서론
단백질 파우더는 근육을 키우거나 체중을 감량하거나, 단순히 식단의 영양 결핍을 보완하는 데 도움을 주는 영양 분야의 핵심 제품입니다. 이 업계에서 가장 흔한 단백질 원료는 유제품 제조 과정에서 발생하는 부산물인 유청입니다. 그러나 식이 제한(유당 불내증), 윤리적 문제, 그리고 영양적 이점을 극대화하기 위한 연구로 인해 단백질 파우더의 다른 원료들도 많이 연구되고 있습니다.
식물성 원료나 심지어 곤충에서 완전히 추출한 상업용 단백질 파우더도 많이 시중에 나와 있습니다. NETZSCH Grinding & Dispersing은 전체 곤충, 건조 유충 또는 중간 제품을 가공하기 위해 높은 처리량과 낮은 에너지 소비를 자랑하는 맞춤형 시스템을 제공합니다. 그러나 식물성 및 곤충 유래 단백질 분말은 모두 기존의 유청에 비해 용해도가 낮은 문제가 전통적으로 존재해 왔습니다. 식물성 단백질 분말은 소수성 아미노산으로 구성된 비율이 높고 유청에 함유된 천연 화학 유화제가 부족한 반면, 곤충성 단백질 분말은 외골격(키틴)에서 유래한 천연 섬유질을 함유하고 있어 본질적으로 수용성이 낮은 경향이 있습니다. 이러한 용해도 문제를 극복하기 위해, 서로 다른 아미노산 및 유화제 특성을 가진 원료를 혼합하는 것이 일반적인 전략이다.
본 연구에서는 서로 다른 원료로 만든 단백질 분말의 건조 분말 특성을 비교하고, 용해 프로파일을 측정하며, 심지어 식감까지 탐구하고자 했습니다. 이를 위해, 민감도, 적은 시료량, 모듈식 기하학적 구조 및 다중 채널 측정 advanced software 기능을 통해 광범위한 복합 유체 및 반고체 물질을 특성 분석할 수 있는 NETZSCH 의 Kinexus Prime 시리즈 레오미터를 활용했습니다. 특히, 이 기기의 모듈식 구조 덕분에 시료를 분말 상태, 용해 과정 중, 그리고 마찰학 실험 시에 측정할 수 있도록 빠르고 쉽게 조정할 수 있었습니다.
총 네 가지 시료의 특성을 분석했는데, 아미노산을 추가로 강화한 유청 단백질, 유청 단백질 분리물(유당을 여과하고 지방을 제거하기 위해 추가 가공된 유청), 식물성 혼합물(완두콩, 호박, 치아 단백질), 곤충성 혼합물(귀뚜라미 및 완두콩 단백질)이었습니다.
건조 분말의 특성
건조 분말 자체를 측정하기 위해서는, 이전에 건조 유당 측정과 관련하여 보고된 바와 유사한 측정 절차를 활용하였다[1]. 측정 매개변수는 표 1에 상세히 제시되어 있다.
표 1: 측정 설정
| 기기 | Kinexus prime ultra+ |
|---|---|
| 시료 | 건조 단백질 분말 (각 15 g) |
| 원통 | 원통형 컵 (Φ 34 mm) |
| 패들 | 2날 전분 패들 |
| 온도 범위 | 실온 |
| 전단 점도 | 10 ~ 1000 1/s |
각 시료는 10~1000 1/s 범위의 전단 점도 램프와 5분간의 휴지 시간으로 구성된 유동화 단계를 거쳤습니다. 이 단계에서는 입자 간의 상호작용이 감소하고[2], 시료의 이력(취급 시 발생하는 압축 등)이 미치는 영향이 제거됩니다. 각 분말의 전단 속도에 따른 점도 변화는 그림 1에 표시되어 있습니다.
시료의 처리 이력을 지우기 위한 유동화 단계에서도 시료 간의 점도 차이는 뚜렷하게 나타나며, 강화 유청이 가장 높은 점도를 보이고 곤충 혼합물이 가장 낮은 점도를 보입니다. 입자 크기 및 전하와 같은 다양한 매개변수가 전단 하에서 건조 분말의 점도를 결정합니다.
유동화를 통해 시료의 가공 이력을 제거한 후, 분말의 점탄성 특성(탄성 거동을 나타내는 G’ 및 점성 거동을 나타내는 G”)을 파악하기 위해 시료에 대해 진폭 스윕 측정을 수행했다. 측정은 실온에서 1 Hz의 주파수로 전분 패들을 사용하여 0.01 Pa에서 50 Pa까지 수행되었습니다. 진폭 스윕 결과는 그림 2에 제시되어 있습니다.
건조 분말의 점탄성 특성을 측정함으로써 입자 간 상호작용(정전기력, 마찰력 등)에 의해 형성된 네트워크에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이러한 특성을 이해하는 것은 가공 및 유동성 측면에서 중요할 뿐만 아니라, 용해 과정에서 이러한 네트워크가 얼마나 견고한지를 파악하는 데에도 중요합니다. 유청 단백질 분리물은 초기 탄성 계수 값이 가장 높아 가장 견고한 분말 네트워크를 형성함을 시사하지만, 동시에 선형 점탄성 영역(변형률이 증가함에 따라 G’와 G”가 선형 반응을 보이는 영역)이 가장 좁게 나타나, 네트워크는 견고하지만 입자를 분리하는 데는 적은 전단 변형률만으로도 충분함을 보여줍니다. 반면, 강화 유청 단백질은 선형 점탄성 영역이 가장 넓어, 입자에 의해 형성된 네트워크가 전단력이나 공정 진동에 대해 견고함을 시사합니다.
원산지가 다른 단백질 분말들 사이에서 관찰된 물리적/기계적 차이 외에도, 이들 분말이 서로 다른 열적 특성을 보일 것으로 예상된다는 점을 유의해야 한다 [2].
a) 강화 유청, b) 유청 단백질 분리물, c) 곤충 혼합물, d) 식물 혼합물 단백질 분말의 점탄성 특성은 전단 변형률 0.001~1% 범위에서 1 Hz 진폭 스윕을 통해 측정되었다.
해산
단백질 파우더 스무디를 만드는 일반적인 방법은 물 1~1.5컵에 한 스쿱(25~35g)을 넣는 것입니다. 이번 연구에서 우리의 목표는 다양한 단백질 파우더가 녹는 데 걸리는 시간을 측정하는 것뿐만 아니라, 침전되지 않고 얼마나 잘 용해된 상태를 유지하는지도 확인하는 것이었습니다. 또한, 이러한 시료들이 산업 현장이나 가정에서 믹서를 통해 혼합될 때의 용해 상태와 점도를 파악하고자 했습니다. 이를 위해 모델 믹서에서 측정된 전단 속도는 0~400 1/s 범위인 것으로 나타났습니다(크기, 프로펠러 등에 따라 다름) [3]. 측정을 위해 직경 34 mm 컵에 물 35 g을 넣었습니다. 그런 다음 각 단백질 파우더 4.4 g을 물 위에 부은 후, 전분 패들을 5 mm 간격으로 설정된 위치까지 내려놓았습니다. 이후 각 시료를 300 1/s의 전단 속도로 5분 동안 혼합했습니다. 초기 혼합 후, 시료를 5분 동안 침전시킨 다음 300 1/s에서 5분 동안 다시 혼합하였다. 이러한 일시 정지 및 혼합 과정을 각 시료에 대해 한 번 더 반복하였다(총 측정 시간 25분).
용해 연구 결과는 그림 3에 제시되어 있다. 300 1/s에서 5분간 교반했을 때의 점도를 나타낸 그림 3a)를 보면, 유청 단백질 분리물이 모든 혼합물 중에서 가장 빠르게 용해되며 점도가 가장 낮다는 것이 분명하다. 강화 유청 단백질은 안정된 점도 값에 도달하는 데 2분 미만이 소요된 반면, 곤충 혼합물은 4분 이상이 걸렸다. 중요한 점은 식물성 혼합물이 안정된 점도 값에 도달하지 못하고 계속 증가한다는 것으로, 이는 더 많은 단백질이 수화되어 용액으로 들어가고 있음을 시사한다. 그림 3b)에서 볼 수 있듯이, 전체 25분간의 시험 기간 동안 세 번의 별도 혼합 단계를 거쳤음에도 식물성 혼합물의 점도는 여전히 증가하며 안정된 값에 도달하지 못했습니다. 이에 비해 다른 세 가지 단백질 분말은 첫 번째 혼합 후 안정적인 측정값에 도달했습니다. 식물성 혼합물은 용액에 25분 동안 머물렀음에도 수화 반응이 계속될 뿐만 아니라, 동일한 농도에서 유청 단백질 용액의 최종 점도보다 거의 두 배에 달하는 점도를 보였습니다.
마찰학 측정
우리는 이전에 Kinexus Prime ultra+을 이용한 마찰학(마찰 및 윤활 연구) 평가가 식품 과학 산업에서 식품 구조와 식감 등의 감각적 인식을 연관 짓는 데 어떻게 활용될 수 있는지 제시한 바 있다[4]. 우리는 용해 연구 과정에서 생산된 단백질 쉐이크를 채취하여 ‘3개의 핀 위에 놓인 구(ball-on-three-pins)’ 마찰학 셀을 사용하여 테스트했다. 상부 구조에는 붕규산 유리 구(직경 12.7 mm)를, 하부 구조에는 3개의 엘라스토머 핀(Sylgard 184)을 사용하여 입안의 혀와 구개 사이의 부드러운 마찰 쌍을 가장 잘 모사하였다. 액체 삼키기의 5단계 동안 혀가 구개 위를 이동하는 평균 속도는 10.3 mm/s인 것으로 보고된 바 있다[5]. 시료는 실온에서 5e-7~1.3 m/s의 미끄럼 속도 범위 내에서 3회 반복 측정되었다.
4가지 단백질 스무디의 확장된 스트리벡 곡선은 그림 4에 표시되어 있습니다. 일반적으로 낮은 마찰 계수는 0.3 미만으로, 높은 마찰 계수는 0.6 이상으로 정의됩니다. 음용 시 혀가 구개 위를 이동하는 속도 범위를 포괄하기 위해 1 mm/s에서 100 mm/s 구간이 강조 표시되어 있다. 강화 유청과 유청 단백질 분리물은 유사한 프로파일을 보이는 반면, 곤충 혼합물과 식물 혼합물은 모두 초기 마찰 계수가 미끄러짐 속도의 함수로서 증가하는 경향을 보인다. 이는 삼키는 동작 중에 곤충 혼합물과 식물 혼합물 모두 입자 응집으로 인해 점차 거친 질감을 띠게 되어, 결과적으로 마찰 계수가 높아질 것임을 시사한다. 이 데이터는 ‘스무디는 얼마나 부드러울까?’라는 오랜 의문을 이해하는 데 핵심적인 역할을 한다.
요약
본 연구에서는 다양한 가공 과정을 거친 유청 단백질 분말부터 순수 식물성 혼합 분말, 곤충 단백질 혼합 분말에 이르기까지 다양한 원료로 만들어진 단백질 분말의 특성을 조사했습니다. 유동성 및 용해성 분석 시스템 Kinexus Prime ultra+을 활용하여 건조 분말의 특성부터 용해 특성에 이르기까지 분석할 수 있었으며, 심지어 최종 용액을 마실 때 입안에서 느껴지는 감각까지 파악할 수 있었습니다. 식물성 및 곤충성 단백질 제품의 개발은 식음료 산업의 주요 연구 분야입니다. 유동성 및 용해도와 같은 변수를 이해하는 것은 제조 과정은 물론 최종 사용자의 만족도를 높이는 데에도 매우 중요합니다.