農業科學技術硏究, 第 48 輯, 2014 年 6 月 Agricultural Science & Technology Research, Vol. 48 키토산과인산염의첨가가돈육근원섬유단백질의겔특성에미치는영향 장미란 김형상 진구복 * 전남대학교동물자원학부및기능성식품센터 Effect of Chitosan and Sodium Tripolyphosphate on Gelling Properties of Pork Myofibrillar Protein Mi Ran Jang, Hyeong Sang Kim and Koo Bok Chin* Department of Animal Science and Functional Food Research Center, Chonnam National University, Gwangju 500-757, Korea *Corresponding author: kbchin@chonnam.ac.kr ABSTRACT The ph values, cooking yield and gel strength of the heat-induced gel of myofibrillar protein(mp) extracted from pork loin were measured with varying levels of chitosan and sodium tripolyphosphate(stpp). ph values and cooking yields tended to be increased with increased chitosan and STPP level(p<0.05), however, gel strength decreased with increased chitosan and STPP levels. The addition of chitosan affected ph, cooking yields, and gel strength. There was no difference among the treatments with chitosan and STPP on the SDS-PAGE profile, whereas the addition of 1% chitoan decrease the calorie changes following temperature changes. These results indicated that the addition of chitosan in combined with STPP improved the products yield of meat products. Additional key words: heat-induced gel strength, chitosan, STPP, gel characteristics 서론축산식품의물리적특성을향상시키기위하여다양한소재의친수성콜로이드 (hydrocolloid) 가이용되고있다. 대표적으로사용되는친수성콜로이드는 konjac flour, carrageenan 및 calcium alginate 등의다당류가있으며, 열처리혹은특성화학성분과의반응에의하여겔을형성할수있는능력을가지고있으며, 따라서저지방및저염식육가공품을제조하는데효과적으로사용될수있다 (Chin et al., 2009; Means and Schmidt, 1987). 반면에이들다당류는분자구조적특성에 - 35 -
있어서음이온성으로분류가되며, 따라서등전점이상의단백질에다량첨가될경우서로간의정전기적척력에의하여상이분리되거나, 혹은단백질의겔형성을저해할수있다 (Tolstoguzov, 2003). 따라서겔을형성할수있는양이온성고분자화합물을축산식품의제조과정에첨가하면보다효과적으로식품의물리적특성을향상시킬수있을것으로기대된다. 키토산이식육제품의물성에미치는영향에관한연구로 Kook 등 (2003) 은저지방소시지에키토산 (30-50 kda) 을 0.3% 첨가한결과부서짐성을제외한모든항목에서키토산의첨가에의해조직감이상승하였고, 키토산의분자량이증가함에따라경도가증가한다고보고하였다. 또한 Youn 등 (1999) 도축육소시지에키토산을첨가한결과분자량과첨가량이증가할수록그경도가증가한다고보고하였다. 그러나 Park 등 (2004) 은돈육에서추출한염용성단백질에수용성키토올리고당및키토산의분자량과첨가량을달리하여가열겔의경도를측정한결과첨가량에따른효과가나타나지않았다고보고하였고, 이것은가열에의한 polymer들의분해가일어나고유분자량이갖는물성적인특성이변하게되어그효과가감소한것으로사료된다. 이외에도 George와 Abraham(2006) 은키토산에 sodium tripolyphosphate(stpp) 를첨가할경우 STPP에의한이온성비가열처리키토산겔을형성할수있다고보고하였다. 현재키토산과관련한연구는대부분키토산의항균활성에초점을맞추어진행되고있는반면, 키토산이식육제품의물성학적특성에미치는영향에대한연구는미비한실정이다. 따라서본연구는키토산첨가에의한물성증진효과가있는지그리고 sodium tripolyphosphate 첨가량이근원섬유단백질겔의보수력증진효과가있는지규명하고자수행되었다. 재료및방법 1. 공시재료본실험에사용된재료로는 Choi와 Chin(2002) 의방법에의해서국내산돈육의뒷다리부위를식육도매점에서구입하여외부지방과결체조직을제거하고 0.32 cm 만육판이장착된분쇄기 (M-12S, Fujee Plant, Busan, Korea) 로만육시킨후시료를사용하기전까지 -30 에서동결시켰다. 키토산은분자량 400 kda( 탈아세틸화 85%, 금호화성, 경북울진, 한국 ) 를구입하여 0.5, 1.0, 1.5% 로첨가량을달리하여첨가하였다. 2. 혼합액및가열겔제조 Myofibrillar protein(mfp) 은동결시킨돈육을냉장고에서완만해동시킨후, 4배의 ph 6.25의완충용액 (0.1 M NaCl, 50 mm NaH 2PO 4) 을사용하여믹서에서 1분간갈아준후 3회원심분리 (3,000 rpm, 15 min) 하여그 pellet을다시 8배의 0.1 M NaCl 용액으로원심분리 (3,000 rpm, 15 min) 시켜추출하여사용하였다 (Chin et al., 2009). 추출된 MFP는 Biuret 단백질정량법 (Gornall et al., 1949) 을이용해단백질함량을구한후 4% 농도로만든후첨가하였다. 키토산은 1% CH 3COOH에용해시킨후 0.5, 1.0, 1.5% 농도로첨가하였고, sodium tripolyphosphate(stpp) 는 0.4% 농도로첨가하였다. 혼합액의 NaCl 농도는최종 0.25 M이되도록조절하였다. 제조된혼합액은 5 ml씩 glass tube에넣은후 20 에서 80 까지항온수조에서가열한후꺼내어냉각시키고실험전까지냉장보관하였다. 3. ph values 가열겔의 ph는고체용 ph-meter(model 120, Mettler-Toledo, Switzerland) 로 4회반복하여측정하였다. 4. 가열수율실험전냉장보관한가열겔을실온에 1시간가량방치해뒀다가수분의유실정도를측정한후수율을퍼센트 (cooking yield, %) 로나타내었다. 5. 겔강도 Instron Universal Testing Machine(Model 3344, - 36 -
Instron, USA) 의 merlin program에서원형의플랜저가 50 mm/min 속도로하강하는조건에서겔이파괴될때까지의힘 (gf) 을측정하였다. 6. 전기영동 1% 농도의혼합용액에시료양의 20% 의 mercaptoethanol을첨가한후단백질표준액 (pre-stained SDS-PAGE Standards, Broad Range 161-0318, BIO-RAD, CA, USA) 과함께 100 끓는물에 5분간가열하여불용성단백질을제거하였다. 각시료에염색시약 (coomassie Brilliant Blue R-250, Bio-Rad, CA, USA) 을한방울씩넣어염색하고, 교반후원심분리하였다. Mini protein 3 electrophoresis assay unit(bio-rad Laboratories, Richmond, CA, USA) 을이용하여 Laemmli(1970) 방법에준하여 9% separating gel 과 3% stacking gel을제조하여시료를 150 V에서 1시간가량 loading 시켜단백질을분리하였다. 전기영동겔은 1% 염색용액에서 1시간반가량교반하며염색한후탈색용액에서 4시간가량탈색시킨후얻어진전기영동젤을사진촬영하였다. 7. 시차주사열량분석단백질의변성의온도의존성을알아보고자혼합용액을알루미늄캡슐에 35 mg씩분취하고캡슐링한후, 시차주사열량분석기 (differential scanning calorimetry, DSC, S-650, Scinco, Seoul, Korea) 를이용하여 25-100 까지가열온도를분당 5 씩상승시키면서열량변화를측정하였다. 8. 통계처리 SPSS 17.0 프로그램 (2008) 을이용하여 ph, cooking yields, gel strength에대한결과를일원배치분산분석으로통계분석하여 p<0.05 수준에서유의성있는그룹의평균값간의차이를 Duncan s multiple range test로검증하였다. 결과및고찰 1. 키토산과인산염의첨가가 ph values에미치는영향 Table 1은통계분석결과와각요인별로상호관계를나타내는표로키토산과 STPP를첨가한가열겔의 ph는키토산과 STPP 첨가량사이의상호작용에유의차를보였으므로 (p<0.05) 키토산과 STPP 첨가량별로통계분석하였다 (Table 2). 키토산과 STPP 첨가에따른가열겔의 ph 변화는 Table 2에나타내었다. STPP 0.4% 와키토산을 1.5% 첨가한처리구의 ph가 6.9로가장높았고, 대조구의 ph가 5.15로가장낮았다. 가열겔의 ph는키토산과 STPP 첨가량증가에따라 ph가증가하였고, 첨가량변화에따른유의차를나타내었다 (p<0.05). 키토산첨가수준에따라처리구가유의적으로높은 ph를보였고 (p<0.05), 또한 STPP 첨가량에따라 ph는유의적으로증가하였다. Table 1. Analysis of variance (ANOVA) of gel strength, cooking yields, and ph values Gel strength Cooking yields ph values STPP*Chitosan ** NS * STPP * ** ** Chitosan ** ** ** STPP 0 79.4 X 71.8 Y 6.0 Y 0.4 65.7 Y 80.7 X 6.5 X Chitosan 0 109 a 53.8 c 5.5 c 0.5 79.0 b 58.8 b 6.2 b 1.0 49.2 c 96.6 a 6.6 a 1.5 52.4 c 95.9 a 6.7 a * indicates p<0.05; ** indicates p<0.001 NS = not significant X,Y Means having same letter into same column are not different(p>0.05). a-c Means having same letter into same column are not different(p>0.05). - 37 -
Table 2. Effects of chitosan and sodium tripolyphosphate levels on gel properties of porcine myofibrillar protein gel Chitosan (%) 0 0.5 1.0 1.5 1) Gel strength (gf) STPP (%) 1) 0 0.4 Cooking yields (%) STPP (%) 1) 0 0.4 ph values STPP (%) 1) 0 0.4 113 a 105 a 48.8 by 58.8 cx 5.15 cy 5.85 cx 116 ax 41.1 cy 52.5 by 65.0 bx 5.95 by 6.55 bx STPP, sodium tripolyphosphate. a-c Means having same letter into same low are not different (p>0.05). X,Y Means having same letter into same column are not different (p>0.05). 44.6 b 53.9 b 93.9 a 99.3 a 6.45 ay 6.80 ax 42.3 b 62.3 b 92.1 ay 99.8 ax 6.50 ay 6.90 ax 즉, STPP를 0.4% 첨가한처리구의 ph가 STPP를첨가하지않은처리구의 ph에비해높았고, 키토산첨가량이증가할수록 ph가증가하여유의차를보였다. 이결과는키토산첨가에따라 ph가저하된다는 Youn등 (1999) 의보고와다소차이가있었으며, Youn 등 (1999) 은키토산을 0.3% 젖산용액을용해시킨후젖산용액을첨가하지않은대조구와비교한데비하여, 본연구에서는동일한함량의아세트산용액을대조구에첨가하였기때문에키토산함량의증가에따라 ph가유의적으로증가한것으로판단된다. 2. 키토산과인산염의첨가가가열수율 (cooking yield, %) 에미치는영향키토산과 STPP 첨가에따른가열수율의변화는 Table 1에서보는바와같이키토산의첨가량과 STPP의첨가량이증가할수록증가하였다. 한편 Table 2에서키토산함량의증가는근원섬유단백질겔의가열수율을유의적으로향상시키는결과를야기하였으며, 특히이들겔에 STPP가첨가되었을때, 수율의현저하게증가하였다 (p<0.05). 이상의결과는 Chin과 Wang(2004) 의결과와는상반되는데, 이들은키토산첨가가저지방소시지의가열감량에미치는효과를관찰한결과, 처리구간에 유의차를보이지않는다고하였다. 반면에 Kim과 Choi(1999) 는키토산첨가는오히려보수력에악영향을미친다고보고하였다. 이러한상반된결과는사용된키토산의종류및키토산용해제로써약산용액의이용등에기인한것으로판단된다. 본연구에서는동일한함량의아세트산용액에키토산을각함량별로용해하여겔제조시첨가하였으며, 따라서키토산자체에의한보수력의향상 (Knorr, 1982) 과인산염첨가에의한 ph 증가로보수력향상에기여하는등의복합적효과에의하여키토산첨가량의증가에따라가열수율을증가시킨것으로판단되었고, 이상의결과는 Knorr(1982) 의연구결과와일치하였다. 3. 키토산과인산염의첨가가겔강도 (gel strength, gf) 에미치는영향키토산과 STPP 첨가에따른겔강도는상호관계의유의차가발생함에따라 Table 2와같이나타내었다. 가열겔의강도를측정한결과 STPP와키토산첨가구간에상호작용의유의차를보였다 (p<0.001). STPP 첨가에따라겔강도가유의적으로증가하였으며 (p<0.05) STPP 무첨가구의경우대조구의겔강도가가장높은값을나타냈고, 키토산 1.5% 첨가구의겔강도가가장낮았다 - 38 -
(p<0.001). STPP 0.4% 첨가구역시대조구의겔강도가 105 gf로가장높게나타났으며키토산 0.5% 첨가구에서는겔강도가감소되었다가키토산 1.0과 1.5% 에서는첨가량이증가됨에따라다시겔강도가증가하는양상을보였다. 이상의결과는이전연구결과 (Park et al., 2004; Youn et al., 1999) 와상이한결과를보이고있다. 즉대조구 ( 키토산및 STPP 무첨가구 ) 의겔강도가처리구에비해높은값을나타낸것은키토산을용해하기위해사용한 1% 아세트산에의한근원섬유단백질의산성겔의형성에기인한것으로판단된다. 일반적으로단백질을등전점에근접하도록 ph를저하시키면, 단백질의전반적인전하가 0에도달하며, 각단백질간의정전기적척력이최소화되기때문에산성겔을형성할수있으며 (Bryant and McClements, 1998), 이러한낮은 ph 하에가열처리된겔은 ph가높은단백질겔에비하여상대적으로높은겔강도를보인다고보고되고있다. 키토산첨가가단백질겔강도에미치는효과에대하여 Benjakul 등 (2000) 은탈아세틸화가낮은키토산 (<70%) 을첨가한 kamaboko 겔에서대조구에비해유의적으로높은겔강도를보고하였지만, 대부분의연구문헌에서는대조구와유의적인차이가인정되지않는다고보고하였다 (Kachanechai et al., 2008). 본연구에서키토산을용해하기위하여아세트산에각첨가량별키토산을용해하였고, 이들키토산의용해에의하여 ph가유의적으로상승하였으며, 결국상승된 ph에의하여키토산들의침전이야기되어 (Kachanechai et al., 2008) 효과적으로근원섬유단백질과혼합되지않아서결국낮은겔강도를생성한것으로판단된다. 또한, STPP의첨가역시근원섬유단백질혼합물의 ph 를유의적으로증가시켰으며, 이러한현상은 1.0% 이상의키토산함량하에서 STPP 첨가에의해약한겔 (>50 g) 을형성할수있었지만, 또한높은 ph에의한키토산의침전물형성현상은키토산무첨가구 (0% 키토산, 0.4% STPP) 에비하여낮은겔강도를야기한것으로사료된다. 결국, 키토산첨가에의한근원섬유단백질겔향상을위해서는 STPP의용해속도, 또는 ph 증가속도를조절할수있는방법이모색되어야할것으로판단 Table 3. Pearson's correlation coefficients between independent parameters and dependent variables GS(gf) CY(%) ph values Gel strength (GS, gf) 1-0.78 * -0.81* Cooking yield (CY, %) -0.78 * 1 0.85* ph values -0.81 * 0.85 * 1 * p<0.001. 되었으며키토산의낮은분자량에의한겔강도증가효과를나타내지않았다. 4. 각요인별상관관계 겔강도, 가열수율및 ph 변화의 peareson상관관계는 Table 3과같다. 겔강도는가열수율과 ph와음의상관관계 (p<0.001) 에있으며, 가열수율은겔강도와음의상관관계를그리고 ph와양의상관관계가있으며, ph는겔강도와음의상관관계그리고가열수율과는양의상관관계에있다. 따라서 pearson의상관관계를이용하여각요인별상관계수를이용한각요인별활용이필요할것으로판단된다. 5. 키토산과인산염의첨가가전기영동에미치는영향 키토산및 STPP첨가에의한근원섬유단백질겔의전기영동 profile을 Fig. 1에나타내었다. STPP가첨가된처리구에서다소높은 band 강도를나타내었지만, 키토산첨가에의한각 band간의현저한차이는관찰되지않았다. 이상의결과는키토산첨가가근원섬유단백질의 cross-linking을생성하지않은데기인한것으로판단되는데, 이는키토산과근원섬유단백질간의작용은단백질의등전점이상의 ph영역에서키토산의염기성그룹과단백질의산성그룹간의정전기적인력이지배적으로작용하는데기인한것으로사료되며 (Son et al., 2004), 이러한정전기적상호작용은겔을형성하기에는그작용강도가낮을뿐만아니라, 전기영 - 39 -
MHC Actin Fig. 1. SDS-PAGE profiles of myofibriller proteins as affected by chitosan and sodium tripolyphosphate levels. CT and STPP indicated chitosan and sodium tripolyphosphate, respectively. 동을실시하기위해첨가되는환원제에의하여결합이분해되어 (Jung et al., 1996) 전기영동상에서유의적인차이를나타내지않은것으로판단되었다. 6. 키토산과인산염의첨가가열량변화에미치는영향 시차주사열량분석기로분석한온도증가에따른열량변화의결과는 Fig. 2에나타내었다. 열량변화는 Ramirez-Suarez 등 (2005) 의연구에따르면 근원섬유단백질의변성온도는 myosin heavy chain 61, myosin light chain 66 그리고 actin 78 의변성온도를가지며, 이온도부근에서 3개의 peak를보인다고보고되었다. 본실험에서는각처리구별로 peak가상이하게나타났으며, myosin heavy chain(mhc) 의경우 55-60 사이에서변성이일어났고, myosin light chain(mlc) 60-6 5, actin 73 부근에서변성되어 peak로나타났는데이것은기존의데이터와비교할때아세트산첨가에의한낮은 ph에의한일부근원섬유 Fig. 2. Thermograms of myofibrillar protein as a affected by chitosan and sodium tripolyphosphate levels. CT and STPP indicated chitosan and sodium tripolyphosphate, respectively. (Arrows represented the endothermic peaks of characterized myofibrillar proteins) - 40 -
단백질변성때문에열안정성이다소저하된상태라고할수있다. 또한 STPP를첨가하지않은처리구와, 0.4% 첨가한처리구모두키토산 1% 첨가구의변성이가장늦게일어났으므로키토산을 1% 첨가한혼합겔이열에가장안정한상태라고할수있다. 또한 1.5% 첨가구와 1.0% 첨가구의경우 peak 크기가작게나타나열량변화가적음을알수있었다. 따라서키토산을식육제품에적용할경우 1% 에서 1.5% 수준에서첨가할경우가공이나저장온도에의한제품의품질안정성에긍정적요소로작용될것으로사료된다. 초록본연구는돈육후지에서추출한염용성단백질을키토산 (400 kda) 과인산염 (sodium tripolyphosphate, STPP) 의첨가량을달리하여가열한겔의 ph values, 가열수율 (cooking yields, %) 및겔강도 (gel strength, gf) 를측정하였다. 또한전기영동을실시하여단백질분획의변화를관찰하였고, 시차주사열량분석 (differential scanning calorimetry, DSC) 을실시하여온도변화에따른단백질변성의온도의존성을알아보았다. 키토산과 STPP 첨가겔의 ph values와겔강도는 STPP와키토산첨가에의한상호작용에서유의차를보였으며 (p<0.05), STPP와키토산각각의요인별로는 ph values, 가열수율및겔강도모두에서유의차를나타내었다 (p<0.05). ph는 STPP를 0.4% 첨가한처리구의 ph가대조구에비해높았고 (p<0.001), 키토산첨가량증가에따라 ph도증가하였다 (p<0.001). 가열수율은 STPP를첨가하지않은처리구에비해 0.4% STPP 첨가구가더높았으며, 키토산첨가량에따라유의차를보여 (p<0.001), 키토산 1.5% 첨가구의가열수율이가장높았다. 겔강도를측정한결과대조구가가장높은겔강도를나타냈으며, 따라서소시지에 400 kda 고분자의키토산을첨가할경우첨가량증가에따라조직감은오히려감소할것으로보인다. 전기영동분석에서는 chitosan 과 STPP의첨가에따른차이를보이지않은반면열량변화에있어서 chitosan 1% 를첨가시온도에 따른열량의변화를줄일수있었다. 그러므로가열수율을높이기위하여 STPP와키토산의첨가가필요하지만, 물성증진을위하여키토산의함량을가급적줄이는것이필요할것으로판단된다. 참고문헌 1. Benjakul, S., Visessanguan, W., Takana, M., Ishizaki, S., Suthidham, R., and Sungpech. O. (2000) Effect of chitin and chitosan on gelling properties of surimi from barred garfish (Hemiramphus far). J. Sci. Food Agric. 81, 102-108. 2. Bryant, C. M. and McClements, D. J. (1998) Molecular basis of protein functionality with special consideration of cold-set gels derived from heat-denatured whey. Trends Food Sci. Technol. 9, 143-151. 3. Chin, K. B. and Wang, S.H. (2004) Product quality of low fat sausage formulated with two levels of chitosan. Korean J. Food Sci. An. 24, 361-366. 4. Chin, K. B., Go, M. Y., and Xiong, Y. L. (2009) Konjac flour improved textural and water retention properties of transglutaminase-mediated, heat-induced porcine myofibrillar protein gel: Effects of salt level and transglutaminase incubation. Meat Sci. 81, 565-572. 5. Choi, S. H. and Chin, K. B. (2002) Development of low-fat comminuted sausage manufactured with various fat replacers similar textural characteristics to those with regular-fat counterpart. Korean J. Food Sci. Technol. 34, 577-582. 6. George, M. and Abraham, T. E. (2006) Polyionic hydrocolloids for the intestinal delivery of protein drugs: Alginate and chitosan. J. Control. Release 114, 1-14. 7. Gornall, A. G., Bardawill, C. Y., and David, M. M. (1949). Determination of serum proteins - 41 -
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