I. 서 론

쌀은 우리나라에서 주식으로 이용되는 중요한 작물이나 최 근 식생활의 변화로 인해 빵이나 면류와 같은 간편식의 소 비가 늘어나면서 쌀의 소비량은 감소하는 추세이다(Kim et al. 2009). 국내에서는 쌀소비 촉진을 위하여 고품질의 취반 용 쌀품종 및 가공용 쌀 품종이 개발되고 있으나, 가공하지 않은 쌀과 쌀가루는 산업 분야에서 활용이 제한적이다. 쌀 품종을 다양하게 활용하고 쌀가공품의 품질을 개선하기 위 해서는 가공품의 중간소재로 활용될 수 있는 쌀가루의 가공 적성이 향상되어야 한다. 쌀가루의 특성을 향상시킬 목적으 로 국내의 여러 연구에서 습식제분 쌀가루의 손상전분 감소, 노화감소 등의 가공적성을 향상을 보고하였다(Lee & Lee 2006;Han et al. 2012). 최근에는 습식제분 시 소요되는 시 간과 비용을 절감하기 위하여 수침과정 없이 밀가루와 유사 한 제분특성을 갖는 쌀가루 전용 품종이 개발되었으며, 이들 품종에 대한 다양한 정보가 필요한 시점이다.

건열처리는 전분과립의 구조를 파괴하지 않고 전분의 특 성을 변성시키는 단순하고 안전한 변성전분 가공방법으로 최 근 많은 관심을 받고 있다. 쌀의 가공성을 향상시키기 위하 여 화학물질 첨가, 가열 등의 방법으로 특성을 변화시킨 변 성전분은 전분입자의 안정화, 노화 감소, 호화 특성과 겔의 질감 개선 등의 효과로 인해 산업적으로 활용되고 있다(Oh et al. 2018). 전분의 변성은 가교화(Choi et al. 2006)와 아 세틸화(Sodhi & Singh 2005)와 같은 화학적 변성방법이 널 리 사용되고 있으며, 화학적 변성 이외에 압출성형(Kim et al. 2012), 드럼건조 방식(Kum et al. 1994)을 이용한 호화, annealing (Lee et al. 2004), 수분-열처리(Lee & Shin 2006), 건열처리(Oh et al. 2018) 등과 같은 물리적 변성이 연구되 었다. 물리적 처리를 이용한 변성전분은 처리 조건에 따라 여러 가지 기능성을 얻을 수 있으며 다양한 식품에 보다 안 전하게 사용할 수 있어 식품산업에서 선호되고 있다. Qiu et al. (2015)는 건열처리 후 찹쌀전분과 찹쌀가루의 최고점도 증가 및 겔구조가 강화되었고, 찹쌀전분에 비해 찹쌀가루에 서 건열처리의 영향을 더 받았으며, 고점도 제품에서 건열처 리 찹쌀가루가 활용될 수 있다고 하였다. 이외에 건열처리에 대한 선행연구로는 기장전분(Sun et al. 2014), 옥수수전분 (Suh et al. 1992;Zou et al. 2019), 고아밀로스 쌀전분(Oh et al. 2018), 카사바전분(Chandanasree et al. 2016) 등이 보고되었으나 전분에 관한 연구들이 대부분이며, 쌀가루를 활용한 연구는 전무한 실정이다.

본 연구에서는 우리나라에 생산되고 있는 중간아밀로스 품 종 중에서 신동진 품종과 수원 542품종을 이용하였다. 두 품 종은 아밀로스 및 단백질 함량은 유사하나, 곡물의 경도는 신동진 품종이 6.4 kg, 수원 542품종이 3.29 kg으로 일반 메 벼 품종인 신동진에 비해 수원 542품종에서 현저하게 낮은 특징을 보이는 것으로 보고되었다(NICS 2015;NICS 2016). 신동진 품종은 2018년 기준 우리나라에서 가장 많이 재배되 고 있는 품종으로 밥맛이 좋아 밥쌀로 주로 소비되고 있고, 쌀알의 크기가 커서 취반 후 씹는 식감이 우수하며, 볶음밥, 초밥, 덮밥류에 활용도가 높으나 이외의 용도로는 활용되지 못하고 있다(Wikipia 2019). 수원 542품종은 습식제분을 전 제로 하는 쌀가루 산업의 한계를 극복하기 위하여 낮은 곡 물경도와 제분이 용이한 분질배유 특성을 가진 건식제분에 적합한 가공용 쌀 품종이다(NICS 2016). 수원542호의 곡물 경도는 건식제분으로 인한 비용절감 및 우수한 제분특성은 제빵, 제과 및 제면 등의 밀 기반 가공제품에서 밀가루 대체 제로의 활용과 양조 및 음료 등의 가공식품 분야에서 다양 하게 이용될 수 있을 것으로 예측되고 있으나, 가공적성 향 상을 위한 연구는 전무한 실정이다. 따라서 국내산 쌀의 다 양한 활용을 위하여 밥쌀용 신동진 품종과 쌀가루 전용 품 종인 수원 542품종을 건열처리한 후 쌀 품종과 건열처리에 따른 쌀가루의 이화학적 특성을 비교분석하여 쌀가공산업의 기초자료를 제공하고자 하였다.

II. 연구내용 및 방법

1. 실험재료

본 연구에서 사용한 쌀품종은 경질미인 신동진 품종과 분 질미인 수원 542품종이며, 전남농업기술원(Naju, Korea)에서 2018에 수확한 것을 제공 받아 백미로 도정(FC2K, Yamamoto Co., Yamagata, Japan)한 후 기류식 분쇄기(DM-150S, Furukawa Co., Tokyo, Japan)로 분쇄하여 시료로 사용하였다. 분쇄 후 신종진 품종과 수원 542 쌀가루의 수분함량은 각각 9.09, 9.05%이고, 아밀로스 함량은 각각 18.77, 18.60%이었다.

2. 쌀가루의 건열처리

쌀가루는 Sun et al. (2014)의 방법에 따라 건열처리하였다. 즉 기류분쇄한 신동진과 수원 542품종 쌀가루를 건조오븐 (OF-W155, Daihan Scientific Co., Wonju, Korea)을 이용 하여 130°C에서 2시간과 4시간 동안 가열하였다. 건열처리 된 쌀가루는 외부 습도의 영향을 받지 않도록 진공팩으로 밀 봉하였고, 처리되지 않은 쌀가루를 대조구로 사용하였다.

3. 색도

쌀가루의 색도 측정은 표준백색판(L: 91.70, a: 0.58, b: 2.69)으로 보정된 색차계(JC 801S, Color Techno System Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 Hunter’s value L (lightness), a (redness), b (yellowness) 값을 측정하였다.

4. 수분흡수지수 및 수분용해지수 측정

건열처리 쌀가루의 수분흡수지수(water absorption index, WAI)는 쌀가루 3 g과 증류수 30 mL를 원심분리관에 넣고 30분간 진탕 교반한 후, 원심분리기(MF 600R, Hanil Electric Co., Seoul, Korea)를 이용하여 3,000 rpm에서 30분간 원심 분리 하였다. 상등액을 제외한 침전물의 무게를 평량하여 시 료 g당 흡수된 수분함량을 수분흡수지수로 계산하였다. 수분 용해지수(water solubility index, WSI)는 수분용해지수 측정 시 회수한 상등액을 증발접시에 옮긴 후, 105°C의 건조오븐 (HB-502L, Hanbaek Co., Bucheon, Korea)에서 건조시켜 얻어진 고형분의 무게를 시료에 대한 백분율(%)로 나타내었다.

5. 팽윤력 및 용해도 측정

쌀가루의 팽윤력과 용해도는 Schoch의 방법(1964)에 의하 여 측정하였다. 즉 쌀가루 0.5 g을 30 mL의 증류수에 분산시 킨 후 50-80°C까지 10°C 간격으로 30분간 가열하였다. 가열 한 쌀가루 현탁액을 3,000 rpm으로 30분간 원심분리 한 후 상등액과 침전물을 분리하여 침전물의 무게를 측정하였고, 상등액은 105°C에서 6시간 건조시켜 가용성 전분의 무게를 측정하였다. 측정 후 아래의 식에 의하여 팽윤력과 용해도를 각각 구하였다.

6. 호화특성 측정

쌀가루의 호화특성은 Micro Visco-Amylograph (Brabender Measurement & Control System, Duisburg, Germany)를 사용하여 측정하였다. 쌀가루 현탁액은 쌀가루 10 g에 증류 수 90 mL를 가하여 혼합한 다음, 30°C에서 10분간 교반한 후, 가열속도 5.0°C/min, 회전속도 250 rpm 조건으로 95°C까 지 가열하고 15분간 유지한 후, 5.0°C/min 속도로 50°C까지 냉각하였다. 측정된 amylograph로부터 호화개시온도, 최고점 도, 95°C에서 5분 유지한 후의 점도, 냉각점도, 강하점도 (breakdown), 치반점도(setback) 등의 amylogram 특성 값을 구하였다.

7. 입자형태 관찰

주사전자현미경(SEM, scanning electron microscopy, JSM-7610F Plus, JEOL Ltd, Tokyo, Japan)를 사용하여 가 속전압 1 kV의 전압 조건에서 300배의 배율로 쌀가루의 입 자형태를 관찰하였다.

8. X-회절도 측정

건열처리 쌀가루의 X-선 회절패턴 분석은 X-선 회절기(DMAX- 1200, Rigaku Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 분석하 였고, target: Cu-Ka, filter: Ni, voltage: 35 KV, current: 15 mA, time constant: 1 sec, F.S.R: 1×10³ CPS 조건으로 회절각도(2θ) 5-40°까지 회절시켜 측정하였다.

9. 통계처리

본 연구의 결과는 SPSS 20.0 (IBM, Armonk, NY, USA) 를 이용하여 분석하였다. 측정값은 평균 및 표준편차로 나타 내었고, two-way ANOVA를 이용하여 쌀 품종 및 건열처리 가 쌀가루의 품질특성에 미치는 영향과 쌀 품종 및 건열처 리 간에 상호작용 효과를 비교하였다. 각 쌀 품종에서 건열 처리 시간의 차이를 비교하기 위해 one-way ANOVA를 실 시하였고, Duncan’s multiple range test로 사후 검정하였으 며, 모든 통계는 95% 유의수준에서 검증하였다.

III. 결과 및 고찰

1. 색도

건열처리한 경질미와 분질미 쌀가루의 색도를 측정한 결 과는 <Table 1>과 같다. 쌀가루의 L값은 95.38-97.17로 분 질미에 비해 경질미에서 높았고, 건열처리 시간이 길어질수 록 유의적으로 감소하였다. a값은 −1.00-0.56로 경질미에서 만 건열처리에 따른 유의한 차이를 보였다. b값은 경질미에 서 4.51-11.50, 분질미에서 6.66-10.62로 경질미에서 건열처 리 후 b값의 감소폭이 크게 나타났다. 쌀가루의 색도는 건열 처리 후 L값은 감소하고 b값은 증가하였고, 이러한 경향은 분질미에 비해 경질미 쌀가루에서 더 크게 나타났다. 쌀가루 의 색도는 쌀 품종과 건열처리 시간에 따라 유의한 차이를 보였고, 쌀 품종과 건열처리 시간 간의 상호작용 효과도 유 의하게 나타났다. 건열처리에 따른 쌀가루의 색도 변화는 높 은 열에 의해 전분의 일부가 분해되면서 덱스트린이나 환원 당을 생성하여 갈변화 현상이 일어났기 때문으로 생각된다. Su et al. (2018)도 건열처리 후 쌀전분의 L값은 감소하고 b 값은 증가하여 건열처리에 의해 변성된 전분의 색은 처리 전 에 비해 황색을 띠었다고 하였고, Gonzalez et al. (2021)도 유사한 결과를 보고하였다.

2. 수분흡수지수 및 수분용해지수

건열처리한 경질미와 분질미 쌀가루의 수분흡수지수 및 수 분용해지수를 측정한 결과는 <Table 1>과 같다. 수분흡수지 수는 경질미와 분질미 쌀가루에서 각각 1.25-1.59, 1.04-1.50 으로 경질미 쌀가루에서 높았고, 건열처리 시간이 길어질수 록 증가하였다. 수분용해지수는 경질미와 분질미 쌀가루에서 각각 1.62-1.78, 2.61-3.09로 분질미에서 높았고, 건열처리 2 시간까지는 처리 전과 비교하여 유의한 차이는 없었으나, 건 열처리 4시간에서 경질미와 분질미 모두 증가하는 경향을 보 였다. 수분흡수지수 및 수분용해지수는 쌀 품종과 건열처리 시간에 따라 유의한 차이를 보였고, 두 요인간의 상호작용 효과가 나타났다. 수분흡수지수는 전분과립 내부나 표면에 흡수되는 물의 양으로 물의 흡수가 어려운 결정 구조에서는 낮은 값을 나타내고 무정형 구조에서는 상대적으로 높은 수 분 결합력을 보인다. 따라서 수분흡수지수는 전분 구조의 무 정형 정도와 호화정도를 간접적으로 나타낼 수 있으며, < Figure3>의 건열처리에 의해 X-선 회절피크가 감소한 결 과와도 연관된 결과로 생각된다. Lee et al. (2012)은 가용성 전분의 양, 품종 및 가공조건에 의해 수분용해지수는 영향을 받고, 아밀로펙틴의 함량이 높은 전분 과립에서는 수소결합 이 쉽게 약화될 수 있으나, 아밀로스 함량이 유사한 품종 간 에도 수분흡수지수 및 수분용해지수의 차이를 보였다고 하 였다. 본 연구에서도 경질미와 분질미의 아밀로스 함량은 유 사하였으나, 수분흡수지수 및 수분용해지수 값은 건열처리 전과 후 모두 차이를 보였으며, 건열처리에 따른 수분흡수지 수 및 수분용해지수의 증가폭은 분질미에서 더 크게 나타났 다. 이는 쌀의 배유구조에 따른 결과에서 기인한 것으로 성 긴 배유를 가진 분질미는 치밀한 배유 특성을 가진 경질미 에 비해 열과 수분 흡수가 용이한 구조를 가지고 있어 건열 처리 후 쌀가루 입자가 호화되고 무정형 영역이 증가되어 수 분흡수 및 용해도가 더욱 증가한 것으로 생각된다. 죽류, 스 프류 및 소스류 등의 식품에서 건열처리에 따른 수분흡수지 수 및 수분용해지수 증가는 제품의 배합비, 제조공정 및 품 질특성 등에 영향을 줄 수 있을 것으로 판단된다. 이 외에도 떡류, 이유식류와 같은 식품산업을 포함한 쌀가루를 부재료 로 이용하는 의약품 및 화장품 산업분야에서 건열처리에 따 른 쌀가루의 수분흡수지수 및 수분용해지수 특성은 가공공 정과 최종제품의 특성에 중요한 요인으로 작용할 수 있으며, 품종과 가공조건에 따른 더 깊이 있는 연구가 필요할 것으 로 생각된다.

3. 팽윤력 및 용해도

건열처리한 경질미와 분질미 쌀가루를 50-80°C 조건에서 팽윤력 및 용해도를 측정한 결과는 < Figure1>및 <Table 2>와 같다. 팽윤력과 용해도는 경질미와 분질미 모두 건열처 리 시간이 길어질수록 증가하였고, 온도가 상승함에 따라 증 가하였다. 팽윤력은 경질미에서, 용해도는 분질미에서 유의 적으로 높은 경향을 보였으며, 이는 수분흡수지수 및 수분용 해지수의 결과와도 유사하였다. 쌀 품종과 건열처리 시간에 대한 팽윤력과 용해도의 차이를 알아보기 위해 two-way ANOVA를 수행한 결과, 쌀 품종과 건열처리 시간에 따라 팽 윤력과 용해도의 유의한 차이를 보였으나, 70-80°C에서는 쌀 품종과 건열처리 시간의 상호작용효과는 나타나지 않았다. Oh et al. (2018)의 건열처리 고아밀로스 쌀전분의 특성 연구 에서도 110 및 130°C의 건열처리 조건에서 팽윤력은 크게 증가하였고, 가열온도와 시간에 따라 더 높은 수준의 용해도 를 나타냈다. Hung et al. (2014)은 전분의 용해도 증가는 산과 열 가수분해에 의해 생성된 단쇄아밀로스의 양이 증가 하여 팽윤 과정 중 과립에서 쉽게 해리되고 확산되기 때문 이라고 하였다. 수분-열처리는 아밀로스와 아밀로펙틴이 상 호작용하여 분자 내 결합을 강화하고, 아밀로스-지질 복합체 를 형성하여 전분의 팽윤력을 감소시킨다고하여 열처리 방 법에 따라 팽윤력과 용해도 특성이 상이함을 보고하였다. 본 연구에서 전분 알갱이가 성글게 배열된 분질배유 특성을 가 진 분질미는 분쇄 시 경질미에 비해 더 작은 입자로 분쇄되 고, 건열처리에 의해 균열되어 파괴된 쌀가루 입자들은 팽윤 과정에서 입자 내부로의 수분 침투가 용이하고 수소결합이 약해져 용해도가 증가된 것으로 생각된다.

4. 호화특성

건열처리한 경질미와 분질미 쌀가루의 호화특성을 측정한 결과는 <Table 3>과 같다. 최고점도는 경질미와 분질미에서 각각 429.60-722.60, 535.00-546.80 BU이었고, 최고점도 시 온도는 각각 86.46-91.00, 87.78-91.20°C이었다. 건열처리 후 최고점도는 경질미에서 유의적으로 감소하는 경향을 보였고, 분질미에서는 건열처리 2시간 후 가장 높았고 이후로 감소 하였으며, 최고점도 시 온도는 증가하였으며, 쌀품종 및 건 열처리 시간에 따라 차이를 보였다. 95°C에서 15분간 지속 한 최저 점도와 50°C에서 측정한 냉각점도는 경질미와 분질 미 간에 차이를 보여 쌀 품종에 영향을 받는 것으로 나타났 고, 건열처리 후 유의적으로 증가하였다. 최고점도와 최저점 도의 차이를 측정한 강하점도(breakdown)는 호화액의 안정 성을 나타내는 값으로 건열처리 전 경질미에서 높았으나, 건 열처리 후 분질미에서 높게 나타나 쌀 품종 간에 차이를 보 였으며, 건열처리 시간이 길어질수록 유의적으로 감소하였다. 냉각점도와 최저점도의 차이를 측정한 치반점도(setback)는 노화 안정성을 나타내는 값으로 건열처리 시간이 길어질수 록 유의적으로 증가하였고, 건열처리 후 분질미에서 높게 나 타나 쌀 품종 간에 차이를 보였다(p<0.001). 강하점도 (breakdown)의 감소는 전분이 고온 및 전단에 대한 저항성 이 높고 호화액의 안정성이 높음을 나타낸다. 건열처리에 의 해 화학적 가교에 의해 변형된 전분과 유사한 기능성이 가 질 수 있으며, 온도 변화에서 일정한 점도를 유지할 수 있는 쌀가루의 특성은 가공공정에서 장점으로 작용할 수 있다. 치 반점도(setback)는 냉각 중 점도의 증가에 따른 아밀로스 분 자의 응집에 의해 나타나고(Olu-Owolabi et al. 2011), 건열 처리 쌀가루의 높은 냉각점도는 산업 분야의 응용에서 고점 도 제품에 전분을 대체하여 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

5. 입자형태

주사전자현미경을 이용하여 건열처리한 경질미와 분질미 쌀가루의 입자형태를 관찰한 결과는 < Figure2>와 같다. 경 질미에 비해 분질미 쌀가루에서 입자크기가 더 작았고, 크기 와 모양도 균일하였다. 건열처리 후 쌀가루 입자는 입부 입 자에서 균열이 관찰되었고, 미세입자와 함께 덩어리를 형성 하였으며, 이러한 경향은 분질미에서 두드러지게 나타났다. 이는 건열처리 과정 중 미세입자와 비전분물질들이 쌀가루 입자와 상호작용하여 쌀가루 입자 표면에 부착된 것일 수 있 다. Chandanasree et al. (2016)은 건열처리한 카사바 전분에 서 응집체의 형성이 관찰되었고, 가열에 의한 아밀로스 침출 로 인하여 부분적으로 균열이 발생하였다고 하였다. González et al. (2021)도 밀전분은 높은 온도에서 단백질 매 트릭스에 의해 결합된 응집구조를 보였고, 표면 손상은 낮은 수분환경에서의 건열처리에 의한 호화, 열적 파괴 및 용융에 서 기인한 효과라고 하였다. 본 연구에서 분쇄에 용이한 구 조를 가진 분질미는 작은 입자로 분쇄됨에 따라 열에 반응 하는 입자의 표면적이 넓고, 입자 중심부까지 열이 빠르게 전달되어 경질미에 비해 균열과 미세입자가 더 많이 관찰된 것으로 생각된다.

6. X-선 회절도

건열처리한 경질미와 분질미 쌀가루의 X-선 회절패턴을 측 정한 결과는 < Figure3>과 같다. 전분의 결정구조는 아밀로 펙틴 측쇄의 배열과 이중나선의 형성에 따라 A, B, C형으로 분류된다. 경질미와 분질미 쌀가루는 15, 17, 18 및 23°에서 강한 피크를 형성하는 전형적인 A형 패턴이었고, 이러한 회 절패턴은 건열처리 이후에도 변하지 않았다. 이는 건열처리 에 의해 쌀가루의 결정 유형이 변화하지 않았음을 나타내며, Suh et al. (1992), Dutta et al. (2015), Oh et al. (2018), González et al. (2021)의 연구와도 일치하였다. 그러나 경질 미와 분질미 모두 건열처리에 의해 회절강도가 감소하였고, 건열처리 시간이 길어질수록 더 감소하는 경향을 보였다. 일 반적으로 결정성은 결정 크기, 결정도의 양, 이중 나선의 방 향 및 이중 나선 간의 상호 작용 정도에 기인 할 수 있다 (Zhou et al. 2014). Jin & Xu (2020)은 열에 의해 전분 구 조의 분지점의 무정형 및 결정형 영역이 파괴되어 결정성이 감소된다고 하였다. Sun et al. (2014)의 연구에서도 건열처 리 후에도 기장전분과 가루의 회절패턴은 A형의 패턴 양상 을 보여 변화하지 않았으나, 건열처리 시간에 따라 회절강도 는 감소하였고, 호화에 필요한 열량을 나타내는 호화엔탈피 를 감소시킬 수 있다고 하였다. 이는 본 연구와 일치하는 결 과로 쌀가루의 건열처리에 의한 결정형 영역의 붕괴는 전분 의 호화에 필요한 에너지를 절감하는데 기여할 수 있을 것 으로 생각된다.

IV. 요약 및 결론

본 연구에서는 쌀가루의 가공적성 향상을 위하여 분질미 와 경질미를 건열처리하여 이화학적 특성을 조사하였다. 쌀 가루는 130°C에서 0, 2 및 4시간 동안 가열되었고, 색도, WAI, WSI, 팽윤력, 용해도, 호화특성, SEM을 이용한 입자 형태, X-선 회절도를 측정하였다. 건열처리에 의해 쌀가루의 L값은 감소하였고, b값은 증가하였다. WAI, WSI, 팽윤력 및 용해도는 경질미와 분질미 모두 건열처리 시간이 길어짐에 따라 증가하는 경향을 보였고, WAI 및 팽윤력은 경질미에서 높았으며, WSI 및 용해도는 분질미에서 높았다. 건열처리 후, 냉각점도와 setback은 증가하였고, breakdown은 감소하였다. 쌀가루 입자는 균열이 관찰되었고, 미세입자와 함께 덩어리 를 형성하였다. X-선 회절패턴은 A형으로 변화하지 않았으 나, 건열처리 시간이 길어질수록 회절 강도는 감소하였다. 본 연구의 결과에서 건열처리에 따른 쌀가루의 이화학적 특성 들은 경질미와 분질미 간에 차이를 보였고, 건열처리 시간의 영향을 받았다. 건열처리에 따른 경질미 및 분질미 쌀가루의 특성 변화는 죽류, 소스류, 이유식 및 과자류 등의 식품 산 업에서 다양하게 활용될 수 있다. 향후 다양한 용도의 쌀가 루를 개발하기 위해서 쌀품종 및 가공방법에 대한 지속적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.