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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 2024; 53(5): 529-538

Published online May 31, 2024 https://doi.org/10.3746/jkfn.2024.53.5.529

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

Physicochemical Properties of Spirulina Emulsions under Various Model Beverage Conditions

Hye-Yoon Yi , Gyu-Hyun Park , and Ji-Yeon Chun

Department of Food Bioengineering, Jeju National University

Correspondence to:Ji-Yeon Chun, Department of Food Bioengineering, Jeju National University, 102 Jejudaehak-ro, Jeju-si, Jeju 63243, Korea, E-mail: chunjiyeon@jejunu.ac.kr

Received: February 23, 2024; Revised: March 22, 2024; Accepted: April 16, 2024

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 the preparation and stability of Spirulina oil in water emulsion (SPE) for potential application in beverages. Spirulina is known for its high carotenoid content, which is a beneficial antioxidant. However, its strong taste and smell can make it challenging to consume directly. SPE was prepared by dissolving Spirulina in medium-chain triglyceride oil and using an emulsifier with a hydrophilic-lipophilic balance value of 9.5. Its stability was then tested in model beverage systems with varying sugar content (0, 10, and 20°Brix) and pH levels (3, 5, and 7). The findings revealed that SPE had a high reducing sugar content under low pH conditions, particularly at 20°Brix and pH 3, with a content of 966.36±1.24 μg/mL. Additionally, the Spirulina emulsion model beverage (SPEB) with higher sugar content exhibited minimal color difference compared to distilled water. The transmittance of SPEB was found to be higher under model beverage conditions with high soluble solids content. Therefore, this study suggests that the application of SPE to beverages with a high sugar content is more suitable due to improved particle stability and transmittance. This indicates a potential strategy to incorporate the beneficial properties of Spirulina into beverages while mitigating its taste and smell issues.

Keywords: Spirulina, emulsion, critical micelle concentration, model food, beverages

스피루리나(Spirulina)는 시아노박테리아에 속하며 나선형의 모양을 가지고 있는 청록색의 미세조류이다(da Silva 등, 2021; Kim 등, 2010). 스피루리나의 영양성분 조성은 단백질 55~70%, 탄수화물 15~20%, 지질 6~9%로 단백질의 함량은 높고 지질의 함량은 낮으면서도 필수지방산인 리놀렌산(linolenic acid)과 감마리놀렌산(γ-linolenic acid)이 풍부하며, 베타카로틴(β-carotene), 토코페롤(tocopherol)과 같은 항산화 비타민과 피코시아닌(phycocyanin), 카로티노이드(carotenoid), 클로로필(chlorophyll) 등의 색소를 가지는 기능성이 우수한 식품이다(da Silva 등, 2021; Son 등, 2009). 특히 스피루리나는 지용성 항산화 활성 물질인 카로티노이드 성분을 고농도로 함유하는 것으로 알려져 있다(Oh 등, 2012). 스피루리나는 활성산소에 대해 강한 항산화 작용을 하고 노화 억제, 혈액 순환 개선, 성인병 예방, 간 기능 개선 등 다양한 효능을 발휘한다(Byeon과 Jang, 2021; de Oliveira 등, 2021; Shim 등, 2010). 이처럼 다양하고 우수한 기능성을 가진 스피루리나는 현재 건강기능식품의 기준 및 규격에 항산화・혈중 콜레스테롤 개선에 도움을 줄 수 있는 고시형 건강기능식품으로 등록되어 있다(MFDS, 2022). 식품안전정보원에서 조사한 국내 건강기능식품 시장의 규모는 2020년 기준 4조 1,753억 원에서 2021년 5조 583억 원으로 전년 대비 21.1% 증가하였으며, 이는 고령의 가속화와 향상, 다양한 환경적 위험 및 COVID-19와 같은 질병의 유행으로 인해 삶의 질과 건강에 관한 관심이 증가한 것에 따른 영향으로 보고되었다(MFDS와 NFSI, 2021).

현재까지 스피루리나를 식품 소재로 활용한 연구로는 파운드케이크(Byeon과 Jang, 2021), 어묵(Choi, 2017), 도토리묵(Oh 등, 2012), 식빵(Kang 등, 2011), 우유(Choi, 2008), 요구르트(Shin 등, 2008) 등에 분말을 첨가한 연구가 있으며, 스피루리나를 발효 기질로 사용하여 빵이나 파스타, 사탕, 요구르트 같은 제품에 적용하는 등 다양한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 스피루리나 특유의 색과 맛, 이취 등으로 인해 관능적인 품질이 저하되는 문제점을 개선하기에는 어려움이 있는 것으로 보인다(Niccolai 등, 2020). 특히 스피루리나 분말을 액상에 풀었을 때 쉽게 분산되지 않은 채 서로 뭉치고 엉기는 현상이 발생하여 이를 그대로 음용하기에는 어려움이 있어 아직 스피루리나를 이용한 제품 개발은 대부분 정제(tablet) 제형으로만 출시되고 있고(ES Biotech Co., Ltd., 2005), 액상 식품에는 적용이 제한적인 상황이다.

에멀젼(emulsion)이란 물과 기름, 유화제의 혼합물로써 콜로이드 응집으로 이루어진 시스템을 뜻하며, 분산상과 분산매의 종류에 따라서 수중유적형(oil in water, O/W) 혹은 유중수적형(water in oil, W/O) 에멀젼으로 분류할 수 있다(Jo 등, 2014). 에멀젼의 안정성을 향상시키기 위해서는 유화제의 종류 및 농도, 균질 조건 등을 고려하는 것이 중요하다(Hyun과 Chun, 2019). 유화제(emulsifier)는 에멀젼 제조에 사용되는 오일의 종류와 농도를 고려하여 적합한 hydrophilic-lipophilic balance(HLB)를 가지는 것을 사용하여야 한다(Martin 등, 2018). 또한, 오랜 시간 안정성을 유지하는 에멀젼을 제조하기 위해서는 분산상의 입자 크기를 작게 만드는 공정이 필요하며, 에너지 강도에 따라 저에너지 에멀젼화(전상온도법, 자발적 유화법 등)와 고에너지 에멀젼화(초음파 균질, 초고압 균질 등)로 나눌 수 있다(Hyun과 Chun, 2019; Silva 등, 2015). 고에너지 에멀젼화 방법 중 하나인 초음파 균질(ultrasonic homogenization)은 초음파 에너지를 가할 때 생성된 내파 진공 거품으로 용매 주위에 큰 충격파가 발생하여 높은 속도의 추진력으로 에멀젼을 생성할 수 있게 된다(Maa와 Hsu, 1999). 이러한 방법을 이용하여 지용성의 기능성 물질들을 수중유적형 에멀젼으로 제조하게 되면 외부 환경(빛, 열, 산소, pH 등)에 민감한 성분을 캡슐화(encapsulation)하여 보호할 수 있으며, 오일 입자의 크기가 작아지면서 표면적이 증가하게 되어 결과적으로 소화 흡수율을 높일 수 있게 된다(Mun과 Surh, 2017).

본 연구에서는 난용성 물질인 스피루리나를 가용화하기 위해 에멀젼 시스템을 활용하였으며 스피루리나가 포함된 O/W형의 에멀젼 제조를 위한 최적 조건을 확립하고자 하였다. 또한, 스피루리나 에멀젼을 다양한 pH 및 당도(sugar contents) 조건의 모델 음료 시스템에 적용하여 그에 대한 안정성을 확인함으로써 식음료 산업에서 스피루리나 에멀젼의 적용 가능성을 확인하고자 하였다.

실험 재료

스피루리나는 (주)젤존바이오에서 구매한 분말을 분쇄 후 100 mesh 체로 1회 통과시켜 분리 후 시료로 사용하였다. 유화제는 Wangpradit 등(2022)의 연구를 참고하여 대두레시틴(Solec 2F-UB-TN, ES food)과 Tween 80(Polysorbate 80, ES food)을 Table 1과 같이 혼합하여 사용하였다. 스피루리나 오일은 스피루리나 분말(<100 mesh) 7.5 g을 medium chain triglyceride(MCT) oil 30 g과 혼합한 후 자력 교반기(HS-20, LKLAB)를 이용하여 350 rpm으로 24시간 교반했다. 그 후 원심분리기(LaboGene 1248R, GYROGEN)를 이용하여 3,134×g로 40분간 원심분리하여 얻어진 상등액을 0.45 μm syringe filter(PVDF, HDMICRO)로 여과하여 최종 시료로 사용하였다. 모델 음료 제조를 위해 사용된 설탕(Samyang Corporation)과 무수 구연산(Citric acid anhydrous, ES food)은 시중에서 구입하여 사용하였다.

Table 1 . Hydrophilic-lipophilic balance (HLB) contribution by soybean lecithin and Tween 80 emulsifier constituting the mixed emulsifier

EmulsifiersHLB valueMass ratio (%)HLB contribution
Soybean lecithin4502
Tween 8015507.5

Final HLB value of the emulsifier mixture=9.5


스피루리나 에멀젼 제조 및 임계 미셀 농도 측정

스피루리나 에멀젼(Spirulina emulsion, SPE)은 Jung 등(2020)의 방법을 일부 변형하여 제조하였다. 수상은 대두레시틴(HLB=4)과 Tween 80(HLB=15)을 혼합하여 제조한 HLB 9.5(Table 1)의 유화제 3.5 g과 정제수 89.5 g을 혼합하여 구성하였으며, 350 rpm으로 1시간 30분 동안 교반하여 제조하였다. 유상으로 사용한 스피루리나 오일 7 g을 수상과 혼합한 후 초고속 균질기(T25D, IKA)를 이용하여 10,000 rpm으로 10분간 초고속 균질하였다. 이후 초음파 균질기(VCX750, Sonics & Materials)를 이용하여 시료를 ice bath 안에 넣은 후 amplitude 40%, 주파수 20 kHz, 출력 750 W의 조건으로 20분간 균질하여 만들었다.

유화제의 최적 농도를 찾기 위하여 유화제의 농도(0.00~4.50%)를 달리한 스피루리나 에멀젼을 제조한 후 표면장력, 전기전도도, 제타 전위를 측정하여 임계 미셀 농도(critical micelle concentration, CMC)를 확인하였으며, 이때 에멀젼의 배합비는 Table 2와 같다. 표면장력은 장력 측정기(K20, KRÜSS)를 이용하여 Du Noüy ring 방법으로 측정하였으며, 실온에서 증류수의 표면장력은 72.73 mN/m로 나타났다. 전기전도도는 pH/mV conductivity meter(S470, Mettler Toledo)를 이용하였으며, 제타 전위는 입도분석기(DelsaMax Pro, Beckman Coulter)를 이용하여 전기영동 광산란법(Electrophoretic light scattering, ELS)의 원리로 측정하였다.

Table 2 . Mass ratio of Spirulina emulsion components with different concentrations of emulsifiers (HLB=9.5) to determine the critical micelle concentration

Spirulina oil (g)Emulsifier (g)Water (g)
7.000.0093.00
0.5092.50
1.0092.00
1.5091.50
2.0091.00
2.5090.50
3.0090.00
3.2589.75
3.5089.50
3.7589.25
4.0089.00
4.2588.75
4.5088.50


모델 음료 적용

스피루리나 에멀젼을 적용하기 위한 모델 음료는 일부 시판 음료의 당도 및 pH를 평가한 Jun 등(2016)의 연구를 참고하여 제조하였다. 모델 음료의 당도는 설탕을 이용하여 0, 10, 20°Brix로 조절하였으며, pH는 무수 구연산을 이용하여 3, 5, 7로 조절하였다. 모델 음료 80 g과 스피루리나 에멀젼 20 g을 혼합한 후, shaking incubator(SI-600R, Jeiotech)를 이용하여 실온에서 2시간 동안 100 rpm으로 교반하여 스피루리나 에멀젼을 포함하는 모델 음료를 제조하였다(Bashiri 등, 2020).

가용성 고형분, pH 및 총산도

스피루리나 에멀젼과 모델 음료의 가용성 고형분과 pH는 각각 전자당도계(PAL-BX, ATAGO Co., Ltd.)와 pH/mV conductivity meter를 이용하여 3회 이상 측정하였다. 총산도는 Yang과 Rho(2012)의 방법을 일부 변형하였으며, 시료 4 mL를 취하고 증류수로 20 mL 정용 후 pH 8.3이 될 때까지 0.1 N-NaOH를 넣어준 후 citric acid로 환산하여 총산 함량(%)으로 나타내었다.

(%)=V×F×A×D×1S×100

V: 0.1 N NaOH 용액의 소비량(mL)

F: 0.1 N NaOH 용액의 역가

A: 0.1 N NaOH 용액 1 mL에 상당하는 유기산의 양

D: 희석배수

S: 시료 채취량(mL)

환원당

환원당은 DNS 방법을 이용하여 측정하였다(Zohri 등, 2018). 시료 1.5 mL에 DNS 시약 1.5 mL를 혼합하고 항온수조(DWB-22, Material Scientific Co.)를 이용하여 90°C에서 15분간 가열한 후, 40% potassium sodium tartrate 용액 0.5 mL를 첨가하고 실온에서 15분 동안 방치하였다. 이후 microplate reader(Epoch, BioTek)를 이용하여 540 nm에서 반응 용액의 흡광도를 측정한 후 glucose를 표준물질로 하여 구하였다.

색도

스피루리나 에멀젼과 모델 음료의 색도는 색차계(YS3060, 3NH Technology Co., Ltd.)를 사용하여 L*(명도, lightness), a*(적색도, redness), b*(황색도, yellowness), ΔE*(색차, color difference) 값을 3회 반복 측정하여 평균값으로 나타내었다. 이때 표준 백색판의 L*, a*, b*값은 각각 88.47±0.09, 0.67±0.02, -6.26±0.08이었다. Blank 에멀젼의 L*, a*, b*값은 각각 79.44±0.01, -2.56±0.01, 5.89±0.01로 나타났으며, 색차값의 standard는 증류수로 하였다.

투과도

투과도는 Kim(2015)의 방법을 일부 변형하여 측정하였다. 시료 1.5 mL를 취한 후 UV/VIS-spectrometer(X-ma 3000, Human Co.)를 이용하여 T% 660 nm에서 투과도를 측정하였으며, 시료 당 3회 반복 측정하여 평균값으로 나타내었다.

입자 크기, 입자 분산도, 제타 전위

스피루리나 에멀젼과 스피루리나 모델 음료의 평균 입자 크기와 입자 분산도는 dynamic light scattering, 제타 전위는 ELS 원리에 의해 DelsaMax Pro로 분석하였다. 스피루리나 에멀젼과 스피루리나 모델 음료는 각각 증류수에 500배, 100배 희석하여 측정에 이용하였다. 입자 크기는 diameter(nm), 입자 분산도는 polydispersity index(PDI), 제타 전위는 zeta-potential(mV)로 나타내었으며 모두 3회 이상 반복 측정하였다.

통계처리

모든 실험은 최소 3회 이상의 반복 실험을 하였으며 결과는 평균치와 표준편차로 나타내었고, 통계분석은 Minitab 18(Minitab Inc.)에 의해 수행하였다. 각 시료의 유의성(P<0.05) 검정을 위해서 일원분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였고, 사후검정으로는 Tukey의 다중범위시험을 실시하였다.

스피루리나 에멀젼의 임계 미셀 농도

임계 미셀 농도(CMC)란 유화제를 추가로 더 넣었을 때 유화제 분자 간의 응집을 뜻하는 미셀이 형성되는 시점의 유화제 농도 영역으로 정의된다(Church 등, 2021). CMC를 확인하기 위해서는 표면 또는 계면의 장력을 측정하거나 전기전도도, 제타 전위와 같은 전기화학적 특성을 관찰하는 방법들이 있다(Perinelli 등, 2020). 본 연구에서는 스피루리나 에멀젼(SPE)을 제조함에 있어서 유화제(HLB=9.5)의 CMC를 확인하기 위하여 유화제를 0.00~4.50%로 첨가하였다.

유화제 농도를 달리한 SPE의 외관을 통해 유화제가 첨가되지 않은 0% 에멀젼의 경우 스피루리나 오일이 수상에 분산되지 못한 채로 층 분리가 일어나 콜로이드 상태가 아님을 확인할 수 있다(Fig. 1). 그러므로 CMC 확인을 위한 추가 분석은 유화제 0.50~4.50% 첨가군에 대해서만 진행되었다.

Fig. 1. Changes in appearance of Spirulina emulsion with different emulsifier (HLB=9.5) concentrations for determination of critical micelle concentration.

유화제 0.50% 첨가 SPE는 46.20 mN/m로 유의적으로 가장 높은 표면장력값을 보였으며(Fig. 2A), 이후 유화제 첨가량이 증가함에 따라 표면장력은 유의적으로 낮아지는 경향을 보였다(P<0.05). 유화제는 물에 용해되면서 물과 대기의 계면에 먼저 자리를 잡아 표면장력을 감소시키며, 특히 첨가 초기에 급격하게 표면장력을 감소시킨다. 하지만 유화제 2.50% 첨가 이후로는 유의적인 차이를 보이지 않았으며(P>0.05), 유화제 3.50%, 3.75% 첨가 SPE는 각각 36.57±0.31, 36.83±0.31 mN/m로 가장 낮은 표면장력값을 나타내었다. 이러한 결과는 유화제 농도가 계속해서 증가함에 따라 유화제에 의해 표면은 포화되고 오일 입자는 모두 포집되어 더 이상 표면장력값이 크게 변하지 않은 것으로 생각된다(Fig. 2B). 수중유적형 에멀젼(O/W emulsion)의 경우 CMC 이상의 유화제 첨가 시 수상 내에서 과잉의 유화제끼리 추가적인 미셀을 형성하게 되며, 이는 에멀젼의 물리적 안정성을 저해시키는 요인으로 작용한다(Church 등, 2021; Li 등, 2020).

Fig. 2. Changes in surface tension (black circle), zeta-potential (red rhombus), and electrical conductivity (blue square) of Spirulina emulsion with different emulsifier (HLB=9.5) concentrations for determination of critical micelle concentration (A) and schematic of Spirulina emulsion critical micelle concentration (B). Error bars indicate standard deviations. Means with different letters (a-l) among the same line are significantly different at P<0.05.

제타 전위값은 유화제를 첨가한 SPE 모두에서 절댓값 30 mV 이상의 값을 보였으며, 특히 유화제 3.25% 첨가 이후로는 제타 전위의 절댓값이 증가하는 것으로 나타났으나 유화제 3.75% 첨가 이후에는 유의적인 차이를 보이지 않았다(P>0.05). 유화제 농도가 증가함에 따라 SPE의 전기전도도 값은 유의적으로 높아지는 경향을 보였으나(P<0.05), 유화제 2.00∼2.50% 첨가 에멀젼의 경우 전기전도도 값의 증가 폭이 다른 농도에 비해 크지 않은 것을 확인할 수 있었다. 이는 계면활성제 농도에 따른 용액의 측정값을 그래프화하였을 때 CMC 부근에서 변곡점이 확인되기 때문이다. 전기전도도법은 보통 이온성 계면활성제의 CMC 측정에 이용되므로 표면장력, 제타 전위 결과보다 비교적 낮은 농도에서 CMC가 나타난 것으로 생각된다(Kim과 Lim, 2001). 이처럼, CMC는 측정 방법에 따라 상당히 다른 결과를 보이며 SPE의 경우도 2.00~3.75% 범위에서 CMC 농도 영역을 가지는 것으로 확인되었다. 본 연구에서는 CMC를 확인하기 위해 가장 널리 활용되는 방법 중 하나인 표면장력 측정 결과를 반영하여 SPE 제조를 위한 유화제의 CMC를 3.50%로 확립하였다.

pH, 총산도, 가용성 고형분 및 환원당

pH 및 총산도는 식품의 생물학적 위해요소인 미생물과 관련 있는 지표 중 하나이며, pH는 에멀젼의 안정성에 영향을 미치는 중요한 인자로서 이와 관련된 연구는 현재까지도 활발히 진행되고 있다(Babazadeh 등, 2016; Jo 등, 2019; Patel 등, 2022). SPE와 이를 적용한 다양한 조건의 SPE 모델 음료(SPEB)의 pH와 총산도는 Table 3에 나타내었다. SPE의 pH는 6.17±0.17로 중성에 가까운 값을 보였으며, S20P7을 제외한 모든 SPEB의 pH는 SPE 첨가 전 모델 음료의 pH보다 높은 값을 나타내었다. 또한, SPEB는 pH 3 조건에서 당도 변화에 따른 유의적인 차이를 보이지 않았으나(P>0.05), pH 5와 7 조건에서는 모델 음료의 당 함량이 증가함에 따라 SPEB의 pH는 조금씩 감소하는 경향을 보였다.

Table 3 . pH, total acidity, soluble solid content, and reducing sugar of Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage (SPEB) with difference model beverage conditions

FormulationspHTotal acidity (%)Soluble solid content (°Brix)Reducing sugar (μg/mL)
SPE6.17±0.172)0.025±0.0029.30±0.053,147.26±17.62

SPEB1)S0P33.40±0.05e3)0.083±0.004a2.01±0.03c645.64±3.78c
S0P55.75±0.15c0.009±0.002cd1.99±0.03c637.07±6.81c
S0P77.22±0.10a0.005±0.001d1.97±0.05c635.17±2.70cd

S10P33.42±0.04e0.075±0.002b10.00±0.00b729.93±5.58b
S10P55.64±0.14cd0.009±0.001cd9.97±0.05b623.26±7.84d
S10P77.15±0.08a0.006±0.001d9.98±0.04b595.88±2.89e

S20P33.39±0.08e0.079±0.004ab17.90±0.00a966.36±1.24a
S20P55.56±0.17d0.010±0.002c17.86±0.05a593.50±3.78e
S20P76.90±0.18b0.007±0.001cd17.84±0.05a595.88±4.76e

1)S0, S10, and S20: Sugar content conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 0, 10, and 20°Brix; P3, P5, and P7: pH conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 3, 5, and 7.

2)Data were expressed as mean±standard deviation.

3)Values with different letters (a-e) among the same column are significantly different at P<0.05 based on Tukey’s multiple range test.



SPE의 총산도는 0.025±0.002%로 나타났으며, 본 연구에서는 pH에 따른 SPE의 영향을 확인하기 위하여 무수 구연산만을 소량 사용하였기 때문에 SPEB의 총산도는 0.005~0.083%의 범위를 나타내었다. SPEB의 경우 pH 3 조건에서 유의적으로 높은 값을 보였으나(P<0.05), 당도 조건과 관계없이 pH 5와 7 조건에서는 유의적인 차이를 보이지 않았다(P>0.05). 이는 SPE의 총산도가 SPEB에는 큰 영향을 주지 않은 것으로 생각되며, 모델 음료의 pH를 조정하기 위해 사용된 무수 구연산 함량에 따른 차이로 보인다. Park 등(2014)의 연구에 의하면 다시마 음료는 저장기간(8개월) 및 저장온도(15~37°C)와 관계없이 0.28~0.30%의 총산도를 나타내었으며, 국내에 시판하는 과일 및 채소 주스의 총산도는 0.227~0.761%의 범위로 나타나 본 연구의 SPEB는 상대적으로 낮은 총산도를 가지는 것으로 보인다(Lee 등, 2011). 실제 음료를 제조할 때는 향미 특성도 고려해야 하기 때문에 비타민 C 등을 비롯한 다양한 산도조절제를 첨가하므로 향후 연구에서는 산도에 대한 SPE의 변화 관찰도 필요하다.

국내 시판 중인 어린이 음료의 가용성 고형분 함량은 7.00~21.03°Brix의 범위를 가지는 것으로 나타났으며, 시판 오렌지 주스 및 자몽 주스의 가용성 고형분 함량은 9.30~13.60°Brix의 범위를 보였다(Jeon 등, 2019; Lee 등, 2019). 본 연구에서 제조한 SPE와 이를 첨가한 SPEB의 가용성 고형분 함량은 Table 3에 나타내었다. SPE의 가용성 고형분 함량은 9.30±0.05°Brix로 나타났으며, 이를 첨가한 SPEB의 가용성 고형분 함량은 모델 음료의 pH 조건에 따른 유의적인 차이를 보이지 않았다(P>0.05). 또한 당도 10 조건에서는 SPE의 첨가로 인한 SPEB의 가용성 고형분 함량 변화가 나타나지 않았으나, 당도 0 조건에서는 SPEB의 가용성 고형분이 1.97~2.01°Brix로 소폭 증가하였으며 당도 20의 조건에서는 SPEB의 가용성 고형분 함량이 17.84~17.90°Brix로 소폭 감소하는 경향을 보였다.

SPE의 환원당은 포도당으로서 3,147.26±17.62 μg/mL에 해당하는 값이었으며, SPEB의 환원당 함량은 593.50~966.36 μg/mL의 범위를 보였다(Table 3). 설탕이 첨가되지 않은 당도 0 조건에서는 pH 변화에 따른 유의적인 환원당 함량 차이를 보이지 않았으나(P>0.05), 당도 10과 20 조건에서는 pH 3 조건에서 pH 5와 7 조건에 비해 유의적으로 높은 환원당 함량을 나타내었다(P<0.05). 당 성분의 환원력은 당 종류에 따라 다르게 나타나며, 설탕과 같은 비환원당도 산 가수분해를 통해 환원성의 단당류로 변화한다(Kim, 2020). Shin 등(2020)의 연구에서도 식초 음료에 설탕을 첨가하였을 때 설탕이 산에 의해 가수분해되어 설탕의 함량은 감소하고, fructose와 glucose의 함량이 증가하였다고 보고하였다. 본 연구에서 음료의 당도를 조절하기 위해 사용된 설탕이 pH 3의 상대적으로 높은 산 조건에서 산 가수분해가 일어나 당도 10과 20 조건에서 유의적으로 높은 환원당 함량을 보인 것으로 생각된다(P<0.05).

색도

스피루리나에는 카로티노이드, 클로로필, 피코시아닌과 같은 색소들이 함유되어 있으며, 이들은 각각 주황, 초록, 파란색을 띤다(Marzorati 등, 2020). 본 연구에서 제조한 SPE와 이를 첨가한 SPEB의 외관과 색도는 각각 Fig. 3Table 4에 나타내었다. SPE와 SPEB는 모두 노란색에 가까운 외관을 띠었으며, 이는 유화제가 첨가되지 않은 SPE의 상등액(Fig. 1)을 통해 확인할 수 있는 스피루리나 오일의 색이 약간의 초록빛을 띠는 노란색이기 때문이다. 이는 스피루리나의 다양한 색소 중에서도 지용성의 카로티노이드(주황색)가 MCT 오일에 주로 용해되었기 때문으로 생각된다. 또한, SPE 제조를 위해 유화제로 사용한 레시틴과 Tween 80의 짙은 황색(L*: 24.60±0.01, a*: 3.99±0.02, b*: 4.70±0.02) 역시 SPE와 SPEB 색에 영향을 준 것으로 판단된다(Table 4). SPE의 L*, a*, b*값은 각각 76.54±0.66, -0.27±0.07, 15.78±0.43으로 나타났으며, 증류수와의 색차(ΔE*)는 30.35±0.24로 나타났다. SPEB의 L*, a*, b*값은 각각 54.95~63.55, -2.72~-2.39, 1.79~2.78의 범위를 보였으며, ΔE*값은 6.67~11.45의 범위를 보였다. SPEB의 경우 L*값과 a*값은 모델 음료의 당도 조건이 높아질수록 각각 유의적으로 낮아지고 높아지는 경향을 보였으나(P<0.05), b*값은 유의적인 차이를 보이지 않았다(P>0.05). 또한, ΔE*값은 당도 20 조건에서 유의적으로 가장 낮은 값을 보여 증류수와 차이가 가장 적은 것으로 나타났으며(P<0.05), 이는 Fig. 3에 제시된 SPEB의 외관을 통해서도 확인할 수 있었다. 한국농수산식품유통공사에서 편저한 2019년 가공식품 세분시장 현황 중 음료류의 해외 시장 동향을 살펴보면 일본의 경우 물처럼 보이는 투명 무색의 음료에 대한 수요가 늘고 있음을 확인할 수 있다(aT, 2019). 이러한 트렌드를 고려한다면, 본 연구에서 제조한 SPE는 20°Brix 정도의 당도를 가지는 음료에 적용하였을 때 가장 투명한 색을 유지할 수 있을 것으로 생각된다. 또한, 스피루리나의 주요 색소 중 하나인 지용성의 카로티노이드는 pH에 따른 색 차이를 보이지 않지만 클로로필은 산성 조건에서 황색으로 변하는 특징을 가진다(Kim, 2007). 하지만 본 연구에서는 pH 조건에 따른 SPE의 색 차이는 뚜렷하게 확인되지 않았으며 이는 크게 두 가지 이유로 생각된다. 첫 번째로는 MCT 오일과 유화제를 이용한 미세캡슐화를 통해 클로로필과 같은 색소 성분이 외부 환경으로부터 보호되어 색의 변화가 나타나지 않은 것이며, 두 번째로는 본 연구에서 SPE를 모델 음료에 적용한 시간이 비교적 길지 않아 pH에 따른 변화가 나타나기에는 어려움이 있었기 때문이다. 따라서 향후 SPE를 모델 음료에 적용 후 저장 조건(온도 및 기간)에 따른 변화를 관찰하는 연구도 필요할 것으로 생각된다.

Table 4 . Color of emulsifier, Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage (SPEB) with difference model beverage conditions

FormulationsL*a*b*ΔE*
Emulsifier24.60±0.013.99±0.024.70±0.02

SPE76.54±0.662)−0.27±0.0715.78±0.4330.35±0.24

SPEB1)S0P363.55±0.15a3)−2.72±0.11d2.43±0.73ab11.40±0.59a
S0P563.34±0.23a−2.65±0.13bcd2.75±0.68a11.45±0.58a
S0P763.28±0.23a−2.70±0.11cd2.78±0.65a11.45±0.54a

S10P359.85±0.23b−2.59±0.09bc2.29±0.65ab8.96±0.65b
S10P559.59±0.11b−2.57±0.09b2.45±0.67ab8.95±0.64b
S10P759.14±0.36c−2.69±0.02bcd2.26±0.35ab8.61±0.27b

S20P355.02±0.32d−2.42±0.03a1.79±0.33b6.67±0.28c
S20P554.95±0.28d−2.39±0.03a2.02±0.36ab6.90±0.31c
S20P754.99±0.40d−2.43±0.04a2.13±0.30ab7.05±0.23c

1)S0, S10, and S20: Sugar content conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 0, 10, and 20°Brix; P3, P5, and P7: pH conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 3, 5, and 7.

2)Data were expressed as mean±standard deviation.

3)Values with different letters (a-d) among the same column are significantly different at P<0.05 based on Tukey’s multiple range test.



Fig. 3. Appearance of Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage with difference model beverage conditions. S0, S10, and S20 indicate that the sugar content conditions of the model beverage to which Spirulina emulsion is applied are 0, 10, and 20°Brix, respectively, and P3, P5, and P7 indicate that the pH conditions are 3, 5, and 7, respectively.

투과도

식품 중에서도 음료와 같은 액상 제품의 경우 시각적인 특성으로 색 이외에도 농도의 차이가 맛에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Kim 등, 2017). 따라서 음료의 관능적 특성을 평가하기 위해서는 색뿐만 아니라 탁도, 투과도와 같은 분석이 함께 수행되어야 한다. SPE와 SPEB의 투과도 결과는 Fig. 4에 나타내었다. SPE의 투과도는 0.30±0.05%로 나타났으며, SPEB의 투과도는 1.81~7.79%의 범위를 보였다. SPEB의 투과도는 모델 음료의 당도 조건이 높아질수록 유의적으로 높아지는 경향을 보였다(P<0.05). 이러한 결과는 당도 20 조건의 SPEB가 증류수와 가장 적은 색차(ΔE*)를 보인 결과와 같은 경향으로 보인다. Lee 등(2012)은 시판 기능성 음료의 관능적 특성은 소비자 기호도에 많은 영향을 미치며, 특히 외관이 탁한 기능성 음료일수록 소비자들의 기호도는 낮은 것으로 보고하였다. 따라서 당도 20 조건에서의 SPEB는 비교적 높은 소비자 기호도를 보일 것으로 생각된다. 초고압 균질기 밸브 타입에 따른 coenzyme Q10 나노 에멀젼의 투과도는 1.4~90.1%의 범위를 보였으며, 초고압 균질기의 통과 횟수가 증가함에 따라 투과도 역시 높아지는 경향을 보였다(Lim 등, 2010). 또한, coenzyme Q10 나노 에멀젼의 pH 및 열처리 영향을 확인한 연구에서는 에멀젼의 투과도 값이 pH 4 이상의 조건에서는 대조군과 큰 차이를 보이지 않았으나, pH 2 조건에서는 열처리 1시간 이후 초기에 비해 절반 아래로 감소하였으며, 2시간 이후부터는 0에 가까운 투과도를 나타내었다(Lim, 2009). 이와 같이 에멀젼의 투과도는 제조 공정 및 다양한 외부 조건(열, pH 등)에 의해서도 변화할 수 있다.

Fig. 4. Transmittance of Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage with difference model beverage conditions. S0, S10, and S20 indicate that the sugar content conditions of the model beverage to which Spirulina emulsion is applied are 0, 10, and 20°Brix, respectively, and P3, P5, and P7 indicate that the pH conditions are 3, 5, and 7, respectively. Error bars indicate standard deviations. Means with different letters (a-d) are significantly different at P<0.05.

입자 크기, 입자 분산도, 제타 전위

일반적으로 에멀젼의 입자 크기가 작고 균일하게 존재할 때 그 안정성이 좋다고 평가한다(Honary와 Zahir, 2013). 특히 입자 분산도(PDI)의 경우 0.3 이하일 때 단분산상(비슷한 크기의 입자들이 다량 존재하는 상태)으로 판단할 수 있다. SPE와 이를 첨가한 SPEB의 입자 특성은 Table 5와 같다. SPE의 입자 크기와 분산도는 각각 36.14±1.20 nm와 0.273±0.063으로 나타났으며, 이를 적용한 SPEB는 입자 크기 34.19~37.25 nm, 분산도 0.263~0.330의 범위를 보였다. 입자 크기와 분산도의 경우 모델 음료의 당도 조건이 높아짐에 따라 유의적으로 감소하는 경향을 보였다(P<0.05). SPE와 SPEB의 입자 크기 분포는 모두 단분산상의 그래프 형태를 띠며 시료 간의 큰 차이를 보이지 않았다(Fig. 5). 하지만 모델 음료의 당도가 높아짐에 따라 그래프의 피크 위치가 조금씩 좌측으로 이동한 것을 확인할 수 있으며, 이는 평균 입자 크기가 감소하였음을 보여주는 결과이다(Table 5). Liang 등(2014)은 농축유단백을 이용하여 안정화시킨 O/W 에멀젼의 설탕 첨가량에 따른 입자 크기 변화를 관찰한 결과, 설탕 10%, 20% 첨가군(1,300 nm) 보다 30% 첨가군(1,100 nm)의 입자 크기가 작게 나타나 본 연구와 유사한 경향을 보였으며, 이는 설탕 첨가량이 증가함에 따라 연속상의 점도가 증가하여 결과적으로 에멀젼의 점도(분산상/연속상)는 감소하여 입자 크기 역시 점차 작아지기 때문으로 보고하였다. 이와 같이 SPEB의 입자 특성은 모델 음료의 당도 조건에 따른 차이를 보였으나, pH 조건에 따른 변화는 크게 나타나지 않았다. 이는 SPE 제조에 사용된 Tween 80과 같은 비이온성 계면활성제는 입체 장애(steric hindrance) 효과를 통해 입자 간의 반발력을 유지하며 pH 및 이온강도의 영향을 거의 받지 않기 때문이다(McClements와 Rao, 2011). Rutin-NLCs(nanostructured lipid carriers, 나노구조 지질 운반체)를 다양한 pH(3.3~6.5)의 모델 음료 3종(우유, 사과주스, 오렌지 주스)에 각각 적용한 후 이에 대한 입자 크기를 확인한 결과, 모델 음료 종류에 따른 큰 차이 없이 모두 80 nm 초반의 입자 크기를 나타내 본 연구와 유사한 경향을 보였으며 30일 저장 후에도 입자 크기의 변화는 나타나지 않았다(Babazadeh 등, 2016). 반면, Jo 등(2019)은 단백질(분리유청단백, 카제인나트륨)과 Tween 20을 각각 유화제로 사용하여 제조한 베타카로틴 에멀젼의 pH 안정성을 확인하였으며, 단백질 유화제를 사용한 에멀젼은 등전점 부근(pH 3.5~4.5)인 pH 3 조건에서 1,300~2,800 nm대로 급격한 입자 크기의 증가세를 보였으나, Tween 20을 사용한 에멀젼은 pH 1~11 범위에서 모두 150 nm 미만의 입자 크기를 유지하는 것으로 보고하였다. 이처럼, 에멀젼의 입자 크기는 당도와 pH 조건뿐만 아니라 에멀젼 제조에 사용되는 유화제의 종류 등과 같이 다양한 요인들에 의해 변화할 수 있다.

Table 5 . Particle properties of Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage (SPEB) with difference model beverage conditions

FormulationsDiameter (nm)Polydispersity indexZeta-potential (mV)

SPE36.14±1.202)0.273±0.063−32.57±3.02
SPEBS0P31)37.25±1.91a3)0.330±0.067a−33.99±2.22d
S0P536.87±1.47ab0.328±0.068a−31.98±1.15abc
S0P737.09±1.67a0.300±0.043abc−32.34±2.12abc

S10P336.57±2.01ab0.302±0.068ab−34.00±2.61d
S10P535.74±1.56bc0.281±0.029bc−33.34±2.15cd
S10P734.63±0.76cd0.271±0.025bc−31.89±1.27abc

S20P334.57±0.80cd0.266±0.018bc−33.20±1.20bcd
S20P534.19±0.75d0.263±0.028c−31.67±1.76ab
S20P734.23±0.77d0.272±0.028bc−31.54±1.15a

1)S0, S10, and S20: Sugar content conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 0, 10, and 20°Brix; P3, P5, and P7: pH conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 3, 5, and 7.

2)Data were expressed as mean±standard deviation.

3)Values with different letters (a-d) among the same column are significantly different at P<0.05 based on Tukey’s multiple range test.



Fig. 5. Particle size distribution of Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage with difference model beverage conditions. S0, S10, and S20 indicate that the sugar content conditions of the model beverage to which Spirulina emulsion is applied are 0, 10, and 20°Brix, respectively, and P3, P5, and P7 indicate that the pH conditions are 3, 5, and 7, respectively.

에멀젼을 비롯한 지질 기반 나노 운반체의 제타 전위는 그 절댓값이 30 이상일 때 입자 간의 반발력이 어느 정도 유지되어 입자 간의 응집을 방지할 수 있는 것으로 알려져 있다(Kim과 Shin, 2020). 본 연구에서 제조한 SPE와 이를 첨가한 SPEB의 제타 전위값은 -34.00~-31.54 mV의 범위를 보여 모두 절댓값 30 이상의 값을 나타내었다(Table 5). SPEB의 제타 전위값 역시 모델 음료의 pH에 따른 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 SPE 제조에 사용된 Tween 80이 pH 변화에 민감하지 않으며 정전기적 반발력(electrostatic repulsion)보다는 입체 장애 효과로 입자 간의 반발력을 유지하는 유화제이기 때문으로 생각된다. 레시틴만을 유화제로 사용한 커큐민 에멀젼의 경우 낮은 pH에서 급격한 입자 크기의 증가와 제타 전위 값의 변화를 보이며 불안정한 모습을 나타내었다(Wu 등, 2017). 하지만 본 연구에서와 같이 Tween 80과 같은 비이온성 계면활성제를 레시틴과 혼합하여 사용할 경우 에멀젼의 pH 안정성을 높일 수 있는 것으로 생각된다.

본 연구에서는 항산화에 도움을 줄 수 있는 기능성 원료로 건강기능식품공전에 등재되어 있으며 지용성의 항산화 물질인 카로티노이드 성분을 식품 중에서 가장 많이 함유하고 있으나, 특유의 맛과 이취로 인해 직접 식품으로 활용되기에는 어려움이 있는 스피루리나를 MCT 오일과 혼합하여 스피루리나 오일을 제조한 후 이를 수중유적형 에멀젼(O/W emulsion)으로 제조하였다. 또한, 스피루리나 에멀젼을 다양한 조건의 모델 음료(당도: 0~20°Brix, pH: 3~7)에 적용하여 이화학적 품질의 안정성을 확인하고자 하였다. 먼저 안정적인 에멀젼을 제조하기 위하여 스피루리나 에멀젼의 임계 미셀 농도를 찾고자 유화제 농도에 따른 표면장력, 전기전도도, 제타 전위를 측정하였으며, 결과적으로 유화제 농도를 3.50%로 확립하였다. 이후 스피루리나 나노에멀젼을 제조하고 이를 모델 음료에 적용하였으며, pH와 총산도, 환원당, 가용성 고형분, 색도, 투과도, 입자 특성과 같은 품질 특성을 확인하였다. 스피루리나 에멀젼은 모델 음료의 낮은 pH 조건에서 높은 환원당 함량을 보였으며, 높은 당도 조건에서 증류수와의 가장 적은 색차(ΔE*), 유의적으로 높은 투과도를 보이며 상대적으로 투명한 외관을 가지는 것으로 나타났다(P<0.05). 또한 스피루리나 에멀젼은 모델 음료의 높은 당도 조건에서 유의적으로 작은 입자 크기(P<0.05)와 0.3 미만의 PDI 값을 보이며 에멀젼이 안정적으로 음료에 적용될 수 있음을 확인하였다. 또한, Tween 80과 같은 비이온성 계면활성제를 레시틴과 혼합하여 사용할 경우 스피루리나 에멀젼의 pH 안정성을 높일 수 있는 것으로 관찰되었다. 따라서 본 연구에서 제조한 스피루리나 에멀젼은 상대적으로 높은 당도와 다양한 pH 조건에서 물리적 안정성을 유지하는 것으로 확인되었다. 본 연구 결과는 향후 식품 및 음료 산업에서 스피루리나를 활용한 제품 개발의 기초자료로써 활용 가능할 것이다.

이 논문은 2022년도 제주대학교 교원성과지원사업에 의하여 연구되었음.

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Article

Article

Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2024; 53(5): 529-538

Published online May 31, 2024 https://doi.org/10.3746/jkfn.2024.53.5.529

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

음료모델에서 스피루리나 에멀젼의 특성

이혜윤․박규현․천지연

제주대학교 식품생명공학과

Received: February 23, 2024; Revised: March 22, 2024; Accepted: April 16, 2024

Physicochemical Properties of Spirulina Emulsions under Various Model Beverage Conditions

Hye-Yoon Yi , Gyu-Hyun Park , and Ji-Yeon Chun

Department of Food Bioengineering, Jeju National University

Correspondence to:Ji-Yeon Chun, Department of Food Bioengineering, Jeju National University, 102 Jejudaehak-ro, Jeju-si, Jeju 63243, Korea, E-mail: chunjiyeon@jejunu.ac.kr

Received: February 23, 2024; Revised: March 22, 2024; Accepted: April 16, 2024

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 investigated the preparation and stability of Spirulina oil in water emulsion (SPE) for potential application in beverages. Spirulina is known for its high carotenoid content, which is a beneficial antioxidant. However, its strong taste and smell can make it challenging to consume directly. SPE was prepared by dissolving Spirulina in medium-chain triglyceride oil and using an emulsifier with a hydrophilic-lipophilic balance value of 9.5. Its stability was then tested in model beverage systems with varying sugar content (0, 10, and 20°Brix) and pH levels (3, 5, and 7). The findings revealed that SPE had a high reducing sugar content under low pH conditions, particularly at 20°Brix and pH 3, with a content of 966.36±1.24 μg/mL. Additionally, the Spirulina emulsion model beverage (SPEB) with higher sugar content exhibited minimal color difference compared to distilled water. The transmittance of SPEB was found to be higher under model beverage conditions with high soluble solids content. Therefore, this study suggests that the application of SPE to beverages with a high sugar content is more suitable due to improved particle stability and transmittance. This indicates a potential strategy to incorporate the beneficial properties of Spirulina into beverages while mitigating its taste and smell issues.

Keywords: Spirulina, emulsion, critical micelle concentration, model food, beverages

서 론

스피루리나(Spirulina)는 시아노박테리아에 속하며 나선형의 모양을 가지고 있는 청록색의 미세조류이다(da Silva 등, 2021; Kim 등, 2010). 스피루리나의 영양성분 조성은 단백질 55~70%, 탄수화물 15~20%, 지질 6~9%로 단백질의 함량은 높고 지질의 함량은 낮으면서도 필수지방산인 리놀렌산(linolenic acid)과 감마리놀렌산(γ-linolenic acid)이 풍부하며, 베타카로틴(β-carotene), 토코페롤(tocopherol)과 같은 항산화 비타민과 피코시아닌(phycocyanin), 카로티노이드(carotenoid), 클로로필(chlorophyll) 등의 색소를 가지는 기능성이 우수한 식품이다(da Silva 등, 2021; Son 등, 2009). 특히 스피루리나는 지용성 항산화 활성 물질인 카로티노이드 성분을 고농도로 함유하는 것으로 알려져 있다(Oh 등, 2012). 스피루리나는 활성산소에 대해 강한 항산화 작용을 하고 노화 억제, 혈액 순환 개선, 성인병 예방, 간 기능 개선 등 다양한 효능을 발휘한다(Byeon과 Jang, 2021; de Oliveira 등, 2021; Shim 등, 2010). 이처럼 다양하고 우수한 기능성을 가진 스피루리나는 현재 건강기능식품의 기준 및 규격에 항산화・혈중 콜레스테롤 개선에 도움을 줄 수 있는 고시형 건강기능식품으로 등록되어 있다(MFDS, 2022). 식품안전정보원에서 조사한 국내 건강기능식품 시장의 규모는 2020년 기준 4조 1,753억 원에서 2021년 5조 583억 원으로 전년 대비 21.1% 증가하였으며, 이는 고령의 가속화와 향상, 다양한 환경적 위험 및 COVID-19와 같은 질병의 유행으로 인해 삶의 질과 건강에 관한 관심이 증가한 것에 따른 영향으로 보고되었다(MFDS와 NFSI, 2021).

현재까지 스피루리나를 식품 소재로 활용한 연구로는 파운드케이크(Byeon과 Jang, 2021), 어묵(Choi, 2017), 도토리묵(Oh 등, 2012), 식빵(Kang 등, 2011), 우유(Choi, 2008), 요구르트(Shin 등, 2008) 등에 분말을 첨가한 연구가 있으며, 스피루리나를 발효 기질로 사용하여 빵이나 파스타, 사탕, 요구르트 같은 제품에 적용하는 등 다양한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 스피루리나 특유의 색과 맛, 이취 등으로 인해 관능적인 품질이 저하되는 문제점을 개선하기에는 어려움이 있는 것으로 보인다(Niccolai 등, 2020). 특히 스피루리나 분말을 액상에 풀었을 때 쉽게 분산되지 않은 채 서로 뭉치고 엉기는 현상이 발생하여 이를 그대로 음용하기에는 어려움이 있어 아직 스피루리나를 이용한 제품 개발은 대부분 정제(tablet) 제형으로만 출시되고 있고(ES Biotech Co., Ltd., 2005), 액상 식품에는 적용이 제한적인 상황이다.

에멀젼(emulsion)이란 물과 기름, 유화제의 혼합물로써 콜로이드 응집으로 이루어진 시스템을 뜻하며, 분산상과 분산매의 종류에 따라서 수중유적형(oil in water, O/W) 혹은 유중수적형(water in oil, W/O) 에멀젼으로 분류할 수 있다(Jo 등, 2014). 에멀젼의 안정성을 향상시키기 위해서는 유화제의 종류 및 농도, 균질 조건 등을 고려하는 것이 중요하다(Hyun과 Chun, 2019). 유화제(emulsifier)는 에멀젼 제조에 사용되는 오일의 종류와 농도를 고려하여 적합한 hydrophilic-lipophilic balance(HLB)를 가지는 것을 사용하여야 한다(Martin 등, 2018). 또한, 오랜 시간 안정성을 유지하는 에멀젼을 제조하기 위해서는 분산상의 입자 크기를 작게 만드는 공정이 필요하며, 에너지 강도에 따라 저에너지 에멀젼화(전상온도법, 자발적 유화법 등)와 고에너지 에멀젼화(초음파 균질, 초고압 균질 등)로 나눌 수 있다(Hyun과 Chun, 2019; Silva 등, 2015). 고에너지 에멀젼화 방법 중 하나인 초음파 균질(ultrasonic homogenization)은 초음파 에너지를 가할 때 생성된 내파 진공 거품으로 용매 주위에 큰 충격파가 발생하여 높은 속도의 추진력으로 에멀젼을 생성할 수 있게 된다(Maa와 Hsu, 1999). 이러한 방법을 이용하여 지용성의 기능성 물질들을 수중유적형 에멀젼으로 제조하게 되면 외부 환경(빛, 열, 산소, pH 등)에 민감한 성분을 캡슐화(encapsulation)하여 보호할 수 있으며, 오일 입자의 크기가 작아지면서 표면적이 증가하게 되어 결과적으로 소화 흡수율을 높일 수 있게 된다(Mun과 Surh, 2017).

본 연구에서는 난용성 물질인 스피루리나를 가용화하기 위해 에멀젼 시스템을 활용하였으며 스피루리나가 포함된 O/W형의 에멀젼 제조를 위한 최적 조건을 확립하고자 하였다. 또한, 스피루리나 에멀젼을 다양한 pH 및 당도(sugar contents) 조건의 모델 음료 시스템에 적용하여 그에 대한 안정성을 확인함으로써 식음료 산업에서 스피루리나 에멀젼의 적용 가능성을 확인하고자 하였다.

재료 및 방법

실험 재료

스피루리나는 (주)젤존바이오에서 구매한 분말을 분쇄 후 100 mesh 체로 1회 통과시켜 분리 후 시료로 사용하였다. 유화제는 Wangpradit 등(2022)의 연구를 참고하여 대두레시틴(Solec 2F-UB-TN, ES food)과 Tween 80(Polysorbate 80, ES food)을 Table 1과 같이 혼합하여 사용하였다. 스피루리나 오일은 스피루리나 분말(<100 mesh) 7.5 g을 medium chain triglyceride(MCT) oil 30 g과 혼합한 후 자력 교반기(HS-20, LKLAB)를 이용하여 350 rpm으로 24시간 교반했다. 그 후 원심분리기(LaboGene 1248R, GYROGEN)를 이용하여 3,134×g로 40분간 원심분리하여 얻어진 상등액을 0.45 μm syringe filter(PVDF, HDMICRO)로 여과하여 최종 시료로 사용하였다. 모델 음료 제조를 위해 사용된 설탕(Samyang Corporation)과 무수 구연산(Citric acid anhydrous, ES food)은 시중에서 구입하여 사용하였다.

Table 1 . Hydrophilic-lipophilic balance (HLB) contribution by soybean lecithin and Tween 80 emulsifier constituting the mixed emulsifier.

EmulsifiersHLB valueMass ratio (%)HLB contribution
Soybean lecithin4502
Tween 8015507.5

Final HLB value of the emulsifier mixture=9.5


스피루리나 에멀젼 제조 및 임계 미셀 농도 측정

스피루리나 에멀젼(Spirulina emulsion, SPE)은 Jung 등(2020)의 방법을 일부 변형하여 제조하였다. 수상은 대두레시틴(HLB=4)과 Tween 80(HLB=15)을 혼합하여 제조한 HLB 9.5(Table 1)의 유화제 3.5 g과 정제수 89.5 g을 혼합하여 구성하였으며, 350 rpm으로 1시간 30분 동안 교반하여 제조하였다. 유상으로 사용한 스피루리나 오일 7 g을 수상과 혼합한 후 초고속 균질기(T25D, IKA)를 이용하여 10,000 rpm으로 10분간 초고속 균질하였다. 이후 초음파 균질기(VCX750, Sonics & Materials)를 이용하여 시료를 ice bath 안에 넣은 후 amplitude 40%, 주파수 20 kHz, 출력 750 W의 조건으로 20분간 균질하여 만들었다.

유화제의 최적 농도를 찾기 위하여 유화제의 농도(0.00~4.50%)를 달리한 스피루리나 에멀젼을 제조한 후 표면장력, 전기전도도, 제타 전위를 측정하여 임계 미셀 농도(critical micelle concentration, CMC)를 확인하였으며, 이때 에멀젼의 배합비는 Table 2와 같다. 표면장력은 장력 측정기(K20, KRÜSS)를 이용하여 Du Noüy ring 방법으로 측정하였으며, 실온에서 증류수의 표면장력은 72.73 mN/m로 나타났다. 전기전도도는 pH/mV conductivity meter(S470, Mettler Toledo)를 이용하였으며, 제타 전위는 입도분석기(DelsaMax Pro, Beckman Coulter)를 이용하여 전기영동 광산란법(Electrophoretic light scattering, ELS)의 원리로 측정하였다.

Table 2 . Mass ratio of Spirulina emulsion components with different concentrations of emulsifiers (HLB=9.5) to determine the critical micelle concentration.

Spirulina oil (g)Emulsifier (g)Water (g)
7.000.0093.00
0.5092.50
1.0092.00
1.5091.50
2.0091.00
2.5090.50
3.0090.00
3.2589.75
3.5089.50
3.7589.25
4.0089.00
4.2588.75
4.5088.50


모델 음료 적용

스피루리나 에멀젼을 적용하기 위한 모델 음료는 일부 시판 음료의 당도 및 pH를 평가한 Jun 등(2016)의 연구를 참고하여 제조하였다. 모델 음료의 당도는 설탕을 이용하여 0, 10, 20°Brix로 조절하였으며, pH는 무수 구연산을 이용하여 3, 5, 7로 조절하였다. 모델 음료 80 g과 스피루리나 에멀젼 20 g을 혼합한 후, shaking incubator(SI-600R, Jeiotech)를 이용하여 실온에서 2시간 동안 100 rpm으로 교반하여 스피루리나 에멀젼을 포함하는 모델 음료를 제조하였다(Bashiri 등, 2020).

가용성 고형분, pH 및 총산도

스피루리나 에멀젼과 모델 음료의 가용성 고형분과 pH는 각각 전자당도계(PAL-BX, ATAGO Co., Ltd.)와 pH/mV conductivity meter를 이용하여 3회 이상 측정하였다. 총산도는 Yang과 Rho(2012)의 방법을 일부 변형하였으며, 시료 4 mL를 취하고 증류수로 20 mL 정용 후 pH 8.3이 될 때까지 0.1 N-NaOH를 넣어준 후 citric acid로 환산하여 총산 함량(%)으로 나타내었다.

(%)=V×F×A×D×1S×100

V: 0.1 N NaOH 용액의 소비량(mL)

F: 0.1 N NaOH 용액의 역가

A: 0.1 N NaOH 용액 1 mL에 상당하는 유기산의 양

D: 희석배수

S: 시료 채취량(mL)

환원당

환원당은 DNS 방법을 이용하여 측정하였다(Zohri 등, 2018). 시료 1.5 mL에 DNS 시약 1.5 mL를 혼합하고 항온수조(DWB-22, Material Scientific Co.)를 이용하여 90°C에서 15분간 가열한 후, 40% potassium sodium tartrate 용액 0.5 mL를 첨가하고 실온에서 15분 동안 방치하였다. 이후 microplate reader(Epoch, BioTek)를 이용하여 540 nm에서 반응 용액의 흡광도를 측정한 후 glucose를 표준물질로 하여 구하였다.

색도

스피루리나 에멀젼과 모델 음료의 색도는 색차계(YS3060, 3NH Technology Co., Ltd.)를 사용하여 L*(명도, lightness), a*(적색도, redness), b*(황색도, yellowness), ΔE*(색차, color difference) 값을 3회 반복 측정하여 평균값으로 나타내었다. 이때 표준 백색판의 L*, a*, b*값은 각각 88.47±0.09, 0.67±0.02, -6.26±0.08이었다. Blank 에멀젼의 L*, a*, b*값은 각각 79.44±0.01, -2.56±0.01, 5.89±0.01로 나타났으며, 색차값의 standard는 증류수로 하였다.

투과도

투과도는 Kim(2015)의 방법을 일부 변형하여 측정하였다. 시료 1.5 mL를 취한 후 UV/VIS-spectrometer(X-ma 3000, Human Co.)를 이용하여 T% 660 nm에서 투과도를 측정하였으며, 시료 당 3회 반복 측정하여 평균값으로 나타내었다.

입자 크기, 입자 분산도, 제타 전위

스피루리나 에멀젼과 스피루리나 모델 음료의 평균 입자 크기와 입자 분산도는 dynamic light scattering, 제타 전위는 ELS 원리에 의해 DelsaMax Pro로 분석하였다. 스피루리나 에멀젼과 스피루리나 모델 음료는 각각 증류수에 500배, 100배 희석하여 측정에 이용하였다. 입자 크기는 diameter(nm), 입자 분산도는 polydispersity index(PDI), 제타 전위는 zeta-potential(mV)로 나타내었으며 모두 3회 이상 반복 측정하였다.

통계처리

모든 실험은 최소 3회 이상의 반복 실험을 하였으며 결과는 평균치와 표준편차로 나타내었고, 통계분석은 Minitab 18(Minitab Inc.)에 의해 수행하였다. 각 시료의 유의성(P<0.05) 검정을 위해서 일원분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였고, 사후검정으로는 Tukey의 다중범위시험을 실시하였다.

결과 및 고찰

스피루리나 에멀젼의 임계 미셀 농도

임계 미셀 농도(CMC)란 유화제를 추가로 더 넣었을 때 유화제 분자 간의 응집을 뜻하는 미셀이 형성되는 시점의 유화제 농도 영역으로 정의된다(Church 등, 2021). CMC를 확인하기 위해서는 표면 또는 계면의 장력을 측정하거나 전기전도도, 제타 전위와 같은 전기화학적 특성을 관찰하는 방법들이 있다(Perinelli 등, 2020). 본 연구에서는 스피루리나 에멀젼(SPE)을 제조함에 있어서 유화제(HLB=9.5)의 CMC를 확인하기 위하여 유화제를 0.00~4.50%로 첨가하였다.

유화제 농도를 달리한 SPE의 외관을 통해 유화제가 첨가되지 않은 0% 에멀젼의 경우 스피루리나 오일이 수상에 분산되지 못한 채로 층 분리가 일어나 콜로이드 상태가 아님을 확인할 수 있다(Fig. 1). 그러므로 CMC 확인을 위한 추가 분석은 유화제 0.50~4.50% 첨가군에 대해서만 진행되었다.

Fig 1. Changes in appearance of Spirulina emulsion with different emulsifier (HLB=9.5) concentrations for determination of critical micelle concentration.

유화제 0.50% 첨가 SPE는 46.20 mN/m로 유의적으로 가장 높은 표면장력값을 보였으며(Fig. 2A), 이후 유화제 첨가량이 증가함에 따라 표면장력은 유의적으로 낮아지는 경향을 보였다(P<0.05). 유화제는 물에 용해되면서 물과 대기의 계면에 먼저 자리를 잡아 표면장력을 감소시키며, 특히 첨가 초기에 급격하게 표면장력을 감소시킨다. 하지만 유화제 2.50% 첨가 이후로는 유의적인 차이를 보이지 않았으며(P>0.05), 유화제 3.50%, 3.75% 첨가 SPE는 각각 36.57±0.31, 36.83±0.31 mN/m로 가장 낮은 표면장력값을 나타내었다. 이러한 결과는 유화제 농도가 계속해서 증가함에 따라 유화제에 의해 표면은 포화되고 오일 입자는 모두 포집되어 더 이상 표면장력값이 크게 변하지 않은 것으로 생각된다(Fig. 2B). 수중유적형 에멀젼(O/W emulsion)의 경우 CMC 이상의 유화제 첨가 시 수상 내에서 과잉의 유화제끼리 추가적인 미셀을 형성하게 되며, 이는 에멀젼의 물리적 안정성을 저해시키는 요인으로 작용한다(Church 등, 2021; Li 등, 2020).

Fig 2. Changes in surface tension (black circle), zeta-potential (red rhombus), and electrical conductivity (blue square) of Spirulina emulsion with different emulsifier (HLB=9.5) concentrations for determination of critical micelle concentration (A) and schematic of Spirulina emulsion critical micelle concentration (B). Error bars indicate standard deviations. Means with different letters (a-l) among the same line are significantly different at P<0.05.

제타 전위값은 유화제를 첨가한 SPE 모두에서 절댓값 30 mV 이상의 값을 보였으며, 특히 유화제 3.25% 첨가 이후로는 제타 전위의 절댓값이 증가하는 것으로 나타났으나 유화제 3.75% 첨가 이후에는 유의적인 차이를 보이지 않았다(P>0.05). 유화제 농도가 증가함에 따라 SPE의 전기전도도 값은 유의적으로 높아지는 경향을 보였으나(P<0.05), 유화제 2.00∼2.50% 첨가 에멀젼의 경우 전기전도도 값의 증가 폭이 다른 농도에 비해 크지 않은 것을 확인할 수 있었다. 이는 계면활성제 농도에 따른 용액의 측정값을 그래프화하였을 때 CMC 부근에서 변곡점이 확인되기 때문이다. 전기전도도법은 보통 이온성 계면활성제의 CMC 측정에 이용되므로 표면장력, 제타 전위 결과보다 비교적 낮은 농도에서 CMC가 나타난 것으로 생각된다(Kim과 Lim, 2001). 이처럼, CMC는 측정 방법에 따라 상당히 다른 결과를 보이며 SPE의 경우도 2.00~3.75% 범위에서 CMC 농도 영역을 가지는 것으로 확인되었다. 본 연구에서는 CMC를 확인하기 위해 가장 널리 활용되는 방법 중 하나인 표면장력 측정 결과를 반영하여 SPE 제조를 위한 유화제의 CMC를 3.50%로 확립하였다.

pH, 총산도, 가용성 고형분 및 환원당

pH 및 총산도는 식품의 생물학적 위해요소인 미생물과 관련 있는 지표 중 하나이며, pH는 에멀젼의 안정성에 영향을 미치는 중요한 인자로서 이와 관련된 연구는 현재까지도 활발히 진행되고 있다(Babazadeh 등, 2016; Jo 등, 2019; Patel 등, 2022). SPE와 이를 적용한 다양한 조건의 SPE 모델 음료(SPEB)의 pH와 총산도는 Table 3에 나타내었다. SPE의 pH는 6.17±0.17로 중성에 가까운 값을 보였으며, S20P7을 제외한 모든 SPEB의 pH는 SPE 첨가 전 모델 음료의 pH보다 높은 값을 나타내었다. 또한, SPEB는 pH 3 조건에서 당도 변화에 따른 유의적인 차이를 보이지 않았으나(P>0.05), pH 5와 7 조건에서는 모델 음료의 당 함량이 증가함에 따라 SPEB의 pH는 조금씩 감소하는 경향을 보였다.

Table 3 . pH, total acidity, soluble solid content, and reducing sugar of Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage (SPEB) with difference model beverage conditions.

FormulationspHTotal acidity (%)Soluble solid content (°Brix)Reducing sugar (μg/mL)
SPE6.17±0.172)0.025±0.0029.30±0.053,147.26±17.62

SPEB1)S0P33.40±0.05e3)0.083±0.004a2.01±0.03c645.64±3.78c
S0P55.75±0.15c0.009±0.002cd1.99±0.03c637.07±6.81c
S0P77.22±0.10a0.005±0.001d1.97±0.05c635.17±2.70cd

S10P33.42±0.04e0.075±0.002b10.00±0.00b729.93±5.58b
S10P55.64±0.14cd0.009±0.001cd9.97±0.05b623.26±7.84d
S10P77.15±0.08a0.006±0.001d9.98±0.04b595.88±2.89e

S20P33.39±0.08e0.079±0.004ab17.90±0.00a966.36±1.24a
S20P55.56±0.17d0.010±0.002c17.86±0.05a593.50±3.78e
S20P76.90±0.18b0.007±0.001cd17.84±0.05a595.88±4.76e

1)S0, S10, and S20: Sugar content conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 0, 10, and 20°Brix; P3, P5, and P7: pH conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 3, 5, and 7..

2)Data were expressed as mean±standard deviation..

3)Values with different letters (a-e) among the same column are significantly different at P<0.05 based on Tukey’s multiple range test..



SPE의 총산도는 0.025±0.002%로 나타났으며, 본 연구에서는 pH에 따른 SPE의 영향을 확인하기 위하여 무수 구연산만을 소량 사용하였기 때문에 SPEB의 총산도는 0.005~0.083%의 범위를 나타내었다. SPEB의 경우 pH 3 조건에서 유의적으로 높은 값을 보였으나(P<0.05), 당도 조건과 관계없이 pH 5와 7 조건에서는 유의적인 차이를 보이지 않았다(P>0.05). 이는 SPE의 총산도가 SPEB에는 큰 영향을 주지 않은 것으로 생각되며, 모델 음료의 pH를 조정하기 위해 사용된 무수 구연산 함량에 따른 차이로 보인다. Park 등(2014)의 연구에 의하면 다시마 음료는 저장기간(8개월) 및 저장온도(15~37°C)와 관계없이 0.28~0.30%의 총산도를 나타내었으며, 국내에 시판하는 과일 및 채소 주스의 총산도는 0.227~0.761%의 범위로 나타나 본 연구의 SPEB는 상대적으로 낮은 총산도를 가지는 것으로 보인다(Lee 등, 2011). 실제 음료를 제조할 때는 향미 특성도 고려해야 하기 때문에 비타민 C 등을 비롯한 다양한 산도조절제를 첨가하므로 향후 연구에서는 산도에 대한 SPE의 변화 관찰도 필요하다.

국내 시판 중인 어린이 음료의 가용성 고형분 함량은 7.00~21.03°Brix의 범위를 가지는 것으로 나타났으며, 시판 오렌지 주스 및 자몽 주스의 가용성 고형분 함량은 9.30~13.60°Brix의 범위를 보였다(Jeon 등, 2019; Lee 등, 2019). 본 연구에서 제조한 SPE와 이를 첨가한 SPEB의 가용성 고형분 함량은 Table 3에 나타내었다. SPE의 가용성 고형분 함량은 9.30±0.05°Brix로 나타났으며, 이를 첨가한 SPEB의 가용성 고형분 함량은 모델 음료의 pH 조건에 따른 유의적인 차이를 보이지 않았다(P>0.05). 또한 당도 10 조건에서는 SPE의 첨가로 인한 SPEB의 가용성 고형분 함량 변화가 나타나지 않았으나, 당도 0 조건에서는 SPEB의 가용성 고형분이 1.97~2.01°Brix로 소폭 증가하였으며 당도 20의 조건에서는 SPEB의 가용성 고형분 함량이 17.84~17.90°Brix로 소폭 감소하는 경향을 보였다.

SPE의 환원당은 포도당으로서 3,147.26±17.62 μg/mL에 해당하는 값이었으며, SPEB의 환원당 함량은 593.50~966.36 μg/mL의 범위를 보였다(Table 3). 설탕이 첨가되지 않은 당도 0 조건에서는 pH 변화에 따른 유의적인 환원당 함량 차이를 보이지 않았으나(P>0.05), 당도 10과 20 조건에서는 pH 3 조건에서 pH 5와 7 조건에 비해 유의적으로 높은 환원당 함량을 나타내었다(P<0.05). 당 성분의 환원력은 당 종류에 따라 다르게 나타나며, 설탕과 같은 비환원당도 산 가수분해를 통해 환원성의 단당류로 변화한다(Kim, 2020). Shin 등(2020)의 연구에서도 식초 음료에 설탕을 첨가하였을 때 설탕이 산에 의해 가수분해되어 설탕의 함량은 감소하고, fructose와 glucose의 함량이 증가하였다고 보고하였다. 본 연구에서 음료의 당도를 조절하기 위해 사용된 설탕이 pH 3의 상대적으로 높은 산 조건에서 산 가수분해가 일어나 당도 10과 20 조건에서 유의적으로 높은 환원당 함량을 보인 것으로 생각된다(P<0.05).

색도

스피루리나에는 카로티노이드, 클로로필, 피코시아닌과 같은 색소들이 함유되어 있으며, 이들은 각각 주황, 초록, 파란색을 띤다(Marzorati 등, 2020). 본 연구에서 제조한 SPE와 이를 첨가한 SPEB의 외관과 색도는 각각 Fig. 3Table 4에 나타내었다. SPE와 SPEB는 모두 노란색에 가까운 외관을 띠었으며, 이는 유화제가 첨가되지 않은 SPE의 상등액(Fig. 1)을 통해 확인할 수 있는 스피루리나 오일의 색이 약간의 초록빛을 띠는 노란색이기 때문이다. 이는 스피루리나의 다양한 색소 중에서도 지용성의 카로티노이드(주황색)가 MCT 오일에 주로 용해되었기 때문으로 생각된다. 또한, SPE 제조를 위해 유화제로 사용한 레시틴과 Tween 80의 짙은 황색(L*: 24.60±0.01, a*: 3.99±0.02, b*: 4.70±0.02) 역시 SPE와 SPEB 색에 영향을 준 것으로 판단된다(Table 4). SPE의 L*, a*, b*값은 각각 76.54±0.66, -0.27±0.07, 15.78±0.43으로 나타났으며, 증류수와의 색차(ΔE*)는 30.35±0.24로 나타났다. SPEB의 L*, a*, b*값은 각각 54.95~63.55, -2.72~-2.39, 1.79~2.78의 범위를 보였으며, ΔE*값은 6.67~11.45의 범위를 보였다. SPEB의 경우 L*값과 a*값은 모델 음료의 당도 조건이 높아질수록 각각 유의적으로 낮아지고 높아지는 경향을 보였으나(P<0.05), b*값은 유의적인 차이를 보이지 않았다(P>0.05). 또한, ΔE*값은 당도 20 조건에서 유의적으로 가장 낮은 값을 보여 증류수와 차이가 가장 적은 것으로 나타났으며(P<0.05), 이는 Fig. 3에 제시된 SPEB의 외관을 통해서도 확인할 수 있었다. 한국농수산식품유통공사에서 편저한 2019년 가공식품 세분시장 현황 중 음료류의 해외 시장 동향을 살펴보면 일본의 경우 물처럼 보이는 투명 무색의 음료에 대한 수요가 늘고 있음을 확인할 수 있다(aT, 2019). 이러한 트렌드를 고려한다면, 본 연구에서 제조한 SPE는 20°Brix 정도의 당도를 가지는 음료에 적용하였을 때 가장 투명한 색을 유지할 수 있을 것으로 생각된다. 또한, 스피루리나의 주요 색소 중 하나인 지용성의 카로티노이드는 pH에 따른 색 차이를 보이지 않지만 클로로필은 산성 조건에서 황색으로 변하는 특징을 가진다(Kim, 2007). 하지만 본 연구에서는 pH 조건에 따른 SPE의 색 차이는 뚜렷하게 확인되지 않았으며 이는 크게 두 가지 이유로 생각된다. 첫 번째로는 MCT 오일과 유화제를 이용한 미세캡슐화를 통해 클로로필과 같은 색소 성분이 외부 환경으로부터 보호되어 색의 변화가 나타나지 않은 것이며, 두 번째로는 본 연구에서 SPE를 모델 음료에 적용한 시간이 비교적 길지 않아 pH에 따른 변화가 나타나기에는 어려움이 있었기 때문이다. 따라서 향후 SPE를 모델 음료에 적용 후 저장 조건(온도 및 기간)에 따른 변화를 관찰하는 연구도 필요할 것으로 생각된다.

Table 4 . Color of emulsifier, Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage (SPEB) with difference model beverage conditions.

FormulationsL*a*b*ΔE*
Emulsifier24.60±0.013.99±0.024.70±0.02

SPE76.54±0.662)−0.27±0.0715.78±0.4330.35±0.24

SPEB1)S0P363.55±0.15a3)−2.72±0.11d2.43±0.73ab11.40±0.59a
S0P563.34±0.23a−2.65±0.13bcd2.75±0.68a11.45±0.58a
S0P763.28±0.23a−2.70±0.11cd2.78±0.65a11.45±0.54a

S10P359.85±0.23b−2.59±0.09bc2.29±0.65ab8.96±0.65b
S10P559.59±0.11b−2.57±0.09b2.45±0.67ab8.95±0.64b
S10P759.14±0.36c−2.69±0.02bcd2.26±0.35ab8.61±0.27b

S20P355.02±0.32d−2.42±0.03a1.79±0.33b6.67±0.28c
S20P554.95±0.28d−2.39±0.03a2.02±0.36ab6.90±0.31c
S20P754.99±0.40d−2.43±0.04a2.13±0.30ab7.05±0.23c

1)S0, S10, and S20: Sugar content conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 0, 10, and 20°Brix; P3, P5, and P7: pH conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 3, 5, and 7..

2)Data were expressed as mean±standard deviation..

3)Values with different letters (a-d) among the same column are significantly different at P<0.05 based on Tukey’s multiple range test..



Fig 3. Appearance of Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage with difference model beverage conditions. S0, S10, and S20 indicate that the sugar content conditions of the model beverage to which Spirulina emulsion is applied are 0, 10, and 20°Brix, respectively, and P3, P5, and P7 indicate that the pH conditions are 3, 5, and 7, respectively.

투과도

식품 중에서도 음료와 같은 액상 제품의 경우 시각적인 특성으로 색 이외에도 농도의 차이가 맛에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Kim 등, 2017). 따라서 음료의 관능적 특성을 평가하기 위해서는 색뿐만 아니라 탁도, 투과도와 같은 분석이 함께 수행되어야 한다. SPE와 SPEB의 투과도 결과는 Fig. 4에 나타내었다. SPE의 투과도는 0.30±0.05%로 나타났으며, SPEB의 투과도는 1.81~7.79%의 범위를 보였다. SPEB의 투과도는 모델 음료의 당도 조건이 높아질수록 유의적으로 높아지는 경향을 보였다(P<0.05). 이러한 결과는 당도 20 조건의 SPEB가 증류수와 가장 적은 색차(ΔE*)를 보인 결과와 같은 경향으로 보인다. Lee 등(2012)은 시판 기능성 음료의 관능적 특성은 소비자 기호도에 많은 영향을 미치며, 특히 외관이 탁한 기능성 음료일수록 소비자들의 기호도는 낮은 것으로 보고하였다. 따라서 당도 20 조건에서의 SPEB는 비교적 높은 소비자 기호도를 보일 것으로 생각된다. 초고압 균질기 밸브 타입에 따른 coenzyme Q10 나노 에멀젼의 투과도는 1.4~90.1%의 범위를 보였으며, 초고압 균질기의 통과 횟수가 증가함에 따라 투과도 역시 높아지는 경향을 보였다(Lim 등, 2010). 또한, coenzyme Q10 나노 에멀젼의 pH 및 열처리 영향을 확인한 연구에서는 에멀젼의 투과도 값이 pH 4 이상의 조건에서는 대조군과 큰 차이를 보이지 않았으나, pH 2 조건에서는 열처리 1시간 이후 초기에 비해 절반 아래로 감소하였으며, 2시간 이후부터는 0에 가까운 투과도를 나타내었다(Lim, 2009). 이와 같이 에멀젼의 투과도는 제조 공정 및 다양한 외부 조건(열, pH 등)에 의해서도 변화할 수 있다.

Fig 4. Transmittance of Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage with difference model beverage conditions. S0, S10, and S20 indicate that the sugar content conditions of the model beverage to which Spirulina emulsion is applied are 0, 10, and 20°Brix, respectively, and P3, P5, and P7 indicate that the pH conditions are 3, 5, and 7, respectively. Error bars indicate standard deviations. Means with different letters (a-d) are significantly different at P<0.05.

입자 크기, 입자 분산도, 제타 전위

일반적으로 에멀젼의 입자 크기가 작고 균일하게 존재할 때 그 안정성이 좋다고 평가한다(Honary와 Zahir, 2013). 특히 입자 분산도(PDI)의 경우 0.3 이하일 때 단분산상(비슷한 크기의 입자들이 다량 존재하는 상태)으로 판단할 수 있다. SPE와 이를 첨가한 SPEB의 입자 특성은 Table 5와 같다. SPE의 입자 크기와 분산도는 각각 36.14±1.20 nm와 0.273±0.063으로 나타났으며, 이를 적용한 SPEB는 입자 크기 34.19~37.25 nm, 분산도 0.263~0.330의 범위를 보였다. 입자 크기와 분산도의 경우 모델 음료의 당도 조건이 높아짐에 따라 유의적으로 감소하는 경향을 보였다(P<0.05). SPE와 SPEB의 입자 크기 분포는 모두 단분산상의 그래프 형태를 띠며 시료 간의 큰 차이를 보이지 않았다(Fig. 5). 하지만 모델 음료의 당도가 높아짐에 따라 그래프의 피크 위치가 조금씩 좌측으로 이동한 것을 확인할 수 있으며, 이는 평균 입자 크기가 감소하였음을 보여주는 결과이다(Table 5). Liang 등(2014)은 농축유단백을 이용하여 안정화시킨 O/W 에멀젼의 설탕 첨가량에 따른 입자 크기 변화를 관찰한 결과, 설탕 10%, 20% 첨가군(1,300 nm) 보다 30% 첨가군(1,100 nm)의 입자 크기가 작게 나타나 본 연구와 유사한 경향을 보였으며, 이는 설탕 첨가량이 증가함에 따라 연속상의 점도가 증가하여 결과적으로 에멀젼의 점도(분산상/연속상)는 감소하여 입자 크기 역시 점차 작아지기 때문으로 보고하였다. 이와 같이 SPEB의 입자 특성은 모델 음료의 당도 조건에 따른 차이를 보였으나, pH 조건에 따른 변화는 크게 나타나지 않았다. 이는 SPE 제조에 사용된 Tween 80과 같은 비이온성 계면활성제는 입체 장애(steric hindrance) 효과를 통해 입자 간의 반발력을 유지하며 pH 및 이온강도의 영향을 거의 받지 않기 때문이다(McClements와 Rao, 2011). Rutin-NLCs(nanostructured lipid carriers, 나노구조 지질 운반체)를 다양한 pH(3.3~6.5)의 모델 음료 3종(우유, 사과주스, 오렌지 주스)에 각각 적용한 후 이에 대한 입자 크기를 확인한 결과, 모델 음료 종류에 따른 큰 차이 없이 모두 80 nm 초반의 입자 크기를 나타내 본 연구와 유사한 경향을 보였으며 30일 저장 후에도 입자 크기의 변화는 나타나지 않았다(Babazadeh 등, 2016). 반면, Jo 등(2019)은 단백질(분리유청단백, 카제인나트륨)과 Tween 20을 각각 유화제로 사용하여 제조한 베타카로틴 에멀젼의 pH 안정성을 확인하였으며, 단백질 유화제를 사용한 에멀젼은 등전점 부근(pH 3.5~4.5)인 pH 3 조건에서 1,300~2,800 nm대로 급격한 입자 크기의 증가세를 보였으나, Tween 20을 사용한 에멀젼은 pH 1~11 범위에서 모두 150 nm 미만의 입자 크기를 유지하는 것으로 보고하였다. 이처럼, 에멀젼의 입자 크기는 당도와 pH 조건뿐만 아니라 에멀젼 제조에 사용되는 유화제의 종류 등과 같이 다양한 요인들에 의해 변화할 수 있다.

Table 5 . Particle properties of Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage (SPEB) with difference model beverage conditions.

FormulationsDiameter (nm)Polydispersity indexZeta-potential (mV)

SPE36.14±1.202)0.273±0.063−32.57±3.02
SPEBS0P31)37.25±1.91a3)0.330±0.067a−33.99±2.22d
S0P536.87±1.47ab0.328±0.068a−31.98±1.15abc
S0P737.09±1.67a0.300±0.043abc−32.34±2.12abc

S10P336.57±2.01ab0.302±0.068ab−34.00±2.61d
S10P535.74±1.56bc0.281±0.029bc−33.34±2.15cd
S10P734.63±0.76cd0.271±0.025bc−31.89±1.27abc

S20P334.57±0.80cd0.266±0.018bc−33.20±1.20bcd
S20P534.19±0.75d0.263±0.028c−31.67±1.76ab
S20P734.23±0.77d0.272±0.028bc−31.54±1.15a

1)S0, S10, and S20: Sugar content conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 0, 10, and 20°Brix; P3, P5, and P7: pH conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 3, 5, and 7..

2)Data were expressed as mean±standard deviation..

3)Values with different letters (a-d) among the same column are significantly different at P<0.05 based on Tukey’s multiple range test..



Fig 5. Particle size distribution of Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage with difference model beverage conditions. S0, S10, and S20 indicate that the sugar content conditions of the model beverage to which Spirulina emulsion is applied are 0, 10, and 20°Brix, respectively, and P3, P5, and P7 indicate that the pH conditions are 3, 5, and 7, respectively.

에멀젼을 비롯한 지질 기반 나노 운반체의 제타 전위는 그 절댓값이 30 이상일 때 입자 간의 반발력이 어느 정도 유지되어 입자 간의 응집을 방지할 수 있는 것으로 알려져 있다(Kim과 Shin, 2020). 본 연구에서 제조한 SPE와 이를 첨가한 SPEB의 제타 전위값은 -34.00~-31.54 mV의 범위를 보여 모두 절댓값 30 이상의 값을 나타내었다(Table 5). SPEB의 제타 전위값 역시 모델 음료의 pH에 따른 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 SPE 제조에 사용된 Tween 80이 pH 변화에 민감하지 않으며 정전기적 반발력(electrostatic repulsion)보다는 입체 장애 효과로 입자 간의 반발력을 유지하는 유화제이기 때문으로 생각된다. 레시틴만을 유화제로 사용한 커큐민 에멀젼의 경우 낮은 pH에서 급격한 입자 크기의 증가와 제타 전위 값의 변화를 보이며 불안정한 모습을 나타내었다(Wu 등, 2017). 하지만 본 연구에서와 같이 Tween 80과 같은 비이온성 계면활성제를 레시틴과 혼합하여 사용할 경우 에멀젼의 pH 안정성을 높일 수 있는 것으로 생각된다.

요 약

본 연구에서는 항산화에 도움을 줄 수 있는 기능성 원료로 건강기능식품공전에 등재되어 있으며 지용성의 항산화 물질인 카로티노이드 성분을 식품 중에서 가장 많이 함유하고 있으나, 특유의 맛과 이취로 인해 직접 식품으로 활용되기에는 어려움이 있는 스피루리나를 MCT 오일과 혼합하여 스피루리나 오일을 제조한 후 이를 수중유적형 에멀젼(O/W emulsion)으로 제조하였다. 또한, 스피루리나 에멀젼을 다양한 조건의 모델 음료(당도: 0~20°Brix, pH: 3~7)에 적용하여 이화학적 품질의 안정성을 확인하고자 하였다. 먼저 안정적인 에멀젼을 제조하기 위하여 스피루리나 에멀젼의 임계 미셀 농도를 찾고자 유화제 농도에 따른 표면장력, 전기전도도, 제타 전위를 측정하였으며, 결과적으로 유화제 농도를 3.50%로 확립하였다. 이후 스피루리나 나노에멀젼을 제조하고 이를 모델 음료에 적용하였으며, pH와 총산도, 환원당, 가용성 고형분, 색도, 투과도, 입자 특성과 같은 품질 특성을 확인하였다. 스피루리나 에멀젼은 모델 음료의 낮은 pH 조건에서 높은 환원당 함량을 보였으며, 높은 당도 조건에서 증류수와의 가장 적은 색차(ΔE*), 유의적으로 높은 투과도를 보이며 상대적으로 투명한 외관을 가지는 것으로 나타났다(P<0.05). 또한 스피루리나 에멀젼은 모델 음료의 높은 당도 조건에서 유의적으로 작은 입자 크기(P<0.05)와 0.3 미만의 PDI 값을 보이며 에멀젼이 안정적으로 음료에 적용될 수 있음을 확인하였다. 또한, Tween 80과 같은 비이온성 계면활성제를 레시틴과 혼합하여 사용할 경우 스피루리나 에멀젼의 pH 안정성을 높일 수 있는 것으로 관찰되었다. 따라서 본 연구에서 제조한 스피루리나 에멀젼은 상대적으로 높은 당도와 다양한 pH 조건에서 물리적 안정성을 유지하는 것으로 확인되었다. 본 연구 결과는 향후 식품 및 음료 산업에서 스피루리나를 활용한 제품 개발의 기초자료로써 활용 가능할 것이다.

감사의 글

이 논문은 2022년도 제주대학교 교원성과지원사업에 의하여 연구되었음.

Fig 1.

Fig 1.Changes in appearance of Spirulina emulsion with different emulsifier (HLB=9.5) concentrations for determination of critical micelle concentration.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2024; 53: 529-538https://doi.org/10.3746/jkfn.2024.53.5.529

Fig 2.

Fig 2.Changes in surface tension (black circle), zeta-potential (red rhombus), and electrical conductivity (blue square) of Spirulina emulsion with different emulsifier (HLB=9.5) concentrations for determination of critical micelle concentration (A) and schematic of Spirulina emulsion critical micelle concentration (B). Error bars indicate standard deviations. Means with different letters (a-l) among the same line are significantly different at P<0.05.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2024; 53: 529-538https://doi.org/10.3746/jkfn.2024.53.5.529

Fig 3.

Fig 3.Appearance of Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage with difference model beverage conditions. S0, S10, and S20 indicate that the sugar content conditions of the model beverage to which Spirulina emulsion is applied are 0, 10, and 20°Brix, respectively, and P3, P5, and P7 indicate that the pH conditions are 3, 5, and 7, respectively.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2024; 53: 529-538https://doi.org/10.3746/jkfn.2024.53.5.529

Fig 4.

Fig 4.Transmittance of Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage with difference model beverage conditions. S0, S10, and S20 indicate that the sugar content conditions of the model beverage to which Spirulina emulsion is applied are 0, 10, and 20°Brix, respectively, and P3, P5, and P7 indicate that the pH conditions are 3, 5, and 7, respectively. Error bars indicate standard deviations. Means with different letters (a-d) are significantly different at P<0.05.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2024; 53: 529-538https://doi.org/10.3746/jkfn.2024.53.5.529

Fig 5.

Fig 5.Particle size distribution of Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage with difference model beverage conditions. S0, S10, and S20 indicate that the sugar content conditions of the model beverage to which Spirulina emulsion is applied are 0, 10, and 20°Brix, respectively, and P3, P5, and P7 indicate that the pH conditions are 3, 5, and 7, respectively.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2024; 53: 529-538https://doi.org/10.3746/jkfn.2024.53.5.529

Table 1 . Hydrophilic-lipophilic balance (HLB) contribution by soybean lecithin and Tween 80 emulsifier constituting the mixed emulsifier.

EmulsifiersHLB valueMass ratio (%)HLB contribution
Soybean lecithin4502
Tween 8015507.5

Final HLB value of the emulsifier mixture=9.5

Table 2 . Mass ratio of Spirulina emulsion components with different concentrations of emulsifiers (HLB=9.5) to determine the critical micelle concentration.

Spirulina oil (g)Emulsifier (g)Water (g)
7.000.0093.00
0.5092.50
1.0092.00
1.5091.50
2.0091.00
2.5090.50
3.0090.00
3.2589.75
3.5089.50
3.7589.25
4.0089.00
4.2588.75
4.5088.50

Table 3 . pH, total acidity, soluble solid content, and reducing sugar of Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage (SPEB) with difference model beverage conditions.

FormulationspHTotal acidity (%)Soluble solid content (°Brix)Reducing sugar (μg/mL)
SPE6.17±0.172)0.025±0.0029.30±0.053,147.26±17.62

SPEB1)S0P33.40±0.05e3)0.083±0.004a2.01±0.03c645.64±3.78c
S0P55.75±0.15c0.009±0.002cd1.99±0.03c637.07±6.81c
S0P77.22±0.10a0.005±0.001d1.97±0.05c635.17±2.70cd

S10P33.42±0.04e0.075±0.002b10.00±0.00b729.93±5.58b
S10P55.64±0.14cd0.009±0.001cd9.97±0.05b623.26±7.84d
S10P77.15±0.08a0.006±0.001d9.98±0.04b595.88±2.89e

S20P33.39±0.08e0.079±0.004ab17.90±0.00a966.36±1.24a
S20P55.56±0.17d0.010±0.002c17.86±0.05a593.50±3.78e
S20P76.90±0.18b0.007±0.001cd17.84±0.05a595.88±4.76e

1)S0, S10, and S20: Sugar content conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 0, 10, and 20°Brix; P3, P5, and P7: pH conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 3, 5, and 7..

2)Data were expressed as mean±standard deviation..

3)Values with different letters (a-e) among the same column are significantly different at P<0.05 based on Tukey’s multiple range test..


Table 4 . Color of emulsifier, Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage (SPEB) with difference model beverage conditions.

FormulationsL*a*b*ΔE*
Emulsifier24.60±0.013.99±0.024.70±0.02

SPE76.54±0.662)−0.27±0.0715.78±0.4330.35±0.24

SPEB1)S0P363.55±0.15a3)−2.72±0.11d2.43±0.73ab11.40±0.59a
S0P563.34±0.23a−2.65±0.13bcd2.75±0.68a11.45±0.58a
S0P763.28±0.23a−2.70±0.11cd2.78±0.65a11.45±0.54a

S10P359.85±0.23b−2.59±0.09bc2.29±0.65ab8.96±0.65b
S10P559.59±0.11b−2.57±0.09b2.45±0.67ab8.95±0.64b
S10P759.14±0.36c−2.69±0.02bcd2.26±0.35ab8.61±0.27b

S20P355.02±0.32d−2.42±0.03a1.79±0.33b6.67±0.28c
S20P554.95±0.28d−2.39±0.03a2.02±0.36ab6.90±0.31c
S20P754.99±0.40d−2.43±0.04a2.13±0.30ab7.05±0.23c

1)S0, S10, and S20: Sugar content conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 0, 10, and 20°Brix; P3, P5, and P7: pH conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 3, 5, and 7..

2)Data were expressed as mean±standard deviation..

3)Values with different letters (a-d) among the same column are significantly different at P<0.05 based on Tukey’s multiple range test..


Table 5 . Particle properties of Spirulina emulsion (SPE) and Spirulina beverage (SPEB) with difference model beverage conditions.

FormulationsDiameter (nm)Polydispersity indexZeta-potential (mV)

SPE36.14±1.202)0.273±0.063−32.57±3.02
SPEBS0P31)37.25±1.91a3)0.330±0.067a−33.99±2.22d
S0P536.87±1.47ab0.328±0.068a−31.98±1.15abc
S0P737.09±1.67a0.300±0.043abc−32.34±2.12abc

S10P336.57±2.01ab0.302±0.068ab−34.00±2.61d
S10P535.74±1.56bc0.281±0.029bc−33.34±2.15cd
S10P734.63±0.76cd0.271±0.025bc−31.89±1.27abc

S20P334.57±0.80cd0.266±0.018bc−33.20±1.20bcd
S20P534.19±0.75d0.263±0.028c−31.67±1.76ab
S20P734.23±0.77d0.272±0.028bc−31.54±1.15a

1)S0, S10, and S20: Sugar content conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 0, 10, and 20°Brix; P3, P5, and P7: pH conditions of the model beverage applied with Spirulina emulsion are 3, 5, and 7..

2)Data were expressed as mean±standard deviation..

3)Values with different letters (a-d) among the same column are significantly different at P<0.05 based on Tukey’s multiple range test..


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