I.서 론
돼지감자(Helianthus tuberosus L.)는 국화과 해바라기속 여러해살이 풀로 북미가 원산지인 다년생 식물로 우리나라 의 기후 조건에 맞아 전국 각지에 자생하고 있는 식물이다. 돼지감자의 주성분은 fructose의 중합체인 inulin이며, 이는 돼지감자 건조 중량(dry weight)의 약 75%를 차지한다(Park 등 2013). 이눌린은 난소화성 식이섬유로 인체 내에서 흡수 되지 않아 칼로리가 낮으며 과당의 중합체이기 때문에 단맛 을 내는 감미료로 쓰일 수 있는 특징이 있다(Shin 등 2012). 또한 변비 개선, 장 질환 예방, 혈청 콜레스테롤 감소 효과, 혈중지질 저하 효과, 혈당 강화 효과가 있다고 알려져 있다 (Park 2010). 돼지감자를 이용한 식품 개발에 대한 보고는 돼 지감자를 이용한 설기떡, 쿠키, 국수의 제조 등(Park 2010; Park 등 2013; Shin 등 1991) 매우 부족한 실정이다.
우리나라는 산업기술의 발달과 경제수준의 향상으로 식품 문화의 간편화, 단순화, 외식화가 이루어지고 있으며 식사 및 간식대용으로 과자 및 빵류에 대한 수요가 증가되고 있다. 특히 머핀은 우리나라에서 주로 간식이나 아침식사 대용으 로 재료에 따라 호두 머핀, 블루베리 머핀, 초콜릿머핀 등 다 양하게 제조되고 있다(Im 1998). 또는 다양한 곡물을 첨가하 여 건강식이나 다이어트를 위한 저칼로리 빵이 시판되고 있 다(Kim & Lee 2012). 머핀은 식빵만큼 제빵에 이용하는 gluten 함량에 큰 영향을 받지 않아서 제조할 경우 다른 재 료의 첨가가 비교적 쉬워 제품의 다양화가 용이한 편이다(Ko & Seo; 2010, Jeong 등 2002).
머핀에 대한 연구보고로 시금치 가루 첨가 머핀의 품질특 성(Joo 2006), 마분말을 첨가한 머핀의 품질특성(Joo 2008), 청국장 가루를 첨가한 머핀의 품질 특성(Seo 2009), 자색고 구마를 첨가한 머핀의 품질특성(Ko & Seo 2010), 블루베리 첨가 머핀의 품질 특성(Hwang & Ko 2010), 자일리톨 첨가 머핀의 품질특성(An 등 2010), 반응표면 분석법을 이용한 우 엉가루와 올리고당 첨가 머핀의 제조 조건 최적화(Kim 등 2010), 도라지 분말을 첨가한 머핀의 품질특성(Kim & Kang 2011), 상황 버섯 균사체 배양액 침지 발아 현미를 첨가한 머 핀의 식품학적 특성(Jung 등 2011), 대추분말을 첨가한 머핀 의 품질특성(Kim & Lee 2012) 등이 보고되어 있다.
올리고당은 기존 당류가 가지고 있는 비만, 충치의 원인, 당뇨병 콜레스테롤과 중성지방의 증가 등 생리적인 기능을 보완하고 감미도도 비슷하며 보습효과를 가지면서 칼로리가 아주 적다. 설탕은 4 kcal/g인데 프락토 올리고당은 1.5 kcal/g으로 저열량 제품이 요구되는 당뇨병이나 비만 등과 같 은 성인병 환자들에게 설탕을 대체할 수 있는 당으로 사용 할 수 있다(Bae 등 2011).
최근 우리나라의 식생활 습관은 서구식으로 변화됨에 따 라 식물성 식품 섭취는 감소한 반면 동물성 식품 섭취가 증 가하면서 고혈압, 동맥경화, 당뇨병과 같은 대사 질환 발생 률이 증가하고 있다. 따라서 건강기능성분을 함유한 식품에 대한 관심이 높아지면서 기능성 성분을 함유한 식품에 대한 소비가 증가하고 있다. 본 연구에서는 혈당 조절과 혈중지질 저하 효과 등 생리적 기능이 우수한 돼지감자를 효율적으로 활용하기 위하여 머핀 제조 시 밀가루 일부를 돼지감자 분 말로 대체하고 설탕의 일부를 올리고당으로 대체하여 저열 량, 저지방의 머핀을 제조하고자 하였다. 현대인의 건강 추 구에 부합할 수 있는 머핀을 제조하고자 돼지분말을 첨가하 면서 품질특성도 좋고 관능적으로 우수한 최적의 쿠키를 만 들기 위해 반응표면 분석을 시도하여 최적 배합비를 찾고자 하였다.
II.재료 및 방법
1.실험 재료
실험의 재료로는 돼지감자분말(산들약초, 서울, 국산), 박 력분(큐원, 서울, 국산), 버터(해태, 서울, 국산), 계란(CJ, 서 울, 국산), 베이킹 파우더(제니코, 서울, 국산), 탈지분유(서울 우유, 서울, 국산), 설탕(제일제당, 서울, 국산), 프락토 올리 고당(제일제당, 서울, 국산)구입하여 사용하였다.
2.머핀의 제조
머핀은 Kim 등(2010)의 제조 방법을 참고하여 재료 배합 비율은 <Table 1>과 같다. 돼지감자 분말 및 올리고당의 배 합비율을 설정하기 위해서 예비실험을 통하여 밀가루의 일 부 대체재료로 첨가되는 돼지감자분말(A)과 설탕의 대체재 료로 올리고당(B)의 함량 2개 요인으로 설정하고 각 요인을 3개 수준으로 나누어 분석하였다. 이 요인을 근거로 색도(L, a, b), 단면의 높이, 부피, 수분함량, pH, 물성특성(경도, 탄력 성, 응집성, 씹힘성, 부서짐성) 을 조사하고, 관능검사를 실시 하였다. 예비실험 결과(Kim 등 2010) 밀가루 대비 돼지감자 분말은 5~15%, 올리고당은 50%를 대체 하였을 때 기호도가 높게 나타나 이를 토대로 각 요인의 최소, 최대점을 정중앙 과 ±1 level점에 따라 10개 실험군과 모델설정 및 적합성 결 여 검증을 위해 중심점을 2반복 실험하였다. 각각의 결과를 보기 위해 response surface plot을 이용하였다. 머핀 제조과 정은 <Figure 1>과 같으며 버터는 상온에서 부드럽게 만들 어 이용하여 최고 속도로 설탕과 올리고당류를 넣어 5분간 저어 크림상태로 만든 후 계란을 넣어 주면서 3분간 저었다. 모든 가루재료는 100 mesh체에 통과시킨 후 우유를 고루 섞 고 반죽하여 유산지를 깐 머핀컵(직경: 7.0 cm, 높이 4.5 cm)에 70 g씩 취하여 180로 예열된 오븐에 30분간 구웠다. 모든 시료는 실온에서 1시간 방냉 후 실험에 사용하였다.
3.머핀의 무게, 높이와 부피 측정
머핀을 굽고 난 다음 냉각 시킨 후 무게를 측정하고 높이 는 위에서 아래로 정확히 반으로 자르고 자른 단면의 최고 높이를 측정하였으며 머핀의 부피는 종자치환법을 이용하여 3회 반복하였다.
4.머핀의 pH 측정
pH는 An 등(2002)의 방법을 참고하여 반죽과 완성된 머핀 을 각각 5 g씩 취하여 증류수 25 mL를 가하여 stirrer를 사용 하여 균질화 시키면서 pH meter(pH 210, Hanna, Italy)을 사용하여 측정하였다.
5.머핀의 수분 함량 측정
제조한 머핀의 수분 함량은 머핀의 중심부에서 시료 1 g을 취하여 수분 측정기(FD-600, KETT Electric Laboratory, Japan)로 수분을 측정하였다.
6.머핀의 색도 측정
머핀의 색도는 색차계(Color JS801, Color Techno System Co., Japan)를 사용하여 명도(L*-value, (100) lightness↔ black (0)), 적색도(a*-value, (+) redness↔greenness (-)), 황 색도(b*-value, (+) yellowness↔blueness (-)) 값을 3회 반복 측정하여 그 평균값으로 나타내었으며 이 때 사용된 표준 백 판은 L값은 94.61, a값은 0.00, b값은 2.78 이었다.
7.머핀의 Texture 측정
머핀의 texture는 Rheometer(Compac-100, Sun Sci. Co Ltd., Tokyo, Japan)를 이용하여 mastication test를 실시하였 고 plunger diameter 10 mm, table speed 60 mm/min, sample heigh 10 mm, load cell 2 kg의 조건으로 시료당 3 회 반복 측정하여 평균치를 나타내었다. 시료는 표면을 제거 시키고 분석하였으며 경도(hardness), 응집성(cohesiveness), 탄력성(springiness), 씹힘성(chewiness), 부서짐성(brittleness) 을 측정하였다.
8.머핀의 관능검사
제조 직후 1시간 실온에서 방치한 후 제공하였으며 시료 번호는 난수표를 이용하여 3자리 숫자로 지정하였으며 직경 25 cm 흰 접시에 물과 함께 제공하였다. 관능 요원은 대구가 톨릭대학교 식품가공학과 20명을 대상으로 검사방법과 평가 특성에 대해 충분히 교육을 시킨 후 7점 항목 척도법(1점-가 장 약하다, 7점-가장 강하다)으로 나타내었다. 평가항목은 크 게 외관(appearance), 향미(flavor), 맛(taste), 조직감(texture), 기호도(acceptability) 항목을 조사하였다.
9.통계처리
실험 결과는 Design-Expert 8.0 program을 이용하여 반응 표면 분석을 실시하였으며, 분석은 3회 반복하였으며 모델에 대한 F-test를 통하여 유의성 검사를 하였다. 선택된 모델에 대한 반응표면과 trace plot을 이용하여 일정한 비율에서 다 른 요소들이 고정되는 동안 각 혼합물 성분 변화에 따른 영 향을 가식화하였다.
III.결과 및 고찰
1.머핀의 물리적 특성
중심합성계획법에 따라 두 가지 독립변수의 10가지 조건 으로 얻어진 각 검사의 결과는 <Table 2>, <Table 3>과 같 고 3수준 2요인에 대한 이차회귀식에 의하여 형성된 반응표 면 분석 결과 반응 표면식의 설명력이 높은 종속 변수 R2값 과 p-value는 <Table 4>와 <Table 5>와 같다. 각 요인간의 교호작용을 나타내는 그래프는 <Figure 2>~<Figure 5>에 제 시하였다.
1)머핀의 무게, 높이와 부피
돼지감자 분말과 올리고당을 첨가한 머핀의 무게는 R2값 이 0.5241, p-value는 0.0609로 이차회귀 분석에 대한 설명 이 유의적이지 않은 것으로 나타났다. 높이는 설정된 반응별 로 모델링화 하여 F-test를 통해 유의성을 검증한 결과 회귀 식을 살며보면, linear(R2=0.6832) 모델이 선정되었으며 p<.05 이내의 유의성을 보였다.
또한 돼지감자 분말이 증가할수록 높이는 감소하였으며 이 는 우엉가루를 첨가한 머핀, 마가루를 첨가한 머핀, 다시마 를 첨가한 머핀에서도 밀가루 대체 기능성 식품 첨가량이 증 가할수록 높이가 감소하여 본 실험과 같은 결과를 나타내었 다(Kim 등 2010; Joo 등 2008; Kim 등 2008). 이는 돼지 감자 분말의 첨가량이 많아질수록 밀가루가 첨가재료로 대 체됨에 따라 글루텐의 희석효과에 의한 영향이라 생각된다. 일반적으로 빵 및 머핀에 다른 곡류 및 첨가재료를 첨가할 경우 밀가루 대비 첨가재료의 비율이 30% 이상을 첨가하면 적정한 제빵 특성을 갖추지 못한다고 알려져 있는데(Jung 등 2011), 머핀 제조 시 돼지감자 분말을 30% 이내로 첨가하였 기 때문에 적정한 높이와 부피를 지닌 머핀 제조가 가능하 였으리라 사료된다.
부피는 돼지감자 분말이 증가할수록 높이와 같이 부피도 감소하였으며 돼지감자분말과 올리고당이 교호작용의 영향 을 받는 quadratic 모델이 선정되었으나 R2값이 0.6993, pvalue는 0.0523으로 유의한 수준은 나타나지 않았다. 부피는 재료의 고유 성분에 따라 머핀의 부피도 다르게 나타나는데 설탕 첨가 하수오 머핀에 비해 올리고당 첨가 머피군들이 유 의적으로 낮게 나타났으며(Bae 등 2011), Kim & Lee (1997)는 올리고당을 첨가한 스펀지 케이크의 비용적에서도 낮은 수치를 보여 동일한 결과를 나타냈다. 이는 열에 의한 단백질과 전분의 변화에 기인한 것으로 사료되며 본 연구에 서 돼지감자 분말과 올리고당이 첨가될수록 부피가 감소되 었으나 시료간 유의한 차이는 나타나지 않았다.
2)머핀의 수분함량, pH
돼지감자 분말과 올리고당을 첨가한 머핀의 수분함량을 측 정한 결과 회귀곡선의 R2=0.4824, p-value는 0.0258로 5% 이내 유의수준을 보였으며 두 요인 중 돼지감자 분말이 가 장 많은 영향을 미치는 것으로 나타났으며 돼지감자 분말이 증가할수록 수분함량이 감소하는 경향을 보였다. 이는 자색 고구마 분말을 첨가한 머핀과 대추분말을 첨가한 머핀에서 도 밀가루 대체 첨가물에 대한 수분결합력이 증가됨에 따라 수분함량이 감소된다고 보고하여 본 연구와 동일한 결과를 보였다(Ko & Seo 2010; Kim & Seo 2012). 이는 첨가한 재료의 수분함량에 따른 차이로 사료되며 전반적으로 돼지 감자 분말이 밀가루의 수분함량에 비해 낮아서 돼지감자 분 말 첨가량이 많아질수록(7, 8, 9) 수분함량이 감소되는 것으 로 사료된다. 하지만 머핀 제조 시 수분함량은 모든 시료군 에서 유의한 차이가 없었으며 이는 올리고당 대비 물양의 조 절을 달리하여 모든 시료군의 수분 함량에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타나 머핀 제조 시 밀가루 대신 돼지감자 분 말 이용이 가능하리라 사료된다.
머핀의 pH는 회귀 곡선에 대한 결정 계수 R2=0.9726으로 높은 설명력을 보였으며 p-value=0.0004로 1%이내의 유의성 을 보여 모델의 적합성이 인정되었다.
회귀식에 나타난 계수들과 trace plot에서 보이는 기울기는 각 성분들이 각 반응에 미치는 영향을 보여주는 것으로 돼 지감자분말(A-A선), 올리고당(B-B선)이 증가할수록 pH가 감 소하였으며 돼지감자분말이 가장 큰 영향을 주었다는 것을 알 수 있다. Jung & Cho(2011)는 현미분말을 첨가할수록 머핀의 pH가 감소하였다고 보고하였으며 Park 등(2011)은 설탕 첨가 머핀에 비해 올리고당 첨가 머핀의 pH가 낮은 값 을 나타낸다고 보고한 바 있다. 머핀의 pH는 첨가재료에 따 라 달라짐을 알 수 있으며 설탕 대체 올리고당 첨가 시에도 pH에 영향을 주는 것으로 나타났다.
3)머핀의 색도
<Table 2>는 돼지감자 분말과 올리고당을 첨가한 머핀의 색도 측정 결과로 명도는 quadratic model, a값과 b값은 linear model이 선택되었다. L값과 a값은 p-value 값 <.0001 (R2=0.9929, R2=0.9326), b값은 5% 이내(R2=8215)의 유의 성을 보이며 모델의 적합성이 인정되었다. 머핀의 L값은 회 귀식의 계수들과 trace plot에서 보이는 기울기에서 돼지감자 분말이 명도에 가장 큰 영향을 보여주었고, 돼지감자 분말의 함량이 증가할수록 명도는 낮아지는 것을 알 수 있었다. Park (2010)의 돼지감자가루를 첨가한 설기떡과 Park 등(2013)의 돼지감자 분말 첨가 쿠키에서 돼지감자 분말 첨가량이 증가 할수록 L값은 감소되는 것으로 나타나 본 실험과 동일한 결 과를 나타내었다. a값은 돼지감자 분말과 올리고당 첨가량이 많아질수록 높게 나타났으며 이는 머핀의 굽기 과정에서 일 어나는 캐러멜화와 아미노카보닐 반응이 돼지감자분말과 올 리고당이 첨가함에 따라 증가하기 때문이라고 사료된다. a값 에 대한 각 요인의 교호작용에서는 돼지감자 분말과 올리고 당은 최소점으로 나타났으며 최소 a값에 대한 배합비율은 돼 지감자분말 5.00%, 올리고당 72.9%로 나타났다. b값은 최소 값이 돼지감자 분말 5.00%, 올리고당 72.91%를 첨가하여 만 들 때였으며 최대값은 돼지감자 분말 5.21%, 올리고당 72.05%를 첨가하여 만들었을 때로 나타났다.
4.머핀의 Texture
돼지감자 분말과 올리고당 첨가 머핀의 경도(hardness)의 회귀곡선의 R2결정계수 값은 0.4972, p-value는 0.2188로 이 차 회귀분석에 대한 설명이 유의하지 않은 것으로 나타났다. One way ANOVA 분석결과 6(돼지감자 분말 15%, 올리고 당 75%), 8(돼지감자 분말 25%, 올리고당 50%), 9(돼지감 자 분말 25%, 올리고당 75%)의 경도가 높은 것으로 나타났 다. 이는 돼지감자 분말의 첨가량이 증가할수록 높이가 감소 한 결과와 같이 밀가루 대신 돼지감자 분말의 대체량이 증 가할수록 글루텐의 희석효과로 인하여 망목고조가 약화대고 가스포집능력이 저하되어 머핀의 밀도가 증가됨에 따라 경 도가 증가한 것으로 사료된다. 탄력성(springiness)과 응집성 (cohesiveness)은 돼지감자 분말과 올리고당이 서로 상호작용 없이 각각 독립적으로 작용하는 linear model로 선택되었고 5% 수준에서 유의한 것으로 나타났다. 또한 시료간 유의한 차이가 없었으며 일정 수준까지의 첨가는 탄력성과 응집성 에 부정적인 영향을 주지 않을 것으로 판단된다. 능선 분석 결과 탄력성 최고비율은 돼지감자 분말 9.52%, 올리고당 70.37%일 때 최고 65.5를 나타냈다. 응집성은 돼지감자 분말 (A-A선)이 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며 이는 Kim 등(2010)의 우엉가루와 올리고당을 첨가한 머핀의 제조 최적 화에서 우엉가루의 첨가량이 증가할수록 감소하는 경향과 비 슷한 결과를 보였다. 씹힘성(chewiness)의 경우 R2=0.3799, p-value는 0.3792로 유의하지 않은 것으로 나타났고, 6(돼지 감자 분말 15%, 올리고당 75%), 7(돼지감자 분말 25%, 올 리고당 25%), 8(돼지감자 분말 25%, 올리고당 50%)의 씹힘 성이 높은 것으로 나타났다. 고형식품을 삼킬 수 있는 상태 로까지 씹는데 필요한 힘인 씹힘성 역시 높이와 경도의 결 과 같은 양상으로 글루텐의 희석효과에 의한 결과로 판단된 다. 부서짐성(brittleness)는 p-value가 0.7061로 유의하지 않 은 것으로 나타났고 6(돼지감자 분말 15%, 올리고당 75%) 의 시료가 유의적으로 높게 나타났다.34
5.머핀의 기호도
돼지감자 분말과 올리고당 첨가 머핀의 기호도 검사 결과 는 <Table 3>과 같으며 외관(appearance) 3.24~4.84, 향미 (flavor)는 3.77~4.54, 맛(taste)은 3.23~4.92, 질감(texture)은 3.54~4.84, 전반적인 기호도(overall)는 3.31~5.00으로 나타났 다. 외관, 향미, 맛은 각 요인들이 교호작용의 영향을 받는 quadratic model로 나타났으며 질감과 전반적인 기호도는 독 립적으로 작용하는 linear model로 선택되었다. 외관은 회귀 곡선의 결정 계수 R2=0.9229로 높은 설명력을 보였으며, pvalue는 0.0240으로 유의한 수준을 나타내었다. 정상점은 안 장점으로 분석 결과 돼지감자 분말 9.52%, 올리고당 70.37% 일 때 최고 4.98의 기호도를 가지는 것으로 나타났다. 향미 에서는 회귀곡선의 결정계수 R2=0.5634, p-value는 0.3020으 로 유의한 수준을 나타내지 않았으며 맛에서의 R2=0.9694로 높은 설명력을 보였으며 1%이내의 유의한 수준을 나타냈다. 맛에는 돼지감자 분말의 효과가 유의적으로 크게 나타나 돼 지감자 분말의 첨가량이 증가할수록 맛에 대한 기호도가 감 소하는 경향을 보였다. 질감에 대한 회귀곡선의 결정계수 R2=0.9569, p-value는 <.0001로 유의한 수준을 보였으며 돼 지감자 분말 9.53%, 올리고당 70.37%일 때 최고 4.43을 나 타내었다. 올리고당보다 돼지감자 분말의 첨가에 따른 영향 이 크게 나타났다. 전반적인 기호도는 회귀곡선의 결정계수 R2=0.8911, p-value는 p<.0001로 1%이내의 유의한 수준을 나타냈으며 머핀의 전체적인 기호도는 돼지감자 분말이 유 의하게 효과를 나타내며 돼지감자 분말이 증가할수록 기호 도는 감소하는 경향을 보였다. 따라서 밀가루 대체 돼지감자 분말과 올리고당을 첨가하였을 시 일정 비율 이상에서는 기 호도가 감소하는 것을 감안하고 돼지감자 분말 첨가 머핀에 대한 기호도가 양호하며 긍정적인 품질특성을 지닌 최적 비 율을 구하고자 하였다.
6.최적화
머핀의 최적화 접근은 Lee & Jang(2009)을 참고하여 독립 변수인 돼지감자 분말과 올리고당은 범위 내에서 돼지감자 분말과 올리고당은 최대로 하였다. 또한 외관, 맛, 향기, 질 감, 전체적인 기호도는 최대로 결정하여 모델화에 의해 결정 된 반응식을 이용하여 만족하는 수치점(numerical point을 예 측하였다<Table 6>. 예측된 최적값은 돼지감자 분말 10.99%, 올리고당 71.40%였다. 최적화의 다른 방법으로 높이, 부피, 수분함량, pH, 색도, 탄력성, 응집성, 관능항목(외관, 향미, 맛, 질감, 전체적인 기호도)의 모형을 이용한 모형적 최적화 (graphical opimizatin)는 <Figure 6>에 나타내었다. 모형적 최적화는 수치적 최적화와 달리 각 반응 모형 그래프의 중 첩이 되는 부분을 최적 범위로 정하였고, 결정된 최종화점은 desirability 0.693에 해당하는 돼지감자 분말 10.99%, 올리고 당 71.40%로 수치 최적화 점과 일치하였다. 이 경우 관능적 인 기호도(overlay plot)는 외관 4.84, 향미 4.45, 맛 4.61, 질감 4.22, 전체적인 기호도 4.52인 것으로 나타났다.
IV.요약 및 결론
돼지감자 분말과 올리고당의 기능적인 면을 활용한 머핀 제조조건의 최적화로 밀가루 대체 돼지감자 분말을 5, 15, 25%, 설탕 일부를 올리고당 25, 50, 75%로 대체하여 품질특 성을 조사하고 관능적 기호도 측면에서 최적화를 유도하였다
중심합성계획법을 이용하여 돼지감자 분말과 올리고당을 첨가한 머핀의 실험결과 높이, 수분함량, a값, b값, 탄력성, 응집성은 linear model이 채택되었으며 부피, pH와 L값은 quadratic model이 채택되었다. 무게와 경도, 씹힘성, 부서짐 성은 이차 회귀분석에 대한 설명력이 부족한 것으로 나타났 다. 관능검사 항목에서는 질감과 전체적인 기호도는 linear model, 외관, 향미, 맛에서는 quadratic model이 채택되었다. 돼지감자 분말이 첨가시 머핀의 높이와 수분함량, L값과 b 값은 감소되었으며 a값은 증가하였다. 물성특성에서는 탄력 성은 돼지감자 분말이 증가함에 따라 증가하였고 응집성은 감소하였다. 관능검사 결과 돼지감자 분말이 증가할수록 기 호도는 감소하였으며 수치적 최적화와 모형적 최적화 결과 를 통해 돼지감자 분말 10.99%, 올리고당 71.40%로 머핀 제조시 바람직할 것으로 사료된다.
