녹두 단백질이란?

단백질은 세포, 조직, 기관 및 시스템의 중요한 기능에 필요한 주요 영양소 중 하나이다.따라서, 매일 충분한 양의 동식물 단백질을 섭취하는 것은 많은 이점을 가진다 [1].급격히 증가하는 전 세계 인구와 급격한 기후 변화를 배경으로 인간의 영양 수요를 충족시키기 위해 단백질 공급원을 확대하는 방법을 찾는 것이 중요하다.식물단백질은 친환경적이고 환경친화적이며 지속가능한 특성으로 인해 점차 연구자들의 관심이 높아지고 있다.그 중 레게 단백질은 가격이 저렴하고 영양가가 높으며 생체이용성이 높아 많은 관심을 끌고 있다 [2-4].

녹두는 식용 연간 레게 작물의 하나로서 생장 주기가 짧고 평균 생산량이 높으며 가뭄에 잘 견디고 질소고정력이 좋아 중국에서 널리 재배되고 있다.연간 총 생산량은 세계 1위로 100만 톤에 육박한다 [5].동시에 아시아 지역의 90% 이상의 국가에서 재배되고 있어 전 세계 생산량의 50% 이상을 차지하며, 전 세계 레기온 재배면적의 8.5%를 차지하며, 총 생산량은 720만 톤 이상 [6,7]이다.

녹두에는 주로 전분 (40.6%-48.9%), 단백질 (14.6%-32.6%), 식이섬유 (3.5%-6.5%), 지방 (1%-1.5%) 등의 영양소가 풍부하다 [8,9].또한 녹두에는 바이텍신 (vitexin)과 이소바이텍신 (isovitexin)과 같은 기능성 활성 성분이 일정량 함유되어 있어 심혈관계 보호, 혈당 조절 등의 건강 효과가 있다 [10].동시에 풍부한 영양 구성과 건강 효과 때문에 최근에는 녹두유 [11]나 식물성 달걀 [12]같은 녹두 제품이 새롭게 나왔다.

연구에 따르면 녹두 단백질은 비정상적인 당 및 지질 대사 조절, 비만 개선, 미네랄 이용 증진 등의 건강 효과가 있는 것으로 나타났다 [13-15].그 중 콩과 완두콩 단백질에 비해 녹두는 완두콩 단백질보다는 총 필수 아미노산 점수가 높지만 콩 단백질 분리 (10,16) 보다는 낮아 연구자들의 관심을 끌 뿐만 아니라 더 많은 채식주의자와 채식주의자들이 선호한다 [10].기능적 특성 면에서 다른 레게 단백질에 비해 녹두 단백질은 콩 단백질과 비슷한 용해성과 기름 보유력을 가지고 있으며 [17,18], 거품 특성은 병아리콩, 루핀 단백질보다는 우수하지만 콩 단백질보다는 약하며 [17], 유화 특성은 콩 단백질보다 약하다 [19].다른 레기온 단백질과의 기능적 특성의 차이로 인해 녹두 단백질을 식품 시스템에 적용하는데 한계가 있다 [14,20,21].

따라서 녹두 단백질의 심도 있는 연구 및 적용을 위해서는 녹두 단백질의 구조 및 기능적 특성의 상관관계에 대한 연구 정보를 이해하는 것이 유익하다.따라서 본 논문에서는 녹두 단백질의 구조적 조성, 최근 추출방법이 구조 및 기능적 특성에 미치는 영향을 살펴보고, 녹두 단백질 응용의 진행과정을 종합적으로 기술하여, 녹두 단백질의 효율적인 개발 및 응용을 위한 이론적 지침을 제공하는 것을 목적으로 한다.

1[식품공학] 녹두 단백질의 구성과 구조

1.1 녹두 단백질의 조성

오스본은 용해도의 차이를 바탕으로 단백질을 분류한 최초의 인물이다 [22].Osborne&에 따르면#39;s 분류상, 녹두 단백질의 조성 (그림 1과 같이)은 대두 단백질의 조성과 현저한 차이가 있다.녹두 단백질은 글로불린과 알부민으로 구성되어 있으며, 각각 60%~70%, 15%~20%를 차지하고, 글루텐은 약 13.3%를 차지하며, 알코올 용성 단백질의 함량이 가장 낮아 약 0.95% [22]를 차지한다.

이에 반해 대두 단백질은 주로 글로불린이 70%~80%, 알부민이 약 8%, 나머지는 글루텐과 알코올 용해성 단백질 [23, 24]로 구성되어 있다.녹두 단백질의 글로불린은 주로 8S와 11S 글로불린으로 구성되어 있으며, 분자량은 각각 200, 360 kDa이다 [25].8S글로불린은 3개의 아단위 단백질 [26]이 모여 형성된 삼meric 단백질이고, 11S 글로불린은 6개의 아단위가 모여 형성된 헥사메릭 단백질이다.각 소단위는 분자량 40과 24 kDa 펩티드가 이황화 결합 [27]으로 연결된 산성 및 염기성 폴리펩티드에 의해 형성된다.콩 단백질의 주요 글로불린은 7S,11S 글로불린이며 분자량은 180-210 kDa, 320-375 kDa [28]이다.녹두 단백질의 알부민은 주로 분자량이 더 작은 2S 알부민으로 이루어져 있다 [29].알부민이 녹두 단백질에 더 나은 기포를 주는 것은 기포 주위에 강한 점성의 계면층을 형성할 수 있기 때문이라고 여겨진다 [30].글루테닌은 묽은 산 또는 알칼리 용액에만 용해되며 환원제로 사용될 수 있습니다.그러나 녹두의 글루테닌에 대한 연구는 더 이상 발견되지 않았다 [31].

녹두 단백질의 구조 1.2

단백질의 구조는 그 구성 [32]에 따라 1차, 2차, 3차, 4차 구조 수준 (그림 2와 같이)으로 나눌 수 있다.단백질의 1차 구조는 아미노산 잔기의 선형 서열을 의미하며 [33], 단백질의 영양적 가치를 결정할 뿐만 아니라 용해성, 유화성 등의 기능적 성질에도 영향을 미친다 [34].

녹두 단백질은 필수아미노산 8 종과 비필수아미노산 12 종 등 20 종의 아미노산으로 구성돼 있다.그 중 글루타민산과 글루타민의 함량이 가장 높고 아스파라트산과 아스파라긴이 그 뒤를 잇는다.트립토판과 황 함유 아미노산은 함량이 낮으며 [32]녹두 단백질의 아미노산을 제한하고 있다.또한 단백질 내 소수성/친수성 아미노산의 함량은 용해도, 표면 활성, 유화 특성 등에 어느 정도 영향을 미칠 수 있다 [35].

쿠드레 등 [36]은 녹두 단백질의 아미노산 조성을 분석한 결과 밤바라 땅콩 단백질과 검은콩 단백질에 비해 녹두 단백질은 용해도가 낮다는 것을 밝혀내었는데, 이는 녹두 단백질이 친수성 아미노산의 비율이 낮기 때문인 것으로 보인다.류 등 (34)은 녹두 단백질의 산성 아미노산 함량이 염기성 아미노산보다 훨씬 높아 유화 및 기포 특성이 좋다는 것을 발견했다.

단백질의 2차 구조는 폴리펩타이드 사슬을 형성하기 위해 결합하는 아미노산 잔기의 서열을 말하며,이 아미노산 잔기가 접혀 똬리를 틀면 3차원 국소 조각이 된다.들 사이, α-helix, β-fold, β-turn의 주요 보조 구조와 랜 덤 코일은 단백질 [33], 사용 하여 어떤 분석 할 수 있 는지 Fourier-Transform 적외선 분광 학 (FT-IR) [37]그리고 원형 Dichroism 스펙트럼 (CD) [14 (원형 Dichroism 스펙트럼, CD)를 분석 할 수 있다.푸리에 변환 적외선 분광법을 이용하여 (표 1에 나타낸 바와 같이) 아미드 I 결합과 III 결합의 주요 특성 구조의 변화를 분석할 수 있으며, 이를 통해 녹두 단백질의 주요 이차 구조의 변화를 특징짓는데 도움을 줄 수 있다.단백질의 주요 2차 구조를 특정 파장에서의 진동에 근거하여 특징지을 수 있지만, 녹말 등의 다른 물질들도 특정 파장에서의 진동이 반복되어 적외선 분석 결과를 방해할 수 있다 [38].따라서 적외선 분석의 결과는 특성 구조의 내용 변화를 비교함으로써 2차 구조의 변화를 더 자세히 분석하기 위해 해체되는 경우가 많다 [39].

Brishti 등 (37)은 압출 처리 후 적외선 탈질 분석을 통해 수분함량에 따른 녹두 단백질의 2차 구조를 비교하였다.그들은 자연 mung의 보조 구조 다는 것을 발견 했 한 콩 단백질이 낮 α-helix 내용과 높은 β-sheet콘 텐 츠, 반면 β-sheet및 랜 덤 코일의 내용을 돌출 mung 콩 단백질은, 크게 감소시 켰고 β-fold 콘 텐 츠는 증가 했 음을 나타내는 단백질 분자 사이의 화학적 결합은 부러 진, 스 트 레 칭을하는 자연적인 구조와 짙은 단백질을 골재 형성 한다.

원형 디크로이즘 분광법은 단백질 분자가 서로 다른 정도의 편광된 빛을 흡수할 때, 특정 파장 내에서 수소 결합 결합이 변화하며, 2차 구조는 특정 밴드 내의 피크 (peak)의 변화에 기반하여 특징화된다는 점에 기초한다 [40].원형 dichroism 분석의 내용을 밝 혀 자연 mung 콩의 단백질 α-helix, β-fold, β-curl과 보조 구조의 랜 덤 코일들이 19.7%, 26.7%, 각각 21.3% 및 32.3% [37, 41].Brishti 등 (37)은 압출처리 후 194 nm에서 피크의 타원율이 감소하는 것을 확인하였고, 207-224 nm 범위의 이중 피크가 이동하였다.이는 압출 공정 중에 녹두 단백질의 방향족 아미노산 잔기가 해리되고, 단백질 분자 간의 상호작용이 약해지며, 녹두 단백질의 2차 구조가 변화되었기 때문으로 보인다.

3차원 구조라고도 하는 단백질의 3차 구조는 2차 구조가 똬리를 틀고 더 접히면서 형성되는데, 아미노산 부직포 [33]사이의 수소 결합과 이황화 결합과 같은 화학 결합의 작용에 의존한다.형광 분광법은 주로 트립토판, 티로신, 페닐알라닌 잔기의 내생 형광그룹을 이용하여 특정 파장의 흥분광을 받은 후 특정 파장 내의 형광 강도의 변화를 관찰함으로써 단백질의 3차 구조를 분석한다.

Brishti et알다.[37]은 295 nm에서 흥분광이 방출된 후, 천연 녹두 단백질의 가장 강한 형광 강도가 39 3 nm에서 나타난다는 것을 발견하였다.처리는 녹두 단백질의 3차 구조에 영향을 미칠 수 있다.Wang 등 12)은 칼슘 이온 결합을 위해 녹두 단백질을 pH shift로 처리한 후, 393 nm에서 녹두 단백질의 형광강도가 유의적으로 감소함을 발견하였다.이는 녹두단백질의 소수성 측사슬이 극지 환경과 정전기염교효과에 의해 칼슘이온이 존재할 때 더 큰 집합체를 형성하기 때문인 것으로 보인다.

마찬가지로 단백질의 sulfhydryl group과 disulfide bond의 함량 변화를 분석하는 것도 단백질 구조 및 기능적 특성의 변화를 평가하는 중요한 지표이다.단백질에 있는 설프히드릴기는 산화되어 이황화결합이 되거나 이황화결합과 교환될 수 있으며, 이는 단백질 표면의 소수성 특성을 변화시켜 단백질의 3차 구조 및 기능적 특성을 변화시킬 수 있다 [45].

Tang 등 (46)은 천연 녹두 단백질의 총 설프히드릴기와 자유 설프히드릴기가 열처리 후 감소함을 발견하였다.설프히드릴기는 산화되어 새로운 이황화결합을 형성하고, 단백질은 공유결합 교차연결을 통해 새로운 수용성 집합체를 형성하여 용해도를 향상시켰다.Liu 등 34)은 pH 환경에 따라 녹두 단백질의 유리 설프히드릴기 함량이 변화하는데, 이는 다양한 pH 값에서 단백질 내 수소결합과 이황화결합과 같은 화학결합이 깨지면서 단백질 구조가 늘어나고 설프히드릴기가 더 쉽게 노출되면서 녹두 단백질의 용해성과 겔 특성이 더 좋아진 것으로 사료된다.

녹두 단백질의 기능적 특성 2

구조의 변화녹두 단백질 파우더기능적 특성에 영향을 미쳐 (표 2와 같이) 녹두 단백질의 응용에 영향을 미친다.따라서 녹두 단백질의 구조와 기능적 특성의 상관관계를 분석하는 것은 녹두 단백질의 활용 가능성을 모색하는데 도움을 줄 수 있다.

2. 1 용해도

용해도는 단백질이 다양한 시스템에서 기능적 특성을 발휘하기 위한 일차적인 전제조건이며, 유화, 기포 및 gelling 특성과 같은 기능적 특성에 영향을 미치는 핵심이기도하다 [51].액체계에서 단백질의 소수성/친수성 상호작용은 수화효과와 용해도에 영향을 미친다 [18].연구에 따르면 pH 값, 이온의 강도, 계 내의 단백질 조성과 구조 등의 인자들이 단백질의 용해도에 영향을 줄 수 있다고 한다 [52].pH 값이 높거나 등전점 이하가 되면 단백질 분자의 표면 전하 밀도가 증가하고, 소수성 상호작용보다 친수성 및 수화 거부력이 훨씬 크기 때문에 용해도가 증가한다 [14, 47].예를 들어 녹두 단백질의 용해도는 pH 2~10에서"U"자 모양의 분포 (용해도는 73.5%~98.3%)를 보이며, 녹두 단백질의 등전점 범위인 pH 4~5에서 용해도가 가장 낮다 (5.9%).

Ge 등 [18]의 연구결과, 다양한 pH 값에서 콩 단백질 분리액의 용해도는 녹두 단백질과 유사한 패턴을 따랐으나, pH 5와 pH 9에서의 용해도가 녹두 단백질 (14.6%와 89.3%)보다 높았으며, 이는 콩 단백질 분리액의 표면전하가 녹두 단백질보다 높은 것에 기인한 것으로 보인다.Kudre et 알다.[36]은 계 내 염용액의 농도에 따라 녹두 단백질의 용해도가 달라진다는 것을 발견하였는데, 이는 녹두 단백질 분자간의 정전기적 반발력이 일정 농도의 염용액에서 약해짐에 따라 용해도가 증가 (19.0%에서 52.7%) 하는 반면, 고농도의 염용액은 단백질의 수화현상을 감소시키고, 소수성 상호작용을 증진시키며,불용성 단백질 중합체를 형성하고, 용해도를 낮춘다 (5 2.7%에서 41.8%).

유화 특성 2.2

단백질의 유화 성질은 일반적으로 유제를 형성하고 안정시키는 능력을 말하며, 도넛, 아이스크림, 케이크, 마요네즈와 같은 식품계에 응용하는데 상당한 영향을 미친다.유화 특성에는 일반적으로 유화 용량 및 유화 안정성이 포함됩니다.유화 능력은 단백질이 유제를 형성하는 능력을 나타내는 것이고, 유화 안정성은 지정된 기간 동안 유제를 유지할 수 있는 능력이다 [14].단백질이 위치한 계의 pH 값 및 이온 농도와 같은 인자들은 단백질의 표면전하, 소수성 아미노산 잔기 및 단백질 조성 및 구조를 변화시켜 단백질이 탈중합하게 함으로써 [46]유-수 계면에서의 활성과 흡착력을 향상시킴으로써 단백질의 유화 특성에 영향을 미칠 수 있다.

Liu 등 34)의 pH 값에 따른 녹두 단백질의 유화 특성을 분석한 결과 pH 값이 10일 때 녹두 단백질이 가장 우수한 유화 용량 (117.05 m2/g)과 비교적 양호한 유화 안정성 (20.86분)을 보였다.pH 값이 감소할수록 유화용량 (117.05~73.48 m2/g)과 유화안정성 (20.86~39.6분)이 먼저 감소했다가 증가하였는데, 이는 녹두 단백질이 알칼리성 환경에서 음전하를 더 많이 노출하기 때문인 것으로 사료된다.음전하는 유-물 계면에서보다 안정한 유화의 형성에 도움이 된다.그러나 등전점 부근에서 녹두 단백질이 응집하면서 유-수 계면에서의 계면 흡착을 약화시켜 유화능 (50.02 m2/g)과 유화안정성 (2.31 m에서저하.

Ge 등 [18]은 pH 3, 7, 9에서 녹두 단백질의 유화 용량 (8.7, 9.1, 9.59 m2/g)은 콩 단백질 분리 용량 (8.83, 9.23, 10.1 m2/g)과 유사하였으나 유화 안정성 (0.86, 1.89, 2.01 min)은 콩 단백질 분리 용량 (2.86, 6.47 min)보다 약하였는데, 이는 녹두 단백질의 pH 값에 따른 용해성, 표면전하 및 표면소수성이 콩 단백질에 비해 약하기 때문인 것으로 보인다.Brishti 등 19)은 3% NaCl 용액과 순수한 물에서 녹두 단백질의 유화 특성을 비교, 분석한 결과 3% NaCl 용액에서 녹두 단백질의 유화 능력 (72.03%)과 유화 안정성 (66.50%)이 순수한 물 (63.18%, 62.75%)보다 우수한 것으로 나타났는데, 이는 NaCl이 단백질의 용해도를 향상시켜 이용률을 높일 수 있다는 점에 기인한 것으로 보인다.동시에 3% NaCl 용액은 인접한 물방울 사이의 콜롬보 상호작용력을 감소시켜 녹두 단백질의 유화 특성을 더 좋게 할 수 있다.

2.3포밍 속성

단백질의 성질에는 기포용량 (foaming capacity)과 기포안정성 (foam stability)이 있다.거름용량은 휘핑 후 거품량의 증가를 나타내는 지표이고, 거름안정성은 단백질이 안정된 거품을 유지할 수 있는 능력이다.둘다 장단점에 따라 아이스크림, 구운 음식, 케이크 및 기타 단백질 제품 [43]에서 단백질의 응용 특성이 결정된다.연구에 따르면 녹두 단백질이 위치한 환경의 pH와 추출 방법 등의 인자들은 모두 녹두 단백질 구조의 변성을 유도하여 공기-물 계면에서 단백질의 흡착 및 연장에 영향을 미치고 기포 특성을 개선할 수 있다 [18].

Liu 등 (34)은 녹두 단백질의 pH 값에 따른 기포특성을 분석한 결과 pH 값이 10일 때 기포능력이 가장 우수하였고 (125%), 기포안정성이 가장 약하였다 (58%).pH 값이 감소함에 따라 기포용량 (125%~45%)은 먼저 감소하였다가 증가하였으나 기포안정성 (58%~92.7%)은 먼저 증가하였다가 감소하였다.이는 알칼리성 환경에서는 공기-물 계면에서의 흡착 및 연장시 녹두 단백질의 흡착 및 연장시 단백질 분자간의 상호 반발력이 약화되기 때문인 것으로 보인다.

그러나 pH 값이 감소한 후에는 녹두 단백질의 표면 소수성 및 응집성이 증가하여 공기-물 계면에서의 폼 형성에는 도움이 되지 않는다.Brishti 등 [19]의 연구결과, 녹두 단백질의 순수 수용액 내 기포능 (89.66%)은 콩 단백질 분리 (68.66%)보다 양호하였으나 기포안정성 (50.40분)은 콩 단백질 분리 (53.66분)보다 약하였으며, 이는 공기-물 계면에서 두 단백질의 흡착 및 전개정도가 다른 것에 기인한 것으로 보인다.Ratnaningsih 등 (48)은 녹두 부산물로부터 녹두 단백질을 염분법과 알칼리가수분해법을 이용하여 각각 추출한 후, 기포용량 (61.67%, 42.50%)과 기포안정성 (37.9%, 29.61%) 가 유의적으로 차이를 보였는데, 이는 추출과정 중 화학시약별로 유도되는 단백질 변성의 정도가 다르고, 구조이완정도의 차이가 녹두 단백질의 기포특성을 변화시킨 것으로 생각된다.

물 보유 및 기름 보유 능력 2.4

단백질의 수분 보유/오일 보유 능력은 단백질 제품의 질감, 과즙 및 유통기한에 크게 영향을 미칠 수 있습니다.수분 보유량이 높은 단백질은 제품의 수분을 더 잘 유지시켜 제품의 신선도와 맛을 더 잘 유지할 수 있고, 기름 보유량이 높은 단백질은 맛을 개선하고 제품의 유통기한을 연장하는데 도움을 줄 수 있다 [18,50].

다양한 환경에서 녹두 단백질의 극성 그룹 수, 표면 소수성 및 구조적 확장의 차이로 인해 기름이나 물을 보유하는 능력이 영향을 받고, 이는 결국 물/기름 보유 능력에 변화를 가져온다 [14,50].Brishti 등 [19]의 연구결과 녹두단백질 (3.33 g)의 수분보유능력 (3.00 g)은 콩단백질 분리단백질 (3.45 g)보다 우수하였으나, 기름보유능력 (3.00 g)은 콩단백질 분리단백질 (3.45 g)보다 약하였는데, 이는 녹두단백질이 콩분리단백질보다 고유인산염과 같은 극성그룹의 함량이 높기 때문인 것으로 보인다.

Hadidi 등 [49]은 포스포라마이드를 개질한 후 녹두 단백질의 수분보유능력 (2.12-2.88 g)과 기름보유능력 (4.19-5.11 g)이 현저히 향상되었다고 밝혔다.이는 인산화 처리로 단백질 내부의 소수성 그룹이 노출되어 오일 보유력이 향상되었기 때문으로 보인다.동시에 인산과 같은 극성 그룹의 증가는 단백질과 물 분자 사이의 상호작용을 증진시켜 물 보유 능력을 향상시켰다.또한, 건조 방법의 선택은 녹두 단백질의 물/기름 보유 능력에도 영향을 줄 수 있습니다.Brishti 등 (43)은 다양한 건조처리 후 녹두 단백질의 기름보유력을 분석한 결과 동결건조 녹두 단백질 (8.38 g)이 스프레이 건조 (4.00 g) 및 오븐건조 (5.58 g)보다 유의적으로 높았으며, 동결건조 후 녹두 단백질의 표면에 다공성 구조가 형성되고, 지방은 단백질 네트워크 구조에 캡슐화되어 있을 가능성이 있다,단백질이 지방을 가두는 능력을 개선함으로써 녹두 단백질의 기름 보유 능력을 향상시키는 것.

2.5 Gel의 특성

단백질의 겔 특성은 식물성 육류, 요구르트, 치즈 등의 식품의 품질과 밀접한 관련이 있으며, 주로 환경의 pH, 외인성 이온, 소단위 단백질의 구성 [50]등의 요인에 의해 결정된다.Brishti 등 [19]은 녹두 단백질의 최소 겔 질량 농도가 12%인 반면, 콩 단백질 분리의 최소 겔 질량 농도는 14%였다.

녹두 단백질의 최소 겔 질량 농도는 콩 단백질 분리보다 약간 더 나았는데, 이는 가열 과정 중 녹두 단백질의 수소결합 및 이황화결합과 같은 화학결합의 안정성이 콩 단백질보다 약해 단백질 구조가 콩 단백질보다 더 늘어나게 되고 겔 네트워크 구조를 형성하기 쉬워지기 때문인 것으로 보인다.

Ge 등 (50)은 pH 환경에 따른 녹두 단백질의 최소 겔 농도를 분석한 결과 녹두 단백질의 최소 겔 질량 농도가 pH 3에서 가장 낮았다 (8%).이러한 pH 환경 하에서 녹두 단백질의 7S와 11S 글로불린은 높은 용해성, 높은 표면 소수성을 가지며 동시에 산 가수분해를 겪으면서 섬유성 중합체를 생성하여 가공 중 젤을 쉽게 형성할 수 있다.Wang 등 (12)은 칼슘 이온 결합의 pH 이동에 따른 녹두 단백질 젤의 강도를 분석한 결과 녹두 단백질 (3.33 N)이 희석된 달걀 (3.92 N)에 형성된 겔경도에 근접하였으며, 칼슘 이온의 정전기 차폐와 이온 가교 효과가 단백질 응집도와 강도를 증가시켜 더 단단한 겔을 만들 가능성이 있다.

추출법이 녹두 단백질의 구조 및 기능적 특성에 미치는 영향 3

여러 가지 방법으로 추출된 녹두 단백질은 녹두 단백질의 조성 및 구조에 큰 영향을 주어 용해성, 유화 특성 및 기타 기능적 특성을 변화시킬 수 있다 (표 3에 나타낸 바와 같이) 현재 녹두 단백질의 추출 방법은 표 4와 같이 주로 습식 또는 건식 방법으로 구분된다.습식 추출법에는 주로 알칼리 용해 및 산강수, 염식, 산용해 및 산강수, 수용액 추출 등이 있으며, 건식 추출법에는 주로 공기 분류와 정전기 분리 [32] 가 있다.

3.1 습식 추출

습식 추출은 높은 단백질 추출 효율과 높은 순도의 장점 때문에 널리 사용됩니다.그러나 추출과정에서 일정비율의 화학시약이 유입되고, 추출 후 일정량의 건조처리가 필요하기 때문에 원래의 단백질 조성과 구조가 파괴될 수 있고, 단백질의 표면 소수성이 변화될 수 있으며 일부 protein'의 기능적 특성이 영향을 받을 수 있다 [56,57].

3.1.1 알칼리 용해 및 산 강수

알칼리 용해산 강수법은 단백질이 알칼리 pH 값에서 용해도가 높고 등전점 부근에서 용해도가 가장 낮다는 점을 이용하는 단백질을 추출하고 분리하는 방법이다.조작이 쉽고 단백질 추출의 순도가 높다는 장점 때문에 [4]산업용 단백질 추출에 가장 많이 사용되는 방법이 되었다.

1977년 톰슨은 녹두 단백질 [62]을 추출하기 위한 알칼리 용해법과 산강수법을 연구했는데 알칼리성 pH 에서는 단백질의 이황화 결합이 끊어지는 반면 산성과 중성 아미노산은 이온화 [53]한다는 것을 발견했다.pH 환경에 따른 단백질의 용해도 변화를 바탕으로 순도 92% (건성기준)의 녹두 단백질을 얻었다 (수율 10%).그러나 알칼리성 환경이 수소결합을 손상시키기 때문에 아미노산 구조뿐만 아니라 아실아미드 결합과 이황화 결합이 알칼리성 환경에서 모두 파괴되어 단백질&에 영향을 미친다#39;s 표면 소수성, 공기-물 계면에서의 흡착 능력 등으로 인해 용해도 및 기포성 등의 기능적 특성이 감소한다 [54].

두 등 [14]은 반응표면 방법론으로 녹두 단백질의 알칼리 용해 및 산강수 추출공정을 최적화하여 순도와 수율이 각각 86.94%, 77.32% 이며 알부민과 유사한 용해도를 갖는 녹두 단백질을 얻었다.또한 습식 추출 후 건조방법의 선택은 추출된 녹두 단백질의 순도, 구조 및 기능적 특성에도 영향을 미친다.연구결과, 오븐건조 (77.27%) 및 분무건조 (75.85%)와 비교하여 단백질의 동결건조 처리가 단백질 순도 (86.15%) 가 가장 높고 용해성이 우수한 것으로 확인되었는데, 이는 오븐 및 분무건조 공정 중 높은 가공 온도로 인해 녹두 단백질의 다양한 변성이 발생하여 단백질이 부풀어지고 응집되어 단백질 추출물의 순도와 용해성이 저하되기 때문인 것으로 판단된다 [46].

염장법 3.1.2

염장법은 농도가 다른 중성 염용액에 단백질을 넣어 사용한다.소금 이온은 단백질의 표면 전하와 물 분자와의 상호작용을 변화시키며, 용해도에 영향을 주어 단백질 추출을 가능하게 한다 [4].Ratnaningsih 등 [48]은 껍질을 벗긴 녹두에서 단백질을 추출하기 위해 세 가지 소금 (MgSO4, (NH4)2SO4, CaCl2) 용액을 사용하여 21.09%, 20의 수율과 순도를 얻었다.각각 43%, 20.13%, 78.61%, 50.59%, 47.22%였다.그 중 MgSO4는 물 분자와의 높은 친화성과 단백질 가수분해층의 파괴로 인해 가장 높은 단백질 추출율을 보일 수 있다.Penchalaraju 등 [57]은 소금 용해 및 pH 조절을 통해 11.56%의 수율과 70.76%의 순도로 녹두 단백질을 얻었다.알칼리 용해 및 산강수법에 비해 염분 추출이 더 부드러우며, 단백질 본연의 구조를 유지하고 급속한 단백질 변성을 피할 수 있는 장점이 있으며 [55].단백질의 용해도, 유화 능력 및 수분 보유력을 대폭 향상시킬 수 있다.다만 외인성 이온의 도입으로 염분법으로 추출한 단백질은 알칼리 용해 및 산강수법 [4]으로 추출한 단백질보다 합류가 쉽다.

산용해법과 산강수법 3.1.3

산가용성 산강수법은 알칼리 가용성 산강수법과 원리가 비슷하다.단백질이 강산성 pH (1-3)에서 용해도가 높고 등전점 근처에서 단백질을 침전시킨다는 점에 착안하여 단백질을 추출하는 방법이다 [56].Penchalaraju 등 [57]은 산성 환경에서 단백질의 분해 및 강수에 성공하였으며, 궁극적으로 9.23%의 수율과 74.69%의 순도로 녹두 단백질을 얻었다.산-용해 및 산강수법은 단백질 순도가 높고 작동이 간단하지만 강산성 환경에서 추출할 경우 화학시약이 너무 많이 소모되고 단백질의 이황화결합이 끊어질 뿐 아니라 아미노산의 교차 연결 및 가수분해로 인해 단백질 변성의 정도가 높아지고 단백질의 용해도와 겔 특성에 영향을 줄 수 있다.게다가 추출에 시간이 오래 걸리고 단백질이 쉽게 상하기 때문에 [4] 실용화에는 적합하지 않다.

수용성 추출법 3.1.4

수용성 추출법은 비교적 낮은 온도에서 물을 용매로 하여 단백질을 추출하는 방법이다.환경친화적이고 온화하며 단백질 본연의 구조에 손상을 적게 준다.그러나 추출시간이 길어 단백질이 응집되어 용해도를 떨어뜨리고, 산출량이 낮고 공정시간이 오래 걸리는 단점으로 인해 널리 사용되지 않고 있다.Penchalaraju 등 [57]은 장시간 수용성 추출과 분무건조를 혼합하여 수율과 순도가 12인 녹두 단백질을 얻었다.3%, 83.16% 순도의 녹두 단백질.

3.2건식 분리

단백질 [54]의 천연 구조 및 기능적 특성을 손상시키는 습식 추출 공정에 비해 건식 분리는 에너지 소모가 적고, 지속 가능성이 있으며, 하수 생산이 없고, 단백질 본연의 구조 및 기능을 극대화할 수 있다는 장점 때문에 점차 응용 가능성이 높은 것으로 여겨지고 있다.그러나, its 때문에 단백질 추출의 순도와 수율이 상대적으로 낮고 추출 장비의 비용이 많이 들어 현재 산업화 과정이 더디다 [64].현재보다 널리 사용되고있는 건식분쇄 방법에는 주로 공기분류와 정전기분리의 두가지가 있다.

3.2.1 공기 분류

기류 분류는 전체든 포탄이든 물질을 갈아서 미세한 가루로 만드는 분리 방법을 말한다.미세 분말 내 단백질, 전분 및 기타 성분의 입자 크기 및 밀도의 차이는 기류 분류시 성분의 정착 속도에 차이를 유발하여 [65]단백질 성분을 농축시킨다.최근 곡류나 콩 등 식물성 원료의 단백질 함량을 풍부하게 하기 위해 공기분류법이 널리 사용되고 있으나 [66]녹두 단백질에 대한 연구는 상대적으로 적은 편이다.Zhu 등 [63]은 air impact grinding과 air classifier를 함께 사용하여 녹두 단백질을 농축하였으며, 궁극적으로 순도 63.2% (수율 31.9%)의 녹두 단백질을 얻었다.슐랑겐 등 (58)은 공기 분류 시스템을 이용하여 녹두에서 단백질을 농축시켰으며 (순도 58%), 녹두 단백질의 기능적 특성을 연구하였다.그 결과 건공기 분류법에 의해 농축된 녹두 단백질은 수분 유지력이 우수하고 겔 강도가 우수하며, 친환경 단백질 분리 및 추출 방법으로 활용할 수 있음을 알 수 있었다.

정전기 분리법 3.2.2

정전기 분리는 단백질과 다른 성분 간의 전하 차이를 이용하는 방법이다.전하를 가한 후에는 전하와는 달리 단백질과 다른 성분이 서로 밀어내는 원리에 따라 분리되며, 이로 인해 단백질 수율이 증가한다 [66].

공기 분류 과정에서 단백질과 작은 입자의 입자 크기가 비슷하기 때문에 양자를 완전히 분리할 수 없으며, 정전기 분리는 공기 분류 후 단백질 수율을 더욱 높일 수 있는 효과적인 방법 중 하나로 여겨진다.정전기 분리는 플라스틱이나 폐기물 재활용 등의 분야에서 오래 전부터 사용되어 왔으며, 쌀겨, 밀겨 등의 원료에도 좋은 응용 가능성을 보여주고 있다.다만 녹두 단백질 [67]을 농축하는 용도로는 적게 쓰였다.Xing 등 (59)은 녹두의 단백질 순도를 56%-58%에서 63.4%-67.6%로 높이면서 단백질 본래의 구조와 기능적 특성을 유지하면서 정전기 분리를 병행한 공기 분류법을 사용하였다.정전기 분리 방식이 단백질 본연의 구조에 거의 손상을 주지 않아 단백질의 유화 및 기포 특성이 더 뛰어나지만, 단백질 조성이 비교적 온전하며, 물이나 기름을 보유하는 능력이 약해 물/기름 보유량이 적다 [59].

3.3 혼합추출

기존의 습식 추출 방식에 비해 추출시간이 길고, 에너지 소모가 크고, 환경 친화성이 떨어지며, 단백질 구조의 손상 정도가 다양하기 때문에 건식 추출 방식은 낮은 단백질 수율 등의 문제점을 가지고 있다.따라서 많은 연구자들은 단백질 본래의 구조와 특성을 유지하면서 단백질 수율을 높이고 환경오염을 줄이기 위해 여러 추출방법을 병행할 것을 고려하고 있다.양 등 [61]은 녹두 단백질을 추출하기 위하여 수용액법과 결합된 공기분류를 사용하였다.공기 분류 후 단백질이 풍부한 분획을 수용액 상분리의 도움으로 분리하여 각각 3.59%와 80.92%의 수율과 순도로 녹두 단백질을 얻었다.추출한 녹두 단백질 분획물이 시중에서 추출한 녹두 단백질보다 응집 감소 및 용해도가 우수함을 확인하였으며, 점도는 시중에서 추출한 녹두 단백질보다 유의적으로 낮은 것으로 나타났다.

녹두 단백질 응용 연구 진행 4

다양한 단백질 추출 방법은 단백질의 구조적 특성에 크게 영향을 줄 수 있으며, 이에 따라 녹두 단백질의 식품 내 적용 및 기능적 특성에 영향을 줄 수 있다.

식물성 기반 제품에 적용 4.1

유당불내증, 비만 등의 높은 발병률과 환경, 윤리적 문제 때문에 채식 [68]을 선택하는 경향이 있는 소비자도 늘고 있다.녹두 단백질은 우수한 겔화 및 유화 특성 때문에 식물성 제품 개발에 점점 더 많이 사용되고 있다.왕 등 (12)은 녹두단백유제에 칼슘이온을 첨가하고 pH를 조절하면 녹두단백유제가 젤을 형성하는데 도움을 줄 수 있으며 겔 경도가 희석한 달걀젤과 비슷해 달걀을 대체할 수 있는 가능성이 있다고 밝혔다.

Yang 등 (60)은 녹두단백질과 완두콩 단백질을 이용하여 식물성 요구르트를 제조하였고 완두단백질 기반 요구르트와 비교하여 녹두단백질 기반 요구르트의 씹는맛, 경도, 수분유지력이 높음을 확인하였는데 이는 녹두단백질과 완두콩 단백질의 하위 단백질 조성의 차이로 녹두단백질이 물/기름 보유특성 및 겔 특성이 우수하기 때문인 것으로 보인다.녹두 단백질의 천연 구조를 건식 분획 하에서 비교적 그대로 보존하기 때문에 물/기름 유지 및 겔화 특성이 우수하여 식물 요구르트와 같은 식물성 제품의 단백질 성분으로 사용할 수 있다.

영양제 활용 4.2

시리얼로 만든 국수는 동양인의 주요 식단 중 하나지만 영양소 구성에서 리신이 부족하다.레게 단백질에는 리신이 풍부하기 때문에 많은 학자들이 국수 생산에 영양보충제로 사용하고 있으며, 이는 국수의 식감을 대폭 개선시킴과 동시에 영양가도 높여준다 [69,70].① 등 (71)은 밀가루에 녹두 단백질을 6% 첨가한 후 밀 단백질과 녹두 단백질이 촘촘한 네트워크 구조를 형성하여 국수의 수분 흡수와 조리 특성이 가장 우수한 것으로 나타났다.알칼리 수용성 산강수법에 의해 추출된 녹두 단백질은보다 개방된 구조와 향상된 수분 유지력을 가지며, 국수에 대한 영양 단백질 보충제의 원료로서 고려될 수 있다.

육류 제품에 적용 4.3

일찍 1996년에 일부 학자들은 어육소시지에 녹두단백질을 첨가하였는데 1% 내지 2%의 녹두단백이 어육단백의 열변성이 소시지에 미치는 영향을 현저히 감소시키고 어육소시지의 경도와 식감을 현저히 개선시킬수 있다는것을 발견하였다 [72].Kudre 등 (73)은 첨가된 녹두 단백질의 농도가 증가할수록 (0%~1.5%) 정어리 수리미 겔에서의 단백질 가수분해가 크게 억제되었으며, 근섬유와 더 강한 겔 네트워크가 형성되어 겔 강도와 텍스쳐 (texture) 가 더욱 향상됨을 발견하였다.자연 추출된 녹두 단백질은 비교적 온전한 구조와 우수한 겔 특성을 가지고 있기 때문에 육류 첨가제로 사용하기 위해 선호되는 추출법이다 선택 추출 방법.

5 전망

최근 녹두 단백질은 저렴한 가격과 범용성, 균형 잡힌 아미노산 조성, 알레르기 유발성이 낮아 학자들의 사랑을 받고 있다.녹두 단백질의 소단위 조성과 구조, 기능적 특성 등이 점차 밝혀지면서 녹두 단백질을 추출하는 방법도 점차 풍부해졌다.그러나 친환경적이고 에너지 소비가 적으며 단백질 추출율이 높고 변성이 낮은 녹두 단백질을 산업적으로 추출하는 방법은 아직 더 많은 연구가 필요하다.

동시에 다양한 녹두 단백질 추출 방법이 녹두 단백질의 구조 및 기능적 특성에 미치는 영향에 대한 연구도보다 깊이 있게 모색될 필요가 있다.녹두 단백질은 식물성 제품, 영양 보충제 및 육류 제품 첨가물 등에 사용되고 있지만, 여전히 다양한 녹두 단백질 추출 방법의 장단점을 분석하고 합리적으로 해결하며, 식품 산업 응용에 추출 방법의 적용성을 강화하기 위한 탐구의 여지는 충분하다.

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