소득의 증가와 축산업의 발달로 인하여 육류의 소비가 증가하고 있다(FAO, 1991). 이에 따라 가축을 기르는 농장이 증가하면서 환경문제가 대두되고 있다. 유엔식량농업기구(FAO)에 따르면 전 세계 곡물 생산량의 1/3이 가축 사료로 사용되고 있으며 가축에 의해 배출되는 온실가스는 전 세계 총배출량의 15%를 차지하고 있다고 한다(Yun 등, 2021). 따라서 육류의 섭취 증가는 환경오염뿐만 아니라 경제적 비용 및 도축 과정에서의 동물복지 문제 등을 야기하므로 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 대체육에 관한 연구가 지속해서 이루어져 왔다(Jung 등, 2021).

대체육에는 배양육과 식물성 대체육 등이 있다. 그중 식물성 대체육은 식물에서 추출한 단백질을 이용하여 식육과 비슷한 식감과 맛이 나도록 제조한 식품으로 현재 대체육 시장에서 가장 큰 비중을 차지하고 있다(Bonny, 2015). 식물성 대체육을 조직화하는 데 사용되는 대표적인 방법은 압출성형이다. 식물성 단백질은 압출성형기 내부에서 물과 혼합되어 압력, 열 및 전단력 등의 복합적인 작용을 통해 가소성과 신축성을 가지면서 육류와 유사한 조직이 만들어진다(Lee와 Cho, 2019). 식물성 대체육의 원료로는 대두 단백질, 완두 단백질 및 밀 글루텐 등이 주로 사용되고 있으며 이 외에도 곤충 단백질, 쌀, single cell protein(SCP) 등을 이용하고 있다(Asgar 등, 2010).

SCP는 식품이나 동물 사료에서 단백질 보충제로 사용되는 유기체의 건조 세포를 의미한다(Nasseri 등, 2011). SCP 중에서도 효모는 mycoprotein에 속하며(Nangul과 Bhatia, 2013), 정미성분인 핵산과 단백질이 다량 함유되어 있어 식품산업에서 풍미 소재로 많이 사용되고 있다(Lee, 1980). 효모는 100 g당(dry basis) 단백질 39.6 g, 섬유질 31.4 g, 지방 0.5 g 등이 함유된 고단백, 고섬유질이면서 저지방 성분의 식품이다(Yamada와 Sgarbieri, 2005). Smith 등(2000)에 따르면 외부로부터 삼투적인 지지와 물리적인 보호를 해주는 효모의 세포벽은 1,6-β-glucan과 1,3-β-glucan으로 연결된 glucan, manno protein, chitin으로 구성되어 있다고 보고했다. 이 중 β-glucan은 점도 및 겔화와 같은 물리적 특성으로 인해 식품 및 기타 산업에서 많이 사용되고 있다(Kyanko 등, 2013). 또한 면역 활성뿐만 아니라 항산화 활성에도 효과가 있는 것으로 알려져 왔다(Salvador 등, 2008). 또한 Miller와 Dwyer(2001)에 따르면 알레르기 문제가 있는 밀 글루텐과는 달리 mycoprotein은 인간에게 알레르기 가능성이 극히 낮다고 보고되었다. 이처럼 효모는 다양한 식품소재로써 활용되고 있지만, 압출성형을 이용한 식물성 대체육 제조에 효모를 이용한 연구는 진행되지 않았다. 따라서 본 연구는 압출성형공정을 이용한 식물성 대체육 제조에서 효모의 함량에 따른 저수분 대체육의 이화학적 특성 및 항산화성의 변화를 살펴보았다.

재료

본 실험은 원료로 분리대두단백(Pingdingshan TianJing Plant Albumnen Co., Ltd., Henan, China), 밀 글루텐(Roquette Freres, Lestrem, France), 옥수수 전분(Samyang Corp., Ulsan, Korea), 맥주건조효모((주)한국효모, Mungyeong, Korea)를 사용했다.

압출성형공정

본 실험에 사용된 압출성형기는 동방향 쌍축압출성형기(THK31T-No.5, Incheon Machinery Co., Incheon, Korea)로 직경과 길이의 비(L/D ratio)는 23:1, 스크루의 직경은 30 mm이며 사용한 압출성형기의 다이(die exit)와 스크루 구조는 Fig. 1과 같다. 효모 함량에 따른 저수분 압출성형 대체육 원료의 배합비는 Table 1에 나타내었다. 압출성형공정 변수는 수분함량 40%, 배럴 온도 150°C, 스크루 회전속도 250 rpm으로 하였으며, 배럴 온도는 전열기와 냉각수를 사용하여 조절하였다.

Table 1 . Formulation of low-moisture extruded meat analog with different yeast content.

Yeast (%)	Isolated soy protein (%)	Gluten (%)	Corn starch (%)
0	50	40	10
10	45	36	9
20	40	32	8
30	35	28	7
40	30	24	6
50	25	20	5

Fig 1. Die and screw configuration used in this experiment.

압출 성형한 대체육은 가로 1 cm, 세로 1 cm 크기로 절단하여 50°C의 열풍건조기(FC-PO-250, Lap House, Pocheon, Korea)에서 12시간 건조한 시료를 사용하였다. 화학적 특성은 건조한 대체육을 가정용 분쇄기(FM-909T, Hanil, Haman, Korea)로 분쇄하여 50~70 mesh의 분말을 이용하여 측정하였다.

보수력

대체육의 수분 보유 능력을 측정하기 위해 Gu와 Ryu (2017)의 방법을 응용하여 보수력(water holding capacity)을 측정하였다. 건조한 대체육을 90°C의 water bath에서 30분간 수화 후 20 mesh의 체에 걸러 15분간 배수하여 무게를 측정하였다. 이후 식 (1)을 통해 값을 산출하였다.

(1)$$Waterholdingcapacity\left(g/g\right)=\frac{Wetsamplewt.-Drysamplewt.}{Drysamplewt.}$$

조직감

대체육의 조직감은 Sun Rheometer(Compac-100Ⅱ, Sun Sci. Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 측정하였다. 건조한 대체육을 90°C의 water bath에서 30분간 수화 후 15분간 배수하여 탄력성(springiness), 응집성(cohesiveness), 씹힘성(chewiness)을 probe(직경 2.5 cm)로 최대 응력 10 kg에서 10회 반복 측정하였다. 이후 Trinh과 Glasgow(2012)가 제시한 식 (2), 식 (3), 식 (4)를 통해 조직감을 계산하고 식 (5)를 통해 절단 강도를 계산하여 최댓값과 최솟값을 제외하고 평균값을 산출하였다.

(2)$$Springiness\left(\%\right)=\frac{D_2}{D_1}\times 100$$

D₁: Distance of first occurred maximum stress

D₂: Distance of second occurred maximum stress

(3)$$Cohesiveness\left(\%\right)=\frac{A_2}{A_1}\times 100$$

A₁: Area of first occurred maximum stress

A₂: Area of second occurred maximum stress

(4)$$\text{Chewiness (g)}=\frac{Springiness}{100}\times \frac{Cohesiveness}{100}\times \text{Maximum stress}$$

(5)$${\text{Cutting strength (g/cm}}^2\text{)=}\frac{\text{Maximum stress}}{\text{Cross sectional area}}$$

조직잔사지수

대체육의 조직 형성 정도를 평가하기 위해 Gu와 Ryu(2017)의 방법을 변형하여 조직잔사지수(integrity index)를 측정하였다. 증류수 100 mL에 건조한 대체육 약 5 g을 넣은 후 90°C의 water bath에서 30분간 수화하였으며 121°C에서 15분간 가압･가열하였다. 이후 흐르는 물에 시료를 냉각시키고 homogenizer(IKA-T10B, IKA Co., Seoul, Korea)로 17,450 rpm에서 1분간 균질화하여 20 mesh의 체로 걸러내었다. 잔사는 흐르는 물로 30초간 씻어낸 다음 105°C에서 6시간 건조하였다. 다음 식 (6)에 따라 건조물의 중량을 시료의 중량으로 나누어 계산하였다.

(6)$$\text{Integrity index (\%) = }\frac{\text{Dry residue wt}\text{.}}{\text{Sample wt}\text{.}}\times 100$$

수용성 질소지수

대체육의 수용성 질소지수(nitrogen solubility index, NSI)는 Daun과 Kisilowsky(1999)의 방법을 응용하여 측정하였다. 시료 0.1 g을 0.5% KOH 용액 5 mL에 넣고 Shaker(SI-300R, Jelotech, Gangneung, Korea)에서 200 rpm으로 교반하였다. 이후 3,000 rpm에서 30분 동안 원심분리하여 0.05 mL의 상등액을 최종적으로 취해 Starcher(2001)의 방법으로 ninhydrin을 사용하여 수용성 질소 함량을 측정하였다.

총 질소 함량은 시료 0.1 g을 6 N의 염산 100°C에서 24시간 동안 완전히 가수분해하여 5 mL의 증류수에 녹인 후 상등액 0.05 mL를 취하여 ninhydrin 방법으로 측정하여 식 (7)에 대입하여 산출하였다.

(7)$$\text{NSI (\%)}=\frac{\text{Soluble nitrogen content}}{\text{Total nitrogen content}}\times 100$$

미세구조

건조한 대체육을 90°C의 water bath에서 30분간 수화 후 단면을 절단한 다음 50°C의 열풍건조기(Lap House)에서 24시간 건조하였다. 건조한 시료의 단면을 백금으로 코팅한 후 고분해능 주사전자현미경(MIRA3 LMH, Tescan, Brno, Czech)으로 가속 전력 10 kV에서 미세구조를 관찰하였다.

아미노산 조성

아미노산 조성은 AOAC(2000)의 방법을 응용하여 이온교환 크로마토그래피 방법으로 측정하였다. 시료 0.2 g을 관에 넣고 6 N의 HCl 40 mL를 가한 후 질소 가스를 주입한 후 110°C에서 24시간 가수분해하고 여과하여 진공 건조하였다. 건조된 시료에 유도체 시약 25 μL를 넣고 반응시킨 뒤 다시 진공 건조하여 아미노산 분석기(L-8900, Hitachi, Tokyo, Japan)로 분석하였다.

DPPH 라디칼 소거능

대체육의 DPPH 라디칼 소거능(DPPH radical scavenging activity) 실험은 Brand-Williams 등(1995)의 방법을 응용하여 측정하였다. 시료 1 g을 80% 에탄올 10 mL에 넣고 2시간 동안 추출한 후 3,000 rpm으로 30분 동안 원심분리하였다. 그중 상등액 0.1 mL를 취해 메탄올에 녹인 DPPH 시약 3.9 mL에 넣고 암실에서 30분 동안 반응시킨 후 515 nm 파장에서 흡광도를 측정하여 식 (8)에 대입하여 산출하

(8)$$\text{DPPH radical scavenging activity (\%) = }\frac{\left(A_0-A\right)}{A}\times 100$$

A₀: Absorbance of the blank

A: Absorbance of the sample

통계처리

결과의 통계처리는 SPSS(version 26.0, IBM-SPSS, Thornwood, NY, USA)를 이용하여 일원배치 분산분석(one-way ANOVA)을 실시한 후 유의적 차이가 있는 항목에 대해 P<0.05 수준에서 그 결과를 Duncan’s multiple range test로 검정하였다.

외관

저수분 압출성형 대체육의 섬유상 구조와 횡단면 및 종단면은 Fig. 2에 나타내었다. 효모 함량 0%에서는 다공성이 확인되었고 효모 함량이 증가함에 따라 기공이 감소하였다. 저수분 압출성형을 통한 대체육은 압출성형기 내부와 외부의 압력 차이로 인해 다공성 및 팽화된 대체육을 형성한다는 Samard 등(2019)의 연구 결과와 일치하였다. 또한 효모 함량이 증가함에 따라 기공이 감소한 것은 전분을 포함한 식물성 단백질의 함량이 감소했기 때문이라 판단된다. 섬유상 구조는 효모 함량 30%에서 가장 잘 나타났으나 40% 이상부터 감소하였고 50%에서는 조직이 형성되지 않았다.

Fig 2. Fibrous structure and cross section of low-moisture extruded meat analog with different yeast content.

보수력

효모 함량에 따른 보수력은 Table 2와 같이 효모 함량이 증가할수록 감소하였다. 이는 Fig. 2와 같이 효모 함량이 증가할수록 섬유질 함량의 증가로 인해 기공의 생성이 억제되어 보수력이 감소하는 것으로 판단되며, 압출성형을 이용한 대체육 제조에 식이섬유를 첨가하면 팽화가 감소한다는 연구 결과와 일치하였다(Lue 등, 1994). 한편 Lin 등(2002)은 대체육을 수화시킬 경우 팽화가 증가할수록 보수력이 증가한다고 보고하였다.

Table 2 . Water holding capacity of low-moisture extruded meat analog with different yeast content.

Yeast content (%)	Water holding capacity (g/g)
0	4.50±0.1a1)
10	4.32±0.1a
20	3.59±0.1b
30	3.05±0.1c
40	2.17±0.2d

¹⁾Values with different letters indicate significant differences (P<0.05) by Duncan’s multiple range test..

조직감

효모 함량에 따른 대체육의 조직감 및 절단 강도는 Table 3에 나타내었다. 탄력성과 응집성은 효모 함량이 증가함에 따라 감소하였다. 이는 보수력과 마찬가지로 효모의 함량이 증가할수록 기공의 생성이 억제되었기 때문이라고 판단되며 탄력성과 응집성은 보수력과 양의 상관관계를 가진다는 Gu와 Ryu(2019)의 연구 결과와 일치하였다. 씹힘성은 효모 함량 30%까지 증가하였다. 이는 효모 내의 섬유질이 수분과 지방을 흡착하는 성질을 가지고 있어 조직감을 향상할 수 있다는 Choi 등(2015)의 연구와 일치하였으며 섬유질의 OH기와 분리대두단백 및 글루텐과의 수소결합을 통해 씹힘성이 증가하였다고 판단된다. 하지만 40% 이상부터 씹힘성이 감소하였는데, 이는 효모 함량에 따른 섬유질의 증가로 인해 압출성형 과정 중 단백질 분자 간의 상호작용을 방해하여 조직화를 감소시켰기 때문으로 판단된다(Kim, 2005).

Table 3 . Texture profile analysis and cutting strength of low-moisture extruded meat analog with different yeast content.

Yeast content (%)	Springiness (%)	Cohesiveness (%)	Chewiness (g)	Cutting strength (g/cm2)
				Transversal direction	Longitudinal direction
0	95.92±3.0a1)	92.53±2.4a	144.16±57.7b	678.8±63.4b	515.9±76.9c
10	92.62±3.7ab	91.61±1.7a	166.71±71.3ab	835.2±32.9a	672.0±80.7a
20	89.13±3.1ab	89.09±1.2a	197.35±56.3ab	883.6±37.8a	634.0±28.8ab
30	82.88±4.8c	84.46±3.9b	240.43±68.4a	891.5±75.9a	584.4±40.8b
40	77.83±7.7d	64.88±8.1c	199.56±82.3ab	830.9±112.5a	516.2±73.2c

¹⁾Values with different letters in the same column indicate significant differences (P<0.05) by Duncan’s multiple range test..

횡축 절단 강도는 효모 함량 30%까지는 증가했으나 40% 이상부터 감소하였다. 이는 효모 함량이 증가함에 따라 기공의 생성이 억제되어 조밀한 구조가 생성되었기 때문에 효모 함량 30%까지는 증가하지만 40% 이상부터 조직화가 감소하여 횡축 절단 강도가 감소한다고 판단된다. 반면 종축 절단 강도는 효모 함량 10%에서 672.0±80.7 g/cm2로 가장 높은 값이 나타났으며 효모 함량 0%에서 515.9±76.9 g/cm²로 가장 낮은 값이 나타났다. 이는 저수분 압출성형물이 다이를 통과할 때 팽화하면서 비등방성으로 조직화가 일어나는 것과는 달리(Puski와 Konwinski, 1976), 단백질 분자 간의 상호작용과 전분 및 식물성 단백질 함량의 감소로 인해 팽화가 억제되면서 섬유상 구조가 종축 방향으로 형성되었기 때문이라고 판단된다.

조직잔사지수 및 수용성 질소지수

저수분 압출성형 대체육의 조직 결착 정도를 측정한 조직잔사지수와 단백질의 변성 정도를 측정한 수용성 질소지수를 Table 4에 나타내었다. 조직잔사지수는 효모 함량 30%까지는 증가하다가 40% 이상부터 감소하였다. 이는 씹힘성 및 횡축 절단 강도와 마찬가지로 효모 함량 30%까지는 섬유질에 의해 조직화가 향상되었지만 40% 이상부터 단백질 분자 간의 상호작용을 방해하여 조직을 감소시켰기 때문이라고 판단된다.

Table 4 . Integrity index and nitrogen solubility index of low- moisture extruded meat analog with different yeast content.

Yeast content (%)	Integrity index (%)	NSI (%)
0	47.43±0.6c1)	13.05±1.6c
10	46.93±2.2c	15.00±2.3c
20	53.43±2.8b	15.04±1.8c
30	67.37±1.3a	29.58±1.5b
40	35.57±3.6d	37.94±1.0a

¹⁾Values with different letters in the same column indicate significant differences (P<0.05) by Duncan’s multiple range test..

단백질의 조직화가 증가할수록 수용성 질소지수가 감소한다는 보고(Gu와 Ryu, 2019)와는 달리 효모 함량이 증가함에 따라 수용성 질소지수는 증가하였다. 이는 압출성형 과정 중 효모의 세포벽이 파괴되면서 용출된 단백질이 대체육의 조직화에 영향을 크게 미치지 못하고 유리 상태로 존재하여 수용성 질소지수가 증가한 것으로 판단된다.

미세구조

효모 함량 0%와 30%의 대체육 미세구조를 Fig. 3에 나타내었다. 효모 함량 0%에서는 기공이 관찰되었고 섬유상 구조가 비등방성으로 나타났다. 효모 함량 0%와 비교하여 30%에서는 섬유상 구조가 등방성으로 나타났을 뿐만 아니라 효모의 일부는 대체육에서 확인할 수 있었다.

Fig 3. Microstructure of low-moisture extruded meat analog with 0% and 30% yeast content.

아미노산 조성

저수분 압출성형 대체육과 분리대두단백 및 효모의 아미노산 조성은 Table 5에 나타냈다. 분리대두단백은 glutamic acid가 15.90%로 가장 높은 값을 나타냈으며 cystine이 0.99%로 가장 낮은 값을 나타냈다. Kim(2002)에 따르면 대두단백의 주 화합물은 aspartic acid, glutamic acid 등의 산성 아미노산이며 methionine, cysteine 등의 황 아미노산도 미량으로 구성되어 있다는 연구 결과와 일치하였다.

Table 5 . Amino acid profile of low-moisture extruded meat analog with different yeast content.

Amino acid (%)	Raw materials		Before extrusion	After extrusion
	Isolated soy protein	Yeast	30% yeast content	30% yeast content
Aspartic acid	9.56	4.15	5.24	5.28
Threonine	3.2	2.13	2.33	2.35
Serine	4.47	2.43	3.39	3.44
Glutamic acid	15.9	6.57	15.59	15.64
Glycine	3.38	1.92	2.44	2.45
Alanine	3.43	2.96	2.62	2.63
Valine	3.56	2.13	2.76	2.63
Isoleucine	3.45	1.58	2.4	2.28
Leucine	6.5	2.77	4.53	4.53
Tyrosine	3.04	1.42	2.15	2.12
Phenylalanine	4.27	1.78	3.13	3.15
Lysine	5.16	2.99	3.06	2.96
Histidine	2.07	1.05	1.51	1.47
Arginine	6.31	2.53	3.65	3.57
Cystine	0.99	0.62	0.98	0.97
Methionine	1	0.74	0.88	0.89
Proline	4.42	2.06	4.86	5.11
Total amino acid	80.71	39.83	61.52	61.47

효모 또한 glutamic acid가 6.57%로 가장 높은 값을 나타냈고 cystine이 0.62%로 가장 낮은 값을 나타냈다. 효모 내의 threonine과 methionine의 함량이 각각 2.13%와 0.7%로 나타났다. 이는 식물성 단백질에 부족한 threonine 함량이 2.1%로 풍부하고 methionine이 0.7%로 미량 구성되어 있다는 Yalçın 등(2008)의 연구 결과와 일치하였다. 압출성형 전후는 아미노산 함량의 변화가 나타나지 않았다.

DPPH 라디칼 소거능

DPPH 라디칼 소거능은 세포에 산화적 손상을 발생시키는 자유라디칼을 제거하고 항산화 물질을 검출하는 방법으로 널리 활용된다.

압출성형 대체육의 DPPH 라디칼 소거능은 Table 6에 나타내었다. 효모 함량이 증가함에 따라 DPPH 라디칼 소거능은 증가하였다. 이는 효모의 세포벽 구성 성분 중 하나인 β-글루칸이 항산화 특성을 가지고 있으며(Salvador 등, 2008), Stephen과 Jamieson(1996)에 따르면 효모 내의 글루타티온 또한 산화적 스트레스에 대한 항산화 작용이 있다고 보고하였다. 따라서 효모 함량이 증가함에 따라 DPPH 라디칼 소거능이 증가한 것으로 판단된다.

Table 6 . DPPH radical scavenging activity of low-moisture extruded meat analog with different yeast content.

Yeast content (%)	DPPH radical scavenging (%)
0	8.47±0.2a1)
10	12.91±0.1b
20	13.75±0.3c
30	19.40±0.2d
40	22.04±0.6e

¹⁾Values with different letters in the same column indicate significant differences (P<0.05) by Duncan’s multiple range test..

본 연구에서는 효모 함량에 따른 저수분 압출성형 대체육의 이화학적 특성에 대한 비교를 진행하였다. 분리대두단백 50%, 밀 글루텐 40%, 옥수수 전분 10% 혼합물을 기본 배합으로 하였으며 효모는 기본 배합에 0, 10, 20, 30, 40, 50%의 비율로 첨가하였다. 압출성형공정 변수는 수분함량 40%, 배럴 온도 150°C, 스크루 회전속도 250 rpm, 원료 사입량 100 g/min으로 고정하였다. 탄력성과 응집성은 효모 함량이 증가할수록 감소하였지만, 씹힘성은 효모 함량 30%까지 증가하였고 40% 이상부터 감소하였다. 조직잔사지수 또한 효모 함량 30%까지는 증가하였지만 40% 이상부터 감소하였으며, 수용성 질소지수는 효모 함량이 증가할수록 증가하였다. 압출성형공정을 거친 대체육의 아미노산 조성은 압출성형 처리 전 원료와 비교하였을 때 큰 변화는 나타나지 않았다. DPPH 라디칼 소거능은 효모 함량이 증가할수록 증가하였다. 결과적으로 효모 함량이 증가할수록 항산화성은 증가하였지만, 조직화 측면에서 효모 함량 30%까지의 첨가가 긍정적인 영향을 끼쳤다.

본 연구는 농촌진흥청의 재원으로 고부가가치식품기술개발사업의 지원을 받아 연구되었음(G24016188012021).