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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(11): 1205-1214

Published online November 30, 2022 https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.11.1205

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

Optimization of Hydrothermal Treatment Conditions for Pear Puree Using the Response Surface Methodology

Min Kyeong Park , Yong Sik Cho, and Hyun Wook Jang

Department of Agrofood Resources, National Institute of Agricultural Science, Rural Development Administration

Correspondence to:Hyun Wook Jang, Department of Agrofood Resources, National Institute of Agricultural Science, Rural Development Administration, 166, Nongsaengmyeong-ro, Iseo-myeon, Wanju-gun, Jeonbuk 55365, Korea, E-mail: jhj4676@korea.kr

Received: July 29, 2022; Revised: September 19, 2022; Accepted: September 20, 2022

This is an 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 analyzed the quality characteristics of pear puree by varying the hydrothermal treatment temperature (50, 70, and 90°C) and time (15, 30, and 45 min) and sought to determine the optimal hydrothermal treatment conditions through the response surface methodology. A total of nine experimental points were studied according to the central composite design. The temperature and time were set as independent variables, and the redness, ΔE value, aerobic bacteria, coliform group, polyphenol oxidase (PPO) activity, total polyphenol content (TPC), and total flavonoid content (TFC) related to the quality characteristics were set as dependent variables. The redness and the ΔE value were measured as −0.38∼1.20 and 0.97∼11.88, respectively, and the R2 value was 0.9754 and 0.9818, respectively. The R2 value of viable cell counts were 0.9849 and 0.9714 in the aerobic bacteria and coliform groups. The PPO activity was 122.57∼235.13 g/min, and the R2 value was 0.8616. The TPC and TFC as active ingredients of pear puree were in the range of 19.33∼24.54 and 4.56∼5.78 GAE mg/100 g, respectively, and the R2 values were 0.9181 and 0.9097, respectively. Based on this, the contour map was superimposed to set the optimal hydrothermal treatment conditions. The optimum points derived were 74.6°C and 20.7 min. When the predicted and the experimental values were compared to verify the reliability of the model, all the experimental values of each of the response variables were within the 95% confidence and prediction intervals, confirming the suitability of the model.

Keywords: pear, puree, response surface methodology (RSM), phytochemical contents

배는 배나무과속(Pyrus)에 속하는 과수로 당, 비타민 C 및 유기산을 함유하고 있다. 배의 주성분은 탄수화물이며, 100 g당 수분함량이 85~88%로 매우 높고 당분은 10~13% 정도로 배 품종에 따라 차이가 난다. 지방질은 0.2% 내외, 단백질은 0.3% 내외, 식이섬유 함량은 100 g당 1~2 g 정도로 과실류 중에서는 다소 적은 편이다(Choi 등, 2013; Hwang 등, 2006; Lee 등, 2003b). 또한, 배에는 catechin, arbutin, chlorogenic acid 등의 polyphenol류와 quercetin, leuteolin 등의 flavonoid류를 함유하고 있다. 페놀 화합물은 당뇨, 심혈관 질환 등과 같은 질병 예방에 효능이 있으며 미백, 통풍 예방, 콜레스테롤 저하, 면역 촉진, 천식 억제 등의 효과를 가진다. 플라보노이드는 다양한 과일 및 채소 등에 존재하는 성분으로 항당뇨, 항고혈압, 항암, 항산화 및 항염증 등 다양한 생리활성 기능이 인체 내에서 질병의 원인인 산화작용 억제에 효과를 가진 것으로 알려져 있다(Zhang 등, 2003; Min 등, 2013; Park과 Han, 2015).

배는 수확 후에 저장 및 품질에 있어 변화가 있는데, 동양배에서는 과심 및 과육의 갈변, 흑변 등의 장해를 보여(Hwang 등, 2001) 상온에서의 보존기간이 짧고 미생물에 의한 변패가 일어나기 쉬우며, polyphenol oxidase에 의한 갈변반응을 일으켜 품질 및 섭취에 어려움이 있다(Lee 등, 2015). 일반적으로 식품에서 열처리는 저장성을 향상시키지만, 영양소 및 활성물질의 손실, 가열처리에 의한 색의 변화 등의 문제점이 야기된다. 하지만 가열처리는 미생물을 살균하고 polyphenol oxidase의 활성을 불활성화시키는 효과가 있어 식품 가공 방법의 한 수단으로 사용되고 있으며(Weemaes 등, 1998), 선행 연구에 따르면 열처리를 한 과일이나 채소는 열처리 과정 중에 화학적 변화로 생리활성이 증가한다고 하였다(Choi 등, 2006).

배를 활용한 여러 가공식품 중 퓌레(puree)는 과·채 가공품류에 속하고 과일 또는 채소류를 삶거나 갈아서 걸쭉하게 만든 농축물로 식품의 저장 수명을 연장하며, 음료, 제빵, 드레싱 등 가공식품의 중간소재로 다양하게 사용되고 있다(Park 등, 2021a; Ren 등, 2014; Jeong 등, 2017). 또한, 특유의 물성 특성으로 영유아식, 노인식 등의 특수용도식으로도 활용이 가능하다(Park 등, 2021a). 한편, 소규모형 배 퓌레 제조공정에서 사용되는 고온, 장시간 중탕 살균은 퓌레의 갈변화 및 유용성분 감소 등의 품질 저하를 일으켜 문제가 되고 있다. 하지만 배 가공에 관한 연구는 열처리 조건에 따른 배즙을 첨가한 식빵의 품질특성(Lee와 Park, 2019), 추황배 청징배즙의 제조 및 항산화 활성(Choi 등, 2013), 열처리 조건에 따른 한국산 배즙의 이화학적 특성 변화(Hwang 등, 2006) 등으로 품질변화를 최소화한 배 퓌레 가공의 살균처리 조건에 관한 연구에 대해서는 미흡한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 열처리 조건에 대한 배 퓌레의 품질변화를 반응표면분석법(response surface methodology, RSM)으로 분석해, 단백질의 열변성을 일으키는 가열처리로(Kim, 1994) 일반세균, 대장균 등의 미생물을 사멸시키면서 열처리로 인한 배 퓌레의 갈변 현상, 일반성분 및 항산화 물질 등의 품질변화를 최소화할 수 있는 최적의 열수처리 조건을 확립하고자 하였다.

실험재료 및 배 퓌레 제조

실험에 사용한 배는 나주 소재 인근 농장에서 2021년 10월 수확한 감천을 제공받아 사용하였다. 배 퓌레는 Fig. 1과 같이 원물 배를 세척한 후 껍질과 심지 제거 후 세절하여 믹서기를 이용하여 분쇄하였다. 분쇄 후 파우치에 원료를 넣어 밀봉한 후 열수처리 온도 조건인 50, 70, 90°C, 열수처리 시간 조건인 15, 30, 45분으로 처리하여 시료로 사용하였다.

Fig. 1. Procedure for preparation of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

실험계획

본 연구는 배 퓌레의 열수처리 조건을 최적화하기 위해 반응표면분석법 중 중심합성계획법(Central Composite Design; CCD)에 따라 실험을 설계하였으며, 프로그램은 Minitab 17(Minitab Inc., State College, PA, USA)을 사용하였다. Sim(2011)은 실험계획법 수행으로 최적 조건을 얻기 위해서는 각각의 독립변수를 3수준 이상으로 설계하여야 한다고 밝혔으며, 이를 통해 독립변수와 종속변수의 상관관계를 알 수 있는 관계식을 구할 수 있다고 하였다. 또한, Ban 등(2010), Cho 등(2008), Alamprese 등(2007)Youn 등(2006) 다수의 연구에서는 2개의 독립변수 설정을 통해 실험계획법을 수행함을 확인할 수 있었다. 따라서 이상의 문헌 연구 및 예비 실험을 통해 배 퓌레 품질에 영향을 줄 수 있는 요인으로 열수처리 온도(X1) 및 열수처리 시간(X2)을 독립변수로 설정하였으며, 그 수준은 열수처리 온도 50, 70, 90°C 및 열수처리 시간 15, 30, 45분으로 결정하여, -1, 0, 1의 3단계로 부호화하여 Table 1에 나타내었다.

Table 1 . Independent variables and their coded and actual levels for central composited design

XiIndependent variableCoded levels
−101
X1Hydrothermal treatment time (min)153045
X2Hydrothermal treatment temperature (°C)507090


배 퓌레의 품질특성에 관련된 종속(반응)변수(Ya)를 적색도(Y1), ΔE(Y2), 일반세균(Y3), 대장균군(Y4), polyphenol oxidase 활성(Y5), 총 폴리페놀 함량(Y6), 총 플라보노이드 함량(Y7)으로 하였다. 설정된 범위로 9개의 실험점이 형성되었다.

일반성분 및 총 식이섬유

온도 및 시간에 따라 열수처리한 배 퓌레의 일반성분 분석은 AOAC법(2005)에 따라 분석하였다. 수분함량은 상압가열건조기(VS-4150ND, Vision Scientific Co., Ltd., Daejeon, Korea)를 이용한 105°C 상압가열건조법으로, 조회분 함량은 550°C에서 직접회화법으로 분석하였다. 조단백질 함량은 semi-micro-Kjeldahl 법으로 자동단백질분석기(Kjeltec 8400, Foss, Hilleroed, Denmark)를 사용하여 전 질소를 정량하고 질소계수 6.25를 곱하여 계산했으며, 조지방은 Soxhlet 법으로 Soxhlet 추출기(Soxtec 2500, Foss)를 사용하여 분석하였다. 총 탄수화물 함량은 배 퓌레 시료 전체 무게를 100%로 놓고 수분, 조회분, 조단백, 조지방 함량을 제외한 값으로 나타내었다. 배 퓌레의 총 식이섬유 함량은 효소중량법을 이용해 시료 1 g을 α-amylase, protease, amyloglucosidase 순으로 처리하고 잔사를 세척 및 건조해 측정하였다.

pH 및 당도

열수처리 조건에 따른 배 퓌레의 당도 및 pH 변화를 보기 위하여 온도 및 시간을 다르게 하여 처리한 배 퓌레의 pH 측정은 pH meter를 사용하였으며, 당도는 시료 2 g을 증류수로 7배 희석하여 충분히 교반시킨 후 10,416×g, 20분간 원심분리한 상등액을 이용하였고 당도계(PAL-2, Atago Co., Tokyo, Japan)를 사용하였다.

색도 및 갈변도

배 퓌레 색도는 시료를 투명한 petri-dish에 담고 색차계(Color i7, X-rite Inc., Grand Rapids, MI, USA)를 이용하여, Hunter color difference meter 방식으로 명도(L), 적색도(a), 황색도(b) 값을 측정하여 나타내었다. 이때 사용한 표준 백색판 값은 L=99.39, a=-0.11, b=-0.14였다. 갈변도는 배 퓌레 열수처리 후 15, 30, 45분 뒤 L값, a값, b값을 측정하여 ΔL과 ΔE로 나타내었다. 갈변은 ΔL값과 ΔE값의 변화가 클수록 많이 진행되었음을 의미한다.

ΔL=Latt=0Latt=tΔELatt=0 Latt=t 2+aatt=0 aatt=t 2+batt=0 batt=t 2

미생물 수 측정

열수처리 조건에 따른 배 퓌레의 일반세균 측정은 시료 1 g에 0.85% 멸균 생리식염수 9 mL를 가하여 균질화한 후 멸균 생리식염수를 이용하여 단계별 희석해 시료를 준비하였다. 단계별 희석액 1 mL를 일반세균 PetrifilmTM aerobic count plate(3M Company, St. Paul, MN, USA)를 이용하여 접종한 후 35°C, 48시간 동안 배양한 뒤 30~300개 사이의 집락을 계수하여 확인하였으며, 검출된 미생물 수는 시료 1 g당 log colony forming unit(log CFU/g)으로 나타내었다. 대장균군은 상기 방법과 동일하게 실시한 후 PetrifilmTM coliform count plate(3M Company)를 이용하여 접종한 후 35°C, 24시간 동안 배양한 뒤 집락을 계수하여 확인하였다. 효모 및 곰팡이는 상기 방법과 동일하게 실시한 후 PetrifilmTM yeast and mold count plate(3M Company)를 이용하여 접종한 후 25°C, 5~7일 동안 배양한 뒤 집락을 계수하여 확인하였다.

총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량

열수처리 조건에 따른 배 퓌레의 총 폴리페놀 함량은 Folin-Denis(Dewnto 등, 2002) 방법을 변형하여 시료 추출물 100 μL에 2% NaCO3 2 mL를 넣고 3분간 암소에서 반응한 후 50% Folin-Ciocalteu’s reagent 100 μL를 넣고 다시 30분간 암소 반응시킨 다음 분광광도계를 이용하여 750 nm에서 흡광도를 측정하였다. 표준물질은 gallic acid(Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA)를 이용하여 표준곡선으로부터 함량을 구하였다. 총 플라보노이드 함량은 배 퓌레 추출물 250 μL, 증류수 1 mL, 5% NaNO2 75 μL를 각각 첨가하여 암소에서 5분간 반응한 후 10% AlCl3・6H2O 150 μL를 넣어 6분간 암소 반응한 다음 1 M NaOH 500 μL를 넣어 다시 11분간 암소 반응하여 510 nm에서 흡광도를 측정하였다. 이때 함량 산출을 위해 catechin hydrate(Sigma-Aldrich)를 표준물질로 사용하였다.

Polyphenol oxidase(PPO) 활성

온도 및 시간에 따른 배 퓌레의 PPO 활성은 배 퓌레 시료 10 g에 polyvinylpoly-pyrrolidone 1 g을 첨가하여 50 mM potassium phosphate buffer(pH 5.5)를 가하여 균질화한 후 10,416×g, 10분간 원심분리하여 얻은 상등액을 조효소액으로 사용하였다. 효소반응을 위해 전처리한 조효소액 0.3 mL에 50 mM potassium phosphate buffer(pH 5.5)와 200 mM catechol 용액 0.2 mL를 혼합한 후 30°C에서 1분간 반응시키고 420 nm에서 3분간 흡광도를 측정하였다. 1 unit은 흡광도를 1분당 0.001 증가시키는 데 필요한 효소의 양으로 단위를 (unit/min×g)으로 표시하였다. 효소활성은 시료 g당 1분당 흡광도 값이 0.001 변화하는 것을 1 unit으로 한다.

PPOactivity= dilutionfactor sampleg× OD afterreactionOD beforereaction min0.001

열수처리 조건의 최적화 및 검증

조건별 각 배 퓌레의 최적 열수처리 조건 예측은 적색도, ΔE, 일반세균, 대장균군, PPO 활성, 총 폴리페놀 함량 및 총 플라보노이드 함량에 대한 반응표면을 superimposing 하여 중복되는 부분에서 최적 열수처리 조건의 범위를 설정하였다.

통계분석

모든 실험은 3회 이상 반복 측정하였고, 실험 결과는 군별 평균±표준편차(mean±SD)로 표시하고, 군별 유의성은 SPSS statistical package(18.0 version, IBM, Armonk, NY, USA)를 이용해서 일원배치 분산분석(one-way ANOVA)으로 분석하여 평균값의 유의적 결과가 나온 변수는 사후검증(Duncan’s multiple range test)을 실시하였고, 모든 실험 결과의 유의성은 P<0.05 수준에서 검증하였다. 또한, 측정 항목 간 상관관계 파악을 위하여 Pearson 상관계수를 구하여 분석하였다. 반응표면분석법은 Minitab 17 프로그램을 이용하여 독립변수와 종속변수와의 관계에 대한 모델의 적합성을 확인하였다.

일반성분 및 총 식이섬유

온도 및 시간에 따라 열수처리한 배 퓌레의 일반성분과 총 식이섬유 분석 결과는 Table 2와 같다. 무처리구의 배 퓌레는 수분 87.49%, 조회분 0.64%, 조지방 0.15%, 조단백질 0.42%로 나타났으며, 이는 배 100 g 중 수분 86.41%, 조회분 0.37%, 조지방 0.18%, 조단백질 0.24%로 나타낸 Choi 등(1998)의 연구 결과와 유사하였으나 약간의 값 차이는 배 품종에 따른 차이로 사료된다. 열수처리한 배 퓌레의 수분함량과 조단백은 각각 87.03~87.63%, 0.41~0.43%의 범위를 보였으며, 조지방은 0.15~0.41%, 탄수화물은 11.12~11.78%의 범위를 보였다. 조회분은 0.28~0.64% 범위를 나타냈는데, 열수처리 했을 때보다 무처리군에서 유의적으로 가장 높은 조회분 함량을 보였고, 70°C에서 처리했을 때 유의적으로 낮은 값을 보였다. 이는 동일 배 품종이어도 재배 여건에 따라 개체 차이가 있어 일반성분의 결과에 있어 서로 다른 경향을 보인 것으로 사료된다.

Table 2 . The proximate composition of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment

SampleProximate composition (%)
MoistureCrude ashCrude proteinCrude lipidCarbohydrateTotal dietary
Control87.49±0.03c1)2)0.64±0.03a0.42±0.001cd0.15±0.03c11.31±0.04c1.53±0.04ab
50°C15 min87.54±0.04b0.45±0.03c0.43±0.003ab0.37±0.03a11.20±0.09d1.47±0.06b
30 min87.63±0.03a0.36±0.01de0.42±0.003bcd0.37±0.01a11.21±0.03cd1.45±0.03bc
45 min87.59±0.01a0.46±0.02c0.42±0.006bc0.41±0.02a11.12±0.03d1.56±0.01a
70°C15 min87.48±0.02c0.34±0.04ef0.41±0.003e0.15±0.03c11.62±0.04b1.37±0.03c
30 min87.29±0.05e0.34±0.01ef0.41±0.002e0.18±0.01c11.78±0.05a1.57±0.03a
45 min87.49±0.03c0.28±0.03g0.42±0.009de0.23±0.03b11.59±0.09b1.57±0.03a
90°C15 min87.36±0.02d0.40±0.00d0.43±0.001bc0.24±0.04b11.58±0.05b1.39±0.05c
30 min87.36±0.02d0.32±0.03fg0.43±0.004a0.16±0.02c11.73±0.03a1.49±0.07ab
45 min87.03±0.02f0.58±0.01b0.43±0.002ab0.36±0.01a11.59±0.03b1.53±0.07ab

1)All values are mean±SD, n=3.

2)Means with different letters (a-g) within the same column are significantly different at P<0.05.



총 식이섬유의 경우 1.37~1.57%의 범위를 보였는데, 가열을 지나치게 하면 수용성 non-cellulosic polysaccharide의 가수분해로 불용성 식이섬유 일부가 용해되어 총 식이섬유가 감소하게 되는데(Seo와 Kim, 1995), 본 연구에서는 각 온도에서 15분 처리했을 때 감소하는 경향을 보였으나 45분 처리했을 때는 증가하는 경향을 보였다.

최근 식이섬유의 생리적, 기능적 역할에 대해 많은 관심이 있는데, 식이섬유는 대장의 운동을 촉진하고 배변량을 증가시켜 변비 예방의 역할을 한다(Saltzman 등, 2001)고 널리 알려져 그 효과를 기대해 볼 수 있을 것이다.

pH 및 당도

배 퓌레 열수처리 온도 및 시간에 따른 pH 및 당도는 Table 3에 나타내었다. 배 퓌레의 pH는 5.36~5.47로 나타났다. 열수처리 온도인 50°C와 70°C에 비해 90°C에서는 5.36~5.37로 유의적으로 낮은 값을 보였다. Kim 등(2015)은 열처리 온도 및 시간에 따른 다래 퓌레의 pH가 90°C, 5분에서 유의적으로 가장 낮은 값을 보였으며, Aguilar-Rosas 등(2007)은 사과주스에 고온순간살균(90°C, 30초) 했을 때 무처리구에 비해 pH가 다소 낮아졌지만, 시료 품질에 큰 영향을 미치지 않는다고 보고하였다.

Table 3 . pH and °Brix of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment

SamplepH°Brix
Control5.46±0.01b1)2)10.87±0.12d
50°C15 min5.47±0.01a11.67±0.12abc
30 min5.45±0.01c11.67±0.12abc
45 min5.43±0.01d11.87±0.12a
70°C15 min5.40±0.01e11.47±0.23c
30 min5.38±0.01f11.73±0.2ab
45 min5.37±0.01fg11.87±0.12a
90°C15 min5.37±0.01fg11.47±0.12c
30 min5.36±0.01g11.53±0.12bc
45 min5.36±0.01g11.67±0.12abc

1)All values are mean±SD, n=3.

2)Means with different letters (a-g) within the same column are significantly different at P<0.05.



당도의 경우 대조군은 10.87°Brix였고 열수처리 조건에 따라 11.47~11.87°Brix로 나타났다. 배 퓌레는 대조군에서 유의적으로 낮은 값을 보였고 온도에 따른 유의적 차이는 없었으나, 열수처리 시간이 길어질수록 당도가 증가하는 경향을 보였다. 이는 고온처리 배즙이 저온처리 배즙보다 당도가 더 높았다는 연구 결과(Lee와 Park, 2019)와 같은 경향이었다. 열수처리 조건에 따라 배 퓌레의 가용성 고형물의 함량이 다른 이유는 가열이나 해동 등을 통해 배의 조직과 다당류 분해에 의한 증가로 보고되었다(Choi 등, 1998).

색도 및 갈변도

열수처리 온도 및 시간에 따른 배 퓌레의 색도 및 갈변도를 측정한 결과는 Table 4Fig. 2와 같다. 밝기를 나타내는 배 퓌레의 L값은 전체적으로 54.63~65.46으로 나타났고 모든 열수처리구에서 대조구에 비해 유의적으로 감소하였으며, 열수처리 온도가 높고 열수처리 시간이 길어질수록 L값이 감소하는 경향을 보였다. 본 연구에서는 90°C에서 45분간 열수처리 했을 때 유의적으로 가장 낮은 값을 보였는데, 키위를 열처리했을 때 열처리 온도가 높아질수록 L값이 감소한다고 보고된 Beirão-da-Costa 등(2006)의 연구 결과와 Choi 등(1998)이 가열온도가 높아짐에 따라 가열 착즙한 배즙의 L값이 크게 감소했다고 보고한 연구 결과와 유사하였다. 적색도를 나타내는 a값은 -0.38~1.91로 나타났으며, 열수처리 온도가 높고 시간이 길어질수록 값이 증가하는 경향을 보였다. 50°C에서 15분 열수처리한 배 퓌레를 제외한 나머지 열수처리 조건에서는 a값이 대조구에 비해 유의적으로 증가하였다. Kweon 등(2012)에 의하면 사과의 열처리 전에는 a값이 21.1이었으나 38°C 열처리 시 22.1, 46°C 열처리 시 23.5로 다소 높아진다고 하였다. 황색도를 나타내는 b값은 L값과 유사한 경향을 보였다. 배 퓌레의 b값은 전체적으로 7.44~11.77로 나타났으며 대조구에 비해 모든 열수처리구에서 유의적으로 낮은 값을 나타냈다. 본 실험의 결과는 고온 및 저온처리 배즙의 L값이 각각 53.86, 85.00, a값은 21.16, -3.15, b값은 38.90, 49.86이라고 보고된 Lee와 Park(2019)의 연구 결과와 유사하였고, Sohn 등(2002)은 살균한 사과 퓌레의 L값과 b값이 감소하고 a값이 증가했다는 연구 결과와도 같은 경향을 보였다. 이러한 연구 결과는 과일의 고온 장시간 가열에 의한 마이야르 반응(Fernandes와 McLellan, 1992)에 기인한 것으로 사료된다.

Table 4 . Hunter’s color and browning color values of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment

SampleHunter’s color valueBrowning color value
L (lightness)a (redness)b (yellowness)ΔLΔE
Control65.46±0.02a1)2)−0.33±0.02h11.77±0.02a
50°C15 min64.72±0.00b−0.38±0.00i11.15±0.01b0.75±0.03i0.97±0.03f
30 min63.05±0.00d−0.20±0.00f10.71±0.01c2.42±0.03g2.94±0.48e
45 min60.82±0.01f0.20±0.00d10.43±0.00e4.65±0.01e4.86±0.02d
70°C15 min63.64±0.02c−0.24±0.00g10.52±0.01d1.82±0.05h2.21±0.05e
30 min61.15±0.10e0.46±0.00c9.86±0.01f4.32±0.14f6.01±2.03cd
45 min58.96±0.04h1.20±0.01b9.19±0.03g6.50±0.03c7.16±0.04c
90°C15 min60.18±0.04g−0.13±0.00e8.93±0.01h5.29±0.08d6.87±1.57cd
30 min57.31±0.01i1.19±0.01b7.85±0.00i8.15±0.05b9.17±0.05b
45 min54.63±0.00j1.91±0.00a7.44±0.00j10.83±0.03a11.88±0.04a

1)All values are mean±SD, n=3.

2)Means with different letters (a-j) within the same column are significantly different at P<0.05.



Fig. 2. Color change of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

ΔL값과 ΔE값의 변화가 클수록 갈변이 많이 진행되었음을 의미하는데, 열수처리 온도가 증가하고 열수처리 시간이 길어짐에 따라 유의적으로 증가하는 것으로 나타났다. 50°C에서 15분 열수처리 했을 때 ΔL값과 ΔE값은 각각 0.75, 0.97로 가장 낮은 갈변도를 나타냈고, 90°C에서 45분 열수처리 했을 때는 각각 10.83, 11.88로 가장 높은 갈변도를 보였다. 본 연구 결과는 키위주스를 65°C, 75°C, 85°C에서 15초간 가열 살균했을 때 온도가 높아질수록 갈변도가 증가한다는 연구 결과(Lee 등, 2003a)와도 유사했으며, 열처리 온도가 증가하고 시간이 길어질수록 a값과 갈변도가 증가한다고 보고된 Kim 등(2015)의 연구 결과와 같은 경향을 보였다. 이러한 갈변도의 경향은 색도 a값의 변화와 유사한 경향을 보여 a값이 배 퓌레의 갈변도를 가장 잘 나타낼 수 있는 지표로 사료된다(Kim 등, 2015). Lee 등(2012a)은 식품의 갈변현상은 PPO의 촉매작용 이외에도 수분 손실, 숙성, 부패, 비타민 C 함량, 온도 등과 같은 여러 요인에 의해 영향을 받을 수 있다고 하였다.

미생물 수

배 퓌레의 열수처리 조건에 따른 일반세균, 대장균군, 효모 및 곰팡이의 균 수 변화를 측정한 결과는 Table 5에 나타내었다. 곰팡이의 경우 배 퓌레의 대조구 및 모든 처리구에서도 검출되지 않았다. 일반세균의 경우 대조구에서 5.11 log CFU/g 수준이었으며 50°C에서 15, 30, 45분 동안 열수처리 했을 때 각각 4.91, 3.86, 3.86 log CFU/g 범위로 시간이 지남에 따라 유의적으로 감소하였다. 그리고 70°C 및 90°C 조건에서는 일반세균이 검출되지 않았다. 대장균군은 대조구 초기 밀도가 4.60 log CFU/g으로 가장 높은 수준이었으나 50°C에서 15, 30, 45분 동안 열수처리 했을 때 각각 4.03, 2.87, 2.47 log CFU/g 범위로 시간이 지남에 따라 점차 유의적으로 감소하였다. 70°C 및 90°C 조건에서는 검출한계 이하 수준으로 나타나 일반세균과 같은 경향을 보였다. 이러한 연구 결과는 배추 및 무를 60°C에서 15분 처리 시 초기 오염 수준에 비해 일반세균과 대장균군이 2~3 log 정도 감소하여 미생물 저감화 효과를 증진한 Yun 등(2011)의 연구 결과와 유사한 경향을 보였다. 효모는 모든 열수처리 조건에서 검출되어 전체적으로 1.00~5.41 log CFU/g 수준이었으며, 대조구에서 유의적으로 가장 높았고 온도와 시간의 변화에 따라 유의적으로 감소하는 결과를 보였다.

Table 5 . Aerobic bacteria, coliform, yeast, and mold of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment (log CFU/g)

SampleAerobic bacteriaColiformYeastMold
Control5.11±0.04a1)2)4.60±0.08a5.41±0.03aND3)
50°C15 min4.91±0.10b4.03±0.01b4.98±0.07abND
30 min3.86±0.07c2.87±0.19c4.83±0.01abND
45 min3.86±0.03c2.47±0.40c4.70±0.07abND
70°C15 minNDND4.68±0.05abND
30 minNDND4.51±0.17abcND
45 minNDND4.41±0.08abcND
90°C15 minNDND3.92±0.15bcND
30 minNDND3.63±0.06cND
45 minNDND1.00±1.73dND

1)All values are mean±SD, n=3.

2)Means with different letters (a-c) within the same column are significantly different at P<0.05.

3)ND: not detected.



Kim과 Cheigh(2021)는 국내 신선편이 과일의 미생물 품질평가를 통해 배의 중온균 수는 5~6 log CFU/g 수준으로 과일 중 오염도가 가장 높았으며, 대장균군 역시 모든 배 시료에서 검출되었다고 보고하여 본 실험의 연구 결과와 유사한 경향을 나타냈다. 결과적으로 배 퓌레의 열수처리 조건이 일반세균, 대장균군, 효모균 수에 변화를 주어 열수처리 온도 및 시간에 의해 감소하는 것을 확인하였으며, Kim 등(2015)의 열처리 시간 및 온도가 다래 퓌레의 미생물 저감화에 영향을 준다는 연구 결과와 유사한 경향을 보였다. 본 연구 결과를 통해 다른 과일에 비해 세균수가 높은 배의 미생물 수는 70°C 정도에서 열수처리 시 미생물 저감화에 효과적인 것으로 사료된다.

PPO 활성

열수처리 조건에 따른 배 퓌레의 PPO 활성을 조사한 결과는 Table 6에 나타냈다. PPO 활성은 배 퓌레 대조구에서 241.57 unit이었는데, 열수처리 온도 및 시간에 따라 유의적으로 감소하는 경향을 보여 90°C에서 45분 열수처리 했을 때 122.57 unit으로 가장 낮은 활성을 보였다. 열수처리 온도 및 시간이 증가할수록 배 퓌레의 PPO 활성은 감소하는 경향을 보였는데, 이는 온도가 상승함에 따라 PPO 활성이 감소하여 70°C 이상의 온도에서 활성이 50% 감소하였다는 Kim(2004)의 연구와 유사하였다. 또한, 열처리 온도가 높을수록 배 PPO 활성의 감소 효과가 커진다는 Lee 등(2002)의 연구 결과와 유사한 경향을 보였다.

Table 6 . Polyphenol oxidase activity of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment

SamplePolyphenol oxidase activity (g)
Control241.57±6.27a
50°C15 min235.13±4.40a
30 min210.57±5.06bc
45 min198.23±8.20d
70°C15 min216.37±7.35b
30 min194.17±5.75d
45 min193.90±1.64d
90°C15 min200.97±7.16cd
30 min170.37±5.61e
45 min122.57±3.69f

1)All values are mean±SD, n=3.

2)Means with different letters (a-f) within the same column are significantly different at P<0.05.



총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량

폴리페놀화합물, 플라보노이드, 토코페롤 및 카로티노이드는 자연계에 분포하는 천연 항산화 물질로(Byun 등, 2016), 그중 페놀성 화합물은 분자 내 포함된 phenolic hydroxyl기가 단백질 및 거대 분자와 결합하여 콜레스테롤 저하, 항암 및 항산화 등 다양한 생리활성을 나타내며(Jang 등, 2010; Kwon 등, 2006), 플라본 구조를 갖는 플라보노이드 역시 항산화, 항암 및 항염증 등의 다양한 효과를 가진다(Vijaya 등, 1995). 온도 및 시간에 따라 열수처리한 배 퓌레의 총 폴리페놀 함량의 측정 결과는 Fig. 3과 같다. 90°C에서 열수처리한 배 퓌레를 제외한 모든 열수처리 온도에서 무처리군에 비해 높은 총 폴리페놀 함량을 보이며 통계적 유의성을 보였다(P<0.05). 배 퓌레를 70°C에서 열수처리 했을 때 총 폴리페놀 함량은 24.36~24.54 mg/100 g으로 다른 처리구보다 유의적으로 높은 함량을 보였는데, 이는 흑광벼 표면에 존재하는 페놀화합물이 낮은 온도에서는 주변 조직의 강한 결합으로부터 유리되지만 열에 약한 폴리페놀 성분들은 높은 온도에서 상당량 파괴된다는 Kwak 등(2013)의 연구와 비슷한 경향을 보였으며, 또한 Lee 등(2012b)은 저온살균 사과주스의 총 폴리페놀 함량이 27.39 mg/100 mL로 고온살균 사과주스(23.24 mg/100 mL)보다 높았는데, 이는 페놀성 화합물들이 고온살균 중에 일부 파괴됨에 따라 나타난 결과로 판단하였다.

Fig. 3. Changes of total polyphenol contents of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

열수처리에 따른 배 퓌레의 총 플라보노이드 함량의 측정 결과는 Fig. 4에 나타내었다. 그 결과 70°C 처리 시보다 90°C에서 처리했을 때 유의적으로 감소하였는데, 총 폴리페놀 함량과 마찬가지로 온도가 증가할수록 열에 약한 페놀화합물이 쉽게 파괴된 것으로 사료된다(Francisco와 Resurreccion, 2009). 대부분 phytochemical은 상대적으로 불안정하여 살균, 데치기, 탈수 및 냉동 등의 가공 과정에서 산화나 가수분해를 일으키는데, phytochemical의 감소는 자연적으로 발생하는 항산화 화합물과 마이야르 반응 생성물의 열분해에 의한 것이라고 해석하고 있다(Nicoli 등, 1999). 따라서 열수처리에 의한 기능성 성분의 함량 변화는 식품을 구성하는 성분의 각기 다른 열 반응성에 의한 것으로 사료된다(Kwak 등, 2013).

Fig. 4. Changes of total flavonoid contents of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

반응표면분석

배 퓌레의 열수처리 조건인 온도(X1), 시간(X2)을 달리하여 제조한 배 퓌레의 반응표면 회귀분석 결과는 Table 7에 나타냈다. 변수들의 계수를 비교해보니 갈변 정도를 나타내는 일반세균, ΔE값, 색도 a값, 대장균군, 총 폴리페놀 함량, 총 플라보노이드 함량, PPO 활성의 순으로 배 퓌레 품질변화에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 적색도와 갈변 정도를 나타내는 ΔE값의 측정 결과 R2값과 P-value는 각각 0.9754, 0.9818과 0.000, 0.002로 매우 높은 유의적인 결과를 보여 모델의 적합성을 확인하여 열수처리 온도와 시간이 색도 및 갈변에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 일반세균 및 대장균군의 R2값과 P-value는 각각 0.9849, 0.9714와 0.000, 0.001로 모두 유의적인 결과를 보였다. PPO 활성, 총 폴리페놀 함량 및 총 플라보노이드 함량의 R2값은 각각 0.8616, 0.9181, 0.9097, P-value는 각각 0.014, 0.001, 0.006으로 유의하게 회귀식에 대한 설명력이 높았다.

Table 7 . Physical and mechanical properties of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment

Dependent variable (Ya)Quadratic regression model1)R22)P-value
a value (Y1)−0.312-0.0400X1-0.00856X2+0.001217X1X20.97540.000
ΔE (Y2)1.64+0.187X1-0.193X2-0.00233X12+0.002113X22+0.001655X1X20.98180.002
Aerobic bacteria (Y3)35.33-0.0724X1-0.8683X2+0.005264X2*X2+0.000869X1X20.98490.000
Coliform (Y4)27.86-0.1087X1-0.6640X2+0.003905X2*X2+0.001305X1X20.97140.001
PPO activity (Y5)117+0.89X1+3.93X2-0.02965X2*X2-0.0346X1X20.86160.014
TPC (Y6)−9.50-0.0305X1+1.040X2-0.007743X2*X20.91810.001
TFC (Y7)−3.30+0.0618X1+0.2223X2-0.001107X1*X1-0.001494X2*X20.90970.006

1)X1: hydrothermal treatment time (min), X2: hydrothermal treatment temperature (°C).

2)R2: coefficient of determination. 0<R2<1, close to 1 means significant.



반응표면 상태를 나타내는 모형은 Fig. 5와 같다. 반응표면에서도 적색도와 ΔE값은 열수처리 온도 및 시간이 증가함에 따라 증가하는 모형이 나타났으며, 열수처리 시간보다는 온도의 증가에 따른 증가 폭이 크게 나타났다. ΔE값 변화가 커질수록 갈변이 많이 진행됨을 의미하는데, 열수처리 온도와 시간이 증가할수록 갈변이 많이 진행됨을 확인하였다. 미생물도 온도에 의한 영향이 크게 나타났으며 열수처리 온도가 증가함에 따라 미생물의 생육 수가 감소하였는데, 70°C 이상의 온도에서는 미생물 생육이 억제됨을 확인하였다. PPO 활성은 열수처리 온도 및 시간이 증가함에 따라 감소하는 모형으로 나타났다. 총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량의 반응표면은 온도가 올라갈수록 증가하다가 70°C 부근에서 가장 높게 나타났으며 다시 감소하는 모형을 나타냈다. 한편, Choi 등(1998)은 기존 고온처리 방법으로 배 가공식품을 제조한 결과, 갈변으로 인한 기호성 저하가 발생하여 갈변 방지 해결이 필요하다고 하였다. 본 연구에서는 배 퓌레를 최소 70°C 이상에서 열수처리 시 갈변 억제, 미생물 제어 및 항산화 기능 향상을 가져와 기존 처리에 비해 품질변화를 최소화할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 5. Surface plot of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment. A, redness; B, ΔE; C, aerobic bacteria; D, coliform; E, polyphenol oxidase activity; F, total polyphenol content; G, total flavonoid content.

열수처리 조건의 최적화 및 검증 실험

배 퓌레의 최적 열수처리 조건을 설정하기 위해 배 퓌레의 적색도, ΔE, 일반세균, 대장균군, PPO 활성, 총 폴리페놀 함량 및 총 플라보노이드 함량에 대한 contour map을 superimposing 하여 이에 대한 특성을 모두 만족시키는 열수처리 조건 범위를 Fig. 6에 나타내었다. 그 결과 최적화된 열수처리 조건의 온도 범위는 69.3~80.4°C, 시간 범위는 16.8~25.8분으로 나타났으며, 최적점은 74.6°C, 20.7분으로 나타났다. 이에 대해 모델의 신뢰성을 검증하기 위해 예측값과 실험값을 비교하여 Table 8에 나타낸 결과, 최적 조건에서의 적색도 및 ΔE값은 각각 0.1800, 4.172로 예측값에서 95% 신뢰구간 및 예측구간 안에 들어왔으며, 일반세균 및 대장균군도 모두 최적 조건에서 생육하지 않아 95% 신뢰구간 및 예측구간 범위에 들어왔음을 확인하였다. PPO 활성은 204.33 unit으로 예측값인 210.67 unit과 비교했을 때 큰 오차를 보이지 않고 신뢰구간 및 예측구간의 범위를 보였다. 총 폴리페놀 함량 역시 95% 신뢰구간 및 예측구간 범위에 들어왔으며 총 플라보노이드 함량은 6.966으로 95% 신뢰구간 범위(5.4887~5.9796)보다 더 높게 측정되었으나, 플라보노이드는 항암, 항염증 및 항산화에 대한 기능성을 가지고 있어(Vijaya 등, 1995) 예측값보다 높았지만 이상적인 조건으로 판단되어 검증 실험에 대해 모델의 적합성을 확인하였다.

Table 8 . Comparison of predicted and experimental values of response variables according to optimal hydrothermal treatment conditions for pear puree

Response variablesPredicted valuesExperimental values95% CI95% PI
a value0.10480.1800−0.0328∼0.2450−0.2427∼0.4548
ΔE4.4484.1723.489∼5.4072.681∼6.216
Aerobic bacteria−0.3060.000−0.752∼0.142−1.160∼0.550
Coliform−0.1740.000−0.640∼0.291−1.065∼0.716
PPO activity210.67204.33190.39∼230.94171.89∼249.44
TPC24.32824.62323.511∼25.14722.757∼25.901
TFC5.73426.9665.4887∼5.97965.2646∼6.2037


Fig. 6. Overlaid contour plot of optimized pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment. (a)2: minmum of total flavonoid contents, (b)2: minimum of total polyphenol contents, (c)2: minmum of polyphenol oxidase activity, (d)1: maximum of coliform, (e)1; maximum of aerobic bacteria, (f)1: maximum of ΔE, (f)2: minimum of ΔE, (g)1: maximum of redness, (g)2: minimum of redness.

본 연구는 열수처리 온도(50, 70, 90°C) 및 열수처리 시간(15, 30, 45분)을 달리하여 배 퓌레를 제조한 후 품질특성을 분석하여 반응표면분석법을 통해 최적의 열수처리 조건을 구하고자 하였고, 중심합성계획법에 따라 총 9가지의 실험점에서 진행하였다. 열수처리 온도 및 시간을 독립변수로 정하고, 품질특성에 관련된 적색도, ΔE값, 일반세균, 대장균군, polyphenol oxidase 활성, 총 폴리페놀 함량, 총 플라보노이드 함량을 종속변수로 설정하였다. 독립변수가 종속변수에 미치는 영향에 대해 분석한 결과, 적색도와 갈변을 나타내는 ΔE값은 각각 -0.38~1.20, 0.97~11.88의 범위로 측정되었고, 반응식의 R2은 각각 0.9754, 0.9818이었다. 일반세균 및 대장균군의 생균수는 각각 0.00~4.91 log CFU/mL, 0.00~4.03 log CFU/mL의 범위였고, 반응식의 R2은 0.9849, 0.9714였다. 갈변의 원인이 되는 polyphenol oxidase 활성은 122.57~235.13 unit 범위였으며, 반응식의 R2은 0.8616의 값을 보였다. 배 퓌레의 유효성분으로 총 폴리페놀 함량 및 총 플라보노이드 함량은 각각 19.33~24.54 GAE mg/100 g, 4.56~5.78 GAE mg/100 g 범위였으며, 이때 반응식의 R2은 각각 0.9181, 0.9097을 나타내었다. 이를 바탕으로 contour map을 superimposing 하여 최적 열수처리 조건을 설정한 결과, 최적화된 열수처리 조건의 온도 범위는 69.3~80.4°C, 시간 범위는 16.8~25.8분으로 나타났으며, 최적점은 74.6°C, 20.7분으로 나타났다. 이에 대해 모델의 신뢰성을 검증하기 위해 예측값과 실험값을 비교한 결과, 각 반응변수의 실험값은 모두 예측값의 95% 신뢰구간 및 예측구간 범위에 들어와 모델의 적합성을 확인하였다.

본 연구는 농촌진흥청 연구사업(과제번호: PJ015142) 지원에 의해 이루어진 것으로 이에 감사드립니다.

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Article

Article

Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51(11): 1205-1214

Published online November 30, 2022 https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.11.1205

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

반응표면분석법을 이용한 배 퓌레 열수처리 조건 최적화

박민경․조용식․장현욱

농촌진흥청 국립농업과학원 농식품자원부

Received: July 29, 2022; Revised: September 19, 2022; Accepted: September 20, 2022

Optimization of Hydrothermal Treatment Conditions for Pear Puree Using the Response Surface Methodology

Min Kyeong Park , Yong Sik Cho, and Hyun Wook Jang

Department of Agrofood Resources, National Institute of Agricultural Science, Rural Development Administration

Correspondence to:Hyun Wook Jang, Department of Agrofood Resources, National Institute of Agricultural Science, Rural Development Administration, 166, Nongsaengmyeong-ro, Iseo-myeon, Wanju-gun, Jeonbuk 55365, Korea, E-mail: jhj4676@korea.kr

Received: July 29, 2022; Revised: September 19, 2022; Accepted: September 20, 2022

This is an 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 analyzed the quality characteristics of pear puree by varying the hydrothermal treatment temperature (50, 70, and 90°C) and time (15, 30, and 45 min) and sought to determine the optimal hydrothermal treatment conditions through the response surface methodology. A total of nine experimental points were studied according to the central composite design. The temperature and time were set as independent variables, and the redness, ΔE value, aerobic bacteria, coliform group, polyphenol oxidase (PPO) activity, total polyphenol content (TPC), and total flavonoid content (TFC) related to the quality characteristics were set as dependent variables. The redness and the ΔE value were measured as −0.38∼1.20 and 0.97∼11.88, respectively, and the R2 value was 0.9754 and 0.9818, respectively. The R2 value of viable cell counts were 0.9849 and 0.9714 in the aerobic bacteria and coliform groups. The PPO activity was 122.57∼235.13 g/min, and the R2 value was 0.8616. The TPC and TFC as active ingredients of pear puree were in the range of 19.33∼24.54 and 4.56∼5.78 GAE mg/100 g, respectively, and the R2 values were 0.9181 and 0.9097, respectively. Based on this, the contour map was superimposed to set the optimal hydrothermal treatment conditions. The optimum points derived were 74.6°C and 20.7 min. When the predicted and the experimental values were compared to verify the reliability of the model, all the experimental values of each of the response variables were within the 95% confidence and prediction intervals, confirming the suitability of the model.

Keywords: pear, puree, response surface methodology (RSM), phytochemical contents

서 론

배는 배나무과속(Pyrus)에 속하는 과수로 당, 비타민 C 및 유기산을 함유하고 있다. 배의 주성분은 탄수화물이며, 100 g당 수분함량이 85~88%로 매우 높고 당분은 10~13% 정도로 배 품종에 따라 차이가 난다. 지방질은 0.2% 내외, 단백질은 0.3% 내외, 식이섬유 함량은 100 g당 1~2 g 정도로 과실류 중에서는 다소 적은 편이다(Choi 등, 2013; Hwang 등, 2006; Lee 등, 2003b). 또한, 배에는 catechin, arbutin, chlorogenic acid 등의 polyphenol류와 quercetin, leuteolin 등의 flavonoid류를 함유하고 있다. 페놀 화합물은 당뇨, 심혈관 질환 등과 같은 질병 예방에 효능이 있으며 미백, 통풍 예방, 콜레스테롤 저하, 면역 촉진, 천식 억제 등의 효과를 가진다. 플라보노이드는 다양한 과일 및 채소 등에 존재하는 성분으로 항당뇨, 항고혈압, 항암, 항산화 및 항염증 등 다양한 생리활성 기능이 인체 내에서 질병의 원인인 산화작용 억제에 효과를 가진 것으로 알려져 있다(Zhang 등, 2003; Min 등, 2013; Park과 Han, 2015).

배는 수확 후에 저장 및 품질에 있어 변화가 있는데, 동양배에서는 과심 및 과육의 갈변, 흑변 등의 장해를 보여(Hwang 등, 2001) 상온에서의 보존기간이 짧고 미생물에 의한 변패가 일어나기 쉬우며, polyphenol oxidase에 의한 갈변반응을 일으켜 품질 및 섭취에 어려움이 있다(Lee 등, 2015). 일반적으로 식품에서 열처리는 저장성을 향상시키지만, 영양소 및 활성물질의 손실, 가열처리에 의한 색의 변화 등의 문제점이 야기된다. 하지만 가열처리는 미생물을 살균하고 polyphenol oxidase의 활성을 불활성화시키는 효과가 있어 식품 가공 방법의 한 수단으로 사용되고 있으며(Weemaes 등, 1998), 선행 연구에 따르면 열처리를 한 과일이나 채소는 열처리 과정 중에 화학적 변화로 생리활성이 증가한다고 하였다(Choi 등, 2006).

배를 활용한 여러 가공식품 중 퓌레(puree)는 과·채 가공품류에 속하고 과일 또는 채소류를 삶거나 갈아서 걸쭉하게 만든 농축물로 식품의 저장 수명을 연장하며, 음료, 제빵, 드레싱 등 가공식품의 중간소재로 다양하게 사용되고 있다(Park 등, 2021a; Ren 등, 2014; Jeong 등, 2017). 또한, 특유의 물성 특성으로 영유아식, 노인식 등의 특수용도식으로도 활용이 가능하다(Park 등, 2021a). 한편, 소규모형 배 퓌레 제조공정에서 사용되는 고온, 장시간 중탕 살균은 퓌레의 갈변화 및 유용성분 감소 등의 품질 저하를 일으켜 문제가 되고 있다. 하지만 배 가공에 관한 연구는 열처리 조건에 따른 배즙을 첨가한 식빵의 품질특성(Lee와 Park, 2019), 추황배 청징배즙의 제조 및 항산화 활성(Choi 등, 2013), 열처리 조건에 따른 한국산 배즙의 이화학적 특성 변화(Hwang 등, 2006) 등으로 품질변화를 최소화한 배 퓌레 가공의 살균처리 조건에 관한 연구에 대해서는 미흡한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 열처리 조건에 대한 배 퓌레의 품질변화를 반응표면분석법(response surface methodology, RSM)으로 분석해, 단백질의 열변성을 일으키는 가열처리로(Kim, 1994) 일반세균, 대장균 등의 미생물을 사멸시키면서 열처리로 인한 배 퓌레의 갈변 현상, 일반성분 및 항산화 물질 등의 품질변화를 최소화할 수 있는 최적의 열수처리 조건을 확립하고자 하였다.

재료 및 방법

실험재료 및 배 퓌레 제조

실험에 사용한 배는 나주 소재 인근 농장에서 2021년 10월 수확한 감천을 제공받아 사용하였다. 배 퓌레는 Fig. 1과 같이 원물 배를 세척한 후 껍질과 심지 제거 후 세절하여 믹서기를 이용하여 분쇄하였다. 분쇄 후 파우치에 원료를 넣어 밀봉한 후 열수처리 온도 조건인 50, 70, 90°C, 열수처리 시간 조건인 15, 30, 45분으로 처리하여 시료로 사용하였다.

Fig 1. Procedure for preparation of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

실험계획

본 연구는 배 퓌레의 열수처리 조건을 최적화하기 위해 반응표면분석법 중 중심합성계획법(Central Composite Design; CCD)에 따라 실험을 설계하였으며, 프로그램은 Minitab 17(Minitab Inc., State College, PA, USA)을 사용하였다. Sim(2011)은 실험계획법 수행으로 최적 조건을 얻기 위해서는 각각의 독립변수를 3수준 이상으로 설계하여야 한다고 밝혔으며, 이를 통해 독립변수와 종속변수의 상관관계를 알 수 있는 관계식을 구할 수 있다고 하였다. 또한, Ban 등(2010), Cho 등(2008), Alamprese 등(2007)Youn 등(2006) 다수의 연구에서는 2개의 독립변수 설정을 통해 실험계획법을 수행함을 확인할 수 있었다. 따라서 이상의 문헌 연구 및 예비 실험을 통해 배 퓌레 품질에 영향을 줄 수 있는 요인으로 열수처리 온도(X1) 및 열수처리 시간(X2)을 독립변수로 설정하였으며, 그 수준은 열수처리 온도 50, 70, 90°C 및 열수처리 시간 15, 30, 45분으로 결정하여, -1, 0, 1의 3단계로 부호화하여 Table 1에 나타내었다.

Table 1 . Independent variables and their coded and actual levels for central composited design.

XiIndependent variableCoded levels
−101
X1Hydrothermal treatment time (min)153045
X2Hydrothermal treatment temperature (°C)507090


배 퓌레의 품질특성에 관련된 종속(반응)변수(Ya)를 적색도(Y1), ΔE(Y2), 일반세균(Y3), 대장균군(Y4), polyphenol oxidase 활성(Y5), 총 폴리페놀 함량(Y6), 총 플라보노이드 함량(Y7)으로 하였다. 설정된 범위로 9개의 실험점이 형성되었다.

일반성분 및 총 식이섬유

온도 및 시간에 따라 열수처리한 배 퓌레의 일반성분 분석은 AOAC법(2005)에 따라 분석하였다. 수분함량은 상압가열건조기(VS-4150ND, Vision Scientific Co., Ltd., Daejeon, Korea)를 이용한 105°C 상압가열건조법으로, 조회분 함량은 550°C에서 직접회화법으로 분석하였다. 조단백질 함량은 semi-micro-Kjeldahl 법으로 자동단백질분석기(Kjeltec 8400, Foss, Hilleroed, Denmark)를 사용하여 전 질소를 정량하고 질소계수 6.25를 곱하여 계산했으며, 조지방은 Soxhlet 법으로 Soxhlet 추출기(Soxtec 2500, Foss)를 사용하여 분석하였다. 총 탄수화물 함량은 배 퓌레 시료 전체 무게를 100%로 놓고 수분, 조회분, 조단백, 조지방 함량을 제외한 값으로 나타내었다. 배 퓌레의 총 식이섬유 함량은 효소중량법을 이용해 시료 1 g을 α-amylase, protease, amyloglucosidase 순으로 처리하고 잔사를 세척 및 건조해 측정하였다.

pH 및 당도

열수처리 조건에 따른 배 퓌레의 당도 및 pH 변화를 보기 위하여 온도 및 시간을 다르게 하여 처리한 배 퓌레의 pH 측정은 pH meter를 사용하였으며, 당도는 시료 2 g을 증류수로 7배 희석하여 충분히 교반시킨 후 10,416×g, 20분간 원심분리한 상등액을 이용하였고 당도계(PAL-2, Atago Co., Tokyo, Japan)를 사용하였다.

색도 및 갈변도

배 퓌레 색도는 시료를 투명한 petri-dish에 담고 색차계(Color i7, X-rite Inc., Grand Rapids, MI, USA)를 이용하여, Hunter color difference meter 방식으로 명도(L), 적색도(a), 황색도(b) 값을 측정하여 나타내었다. 이때 사용한 표준 백색판 값은 L=99.39, a=-0.11, b=-0.14였다. 갈변도는 배 퓌레 열수처리 후 15, 30, 45분 뒤 L값, a값, b값을 측정하여 ΔL과 ΔE로 나타내었다. 갈변은 ΔL값과 ΔE값의 변화가 클수록 많이 진행되었음을 의미한다.

ΔL=Latt=0Latt=tΔELatt=0 Latt=t 2+aatt=0 aatt=t 2+batt=0 batt=t 2

미생물 수 측정

열수처리 조건에 따른 배 퓌레의 일반세균 측정은 시료 1 g에 0.85% 멸균 생리식염수 9 mL를 가하여 균질화한 후 멸균 생리식염수를 이용하여 단계별 희석해 시료를 준비하였다. 단계별 희석액 1 mL를 일반세균 PetrifilmTM aerobic count plate(3M Company, St. Paul, MN, USA)를 이용하여 접종한 후 35°C, 48시간 동안 배양한 뒤 30~300개 사이의 집락을 계수하여 확인하였으며, 검출된 미생물 수는 시료 1 g당 log colony forming unit(log CFU/g)으로 나타내었다. 대장균군은 상기 방법과 동일하게 실시한 후 PetrifilmTM coliform count plate(3M Company)를 이용하여 접종한 후 35°C, 24시간 동안 배양한 뒤 집락을 계수하여 확인하였다. 효모 및 곰팡이는 상기 방법과 동일하게 실시한 후 PetrifilmTM yeast and mold count plate(3M Company)를 이용하여 접종한 후 25°C, 5~7일 동안 배양한 뒤 집락을 계수하여 확인하였다.

총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량

열수처리 조건에 따른 배 퓌레의 총 폴리페놀 함량은 Folin-Denis(Dewnto 등, 2002) 방법을 변형하여 시료 추출물 100 μL에 2% NaCO3 2 mL를 넣고 3분간 암소에서 반응한 후 50% Folin-Ciocalteu’s reagent 100 μL를 넣고 다시 30분간 암소 반응시킨 다음 분광광도계를 이용하여 750 nm에서 흡광도를 측정하였다. 표준물질은 gallic acid(Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA)를 이용하여 표준곡선으로부터 함량을 구하였다. 총 플라보노이드 함량은 배 퓌레 추출물 250 μL, 증류수 1 mL, 5% NaNO2 75 μL를 각각 첨가하여 암소에서 5분간 반응한 후 10% AlCl3・6H2O 150 μL를 넣어 6분간 암소 반응한 다음 1 M NaOH 500 μL를 넣어 다시 11분간 암소 반응하여 510 nm에서 흡광도를 측정하였다. 이때 함량 산출을 위해 catechin hydrate(Sigma-Aldrich)를 표준물질로 사용하였다.

Polyphenol oxidase(PPO) 활성

온도 및 시간에 따른 배 퓌레의 PPO 활성은 배 퓌레 시료 10 g에 polyvinylpoly-pyrrolidone 1 g을 첨가하여 50 mM potassium phosphate buffer(pH 5.5)를 가하여 균질화한 후 10,416×g, 10분간 원심분리하여 얻은 상등액을 조효소액으로 사용하였다. 효소반응을 위해 전처리한 조효소액 0.3 mL에 50 mM potassium phosphate buffer(pH 5.5)와 200 mM catechol 용액 0.2 mL를 혼합한 후 30°C에서 1분간 반응시키고 420 nm에서 3분간 흡광도를 측정하였다. 1 unit은 흡광도를 1분당 0.001 증가시키는 데 필요한 효소의 양으로 단위를 (unit/min×g)으로 표시하였다. 효소활성은 시료 g당 1분당 흡광도 값이 0.001 변화하는 것을 1 unit으로 한다.

PPOactivity= dilutionfactor sampleg× OD afterreactionOD beforereaction min0.001

열수처리 조건의 최적화 및 검증

조건별 각 배 퓌레의 최적 열수처리 조건 예측은 적색도, ΔE, 일반세균, 대장균군, PPO 활성, 총 폴리페놀 함량 및 총 플라보노이드 함량에 대한 반응표면을 superimposing 하여 중복되는 부분에서 최적 열수처리 조건의 범위를 설정하였다.

통계분석

모든 실험은 3회 이상 반복 측정하였고, 실험 결과는 군별 평균±표준편차(mean±SD)로 표시하고, 군별 유의성은 SPSS statistical package(18.0 version, IBM, Armonk, NY, USA)를 이용해서 일원배치 분산분석(one-way ANOVA)으로 분석하여 평균값의 유의적 결과가 나온 변수는 사후검증(Duncan’s multiple range test)을 실시하였고, 모든 실험 결과의 유의성은 P<0.05 수준에서 검증하였다. 또한, 측정 항목 간 상관관계 파악을 위하여 Pearson 상관계수를 구하여 분석하였다. 반응표면분석법은 Minitab 17 프로그램을 이용하여 독립변수와 종속변수와의 관계에 대한 모델의 적합성을 확인하였다.

결과 및 고찰

일반성분 및 총 식이섬유

온도 및 시간에 따라 열수처리한 배 퓌레의 일반성분과 총 식이섬유 분석 결과는 Table 2와 같다. 무처리구의 배 퓌레는 수분 87.49%, 조회분 0.64%, 조지방 0.15%, 조단백질 0.42%로 나타났으며, 이는 배 100 g 중 수분 86.41%, 조회분 0.37%, 조지방 0.18%, 조단백질 0.24%로 나타낸 Choi 등(1998)의 연구 결과와 유사하였으나 약간의 값 차이는 배 품종에 따른 차이로 사료된다. 열수처리한 배 퓌레의 수분함량과 조단백은 각각 87.03~87.63%, 0.41~0.43%의 범위를 보였으며, 조지방은 0.15~0.41%, 탄수화물은 11.12~11.78%의 범위를 보였다. 조회분은 0.28~0.64% 범위를 나타냈는데, 열수처리 했을 때보다 무처리군에서 유의적으로 가장 높은 조회분 함량을 보였고, 70°C에서 처리했을 때 유의적으로 낮은 값을 보였다. 이는 동일 배 품종이어도 재배 여건에 따라 개체 차이가 있어 일반성분의 결과에 있어 서로 다른 경향을 보인 것으로 사료된다.

Table 2 . The proximate composition of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

SampleProximate composition (%)
MoistureCrude ashCrude proteinCrude lipidCarbohydrateTotal dietary
Control87.49±0.03c1)2)0.64±0.03a0.42±0.001cd0.15±0.03c11.31±0.04c1.53±0.04ab
50°C15 min87.54±0.04b0.45±0.03c0.43±0.003ab0.37±0.03a11.20±0.09d1.47±0.06b
30 min87.63±0.03a0.36±0.01de0.42±0.003bcd0.37±0.01a11.21±0.03cd1.45±0.03bc
45 min87.59±0.01a0.46±0.02c0.42±0.006bc0.41±0.02a11.12±0.03d1.56±0.01a
70°C15 min87.48±0.02c0.34±0.04ef0.41±0.003e0.15±0.03c11.62±0.04b1.37±0.03c
30 min87.29±0.05e0.34±0.01ef0.41±0.002e0.18±0.01c11.78±0.05a1.57±0.03a
45 min87.49±0.03c0.28±0.03g0.42±0.009de0.23±0.03b11.59±0.09b1.57±0.03a
90°C15 min87.36±0.02d0.40±0.00d0.43±0.001bc0.24±0.04b11.58±0.05b1.39±0.05c
30 min87.36±0.02d0.32±0.03fg0.43±0.004a0.16±0.02c11.73±0.03a1.49±0.07ab
45 min87.03±0.02f0.58±0.01b0.43±0.002ab0.36±0.01a11.59±0.03b1.53±0.07ab

1)All values are mean±SD, n=3..

2)Means with different letters (a-g) within the same column are significantly different at P<0.05..



총 식이섬유의 경우 1.37~1.57%의 범위를 보였는데, 가열을 지나치게 하면 수용성 non-cellulosic polysaccharide의 가수분해로 불용성 식이섬유 일부가 용해되어 총 식이섬유가 감소하게 되는데(Seo와 Kim, 1995), 본 연구에서는 각 온도에서 15분 처리했을 때 감소하는 경향을 보였으나 45분 처리했을 때는 증가하는 경향을 보였다.

최근 식이섬유의 생리적, 기능적 역할에 대해 많은 관심이 있는데, 식이섬유는 대장의 운동을 촉진하고 배변량을 증가시켜 변비 예방의 역할을 한다(Saltzman 등, 2001)고 널리 알려져 그 효과를 기대해 볼 수 있을 것이다.

pH 및 당도

배 퓌레 열수처리 온도 및 시간에 따른 pH 및 당도는 Table 3에 나타내었다. 배 퓌레의 pH는 5.36~5.47로 나타났다. 열수처리 온도인 50°C와 70°C에 비해 90°C에서는 5.36~5.37로 유의적으로 낮은 값을 보였다. Kim 등(2015)은 열처리 온도 및 시간에 따른 다래 퓌레의 pH가 90°C, 5분에서 유의적으로 가장 낮은 값을 보였으며, Aguilar-Rosas 등(2007)은 사과주스에 고온순간살균(90°C, 30초) 했을 때 무처리구에 비해 pH가 다소 낮아졌지만, 시료 품질에 큰 영향을 미치지 않는다고 보고하였다.

Table 3 . pH and °Brix of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

SamplepH°Brix
Control5.46±0.01b1)2)10.87±0.12d
50°C15 min5.47±0.01a11.67±0.12abc
30 min5.45±0.01c11.67±0.12abc
45 min5.43±0.01d11.87±0.12a
70°C15 min5.40±0.01e11.47±0.23c
30 min5.38±0.01f11.73±0.2ab
45 min5.37±0.01fg11.87±0.12a
90°C15 min5.37±0.01fg11.47±0.12c
30 min5.36±0.01g11.53±0.12bc
45 min5.36±0.01g11.67±0.12abc

1)All values are mean±SD, n=3..

2)Means with different letters (a-g) within the same column are significantly different at P<0.05..



당도의 경우 대조군은 10.87°Brix였고 열수처리 조건에 따라 11.47~11.87°Brix로 나타났다. 배 퓌레는 대조군에서 유의적으로 낮은 값을 보였고 온도에 따른 유의적 차이는 없었으나, 열수처리 시간이 길어질수록 당도가 증가하는 경향을 보였다. 이는 고온처리 배즙이 저온처리 배즙보다 당도가 더 높았다는 연구 결과(Lee와 Park, 2019)와 같은 경향이었다. 열수처리 조건에 따라 배 퓌레의 가용성 고형물의 함량이 다른 이유는 가열이나 해동 등을 통해 배의 조직과 다당류 분해에 의한 증가로 보고되었다(Choi 등, 1998).

색도 및 갈변도

열수처리 온도 및 시간에 따른 배 퓌레의 색도 및 갈변도를 측정한 결과는 Table 4Fig. 2와 같다. 밝기를 나타내는 배 퓌레의 L값은 전체적으로 54.63~65.46으로 나타났고 모든 열수처리구에서 대조구에 비해 유의적으로 감소하였으며, 열수처리 온도가 높고 열수처리 시간이 길어질수록 L값이 감소하는 경향을 보였다. 본 연구에서는 90°C에서 45분간 열수처리 했을 때 유의적으로 가장 낮은 값을 보였는데, 키위를 열처리했을 때 열처리 온도가 높아질수록 L값이 감소한다고 보고된 Beirão-da-Costa 등(2006)의 연구 결과와 Choi 등(1998)이 가열온도가 높아짐에 따라 가열 착즙한 배즙의 L값이 크게 감소했다고 보고한 연구 결과와 유사하였다. 적색도를 나타내는 a값은 -0.38~1.91로 나타났으며, 열수처리 온도가 높고 시간이 길어질수록 값이 증가하는 경향을 보였다. 50°C에서 15분 열수처리한 배 퓌레를 제외한 나머지 열수처리 조건에서는 a값이 대조구에 비해 유의적으로 증가하였다. Kweon 등(2012)에 의하면 사과의 열처리 전에는 a값이 21.1이었으나 38°C 열처리 시 22.1, 46°C 열처리 시 23.5로 다소 높아진다고 하였다. 황색도를 나타내는 b값은 L값과 유사한 경향을 보였다. 배 퓌레의 b값은 전체적으로 7.44~11.77로 나타났으며 대조구에 비해 모든 열수처리구에서 유의적으로 낮은 값을 나타냈다. 본 실험의 결과는 고온 및 저온처리 배즙의 L값이 각각 53.86, 85.00, a값은 21.16, -3.15, b값은 38.90, 49.86이라고 보고된 Lee와 Park(2019)의 연구 결과와 유사하였고, Sohn 등(2002)은 살균한 사과 퓌레의 L값과 b값이 감소하고 a값이 증가했다는 연구 결과와도 같은 경향을 보였다. 이러한 연구 결과는 과일의 고온 장시간 가열에 의한 마이야르 반응(Fernandes와 McLellan, 1992)에 기인한 것으로 사료된다.

Table 4 . Hunter’s color and browning color values of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

SampleHunter’s color valueBrowning color value
L (lightness)a (redness)b (yellowness)ΔLΔE
Control65.46±0.02a1)2)−0.33±0.02h11.77±0.02a
50°C15 min64.72±0.00b−0.38±0.00i11.15±0.01b0.75±0.03i0.97±0.03f
30 min63.05±0.00d−0.20±0.00f10.71±0.01c2.42±0.03g2.94±0.48e
45 min60.82±0.01f0.20±0.00d10.43±0.00e4.65±0.01e4.86±0.02d
70°C15 min63.64±0.02c−0.24±0.00g10.52±0.01d1.82±0.05h2.21±0.05e
30 min61.15±0.10e0.46±0.00c9.86±0.01f4.32±0.14f6.01±2.03cd
45 min58.96±0.04h1.20±0.01b9.19±0.03g6.50±0.03c7.16±0.04c
90°C15 min60.18±0.04g−0.13±0.00e8.93±0.01h5.29±0.08d6.87±1.57cd
30 min57.31±0.01i1.19±0.01b7.85±0.00i8.15±0.05b9.17±0.05b
45 min54.63±0.00j1.91±0.00a7.44±0.00j10.83±0.03a11.88±0.04a

1)All values are mean±SD, n=3..

2)Means with different letters (a-j) within the same column are significantly different at P<0.05..



Fig 2. Color change of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

ΔL값과 ΔE값의 변화가 클수록 갈변이 많이 진행되었음을 의미하는데, 열수처리 온도가 증가하고 열수처리 시간이 길어짐에 따라 유의적으로 증가하는 것으로 나타났다. 50°C에서 15분 열수처리 했을 때 ΔL값과 ΔE값은 각각 0.75, 0.97로 가장 낮은 갈변도를 나타냈고, 90°C에서 45분 열수처리 했을 때는 각각 10.83, 11.88로 가장 높은 갈변도를 보였다. 본 연구 결과는 키위주스를 65°C, 75°C, 85°C에서 15초간 가열 살균했을 때 온도가 높아질수록 갈변도가 증가한다는 연구 결과(Lee 등, 2003a)와도 유사했으며, 열처리 온도가 증가하고 시간이 길어질수록 a값과 갈변도가 증가한다고 보고된 Kim 등(2015)의 연구 결과와 같은 경향을 보였다. 이러한 갈변도의 경향은 색도 a값의 변화와 유사한 경향을 보여 a값이 배 퓌레의 갈변도를 가장 잘 나타낼 수 있는 지표로 사료된다(Kim 등, 2015). Lee 등(2012a)은 식품의 갈변현상은 PPO의 촉매작용 이외에도 수분 손실, 숙성, 부패, 비타민 C 함량, 온도 등과 같은 여러 요인에 의해 영향을 받을 수 있다고 하였다.

미생물 수

배 퓌레의 열수처리 조건에 따른 일반세균, 대장균군, 효모 및 곰팡이의 균 수 변화를 측정한 결과는 Table 5에 나타내었다. 곰팡이의 경우 배 퓌레의 대조구 및 모든 처리구에서도 검출되지 않았다. 일반세균의 경우 대조구에서 5.11 log CFU/g 수준이었으며 50°C에서 15, 30, 45분 동안 열수처리 했을 때 각각 4.91, 3.86, 3.86 log CFU/g 범위로 시간이 지남에 따라 유의적으로 감소하였다. 그리고 70°C 및 90°C 조건에서는 일반세균이 검출되지 않았다. 대장균군은 대조구 초기 밀도가 4.60 log CFU/g으로 가장 높은 수준이었으나 50°C에서 15, 30, 45분 동안 열수처리 했을 때 각각 4.03, 2.87, 2.47 log CFU/g 범위로 시간이 지남에 따라 점차 유의적으로 감소하였다. 70°C 및 90°C 조건에서는 검출한계 이하 수준으로 나타나 일반세균과 같은 경향을 보였다. 이러한 연구 결과는 배추 및 무를 60°C에서 15분 처리 시 초기 오염 수준에 비해 일반세균과 대장균군이 2~3 log 정도 감소하여 미생물 저감화 효과를 증진한 Yun 등(2011)의 연구 결과와 유사한 경향을 보였다. 효모는 모든 열수처리 조건에서 검출되어 전체적으로 1.00~5.41 log CFU/g 수준이었으며, 대조구에서 유의적으로 가장 높았고 온도와 시간의 변화에 따라 유의적으로 감소하는 결과를 보였다.

Table 5 . Aerobic bacteria, coliform, yeast, and mold of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment (log CFU/g).

SampleAerobic bacteriaColiformYeastMold
Control5.11±0.04a1)2)4.60±0.08a5.41±0.03aND3)
50°C15 min4.91±0.10b4.03±0.01b4.98±0.07abND
30 min3.86±0.07c2.87±0.19c4.83±0.01abND
45 min3.86±0.03c2.47±0.40c4.70±0.07abND
70°C15 minNDND4.68±0.05abND
30 minNDND4.51±0.17abcND
45 minNDND4.41±0.08abcND
90°C15 minNDND3.92±0.15bcND
30 minNDND3.63±0.06cND
45 minNDND1.00±1.73dND

1)All values are mean±SD, n=3..

2)Means with different letters (a-c) within the same column are significantly different at P<0.05..

3)ND: not detected..



Kim과 Cheigh(2021)는 국내 신선편이 과일의 미생물 품질평가를 통해 배의 중온균 수는 5~6 log CFU/g 수준으로 과일 중 오염도가 가장 높았으며, 대장균군 역시 모든 배 시료에서 검출되었다고 보고하여 본 실험의 연구 결과와 유사한 경향을 나타냈다. 결과적으로 배 퓌레의 열수처리 조건이 일반세균, 대장균군, 효모균 수에 변화를 주어 열수처리 온도 및 시간에 의해 감소하는 것을 확인하였으며, Kim 등(2015)의 열처리 시간 및 온도가 다래 퓌레의 미생물 저감화에 영향을 준다는 연구 결과와 유사한 경향을 보였다. 본 연구 결과를 통해 다른 과일에 비해 세균수가 높은 배의 미생물 수는 70°C 정도에서 열수처리 시 미생물 저감화에 효과적인 것으로 사료된다.

PPO 활성

열수처리 조건에 따른 배 퓌레의 PPO 활성을 조사한 결과는 Table 6에 나타냈다. PPO 활성은 배 퓌레 대조구에서 241.57 unit이었는데, 열수처리 온도 및 시간에 따라 유의적으로 감소하는 경향을 보여 90°C에서 45분 열수처리 했을 때 122.57 unit으로 가장 낮은 활성을 보였다. 열수처리 온도 및 시간이 증가할수록 배 퓌레의 PPO 활성은 감소하는 경향을 보였는데, 이는 온도가 상승함에 따라 PPO 활성이 감소하여 70°C 이상의 온도에서 활성이 50% 감소하였다는 Kim(2004)의 연구와 유사하였다. 또한, 열처리 온도가 높을수록 배 PPO 활성의 감소 효과가 커진다는 Lee 등(2002)의 연구 결과와 유사한 경향을 보였다.

Table 6 . Polyphenol oxidase activity of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

SamplePolyphenol oxidase activity (g)
Control241.57±6.27a
50°C15 min235.13±4.40a
30 min210.57±5.06bc
45 min198.23±8.20d
70°C15 min216.37±7.35b
30 min194.17±5.75d
45 min193.90±1.64d
90°C15 min200.97±7.16cd
30 min170.37±5.61e
45 min122.57±3.69f

1)All values are mean±SD, n=3..

2)Means with different letters (a-f) within the same column are significantly different at P<0.05..



총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량

폴리페놀화합물, 플라보노이드, 토코페롤 및 카로티노이드는 자연계에 분포하는 천연 항산화 물질로(Byun 등, 2016), 그중 페놀성 화합물은 분자 내 포함된 phenolic hydroxyl기가 단백질 및 거대 분자와 결합하여 콜레스테롤 저하, 항암 및 항산화 등 다양한 생리활성을 나타내며(Jang 등, 2010; Kwon 등, 2006), 플라본 구조를 갖는 플라보노이드 역시 항산화, 항암 및 항염증 등의 다양한 효과를 가진다(Vijaya 등, 1995). 온도 및 시간에 따라 열수처리한 배 퓌레의 총 폴리페놀 함량의 측정 결과는 Fig. 3과 같다. 90°C에서 열수처리한 배 퓌레를 제외한 모든 열수처리 온도에서 무처리군에 비해 높은 총 폴리페놀 함량을 보이며 통계적 유의성을 보였다(P<0.05). 배 퓌레를 70°C에서 열수처리 했을 때 총 폴리페놀 함량은 24.36~24.54 mg/100 g으로 다른 처리구보다 유의적으로 높은 함량을 보였는데, 이는 흑광벼 표면에 존재하는 페놀화합물이 낮은 온도에서는 주변 조직의 강한 결합으로부터 유리되지만 열에 약한 폴리페놀 성분들은 높은 온도에서 상당량 파괴된다는 Kwak 등(2013)의 연구와 비슷한 경향을 보였으며, 또한 Lee 등(2012b)은 저온살균 사과주스의 총 폴리페놀 함량이 27.39 mg/100 mL로 고온살균 사과주스(23.24 mg/100 mL)보다 높았는데, 이는 페놀성 화합물들이 고온살균 중에 일부 파괴됨에 따라 나타난 결과로 판단하였다.

Fig 3. Changes of total polyphenol contents of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

열수처리에 따른 배 퓌레의 총 플라보노이드 함량의 측정 결과는 Fig. 4에 나타내었다. 그 결과 70°C 처리 시보다 90°C에서 처리했을 때 유의적으로 감소하였는데, 총 폴리페놀 함량과 마찬가지로 온도가 증가할수록 열에 약한 페놀화합물이 쉽게 파괴된 것으로 사료된다(Francisco와 Resurreccion, 2009). 대부분 phytochemical은 상대적으로 불안정하여 살균, 데치기, 탈수 및 냉동 등의 가공 과정에서 산화나 가수분해를 일으키는데, phytochemical의 감소는 자연적으로 발생하는 항산화 화합물과 마이야르 반응 생성물의 열분해에 의한 것이라고 해석하고 있다(Nicoli 등, 1999). 따라서 열수처리에 의한 기능성 성분의 함량 변화는 식품을 구성하는 성분의 각기 다른 열 반응성에 의한 것으로 사료된다(Kwak 등, 2013).

Fig 4. Changes of total flavonoid contents of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

반응표면분석

배 퓌레의 열수처리 조건인 온도(X1), 시간(X2)을 달리하여 제조한 배 퓌레의 반응표면 회귀분석 결과는 Table 7에 나타냈다. 변수들의 계수를 비교해보니 갈변 정도를 나타내는 일반세균, ΔE값, 색도 a값, 대장균군, 총 폴리페놀 함량, 총 플라보노이드 함량, PPO 활성의 순으로 배 퓌레 품질변화에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 적색도와 갈변 정도를 나타내는 ΔE값의 측정 결과 R2값과 P-value는 각각 0.9754, 0.9818과 0.000, 0.002로 매우 높은 유의적인 결과를 보여 모델의 적합성을 확인하여 열수처리 온도와 시간이 색도 및 갈변에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 일반세균 및 대장균군의 R2값과 P-value는 각각 0.9849, 0.9714와 0.000, 0.001로 모두 유의적인 결과를 보였다. PPO 활성, 총 폴리페놀 함량 및 총 플라보노이드 함량의 R2값은 각각 0.8616, 0.9181, 0.9097, P-value는 각각 0.014, 0.001, 0.006으로 유의하게 회귀식에 대한 설명력이 높았다.

Table 7 . Physical and mechanical properties of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

Dependent variable (Ya)Quadratic regression model1)R22)P-value
a value (Y1)−0.312-0.0400X1-0.00856X2+0.001217X1X20.97540.000
ΔE (Y2)1.64+0.187X1-0.193X2-0.00233X12+0.002113X22+0.001655X1X20.98180.002
Aerobic bacteria (Y3)35.33-0.0724X1-0.8683X2+0.005264X2*X2+0.000869X1X20.98490.000
Coliform (Y4)27.86-0.1087X1-0.6640X2+0.003905X2*X2+0.001305X1X20.97140.001
PPO activity (Y5)117+0.89X1+3.93X2-0.02965X2*X2-0.0346X1X20.86160.014
TPC (Y6)−9.50-0.0305X1+1.040X2-0.007743X2*X20.91810.001
TFC (Y7)−3.30+0.0618X1+0.2223X2-0.001107X1*X1-0.001494X2*X20.90970.006

1)X1: hydrothermal treatment time (min), X2: hydrothermal treatment temperature (°C)..

2)R2: coefficient of determination. 0<R2<1, close to 1 means significant..



반응표면 상태를 나타내는 모형은 Fig. 5와 같다. 반응표면에서도 적색도와 ΔE값은 열수처리 온도 및 시간이 증가함에 따라 증가하는 모형이 나타났으며, 열수처리 시간보다는 온도의 증가에 따른 증가 폭이 크게 나타났다. ΔE값 변화가 커질수록 갈변이 많이 진행됨을 의미하는데, 열수처리 온도와 시간이 증가할수록 갈변이 많이 진행됨을 확인하였다. 미생물도 온도에 의한 영향이 크게 나타났으며 열수처리 온도가 증가함에 따라 미생물의 생육 수가 감소하였는데, 70°C 이상의 온도에서는 미생물 생육이 억제됨을 확인하였다. PPO 활성은 열수처리 온도 및 시간이 증가함에 따라 감소하는 모형으로 나타났다. 총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량의 반응표면은 온도가 올라갈수록 증가하다가 70°C 부근에서 가장 높게 나타났으며 다시 감소하는 모형을 나타냈다. 한편, Choi 등(1998)은 기존 고온처리 방법으로 배 가공식품을 제조한 결과, 갈변으로 인한 기호성 저하가 발생하여 갈변 방지 해결이 필요하다고 하였다. 본 연구에서는 배 퓌레를 최소 70°C 이상에서 열수처리 시 갈변 억제, 미생물 제어 및 항산화 기능 향상을 가져와 기존 처리에 비해 품질변화를 최소화할 수 있음을 확인하였다.

Fig 5. Surface plot of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment. A, redness; B, ΔE; C, aerobic bacteria; D, coliform; E, polyphenol oxidase activity; F, total polyphenol content; G, total flavonoid content.

열수처리 조건의 최적화 및 검증 실험

배 퓌레의 최적 열수처리 조건을 설정하기 위해 배 퓌레의 적색도, ΔE, 일반세균, 대장균군, PPO 활성, 총 폴리페놀 함량 및 총 플라보노이드 함량에 대한 contour map을 superimposing 하여 이에 대한 특성을 모두 만족시키는 열수처리 조건 범위를 Fig. 6에 나타내었다. 그 결과 최적화된 열수처리 조건의 온도 범위는 69.3~80.4°C, 시간 범위는 16.8~25.8분으로 나타났으며, 최적점은 74.6°C, 20.7분으로 나타났다. 이에 대해 모델의 신뢰성을 검증하기 위해 예측값과 실험값을 비교하여 Table 8에 나타낸 결과, 최적 조건에서의 적색도 및 ΔE값은 각각 0.1800, 4.172로 예측값에서 95% 신뢰구간 및 예측구간 안에 들어왔으며, 일반세균 및 대장균군도 모두 최적 조건에서 생육하지 않아 95% 신뢰구간 및 예측구간 범위에 들어왔음을 확인하였다. PPO 활성은 204.33 unit으로 예측값인 210.67 unit과 비교했을 때 큰 오차를 보이지 않고 신뢰구간 및 예측구간의 범위를 보였다. 총 폴리페놀 함량 역시 95% 신뢰구간 및 예측구간 범위에 들어왔으며 총 플라보노이드 함량은 6.966으로 95% 신뢰구간 범위(5.4887~5.9796)보다 더 높게 측정되었으나, 플라보노이드는 항암, 항염증 및 항산화에 대한 기능성을 가지고 있어(Vijaya 등, 1995) 예측값보다 높았지만 이상적인 조건으로 판단되어 검증 실험에 대해 모델의 적합성을 확인하였다.

Table 8 . Comparison of predicted and experimental values of response variables according to optimal hydrothermal treatment conditions for pear puree.

Response variablesPredicted valuesExperimental values95% CI95% PI
a value0.10480.1800−0.0328∼0.2450−0.2427∼0.4548
ΔE4.4484.1723.489∼5.4072.681∼6.216
Aerobic bacteria−0.3060.000−0.752∼0.142−1.160∼0.550
Coliform−0.1740.000−0.640∼0.291−1.065∼0.716
PPO activity210.67204.33190.39∼230.94171.89∼249.44
TPC24.32824.62323.511∼25.14722.757∼25.901
TFC5.73426.9665.4887∼5.97965.2646∼6.2037


Fig 6. Overlaid contour plot of optimized pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment. (a)2: minmum of total flavonoid contents, (b)2: minimum of total polyphenol contents, (c)2: minmum of polyphenol oxidase activity, (d)1: maximum of coliform, (e)1; maximum of aerobic bacteria, (f)1: maximum of ΔE, (f)2: minimum of ΔE, (g)1: maximum of redness, (g)2: minimum of redness.

요 약

본 연구는 열수처리 온도(50, 70, 90°C) 및 열수처리 시간(15, 30, 45분)을 달리하여 배 퓌레를 제조한 후 품질특성을 분석하여 반응표면분석법을 통해 최적의 열수처리 조건을 구하고자 하였고, 중심합성계획법에 따라 총 9가지의 실험점에서 진행하였다. 열수처리 온도 및 시간을 독립변수로 정하고, 품질특성에 관련된 적색도, ΔE값, 일반세균, 대장균군, polyphenol oxidase 활성, 총 폴리페놀 함량, 총 플라보노이드 함량을 종속변수로 설정하였다. 독립변수가 종속변수에 미치는 영향에 대해 분석한 결과, 적색도와 갈변을 나타내는 ΔE값은 각각 -0.38~1.20, 0.97~11.88의 범위로 측정되었고, 반응식의 R2은 각각 0.9754, 0.9818이었다. 일반세균 및 대장균군의 생균수는 각각 0.00~4.91 log CFU/mL, 0.00~4.03 log CFU/mL의 범위였고, 반응식의 R2은 0.9849, 0.9714였다. 갈변의 원인이 되는 polyphenol oxidase 활성은 122.57~235.13 unit 범위였으며, 반응식의 R2은 0.8616의 값을 보였다. 배 퓌레의 유효성분으로 총 폴리페놀 함량 및 총 플라보노이드 함량은 각각 19.33~24.54 GAE mg/100 g, 4.56~5.78 GAE mg/100 g 범위였으며, 이때 반응식의 R2은 각각 0.9181, 0.9097을 나타내었다. 이를 바탕으로 contour map을 superimposing 하여 최적 열수처리 조건을 설정한 결과, 최적화된 열수처리 조건의 온도 범위는 69.3~80.4°C, 시간 범위는 16.8~25.8분으로 나타났으며, 최적점은 74.6°C, 20.7분으로 나타났다. 이에 대해 모델의 신뢰성을 검증하기 위해 예측값과 실험값을 비교한 결과, 각 반응변수의 실험값은 모두 예측값의 95% 신뢰구간 및 예측구간 범위에 들어와 모델의 적합성을 확인하였다.

감사의 글

본 연구는 농촌진흥청 연구사업(과제번호: PJ015142) 지원에 의해 이루어진 것으로 이에 감사드립니다.

Fig 1.

Fig 1.Procedure for preparation of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 1205-1214https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.11.1205

Fig 2.

Fig 2.Color change of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 1205-1214https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.11.1205

Fig 3.

Fig 3.Changes of total polyphenol contents of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 1205-1214https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.11.1205

Fig 4.

Fig 4.Changes of total flavonoid contents of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 1205-1214https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.11.1205

Fig 5.

Fig 5.Surface plot of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment. A, redness; B, ΔE; C, aerobic bacteria; D, coliform; E, polyphenol oxidase activity; F, total polyphenol content; G, total flavonoid content.
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Fig 6.

Fig 6.Overlaid contour plot of optimized pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment. (a)2: minmum of total flavonoid contents, (b)2: minimum of total polyphenol contents, (c)2: minmum of polyphenol oxidase activity, (d)1: maximum of coliform, (e)1; maximum of aerobic bacteria, (f)1: maximum of ΔE, (f)2: minimum of ΔE, (g)1: maximum of redness, (g)2: minimum of redness.
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Table 1 . Independent variables and their coded and actual levels for central composited design.

XiIndependent variableCoded levels
−101
X1Hydrothermal treatment time (min)153045
X2Hydrothermal treatment temperature (°C)507090

Table 2 . The proximate composition of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

SampleProximate composition (%)
MoistureCrude ashCrude proteinCrude lipidCarbohydrateTotal dietary
Control87.49±0.03c1)2)0.64±0.03a0.42±0.001cd0.15±0.03c11.31±0.04c1.53±0.04ab
50°C15 min87.54±0.04b0.45±0.03c0.43±0.003ab0.37±0.03a11.20±0.09d1.47±0.06b
30 min87.63±0.03a0.36±0.01de0.42±0.003bcd0.37±0.01a11.21±0.03cd1.45±0.03bc
45 min87.59±0.01a0.46±0.02c0.42±0.006bc0.41±0.02a11.12±0.03d1.56±0.01a
70°C15 min87.48±0.02c0.34±0.04ef0.41±0.003e0.15±0.03c11.62±0.04b1.37±0.03c
30 min87.29±0.05e0.34±0.01ef0.41±0.002e0.18±0.01c11.78±0.05a1.57±0.03a
45 min87.49±0.03c0.28±0.03g0.42±0.009de0.23±0.03b11.59±0.09b1.57±0.03a
90°C15 min87.36±0.02d0.40±0.00d0.43±0.001bc0.24±0.04b11.58±0.05b1.39±0.05c
30 min87.36±0.02d0.32±0.03fg0.43±0.004a0.16±0.02c11.73±0.03a1.49±0.07ab
45 min87.03±0.02f0.58±0.01b0.43±0.002ab0.36±0.01a11.59±0.03b1.53±0.07ab

1)All values are mean±SD, n=3..

2)Means with different letters (a-g) within the same column are significantly different at P<0.05..


Table 3 . pH and °Brix of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

SamplepH°Brix
Control5.46±0.01b1)2)10.87±0.12d
50°C15 min5.47±0.01a11.67±0.12abc
30 min5.45±0.01c11.67±0.12abc
45 min5.43±0.01d11.87±0.12a
70°C15 min5.40±0.01e11.47±0.23c
30 min5.38±0.01f11.73±0.2ab
45 min5.37±0.01fg11.87±0.12a
90°C15 min5.37±0.01fg11.47±0.12c
30 min5.36±0.01g11.53±0.12bc
45 min5.36±0.01g11.67±0.12abc

1)All values are mean±SD, n=3..

2)Means with different letters (a-g) within the same column are significantly different at P<0.05..


Table 4 . Hunter’s color and browning color values of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

SampleHunter’s color valueBrowning color value
L (lightness)a (redness)b (yellowness)ΔLΔE
Control65.46±0.02a1)2)−0.33±0.02h11.77±0.02a
50°C15 min64.72±0.00b−0.38±0.00i11.15±0.01b0.75±0.03i0.97±0.03f
30 min63.05±0.00d−0.20±0.00f10.71±0.01c2.42±0.03g2.94±0.48e
45 min60.82±0.01f0.20±0.00d10.43±0.00e4.65±0.01e4.86±0.02d
70°C15 min63.64±0.02c−0.24±0.00g10.52±0.01d1.82±0.05h2.21±0.05e
30 min61.15±0.10e0.46±0.00c9.86±0.01f4.32±0.14f6.01±2.03cd
45 min58.96±0.04h1.20±0.01b9.19±0.03g6.50±0.03c7.16±0.04c
90°C15 min60.18±0.04g−0.13±0.00e8.93±0.01h5.29±0.08d6.87±1.57cd
30 min57.31±0.01i1.19±0.01b7.85±0.00i8.15±0.05b9.17±0.05b
45 min54.63±0.00j1.91±0.00a7.44±0.00j10.83±0.03a11.88±0.04a

1)All values are mean±SD, n=3..

2)Means with different letters (a-j) within the same column are significantly different at P<0.05..


Table 5 . Aerobic bacteria, coliform, yeast, and mold of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment (log CFU/g).

SampleAerobic bacteriaColiformYeastMold
Control5.11±0.04a1)2)4.60±0.08a5.41±0.03aND3)
50°C15 min4.91±0.10b4.03±0.01b4.98±0.07abND
30 min3.86±0.07c2.87±0.19c4.83±0.01abND
45 min3.86±0.03c2.47±0.40c4.70±0.07abND
70°C15 minNDND4.68±0.05abND
30 minNDND4.51±0.17abcND
45 minNDND4.41±0.08abcND
90°C15 minNDND3.92±0.15bcND
30 minNDND3.63±0.06cND
45 minNDND1.00±1.73dND

1)All values are mean±SD, n=3..

2)Means with different letters (a-c) within the same column are significantly different at P<0.05..

3)ND: not detected..


Table 6 . Polyphenol oxidase activity of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

SamplePolyphenol oxidase activity (g)
Control241.57±6.27a
50°C15 min235.13±4.40a
30 min210.57±5.06bc
45 min198.23±8.20d
70°C15 min216.37±7.35b
30 min194.17±5.75d
45 min193.90±1.64d
90°C15 min200.97±7.16cd
30 min170.37±5.61e
45 min122.57±3.69f

1)All values are mean±SD, n=3..

2)Means with different letters (a-f) within the same column are significantly different at P<0.05..


Table 7 . Physical and mechanical properties of pear puree according to varying temperature and time with hydrothermal treatment.

Dependent variable (Ya)Quadratic regression model1)R22)P-value
a value (Y1)−0.312-0.0400X1-0.00856X2+0.001217X1X20.97540.000
ΔE (Y2)1.64+0.187X1-0.193X2-0.00233X12+0.002113X22+0.001655X1X20.98180.002
Aerobic bacteria (Y3)35.33-0.0724X1-0.8683X2+0.005264X2*X2+0.000869X1X20.98490.000
Coliform (Y4)27.86-0.1087X1-0.6640X2+0.003905X2*X2+0.001305X1X20.97140.001
PPO activity (Y5)117+0.89X1+3.93X2-0.02965X2*X2-0.0346X1X20.86160.014
TPC (Y6)−9.50-0.0305X1+1.040X2-0.007743X2*X20.91810.001
TFC (Y7)−3.30+0.0618X1+0.2223X2-0.001107X1*X1-0.001494X2*X20.90970.006

1)X1: hydrothermal treatment time (min), X2: hydrothermal treatment temperature (°C)..

2)R2: coefficient of determination. 0<R2<1, close to 1 means significant..


Table 8 . Comparison of predicted and experimental values of response variables according to optimal hydrothermal treatment conditions for pear puree.

Response variablesPredicted valuesExperimental values95% CI95% PI
a value0.10480.1800−0.0328∼0.2450−0.2427∼0.4548
ΔE4.4484.1723.489∼5.4072.681∼6.216
Aerobic bacteria−0.3060.000−0.752∼0.142−1.160∼0.550
Coliform−0.1740.000−0.640∼0.291−1.065∼0.716
PPO activity210.67204.33190.39∼230.94171.89∼249.44
TPC24.32824.62323.511∼25.14722.757∼25.901
TFC5.73426.9665.4887∼5.97965.2646∼6.2037

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