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SUMMARY

CONTENTS

목차

제1장 연구개발 과제의 개요 21

제1절 연구의 목적 22

제2절 연구개발의 필요성 22

제3절 연구범위 26

제2장 국내외 기술개발 현황 27

제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 30

제1절 화학처리를 하지 않은 천연물질인 패각을 이용한 식품의 세균증식억제/추출효과향상/천연산화칼슐(HAC)개발 30

1. 연구개발을 위한 사전조사(소성패각 제조법에 관련된 특허) 30

2. 천연산화칼슘(HAC) 개발 및 제조방법 확정과 항목비교 31

가. 천연산화칼슘 제조법 확정 및 조사항목과 분석방법 31

나. 패각원료를 가공 처리한 천연산화칼슘의 함량분석 32

다. 소성원료 종류별 칼슘의 순도 34

라. 활성칼슘 시료의 항목별 수치 35

마. 용해도 측정 36

바. 타사의 천연패각 소성칼슘과의 항목 비교실험(pH/CD/ORP 등 비교) 37

3. 연구대상 식품류에 있어서의 천연산화칼슘 처리방법 도출 39

가. 생면/포장두부/튀김어묵에서의 천연산화칼슘 직접 첨가량 및 처리방법 39

나. 양파/포도/녹차에서의 추출을 위한 천연산화칼슘 농도 및 처리방법 40

다. 양파 등 과채류 세척과 고추장 첨가에서의 천연산화칼슘 처리농도 및 효과 42

라. 천연산화칼슘 사용에 따른 경제성 검토 43

제2절 천연산화칼슘(HAC)의 두부, 면류, 어묵제품 유통기한 증대 효과 45

1. 재료 및 방법 45

가. 천연산화칼슘의 미생물 생육 저해효과 45

나. 천연산화칼슘 첨가가 식품(면류, 두부, 어묵)의 저장성에 미치는 영향 46

2. 결과 및 고찰 49

가. 천연산화칼슘의 미생물 생육 저해효과 49

나. 천연산화칼슘 첨가가 식품(면류, 두부, 어묵)의 저장성에 미치는 영향 53

제3절 천연산화칼슘(HAC)의 식품 추출효율 증대효과 76

1. 재료 및 방법 76

가. 실험재료 76

나. 천연산화칼슘 첨가에 따른 소재의 최적 추출 조건 설정 77

다. 천연산화칼슘 첨가에 따른 소재의 특성 측정 79

라. 천연산화칼슘첨가에 따른 소재의 최적 추출 조건 최적화 82

2. 결과 및 고찰 83

가. 천연산화칼슘 첨가시 양파의 추출조건 최적화 83

나. 천연산화칼슘 첨가 시 포도의 추출조건 최적화 96

다. 천연산화칼슘 첨가 시 녹차의 추출조건 최적화 110

제4절 천연산화칼슘 처리에 의한 신선 과채류 및 고추장의 저장성 연장 효과 126

1. 재료 및 방법 126

가. 천연산화칼슘 처리에 의한 고구마의 저장성 연장 효과 126

나. 천연산화칼슘 처리가 양상추, 감자, 사과, 양파의 저장성에 미치는 영향 129

다. 천연산화칼슘 처리에 따른 저장 중 고추장의 품질특성 조사 130

2. 결과 및 고찰 133

가. 천연산화칼슘 처리에 의한 고구마의 저장성 연장 효과 133

나. 천연산화칼슘 처리가 양상추, 감자, 사과 양파의 저장성에 미치는 영향 152

다. 천연산화칼슘 처리에 따른 저장 중 고추장의 품질특성 조사 166

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 179

제5장 연구개발 성과 및 성과활용 계획 181

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 184

제7장 참고문헌 186

I. 제목

식품보존 및 유통기한의 획기적 연장을 위한 천연칼슘 개발

II. 연구개발의 목적 및 필요성

화학처리를 하지 않은 천연물질인 패각을 이용하여 생산한 천연산화칼슘(High activated calcium: 이하 HAC로 표기)은 식품의 대량생산과 편의성부여를 통한 식품의 안전성 확보에 매우 효율적인 수단이다. 천연산화칼슘은 식품에서 세균증식억제, 추출효과 향상 및 저장중의 가스발생억제 효과를 가지고 있다. 그러나 효과적인 B2B 제품의 개발을 위하여 목적에 맞는 실증 시험을 통한 효능 검증이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 천연산화칼슘의 제조방법 개선 및 실제 식품 계에서의 효능 검증을 통한 활용성 확대를 목적으로 한다.

III. 연구개발 내용 및 범위

- 천연산화칼슘의 제조상 장해요인과 문제점 해결

- 천연산화칼슘의 품질균일성과 패각과 유사한 다양한 천연원료의 개발

- 식품류에서 발생되는 세균의 종류와 균 증식억제물질 개발과 안전성 검토

- 양파/과즙/차의 유효성분 추출향상물질 개발과 안전성 검토

- 신선야채와 장류의 가스발생 억제효과 확인

- 기존 처리방법과 천연산화칼슘 처리군의 경제성 분석

IV. 연구개발 결과

1. 화학처리를 하지 않은 천연물질인 패각을 이용한 식품의 세균증식억제/추출효과향상/천연산화칼슘(HAC)개발

가. 천연산화칼슘 개발 조건 : 여러 가지 천연물질 원료 중 패각원료를 1,420℃ 이상의 온도에서 11.5시간 소성하였을 때, 개발목표로 하는 천연산화칼슘의 순도 99.4% 이상의 개발소재가 생산되며 이 조건에서 가장 경제적인 양산이 가능하였다.

나. 천연산화칼슘 측정항목 : 상기의 소성조건과 117,000Volt에서 40분간 전기분해 하는 조건에서, Conductivity는 7,400㎲/cm 이상, pH(1g/Liter수용액)는 12.7 이상, ORP는 -600mV를 나타내었으며, 이때 원료투입 대비 수율은 98%를 나타내었다.

다. 안전성 : 연구개발 대상으로 하는 품목에서의 시험결과 모든 품목에서 안전성이 충분히 확인되었다.

라. 천연산화칼슘과 화학제제와의 비교 : 기존의 화학적 물질의 처리방법과 비교분석할 때, 첨가 또는 세척에 따른 효과적인 측면은 월등하게 우수 또는 비교적 우월한 결과를 나타내었으며, 효과를 발휘하는 투여량을 처리할 경우 비용적인 측면에서도 거의 대등하거나 조금 높은 정도이나, 화학물질 사용에 대한 불안감 증폭으로 인한 신뢰도 저하 등 소비자들의 인식전환과 시장요구에 따른 식품 생산자의 천연 원료로의 대체 수요 등의 현실적인 추세를 감안할 때, 천연산화칼슘은 현재 식품처리에 사용되어지고 있는 다른 어떤 화학물질보다 우수한 경쟁력을 보유하는 개발물질로 평가될 수 있을 것이다.

2. 천연산화칼슘의 식품 보존 및 추출 향상 효과 구명

가. 천연산화칼슘(HAC)의 두부, 면류, 어묵제품 유통기한 증대 효과

ㅇ. 천연산화칼슘의 미생물 생육 저해효과

천연산화칼슘의 병원성 미생물에 대한 항균효과를 조사하였을 때 항균활성이 가장 크게 나타난 균주는 B. subtilis로 천연산화칼슘 0.1%의 농도에서 성장을 보이지 않았다. B. cereus, S. typhimurium, E. coli O157:H7은 배양 12시간 후 천연산화칼슘의 첨가율이 높을수록 각 균주의 생육이 서서히 진행되었으나 배양 24시간 후에는 대조구와 뚜렷한 큰 차이는 보이지 않을 정도였으나 증식 억제효과는 어느 정도 인정되었다. S. aureus는 1log cycle, B. subtilis는 3log cycle의 감소효과를 보였고 L. monocytogenes에 대해서는 6log cycle의 가장 높은 항균활성을 나타내었다. E. coli에 대한 천연산화칼슘의 살균소독력 평가 결과 8log CFU/g 이상의 감소효과를 보이며 살균제로서의 효력이 있는 것으로 나타났다. 그러나 S. aureus는 3.71-4.10log CFU/g의 감소율을 보이며 식품접촉표면살균제로서의 효과는 비교적 미비하였다.

ㅇ. 천연산화칼슘 첨가가 식품(면류, 두부, 어묵)의 저장성에 미치는 영향

천연산화칼슘(HAC, high activated calcium)을 생면, 두부 및 어묵에 첨가하여 저장 중 품질특성 변화를 관찰하였다. 생면의 경우 주정과 천연산화칼슘을 함께 첨가한 실험구는 저장기간 동안 pH가 유지되었다. 또한 생면의 색도는 0.1%의 천연산화칼슘을 첨가 시 황색도가 높게 나타났다.0.1%의 천연산화칼슘을 첨가한 생면의 조직감은 대조구의 조직감과 유의적 차이가 나타나지 않았다. 천연산화칼슘 0.1%와 주정을 5% 첨가하여 생면을 제조할 때 대조구보다 미생물 생육을 억제하여 저장성이 2.5배 이상 향상되었고, 관능적 특성에 더 좋은 영향을 주는 것으로 나타났다. 천연산화칼슘을 첨가한 침지수에 두부를 저장했을 때 침지수의 pH는 저장기간이 길어짐에 따라 감소하였으며 침지수의 pH가 낮아져 산성화 되면서 두부는 짧은 황색을 나타내었다. 천연산화칼슘 첨가율이 높을수록 두부의 경도와 탄성, 검성, 씹힘성이 낮아졌다. 천연산화칼슘을 첨가한 침지수에 저장한 두부는 10℃ 냉장조건에서 미생물의 생육을 9일 동안 억제하여 28% 이상 연장되었다. 관능검사결과, 천연산화칼슘을 첨가한 침지수의 두부는 저장 8일째까지도 부패취가 나지 않았으나 천연산화칼슘의 첨가율이 높을수록 색, 맛 및 전체적 기호도가 감소하였다. 천연산화칼슘을 첨가하여 제조한 어묵의 pH는 저장기간 동안 서서히 감소하였으며 어묵의 황색도는 천연산화칼슘 첨가구가 더 높게 나타났다. 천연산화칼슘 첨가 시 어묵의 조직감 중 경도와 부착성, 검성, 씹힘성이 낮아졌으며 저장기간 동안 TBA가는 1이하의 범위의 수치에서만 변화를 나타내어 저장기간에 따른 유의적 차이를 보이지 않았다. 어묵의 천연산화칼슘 첨가구의 일반세균수 및 대장균군이 나타나지 않아 저장 18일까지 위생학적으로 안전하여 14일인 대조군보다 28% 이상 저장기간이 길어졌다. 천연산화칼슘의 첨가율이 높을수록 어묵의 보존기간이 길어지며 미생물의 생육이 저해되는 효과는 얻을 수 있으나 관능적 특성이 크게 저하되므로 천연산화칼슘은 0.05% 수준으로 첨가하는 것이 가장 적합할 것으로 판단된다.

나. 천연산화칼슘(HAC)의 식품 추출효율 증대효과

ㅇ. 천연산화칼슘 첨가 시 양파의 추출조건 최적화

양파즙의 최적 추출조건을 선정하기 위하여 중심합성계획에 의해 추출한 양파즙의 항산화적 특성을 모니터링 하였다. 이때 얻어진 양파 추출물에 대하여 수율, 총 폴리페놀 함량, 총 항산화력, 전자공여능 및 quercetin 함량의 결과를 수용하여 반응표면 회귀분석을 실시하였다. 종속변수 회귀식의 결정계수(R²)는 각각 0.9079, 0.9337, 0.9296, 0.4415, 0.2030로 나타났다. 양파즙의 최적 추출조건은 양파즙 추출에 사용되었던 천연산화칼슘의 농도(X₁)는 25.53ppm, 추출 시간(X₂)는 300분이였다. 그 결과 예측된 수율은 7.12%, 총 polyphenol 함량은 40.40mg gallic acid equiv./100g extract, 총 항산화력은 110.69mM AEAC/100g extract이며, 이때의 만족도는 0.987이었다.

ㅇ. 천연산화칼슘 첨가 시 포도의 추출조건 최적화

포도즙의 최적 추출조건을 선정하기 위하여 중심합성계획에 의해 추출한 포도즙의 항산화적 특성을 모니터링 하였다. 이때 얻어진 추출물에 대하여 수율, 총 폴리페놀 함량, 총 플라보노이드 함량, 총 항산화력, 전자공여능 및 trans-resveratrol 함량의 결과를 이용하여 반응표면 회귀분석을 실시하였다. 종속변수 회귀식의 결정 계수(R²)는 각각 0.7732, 0.8879, 0.9098, 0.8537, 0.9367, 0.5967이었다. 목적 값을 최대로 설정하고 최적 조건을 산출한 결과, 포도즙 추출에 사용되었던 천연산화칼슘의 농도(X₁)는 69.5ppm, 추출 시간(X₂)는 215분이었다. 그 결과 예측된 수율은 16.38%, 총 polyphenol 함량은 3.32mg gallic acid equiv./g grape juice, 총 flavonoid 함량은 890.27㎍ catechin equiv./g of grape juice, 총 항산화력은 10.99mM AEAC/g grape juice, 전자공여능은 4.99mM AEAC/g grape juice이며, 이때의 만족도는 0.959이었다.

ㅇ. 천연산화칼슘 첨가 시 녹차의 추출조건 최적화

녹차의 최적 추출조건을 선정하기 위하여 중심합성계획에 의해 추출한 녹차의 항산화적 특성을 모니터링 하였다. 이때 얻어진 추출물에 대하여 수율, 총 polyphenol함량, 총 flavonoid 함량, 총 항산화력 및 전자공여능 녹차의 주요 catechin 화합물(gallic acid, catechin, EGCG, epicatechin) 함량의 결과를 이용하여 반응표면 회귀분석을 실시하였다. 반응 표면 회귀식은 R²은 각각 0.9090, 0.8541, 0.6063, 0.6892, 0.7884, 0.2436, 0.7507, 0.6035, 0.5572이었다. 목적 값을 최대로 설정하고 최적 조건을 산출한 결과, 녹차 추출에 사용되었던 천연산화칼슘의 농도(X₁)는 14.5ppm, 추출시간(X₂)은 30분이었다. 그 결과 예측된 수율은 1.30%, 총 polyphenol 함량은 2.28mg gallic acid equiv./g extract, 총 flavonoid 함량은 690.81㎍ catechin equiv./g extract이였고 총 항산화력은 18.36mM AEAC/g extract, 전자공여능은 8.34mM AEAC/g extrat이었다. 녹차의 주요 catechin 중 gallic acid는 137.02㎍/g extract, catechin은 147.21㎍/g extract, EGCG는 636.82㎍/g extract, epicatechin은 233.82㎍/g extract이며, 이때의 만족도는 0.997이었다.

다. 천연산화칼슘 처리에 의한 신선 과채류의 저장성 연장 효과

ㅇ. 천연산화칼슘 처리에 의한 고구마의 저장성 연장 효과

천연산화칼슘 처리가 고구마의 저장성에 미치는 영향에 대한 실험으로 NaOH, CaOH₂ 처리, 무처리구, 증류수 처리구와 천연산화칼슘 3개 농도구(0.06%, 0.12%, 0.18%)를 대상으로 1분간 침지처리한 후 10℃, 25℃에서 저장 중 고구마의 이화학적 특성을 조사하였다. 10℃ 저장 중 이산화탄소와 산소의 변화는 무처리구가 가장 적었으며 25℃ 저장 시 무처리구와 NaOH 처리구의 이산화탄소와 산소의 함량 변화가 가장 컸으며 각 처리구간 중량감소율의 차이는 매우 적었다. 저장온도별 곰팡이 수는 저장초기에는 천연산화칼슘 처리구는 검출되지 않았으며 저장기간이 지남에 따라 다른 실험구에 비하여 10¹ 적게 검출되었으나 10℃는 저장 18일에 이후부터, 25℃는 저장 9일부터 타 처리구와 유사한 곰팡이수를 나타내었다. 전해질 누출변화는 10℃에 저장한 고구마는 저장기간 동안 감소하는 경향을 나타냈으나 25℃에 저장한 고구마는 초기 전해질 누출량과 거의 변화가 없었다. 천연산화칼슘 처리에 따른 외관, 색, 부패, 발아율 등 저장온도에 따른 저장 중 관능검사 결과는 10 및 25℃ 저장의 경우, 표면색은 NaOH와 CaOH₂ 처리구에 낮은 관능치를 나타내었으며 24일 후부터의 전반적인 관능적 기호도는 천연산화칼슘 처리구가 전반적으로 타처리구에 비하여 30% 이상 높게 유지되었다. 고구마 부패 곰팡이균에 대한 천연산화칼슘의 농도별 성장 저해 효과는 조금 미미하였다.

ㅇ. 천연산화칼슘 처리가 양상추, 감자, 사과, 양파의 저장성에 미치는 영향

천연산화칼슘 처리 후 10℃ 저장 중 양상추의 산소, 이산화탄소 및 에틸렌의 농도변화는 30시간까지 천연산화칼슘 2% 처리구의 이산화탄소 농도변화가 가장 적었으며 에틸렌 농도도 천연산화칼슘 2% 처리구가 가장 적었다. 천연산화칼슘 처리에 따른 미생물 억제효과는 나타나지 않았다. 천연산화칼슘을 0.5% 처리한 양파의 이산화탄소 및 산소의 농도변화가 타 처리구에 비하여 매우 적게 나타났으며 모든 처리구의 에틸렌 농도의 처리구간별 차이는 미미하였다. 양파의 저장기간 중 미생물 변화는 천연산화칼슘 1% 이상의 처리가 양파의 세균억제에 효과적인 것으로 나타났다. 양파의 표면두께는 천연산화칼슘 처리에 따라 개체간의 차이는 있었으나 저장기간에 따라 감소하였다.

천연산화칼슘 처리 후 20℃저장 중 사과의 산소, 이산화탄소 및 에틸렌의 농도변화는 천연산화칼슘 2% 처리구에서 이산화탄소 증가량이 가장 적었으며 에틸렌 농도변화는 대조구를 제외한 모든 처리구에서 저장 70시간 이후 급격히 증가하였다. 또한 천연산화칼슘 처리에 따른 미생물 억제효과는 유의차가 인정될 정도는 아니었다. 또한 저장기간에 따라 사과의 표면두께가 감소하는 경향을 나타내었다. 천연산화칼슘 처리 후 20℃ 저장 중 감자의 산소, 이산화탄소 및 에틸렌의 농도변화를 살펴본 결과 천연산화칼슘 1.5% 처리구에서 가장 낮게 나타났으며 미생물 억제 효과에서는 대조구와 유의차가 없는 것으로 나타났다. 모든 처리구의 표면두께는 저장기간에 따라 감소하는 경향을 나타내었으며 경도 역사 모든 처리구에서 저장기간에 따라 감소하였으며 각 처리 간에 비슷한 비율로 감소하였다.

ㅇ. 천연산화칼슘 처리에 따른 저장 중 고추장의 품질특성 조사

저장 중 고추장의 Hunter Color Value(ΔE)는 천연산화칼슘을 2%, 1.5% 농도 혼입처리구가 7일후부터 저장기간에 따라 타 처리구에 비해 50% 이상 높게 나타났다. 천연산화칼슘 처리에 따른 pH와 산도의 변화는 천연산화칼슘 1% 이상의 농도 혼입처리구의 초기 pH가 9-11 로 타 처리구의 초기 pH 4-5에 비하여 현저히 높은 pH를 보였으며 저장기간에 따라 서서히 감소하였다. 산도의 경우 천연산화칼슘 1% 이상의 농도 혼입처리구의 초기산도가 0.6-0.7로 타 처리구에 비하여 현저히 낮게 나타났으며 저장기간에 따라 서서히 증가하는 경향이었다. 천연산화칼슘 처리에 따른 저장기간 중 아미노태 질소함량은 천연산화칼슘 2% 혼입처리구를 제외한 모든 처리구에서 저장기간에 따라 서서히 감소하였다. 저장기간에 따라 모든 처리구의 총균수 및 효모는 증가하였으나 처리구간의 총균수 차이는 없었으며 효모·곰팡이의 경우는 천연산화칼슘 혼입처리구가 전반적으로 낮게 나타났다. 고추장에 천연산화칼슘 1% 이상 혼입처리구는 저장기간 중 가스가 발생하지 않았다. 천연산화칼슘 1% 이상의 혼입처리구가 타 처리구에 비하여 어느 정도의 효모·곰팡이 억제능을 발현한 것으로 생각된다. 고추장의 곰팡이 및 산막효모를 대상으로 천연산화칼슘의 농도에 따른 고추장 미생물 생육 억제 효과 실험을 실시한 결과는 1.2% 농도 이상의 천연산화칼슘 처리가 고추장의 유통 중 가스 생성을 유발하는 곰팡이 및 내염성 효모에 대하여 미생물 억제 효과가 있는 것으로 판단된다.

V. 연구성과 및 성과활용 계획