쌀단백질분말의 용도는 무엇인가?

쌀 단백질 (RP)은 쌀로부터 추출된 단백질의 총칭이며, 일반적으로 쌀 가공 부산물에서 발견된다.밀, 옥수수 단백질과 비교할 때 쌀 단백질은 저자극성으로 쉽게 소화된다.이들은 유아 식품 및 고급 식품 [1]에 폭넓은 응용 가능성이 있는 고품질 식이성 단백질로 인정받고 있다.가공방법에 따라 생산된 쌀 단백질은 조성과 기능적 특성이 다르다.본 글에서는 쌀 단백질의 주요 출처와 기능적 특성 그리고 현재 가공 및 이용 현황을 소개하여 차후 개발 및 이용에 참고가 될 수 있도록 하였다.

1. [식품영양학] 쌀 단백질 분말의 공급원에 대한 자료입니다

온전한 쌀의 단백질 함량은 약 8% 이며, 주로 알부멘 (2%~5%), 글로불린 (2%~10%), 글루테닌 (66%~78%), 알코올 용성 단백질 (1%~5%)로 구성되어 있다.그 중 물에 녹지 않는 글루테닌과 알코올에 녹는 단백질이 80% 이상을 차지한다 [2].따라서 가공방법에 따라 생산되는 쌀 단백질의 함량과 품질은 크게 달라진다.쌀 단백질은 모든 곡물 중 생물학적 가치가 가장 높다 (77) [3].게다가 쌀 단백질은 저자극성 식물성 단백질이다.어린 아동에서의 소화율, 생물학적 가치, 순단백질 이용률은 각각 88.8%, 90%, 79.9%로 유아, 어린 아동, 노인을 위한 식품에 사용하기에 적합하다 [4].

쌀 전분 가공의 부산물 1.1

쌀의 주성분은 전분 (80%) 이며, 단백질 (8%) [5]이 그 다음이다.쌀 녹말은 전형적인 작은 입자 녹말 (2 μ m 8 μ m) 유니폼으로 입자이다.젤라틴화된 쌀전분은 물을 빨리 흡수하고 식감이 매우 부드러우며 버터와 비슷하고 기름진 식감이 있으며 쉽게 퍼진다.따라서 식품 [6]에 지방 아날로그로 쓰일 수 있다.또한 쌀 전분은 동결해동 안정성이 좋아 [7] 냉동과정에서 음식물이 탈수되어 줄어드는 것을 막을 수 있다.현재 중국의 쌀 전분 연간 생산량은 약 4만톤이며 [8] 식품과 제약공업에서 주로 걸쭉제, 필러, 성형제, 기능성 인자로 사용되고 있다.

쌀 단백질은 쌀 전분 가공의 주요 부산물이다.쌀전분가공의 주요방법으로는 알칼리용액법, 효소법, 기계적방법이 있다.알칼리 용액법은 알칼리 용액을 이용하여 단백질과 일부 지질을 제거한 후 헹구고 원심분리하여 전분을 얻는다.알칼리 용액 속의 단백질은 산 강수에 의해 회수될 수 있다 [9-10].

이 방법은 환경오염을 많이 일으켜 요즘은 거의 사용하지 않는다.효소법은보다 친환경적이고 효율적인 방법이다.단백질분해효소는 쌀에 있는 불용성 단백질을 용해성 단백질로 가수분해한 다음 원심분리나 여과를 거쳐 쌀의 전분과 단백질을 얻는다.효소법의 단점은 얻어진 쌀 전분이 잔류 단백질과 지질 함량이 상대적으로 높다는 것이다 [11].기계적방법은 쌀전분과 단백질을 분리하는 비교적 새로운 방법이다.이 방법은 특고압 균질기를 사용하여 쌀에 응집된 전분입자와 단백질을 분해하여 분리한다.녹말과 단백질의 물리적 분리는 둘 사이의 밀도 차이를 이용함으로써 이루어진다.이 방법은 쌀 전분과 단백질의 원래 품질을 유지하고, 제품 품질도 더 좋다 [12].

쌀 전분 시럽 가공의 부산물 1.2

쌀 전분시럽은 일반적으로 쌀 가공 과정에서 생성되는 잔여물인 깨진 쌀을 이용하여 생산되는데, 잔류 물량의 15%~20%를 차지한다 [13].잔류는 쌀 단백질 (50%~70%), 지질 (3%~8%), 회분 (2%~3%)이 풍부하며, 쌀 단백질의 주 공급원이다 [14].부서진 쌀의 품질과 시럽의 가공 기술은 잔류의 단백질과 지질 함량에 직접적으로 영향을 미친다.높은 지질 함량으로 건조 후에도 쌀 잔류물의 지질산화 및 산화에 매우 취약하며, 이는 단백질의 기능적 특성에 직접적인 영향을 미치는 off-flavor와 변색을 일으킨다.불순물 제거, 건조 및 탈지 처리를 거친 잔류 물에는 단백질이 80% 이상 함유될 수 있으며, 이는 바로 식품 첨가물 또는 추가 가공에 사용될 수 있다.

현재 쌀 단백질의 주요 공급원은 쌀 전분과 쌀 전분 시럽 가공의 부산물이다.그러나 그 결과 나오는 쌀 단백질은 물에 녹지 않아 이전에는 대부분 사료로 사용되었다.최근년간 쌀단백질분말에 대한 시장수요가 늘어남에 따라 쌀잔류물은 식용쌀단백질분말을 생산하는 주요원료로 되였다.

2. 쌀 단백질의 변형 (Modification)

쌀 단백질은 단단한 구상 구조 단백질이다.소단위체들은 분자 내 및 분자 간 이황화 결합과 소수성 상호작용을 통해 고밀도 분자 집합체를 형성하며, 용해도가 낮아 [15] 식품 산업에서의 응용이 제한된다.따라서 쌀 단백질을 물리적, 화학적, 효소적 방법으로 변형하여 공간구조와 물리화학적 특성을 변화시키고 기능적 특성을 개선하는 것이 현재 연구과제로 대두되고 있다.

2.1 물리적 수정

물리적 변형은 단백질의 기능적 특성을 향상시키기 위해 열, 전자기장, 기계적인 힘, 고압, 마이크로파 복사 등의 방법을 사용하는 것을 말한다.물리적으로 변형된 제품은 독성 부작용이 거의 없고 비용이 저렴하지만, 변형효과가 크지 않은 경우가 많으며, 이와 관련된 연구 보고도 상대적으로 적다.연구결과 쌀 단백질을 0-120 MPa의 압력으로 균질화하였을 때, 압력이 증가할수록 단백질의 용해도가 유의적으로 증가하는 것으로 나타났다 (p <0.01) 이고, 유화 활성 또한 유의적으로 향상된다 [16].또한, 알칼리 분해, 동결, 분쇄, 원심분리를 반복하여 쌀 단백질의 용해도를 98% 이상으로 증가시킬 수 있으며, 유화 및 기포 특성 또한 현저히 향상된다는 것이 문헌에 보고되었다 [17].

2.2 화학적 개질

화학적 개질 (Chemical modification) 이란 폴리펩티드의 측쇄에 있는 하이드록시기, 카르복시기, 아미노기와 같은 그룹을 개조하거나 다른 기능성 그룹을 도입하여 단백질의 분자구조를 변화시키고 기능적 특성을 개선하는 화학적 방법을 사용하는 것을 말한다.현재 벼 단백질의 주요한 화학적개조는 탈아미화, 아실화, 당화, 인산화, 알킬화 등이다.

단백질 탈아미드화에는 다양한 방법이 있으며, 그 중 acid 방법이 널리 사용되고 있다.장톈옌 등 18명 연구원은 쌀 단백질의 용해도가 탈산화 정도와 정비례한다는 것을 발견했다.탈 첨가 정도가 64.5% 일 때 용해도는 96.6%에 달하고 기포 특성은 27%이다.쌀 단백질의 유화성은 탈산화정도가 19.6%에서 35.7% 일 때 더 좋다.아실화 변형 [19]을 통해 쌀 단백질의 용해성도 향상시킬 수 있다.또한 당화 개질 후 쌀 단백질의 용해성, 유화성, 기포성이 현저히 향상된다 [20].이상의 연구결과를 볼 때 화학적 개질은 쌀 단백질의 기능적 특성 향상에 큰 영향을 미치지만 영양과 안전성을 고려할 때 방법의 선택, 조건 및 환경의 조절 등에 더 많은 고려가 필요하다.

2.3 효소개조

효소변형은 주로 효소를 이용하여 단백질 분자의 펩타이드 결합과 사이드 체인 그룹에 작용하여 구조와 기능을 변화시키는 것을 포함한다.이를 위해서는 효소가수분해, 단백질반응, 탈아미드, 인산화 등 다양한 방법이 있는데 가장 일반적인 방법은 단백질분해효소가수분해이다.현재 식이단백질의 효소적 변형을 위하여 사용되는 단백분해효소는 매우 다양한데 여기에는 미생물, 식물, 동물 등 다양한 원료의 단백분해효소가 있다.부동한 단백질효소는 효소부위가 다르기때문에 그 산물분자구조가 다르며 물리화학적기능성질도 다르다.

벼단백질의 강한 소수성과 가공중에 변성된 사실 등으로 인하여 복합효소가수분해효과는 효소변형시 단일효소가수분해효과보다 더 좋은 경우가 많다.일부 연구에 따르면 알칼리 프로테아제는 쌀 단백질의 질소용해도지수 (NSI)를 95%, 유화력을 55%, 중성조건에서 가수분해시 기포력을 70%까지 높일 수 있다고 한다 [21].류홍후 등 [22]은 Alcalase와 Flavourzyme 효소를 이용하여 쌀 단백질을 10.26%로 가수분해하였다.

또한 단백질 유사반응을 이용하여 원래의 아미노산 서열을 재조합함으로써 쌀 단백질의 기능적 특성과 영양적 가치를 향상시킬 수 있다.양치언 등 [23]은 쌀 단백질의 알칼리 단백질 분해효소 가수분해물을 원료로 사용하고, 펩신을 사용하여 단백질 유사 반응을 촉매하였다.얻어진 쌀 단백질의 필수아미노산 함량인 Thr, Ile, Phe 및 Lys의 함량이 유의적으로 증가하였다.또한 쌀 단백질의 효소적 탈아미딩은 기능적 특성도 현저히 향상시킬 수 있다.일부 연구에 의하면 글루타민 합성효소를 처리한 후 쌀 단백질의 용해도는 96.99%에 달할수 있고 수분유지능력은 1.75~2.03배 증가할수 있으며 유유지능력은 1.58~1.94배 증가할수 있다 [24].

화학적 개량과 비교할 때 벼 단백분해효소법의 개량 조건이 더 완만하고 구체적이며 안전하고 친환경적이며 현재 가장 많이 연구, 응용되고 있는 개량 방법이다.

2.4 복합 개조

의 효율을 더욱 높이기 위하여 다음과 같이 한다rice 단백질 개조그리고 비용 절감, 때로는 두 가지 이상의 개조 방법을 결합하거나 초음파 및 방사선 조사와 같은 다른 기술과 결합하는 것이 가능합니다.범정 등 (25)은 초음파보조알칼리성 처리가 쌀 잔류물 (19.99 mg/mL)에서 쌀 단백질의 용해도를 향상시킬 수 있음을 보였다.

일부 연구에 따르면 전자빔 조사 (EBI) 기술에 의해 보조된 알칼리 단백질 효소 가수분해 (alkaline protease hydrolysis)는 쌀 단백질 가수분해 정도를 최대 19.02%까지 증가시킬 수 있으며, 폴리펩타이드 수율은 13.50%에 달할 수 있다 [26].EBI 치료는 단백질 분해효소의 작용에 도움이되는 쌀 단백질의 분자 구조의 스트레칭에 유익합니다.

요컨대 일부 신기술의 출현과 응용으로 전통적인 단백질 변형 방법과 결합하면 변형 효과를 얻는데 이롭다.이 분야에서는 초고압 기술 [27], 압출 기술 [28], 펄스 전기장 (PEF) [29] 등과 같은 연구 여지가 많다.

쌀 단백질의 개발 및 이용 3

쌀 단백질은 식이성 단백질로서 높은 생물학적 가치와 저자극성 특성 때문에 이유식에 점점 더 많이 사용되고 있다.뿐만 아니라 쌀 단백질은 식품첨가물이나 기능성 식품에도 사용돼 관심이 높아지고 있다.

3.1 식품첨가물

쌀 단백질 자체는 가용성이 높지 않으며, 이와 관련된 유화, 거품, 겔링, 수분 유지 및 기름 유지 등의 기능적 특성은 이상적이지 않다.그러나 적당한 가수분해 후에는 용해도가 향상되고, 기능적 특성 또한 크게 향상된다.우유징 [30]은 식품급 쌀 잔류물을 원료로 사용하였으며, 탈당화, 중성 단백질 분해효소 개질, 탈색, 건조 등의 작업을 거친 후 냄새가 없고 단백질 함량이 높으며 기포 특성이 우수한 단백질 기포 분말을 얻었다.이 단백질 포밍 파우더는 액체 상태의 식품을 안정시키고 걸쭉하게 만드는 데 사용될 수 있으며 구운 제품 [31]을 거품을 내는 데 사용될 수 있다.

3.2 식용 쌀 단백질

쌀 전분 또는 쌀 전분 시럽을 위한 생산 공정의 부산물인 쌀겨는 식용 쌀 단백질 분말을 가공하는데 사용될 수 있다.전분 시럽을 가공하는 동안 생산되는 쌀겨에는 일반적으로 40%~60%의 단백질, 6%~12%의 지방, 3%~5%의 무기질, 15%~25%의 총 탄수화물 [32]이 함유되어 있다.쌀뜨물의 품질은 생쌀 (혹은 부서진 쌀)의 품질과 시럽의 가공기술에 크게 영향을 받는다 [33~34].지방은 쌀겨의 안정성에 영향을 미치는 주요 요인이다.기름기를 제거하고 불순물을 제거하고 건조시키고 분쇄한후 쌀뜨물의 단백질함량이 80% 이상에 달하면 식용쌀단백질분말로 사용할수 있다.

연구에 따르면 쌀 단백질은 영양가가 풍부하고 혈중 지질과 콜레스테롤 대사를 조절하는데 상당한 효과가 있다고 한다 [35-36].

현재 고품질 쌀 단백질 분말에 대한 국제시장 수요가 빠르게 성장하고 있으며 시장 격차가 크다.고급 식용 쌀 단백질 분말의 시장 수요는 쌀 단백질 함량 80% 이상, 지질 함량 1% 미만, 중금속 함량 10mg/kg 미만, 270개 이상의 농약 [37] 검출 가능한 잔류물이 없는 것이다.

따라서 시럽의 가공시 쌀 잔류 단백질의 품질을 향상시키기 위해서는 원료, 시럽 가공, 기름기 제거, 중금속 제거 등 여러 측면에서 원 공정을 개선해야 한다.례를 들면 유기농파손벼와 저공해파손벼를 원료로 선정해야 한다.깨진 쌀에 대한 불순물 처리 기술:쌀겨와 껍질뿐만 아니라 돌, 금속 찌꺼기를 제거합니다.지방 함량이 높은 쌀겨의 경우, 탈지 처리를 실시해야 하는데, 저장 중 냄새 생성과 쌀 단백질의 변색을 효과적으로 줄일 수 있다 [38].중금속이 과다한 쌀 잔류물의 경우 카드뮴, 납 등의 중금속 이온을 제거하는 방법도 필요하다 [39-40].

3.3인스턴트 단백질 파우더

쌀 단백질, 특히 쌀겨 단백질의 수용성이 낮아 음료나 영양 단백질 분말 등에 응용하는 데 한계가 있다.쌀 단백질의 용해도를 향상시키기 위해서는 용해 변형이 요구된다.쌀 단백질 용해 변형은 제한된 가수분해 하에서 쌀 단백질의 용해도가 증가하는 것을 말한다.쌀 펩타이드와 가장 큰 차이점은 가수분해 정도가 낮게 유지되어 단백질이 과도하게 가수분해되지 않는다는 것이다.

현재 일반적으로 사용되는 용해수정방법은 당화법과 효소법이다.Lu Qian 등 41)은 호박 다당류와 덱스트란을 이용하여 벼 단백질을 각각 당화 및 수정하였으며, 벼 단백질의 용해도를 각각 32.27%, 41.75% 증가시켰다.Wang Zhangcun 등 42)은 Alcalase를 이용하여 쌀 단백질을 가수분해하였으며, 얻어진 효소산물의 용해도, 기포성 및 유화성은 각각 최대 50.2%, 50mL/g 및 73.6mL/g 이었다.그러나 쌀 단백질의 가수분해 정도는 논문에 명시되지 않았다.

Cui Shasha 등 43)은 쌀 단백질을 알칼리성 단백질 분해효소로 처리하여 가수분해도가 1% 내지 5%인 쌀 단백질의 물리화학적 기능성 특성을 분석, 비교하였다.가수분해도가 5%인 쌀 단백질의 용해도가 65.93%에 이르러 가장 높은 것으로 나타났다.이상의 연구결과를 통해 효소가수분해를 제한하면 쌀 단백질의 용해도를 크게 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.쌀 단백질은 비교적 낮은 가수분해 정도를 유지하는 조건에서도 여전히 유화, 기포, 물 흡수, 기름 흡수 등 거대 분자의 기능적 특성이 양호하다 [44].이것은 용해를 위한 쌀 단백질의 효소적 변형과 쌀 펩타이드의 효소적 조성의 본질적인 차이이다.

쌀 펩티드 3.4

벼펩타이드는 산, 알칼리, 프로테아제 등 방법을 리용하여 벼단백질분자를 가수분해하여 생산한 작은 분자의 펩타이드이다.현재 산, 알칼리 방식은 환경오염과 안전성 문제로 더 이상 사용되지 않고 있으며, 쌀 펩타이드를 가공하는 방법으로는 효소법이 가장 일반적이다.

펩타이드의 효소처리에 사용되는 효소제제는 식물, 동물 및 미생물로부터 유래하는 것으로 파파인 (papain), 브로멜라인 (bromelain), 무화과 프로테아제 (fig protease), 펩신 (pepsin), 트립신 (trypsin), 중성 프로테아제 (neutral protease), 알칼리 프로테아제 (alkaline protease), 산성 프로테아제 (acid protease), 맛 프로테아제 (flavor protease) 등이 있다.현재 쌀 펩타이드를 준비하는 3가지 주요 원료가 있다:쌀 단백질, 쌀 겨 단백질 및 쌀 잔류 단백질.원료에 따라 아미노산 조성과 염기서열이 다른 반면, 단백질 분해효소에 따라 효소의 분열 부위가 달라 분자 구조와 활성이 다른 쌀 펩타이드를 생성하게 된다 [45].

쌀 펩타이드는 항산화, 노화 방지, 혈압 저하, 혈액 지방 저하, 면역 조절 및 맛 펩타이드와 같은 다양한 생리 건강 이점이 있습니다 [46-49].쌀 단백질의 알칼리성 단백질 분해효소 가수분해에 의해 얻어지고 막여과 과정을 통해 정제되는 쌀 펩타이드는 히드록시기 라디칼, superoxide 음이온 라디칼 및 DPPH 라디칼에 대한 소거 활성이 매우 좋다.화장품에 첨가하면 피부 노화 방지 효과가 상당하다 [46].

의 가수분해도를 증가시키기 위해쌀 단백질, 단백질 분해 효소의 조합이 좋은 선택입니다.케이준 등 [47]은 알칼리성 단백질 분해효소, 중성 단백질 분해효소, 트립신을 연속적으로 사용하여 쌀 단백질을 가수분해하였고, 쌀 단백질의 가수분해도는 15.9%까지 도달할 수 있었다.얻어진 쌀 펩타이드는 in vitro 항산화 활성이 좋은 것으로 나타났다.왕선 등 (48)은 쌀을 원료로하고 알칼리 프로테아제와 트립신을 이용한 단계적 효소법을 이용하여 쌀 펩타이드를 얻었는데 절대분자량이 549~1158 이며 필수아미노산의 함량이 35.61%, 소수성 아미노산의 함량이 45.2%, 글루타민산의 함량이 16.1%로 가장 높았다.이 쌀 펩타이드는 강력한 항산화 활성을 가지고 있으며 또한 IC50이 0.057 mg/mL로 높은 ACE 저해 활성을 나타낸다.

이외에도 쌀에서 추출한 펩타이드는 제2 형 당뇨병을 치료하는 효과도 있다.인간은 α-glucosidase과 dipeptidyl peptidase IV (EC 3.4.14.5, DPP-IV)의 발전에 중요 한 역할을 한 제2 형 당뇨병 [49]다.dp-iv는 장내 세포에서 분비되는 호르몬 (GLP-1)을 분해하는 세포 내 효소로 인슐린 자극, 글루카곤 억제, 위 비우기를 억제하고 섬세포를 재생시켜 혈당을 낮추는 것이 주요 기능이다.DPP-IV 활성을 억제하거나 비활성화하면 GLP-1의 분해를 감소시켜 혈당을 낮출 수 있습니다.

최근 DPP-IV 억제제는 당뇨병 치료의 대들보 중 하나가 되었다.Hatanaka T 등 [50]은 사케리스, 쌀, 쌀겨를 원료로 사용하여 쌀 단백질 가수분해물이 dipeptidyl peptidase IV (EC3.4.14.5, DPP-IV)에 대해 저해 활성을 가지고 있음을 확인하였다 (IC50=1.45±0.13 mg/mL).쌀 단백질 가수분해물로부터 확인된 DPP-IV 활성 저해 활성을 가진 펩타이드는 4개의 디펩타이드이며, 그 분자구조는 각각 Ile-Pro, Met-Pro, Val-Pro 및 Leu-Pro이다.이 러한 dipeptides의 농도에 쌀 단백질 hydrolysates은 9 μ g/mg, 0.23 μ g/mg, 59mm μ g/mg와 1.94 μ g/mg, 각각이다.Pooja K 등 (51)은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 쌀겨로부터 추출한 일부 DPP-IV 활성 저해 펩타이드의 분자구조, 감각 및 독성학적 특성을 예측하였다.이 결과는 쌀겨 단백질 분해효소 가수분해물이 DPP-IV 활성 억제 펩타이드의 더 나은 공급원 중 하나임을 보여주었다.

5 결론 

쌀 단백질은 아미노산 조성이 균형되어 쉽게 소화, 흡수되고, 저자극성의 특징을 가지고 있다.그것은 양질의 식이성 단백질입니다.그러나 쌀 단백질의 낮은 수용성은 직접적으로 식품에의 적용을 제한한다.따라서 현재 쌀 단백질의 연구 및 이용은 대부분 용해 및 개질에 초점을 맞추고 있으며, 효소적 용해 및 개질이 주된 방법이다.또한 쌀 단백질로부터 쌀 펩타이드의 효소적 제조, 특히 고순도 활성 펩타이드의 제조는 쌀 단백질의 심층가공의 주요 방향이다.

연구결과 쌀 유래 활성 펩타이드는 II 형 당뇨병 치료, 산화 방지, 노화 방지, 혈압 저하, 혈중 지질 저하, 면역 조절 등 다양한 기능이 있는 것으로 나타났다.그러나 현재 쌀 펩타이드에 대한 연구는 활성 펩타이드의 분리 및 정제, 건조, 안정화 기술에 대한 추가적인 연구와 개선이 필요하며, 특히 고순도 쌀 활성 펩타이드를 위한 산업용 가공 장비에서 더욱 많은 연구가 필요하다.

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