Ex) Article Title, Author, Keywords
Online ISSN 2288-5978
Ex) Article Title, Author, Keywords
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2024; 53(5): 478-484
Published online May 31, 2024 https://doi.org/10.3746/jkfn.2024.53.5.478
Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.
Department of Food Science and Technology, Jeonbuk National University
Correspondence to:Yong-Suk Kim, Department of Food Science and Technology, Jeonbuk National University, 567 Baekje-daero, Deokjin-gu, Jeonju, Jeonbuk 54896, Korea, E-mail: kimys08@jbnu.ac.kr
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 investigated whether brewer’s spent yeast (BSY) is suitable as an ingredient for preparing a milk alternative. To remove the bitter taste of BSY, it was washed with sodium hydroxide (NaOH). Subsequently, 2.09±0.12 g/100 mL of protein was extracted from BSY by autolysis and the emulsification activity index and emulsification stability index of the extract were 2.90±0.12 m2/g and 46.82±2.05%, respectively. BSY milk was prepared by high-speed homogenization of the extract and oil using a sugar ester. Emulsion stability was measured through the creaming index and turbidity. When canola oil and avocado oil were used, the emulsion was stable when the hydrophilic- lipophilic balance (HLB) value was 5. When coconut oil was used, the emulsion was most stable when the HLB value was 8. Most of the fat globules in the three samples were less than 2 μm in size. Viscosity was measured at 4°C and 25°C. There was no significant difference in viscosity between whole milk and all three samples. The color lightness and yellowness values were lower than those of whole milk, and there was no significant difference in redness values.
Keywords: brewer’s spent yeast, milk alternative, emulsification, autolysis
목축업은 이산화탄소와 메탄가스 같은 온실가스를 매년 7.1 gigatonnes 정도 배출하며, 특히 전체 이산화탄소 배출량의 14.5% 정도를 차지한다(Gerber 등, 2013). 목축업으로 인하여 발생하는 온실가스의 배출량을 줄이기 위해서는 비낙농 기반 유제품에 관한 연구가 진행되어야 한다. 비낙농 기반 유제품의 경우 환경뿐만 아니라 유당 불내증, 우유 단백질 알러지, 채식과 같은 이유로 시장에 등장하기 시작하였다(Chalupa-Krebzdak 등, 2018). 이에 따라 식물성 우유가 시장에 등장하고 있으며, 대체 우유는 크게 시리얼 기반(옥수수, 쌀), 콩류 기반(대두, 땅콩), 견과류 기반(아몬드, 헤이즐넛), 아곡류 기반(퀴노아), 종자 기반(참깨, 해바라기 씨앗)으로 나누어지고 있다(Mertdinc 등, 2023). 또한 현재 시장에 나와 있는 대체유를 제외하고도 갈색거저리 유충(
맥주는 세계에서 가장 많이 소비되는 알코올음료이며, 물과 차 다음으로 가장 많이 소비되는 음료이다(Anderson 등, 2019). 맥주는 물, 맥아, 효모를 이용하여 만들어진다. 맥주 양조에 있어서 생기는 부산물로는 맥주박, 효모박, 맥아 뿌리, 홉 찌꺼기가 있으며, 맥주 부산물 중 맥주박은 85%, 효모박은 10~15% 정도를 차지한다(Olivares-Galvan 등, 2022; Rachwał 등, 2020). 효모는 발효가 끝난 후 여과나 원심분리를 통해 제거되며, 이때 분리된 효모는 다음 맥주 제조에 최대 6번까지 재사용 될 수 있다(Rachwał 등, 2020). 재사용된 효모는 단백질 함량이 높아 가축 사료의 단백질원으로 사용되기도 하지만, 짧은 유통기한과 운송비용으로 인해 대부분의 효모박은 폐기되고 있다(Boateng 등, 2015). 효모는 건조물 기준 50~60%의 높은 단백질 함량을 가지고 있을 뿐만 아니라 미네랄, 비타민, β-글루칸, 올리고당과 같은 성분이 풍부하다(Puligundla 등, 2020).
오일은 종류에 따른 required-hydrophilic-lipophilic balance(r-HLB) 값이 존재하며, 유화제를 이용하여 오일을 에멀젼화 시킬 때 고유의 r-HLB에 맞는 유화제를 사용하면 안정적인 에멀젼을 제조할 수 있다(Orafidiya와 Oladimeji, 2002).
본 연구는 산업 폐기물인 맥주 효모박의 자가소화를 이용하여 만든 추출액과 식물성 오일에 각기 다른 HLB 값을 가진 유화제를 사용하여 유화시켜 대체유를 만들 수 있다는 가능성을 입증하고자 하였다.
맥주 발효에 사용된 효모는
맥주 발효에 이용된 효모의 세포벽에는 호프(hop)에서 유래된 쓴맛을 내는 isohumulone과 같은 성분이 결합되어 있어 쓴맛이 난다(Dixon과 Leach, 1968). 이러한 쓴 물질들은 알칼리 용액을 이용하여 세척할 경우 세포벽과의 수소결합 및 약한 결합을 끊어 제거할 수 있다(Shotipruk 등, 2005). 맥주 효모박의 쓴맛 제거 및 단백질 추출 방법은 Tanguler와 Erten(2008)의 방법을 변형하여 진행하였다. 침전물을 멸균수와 1:1(w:v)의 비율로 희석한 후 1 N NaOH를 이용하여 pH를 9로 맞춘 후 25°C의 shaking incubator에서 120 rpm의 속력으로 10분간 교반하여 쓴맛을 제거하였다. 교반이 끝난 후 4°C로 설정된 원심분리기에서 5,000×
맥주 효모박의 단백질을 용출시키기 위해 멸균된 1 L 시약병에 쓴맛을 제거한 효모박 300 g과 멸균수 300 mL를 넣고 뚜껑으로 막은 후 손으로 강하게 흔들어 진탕 후 55°C, 120 rpm으로 설정한 shaking incubator에서 20시간 동안 자가소화를 진행하였다.
맥주 효모박 자가소화 추출액의 단백질 함량은 BCA protein assay kit(Thermo Fisher Scientific Inc.)을 이용하여 측정하였다. 실험 직전에 kit에 있는 reagent A와 B를 50:1의 비율로 혼합하여 사용하였다. 5시간 간격으로 채취한 추출액의 상등액을 희석한 후 마이크로플레이트에 25 μL씩 분주한 후 앞서 제조한 혼합액을 200 μL씩 분주하였다. 그 후 마이크로플레이트를 손으로 약하게 흔들어 교반하고, 37°C incubator에서 30분간 반응시킨 후 마이크로플레이트 리더기(Epoch Microplate Spectrophotometer, BioTek Instrument Inc.)를 이용하여 562 nm에서 추출액의 단백질 함량을 측정하였다.
맥주 효모박 자가소화 추출액의 유화 활성과 유화 안정성은 Pearce와 Kinsella(1978)의 방법을 변형하여 측정하였다. 맥주 효모박을 자가소화하여 얻은 추출액을 5,000×
C=추출액의 단백질 농도(g/mL)
∅=에멀젼의 오일 부피 분율(v/v)
A0=균질화 직후 에멀젼의 500 nm에서의 흡광도
A10=10분간 방치 후 에멀젼의 500 nm에서의 흡광도
맥주 효모박 자가소화 추출액의 유화는 예비 실험과 Hong 등(2019)의 방법을 변형하여 진행하였다. 제조공정은 Fig. 1과 같으며, 추출액의 유화에 필요한 배합비는 Table 1과 같다. 즉, 맥주 효모박 대체유(BSY)를 제조하기 위한 오일은 카놀라유(CA), 아보카도유(AV), 코코넛유(CO)를 사용하였으며, 유화제는 S-570과 S-1170을 혼합하여 HLB 값이 각각 5, 6, 7, 8이 되도록 하여 제조하였다. 55°C에서 20시간 동안 자가소화시킨 추출액을 4°C, 5,000×
Table 1 . Recipe of milk alternative made from brewer’s spent yeast
Sample | CA1)-52) | CA-6 | CA-7 | CA-8 |
---|---|---|---|---|
BSY3) extract | 96.3 | |||
Canola oils | 3.5 | |||
Emulsifiers | 0.2 | |||
(S-54):S-11) | 100:0 | 83.33:16.67 | 66.67:33.33 | 50:50 |
Sample | AV-5 | AV-6 | AV-7 | AV-8 |
BSY extract | 96.3 | |||
Avocado oils | 3.5 | |||
Emulsifiers | 0.2 | |||
(S-5:S-11) | 100:0 | 83.33:16.67 | 66.67:33.33 | 50:50 |
Sample | CO-5 | CO-6 | CO-7 | CO-8 |
BSY extract | 96.3 | |||
Coconut oils | 3.5 | |||
Emulsifiers | 0.2 | |||
(S-5:S-11) | 100:0 | 83.33:16.67 | 66.67:33.33 | 50:50 |
1)CA, BSY milk made from canola oil; AV, BSY milk made from avocado oil; CO, BSY milk made from coconut oil.
2)5, 6, 7, 8 mean hydrophilic-lipophilic balance (HLB) value.
3)BSY, brewer’s spent yeast.
4)S-5 means sugar ester (S-570, HLB value 5); S-11 means sugar ester (S-1170, HLB value 11).
크리밍 지수(Creaming index, CI)의 경우 유화액의 creaming 정도를 나타내는 척도이다. 완성된 대체유를 glass vial에 20 mL씩 소분하여 뚜껑을 닫아 7일간 25°C incubator에 보관하여 측정하였다. 상 분리가 빨리 일어나는 처음 6시간 동안은 cream화된 상층부와 serum 층인 하층부의 높이를 1시간마다 자를 이용하여 측정하였고 그 후로는 하루 간격으로 측정하였다. 측정한 값은 다음의 식을 이용하여 계산하였다.
Hcream=상층부의 높이
Htotal=전체 높이
탁도는 Orafidiya와 Oladimeji(2002)의 방법을 응용하여 분석하였다. 오일의 종류와 HLB 값을 변수로 한 대체유 1 mL를 증류수 25 mL에 희석하여 분석하였다. 희석된 샘플은 UV-VIS spectrophotometer를 사용하여 600 nm에서 투과율(%T)을 측정하였다. 측정된 투과율은 다음의 식을 이용하여 계산하였다.
Turbidity=100-%T
색도는 침전물을 색차계(SUPER-80, Denshoku)를 사용해 3번 측정하여 평균값을 구하였고, Hunter scale에 따라 명도(lightness, L*), 적색도(redness, a*), 황색도(yellowness, b*) 값으로 나타내었다. 이때 표준 백색판의 L*, a*, b*의 값은 각각 92.00, -0.27, 3.59였다.
맥주 효모박 대체유의 점도는 점도계(Brookfield Engineering Lab)로 측정하였으며, 시료를 tall 비커에 500 mL를 담아 spindle 61번, Rotor lv, 60 rpm의 조건으로 25°C와 4°C일 때의 점도를 측정하였다.
맥주 효모박 대체유의 지방구의 크기 측정은 광학현미경(SG/S9D, Leica microsystems GmbH)을 이용하여 40배율에서 관찰하였고, 장착된 카메라를 동해 얻은 이미지를 Mosaic V2.0 software(Tuscen photonics Co., Ltd.)를 이용하여 지방구의 크기를 측정하였다.
실험 결과는 3 반복을 통해서 얻었으며, 평균±표준편차(mean±SD)로 나타냈다. IBM SPSS Statistics(ver. 27., SPSS)를 이용하여 시료 간 평균차에 대한 유의성을 확인하였다. 또한 분산분석(ANOVA)을 실시했으며, 통계적 유의성은 Duncan’s multiple range test로 진행하였으며, 5% 수준(
시간과 온도에 따른 맥주 효모박 자가소화 추출액의 단백질 함량은 Fig. 2와 같다. 55°C에서 효모가 자가분해될 때 가장 많은 양의 단백질이 용출되었으며, 45°C와 50°C에서 자가소화가 이루어질 때 15시간 이후의 용출량은 유의미한 차이가 나지는 않았다. 모든 온도에서 10시간이 지난 이후로는 용매의 단백질 함량이 눈에 띄는 증가는 없었으며, 40시간이 지난 후 가장 많이 용출된 단백질 함량은 55°C에서 2.09±0.12 g/100 mL로 가장 많았다. 온도의 영향에 따른 자가분해에 의한 효모 추출물에 관해 연구한 Tanguler와 Erten(2008)에 따르면 맥주 효모박 자가소화로 인한 단백질의 용출은 16시간 이후로 증가하지 않았으며, 본 실험과 유사한 경향을 보였다.
식품에서 유화 상태를 유지하기 위해서는 유화제를 첨가하기도 하지만, 식품 자체의 단백질을 이용하여 유화 상태를 유지하기도 한다. 단백질은 소수성 및 친수성 그룹의 존재로 인해 유화제로 효과적이기에 유화적 특성은 단백의 중요한 특성 중 하나이다(Yang 등, 2018). 맥주 효모박의 자가소화로 추출한 단백질의 유화 활성 및 안정성은 Table 2에 나타내었다. 맥주 효모박의 자가소화로 추출한 단백질의 유화 활성은 2.90±0.12 m2/g으로 Chang 등(2023)의 완두콩 단백질 유화 활성(29.85 m2/g)보다 낮다는 것을 알 수 있다. 유화 안정성의 경우 46.82±2.05%로 Chang 등(2023)의 완두콩 단백질의 유화 안정성(90.28%)보다 현저히 낮은 것을 볼 수 있다. 이는 자가소화로 추출한 맥주 효모박의 단백질은 유화에 영향을 미치지만, 맥주 효모박 단백질을 이용하여 대체유를 만들 때 유화제를 첨가가 필요하다고 판단하였다.
Table 2 . Emulsification activity and stability index of BSY autolysis extract
Sample | EAI1) (m2/g) | ESI (%) |
---|---|---|
BSY autolysis extract | 2.90±0.122) | 46.82±2.05 |
1)EAI, emulsion activity index; ESI, emulsion stability index.
2)Values are mean±SD. Values are mean of triplicates.
에멀젼은 물리화학적 불안정한 상태로, 여러 요인으로 인해 혼합되지 않는 상으로 분리된다(Comas 등, 2006). 에멀젼은 큰 입자와 작은 입자가 합쳐지는 ostwald ripening이 발생하고 중력과 같은 외부 영향으로 물속 오일 입자가 부유하는 creaming 현상이 동시에 발생한다(Hwangbo 등, 2017).
오일의 종류와 유화제의 HLB 값에 따른 크리밍 지수는 Fig. 3과 같다. 모든 시료가 하루 동안 유화 안정성이 급격히 감소하였으며, 그 이후로는 감소하는 속도가 현저히 줄어드는 것을 확인하였다. 제조한 지 7일이 경과하였을 때 카놀라유와 아보카도유를 이용한 맥주 효모박 대체유의 경우 HLB 값이 5에서, 코코넛유의 경우 HLB 값이 8에서 가장 안정적인 것을 확인하였다. 하지만 크리밍 지수 측정의 경우 실험자의 육안을 통해 측정함으로 측정 시 눈의 높이, 시료의 기울기 등과 같이 결과에 영향을 주는 요인이 있다. 따라서 유화 안정도를 확인하기 위해 다른 실험과 비교가 필요하다고 판단된다.
에멀젼의 유화 안정성 정도는 탁도에 의해 결정될 수 있으며, 크림화된 수성층을 통해 직접 투과되는 빛의 감소량을 측정함으로써 탁도를 측정할 수 있다(Orafidiya와 Oladimeji, 2002). 동일한 농도의 계면활성제와 유지 함량이 존재하는 경우, 탁도는 지방구의 크기가 작을수록 수용액에 잘 분산되어 있을수록 높다(Kim 등, 2019).
오일의 종류와 유화제의 HLB 값에 따른 탁도는 Fig. 4와 같다. 카놀라유와 아보카도유를 사용하였을 때 HLB 값이 5에서 각각 93.51±0.02%, 95.31±0.00%로 가장 높았으며, 코코넛유를 사용하였을 때는 HLB 값이 8에서 92.79±0.01%로 가장 높은 것을 확인하였다. 코코넛유를 사용한 맥주 효모박 대체유가 카놀라유와 아보카도유를 사용한 맥주 효모박 대체유보다 높은 HLB 값에서 안정적인 것을 확인하였다. 이는 실험에 사용된 오일의 r-HLB 값의 차이로 인한 결과로 사료된다. 코코넛유의 r-HLB 값은 8로 알려져 있으며, 카놀라유와 아보카도유는 7로 알려져 있다. 하지만 카놀라유와 아보카도유를 이용한 맥주 효모박 대체유가 HLB 값이 7인 유화제에서 가장 안정적이었는데, 이는 맥주 효모박으로부터 추출된 단백질의 HLB 값이 8 이상인 것으로 사료된다. 크리밍 지수와 탁도의 실험 결과 카놀라유와 아보카도유를 사용할 때는 sucrose ester의 HLB 값을 5로, 코코넛유를 사용할 때는 HLB 값을 8로 조합하여 제조하기로 결정하였다.
맥주 효모박 대체유의 색도는 Table 3과 같다. 오일의 종류별 맥주 효모박 대체유의 명도(lightness, L*), 적색도(redness, a*), 황색도(yellowness, b*) 모두 유의적인 차이가 없었으며, 적색도의 경우 일반우유와 유사한 수치를 나타내었다. 하지만 카놀라유를 이용한 맥주 효모박 대체유의 적색도의 편차가 커 일반우유와 유의적 차이를 보이지는 않은 것으로 판단되며, 실제 값은 일반우유보다 낮을 것으로 사료된다. 대체유의 명도는 지방의 양과 지방구의 크기에 따라 결정되는데, 카놀라유, 아보카도유, 코코넛유를 이용한 대체유 모두 같은 조건에서 제조됨에 따라 같은 명도 값이 나타나는 것으로 사료된다. 황색도의 경우 대체유 제조에 사용된 효모 추출액이 진한 갈색을 띠어 우유보다 황색도가 높게 측정되었다.
Table 3 . Color values of BSY milk
L*1) | a* | b* | |
---|---|---|---|
Control2) | 21.52±0.02b3) | 0.25±0.08a | −29.14±0.04a |
CA-5 | 17.99±0.82a4) | 1.09±3.26a | −23.71±2.31b |
AV-5 | 18.21±0.02a | −0.7±0.06a | −24.73±0.04b |
CO-8 | 18.26±0.03a | −0.76±0.14a | −24.78±0.08b |
1)L*, lightness; a*, redness; b*, yellowness.
2)Control, whole milk; CA-5, BSY milk made with canola oil and emulsifier of HLB value 5; AV-5, BSY milk made with avocado oil and emulsifier of HLB value 5; CO-8, BSY milk made with coconut oil and emulsifier of HLB value 8.
3)Values are mean±SD.
4)Values are mean of triplicates. a,b means significantly different between samples by Duncan’s multiple range test (
식품의 유화에서 지방구의 크기는 유화 상태의 미세구조와 안정성, 특히 creaming 현상에 크게 관여하는 요인이다(Dhungana 등, 2019). 대표적인 유화 식품인 우유 또한 지방구가 부상하여 발생하는 creaming을 방지하고자 지름이 15~200 μm 정도의 지방구를 2.2 μm 이하로 미세화시키는 공정을 가진다(Raz 등, 2022; Rheem과 Oh, 2023).
맥주 효모박 대체유의 지방구 사진은 Fig. 5와 같다. 대체유의 지방구의 크기를 관찰하였으며, CA-5, AV-5, CO-8 모두 지름의 크기가 5 μm를 넘어가는 지방구가 관찰되긴 하였지만, 대부분 지방구의 크기는 2 μm 이하로 관측되었다.
맥주 효모박 대체유의 점도는 Fig. 6과 같다. 4°C에서 아보카도유와 코코넛유를 이용하여 제조한 맥주 효모박 대체유의 점도는 유의한 차이를 보이지 않았으며, 25°C에서는 control과 코코넛유를 이용하여 제조한 맥주 효모박 우유, 카놀라유와 아보카도유를 이용하여 제조한 맥주 효모박 대체유가 각각 유의한 차이를 보이지 않았다. 하지만 측정 범위를 생각하면 모든 맥주 효모박 대체유와 일반우유의 점도 차이는 크지 않은 것으로 사료된다. Control을 포함한 모든 시료가 상온에서 점도를 측정하였을 때 감소하는 경향을 보였다. 우유의 점도에 작용하는 요인으로는 카제인과 유지방이 있다. 여기서 카제인은 유화제의 역할에 해당하는데, 온도가 낮아질 경우 카제인 미셀 구조의 부피가 증가함에 따라 점도도 증가하게 된다(Puri 등, 1963). Sarma(2012)에 따르면 5°C와 25°C에서 우유의 점도는 각각 3.254, 1.857 cp로 온도가 떨어지면 점도는 증가함을 알 수 있다. 하지만 본 연구 결과보다 점도가 낮은 것을 알 수 있는데, 이는 우유의 지방, 단백질, 고형분의 함량이나 pH의 차이로 인한 것으로 사료된다.
맥주 효모박은 맥주 양조 공정에서 두 번째로 많이 나오는 부산물로 높은 단백질 함량을 가지고 있지만 대부분 폐기되고 있다. 본 연구에서는 맥주 효모박의 자가소화를 이용해 단백질을 추출하였고, 이를 식물성 오일과 유화제를 고속 교반하여 대체유 제조 가능성을 확인하였다. 맥주 효모박의 경우 55°C에서 자가소화를 진행할 때 가장 단백질 추출량이 많았으며, 카놀라유와 아보카도유를 사용하였을 때와 코코넛유를 사용하였을 때 HLB 값이 각각 5와 8일 때 유화가 안정적으로 유지되었다. 이러한 방법으로 만든 맥주 효모박 대체유와 일반 우유의 특성을 비교하였을 때 색도의 경우 맥주 효모박 대체유의 명도와 황색도가 일반우유보다 낮았으며, 적색도는 카놀라유를 이용한 대체유의 적색도의 편차가 커 유의미한 차이가 없었지만 일반 우유보다 낮은 것으로 판단된다. 지방구의 크기는 대부분 2 μm 미만으로 측정되었으며, 이는 균질화한 일반우유의 지방구 크기와 비슷한 결과를 보였다. 점도의 경우 몇몇 대체유에서 유의적 차이가 보였지만 측정범위를 생각하면 모든 대체유가 일반우유와 큰 차이는 없는 것으로 판단된다. 이러한 결과는 맥주 효모박이 대체유의 재료로 이용 가능하지만, 관능적인 측면에서 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2024; 53(5): 478-484
Published online May 31, 2024 https://doi.org/10.3746/jkfn.2024.53.5.478
Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.
장희범․김용석
전북대학교 식품공학과
Department of Food Science and Technology, Jeonbuk National University
Correspondence to:Yong-Suk Kim, Department of Food Science and Technology, Jeonbuk National University, 567 Baekje-daero, Deokjin-gu, Jeonju, Jeonbuk 54896, Korea, E-mail: kimys08@jbnu.ac.kr
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 investigated whether brewer’s spent yeast (BSY) is suitable as an ingredient for preparing a milk alternative. To remove the bitter taste of BSY, it was washed with sodium hydroxide (NaOH). Subsequently, 2.09±0.12 g/100 mL of protein was extracted from BSY by autolysis and the emulsification activity index and emulsification stability index of the extract were 2.90±0.12 m2/g and 46.82±2.05%, respectively. BSY milk was prepared by high-speed homogenization of the extract and oil using a sugar ester. Emulsion stability was measured through the creaming index and turbidity. When canola oil and avocado oil were used, the emulsion was stable when the hydrophilic- lipophilic balance (HLB) value was 5. When coconut oil was used, the emulsion was most stable when the HLB value was 8. Most of the fat globules in the three samples were less than 2 μm in size. Viscosity was measured at 4°C and 25°C. There was no significant difference in viscosity between whole milk and all three samples. The color lightness and yellowness values were lower than those of whole milk, and there was no significant difference in redness values.
Keywords: brewer’s spent yeast, milk alternative, emulsification, autolysis
목축업은 이산화탄소와 메탄가스 같은 온실가스를 매년 7.1 gigatonnes 정도 배출하며, 특히 전체 이산화탄소 배출량의 14.5% 정도를 차지한다(Gerber 등, 2013). 목축업으로 인하여 발생하는 온실가스의 배출량을 줄이기 위해서는 비낙농 기반 유제품에 관한 연구가 진행되어야 한다. 비낙농 기반 유제품의 경우 환경뿐만 아니라 유당 불내증, 우유 단백질 알러지, 채식과 같은 이유로 시장에 등장하기 시작하였다(Chalupa-Krebzdak 등, 2018). 이에 따라 식물성 우유가 시장에 등장하고 있으며, 대체 우유는 크게 시리얼 기반(옥수수, 쌀), 콩류 기반(대두, 땅콩), 견과류 기반(아몬드, 헤이즐넛), 아곡류 기반(퀴노아), 종자 기반(참깨, 해바라기 씨앗)으로 나누어지고 있다(Mertdinc 등, 2023). 또한 현재 시장에 나와 있는 대체유를 제외하고도 갈색거저리 유충(
맥주는 세계에서 가장 많이 소비되는 알코올음료이며, 물과 차 다음으로 가장 많이 소비되는 음료이다(Anderson 등, 2019). 맥주는 물, 맥아, 효모를 이용하여 만들어진다. 맥주 양조에 있어서 생기는 부산물로는 맥주박, 효모박, 맥아 뿌리, 홉 찌꺼기가 있으며, 맥주 부산물 중 맥주박은 85%, 효모박은 10~15% 정도를 차지한다(Olivares-Galvan 등, 2022; Rachwał 등, 2020). 효모는 발효가 끝난 후 여과나 원심분리를 통해 제거되며, 이때 분리된 효모는 다음 맥주 제조에 최대 6번까지 재사용 될 수 있다(Rachwał 등, 2020). 재사용된 효모는 단백질 함량이 높아 가축 사료의 단백질원으로 사용되기도 하지만, 짧은 유통기한과 운송비용으로 인해 대부분의 효모박은 폐기되고 있다(Boateng 등, 2015). 효모는 건조물 기준 50~60%의 높은 단백질 함량을 가지고 있을 뿐만 아니라 미네랄, 비타민, β-글루칸, 올리고당과 같은 성분이 풍부하다(Puligundla 등, 2020).
오일은 종류에 따른 required-hydrophilic-lipophilic balance(r-HLB) 값이 존재하며, 유화제를 이용하여 오일을 에멀젼화 시킬 때 고유의 r-HLB에 맞는 유화제를 사용하면 안정적인 에멀젼을 제조할 수 있다(Orafidiya와 Oladimeji, 2002).
본 연구는 산업 폐기물인 맥주 효모박의 자가소화를 이용하여 만든 추출액과 식물성 오일에 각기 다른 HLB 값을 가진 유화제를 사용하여 유화시켜 대체유를 만들 수 있다는 가능성을 입증하고자 하였다.
맥주 발효에 사용된 효모는
맥주 발효에 이용된 효모의 세포벽에는 호프(hop)에서 유래된 쓴맛을 내는 isohumulone과 같은 성분이 결합되어 있어 쓴맛이 난다(Dixon과 Leach, 1968). 이러한 쓴 물질들은 알칼리 용액을 이용하여 세척할 경우 세포벽과의 수소결합 및 약한 결합을 끊어 제거할 수 있다(Shotipruk 등, 2005). 맥주 효모박의 쓴맛 제거 및 단백질 추출 방법은 Tanguler와 Erten(2008)의 방법을 변형하여 진행하였다. 침전물을 멸균수와 1:1(w:v)의 비율로 희석한 후 1 N NaOH를 이용하여 pH를 9로 맞춘 후 25°C의 shaking incubator에서 120 rpm의 속력으로 10분간 교반하여 쓴맛을 제거하였다. 교반이 끝난 후 4°C로 설정된 원심분리기에서 5,000×
맥주 효모박의 단백질을 용출시키기 위해 멸균된 1 L 시약병에 쓴맛을 제거한 효모박 300 g과 멸균수 300 mL를 넣고 뚜껑으로 막은 후 손으로 강하게 흔들어 진탕 후 55°C, 120 rpm으로 설정한 shaking incubator에서 20시간 동안 자가소화를 진행하였다.
맥주 효모박 자가소화 추출액의 단백질 함량은 BCA protein assay kit(Thermo Fisher Scientific Inc.)을 이용하여 측정하였다. 실험 직전에 kit에 있는 reagent A와 B를 50:1의 비율로 혼합하여 사용하였다. 5시간 간격으로 채취한 추출액의 상등액을 희석한 후 마이크로플레이트에 25 μL씩 분주한 후 앞서 제조한 혼합액을 200 μL씩 분주하였다. 그 후 마이크로플레이트를 손으로 약하게 흔들어 교반하고, 37°C incubator에서 30분간 반응시킨 후 마이크로플레이트 리더기(Epoch Microplate Spectrophotometer, BioTek Instrument Inc.)를 이용하여 562 nm에서 추출액의 단백질 함량을 측정하였다.
맥주 효모박 자가소화 추출액의 유화 활성과 유화 안정성은 Pearce와 Kinsella(1978)의 방법을 변형하여 측정하였다. 맥주 효모박을 자가소화하여 얻은 추출액을 5,000×
C=추출액의 단백질 농도(g/mL)
∅=에멀젼의 오일 부피 분율(v/v)
A0=균질화 직후 에멀젼의 500 nm에서의 흡광도
A10=10분간 방치 후 에멀젼의 500 nm에서의 흡광도
맥주 효모박 자가소화 추출액의 유화는 예비 실험과 Hong 등(2019)의 방법을 변형하여 진행하였다. 제조공정은 Fig. 1과 같으며, 추출액의 유화에 필요한 배합비는 Table 1과 같다. 즉, 맥주 효모박 대체유(BSY)를 제조하기 위한 오일은 카놀라유(CA), 아보카도유(AV), 코코넛유(CO)를 사용하였으며, 유화제는 S-570과 S-1170을 혼합하여 HLB 값이 각각 5, 6, 7, 8이 되도록 하여 제조하였다. 55°C에서 20시간 동안 자가소화시킨 추출액을 4°C, 5,000×
Table 1 . Recipe of milk alternative made from brewer’s spent yeast.
Sample | CA1)-52) | CA-6 | CA-7 | CA-8 |
---|---|---|---|---|
BSY3) extract | 96.3 | |||
Canola oils | 3.5 | |||
Emulsifiers | 0.2 | |||
(S-54):S-11) | 100:0 | 83.33:16.67 | 66.67:33.33 | 50:50 |
Sample | AV-5 | AV-6 | AV-7 | AV-8 |
BSY extract | 96.3 | |||
Avocado oils | 3.5 | |||
Emulsifiers | 0.2 | |||
(S-5:S-11) | 100:0 | 83.33:16.67 | 66.67:33.33 | 50:50 |
Sample | CO-5 | CO-6 | CO-7 | CO-8 |
BSY extract | 96.3 | |||
Coconut oils | 3.5 | |||
Emulsifiers | 0.2 | |||
(S-5:S-11) | 100:0 | 83.33:16.67 | 66.67:33.33 | 50:50 |
1)CA, BSY milk made from canola oil; AV, BSY milk made from avocado oil; CO, BSY milk made from coconut oil..
2)5, 6, 7, 8 mean hydrophilic-lipophilic balance (HLB) value..
3)BSY, brewer’s spent yeast..
4)S-5 means sugar ester (S-570, HLB value 5); S-11 means sugar ester (S-1170, HLB value 11)..
크리밍 지수(Creaming index, CI)의 경우 유화액의 creaming 정도를 나타내는 척도이다. 완성된 대체유를 glass vial에 20 mL씩 소분하여 뚜껑을 닫아 7일간 25°C incubator에 보관하여 측정하였다. 상 분리가 빨리 일어나는 처음 6시간 동안은 cream화된 상층부와 serum 층인 하층부의 높이를 1시간마다 자를 이용하여 측정하였고 그 후로는 하루 간격으로 측정하였다. 측정한 값은 다음의 식을 이용하여 계산하였다.
Hcream=상층부의 높이
Htotal=전체 높이
탁도는 Orafidiya와 Oladimeji(2002)의 방법을 응용하여 분석하였다. 오일의 종류와 HLB 값을 변수로 한 대체유 1 mL를 증류수 25 mL에 희석하여 분석하였다. 희석된 샘플은 UV-VIS spectrophotometer를 사용하여 600 nm에서 투과율(%T)을 측정하였다. 측정된 투과율은 다음의 식을 이용하여 계산하였다.
Turbidity=100-%T
색도는 침전물을 색차계(SUPER-80, Denshoku)를 사용해 3번 측정하여 평균값을 구하였고, Hunter scale에 따라 명도(lightness, L*), 적색도(redness, a*), 황색도(yellowness, b*) 값으로 나타내었다. 이때 표준 백색판의 L*, a*, b*의 값은 각각 92.00, -0.27, 3.59였다.
맥주 효모박 대체유의 점도는 점도계(Brookfield Engineering Lab)로 측정하였으며, 시료를 tall 비커에 500 mL를 담아 spindle 61번, Rotor lv, 60 rpm의 조건으로 25°C와 4°C일 때의 점도를 측정하였다.
맥주 효모박 대체유의 지방구의 크기 측정은 광학현미경(SG/S9D, Leica microsystems GmbH)을 이용하여 40배율에서 관찰하였고, 장착된 카메라를 동해 얻은 이미지를 Mosaic V2.0 software(Tuscen photonics Co., Ltd.)를 이용하여 지방구의 크기를 측정하였다.
실험 결과는 3 반복을 통해서 얻었으며, 평균±표준편차(mean±SD)로 나타냈다. IBM SPSS Statistics(ver. 27., SPSS)를 이용하여 시료 간 평균차에 대한 유의성을 확인하였다. 또한 분산분석(ANOVA)을 실시했으며, 통계적 유의성은 Duncan’s multiple range test로 진행하였으며, 5% 수준(
시간과 온도에 따른 맥주 효모박 자가소화 추출액의 단백질 함량은 Fig. 2와 같다. 55°C에서 효모가 자가분해될 때 가장 많은 양의 단백질이 용출되었으며, 45°C와 50°C에서 자가소화가 이루어질 때 15시간 이후의 용출량은 유의미한 차이가 나지는 않았다. 모든 온도에서 10시간이 지난 이후로는 용매의 단백질 함량이 눈에 띄는 증가는 없었으며, 40시간이 지난 후 가장 많이 용출된 단백질 함량은 55°C에서 2.09±0.12 g/100 mL로 가장 많았다. 온도의 영향에 따른 자가분해에 의한 효모 추출물에 관해 연구한 Tanguler와 Erten(2008)에 따르면 맥주 효모박 자가소화로 인한 단백질의 용출은 16시간 이후로 증가하지 않았으며, 본 실험과 유사한 경향을 보였다.
식품에서 유화 상태를 유지하기 위해서는 유화제를 첨가하기도 하지만, 식품 자체의 단백질을 이용하여 유화 상태를 유지하기도 한다. 단백질은 소수성 및 친수성 그룹의 존재로 인해 유화제로 효과적이기에 유화적 특성은 단백의 중요한 특성 중 하나이다(Yang 등, 2018). 맥주 효모박의 자가소화로 추출한 단백질의 유화 활성 및 안정성은 Table 2에 나타내었다. 맥주 효모박의 자가소화로 추출한 단백질의 유화 활성은 2.90±0.12 m2/g으로 Chang 등(2023)의 완두콩 단백질 유화 활성(29.85 m2/g)보다 낮다는 것을 알 수 있다. 유화 안정성의 경우 46.82±2.05%로 Chang 등(2023)의 완두콩 단백질의 유화 안정성(90.28%)보다 현저히 낮은 것을 볼 수 있다. 이는 자가소화로 추출한 맥주 효모박의 단백질은 유화에 영향을 미치지만, 맥주 효모박 단백질을 이용하여 대체유를 만들 때 유화제를 첨가가 필요하다고 판단하였다.
Table 2 . Emulsification activity and stability index of BSY autolysis extract.
Sample | EAI1) (m2/g) | ESI (%) |
---|---|---|
BSY autolysis extract | 2.90±0.122) | 46.82±2.05 |
1)EAI, emulsion activity index; ESI, emulsion stability index..
2)Values are mean±SD. Values are mean of triplicates..
에멀젼은 물리화학적 불안정한 상태로, 여러 요인으로 인해 혼합되지 않는 상으로 분리된다(Comas 등, 2006). 에멀젼은 큰 입자와 작은 입자가 합쳐지는 ostwald ripening이 발생하고 중력과 같은 외부 영향으로 물속 오일 입자가 부유하는 creaming 현상이 동시에 발생한다(Hwangbo 등, 2017).
오일의 종류와 유화제의 HLB 값에 따른 크리밍 지수는 Fig. 3과 같다. 모든 시료가 하루 동안 유화 안정성이 급격히 감소하였으며, 그 이후로는 감소하는 속도가 현저히 줄어드는 것을 확인하였다. 제조한 지 7일이 경과하였을 때 카놀라유와 아보카도유를 이용한 맥주 효모박 대체유의 경우 HLB 값이 5에서, 코코넛유의 경우 HLB 값이 8에서 가장 안정적인 것을 확인하였다. 하지만 크리밍 지수 측정의 경우 실험자의 육안을 통해 측정함으로 측정 시 눈의 높이, 시료의 기울기 등과 같이 결과에 영향을 주는 요인이 있다. 따라서 유화 안정도를 확인하기 위해 다른 실험과 비교가 필요하다고 판단된다.
에멀젼의 유화 안정성 정도는 탁도에 의해 결정될 수 있으며, 크림화된 수성층을 통해 직접 투과되는 빛의 감소량을 측정함으로써 탁도를 측정할 수 있다(Orafidiya와 Oladimeji, 2002). 동일한 농도의 계면활성제와 유지 함량이 존재하는 경우, 탁도는 지방구의 크기가 작을수록 수용액에 잘 분산되어 있을수록 높다(Kim 등, 2019).
오일의 종류와 유화제의 HLB 값에 따른 탁도는 Fig. 4와 같다. 카놀라유와 아보카도유를 사용하였을 때 HLB 값이 5에서 각각 93.51±0.02%, 95.31±0.00%로 가장 높았으며, 코코넛유를 사용하였을 때는 HLB 값이 8에서 92.79±0.01%로 가장 높은 것을 확인하였다. 코코넛유를 사용한 맥주 효모박 대체유가 카놀라유와 아보카도유를 사용한 맥주 효모박 대체유보다 높은 HLB 값에서 안정적인 것을 확인하였다. 이는 실험에 사용된 오일의 r-HLB 값의 차이로 인한 결과로 사료된다. 코코넛유의 r-HLB 값은 8로 알려져 있으며, 카놀라유와 아보카도유는 7로 알려져 있다. 하지만 카놀라유와 아보카도유를 이용한 맥주 효모박 대체유가 HLB 값이 7인 유화제에서 가장 안정적이었는데, 이는 맥주 효모박으로부터 추출된 단백질의 HLB 값이 8 이상인 것으로 사료된다. 크리밍 지수와 탁도의 실험 결과 카놀라유와 아보카도유를 사용할 때는 sucrose ester의 HLB 값을 5로, 코코넛유를 사용할 때는 HLB 값을 8로 조합하여 제조하기로 결정하였다.
맥주 효모박 대체유의 색도는 Table 3과 같다. 오일의 종류별 맥주 효모박 대체유의 명도(lightness, L*), 적색도(redness, a*), 황색도(yellowness, b*) 모두 유의적인 차이가 없었으며, 적색도의 경우 일반우유와 유사한 수치를 나타내었다. 하지만 카놀라유를 이용한 맥주 효모박 대체유의 적색도의 편차가 커 일반우유와 유의적 차이를 보이지는 않은 것으로 판단되며, 실제 값은 일반우유보다 낮을 것으로 사료된다. 대체유의 명도는 지방의 양과 지방구의 크기에 따라 결정되는데, 카놀라유, 아보카도유, 코코넛유를 이용한 대체유 모두 같은 조건에서 제조됨에 따라 같은 명도 값이 나타나는 것으로 사료된다. 황색도의 경우 대체유 제조에 사용된 효모 추출액이 진한 갈색을 띠어 우유보다 황색도가 높게 측정되었다.
Table 3 . Color values of BSY milk.
L*1) | a* | b* | |
---|---|---|---|
Control2) | 21.52±0.02b3) | 0.25±0.08a | −29.14±0.04a |
CA-5 | 17.99±0.82a4) | 1.09±3.26a | −23.71±2.31b |
AV-5 | 18.21±0.02a | −0.7±0.06a | −24.73±0.04b |
CO-8 | 18.26±0.03a | −0.76±0.14a | −24.78±0.08b |
1)L*, lightness; a*, redness; b*, yellowness..
2)Control, whole milk; CA-5, BSY milk made with canola oil and emulsifier of HLB value 5; AV-5, BSY milk made with avocado oil and emulsifier of HLB value 5; CO-8, BSY milk made with coconut oil and emulsifier of HLB value 8..
3)Values are mean±SD..
4)Values are mean of triplicates. a,b means significantly different between samples by Duncan’s multiple range test (
식품의 유화에서 지방구의 크기는 유화 상태의 미세구조와 안정성, 특히 creaming 현상에 크게 관여하는 요인이다(Dhungana 등, 2019). 대표적인 유화 식품인 우유 또한 지방구가 부상하여 발생하는 creaming을 방지하고자 지름이 15~200 μm 정도의 지방구를 2.2 μm 이하로 미세화시키는 공정을 가진다(Raz 등, 2022; Rheem과 Oh, 2023).
맥주 효모박 대체유의 지방구 사진은 Fig. 5와 같다. 대체유의 지방구의 크기를 관찰하였으며, CA-5, AV-5, CO-8 모두 지름의 크기가 5 μm를 넘어가는 지방구가 관찰되긴 하였지만, 대부분 지방구의 크기는 2 μm 이하로 관측되었다.
맥주 효모박 대체유의 점도는 Fig. 6과 같다. 4°C에서 아보카도유와 코코넛유를 이용하여 제조한 맥주 효모박 대체유의 점도는 유의한 차이를 보이지 않았으며, 25°C에서는 control과 코코넛유를 이용하여 제조한 맥주 효모박 우유, 카놀라유와 아보카도유를 이용하여 제조한 맥주 효모박 대체유가 각각 유의한 차이를 보이지 않았다. 하지만 측정 범위를 생각하면 모든 맥주 효모박 대체유와 일반우유의 점도 차이는 크지 않은 것으로 사료된다. Control을 포함한 모든 시료가 상온에서 점도를 측정하였을 때 감소하는 경향을 보였다. 우유의 점도에 작용하는 요인으로는 카제인과 유지방이 있다. 여기서 카제인은 유화제의 역할에 해당하는데, 온도가 낮아질 경우 카제인 미셀 구조의 부피가 증가함에 따라 점도도 증가하게 된다(Puri 등, 1963). Sarma(2012)에 따르면 5°C와 25°C에서 우유의 점도는 각각 3.254, 1.857 cp로 온도가 떨어지면 점도는 증가함을 알 수 있다. 하지만 본 연구 결과보다 점도가 낮은 것을 알 수 있는데, 이는 우유의 지방, 단백질, 고형분의 함량이나 pH의 차이로 인한 것으로 사료된다.
맥주 효모박은 맥주 양조 공정에서 두 번째로 많이 나오는 부산물로 높은 단백질 함량을 가지고 있지만 대부분 폐기되고 있다. 본 연구에서는 맥주 효모박의 자가소화를 이용해 단백질을 추출하였고, 이를 식물성 오일과 유화제를 고속 교반하여 대체유 제조 가능성을 확인하였다. 맥주 효모박의 경우 55°C에서 자가소화를 진행할 때 가장 단백질 추출량이 많았으며, 카놀라유와 아보카도유를 사용하였을 때와 코코넛유를 사용하였을 때 HLB 값이 각각 5와 8일 때 유화가 안정적으로 유지되었다. 이러한 방법으로 만든 맥주 효모박 대체유와 일반 우유의 특성을 비교하였을 때 색도의 경우 맥주 효모박 대체유의 명도와 황색도가 일반우유보다 낮았으며, 적색도는 카놀라유를 이용한 대체유의 적색도의 편차가 커 유의미한 차이가 없었지만 일반 우유보다 낮은 것으로 판단된다. 지방구의 크기는 대부분 2 μm 미만으로 측정되었으며, 이는 균질화한 일반우유의 지방구 크기와 비슷한 결과를 보였다. 점도의 경우 몇몇 대체유에서 유의적 차이가 보였지만 측정범위를 생각하면 모든 대체유가 일반우유와 큰 차이는 없는 것으로 판단된다. 이러한 결과는 맥주 효모박이 대체유의 재료로 이용 가능하지만, 관능적인 측면에서 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
Table 1 . Recipe of milk alternative made from brewer’s spent yeast.
Sample | CA1)-52) | CA-6 | CA-7 | CA-8 |
---|---|---|---|---|
BSY3) extract | 96.3 | |||
Canola oils | 3.5 | |||
Emulsifiers | 0.2 | |||
(S-54):S-11) | 100:0 | 83.33:16.67 | 66.67:33.33 | 50:50 |
Sample | AV-5 | AV-6 | AV-7 | AV-8 |
BSY extract | 96.3 | |||
Avocado oils | 3.5 | |||
Emulsifiers | 0.2 | |||
(S-5:S-11) | 100:0 | 83.33:16.67 | 66.67:33.33 | 50:50 |
Sample | CO-5 | CO-6 | CO-7 | CO-8 |
BSY extract | 96.3 | |||
Coconut oils | 3.5 | |||
Emulsifiers | 0.2 | |||
(S-5:S-11) | 100:0 | 83.33:16.67 | 66.67:33.33 | 50:50 |
1)CA, BSY milk made from canola oil; AV, BSY milk made from avocado oil; CO, BSY milk made from coconut oil..
2)5, 6, 7, 8 mean hydrophilic-lipophilic balance (HLB) value..
3)BSY, brewer’s spent yeast..
4)S-5 means sugar ester (S-570, HLB value 5); S-11 means sugar ester (S-1170, HLB value 11)..
Table 3 . Color values of BSY milk.
L*1) | a* | b* | |
---|---|---|---|
Control2) | 21.52±0.02b3) | 0.25±0.08a | −29.14±0.04a |
CA-5 | 17.99±0.82a4) | 1.09±3.26a | −23.71±2.31b |
AV-5 | 18.21±0.02a | −0.7±0.06a | −24.73±0.04b |
CO-8 | 18.26±0.03a | −0.76±0.14a | −24.78±0.08b |
1)L*, lightness; a*, redness; b*, yellowness..
2)Control, whole milk; CA-5, BSY milk made with canola oil and emulsifier of HLB value 5; AV-5, BSY milk made with avocado oil and emulsifier of HLB value 5; CO-8, BSY milk made with coconut oil and emulsifier of HLB value 8..
3)Values are mean±SD..
4)Values are mean of triplicates. a,b means significantly different between samples by Duncan’s multiple range test (
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