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SUMMARY(영문요약문)
CONTENTS(영문목차)
목차
제1장 연구개발 과제의 개요 19
제1절 연구개발의 목적 19
1. 기능성 양채류: 세계적으로 효능성이 검증된 건강식품 19
2. 특허 지도 분석: 소재화 연구의 '블루오션' 20
제2절 연구개발의 필요성 22
1. 기술적 측면 22
2. 경제·산업적 측면 24
3. 사회·문화적 측면 26
제2장 국내외 기술개발 현황 27
제1절 국내 연구현황 27
제2절 국외 연구현황 30
제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 32
제1절 첨단 가공/분석 융합연구를 통한 기능성 양채류의 명품 식품 소재화 : 유효성분 활성화 연구 (주관연구기관 : 한국과학기술연구원 판철호) 32
1. 서론 32
2. 본론 35
가. 양채류 시료 확보 및 유효성분 선정 35
나. 유효성분(glucosinolate 분해산물) 지표확립 및 표준화 연구 38
(1) 설포라판(sulforaphane) 정량법 구축 38
(가) HPLC(고성능액체크로마토그래피)를 이용한 설포라판 정량법 38
(나) LC-MS를 이용한 설포라판 정량법 38
(다) 설포라판 정량법의 적용 40
(2) Allyl isothiocyanate(AITC) 정량법 구축 42
다. Myrosinase 활성화를 통한 유효성분 최적화 연구 45
(1) 브로콜리 45
(가) 브로콜리 부위별 sulforaphane 함량 분석 45
(나) 가공처리에 따른 sulforaphane 함량 분석 45
(다) 초고압과 열 병행처리 처리에 따른 sulforaphane 함량 분석 48
① 초고압과 열 병행처리의 효과 48
② Pre heating과 post-heating 효과 50
(라) 초고압 처리에 의한 세포막 붕괴도 측정 53
① Biological Impedance Analyzer의 제작 및 활용 53
② Tissue printing을 통한 myrosinase activity 측정 54
(2) 방울양배추 57
(가) 시료 확보 57
(나) 가공처리에 따른 방울양배추의 sulforaphane 함량 비교 57
(다) 초고압 처리에 의한 세포막 붕괴도 측정 58
(3) 적양배추 60
(4) 가공처리에 의한 AITC 함량 분석 64
라. 기능성이 향상된 소재의 안정성 평가 및 우수성 검증 65
(1) 다양한 건조방법에 따른 설포라판 함량 측정 및 비교평가 65
(2) 브로콜리에 대한 Large scale processing 69
(가) 브로콜리 대량 수급 및 손질 69
(나) Large scale 초고압 처리(전남 생물산업지원센터 대형 초고압 기기 사용) 70
(다) 동결건조 70
(라) 초미세분체화 : 협동연구기관 보고서 참조 72
(3) 기능성이 향상된 브로콜리에 대한 저장 안정성 평가 75
(4) 세포독성 및 해독효소활성 측정 78
제2절 첨단 가공/분석 융합연구를 통한 기능성 양채류의 명품 식품 소재화 : 초미세나노분체화 (협동연구기관 : 에프앤디나노텍 신옥기) 81
1. 양채류 원료 선정 81
2. 분쇄 테스트 진행 절차 및 분쇄기종 결정 81
3. 분쇄 실험 분쇄기 내용 및 조건 82
가. Pin Mill 분쇄기 82
나. Jet Mill 분쇄기 82
다. 냉동분쇄기 82
라. ACM(Air classifier Mill) 82
4. 제품별 분쇄 실험 결과 83
가. 브로콜리 83
나. 양배추 86
다. 분쇄실험 결과 88
5. 양채류 분쇄 실험 결론 88
6. 양채류 소비자 조사 89
가. 조사 개요 89
나. 브로콜리 등 양채류 음용행태 조사 결과 89
다. 브로콜리 분말 컨셉 테스트 내용 90
7. 초고압 처리 양채류 제품 개발 전략 방향 92
가. 양채류 제품 전략 방향 92
나. 양채류 제품화 전략방향 92
다. 향후 전략 과제 93
라. 상품화 전략 93
마. 시제품 생산 94
8. 브로콜리 가공분말 Concept Test 결과 보고[원문불량;p.118] 95
제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 133
제1절 연구의 세부연구 목표 및 평가의 착안점 및 기준 133
제2절 연구개발 수행내용 및 목표달성도 134
제3절 관련분야로의 기여도 135
제5장 연구개발결과의 활용계획 136
제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 137
제7장 참고문헌 139
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I. 제목
첨단 가공/분석 융합연구를 통한 기능성 양채류의 명품 식품 소재화
II. 연구개발의 목적 및 필요성
과학기술의 눈부신 발전은 각 국의 식생활에 큰 변화를 일으키고 있으며, 우리나라도 국민소득의 증대에 따라 육류의 소비가 증가하는 등 식생활 패턴이 달라지고 있다. 이로 인해 고혈압, 동맥경화 등 순환기 계통의 질병 및 암의 발생률이 증가하고 있으며, 이러한 질병의 발생은 식품 혹은 식생활과 밀접한 관계가 있는 것이 역학적 연구로부터 지적되고 있다. 최근 웰빙(well-being) 지향형 식품의 수요가 증가하고 있으며, 식품산업에서는 천연 기능성 물질들이 주목 받고 있다. 그 중에서도 브로콜리, 양배추, 적양배추, 콜라비, 케일 등의 십자화과 채소류에는 항산화, 항균, 항암 등의 생리활성이 밝혀져 이에 대한 관심이 커져가고 있다. 십자화과 채소에는 glucosinolate가 존재하는데 이 성분은 myrosinase에 의해 가수분해되어 isothiocyanate(ITCs), nitriles, indoles등의 분해산물을 형성한다. 이러한 분해산물은 십자화과 채소를 갈거나, 다지거나, 압착하는 등의 가공과정에 의해 식물 세포가 상처를 입게 되면 glucosinolate가 myrosinase의 작용을 받아 만들어지게 된다. 최근의 연구에서는 ITCs의 항균 활성이 증명되었으며, 다양한 암의 발생률 저하 효과가 있음이 보고되어 십자화과 채소에 대한 관심이 다시 한 번 고조되고 있다. 그러나 활성에 관한 연구가 많이 이루어져 왔지만, glucosinolate가 유효활성을 가지기 위해서는 가공과정을 거쳐야 하는데 그에 따른 최적 가공 조건에 대한 연구는 미흡한 상태이다.
1000~6000atm의 초고압을 생체에 처리하게 되면 생체의 세포막이 초고압 상태에서 개방되어 물질의 이동이 일어나게 된다. 십자화과 채소의 glucosinolate와 활성화에 필요한 myrosinase는 식물체내에서 유세포(parenchymal cell)와 이상세포(idioblast)에 각각 분리되어 존재하므로 정상상태에서는 서로 만나 반응할 수 없기 때문에 두 물질의 작용을 위해 물리적 처리가 요구된다. Myrosinase는 온도에 민감한 효소지만 5000atm의 초고압에서도 변형되지 않음이 보고되어 있어 high hydrostatic pressure 처리를 통해 십자화과 채소내 glucosinolate와 반응하여 활성물질을 생성해 내기 위한 가공연구가 진행될 필요가 있다.
또한 초미세분체화 기술은 입자를 10㎛ 이하의 미립자로 만들어 생이용성과 액상제품에서의 분산도를 증가시켜 체내 흡수율을 향상시키는데 중요한 역할을 할 수 있다. 따라서 십자화과 채소류에 초미세분체기술을 적용하면 활성을 띤 glucosinolate 분해산물의 활용도를 극대화 시킬 수 있을 것으로 여겨진다.
이러한 최적가공기술 연구는 십자화과 채소의 생리활성물질을 증폭시키고 나아가서는 제품화 단계에서 유효활성 성분이 손실되는 것을 막아주기 때문에 반드시 연구되어야 할 분야이다.
따라서 최근 건강 지향형 식품으로 주목받고 있는 브로콜리, 양배추, 적양배추 등의 십자화과 채소를 이용해 최적가공기술을 적용하고 유효활성성분을 증폭시키는 기술의 확보는 매우 필수적이다. 이에 대해 본 연구팀은 기존의 가공제품 연구와는 달리 유효활성성분이 증폭된 십자화과 채소의 소재화 연구를 지향하고 차별화된 고기능성 소재로 발전시키고자 한다. 훗날 다양한 가공식품으로의 응용에 사용될 뿐만 아니라 식품 소재 및 식품 첨가물 관련 산업의 발전과 국내 식품 산업의 해외 진출에도 기여 할 수 있을 것이다.
III. 연구개발 내용 및 범위
본 연구는 십자화과 채소의 glucosinolate 분해산물을 규명하고 활성성분의 정량법 개발을 통한 표준화 연구를 수행한다. 또한 십자화과 채소의 물리적 전처리 공정에 따른 기능성분을 비교 분석하고 세포막 붕괴도를 측정하여 myrosinase와 glucosinolate 반응성 향상에 대한 연관성을 조사한다. 그리고 물리적 전처리 후 반응시간 및 온도에 따른 유효활성 성분의 변화를 측정하고 최적 처리 조건을 확립한다. 다양한 십자화과 채소에 확대 적용하여 유효성분 평가시스템을 구축한다. 특히 초고압 처리에 대한 효과를 알아보기 위해 유효성분 평가시스템을 활용하며 다양한 건조방법에 따른 안정성을 평가하고 유효성분이 최적화된 건조 양채류를 초미세 분체화하고 이를 이용해 응용가능한 제품을 탐색하고 확대 적용한다. 그 후 유효성분이 최적화 된 초미세 양채 분말을 고부가가치 상품으로 제형화하고 브랜화를 추진한다.
IV. 연구개발결과
본 연구과제는 가공기술과 분석기술을 적용하여 십자화과 채소류를 명품식품 소재화하는 것이다. 연구의 주요 관점은 물리적 가공법을 통해 십자화과 채소의 glucosinolate와 myrosinase의 반응성을 증대시키고 유효성분을 향상시켜 초미세분체화를 적용해 기존의 제품과 차별화된 소재를 개발하는 것이다.
Glucosinolate 분해산물 중 설포라판을 선정하여 지표를 확립하고 정량법을 구축하였으며, 대표적인 기능성 양채류로 알려진 브로콜리를 이용해 부위별 함량을 분석하고 그 결과 줄기와 잎보다 꽃 부분에서 설포라판 함량이 높게 측정됨을 확인하였다. 일반적인 가정식 조리 방법인 갈거나(grinding) 데친(blanching) 브로콜리는 설포라판 함량에서 차이를 보였다. 먼저 가정용 믹서기로 간 브로콜리에서는 갈지 않은 것에 비해 약 3배의 설포라판이 증가되었고, 데친것은 설포라판 함량이 거의 존재하지 않았다. 냉동시킨 브로콜리에서도 설포라판 함량은 거의 존재하지 않았다. 또한 초고압가공법을 적용한 브로콜리와 갈은 브로콜리의 설포라판 함량을 비교한 결과 1000atm과 2000atm의 압력에서는 갈은 것의 효과보다 미미했지만 설포라판이 증가되었고 3000, 4000, 5000atm의 압력처리를 통해서는 설포라판 함량이 효과적으로 향상됨을 확인할 수 있었다. 이때 5000atm 처리를 한 브로콜리에서 가장 높은 설포라판 함량이 측정되었으며, 초고압 처리시간은 10분에서 30분간 처리하여 비교한 결과 10분간 압력처리 하는 것이 바람직하다고 여겨졌다. 따라서 5000atm에서 10분간 초고압 상태를 유지시키는 것이 적절한 초고압가공법이라 결론 내린 가운데 열처리와의 병행 효과를 실험해보았다. 초고압처리 전과 후의 열처리에 따라 설포라판 증폭효과를 분석한 결과 초고압처리 후 열처리를 하는 것이 더욱 효과적이었다. 이때 온도는 30, 50, 70, 90℃에서 1시간 동안 주어졌고 70℃에서 반응시키는 것이 가장 효과적이라 판단되었다. 또한 초고압 처리에 의한 세포막 붕괴도를 측정하기 위해 biological impedance analyzer(BIA)를 이용하여 임피던스(impedance)를 측정하였다. 여기서 임피던스는 저항값을 의미하며, 1000~5000atm 압력이 처리된 시료는 압력이 증가됨에 따라 임피던스값이 감소된다는 것을 알 수 있었다. 임피던스값이 작다는 것은 세포막이 붕괴되어 세포 내의 전해질이 용출됨으로써 전류가 잘 통해 저항값이 작아졌음을 의미한다. 브로콜리에 압력을 가한 경우 대조군에 비하여 세포막 붕괴도가 증가하였고 특히 4000atm 이상의 압력에서 세포막 붕괴도의 현저한 차이가 난다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 처리한 압력이 커질수록 설포라판 함량이 증가된다는 사실을 뒷받침해주는 증거로 여겨진다. 방울양배추의 경우에서도 세포막붕괴도는 비슷한 결과를 얻을 수 있었다. 또 브로콜리의 tissue printing을 통해 myrosinase activity를 측정한 결과 대조군에 비해 5000atm 압력처리군에서 glucosinolate와 myrosinase의 반응성이 증대되었음을 알 수 있었다.
브로콜리와 방울양배추에 이어 양배추, 케일, 콜라비, 적양배추에 대해 초고압가공법을 적용한 결과 적양배추에서 현저한 설포라판 증폭 효과를 확인하였으며 최적 조건은 4000atm의 초고압 처리 후 60℃에서 1시간동안 반응시키는 것이었다.
또한 건조법에 따른 설포라판 함량 변화를 측정한 결과 동결건조 방법이 가장 효과적인 것으로 나타났으며, 진공건조 및 열풍건조를 거친 시료에서는 설포라판 함량의 손실이 상당히 크게 나타났다. 따라서 대량 초고압 처리 공정에서는 최적의 조건을 모두 적용하여 실험하였으며, 설포라판이 증폭된 샘플은 협동연구기관인 에프앤디나노텍으로 보내져 초미세분체화와 제품화 연구에 활용하였고 일부는 KIST에서 저장성 실험에 이용하였다.
초미세분체화는 pinmill 분쇄기와 jetmill 분쇄기를 통해 이루졌으며 조분쇄를 거친 입자를 작은 입자로 만들기 위해 pinmill 분쇄기로 분체화하고 더욱 작은 입자를 만들기 위해 jetmill 분쇄기로 한번 더 분쇄하였다. Jetmill 분쇄기로 분쇄한 것은 pinmill로 분쇄한 분말보다 그 입자가 훨씬 작아 활용도가 높은 것으로 알려져 있다. 이러한 분쇄과정을 거치면서 설포라판 함량의 변화는 거의 없는 것으로 실험 결과 확인하였으며, 4주간의 저장성 평가를 통해 pinmill 시료와 jetmill 시료의 안정성을 알아보았다. 이때 4, 30, 50, 70℃ 온도 구간에서 저장하였고 4주간 7일마다 시료를 꺼내 설포라판 함량을 측정한 결과 4℃에서 4주간 저장한 시료가 손실 없이 일정한 양의 설포라판을 함유하고 있었다. 30℃에서 저장된 시료는 약 2주까지는 80% 정도의 설포라판을 보존하다가 그 이후부터는 급격하게 설포라판 함량이 감소하였으며 50, 70℃에서 저장한 시료는 1주 만에 설포라판 함량이 40% 이하로 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과들은 십자화과 채소의 설포라판 함량을 증폭시키는 가공법을 산업에 적용될 수 있다는 가능성을 제시한 것과 동시에 십자화과 채소를 명품식품 소재로 이끌어 낼 수 있음을 시사하는 것이다.
본 연구를 통해 최적의 가공법으로 설포라판 함량이 증폭된 십자화과 채소를 통식품(whole food)으로 활용하고, 초미세분체화를 통한 분말화, 액상 제형화한다면 다양한 제품으로 확대 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
V. 연구성과 및 성과활용 계획
본 연구과제에서는 가공기술과 분석기술을 이용하여 십자화과 채소의 유효활성성분인 설포라판과 AITC(allyl isotyiocyanate)의 함량을 효과적으로 향상시킬 수 있었다.
십자화과 채소류는 신선한 상태 그대로 섭취하는 경우 외에는 삶거나 데치는 등의 가열조리 후 섭취하게 된다. 하지만 가열조리는 십자화과 채소내의 myrosinase 효소를 불활성화 시켜 glucosinolate가 활성물질로 전환되는 것을 유도하지 못하게 되고 따라서 십자화과 채소의 활성물질이 거의 없는 상태로 섭취하게 된다. 이때 본 연구성과를 활용하여 십자화과 채소에 가공처리를 한다면 아무런 처리도 하지 않은 것에 비해 최소 10배 이상 활성성분이 증폭된 십자화과 채소를 만들어 낼 뿐만 아니라 통식품(whole food)으로의 활용성을 높여 소비자가 이용할 수 있게 될 것이다. 또한 설포라판과 AITC의 함량이 증가된 십자화과 채소를 동결건조 및 분체화 과정을 거쳐 미립자로 만들고 이를 이용해 조미료, 스프, 음료 등 다양한 제품으로 응용이 가능할 것이다.
위의 내용을 바탕으로 브로콜리 및 적양배추로부터 설포라판 함량을 증폭시키는 방법에 대해 특허 2건을 출원하였고 식품 및 생물산업에서의 초고압기술 응용분야에 대한 국내논문 1편을 투고하였으며 관련 내용으로 국외논문 2편을 준비 중이다.
본 연구를 통해서 브로콜리를 비롯한 십자화과 채소에 초고압 가공법과 분체화 기술을 적용하고 유효 활성성분을 향상시킨다면 식품산업의 다양한 제품으로 적용 될 수 있을 것이라 여겨진다.
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