대체 단백질이란 무엇인가요?
식물성 단백질은 수 세기 동안 인류의 식단에 존재해 왔습니다. 콩, 렌틸콩, 완두콩 및 그 제품과 같은 식용 씨앗과 호박 및 해바라기 씨를 포함한 유지 씨앗은 전통적인 단백질 공급원의 예입니다[1]. 하지만 대체 단백질 시장에서는 식물성 단백질이 전부는 아니며 해조류, 미생물, 배양육, 곤충도 단백질 공급원으로 간주됩니다. 그러나 시장에서 새로운 제품이 되기까지는 오랜 시간이 걸립니다. 동물성 단백질을 대체하려면 적절한 기능적 및 관능적 특성을 갖추는 것 외에도 가공 및 제형이 가능하도록 효율적으로 생산해야 합니다[2].
대체 단백질의 사용 증가는 세 가지 주요 요인에 의해 추진되고 있습니다: 1) 가축이 환경에 미치는 영향을 고려한 지속 가능성, 2) 만성 질환을 예방하기 위해 더 건강한 식단을 채택하려는 관심, 3) 동물 복지에 대한 우려. 따라서 대체 단백질의 개념은 본질적으로 지속 가능성 및 생산의 환경적 영향과 관련이 있습니다. 또한, 이 개념을 정립할 때는 전 세계 각 인구의 문화적, 사회적 행동에 대한 존중도 고려해야 합니다[2].
단백질이란 무엇인가요?
단백질은 운반, 구조, 대사 및 면역 활동을 포함하여 살아있는 세포 내에서 여러 가지 기능을 담당합니다. 단백질은 21개의 서로 다른 α-아미노산의 조합으로 이루어진 거대 분자 구조입니다. 아미노산 서열이 규칙적으로 반복되면 이 긴 사슬이 스스로 뒤집히면서 단백질의 2차 구조를 형성합니다. 2차 구조의 공간적 배열은 3차(3차원) 구조로 접히는 데 유리하며, 이는 단백질 복합체에서 상호 작용하여 4차 구조를 형성할 수 있습니다. 단백질의 기능적 활성은 삼차원 구조에 따라 달라집니다. 그러나 이 복잡하고 깨지기 쉬운 구조는 기계적, 화학적 또는 열적 스트레스에 의해 손상될 수 있습니다. 단백질 구조의 모든 형태 변화를 변성이라고 합니다. 단백질이 처리되는 방식에 따라 변성은 완전하고 되돌릴 수 없는 상태가 될 수도 있습니다.
천연 공급원에서 단백질을 추출하고 정제하는 과정에는 단백질 구조를 파괴할 수 있는 다양한 기계적, 열적, 화학적 공정이 포함됩니다. 단백질 상태, 즉 자연 상태 또는 변성 상태는 용해도, 유화, 겔 및 섬유와 같은 고체 구조를 형성하는 능력과 같은 기능적 특성에 영향을 미치며 결과적으로 식품 산업에서 기능성 성분으로 적용될 수 있습니다[3].
단백질의 열 특성 분석
엔탈피 및 열용량 변화, 유리 전이 및 용융 온도, 단백질, 탄수화물 및 지질의 열 안정성 등 식품 성분의 열역학적 특성을 조사하는 데 동적 주사 열량 측정법(DSC)이 적용되었습니다[4, 5]. 단백질에 초점을 맞춘 고전 열량 측정법을 적용하면 농도, pH, Ionic 강도가 단백질 변성의 엔탈피에 미치는 영향에 관한 귀중한 정보를 얻을 수 있습니다. 보완적인 열 중량 분석(TGA)을 적용하면 회분 함량을 측정하여 수분(수분) 함량, 열 안정성 또는 분해 온도뿐만 아니라 미네랄 농도도 조사할 수 있습니다[6, 7].
이 연구에서는 해바라기씨에서 추출한 식물성 단백질의 변성 온도를 특성화하기 위해 DSC를 사용했습니다. 헬리안투스 안누스 L.은 재배된 해바라기 종입니다. 껍질을 벗긴 씨앗은 47%에서 65%의 지질과 20%에서 40%의 단백질로 구성되어 있으며, 주로 식용유의 원료로 사용됩니다. 기름 추출 조건에 따라 남은 고형 물질인 해바라기박은 식품이나 동물 사료의 강화제 외에 다른 용도로 사용되지 않고 변성 단백질만 남게 됩니다. 여기서 분석된 제품은 생산자가 제공한 사양에 따르면 단백질 함량이 60%인 저온 가공된 제품이라고 합니다. 이 제품은 베이커리 제품 및 에멀젼 제제에서 동물성 단백질의 대안으로 사용하기 위한 것입니다[6]. 단백질은 최종 농도 15%(w/v)*의 증류수에 분산했습니다. 3.75mg의 단백질을 함유한 25mg의 분산액 샘플 질량을 측정 중에 발생하는 약간의 과압을 견딜 수 있는 폐쇄형 냉용접 가능한 Al 도가니("저압 도가니"라고도 함)에서 분석했습니다. 가열 속도는 5K/min, 대기로는 질소가 선택되었습니다. 이 단백질의 수분 함량과 열 안정성은 TGA를 사용하여 측정했습니다. 질소 가스 분위기에서 개방형 알루미늄 산화물 도가니에서 10mg의 샘플을 분석했습니다. 테스트 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다.
*부피당 무게
표 1: 측정 조건
| 방법 | 단백질 질량 | 도가니 | 가열 속도 | 대기 |
|---|---|---|---|---|
| TGA | 10 mg | 알루미늄 산화물(Al2O3), 개방형 | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
| DSC | 3.75 mg | 알루미늄(Al), 저압 | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
측정 결과
그림 1은 열무게 측정값을 보여줍니다. 해바라기 단백질 추출물의 DTG 곡선은 100°C 이하에서 약 5%의 초기 질량 손실 단계를 나타냅니다. 열 분해의 시작은 206°C에서 감지되었습니다. 일반적으로 식물 단백질의 경우, 건조 분리물의 수분 함량은 단백질 공급원에 따라 1.5%에서 7.6%까지 다양합니다[7]. 물의 존재는 FT-IR과 같은 기체 분석을 통해 확인할 수 있습니다. 또한, 진화 가스의 FT-IR 분석은 단백질과 아미노산의 열분해로 인해 방출되는 대표적인 물질인 H2O,CO2, NH3 (암모니아), H2S(황화수소), 아미드, 카르복실산, 1차 및 2차 아민 결합이 풍부한 순환 화합물[9] 등도 Identify 확인할 수 있습니다.
단백질의 변성은 소수성 그룹이 수성 medium 에 노출되어 발생하는 흡열 효과입니다. 따라서 DSC 곡선에서 열 흡수 피크가 관찰되는 경우가 많으며, 그 최대값은 문헌에서 용융/전이 온도(Tm)로 지칭됩니다. 단백질의 특성과 medium 의 조건에 따라 열 변성은 가역적이거나 비가역적일 수 있습니다 [10]. 변성의 가역성은 DSC 분석의 두 번째 가열을 통해 확인할 수 있으며, 두 번째 가열 곡선이 첫 번째와 유사하면 단백질이 겪은 변성이 가역적이라는 것을 나타냅니다.
해바라기 단백질의 DSC 분석에 따르면 변성은 91°C~102°C 범위에서 발생하며 Tm은 98.9°C에서 발생합니다(그림 2의 녹색 곡선). 두 번째 가열 곡선(보라색)에서 볼 수 있듯이 변성 과정은 되돌릴 수 없으며, 흡열 효과는 나타나지 않습니다. 변성의 온도 범위는 문헌 값인 99.7°C[11]를 따릅니다.
결론
이 연구에서는 비건 식품 제형에서 동물성 단백질을 대체하기 위한 식물성 단백질의 열적 특성을 분석했습니다. 말린 해바라기 단백질 추출물의 수분 함량을 측정하고 열 안정성을 평가하기 위해 열무게 분석을 사용했습니다. 시차 주사 열량 측정법을 사용하여 전이 온도를 조사하고 시료의 고유 단백질을 검출했습니다. DSC 프로파일은 가공 조건이 단백질을 보존하기에 충분히 온화하여 기능성 식품 원료로 사용하기에 적합하다는 것을 보여주었습니다. DSC와 TGA의 조합은 추출 공정의 효율성과 추출된 단백질의 산업적 활용 가능성을 평가하는 데 효과적이었습니다. 이러한 기술은 식품 성분의 특성을 분석하고 개별 성분 및 제형의 유통기한을 예측하는 데도 도움이 됩니다.