteinProtein (%)Moisture (%)Ash (%)Fat (%)Carbohydrate (%)
ISP92.08±0.10a6.31±0.11a0.81±0.06g0.80±0.18d
Gluten90.83±0.01b5.85±0.23c2.71±0.05f0.12±0.15e0.51
Pea 188.91±0.03c5.62±0.11e7.56±0.38a<0.1
Pea 288.58±0.10d5.63±0.12d7.46±0.20b<0.1
Rice 179.22±0.10f6.23±0.05b5.52±0.09d0.82±0.15b8.21
Rice 279.01±0.03g5.23±0.05f5.69±0.03c0.81±0.10c9.26
Mung bean87.58±0.03e4.24±0.09g3.69±0.07e2.10±0.19a2.39

ISP, isolated soy protein; Pea, isolated pea protein; Rice, isolated rice protein..

All values are mean±standard deviation of three replicates..

Means followed by the same letter in the same column are not significantly different at P<0.05..



수분흡수력과 유지흡수력

단백질 시료의 수분흡수력(water absorption capacity, WAC)과 유지흡수력(oilabsorption capacity, OAC)은 Cha 등(2020)의 방법을 이용하여 측정하였다. 수분흡수력 측정을 위해 시료 2 g에 증류수 20 mL를 혼합한 후, 30초 동안 voltex mixer(KMC-1300V, BioNex Solutions, Inc., San Jose, CA, USA)를 이용하여 교반하고 10분간 정치시키는 과정을 5번 반복한 후 4,000 rpm에서 20분간 원심분리하였다. 최종적으로 상층액을 따라낸 상태에서 10분간 정치시킨 침전물의 중량을 측정하였다. 또한, 식용유를 사용한 동일한 방법으로 침전물의 무게에서 시료의 무게를 나누어 수분흡수율 및 유지흡수율 값을 식 (1), (2)와 같이 계산하여 평균값을 측정하였으며, 모든 실험의 횟수는 총 3회로 하였다.

WAC %sample weight after water absorbing g/ sample weight g×100

OAC %[sample weight after oil absorbing g/sample weight g]×100

유화 활성과 유화 안정성

단백질 시료의 유화 활성(emulsifying activity, EA)과 유화 안정성(emulsifying stability, ES)은 Kim과 Park(1995)의 방법에 따라 측정하였다. 시료 0.5 g에 증류수 5 mL를 가하여 균질기(IKA Co., Ltd., Seoul, Korea)를 사용하여 5,000 rpm에서 1분간 분산시킨 후, 식용류 5 mL를 다시 첨가하여 동일한 방법으로 분산시켜 혼합하였으며, 이때 형성된 혼합액을 이용하여 유화 활성과 유화 안정성을 측정하였다. 유화 활성은 1,600 rpm에서 5분간 원심분리하였으며, 유화 안정성은 유화액을 80°C에서 30분간 가열한 후 냉각하여 1,600 rpm에서 5분간 원심분리하였다. 시험관 내 시료의 유화 활성과 유화 안정성은 Cha 등(2020)의 공식에 따라 식 (3), (4)와 같이 계산하여 평균값을 측정하였으며 모든 실험의 횟수는 총 3회로 하였다.

Emulsifying activity %[volume in emulsifiedlayer mL/ sample volume mL]×100

Emulsion stability %[volume in emulsified layerafterboiling mL/ sample volume mL]×100

수용성 질소지수

단백질 시료의 수용성 질소지수(nitrogen solubility index, NSI)의 실험은 Cho(2021)의 방법을 사용하였다. 시료 1.5 g을 0.5%의 KOH 용액 75 mL에 넣고 30°C의 shaker(SI-300R, Jeiotech, Seoul, Korea)에 120 rpm으로 교반하였다. 그중 50 mL를 취하여 3,000 rpm에서 20분 동안 원심분리한 후 0.5 mL의 상등액을 최종적으로 취하여 Ninhydrin 방법(Starcher, 2001)으로 수용성 질소 함량(soluble nitrogen content)을 측정하였다. 총 질소 함량 값은 시료 1.5 g을 6 N의 염산 100°C에 24시간 동안 완전히 가수분해하여 75 mL의 증류수에 녹인 후 상등액 0.5 mL를 취하여 Ninhydrin 방법(Starcher, 2001)으로 측정하여 식 (5)에 대입하여 평균값을 측정하였으며, 모든 실험의 횟수는 총 3회로 하였다.

NSI %[soluble nitrogen contentin sample/ total nitrogen content]×100

DPPH 라디칼 소거 활성

단백질 시료의 DPPH 라디칼 소거 활성(DPPH radical scavenging activity) 실험은 Brand-Williams 등(1995)의 방법을 사용하였다. 시료 1 g을 PBS 시약 10 mL에 넣고 2시간 동안 추출한 후 3,000 rpm으로 30분 동안 원심 분리하였다. 그중 상등액 0.1 mL를 취하여 메탄올에 녹인 DPPH 시약 3.9 mL에 넣고 실온의 암실에서 30분 동안 반응시킨 후 spectrophotometer(Biowave 3, Biochrom WPA Co., Ltd., Sanghai, China)를 사용하여 515 nm 파장에서 흡광도를 측정하였다. 공시험도 역시 같은 방법으로 시행하고 산출된 흡광도를 이용하여 식 (6)에 대입하여 평균값을 측정하였으며, 모든 실험의 횟수는 총 3회로 하였다.

DPPHradicalscavengingactivity%=A0AiA0×100

A0: Absorbance of the blank

Ai: Absorbance of the sample

총 폴리페놀 함량

단백질 시료의 총 페놀성 화합물의 함량은 Thin 등(2016)의 방법에 따라 측정하였다. PBS 시약 10 mL에 2시간 추출한 0.3 mL의 상등액에 10배 희석한 FolinCiocalteu’s phenol reagent(Sigma-Aldrich Co.) 1.5 mL를 첨가하여 5분간 반응시킨 다음, 6%의 Na2CO3 1.5 mL를 첨가하여 상온의 암실에서 2시간 동안 반응시켰다. 흡광도는 spectrophotometer(Biowave 3, Biochrom WPA Co., Ltd.)를 사용하여 765 nm에서 그 값을 측정하였으며, 총 폴리페놀의 함량은 표준용액 gallic acid를 사용한 검량선을 통해 계산하였다.

통계처리

결과의 통계처리는 SPSS(version 23.0, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)를 이용하여 일원배치 분산분석(one-way ANOVA)을 실시한 후 유의적 차이가 있는 항목에 대해서 P<0.05 수준에서 그 결과를 Duncan’s multiple range test로 검정하였다.

결과 및 고찰

일반성분

식물성 단백질의 조단백, 수분, 회분, 조지방, 탄수화물 함량은 Table 1에 나타내었다. 조단백 함량에서 분리대두단백(ISP)이 92.08±0.10%로 가장 높은 값을 나타내었고, 그 뒤를 글루텐이 90.83±0.01%, 분리완두단백(Pea 1, 2)이 88.91±0.03%, 88.58±0.10%의 순으로, 대체육의 주요 식물성 단백질 원료들의 조단백 함량이 분리녹두단백(87.58±0.03%)이나 79.22±0.10%, 79.01±0.03%인 분리쌀단백(Rice 1, 2)보다 높게 나타났다. 반면, 탄수화물 함량은 Rice 2가 9.26%로 가장 높은 값을 나타내었으며, Rice 1이 8.21%, 분리녹두단백이 2.39%의 순으로 높아, 분리쌀단백 시료들과 분리녹두단백이 주요 단백질 원료들보다 높은 탄수화물 함량을 나타내었다. 또한, 분리녹두단백의 조지방 함량이 2.10±0.19%로 가장 높았으며, ISP를 포함한 주요 단백질 원료들은 모두 1% 미만으로 매우 낮았다. 그 외에 동일 분리완두단백(Pea 1, 2)과 분리쌀단백(Rice 1, 2) 원료 간 조회분 및 기본성분들의 차이는 시료의 품종 또는 생산지, 분리단백 제조 방법의 차이 때문이라고 생각된다(Kim 등, 1995).

수분흡수력 및 유지흡수력

수분흡수력은 단백질 분자의 구조적 특성, 단백질 분자 내 아미노산의 친수성 및 소수성의 균형 이외에 다양한 매개변수에 영향을 받으며, 유지흡수력은 농축단백 내에 소수성, 비공유결합과 같은 단백질 분자와 지질의 상호작용에 영향을 받는다(Cha 등, 2020; Adiamo 등, 2016).

식물성 단백질 원료들의 수분흡수력과 유지흡수력은 Fig. 1에 나타내었다. 수분흡수력은 분리대두단백(ISP)이 353.54±2.87%로 가장 높은 값을 나타내었고, 그 뒤를 분리녹두단백이 324.65±0.23%로 높게 나타났다. 이는 ISP 소재와 분리녹두단백의 높은 용해도와 친수성 아미노산의 함량이 이에 영향을 미친 것으로 생각되며, ISP와 분리녹두단백 소재 대체육의 수분흡수력 값이 글루텐이나

Fig 1. Water absorption capacity and oil absorption capacity of plant-based proteins. ISP, isolated soy protein; Pea, isolated pea protein; Rice, isolated rice protein. Different letters on the bars indicate significant differences (P<0.05).

분리완두단백 소재보다 높은 값을 나타내었다는 Samard와 Ryu(2019)의 보고와도 일치하였다. 또한, 분리녹두단백의 수분흡수력이 기존 대체육의 주된 원료인 ISP나 글루텐에 비하여 크게 낮지 않고 분리완두단백보다 높은 값을 나타내어, 분리녹두단백 소재 대체육은 높은 보수력을 지닌 조직감을 나타낼 것으로 생각된다.

유지흡수력은 글루텐이 109.83±0.08%로 가장 높은 값을 나타내었으며, 수분흡수력의 결과와 같이 Rice 2가 48.17±0.08%로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이는 친유성 아미노산의 함량이 상대적으로 높은 글루텐의 유지와 강한 상호작용을 통해 높은 유지흡착 및 보유력을 나타낸 것으로 생각된다. 수분흡수력에서는 Pea 1과 Pea 2 간에 큰 차이를 보이지 않았지만, 유지흡수력에서 각각 108.83±0.13%, 98.23±0.13%로 Pea 1이 보다 높은 값을 나타내었다. 이는 동일한 분리완두단백 소재라도 Pea 1의 단백질 분자 크기가 크고 분자 간의 밀도가 상대적으로 낮기 때문인 것으로 생각된다. 또한, 이는 참깨 및 농축대두 단백질의 겉보기 밀도와 유지흡수력 간에 음의 상관관계가 성립했다는 Dench 등(1981)의 보고와도 일치하였다. 수분흡수력과 유지흡수력에서 모두 가장 낮은 값을 나타낸 Rice 2의 경우, 다른 소재보다 높은 탄수화물 함량이 단백질 분자의 조밀성에 영향을 준 것으로 생각된다(Cha 등, 2020). 분리쌀단백 간 비교에서는 수분 및 유지흡수력에서 각각 236.01±2.97%, 57.99±0.30%로 모두 더 높은 값을 나타낸 Rice 1이 단백질 분자의 크기가 상대적으로 크고 밀도가 낮아 수분 및 유지를 흡착하고 보유하는 능력이 큰 것으로 생각된다.

유화 활성 및 유화 안정성

단백질은 천연계에 존재하는 천연유화제로서 유화 과정에서 물과 기름의 계면 장력을 낮추어 유화액 형성을 용이하게 하고, 형성된 유화액을 안정화시키는 역할을 한다(Cha 등, 2020). 식물성 단백질 원료의 유화성을 측정하기 위한 두 가지 지표인 유화 활성과 유화 안정성 값은

Fig. 2에 나타내었다. 유화 활성과 유화 안정성 모두 글루텐이 각각 54.47±0.20%, 86.64±0.02%로 가장 높은 값을 나타내었고, 그 뒤를 Pea 1이 50.33±0.33%, 85.78±0.18%, Pea 2가 43.83±0.02%, 75.96±0.83% 순으로 높은 값을 나타내었다. 이는 완두단백이나 글루텐의 경우 대체육 패티 및 샐러드드레싱에 적합한 유화성이 높은 소재로, 응고나 침전이 적은 특성 때문인 것으로 생각된다. 또한, 이는 분리완두단백과 글루텐의 유화 활성과 유화 안정성이 분리녹두단백이나 분리대두단백보다 높은 값을 나타내었다는 Samard와 Ryu(2019)의 보고와도 일치하였다. 동일 분리완두단백 소재인 Pea 1과 Pea 2와의 비교에서 높은 유분흡수력을 지닌 Pea 1의 유화 활성과 유화 안정성이 더 높게 나타났다. 이는 Pea 1의 단백질 분자가 유지와의 강한 상호작용을 통해 단백질 막을 견고하게 형성하여 응집과 유착 정도가 감소하였기 때문인 것으로 생각된다(Lee와 Lee, 1997). 가장 낮은 값을 나타낸 분리쌀단백 소재들(Rice 1, 2)의 경우, 다른 소재들에 비하여 상대적으로 적은 단백질 함량 때문에 유화 점도가 떨어져 낮은 유화 활성과 안정성을 나타낸 것으로 생각되며, 이는 대두단백의 단백질 농도가 증가할수록 유지의 입도가 감소하고 유화 점도가 증가하여 유화 안정성이 증가하였다는 Hwang 등(1992)의 보고와도 일치하였다.

Fig 2. Emulsifying activity and emulsion stability of plant-based proteins. ISP, isolated soy protein; Pea, isolated pea protein; Rice, isolated rice protein. Different letters on the bars indicate significant differences (P<0.05).

수용성 질소지수

수용성 질소지수는 물에 용해되어 분산되는 수용성 단백질의 측정을 위하여 널리 사용된다(Cho, 2021). 단백질 시료들 중 ISP가 94.52±0.03%로 가장 높은 값을 나타냈으며, 그 뒤를 글루텐이 93.22±0.71%, 분리녹두단백이 90.92±0.01%의 순으로 높게 나타났다(Fig. 3). 반면, Rice 2가 81.19±0.53%로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이는 친수성 아미노산의 함량이 많고 수분흡수력이 높은 ISP의 단백질 분자들이 물 분자와의 강한 상호작용을 통해 높은 분산성을 나타낸 것으로 생각되며, ISP의

Fig 3. Nitrogen solubility index of plant-based proteins. ISP, isolated soy protein; Pea, isolated pea protein; Rice, isolated rice protein. Different letters on the bars indicate significant differences (P<0.05).

용해도가 완두단백이나 녹두단백에 비하여 높은 값을 나타내었다는 Cha 등(2020)의 보고와도 일치하였다. 수용성 질소지수는 대체육의 소화율 및 조직감과 유의적인 상관관계를 지니며 대체육의 품질에 영향을 미친다(Cho, 2021). 따라서 기존 대체육의 원료로 사용되는 ISP나 글루텐에 비하여 수용성 질소지수가 크게 낮지 않고 분리완두단백보다 높은 값을 나타낸 분리녹두단백은 대체육의 주원료로서 가능성을 나타내었다. 가장 낮은 수용성 질소지수를 나타낸 분리쌀단백의 경우, 다른 소재에 비하여 전분질 함량이 높아 용해되는 수용성 단백질의 함량이 감소하였기 때문인 것으로 생각된다. 두 분리완두단백 간 비교에서 Pea 1이 88.58±0.01%로, 87.45±0.03%인 Pea 2보다 높은 수용성 질소지수를 나타내었다. 분리쌀단백 시료들 간에서는 수분흡수력 및 유분흡수력에서 모두 높은 값을 나타낸 Rice 1의 수용성 질소지수가 Rice 2보다 더 높았다.

항산화 특성

폴리페놀 화합물(total phenolic content)은 식물에만 존재하는 생리활성 물질로서 강한 항산화능을 지니며, 안정한 형태의 free radical인 DPPH의 소거 활성능은 추출물의 항산화 활성을 평가하는 척도가 된다(Seleshe와 Kang, 2019).

식물성 단백질 시료의 항산화 특성과 관련된 총 폴리페놀 화합물 함량과 DPPH 라디칼 소거 활성에서 분리녹두단백이 각각 444.04±1.63 mg GAE/g, 55.06±2.97%로 가장 높은 값을 나타내었다(Fig. 4A, B). 이는 녹두에 함유된 특유의 생리활성 물질인 vitexin과 isovitexin 외에도 다른 단백질 시료들에 비해 높은 총 폴리페놀 화합물 함량 때문인 것으로 생각된다(Kim 등, 2014). 두 분리완두단백들 간의 비교에서는 Pea 2가 Pea 1보다 더 높은 항산화 특성을 보였다. 이는 동일한 종류의 시료라도 그 품종이나 추출조건 및 추출방법에 따라 항산화 특성에 차이가 있기 때문인 것으로 생각된다(Jeon 등, 2015). 반면, 가장 낮은 총 폴리페놀 함량과 DPPH 라디칼 소거 활성 값을 나타낸 Rice 1과 Rice 2 간에는 유의적인 차이가 없었다.

Fig 4. DPPH radical scavenging activity (A) and total phenolic content (B) of plant-based proteins. ISP, isolated soy protein; Pea, isolated pea protein; Rice, isolated rice protein. Different letters on the bars indicate significant differences (P<0.05).

또한, Cho(2021)는 느타리버섯 첨가 대체육에 관한 연구에서 느타리버섯의 폴리페놀과 대체육의 단백질 간 상호작용에 의해 교차결합이 형성되어 조직감 특성들이 증가하였다고 보고한바, 폴리페놀 함량이 풍부한 분리녹두단백은 항산화 기능성뿐만 아니라 조직감 강화 면에서도 우수한 대체육 소재가 될 수 있다고 생각된다.

요 약

본 연구는 조직감 및 기능성 면에서 우수한 대체육의 제조를 위하여 이의 재료가 되는 식물성 단백질 원료인 분리대두단백, 분리녹두단백, 글루텐과, 분리완두단백(Pea 1, 2)과 분리쌀단백(Rice 1, 2)의 품질 특성에 대하여 각각 살펴보았다. 수분흡수력에서는 분리대두단백이, 유지흡수력에서는 글루텐이 가장 높은 값을 나타내었다. 또한, 유지흡수력에서 Pea 1이 Pea 2보다 높은 값을 나타내었으며, 분리쌀단백 Rice 1이 수분 및 유지흡착력에서 Rice 2보다 높은 값을 나타내었다. 유화 활성과 유화 안정성 모두에서 글루텐이 가장 높은 값을 나타내었고, Pea 1의 유화 활성과 유화 안정성이 Pea 2보다 더 높게 나타났다. 가장 낮은 유화 활성과 유화 안정성을 나타낸 분리쌀단백 시료의 경우, Rice 1이 Rice 2보다 더 높은 값을 나타내었다. 수용성 질소지수는 분리대두단백이 가장 높았고, Pea 1이 Pea 2보다, Rice 1이 Rice 2보다 더 높은 값을 나타내었다. 항산화 특성인 DPPH 라디칼 소거 활성과 총 폴리페놀 화합물에서 모두 분리녹두단백이 가장 높은 값을 나타내었으며, Pea 2가 Pea 1보다 높은 값을, 분리쌀단백 Rice 1과 Rice 2 간에는 유의적인 차이가 없어 항산화 기능성 면에서 두 시료가 유사한 것으로 나타났다. 식물성 단백질의 종류뿐만 아니라 동일 종의 단백질도 그 품질에 차이가 있으며, 이러한 식물성 단백질 원료의 우수한 이화학적, 기능적 특성은 대체육의 가공 품질 향상에 영향을 미칠 것으로 생각된다.

감사의 글

본 연구는 농림축산식품부의 재원으로 농림수산식품기술기획평가원의 고부가가치 식품기술개발사업의 지원을 받아 연구되었음(321021031HD020).

Fig 1.

Fig 1.Water absorption capacity and oil absorption capacity of plant-based proteins. ISP, isolated soy protein; Pea, isolated pea protein; Rice, isolated rice protein. Different letters on the bars indicate significant differences (P<0.05).
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 375-380https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.4.375

Fig 2.

Fig 2.Emulsifying activity and emulsion stability of plant-based proteins. ISP, isolated soy protein; Pea, isolated pea protein; Rice, isolated rice protein. Different letters on the bars indicate significant differences (P<0.05).
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 375-380https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.4.375

Fig 3.

Fig 3.Nitrogen solubility index of plant-based proteins. ISP, isolated soy protein; Pea, isolated pea protein; Rice, isolated rice protein. Different letters on the bars indicate significant differences (P<0.05).
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 375-380https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.4.375

Fig 4.

Fig 4.DPPH radical scavenging activity (A) and total phenolic content (B) of plant-based proteins. ISP, isolated soy protein; Pea, isolated pea protein; Rice, isolated rice protein. Different letters on the bars indicate significant differences (P<0.05).
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 375-380https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.4.375

Table 1 . Composition of plant-based proteins used in extruded meat analog.

Plant-based proteinProtein (%)Moisture (%)Ash (%)Fat (%)Carbohydrate (%)
ISP92.08±0.10a6.31±0.11a0.81±0.06g0.80±0.18d
Gluten90.83±0.01b5.85±0.23c2.71±0.05f0.12±0.15e0.51
Pea 188.91±0.03c5.62±0.11e7.56±0.38a<0.1
Pea 288.58±0.10d5.63±0.12d7.46±0.20b<0.1
Rice 179.22±0.10f6.23±0.05b5.52±0.09d0.82±0.15b8.21
Rice 279.01±0.03g5.23±0.05f5.69±0.03c0.81±0.10c9.26
Mung bean87.58±0.03e4.24±0.09g3.69±0.07e2.10±0.19a2.39

ISP, isolated soy protein; Pea, isolated pea protein; Rice, isolated rice protein..

All values are mean±standard deviation of three replicates..

Means followed by the same letter in the same column are not significantly different at P<0.05..


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