J Korean Soc Food Sci Nutr 한국식품영양과학회지 39(4), 542~547(2010) DOI: 10.3746/jkfn.2010.39.4.542 색깔이다른대서와보라밸리감자전분의이화학적특성 이재순 1 최미경 2 문은영 1 강명화 1 1 호서대학교식품영양학과 2 공주대학교식품영양학과 Physico-Chemical Properties of Starches from and Potato Cultivar with Different Colors Jae-Soon Lee 1, Mi-Kyeong Choi 2, Eun-Young Moon 1, and Myung-Hwa Kang 1 1 Dept. of Food Science & Nutrition, Hoseo University, Chungnam 336-795, Korea 2 Dept. of Food & Nutrition, Kongju National University, Chungnam 340-702, Korea Abstract Physico-chemical properties of starches from potato cultivars with different colors were investigated. White potato had 10% higher starch yield than violet potato. It turned out that the shape and structure of and potato starch were the same by mechanical analysis using X-ray and SEM. The ratio of 50 μm particle in starches from and potato was 45.44±2.79% and 42.37±1.03% respectively. The particle size of potato starch was less than that of ; however, there was no significant difference (p<0.05). As for moisture coupling, there was no difference (p<0.05) between the two potatoes. Swelling power showed a high increase from 65 o C to 80 o C. The swelling power of starch was higher by about 0.3% than that of at 90 o C. Since has smaller starch particles than, more starch particles are contained in the same size, and hence a difference in swelling power. As a result of measuring the gelatinization of potato starches from and, a higher gelatinization start, climax, and complete temperatures occurred at than. As for gelatinization enthalpy, starch with a higher gelatinization temperature consumed more energy for gelatinization. Key words:, starch, physicochemical properties, gelatinization 서론식물에서탄수화물의저장형태인전분 ( 澱粉, starch) 은자연에가장풍부하게존재하는물질중하나이다. 전분을가장많이함유하고있는부위는뿌리이며가장보편적인공급원은쌀, 밀, 옥수수등의곡류와칡, 타피오카, 감자, 고구마등의근경, 괴경류와여러가지콩종류들이다 (1,2). 감자는단위면적당생산량이많을뿐아니라, 독일에서는주식으로도이용되고있다. 감자는옥수수, 고구마와같이전분으로이용되는자원이지만감자로부터전분생산량은총전분생산량의 0.3% 이하이다 (3). 감자는주로포테이토칩, 프렌치프라이등의기호식품의주원료로사용되고전분원으로는저렴하고구하기쉬운옥수수전분의사용이더많다 (4). 감자전분의입자크기는보통 15~100 μm 정도이며, 입자크기에따라성질도다르다. 이는입자에함유되어있는인 (P) 의함량차이로인하여큰입자가아밀로그래프의최고점이더높은것으로알려져있다 (5). 식품산업에서전분 은그자체로도이용되지만조리할때가공시안정제, 결착제, 증진제로서첨가된다 (6-8). 또한호화액이투명하고젤형성이잘일어난다 (6). 감자전분의특성은경작지와경작시기에따라다르게나타난다고한다 (9,10). 이러한감자전분은성장시기에따라입자의크기, 점도와인함량은다르게나타나지만전분중아밀로오스함량은변하지않는다고한다 (5). 최근기능성이함유된색깔이진한과일및채소가건강에좋다고알려지면서감자도색깔을띠는품종이개발되었다 (9,10). 1999년에국내에서육종된 자심 품종을선두로비교적진한정도가강한새로육성된보라밸리품종이개발되었다. Kwon 등 (11) 의보고에의하면감자과육의보라색정도가진할수록더높은항산화활성을나타내고 자심 품종보다는 보라밸리 품종의활성이높게나타났다. 유색감자인자심품종에는 anthocyanin이함유되어있으며, 유기산의함량이높고, ascorbic acid의함량이적으며, 광도가적을수록 anthocyanin이파괴되는정도가적다고하였다 (12). Jeon 등 (13) 은유색감자의 anthocyanin 함량이 100 g당 3.3~29.0 mg이며, Corresponding author. E-mail: mhkang@hoseo.edu Phone: 82-41-540-7973, Fax: 82-41-548-0670
색깔이다른대서와보라밸리감자전분의이화학적특성 543 Rodriguez-Saona 등 (14) 은 2.4~40.3 mg이라고하였다. Choi 등 (15) 은신품종인구이밸리, 보라밸리및고구밸리품종이가공식품으로서뛰어난가공적성을나타낸다고보고하였고, 색이진한보라밸리가흰감자인대서품종과비교해볼때보라밸리의수분함량과비타민 C 함량이높았다 (16). 그러나유색감자인보라밸리전분의이화학적특성에관한연구는전무한실정하다. 비록많은연구에서감자전분의특성에관하여연구하였지만색깔을나타내는유색감자와흰감자전분의이화학적특성에관한비교연구는수행되지않았다. 따라서본연구에서는짙은자색을띠는신품종인보라밸리와대서감자전분의이화학적특성분석을통하여가공및기능성식품소재로서의활용가치를높이기위한기초자료를제공하고자본실험을실시하였다. 재료및방법시료제조본실험에사용한감자는 2007년 ( 주 ) 포테이토밸리 (Kangwon, Korea) 에서수확한대서와보라밸리품종을제공받아받는즉시전분을분리하였고분리한전분을 -70 o C의냉동고에보관하면서각종분석에사용하였다. 감자무게의약 10배정도의물을가한후잘마쇄하여헝겊으로걸러감자전분을침지시켰다. 전분이침지되면윗물을버리고마쇄한감자에물을가하면서헹구어주는과정을 3~4회반복하였다. 전분이더이상침전되지않을때까지반복한후침전된전분을자연건조시켜각종분석에사용하였다. 입도분석감자전분가루를 100 mesh로마쇄한후 particle size analyser(helos, Berlin, Germany) 를사용하여분석하였다. Focal length: 100 mm, beam length: 2.2 mm의조건으로입도분석을실시하였다. Amylose, amylopectin 함량측정전분의 amylose, amylopectin 함량은 Williams 등 (17) 의방법에따라전분시료와 0.5 N KOH 용액을완전히혼합한후 100 ml volumetric flask로옮기고증류수로정용하였다. 이중 10 ml을취하여 50 ml volumetric flask로옮긴후 0.1 N HCl 5 ml와 iodine 시약 0.5 ml를혼합하고증류수로정용하였고 5분방치후 625 nm에서흡광도를측정하였다. Amylose와 amylopectin을사용하여구한표준곡선으로부터각시료의 amylose 함량을산출하였다. Amylopectin (%)=100-Amylose (%) 팽윤력 Schoch(18) 의방법과 Leach 등 (19) 의방법을변형시켜 65 o C, 70 o C, 80 o C 및 90 o C의온도에서팽윤력을측정하였다. 15 ml 튜브에감자전분가루 100 mg을취하고증류수를가해 10 ml로현탁시킨다음 H 2O bath를이용하여 30 o C에서부터각각의온도까지 1 o C/min 상승시키고각온도에서 30분간유지시켰다. 내용물은실온이될때까지재빨리얼음물로냉각시키고, 침전물의부피와침전물의무게로부터팽윤력을측정하여다음식에따라계산하였다. 팽윤력 (ml/g)= 수분결합능 침전물의부피 (ml) 침전물의무게 (g) 감자전분의수분결합능력은 Medcalf와 Gilles(20) 의방법에따라다음과같이실험하였다. 감자전분가루 2 g을칭량하여비커에취한후증류수 30 ml를가한다음 1시간동안교반하였다. 현탁액을항량한튜브에옮기고증류수로비커를세정하면서 50 ml로정용하여원심분리 (1000 rpm, 30 min) 후상징액은제거하고거꾸로세워 1분정도유지시켰다. 침전된감자전분의무게를측정하여감자전분과의중량비로부터다음과같이계산하였다. 수분결합능력 (%)={( 침전된감자전분의무게 (g)- 시료의무게 (g))/ 시료의무게 (g)} 100 DSC(Differential scanning calorimetry) 감자분말과증류수를 1:2의비율로하여시차주사열량계 (DSC7, Perkin-Elmer Co., Waltham, MA, USA) 를이용하여열적특성을조사하였다. 이때온도는 30 o C부터 130 o C까지 10 o C/min의속도로가열하였으며, reference는빈시료팬을사용하였다. 얻어진흡열피크로부터호화엔탈피를구하였고, 호화개시온도 (T o) 와호화정점온도 (T p), 호화종결온도 (T c) 를분석하였다. 주사전자현미경 (Scanning electron microscopy, SEM) 감자전분을 100 mesh로마쇄한후 150 Å 두께로금도금 을한후주사전자현미경 (SEM, S-2380N, Hitachi Ltd., Tokyo, Japan) 을이용하여 15 kv에서 200배로관찰하였다. X-ray 측정 감자전분을 300 mesh로마쇄한후 Owusu-Ansah 등 (21) 의방법에따라 X-ray diffraction meter(d/max- 2500PC, Rigaku Co., Tokyo, Japan) 를이용하여 target: Cu-Ka, filter: Ni, scanning speed: 5.0 o /min의조건으로회전각도 : 5 o 부터 40 o 까지회절시켜회절각도에따른피크의위치로부터결정형을분석하였다. 통계처리 본연구의결과는평균 ± 표준편차로나타내었고, 각실험군간의비교분석은 SAS system(22) 을이용하여 ANOVA 분석후 α=0.05에서 Duncan's multiple range test를이용하여유의성을검증하였다.
544 이재순 최미경 문은영 강명화 Table 1. Starch yield of and potato Cultivars Yield (%) 17.5±0.06 a 7.9±0.05 b Each value is mean±sd. Different alphabets in each values of a column show statistically difference at p<0.05 by Duncan's Table 2. Particle size distribution of and potato starches Potato starch Ratio of particle size (%) <10.0 μm <50.0 μm <90.0 μm 22.80±1.45 NS 45.44±2.79 NS 78.22±7.45 NS 20.16±1.17 42.37±1.03 71.07±1.68 Each value is mean±sd. NS represents not significant. 전분수율 결과및고찰 대서와보라밸리의전분수율측정한결과는 Table 1과같다. 대서의전분수율은 17.5% 였고보라밸리는 7.9% 였다. Kim과 Ahn(23) 은전분함량을측정한결과감자 17%, 두류 14~15% 그리고곡류가 12~13% 인것으로보고하여대서감자와비슷한함량으로나타났다. 전분의함량은그작물이함유하는수분함량과큰상관관계를나타내는데, Lee 등 (16) 의연구에의하면대서감자의수분함량이 80.1%, 보라밸리가 87.7% 로보고되어상대적으로수분함량이더많았던보라밸리의전분양이대서보다낮게나타났다. 입도분석 대서와보라밸리에서분리한전분의입자를분석한결과는 Table 2와같다. 대서감자전분의평균입자크기는 50 μm 안에포함되는입자크기가 45.44±2.79% 이며, 보라밸리는 42.37±1.03% 이었다. 색깔이다른감자전분의입자크기는큰차이는보이지않았지만보라밸리보다대서감자전분입자크기가더작은경향이었다. 입자의크기는이화학적특성을변화시켜제품의품질에영향을미치므로, 입자의크기를정확하게파악하는것이가공과정에있어서매우중요하다고보고되었다 (24,25). 입자의크기는용해도그리고안정성을포함한생물학적그리고물리적특성을향상시키기위해중요한요소이다 (26). Amylose, amylopectin 함량 대서와보라밸리의감자전분의 amylose와 amylopectin 함량을측정한결과는 Table 3과같다. 대서전분의 amylose 는 56.92±0.07%, amylopectin은 43.12±0.03% 이었다. 보라밸리의 amylose 함량은 57.97±0.09%, amylopectin 함량은 42.15±0.05% 이었다. 감자의성질은 amylose와 amylopectin의함량비에따라다르게나타나는데 amylopectin의함량이많을수록감자의찰진정도가강하며, amylose의함량 Table 3. Amylose and amylopectin contents of and potato starches Cultivars Amylose (%) Amylopectin (%) 56.92±0.07 b 43.12±0.03 a 57.97±0.09 a 42.15±0.05 b Each value is mean±sd. Different alphabets in each values of a column show statistically difference at p<0.05 by Duncan's Table 4. Swelling power of and potato starches Temp. 65 o C 70 o C 80 o C 90 o C Swelling power (%) starch starch 0.59±0.10 d 0.80±0.10 c 1.03±0.02 b 1.31±0.09 a 0.55±0.03 c 0.56±0.09 c 0.80±0.11 b 1.01±0.01 a Each value is mean±sd. Different alphabets in each values of a column show statistically difference at p<0.05 by Duncan's 이많을수록감자의성질은찰진정도가떨어져부서지기쉬운성질을갖게된다. 감자중 amylose의함량이 7~20% 일때저 amylose 함량, 20~25% 일때중 amylose 함량, 25% 이상일때고 amylose 함량이라고한다 (27). 팽윤력 대서와보라밸리감자전분의팽윤력측정결과는 Table 4와같다. 대서와보라밸리감자전분의 65 o C에서팽윤력이대서는 0.59±0.10% 에서시작하고보라밸리전분은 0.55± 0.03% 에서시작하였다. 80 o C일때대서는 1.03±0.02%, 보라밸리는 0.80±0.11% 로급격히높아졌으며, 90 o C에서대서는 1.31±0.09%, 보라밸리는 1.01±0.01% 로나타났다. 대서와보라밸리전분의팽윤력은 65 o C에서시작하여 80 o C에서급격히증가하였다. 90 o C에서는대서의팽윤력이보라밸리의팽윤력보다약 0.3% 정도높았는데이는입도분석에서대서가보라밸리보다전분입자가작아팽윤력이더높게나타난것으로사료된다. Sandhya와 Bhattacharya (28) 는저 amylose 전분과립은비교적견고하지못하여가열과정중자유롭게팽윤되는반면 amylopectin 함량이높으면입자가단단하여팽윤에제한을받는다고하였다. 또한벼전분의팽윤력은 amylopectin과관계가있고 amylose 전분이팽윤력에영향을받을가능성이크다고하였는데 (29) 본연구결과두감자간 amylose와 amylopectin 함량에큰차이가없어팽윤력간에도큰차이는나타나지않은것으로사료된다. 수분결합능력 대서와보라밸리감자전분의수분결합능을시험한결과는 Table 5와같다. 대서전분은 60.47±12.14%, 보라밸리는 60.34±12.14% 로대서와보라밸리전분의수분결합능에는유의적인차이가나타나지않았다.
색깔이다른대서와보라밸리감자전분의이화학적특성 545 Table 5. H 2O binding capacity of and potato starches H 2O binding capacity (%) starch starch 60.47±12.14 NS 60.34±12.14 Each value is mean±sd. NS represents not significant. 수분결합능력은전분입자간수분흡수정도를나타내는것으로전분입자내에분자들이관여하는정도를나타내고같은종류의전분은비슷한수분결합능을갖는다고한다 (19). Amylopectin이수분흡수력이크기때문에찰전분의수분결합능력이크며, 수분결합능력은전분입자의결정질부분과비결정질부분의비율에따라결정된다고보고되었다 (30). 전분입자의비결정부분이많이포함되면더많은수분을흡수할수있기때문에수분흡수율이크다는연구결과가있다 (31). 호화도 (DSC) 미세구조의이화학적특성을파악하는또하나의방법으로 DSC 분석을통한전분-물-열의작용을검증하는것이다. 즉, 전분분자의미세구조가붕괴되기시작하는시점을호화개시온도로써나타내며, 전분분자의미세구조를붕괴시키는데필요한에너지를호화엔탈피로써표현할수있다 (32,33). 대서와보라밸리전분의호화도를측정한결과는 Table 6과같다. 대서전분의호화개시온도는 40.23 o C이었고보라밸리전분의호화개시는이보다 11 o C 정도높은 51.66 o C이었다. 호화가개시되어정점이되는온도는대서전분 93.87 o C, 보라밸리 101.63 o C이며, 대서와보라밸리전분의호화종결온도는 139.57 o C와 146.32 o C이었다. 호화엔탈피는 DSC thermogram peak의면적으로나타내는데, peak의면적이클수록호화될때많은열량이소모되는것을의미한다. 호화엔탈피 (ΔH(J/g)) 는대서전분이 -395.05 J/g, 보라밸리전분은 -518.17 J/g로보라밸리전분보다대서전분의호화에열을더많이필요로하였다. 호화엔탈피는전분이호화되기위해필요한열의소모량을나타낸다. Donovan(34) 은호화엔탈피의경우적은수분함량에서는전분 crystallite melting, 많은수분함량에서는입자팽윤, crystallite melting, 전분분자의수화를고려한값을나타낸다고하였다. Fig. 1. Scanning electron microphotographs of and potato starches. 주사전자현미경 대서와보라밸리의전분입자형태를촬영한주사전자현미경의결과는 Fig. 1과같다. 대서와보라밸리전분의입자형태를촬영한주사전자현미경은 200배의비율로측정하였다. 전분입자가동글동글하면서타원형의형태를하고있는것으로나타났고대서와보라밸리전분입자크기의차이나입자분포도의차이는없었다. 또한, 전분의입자들이깨지거나손상된모양을한형태도발견할수없었으며전분의입자표면이매끈하였고, 대서와보라밸리전분입자크기가비교적균일하였다. 전분의입자형태는채소의종류에따라다르다. 고구마의경우둥글거나다각형의모양을띄는것이특징이며, 감자의경우타원형을띄는것이일반적이다 (35). X-ray 회절도 대서와보라밸리전분의 X-ray 회절도는 Fig. 2에나타내었다. X-ray 회절도는피크의위치와높이에따라서결정과결정형의강도가다르게나타난다. X-ray 회절도전분의결정형을측정하는방법으로널리사용되고있다. 곡류전분은 A형, 괴 (tuber), 과일 (fruit), 줄기 (stem) 전분은 B형, 고구마전분은 A와 B형의혼합형인 C형으로분류된다 (36). A형은결정형의구조가치밀하고수분이적은구조이며, B형은결정구조내에공간이있어 12 anhydrous glucose unit과단위세포당 36개의물분자가결합되어있는구조로되어있다. C형은 amylose를 80% 이상의상대습도와 85~90 o C 범위에유지하면 A형 amylose, 실온에유지하면 B형 amylose가얻어진다고하였다 (37). 본연구결과대서와보라밸리전분의 Table 6. Differential scanning calorimetry thermogram of and potato starches Potato starch Thermal characteristics T o ( o C) T p ( o C) T c ( o C) ΔH (J/g) 40.23±0.10 b 93.87±0.02 b 139.57±0.05 b -395.05±0.05 a 51.66±0.05 a 101.63±0.06 a 146.32±0.03 a -518.17±0.04 b Each value is mean±sd. Different alphabets in each values of a column show statistically difference at p<0.05 by Duncan's T o: onset temperature. T p: peak temperature. T c: conclusion temperature.
546 이재순 최미경 문은영 강명화 Bora Valley Fig. 2. X-ray diffraction pattern of and potato starches. X-ray 회절도분석결과는 B 형으로나타났다. 요 색깔이다른대서와보라밸리감자로부터전분을추출하여수율, amylose, amylopectin 함량비, 팽윤력, 수분결합능및 X-ray 전분구조와같은전분의이화학적특성을측정하였다. 두감자간의 amylose와 amylopectin의함량비에는유의적인차이 (p<0.05) 가나타났고두감자모두에서 amylose 함량이높아찰성이라기보다는매성으로나타났다. X-ray와주사전자현미경을통해입자를관찰한결과대서와보라밸리의모양의차이와전분구조의차이는보이지않았다. 대서와보라밸리전분의입도분석결과, 50 μm 안에포함되는전분입자크기가대서는 45.44±2.79% 이며, 보라밸리는 42.37±1.03% 의분포였다. 대서와보라밸리전분의수분결합능력의차이는보이지않았다. 반면, 팽윤력은 65 o C 에서시작하여 80 o C에서높은증가를보였으며, 90 o C에서보라밸리전분의팽윤력보다대서의팽윤력이약 0.3% 정도높았다. 대서와보라밸리전분의호화도를측정한결과호화개시온도, 호화절정온도, 호화종결온도에서대서보다보라밸리가높은온도를보였다. 문 1. Madsen MH, Christensen DH. 1996. Changes in viscosity properties of potato starch during growth. Starch 48: 245-249. 2. Singh N, Singh J, Kaur L, Singh SN, Singh GB. 2003. Morphological, thermal and rheological properties of starches from different botanical sources. Food Chem 81: 219-231. 3. 구천서. 1985. 전분당공업에관한단국대학교부설식량개발연구소, 서울. p 93. 4. Rutenberg MU, Solarek D. 1984. Starch derivatives production and uses. In Starch and Technology. Academic press, New York, USA. p 324. 5. Christensen DH, Madsen MH. 1996. Changes in potato starch quality during growth. Potato Research 39: 43-50. 약 헌 6. Mitch EL. 1984. Potato starch: production and uses. In Starch: Chemistry and technology. Whistler RL, BeMiller JN, Paschall EF, eds. Academic Press, New York, USA. p 479-490. 7. Baek MH, Cha DS, Park HJ, Lim ST. 2000. Physicochemical properties of commercial sweet potato starches. Korean J Food Sci Technol 32: 755-762. 8. Wiesenborn DP, Orr PH, Casper HH, Tacke BK. 1994. Potato starch paste behaviour as related to some physical/chemical properties. J Food Sci 59: 644-648. 9. Lin Q, Weber E, Currie V, Yada R. 2003. Physicochemical properties of starches during potato growth. Carbohydr Polym 51: 213-221. 10. Lisinska G, Leszcynski W. 1989. Potato science and technology. Elsevier Applied Science, London, UK. p 16-43. 11. Kwon OY, Kim HJ, Oh SH, Lee JH, Kim HC, Yoon WK, Kim HM, Park CS, Kim MR. 2006. Nutrient composition of domestic potato cultivars. J East Asian Soc Dietary Life 16: 740-746. 12. Rhim JW, Kim SJ. 1999. Characteristics and stability of anthocyanidin pigment extracted from purple-fleshed potato. Korean J Food Sci Technol 31: 348-355. 13. Jeon TW, Cho YS, Lee SH, Cho SM, Cho HM, Chang KS, Park HJ. 2005. Studies on the biological activities and physicochemical characteristics of pigments extracts extracted from Korean purple-fleshed potato. Korean J Food Sci Technol 37: 247-254. 14. Rodriguez-Saona LE, Giusti MM, Wrolastad RE. 1998. Anthocyanidin pigment composition of red-fleshed potatoes. Food Technol 63: 458-465. 15. Choi HD, Lee HC, Kim SS, Kim YS, Lim HT, Ryu GH. 2008. Nutrient components and physicochemical properties of new cosmetic potato cultivars. Korean J Food Sci Technol 40: 382-388. 16. Lee JS, Park SJ, Kim JS, Choi MK, Lim HT, Kang MH. 2009. Physico-chemical characteristics of and Bora valley potatoes. Korean J Food Nutr 22: 92-96. 17. Williams PC, Kuzine FD, Hylnka I. 1970. A rapid colorimetric procedure for estimating the amylose content of starches and flours. Cereal Chem 47: 411-419. 18. Schoch TJ. 1964. Swelling power and solubility of granules starches. In Methods in Carbohydrate Chemistry. Academic Press, New York, USA. p 106-108. 19. Leach HW, McCowen LD, Schoch TJ. 1959. Structure of the starch granule. I. swelling and solubility patterns of various starches. Cereal Chem 36: 534-544. 20. Medcalf DG, Gilles KA. 1965. Wheat starches comparison of physicochemical properties. Cereal Chem 42: 558-568. 21. Owusu-Ansah J, van de Voort FR, Stanley DW. 1982. Determination of starch gelatinization by X-ray diffractometry. Cereal Chem 59: 167-171. 22. SAS. 2000. User's Guide. SAS institute, Cary, NC, USA. 23. Kim HS, Ahn SY. 1994. Gelatinization properties of legume, cereal and potato starches. Korean J Soc Food Sci 10: 80-85. 24. Lee HY, Kum JS. 1999. The effect of the varieties and particle size on the properties of rice flour. Korean J Food Sci Technol 31: 1542-1548. 25. Rasenack N, Muller BW. 2004. Micron-size drug particles; common and novel micronization technique. Pharm Dev Technol 9: 1-13. 26. Lee JE, Jun JY, Kang WS, Lim JD, Kim DE, Lee KY, Ko SH. 2008. Effect of particle size on the solubility and dispersibility of endosperm, bran, and husk powders of rice. Food Sci Biotechnol 17: 833-838.
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