I. 서 론
전 세계적으로 고령화 사회 추세가 가속화됨에 따라, 고령 층의 건강 및 영양 관리가 중요한 사회적 과제로 대두되고 있다(Lee at al. 2020). 특히 우리나라는 65세 이상 인구가 매우 급격히 증가하고 있으며, 코로나 19 이후 고령층의 에 너지 섭취 비율과 영양 밀도가 감소하는 현상을 보여 고령 층을 대상으로 한 맞춤형 식품 개발의 필요성이 더욱 강조 되고 있다(Lee & Lee, 2023;Choi et al. 2024). 고령자는 치아의 저작 기능 저하와 소화 능력 감소로 인해 부드러운 식감을 지닌 음식을 선호하며, 이러한 식품은 고령자의 영양 상태 개선과 삶의 질 향상에 긍정적인 영향을 줄 수 있다 (Park et al. 2019;Lee et al. 2020). 영양소 중 단백질은 고령자에게 중요한 영양소로 면역 기능을 강화하고 상처 회 복력을 향상시켜, 고령자에서 흔히 발생하는 감염의 위험성 을 감소시키는 데 중요한 역할을 한다(Collins & Schnitzer 2013;Giacosa et al. 2024). 특히, 근감소증 예방에 핵심적 인 역할을 하는데 근감소증은 근육량과 근력이 줄어드는 것 이 원인이다. 따라서 고령자는 단백질을 적절히 섭취하여 근 육 단백질 합성을 촉진시켜 손실된 근육을 보충하고 근육량 유지하여야 한다(Nasso et al. 2024). 그러나 앞서 언급하였 듯이 고령자는 저작 및 삼킴 기능의 저하로 인해 육류 같은 단단하고 질긴 단백질 식품의 섭취가 어려울 뿐만 아니라 소 화 효율의 감소하여 단백질의 흡수율이 낮은 상태이다(Chae 2020). 이에 따라 고령자의 영양 섭취를 지원하면서 안전하 고 편리하게 섭취할 수 있는 식품의 개발이 중요한 연구 분 야로 자리 잡고 있다. 고령자를 위해서는 적절한 물성과 조 직감을 가져 저작이 용이한 고령친화식품이 필요하다(Gu et al. 2020). 이를 고려하여 한국산업표준에서는 식품의 경도에 따라 고령친화식품의 품질기준을 구분하고 있다. 1단계(경도 50,000-500,000 N/m2)는 치아로 섭취 가능하고, 2단계(경도 20,000-50,000 N/m2)는 잇몸으로 섭취 가능하고, 3단계(경도 20,000 N/m2 이하 또는 점도 1,500 mPa·S 이하)는 혀만으로 섭취 가능한 식품으로 구분되어 있다(KS 2022). 현재 시중 에서 판매 중인 고령친화식품에는 연하식, 유동식 및 젤리푸 드 등이 있는데, 그 중 젤리푸드는 겔화제의 종류와 첨가 비 율을 조절하여 고령자가 선호하는 조직감을 구현할 수 있어 고령친화식품으로 각광받고 있다(Gu et al. 2020;Lee et al. 2024).
쌀 단백질 함량은 약 7% 정도이며, 다른 곡류에 비해 필 수 아미노산의 조성과 함량이 우수하고 알레르기 유발 가능 성이 낮다는 장점이 있다(Amagliani et al. 2017;Lee et al. 2022;Jeon et al. 2024). 쌀 단백질의 주요 단백질인 불용성 글루텔린이 인해 낮은 용해도와 낮은 추출률을 가져 식품 산 업에서 활용이 제한적이었으나, 최근에는 쌀 단백질의 영양 을 유지하며 용해성과 추출률을 개선할 수 있는 가수분해, 초음파 및 초고압 처리 등의 방법 등이 연구되어 있다. 현재 영양 보충제, 스포츠 영양제, 유아식 등으로 다양하게 활용 되고 있어 고령친화식품 또한 적용 가능한 것으로 보인다(Ra et al. 2020;Yang et al. 2023). 특히 다당류 겔화제와 함께 사용할 경우 다당류의 네트워크 구조에 쌀 단백질이 결합하 여 안정적인 조직감을 형성하며, 첨가하는 양에 따라 경도와 탄력성 등의 조직감을 조절할 수 있어 용이하다(Banerjee & Bhattacharya 2012).
이에 본 연구에서는 단백질 강화와 고령자의 섭식 단계를 고려한 고령친화식품 개발을 위해 쌀 단백질과 겔화제 첨가 량을 달리하여 젤리를 제조하였다. 완성된 젤리의 품질특성 을 분석하고 반응표면분석법에 따라서 쌀 단백질 젤리의 최 적 배합비를 도출하여 젤리 제조 공정을 최적화하고자 하였 으며, 나아가 고령자 맞춤형 식품 개발에 기여하고자 하였다.
II. 재료 및 방법
1. 실험재료
본 연구에 사용된 포도즙(Organic Maru Co., Ltd., Gwangju, Korea), 백설탕(CJ CheilJedang Corp., Incheon, Korea), 로커 스트콩검(LBG Sicilia S.r.l., Sicily, Italy), 카라기난(Marcel Trading Corp., Manila, Philippines), 잔탄검(CP Kelco U.S., Inc., Atlanta, GA, USA), 구연산(ES Food Co., Ltd., Seongnam, Korea), 메타인산(Seodo BNI Co., Ltd., Hwaseong, Korea)은 시중에서 구입하여 사용하였다. 쌀 단백질 가수분해 물 제조에 사용한 NaOH, HCl, PBS, Protease는 Sigma- Aldrich Chemical Co.에서 구매하여 사용하였다.
2. 쌀 단백질 가수분해물 및 겔화제 제조
쌀 단백질은 Ra et al. (2020)의 방법을 참고하여 알칼리 추출법으로 추출하였으며, 예비 실험에서 쌀 단백질만 첨가 할 경우 젤리가 형성되지 않고 뭉글거리는 현상이 관찰되어 추출한 쌀 단백질을 가수분해하여 사용하였다<Figure 1>. 먼 저 단백질 추출을 위해 도정 후 탈지한 쌀가루(50±μm) 1 kg 과 0.2% NaOH 1.5 L를 1시간 동안 교반한 후, 8,000 rpm 으로 10분간 원심분리하여 상등액을 분리하였다. 단백질 침 전을 위해 상등액에 0.1 M HCl을 가하여 pH 4.5로 조정하 였다. 원심분리(8,000 rpm, 10분)하여 회수한 침전 단백질은 pH 7.0으로 중화하였고 3회 이상 반복해서 수세한 후, -70 °C에서 동결 건조하였다. 건조된 쌀 단백질을 PBS (10X phosphate buffer soline, 1:5, w/v)에 분산시키고 protease를 첨가한 후 55°C에서 60분간 가수분해하였다. 이후 온도를 올 려 30분간 95°C를 유지하며 효소반응을 중지시켰다. 그 다 음 얼음물에 10분간 냉각시킨 후 8,000 rpm으로 10분간 원 심분리하여 상등액을 분리하였다. 최종 가수분해물은 분리한 상등액을 동결 건조하여 사용하였다. 겔화제는 젤리의 겔 안 정성을 유지하고 이수 현상을 방지를 위해 잔탄검:로커스트 콩검:카라기난(1:1:1)을 혼합하여 사용하였다.
3. 실험 계획
고령자용 쌀 단백질 강화 젤리의 최적 조건을 위한 실험 디자인은 Minitab 18 (Minitab ver. 16.0, MINITAB, State College, PA, USA) 프로그램의 반응표면 분석을 사용하여 설계하였다. 예비 실험을 통해 쌀 단백질과 겔화제 첨가 비 율에 따라 젤리의 경도가 차이를 보이는 것을 확인하였고, 이를 바탕으로 쌀 단백질과 겔화제 첨가 비율을 최적화하기 위해 중심합성법을 기반으로 실험을 계획하였다. 겔화제(X1) 와 쌀 단백질(X2)를 독립변수로 설정하였으며, -1, 0, +1의 3단계로 부호화하였다. 겔화제와 쌀 단백질 첨가량은 여러 차례의 예비실험을 통해 고령친화식품 품질기준의 경도 2단 계인 20,000~50,000 N/m2 초과 범위에 해당하는 첨가량으로 설정하였다. 이에 따라 각 조건 별로 11개의 실험 조건이 설 계되었다<Table 1>. 종속변수로는 pH (Y1), 총산도(Y2), 당 도(Y3), 색도(L: Y4, a: Y5, b: Y6), 경도(Hardness: Y7)로 설정하였다. 이러한 실험 디자인을 통해 독립변수인 겔화제 와 쌀 단백질의 교호작용을 고려하여 각 독립변수의 1차 선 형 효과와 2차 곡선 효과를 모델에 포함시키기 위해 최소자 승법을 활용하여 회귀모델을 구축하였으며, 다음과 같은 형 태로 표현하였다.
식에서 Y는 종속변수를, β0는 회귀모델 상수를, β1, β2, β11, β22, β12는 회귀계수 상수를, ε은 오차항을 의미한다.
4. 고령친화 젤리의 제조
고령친화 젤리는 실험 디자인에 따라 결정된 배합비대로 제조하였다<Table 2>. 먼저, 로커스트콩검에 분량의 물 1/2 를 가하여 녹인 후 30초간 가열하였다. 이후 설탕, 잔탄검, 카라기난, 구연산, 메타인산, 그리고 나머지 물을 넣고 함께 용해시켰다. 여기에 쌀 단백질을 녹인 포도즙을 넣고 10분간 가열한 후, 성형 틀에 붓고 10분 동안 방랭하고 냉장(4°C)에 서 4시간 동안 굳혀 젤리를 완성하였다.
5. pH, 총산도 및 당도
젤리의 pH는 시료 20 g에 증류수 180 mL를 가하여 30분 간 균질화한 후 감압여과하여 얻은 여액을 pH meter (Star A211, Thermo Fisher Scientific, Inc., Waltham, MA, USA) 를 이용하여 측정하였으며, 총산도는 여액의 pH가 8.3에 이 를 때까지 1 N NaOH로 적정한 후, 적정량을 구연산(citric acid, %)으로 환산하여 나타내었다. 당도는 디지털 굴절계(HI 96801, Hanna Instruments, Inc., Smithfield, RI, USA)를 이용하여 측정하였다.
6. 색도
색도는 젤리의 단면을 색차계(UltraScan Pro, HunterLab, Inc., Reston, VA, USA)를 사용하여 명도(L: lightness), 적 색도(a: redness), 황색도(b: yellowness) 값을 측정하였다. 표 준 색판으로는 백색판(L=95.75, a=0.15, b=2.82)을 사용하 였다.
7. 경도
젤리의 경도는 한국산업표준(KS H 4897)의 고령친화식품 품질기준 2단계를 기준으로 측정하였다. Texture analyzer (TAXT plus, Zwickroell, Ulm, Germany)를 이용하였으며, 용기(Φ55×15 mm)에 담아 굳힌 그대로 측정하였다. 경도의 측정 조건은 Φ20 mm aluminum cylinder probe, pre-test speed 10 mm/sec, test speed 10 mm/sec, post-test speed 10 mm/sec, distance 10 mm이었다.
8. 통계분석
모든 실험은 3회 이상 반복하여 진행하였다. 실험 결과는 SPSS Statistics (ver. 27, IBM Corp, Armonk, NY, USA) 를 이용하여 평균과 표준편차로 나타내었다. 시료 간의 유의 성을 검증하기 위해 분산분석을 실시하였고, 시료별 평균값 에 대한 유의성은 Duncan’s multiple range test를 실시하여 분석하였다. 반응표면분석(Responce surface methodology; RSM)을 위해 Minitab 18 (Minitab ver. 16.0, MINITAB, State College, PA, USA)을 이용하였으며, 종속변수에 대한 이차 회귀모델을 도출하여 최적 조건을 설정하였다. 회귀모 델의 적합성은 F-test를 통해 검증하였다.
III. 결과 및 고찰
고령친화형 젤리 제조 시, 겔화제의 첨가 비율 증가에 따 라 3차원 네트워크 구조를 강화하여 젤리의 경도와 구조적 강성을 높이지만, 과도한 첨가는 오히려 물성 변화를 초래할 수 있어 최적 비율 설정이 필수적이다(Park et al. 2021). 단 백질 또한 마찬가지로 젤리의 경도와 구조적 안정성에 영향 을 미치며 더불어 색이나 투명도에도 영향을 줄 수 있다(Gu et al. 2020). 이를 고려하여 본 연구에서는 겔화제와 쌀 단 백질의 첨가 비율을 달리하여 젤리를 제조한 후, 반응표면분 석을 통해 그 특성을 분석하여 고령친화형 젤리의 최적 조 건을 확인하고자 하였다. 겔화제의 첨가 비율은 0.1, 0.2, 0.3%로 하였으며, 쌀 단백질 첨가 비율은 3, 6, 9%로 하였 다. 11개의 실험 조건에 대한 품질 특성 분석 결과는 <Table 3>, 각 특성 반응에 대한 회귀분석 결과는 <Table 4>와 같다. 독립변수와 종속변수 사이의 반응 관계를 파악하기 위한 3차 원 반응표면과 2차원 등고선도는 <Figure 2>에 제시하였다.
1. pH 및 총산도
고령친화형 젤리의 pH는 3.50~4.01의 범위를 보였으며, 겔 화제와 쌀 단백질의 첨가 비율이 증가할수록 값이 증가하는 결과를 보였다. 총산도는 0.33~0.58%의 범위를 보였으며, 겔 화제와 쌀 단백질의 첨가 비율이 증가할수록 값이 감소하는 결과를 보였다. 회귀분석 결과, pH와 총산도에 대한 Quadratic model의 신뢰성(R2)은 0.96 수준이었다(p<0.01). 회귀모델의 적합성을 나타내는 F-value값이 각각 25.69, 32.16이고, Prob>F값이 0.001로 0.05보다 작기 때문에 적합하다고 판단 하였다. 회귀모델로부터 도출한 3차원 반응표면과 2차원 등 고선도 분석 결과, pH는 겔화제의 영향을 많이 받아 첨가 비 율이 증가할수록 값이 증가하였다. 총산도는 쌀 단백질의 영 향을 많이 받는 것으로 나타났으며, pH와 달리 쌀 단백질 첨 가 비율이 증가할수록 값이 감소하였다. 일반적으로 겔화제 는 대부분 약알칼리를 띨 뿐만 아니라 용액 내에서 pH 완층 작용을 하는 것으로 알려져 있다(Das et al. 2015). 또한 쌀 단백질에 포함된 아르기닌과 히스티딘 등 염기성 아미노산 의 아미노기(-NH2)는 용액 내 수소 이온(H+)과 결합하여 pH 변화에 영향을 줄 수 있다(Kang et al. 2015). Park et al. (2018)의 연구에서도 혼합겔화제의 첨가량이 증가할수록 복 숭아 젤리의 pH는 증가하고 총산도는 감소하여 본 연구와 같은 결과를 보인 바 있다.
2. 당도
고령친화형 젤리의 당도는 34.67~50.33°Brix의 범위를 보 였다. 회귀분석 결과, 당도에 대한 Quadratic model의 신뢰 성(R2)은 0.99 수준이었다(p<0.001). 회귀모델의 적합성을 나 타내는 F-value값이 113.64이고, Prob>F값이 0.000로 높은 적합성을 나타내었다. 회귀모델과 회귀모델로부터 도출한 3 차원 반응표면과 2차원 등고선도 분석 결과, 겔화제의 첨가 비율이 특정 수준을 넘을 경우 당도가 더 큰 폭으로 감소하 는 비선형적 관계를 나타내었다. 이는 겔화제가 높을 비율로 첨가 시 수분 함유량이 증가하여 상대적으로 당도가 낮아지 는 것이라 판단되었다(Riquelme et al. 2023). 겔화제의 영향 보다 미비하였지만 쌀 단백질 첨가 비율이 증가할수록 당도 가 낮아졌으며, 마찬가지로 단백질 분자가 수분을 흡수하여 당도가 희석되어 보인 결과라 판단되었다(Semenova et al. 2002).
3. 색도
고령친화형 젤리의 명도(L)는 25.85~41.25의 범위를 보였 으며, 겔화제와 쌀 단백질의 첨가 비율이 증가할수록 값이 증가하였다. 회귀분석 결과, 명도(L)에 대한 Quadratic model 의 신뢰성(R2)은 0.97 수준이었다(p<0.01). 회귀모델의 적합 성을 나타내는 F-value값이 45.78이고, Prob>F값이 0.000으 로 매우 높은 적합성을 나타내었다. 회귀모델과 회귀모델로 부터 도출한 3차원 반응표면과 2차원 등고선도 분석 결과, 겔화제와 쌀 단백질 모두 명도(L)에 양의 영향을 미치는 것 으로 나타났다. 겔화제로 사용된 잔탄검, 로커스트콩검, 카라 기난은 젤리의 색상과 투명도를 안정적으로 유지하는 것으 로 알려져 있다(Kim et al. 2020). 그러나 과도한 비율로 첨 가될 경우 탁도가 증가할 수 있어 적정 비율로 첨가하는 것 이 중요하다(Park et al. 2018). 쌀 단백질의 경우, 첨가 비율 이 증가할수록 제품의 명도가 감소한다고 보고되었으나(Ra et al. 2020), 본 연구에서는 겔화제와의 상호작용으로 인해 명도에 영향을 미친 것으로 보인다. 쌀 단백질과 겔화제 내 다당류가 결합하여 겔 네트워크가 형성되면 빛을 흡수하는 정도보다 반사하는 정도가 강해져 명도가 증가할 수 있다 (Zhang et al. 2019). 적색도(a)는 8.73~13.37의 범위를 보였 고, 겔화제 첨가 비율이 높을수록, 쌀 단백질 첨가 비율이 낮 을수록 값이 증가 경향을 나타내었다. 회귀분석 결과, 적색 도(a)에 대한 Quadratic model의 신뢰성(R2)은 0.92 수준이 었다(p<0.01). 회귀모델의 적합성을 나타내는 F-value값이 36.67이고, Prob>F값이 0.001이기 때문에 적합하다고 판단하 였다. 회귀모델과 회귀모델로부터 도출한 3차원 반응표면과 2차원 등고선도 분석 결과, 적색도(a)은 겔화제 영향을 많이 받는 것으로 나타났다. 황색도(b)는 3.51~8.47의 범위를 보였 고, 쌀 단백질 첨가 비율이 높을수록 값이 큰 결과를 나타내 었다. 회귀분석 결과, 황색도(b)에 대한 Quadratic model의 신뢰성(R2)은 0.97 수준이었다(p<0.01). 회귀모델의 적합성을 나타내는 F-value값이 44.78이고, Prob>F값이 0.000으로 매 우 높은 적합성을 나타내었다. 회귀모델로부터 도출한 Response surface 분석 결과, 황색도(b)은 쌀 단백질의 영향 을 많이 받는 것으로 나타났다. 이는 쌀 단백질의 지닌 고유 색이 발현되어 나타난 현상이라 생각된다. Ra et al. (2020) 의 연구에서도 쌀 단백질 첨가량이 증가할수록 어묵의 b값 이 낮아져 본 연구와 유사한 결과가 보고된 바 있다.
4. 경도
고령친화형 젤리의 경도는 3,423~58,110 N/m2의 범위를 보였으며, 겔화제의 첨가 비율이 증가할수록 값이 증가하는 경향을 보였다. 쌀 단백질의 경우, 6%까지는 쌀 단백질 첨 가 비율 증가에 따라 경도 값이 증가하였으나, 9% 첨가하였 을 때는 경도가 급격히 낮아지는 결과를 보였다. 회귀분석 결과, 경도에 대한 Quadratic model의 신뢰성(R2)은 0.89 수 준이었다. 회귀모델의 적합성을 나타내는 F-value값이 8.39 이고, Prob>F값이 0.018로 0.05보다 작기 때문에 적합하다 고 판단하였다. 겔화제는 젤리의 경도를 조절하는 주요 요인 으로 첨가 비율이 높아질수록 젤리의 경도는 증가한다. 쌀 단백질 또한 자체적으로 결합력을 지니고 있어 젤리의 경도 와 같은 물성에 영향을 줄 수 있다. 일반적으로 단백질 첨가 량이 높을수록 경도가 증가하는 것으로 알려져 있다(Shin 2019). 겔화제와 단백질을 함께 첨가할 경우 겔화제의 네트 워크 구조에 단백질이 결합되면서 경도가 증가하고 안정적 인 구조를 형성하게 된다(Gu et al. 2020). 그러나 첨가되는 단백질 첨가량이 과하게 되면 단백질 분자들이 서로 응집하 여 겔화제와의 상호작용을 방해할 수 있다. 또한 단백질 분 자가 수분을 과도하게 흡수하여 겔화제가 충분히 발휘되지 않아 젤리의 구조가 약해지고 경도가 감소하게 된다(Nath et al. 2022). 이러한 이유로 본 연구에서도 쌀 단백질을 9% 첨 가하였을 때 3%와 6%를 첨가하였을 때보다 경도가 낮게 측 정된 것이라 판단된다.
5. 최적화 분석 및 검증
각 변수로부터 도출된 회귀식을 바탕으로 Minitab의 반응 최적화 만족도 함수를 이용해 최적 조건을 만족하는 주재료 첨가 비율을 예측하였다. 겔화제 및 쌀 단백질 첨가 비율 예 측 결과는 <Table 5>와 같다. 고령친화형 젤리 최적 배합비 는 겔화제 0.16%, 쌀 단백질 6.41%로 도출되었다. 도출된 최적 비율 조건으로 배합하였을 때, 예측되는 고령자용 젤리 의 pH 3.7, 총산 0.49%, 당도 41.87°Brix, 명도(L) 34.96, 적색도(a) 값 9.85, 황색도(b) 5.96, 경도 35,000 N/m2이었다. 도출된 최적 배합비 조건에 따라 젤리를 제조한 후 품질 특 성을 분석한 결과, 예측 값과 비교하여 모든 반응 값이 95% 예측 구간 안에 해당하는 것을 확인하였으며, 이러한 결과 반응표면분석을 통해 도출된 각 반응 별 회귀모델이 적합한 것으로 판단하였다.
IV. 요약 및 결론
본 연구에서는 겔화제와 쌀 단백질을 활용하여 한국산업 표준 고령친화식품의 경도 기준 2단계에 해당하는 고형친화 형 젤리를 제조하기 위한 최적의 첨가 비율 조건을 찾고자 하였다. 이를 위해 반응표면분석법으로 겔화제(X1: 0.1~ 0.3%), 쌀 단백질(X2: 3~9%)를 독립변수로 설정하였으며, pH (Y1), 총산도(Y2), 당도(Y3), 색도(L: Y4, a: Y5, b: Y6), 경도(Hardness: Y7)를 종속변수로 설정하였다. Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, Y7의 R2 값이 0.89~0.99 (p<0.05)로 회귀 모델 의 높은 신뢰도를 확인하였다. 젤리 제조 후 특성 분석 결과, pH는 겔화제와 단백질 첨가 비율이 증가할수록 증가하고, 총 산도는 감소했으며, 당도는 겔화제 첨가량에 따라 비선형적 으로 감소하는 경향을 보였다. 또한, 겔화제와 쌀 단백질의 첨가 비율에 따라 명도(L)와 황색도(b)에서 유의미한 차이를 나타내었다. 쌀 단백질 6%와 겔화제 0.3%에서 최대 경도 값 을 보였다가 쌀 단백질 첨가 비율이 과도하면 오히려 감소 하는 결과를 보였다. 반응표면분석 결과, 고령친화형 젤리의 최적 배합은 겔화제 0.16%, 쌀 단백질 6.41%로 나타났으며, 이 조건에서 모든 반응 변수 값이 예측 구간 내에 포함되어 회귀모델의 적합성을 확인할 수 있었다. 본 연구 결과를 토 대로 향후 고령층을 대상으로 한 소비자 기호도 검사 등 감 각 특성을 평가하여 실제 고령층의 선호도를 확인할 필요가 있다. 아울러 다른 겔화제나 단백질에 적용하여 추가적인 연 구를 진행한다면 다양한 고령친화형 제품 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.