탄수화물 - 우리 몸의 주요 에너지원 중 하나신체
탄수화물은 단백질, 지방과 함께 인간의 식단에서 3대 다량 영양소 중 하나입니다. 탄수화물에는 설탕과 같은 단당류, 단당류 및 올리고당과 셀룰로오스나 전분과 같은 다당류가 포함됩니다.
전분은 식물성이며 감자, 쌀, 시리얼, 카사바(마니옥) 등의 원료에서 발견됩니다. 전분의 적용 분야는 주로 식음료 분야입니다. 식품 산업에서 전분은 주로 농축, 겔화, 유화 또는 안정화제로 사용됩니다. 종종 small 농도로만 첨가되는 경우가 많습니다. 그럼에도 불구하고 식품의 질감 및 관능(색, 냄새, 모양, 맛 등) 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
2022년 전 세계 전분 생산량은 약 1억 3,400만 톤으로 추정되며, 중국이 가장 큰 전분 시장이고 미국이 그 뒤를 잇고 있습니다[1]. 전 세계적으로 가장 많이 거래되는 전분은 마니옥(또는 타피오카) 전분이며, 옥수수 전분이 2위를 차지하고 있습니다[2].
전분이 자연 그대로의 형태로 사용되는 경우 성분 목록에 "전분"으로 표시됩니다. 그러나 물질이 화학적으로 변형된 경우 E 번호(예: 산화 전분의 경우 E1404, 아세틸화 전분의 경우 E1420)가 붙은 첨가제가 되어 성분 목록에 "변형 전분"으로 표시됩니다. 천연 전분에 비해 개량 전분은 열, 추위 또는 산성 환경에 대해 더 안정적입니다[3].
전분은 무엇으로 구성되어 있나요?
전분은 전분의 종류와 공급원에 따라 다양한 비율의 아밀로오스와 아밀로펙틴으로 구성된 장쇄 중합체입니다. 일반적으로 아밀로스 함량은 15%에서 30% 사이이며, 아밀로펙틴 함량은 중량 기준으로 70%에서 85% 사이입니다[4]. 순수 전분은 찬물이나 알코올에 녹지 않는 흰색, 무미, 무취의 분말입니다[5].
물이 있으면 어떻게 되나요?
전분을 충분한 양의 물과 접촉하여 가열하면(예: 요리 또는 베이킹 중) 젤라틴화가 일어납니다. 가열되는 동안 물이 과립 안으로 침투하여 과립 내의 분자가 재배열되기 시작합니다. 이로 인해 과립의 외부 층이 파괴될 때까지 부풀어 오르게 됩니다. 과립이 분해되기 시작합니다. 아밀로오스와 아밀로펙틴은 부분적으로 주변 환경으로 확산되어 용액에 분산됩니다[10]. 그 결과 두껍고 점성이 있는 전분 페이스트 또는 젤이 만들어져 페이스트리와 같은 다양한 성분을 함께 유지하는 데 도움이 됩니다.
젤라틴화 과정은 DSC로 모니터링할 수 있으며 흡열 효과를 생성합니다. 그러나 물의 양이 중요한 역할을 합니다. 수분 함량이 낮으면 전분 과립의 제한된 팽창 또는 불완전한 젤라틴화만 관찰할 수 있으며, 수분 함량이 높은 경우에도(물:전분 = 1.5:1 이상) DSC 흡열이 항상 전체 공정을 나타내는 것은 아닙니다[7].
냉각하는 동안 전분은 무질서에서 질서로의 전환을 거칩니다. 젤라틴화된 전분이 다시 결정화되고 수분이 방출되며 물질이 더 단단해집니다. 이 과정을 역행이라고 합니다. 이것이 빵이 시간이 지나면, 특히 저온에서 보관할 때 빵이 부실해지는 이유입니다(저온이 이 과정을 촉진합니다).
전분은 가열 및 냉각 중에 어떻게 작동하나요?
열적 특성을 연구하기 위해 시판되는 다양한 종류의 천연 전분(표 1 참조)을 밀폐된 알루미늄 도가니(Concavus®)의 DSC에서 물(전분 50와 물 50 와트%)과 함께 5 K/min의 가열 속도로 최대 140°C까지, 질소 분위기에서 RT까지 두 번 가열했습니다.
표 1: 다양한 전분 유형에 대한 샘플 질량(전분만 해당)
| 전분 유형 | 전분 질량(mg) | 첫 번째 피크의 온도(°C) |
|---|---|---|
| 마니옥 | 12.76 | 67.4 |
| 감자 | 12.62 | 62.3 |
| 쌀 | 12.93 | 67.0 |
다른 전분 유형의 첫 번째 가열 중에 몇 가지 흡열 DSC 효과가 표시됩니다 (그림 1 참조). 한편으로는 마니옥과 감자 전분에서 추가 (다소 뚜렷한) 어깨가있는 첫 번째 주요 피크가 발생하여 감자 전분을 사용한 효과가 약간 더 낮은 온도로 이동합니다. 반면에 쌀 전분의 DSC 프로파일은 세 개의 피크가 나타나며, 그 중 하나는 다른 것보다 훨씬 높은 온도(107°C에서 피크 온도)에서 나타납니다.
약 60°C~70°C 온도 범위의 효과는 젤라틴화 과정을 반영합니다. 107°C 주변의 흡열 효과(쌀 전분 관련)는 아마도 다른 쌀 연구에서도 100°C 이상에서 확인된 아밀라아제-지질 복합체에 해당할 것으로 추정됩니다[8, 9].
문헌(예: [6]에 요약)에 따르면 가열하는 동안 젤라틴화뿐만 아니라 용융도 발생한다고 합니다. 이 이론에 따르면 가열 중 용융은 더 높은 온도에서 흡열 효과에 해당하며 낮은 수분 농도에서 일반적인 반면, 젤라틴화는 과도한 수분(대부분의 전분의 경우 70% 이상)이 있을 때 발생하며 DSC 곡선에서 더 낮은 온도 흡열에 해당합니다. 중간 수분 함량에서는 두 가지 과정을 모두 관찰할 수 있으며, 이는 현재 사례(그림 2)와 잘 맞으며 예를 들어 마니옥 전분의 경우 67°C 및 80°C의 최고 온도로 이어집니다.
1차 가열 후 제어 냉각(10K/min)을 하는 동안 약 75°C에서 95°C 사이의 온도 범위에서 발열 현상을 볼 수 있습니다(그림 3).
해당 두 번째 가열 단계(그림 4, 가열 속도 5 K/min)에서 쌀 전분만 다시 약 108°C(최고 온도)에서 흡열 효과를 나타내며 이는 그림 2에서 나타난 흡열 효과와 비슷하기 때문에 이러한 효과의 대부분은 되돌릴 수 없는 것으로 보입니다. 그러나 약 60°C에서 80°C 사이의 온도 범위에서 매우 small, 추가적인 발열 효과가 나타납니다. 이는 냉각 중에 발생한 구조 재배열이 두 번째 가열이 시작되기 전에 아직 완료되지 않았다는 가정으로 이어집니다.
문헌 [10]에서 젤라틴화된 전분이 냉각되면 방출된 아밀로오스와 아밀로펙틴(그림 1의 화학 구조)이 역행하기 시작하고 분산된 아밀로스 분자가 재결합하기 시작하여 3차원 네트워크가 형성되는 것을 읽을 수 있습니다. 이는 "얽힌 아밀로스 폴리머 사슬과 분리된 고도로 분지된 아밀로펙틴 분자의 연속 매트릭스에 내장된 용해되지 않은 과립 잔여물의 복합 젤"로 설명할 수 있습니다.
결론
가정에서 자주 사용되지만 전분은 매우 복잡한 거동을 보이는 물질입니다. 적용되는 온도 체계와 혼합물에 포함된 물의 양 모두 젤라틴화에 영향을 미칩니다. 그러나 열 분석, 특히 DSC는 몇 가지 측정만으로 이 과정에 대한 많은 귀중한 정보를 수집할 수 있습니다.
사용된 세 가지 전분 유형(마니옥 전분, 감자 전분, 쌀 전분)은 첫 번째 가열 단계에서 서로 명확하게 구분할 수 있습니다(그림 1). DSC 곡선은 크게 다르며 쌀 전분만 100°C 이상에서 추가적인 흡열 효과를 나타냅니다.