Moisture Sorption Characteristics of Lactobacillus brevis-fermented Sea Tangle Saccharina japonica, Mekabu Fucoidan, and These Mixture Powders

발효 다시마(Saccharina japonica) 분말, 미역귀 후코이단 분말 및 이들 혼합분말의 수분 흡습 특성

Abstract

The goal of this study was to investigate moisture sorption characteristics of Lactobacillus brevis-fermented sea tangle Saccharina japonica, Mekabu fucoidan, and these mixture powders. Moisture sorption isotherms of powders were determined at 37℃ using the static gravimetric technique in a water activity (aw) range of 0.11-0.93. Equilibrium moisture content (Xeq) values of the fermented sea tangle powder were almost 3 times when aw<0.7 and increased upto almost 4 times when aw<0.9 higher than mekabu fucoidan powder. In these reason, to improve strong hygroscopic nature of the fermented sea tangle powder, fermented sea tangle and mekabu fucoidan powders were dissolved as ratios of 7:3, 5:5, and 3:7 (w/w) in a distilled water and then freeze dried. Xeq values of mixture powders were around average value of sum of both powders at all aw ranges. All moisture sorption isotherms of powders exhibited typical J-shaped type III. Xeq of mixture powders increased with increasing aw and decreased as increasing proportion of mekabu fucoidan powder. The Peleg model was found to accurately describe moisture sorption isotherms of powders. The results can be used to understand hygroscopic nature of powders, improve shelf life, and retain quality across postharvest processing.

서론

다시마(Saccharina japonica)는 식용 갈조류로써 식이섬유, 단백질, 카로티노이드, 비타민, 필수 지방산 및 미네랄과 같은 건강 증진 물질의 좋은 공급원으로 알려져 있으며, 항 종양 및 항응고제, 항증식제 및 항산화 활성과 같은 다양한 생물학적 및 기능성 식품 특성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다(Haroun- Bouhedja et al., 2000; Yuan and Walsh, 2006; Wang et al., 2008). 다시마는 또한 주요 신경억제전달물질로 작용하는 비단백질 아미노산인 γ-aminobutyric acid (GABA)를 함유하고 있으며 저혈압, 이뇨 및 진정 작용과 같은 유익한 생리적 특성을 갖는 것으로 알려져 있다(Lee et al., 2010). Lee et al. (2010)는 다시마를 probiotic bacteria인 Lactobacillus brevis BJ20으로 발효 시켰을 때 다시마의 GABA 함량이 약 100배 증가했다고 보고하였다. 그러나 발효 다시마 분말은 수분 흡습성이 강해 가공, 취급 및 보관 시 안정성이 낮아 기능성 식품 개발에서의 이용성이 크게 제한적이다(Yu et al., 2019).

미역귀(Unidaria pinnatifida) 후코이단은 미역귀에서 추출한 황화 다당류로서, 다양한 생리활성기능을 가지는 것으로 알려져 있다. 헤파린(heparin)과 유사한 구조를 가진 물질로 알려져 있으며, 혈행 개선, 항암, 면역조절작용 및 항바이러스 등의 생리활성기능이 보고되었다(Itoh et al., 1993; Chevolot et al., 1999; Cooper et al., 2002; Berteau and Mulloy, 2003). 선행 연구에서 미역귀 후코이단 분말의 수분 흡습성은 상대적으로 발효 다시마 분말보다 낮음을 확인하였다. 따라서, 발효 다시마 분말의 높은 수분 흡습력으로 인한 낮은 가공 및 유통 안정성을 수분 흡습력이 낮은 미역귀 후코이단 분말과의 화학적 결합을 통해 보완하며, 이에 따른 기능성 향상을 도모하고자 한다.

본 연구의 목적은 저장 온도(37℃) 및 a_w (0.11-0.96)에서 L. brevis 발효 다시마 분말, 미역귀 후코이단 분말 및 이들 혼합분말의 수분 흡습력을 분석하고, a_w에 따른 Equilibrium moisture content (X_eq) 예측 모델을 도출하여 분말들의 수분 흡습 특성을 조사하고자 한다.

재료 및 방법

재료

건 다시마(S. japonica)의 경우 Food & Food Co., Ltd. (Busan, Korea)에서 제공받았다. 다시마 분말 발효에 사용되는 L. bre- vis BJ20는 Marine Bioprocess Co., Ltd. (Busan, Korea)에서 제공받았다. Lithium chloride (LiCl), Potassium acetate (CH₃COOK), Magnesium chloride (MgCl₂), Potassium carbonate (K₂CO₃), Magnesium nitrate (Mg(NO₃)₂), Potassium iodide (KI), Ammonium sulfate ((NH₄)₂SO₄), Potassium nitrate (KNO₃) 및 Thymol (C₁₀H₁₄O)는 삼전순약(Samchun Pure Chemical Co. Ltd., Seoul, Korea)에서 구매하였다.

발효 다시마 분말 제조

발효 다시마 분말은 Kang et al. (2012)의 방법에 따라 제조하였다. 건 다시마를 깨끗한 물로 헹군 후 건 다시마 양의 2배 증류수에 1시간 동안 담궈 탈염 처리 후, 건조 오븐(60℃, 24시간)에서 건조시킨 후 분쇄기로 분쇄하였다. 다시마 분말에 쌀가루 3% (w/w)를 혼합하고 15배의 증류수(w/v)를 첨가하여 고압증기멸균기에서(121℃, 30분) 증숙 및 살균을 진행하였다. De Man-Rogosa-Sharpe (MRS) Broth에 L. brevis BJ20 (KCTC 11377BP)을 37℃ 진탕 배양기(DS 301-FL, Dasol science, Hwasung, Korea)에서 24시간 배양 후 다시마 용액에 2% 접종 후, 37℃ 진탕 배양기(DS 301-FL, Dasol science, Hwasung, Korea)에서 24시간 발효하였다. 발효된 다시마 용액을 면포를 이용하여 여과 후 -20℃에서 48시간 동안 동결건조(FD-550; Tokyo Rikakikai Co., Ltd., Tokyo, Japan)하였다.

미역귀 후코이단 분말 제조

사용된 미역귀 후코이단 분말의 제조 공정은 건 미역귀에 0.1N HCl을 1:100 (w/v) 비율로 산분해(45℃, 12시간)시킨 후 여과액에 95% 발효주정을 동량 추가하여 12시간 동안 침지 시킨 후 14, 901 g에서 연속원심분리(J-1050A, Hanil Sci-med Co., Ltd., Deajeon, Korea)하여 동결건조 된 분말을 세진 바이오텍(Sejin biotech, Seoul, Korea)으로부터 제공받았다.

발효 다시마 및 미역귀 후코이단 혼합 분말 제조

상온에서 증류수 500 mL에 발효 다시마 분말과 미역귀 후코이단 분말을 7:3, 5:5 및 3:7(w/w) 비율로 50 g을 넣어 완전 용해시킨 후 -20℃에서 48시간 동안 동결 건조(FD-550; Tokyo Rikakikai Co., Ltd., Tokyo, Japan)하여 제조하였다.

수분 흡습 등온곡선 (MSI) 분석

분말들의 MSI (moisture sorption isotherms)는 37℃에서 중량 측정법으로 측정하였다. 9개의 유리 데시케이터 바닥에 약 300 g의 염을 각각 넣고 증류수에 용해하여 포화된 염 용액을 만든 후, 37℃배양기(AS-B105; A-sung Tester., Busan, Ko- rea)에서 최소 24시간 동안 a_w 평형을 만들어 0.11-0.96 범위의 a_w를 가지는 포화 염 데시케이터를 얻는다(Table 1). 각 분말(2±0.001 g)을 계량된 알루미늄 접시에 최대한 평평하게 준비하여 포화 염 데시케이터에 넣은 후, a_w>0.67인 데시케이터에는 30 g의 Thymol을 넣어 미생물 성장을 억제했다. 분말이 포함된 데시케이터를 37℃의 배양기에 넣고, 시료의 무게 변화가 ±0.001 g 미만이 될 때까지 정밀 저울(ARG224; Ohaus, Parsippany, NJ, USA)을 사용하여 무게 변화를 측정하였다.

Table 1. Water activities of saturated salt solutions at 37°C (Yu et al., 2019)

수분 흡습 등온곡선 모델링

MSI의 모델링은 앞선 연구인 Yu et al. (2019)에 규명한 최적 모델 식인 Peleg model을 적용하여 분석하였다. 모델식의 매개변수는 SPSS 소프트웨어(ver. 20.0; SPSS Inc., Chicago, IL, USA)를 사용하여 비선형 회귀 분석을 통해 도출하였다.

결과 및 고찰

수분 흡습 등온곡선 (MSI)

37℃에서 발효 다시마 분말과 미역귀 후코이단 분말의 수분 흡습 등온곡선은 Fig. 1과 같았다. 발효 다시마의 37℃에서의 수분 흡습 등온곡선은 Yu et al. (2019)으로부터 채택하여 사용하였다. 두 분말의 X_eq는 a_w가 0에서 0.7까지 증가함에 따라선 형적으로 증가한 다음 a_w>0.7에서 급격히 증가하였다. 이러한 형상은 푸쿠스(Fucus vesiculosus), 카파피쿠스 알바레지아이(Kappaphycus alvarezii), 꼬시래기(Gracilaria spp.) 및 우뭇가사리(Gelidium sesquipedale)와 같이 해조류에 대해서 연구된 전형적인 type Ⅲ (J 형)의 수분 흡수 특성이였다(Mohamed et al., 2005; Lemus et al., 2008; Senthil et al., 2011; Moreira et al., 2016).

Fig. 1. Moisture sorption isotherms comparison of fermented sea tangle Saccharina japonica (FSP, ◆) and mekabu fucoidan (MFP, ◇) powders, Symbols represent experimental data and solid lines are simulated results obtained from the Peleg model.

발효 다시마 분말의 X_eq는 선형 증가영역(a_w<0.7)에서 약 0.4 g water/g dry matter 미만이였지만 a_w가 0.9 이상으로 증가함에 따라 1.13 g water/g dry matter으로 약 2.8배 증가하였다. 다른 해조류의 X_eq는 일반적으로 a_w<0.7에서 약 0.1-0.2 g water/g dry matter이였고, a_w가 0.9 이상으로 증가함에 따라 약 0.6-1. 4g water/g dry matter으로 약 5.2에서 6.5까지 증가하였다(Le- mus et al., 2008; Senthil et al., 2011; Moreira et al., 2016). 발효 다시마 분말의 수분 흡수력은 다른 해조류보다 높은 것으로 관찰되었다.

미역귀 후코이단 분말의 X_eq는 a_w<0.7에서 약 0.1 g water/g dry matter 미만이였으며, a_w가 0.9 이상일 때 0.4 g water/g dry matter으로 약 4배 증가하였다. 두 분말의 비교 시 발효 다시마 분말의 X_eq값이 미역귀 후코이단 분말보다 약 4배 높은 수분 흡습력을 나타내었다.

혼합분말들의 수분 흡습 등온곡선은 Fig. 2와 같다. 혼합분말에서의 X_eq 또한 a_w가 0.7까지 증가함에 따라 선형적으로 증가한 후 a_w가 0.9 이상일 때 급격히 증가하였고 type Ⅲ (J형) 의수분 흡습 특성을 보여주었다. 혼합분말의 수분 흡습은 미역귀 후코이단 분말의 비율이 증가할수록 X_eq값이 감소하는 경향을 보여주었으며, a_w가 0.9 이상일 때 약 1.04 (7:3), 0.982 (5:5) 및 0.716 (3:7) g water/g dry matter까지 감소하는 경향을 보여주었다. 혼합분말의 Xeq 값은 모든 aw 범위에서 약 두 분말의 Xeq 합의 평균값으로 관찰되었다.

Fig. 2. Moisture sorption isotherms comparison of fermented sea tangle Saccharina japonica (FSP) and mekabu fucoidan (MFP) was mixed as ratios of 7:3 (●), 5:5 (■), and 3:7 (▲), Symbols represent experimental data and solid lines are simulated results obtained from the Peleg model.

위 결과와 같이 상대적으로 높은 수분 흡습력을 보여주는 발효 다시마 분말과 낮은 수분 흡습력을 보여주는 미역귀 후코이단 분말의 혼합을 통하여 수분 흡습력 조절 가능성을 확인하였으며, 이는 해조류 유래 기능성 분말의 가공 및 유통 안정성 측면에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

수분 흡습 등온곡선 모델링

모든 분말들의 a_w에 따른 X_eq 예측 모델인 Peleg model의 매개변수들은 Table 2에 명시되었다. 매개변수인 K₁과 K₂는 초기의 수분 흡수속도와 총수분 흡수량을 나타낸다. K₁이 낮을수록 분말의 초기 수분 흡수 속도는 증가하고, K₂가 낮을수록 총 수분 흡수량은 증가한다(Turhan et al., 2002). 발효 다시마 분말과 미역귀 후코이단 분말의 K₁과 K₂를 비교하였을 때 발효 다시마 분말의 K₁ (0.568)이 미역귀 후코이단 분말의 K₁ (0.230) 보다 높아 발효 다시마 분말의 초기 수분 흡습 속도가 후코이단 분말보다 낮았으나, 발효 다시마 분말의 K₂ (1.320)가 미역귀 후코이단 분말 K₂ (1.805)보다 낮아 발효 다시마 분말의 총수분 흡습량은 미역귀 후코이단 분말보다 높음을 확인하였다 (Fig. 1). 혼합분말의 K₁ 및 K₂ 값은 두 분말의 화학 및 물리적 결합에 의해 실제 혼합분말의 수분 흡습 특성과는 큰 연관이 없는 것으로 관찰되었다.

Table 2. Parameters of sorption isotherm models, coefficient of de- termination (R²), standard error (SE), and mean relative percentage deviation modulus (M_r) estimated for moisture sorption isotherms of fermented sea tangle, mekabu fucoidan and these mixture pow- ders

¹ FSP, Fermented sea tangle powder. ² Mixture ration of FSP and MFP. ³ MFP, Mekabu fucoidan powder.