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Effect of extraction method on quality characteristics of the carrot juice

주스착즙 방식에 따른 당근 주스의 품질 특성 변화

  • 박혜정 ((주)엔젤 식품연구소) ;
  • 김지윤 ((주)엔젤 식품연구소) ;
  • 이송민 ((주)엔젤 식품연구소) ;
  • 김희숙 ((주)엔젤 식품연구소) ;
  • 이상현 (신라대학교 바이오산업학부 제약공학전공) ;
  • 이문현 ((주)엔젤 식품연구소) ;
  • 장정수 ((주)엔젤 식품연구소)
  • Received : 2019.05.31
  • Accepted : 2019.07.22
  • Published : 2019.08.31

Abstract

This study aimed to compare the quality characteristics of carrot juice based on different extraction methods such as centrifugation, single gear, and twin gear methods. Juice quality was evaluated based on extraction yield, nutritional components, and cloud stability. Twin gear extraction resulted in the highest extraction yield, and the highest mineral content. In addtion, ${\beta}$-carotene level higher than the recommended daily intake was obtained only in the carrot juice prepared using twin gear extraction of 100 g carrots. The minimum particle size was observed in twin gear extraction, followed by single gear extraction and centrifugation method. Therefore, twin gear extraction was selected as the optimal method, and changes in the antioxidant and metabolic activity of carrot juice were investigated using this method. Consequently, the carrot juice showed a higher lipid peroxidation inhibition rate than ${\alpha}$-tocopherol (1 mg/mL), and angiotensin I-converting enzyme (ACE) inhibitory activity was increased upon digestion.

서 론

최근 건강에 대한 사람들의 관심이 증대됨에 따라 육류 및 지 방, 정제가공식품, 식품첨가물 등과 같은 서구화된 식습관보다는 신선한 채소 및 과일과 같은 식물성 식품에 대한 수요가 점차 늘 어나고 있다(Aguiló-Aguayo 등, 2014). 신선한 과채류는 비타민, 미네랄, 섬유소, 효소 등과 같은 다양한 영양성분들을 다량으로 함유하고 있어 질병 예방과 노화 억제 등의 생리적 효능이 뛰어 난 것으로 알려져 있다(da Silva Dias, 2014). 하지만 이 같은 생 리 활성 성분들은 가열과 같은 조리과정을 거치면 열에 의해 쉽 게 파괴되기 때문에(Jabbar 등, 2014; Nayak 등, 2015) 이들을 가 정에서 바로 짜서 섭취할 수 있는 착즙 주스가 바쁜 현대인들에 게 기호성, 편의성 및 건강 기능성을 동시에 제공하면서 각광받 고 있다. 이에 따라 과채류를 이용한 추출물, 농축액, 착즙액 등 과 같은 다양한 형태의 제품 개발이 활발히 이루어지고 있다(Lee 등, 2008).

그 중에서도 당근은 식이섬유와 미네랄, 비타민, 카로티노이드 등의 생리활성 물질을 다양하게 함유하고 있으며, 등황색 색소인 비타민 A의 전구체 β-carotene을 많이 함유하고 있어 항산화 효 과, 항암작용 및 성인병 예방 등에 높은 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다(Sharma 등, 2012). 그 뿐만 아니라 당근은 전 세계 적으로 널리 재배되는 주요 작물로써 경제적이고 아삭한 식감과 단맛 때문에 녹즙 재료로써 많이 선호되고 있다. 실제로 농촌진 흥청 자료에 의하면 2017년도 당근의 생산 및 소비 현황에 따르 면 당근 소비량은 매년 증가 추세에 있으며, 당근의 가공 및 소 비량은 음료수의 개발과 가정에서의 소비 증가로 인해 앞으로도 증가할 것이라고 전망했다(RDA, 2019).

이에 따라 신선한 재료를 가정에서 바로 짜서 주스로 섭취할 수 있는 가정용 전기 녹즙기에 대한 수요 또한 증가되는 추세이 며, 현재 시판되는 전기 녹즙기는 착즙 원리에 따라 크게 원심분 리형, 외기어 방식 그리고 쌍기어 방식으로 나뉜다(Choi 등, 2014; Kim, 2017). 원심분리형 착즙기는 재료 투입구 바닥면에 날카로 운 착즙날이 있는 원반(cutting disk)이 형성되어 있으며, 이 원반 이 고속 회전하면서 재료가 분쇄되고 주변을 둘러싼 착즙망에 의 해 찌꺼기와 걸러져 착즙액이 빠져나가는 원리로 작동된다. 또한 외기어 방식의 착즙기는 투입구 중앙부에 위치한 굵은 나선형의 외기어가 저속으로 회전하면서 착즙 재료와 착즙망의 압착으로 인해 주스 토출구로 착즙액이 모이는 원리이다. 반면 쌍기어 방 식의 착즙은 2개의 수평 형태의 나선형 기어가 맞물려 저속으로 회전하면서 압착이 이루어지는데, 재료의 투입이 없어도 쌍기어 로 인해 압착되고 있다는 차이점이 있다. 쌍기어 방식의 착즙기 에 재료를 투입하면 분쇄와 3단 착즙 과정을 통해 쌍기어를 둘 러싼 착즙망을 통과해 착즙액과 찌꺼기가 분리된다.

착즙 주스는 착즙방식에 따라 착즙률, 영양성분 함량, 폴리페 놀 함량, 그리고 관능적 특성 등과 같은 품질 특성이 크게 달라 질 수 있다. 하지만 이에 관한 연구는 아직까지 미미한 실정이며 당근 주스를 섭취 후 소화 과정에 따른 물질대사(metabolism)와 생리 활성 변화에 관한 연구 또한 매우 부족한 실정이다. 그 뿐 만 아니라 당근 주스의 경우 pH가 6.1-6.5 정도의 중성 범위에 위치하고 별도의 가열 과정을 거치지 않아 세균 오염에 취약하 다(Aneja 등, 2014). 이화학적 및 미생물적 특성 변화와 같은 주 스의 품질 저하는 상품가치의 하락을 초래할 수 있으므로 주스 의 품질을 유지하는 것은 소비자와 제조업자 모두에게 매우 중 요한 요소이다(Shakeel 등, 2013).

따라서 본 연구에서는 가장 상용화된 3가지 착즙방식인 원심 분리 방식, 외기어 방식 그리고 쌍기어 방식에 따라 제조된 착즙 주스의 품질 특성 차이를 조사하고 높은 효율을 나타내는 착즙 방식을 선정하여 당근 주스의 소화 과정에 따른 생리 활성 변화에 대해 연구하고자 하였다. 또한 미생물 안전성 확보를 위한 전 처리 수단으로써 당근 주스를 −60℃에서 급속 냉동처리 하였으며, 냉동 후 냉장 유통 조건에 따른 주스 품질 변화를 조사하기 위해 해동 직후 냉장 보관 기간에 따른 이화학적, 미생물학적, 관능적 성상을 분석하였다.

재료 및 방법

실험 재료 및 시료의 전처리

본 실험에서 사용한 당근은 경남 지역에서 재배된 것으로서 지 역 재래시장(Busan, Korea)에서 구입하여 사용하였다. 구입한 당 근을 깨끗이 수세한 후 껍질을 제거하여 착즙에 사용하였으며 착 즙 유형에 따라 원심분리형(BJE820, Breville Pty Ltd., Sydney, Australia), 외기어 방식(HVS-STF14, Hurom, Gimhae, Korea) 그 리고 쌍기어 방식(Angelia 8000, Angel Co., Busan, Korea)으로 당근 주스를 제조하였으며, 착즙률(%)은 원재료 중량 대비 착즙 액의 중량에 100을 곱한 값으로 정의하였다.

미네랄의 분석

미네랄 함량은 식품공전의 방법(MFDS, 2019)에 따라 당근 착 즙액 1 g과 HNO3 용액 10 mL를 혼합하여 마이크로파(Multiwave 3000, Anton Paar, Graz, Austria)로 190℃에서 35분간 온도를 높 이면서 용매를 완전히 없앤 다음 방냉 후 분석하였다. 분석은 ICP-OES (Optima 8300, PerkinElmer, Waltham, MA, USA)를 이 용한 분광분석법으로 분석하였다.

비타민의 분석

비타민 B군과 C의 분석은 Martins-Junior 등(2008) 및 Furusawa 등(2001)의 방법으로 분석하였다. β-Carotene의 분석은 식품공전 의 방법에 따라 high performance liquid chromatography (HPLC; Agilent 1200, Agilent, Santa Clara, CA, USA)를 이용하여 분석 하였다.

총 폴리페놀(TPC) 및 플라보노이드(TFC) 함량분석

항산화 활성과 밀접한 관련성을 가지는 총 폴리페놀 및 플라 보노이드 함량 측정은 각각 Folin-Denis(1912)의 방법 및 Davis(1947)의 방법에 준하여 분석하였다. 총 폴리페놀 함량은 당 근 주스 500 µL와 0.1 N Folin-Ciocalteu’s phenol reagent (SigmaAldrich, St Louis, MO, USA) 500 µL을 혼합하여 상온에서 3분 동안 방치한 뒤 10% Na2CO3 500 µL를 가하여 암실에서 1시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 시료는 원심분리기(LABOGENE, Daejeon, Korea)를 이용하여 12,000×g에서 10분간 원심분리하여 상등액을 회수한 뒤 분광광도계(Multiskan Go, Thermo Scientific, Vantaa, Finland)로 725 nm에서 흡광도를 측정하였다. Gallic acid(Sigma-Aldrich)로 표준 검량선을 작성하여 총 폴리페놀 함량을 구하였다. 다음으로 플라보노이드 함량 측정은 당근 주스 60 µL 와 diethylene glycol 600 µL 및 1 N NaOH 60 µL를 혼합하여 37℃ 항온수조에서 1시간 동안 반응시킨 후 분광광도계를 이용 하여 420 nm에서 흡광도를 측정하였다. Naringin (Sigma-Aldrich) 로 검량선을 작성한 후 총 플라보노이드 함량을 구하였다.

층 분리 안정성 시험

당근 100 g을 투입하여 착즙기 별로 당근 주스를 제조하고, 25℃ 가속실험 조건에서 시간 경과에 따른 층 분리 안정성 변화 를 측정하였다. 층 분리 안정성은 Yu 등(2013)의 방법에 따라 주 스의 총 부피 대비 침전물이 형성된 부피에 100을 곱한 값으로 정의하였다.

입도 분석

착즙 방법에 따라 제조된 당근 주스의 입자 분포 양상을 측정 하기 위해 입도분석기(LS series LS 13 320, Beckman Coulter, Indianapolis, IN, USA)를 사용하여 0.04 µm에서 2,000 µm까지 입 자 크기(particle size)를 측정하였다. 입도 분포는 액상 분산 방식 (universal liquid module)으로 최소 입자(×10, 10%), 중간 입자 (×50, 50%), 최대 입자(×90, 90%)를 측정하여 평균값(mean), 중앙 값(median), 최빈값(mode)으로 나타내었다(Betoret 등, 2009).

일반성분의 분석

당근 착즙액의 일반성분 함량은 식품공전의 방법(MFDS, 2019) 에 따라서 분석하였다. 수분 함량은 105℃ 상압가열건조법, 조단 백질 함량은 자동 질소 정량분석기(Kjeltec Auto 2300, Foss, Hilleroed, Denmark)를 이용한 micro-Kjeldahl법, 조지방 함량은 산분 해법, 조회분 함량은 직접회화법으로 각각 분석하였다.

지질과산화 억제 활성

Mitsuda(1966)의 방법에 따라 4 mL의 당근 주스 메탄올 추출 물을 2.5% linoleic acid를 함유한 에탄올 4.1 mL를 가하며 여기 에 0.02 M sodium phosphate buffer (pH 7.0) 8 mL를 넣고 증류 수로 전체 부피가 20 mL가 되게 하였다. 이 시료액을 40℃에서 배양하면서 1일 간격으로 측정하였다. 측정 방법은 시료액 0.1 mL에 75% EtOH 9.7 mL를 넣고 30% ammonium thiocyanate 용 액 0.1 mL에 0.02 M ferrous chloride를 함유한 3.5% 염산용액 0.1 mL를 가하여 정확히 3분 후에 500 nm에서 흡광도를 측정하 여 과산화물량을 나타내었다.

In vitro 소화모델

당근 주스의 소화 과정에 따른 항산화 성분 변화 및 생리 활 성 변화를 분석하기 위해 인체의 소화기관과 유사한 in vitro 소 화모델은 Attri 등(2017)의 수정된 방법에 따라 위장과 소장 소화 과정으로 나누어 인공소화를 재현하였다. 가장 먼저 위장 소화를 거치기 위해 100 mL 당근 주스를 400 mL 1.2 g/L pepsin (3,000 FCC units/mg)과 8.0 g/L NaCl을 함유하는 reaction buffer로 희석 시킨 뒤 35% HCl을 이용하여 pH를 1.2로 조정하였다. 그 후 37℃에서 진탕하여 1시간 동안 반응시켰다. 다음으로 위의 과정 을 거친 위장 소화액 100 mL를 0.94 g/L porcine pancreatin (>3 USP)를 포함하는 0.1 M phosphate buffer 160 mL로 희석하고 1시 간 동안 37℃에서 반응시켰다. 각 소화 단계의 반응물은 효소가 들어가지 않은 buffer를 이용하여 동일한 부피로 조정하였으며 당 근 주스가 들어가지 않은 증류수로 동일한 과정을 거쳐 각 단계별 공시험군을 설정하였다.

환원력 측정

Ferric reducing antioxidant power (FRAP)은 Benzie와 Strain (1996)의 방법에 따라 측정하였으며, FeSO4로 표준 검량곡선을 작성하여 당근 주스 소화물 1 g당 FeSO4 µmol/L (µM FeSO4/g) 로 표현하였다.

Angiotensin I-converting enzyme (ACE) 저해 활성

ACE 저해 활성은 Cushman과 Cheung(1971)의 방법을 수정하여 측정하였다. ACE 저해 활성을 측정하기 위해 0.1 M sodium borate buffer (pH 8.3) 75 µL와 ACE 조효소액 100 µL를 혼합 한 뒤 당근 주스 소화물 25 µL를 가하였다. 다음으로 기질인 HHL (N-hippuryl-histidyl-leucine)을 50 µL 넣고 37℃에서 1시간 동안 반 응시켰다. 효소반응을 종결시키기 위해 1 N HCl을 250 µL 첨가 한 뒤, 1.3 mL ethyl acetate 용액을 가하여 충분히 혼합하였다. 위 의 혼합액을 2,012×g, 4℃에서 5분간 원심분리 한 뒤 상등액을 1 mL 취하였다. 120℃에서 15분간 가열하여 ethyl acetate를 모두 제거한 뒤 증류수를 1 mL 가하여 228 nm에서 흡광도를 측정하였다.

저장 조건

당근 주스를 50 mL tube에 각각 30 mL씩 주입하고, 미생물 안 전성으로부터 취약한 비가열 착즙 주스의 단점을 보완하기 위한 전처리 과정의 일환으로 −60℃에서 급속 냉동시켜 유통기한 설 정일에 따라 4℃에서 녹여 분석 실험에 사용하였다. 당근 착즙액 은 −60℃에서 12개월 동안 저장하였으며, 냉장 유통 조건에서의 유통기한을 예측하기 위해 3개월 간격으로 해동하여 3일간 4℃ 냉장 보관에 따른 pH, 산도, 총균수 및 대장균수 측정을 수행하였다.

pH 측정 및 산도 측정

−60℃에 급속 냉동 보관되어 있던 당근 착즙액의 pH, 산도의 변화를 측정하였다. 해동된 당근 착즙액의 pH는 pH meter (ST2100-F, OHAUS, Seoul, Korea)를 사용하여 측정하였다. 산도 측정은 당근 착즙액 1 mL을 취해 증류수로 50 mL까지 채운 후 0.1 N NaOH 용액으로 pH 8.3이 될 때까지 적정하고 아래의 계 산식을 이용하여 총산 함량(%)을 구하였다.

산도(%)=[0.1 N NaOH 적정량(mL)×0.1 N NaOH 역가×희석배수×0.0064/시료채취량(g)]×100

일반 세균수 측정

일반 세균수 분석은 식품공전의 방법(MFDS, 2019)에 따라 급 속 냉동 처리한 당근 착즙액을 4℃에서 해동한 뒤 1 mL를 무균적으로 채취하여 멸균수 9 mL에 분주하여 101-104 단계 희석하였다. 각 시료는 petrifilm aerobic count plates (Petrifilm, 3M, St.Paul, MN, USA)에 1 mL를 분주한 다음 37℃에서 24-48시간 배양 후 생성된 집락수를 계수하여 colony forming units (CFU/mL)으로 나타내었다.

대장균수 측정

대장균 분석은 식품공전의 방법(MFDS, 2019)에 따라 급속 냉동 처리한 당근 착즙액을 4℃에서 해동한 뒤 1 mL를 무균적으로 채취하여 멸균수 9 mL에 분주하여 101-104 단계 희석하여 측정하였다. 각 시료는 petrifilm aerobic count plates (Petrifilm, 3M, St.Paul, MN, USA)에 1 mL를 분주한 다음 37℃에서 24-48시간 배양 후 생성된 집락수를 계수하여 colony forming units (CFU/mL)으로 나타내었다.

통계분석

모든 분석은 3회 이상 수행하였으며, 평균±표준편차(mean±SD) 로 표현하였다. 평균값의 유의한 차이는 SPSS (version 20.0 for Windows, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)를 이용한 일원배치 분산 분석(one-way ANOVA)의 Duncan’s multiple comparisons를 사용 하였다. 두 가지 시험군들 간의 활성 평균값은 Turkey’s multiple comparison test로 분석하였으며, 유의성 검증은 신뢰구간 p<0.001, p<0.01 및 p<0.05에서 각각 분석하였다.

결과 및 고찰

착즙 방법에 따른 당근의 착즙률 비교 원심분리형, 외기어 방식, 쌍기어 방식으로 당근 500 g에 대한 착즙률을 조사하여 Table 1에 나타내었다. 그 결과 쌍기어 방식 의 착즙기(ANG)의 당근 착즙률이 72.0%로 가장 높게 나타났으 며 다음으로 원심분리형(BRV, 49.7%)과 외기어 방식(HUR, 49.6%) 순으로 높게 나타났다. 세 가지 착즙 방법 중 쌍기어 방식으로 당근을 착즙할 경우에 외기어 방식 혹은 원심분리형 착즙보다 1.45배 높은 착즙률을 보였다. 또한 착즙 후 배출된 당근 찌꺼기 의 무게를 측정한 결과 외기어 방식, 원심분리형 그리고 쌍기어 방식 순으로 중량이 높게 나타났으며, 배출된 당근 찌꺼기의 무 게와 착즙률은 서로 반비례 관계를 가지는 것을 확인하였다. 배 출된 당근 찌꺼기의 무게가 착즙률과 반비례하는 이유는 착즙률 이 낮을수록 당근 찌꺼기에 함유된 수분이 많고 착즙 효율이 떨 어지기 때문일 것으로 판단된다. 이와 유사한 결과로, Choi 등 (2014)의 주스 제조 장치에 따른 채소 및 과일 주스의 품질에 관 한 연구에서 블랜더를 제외하고 4가지 상업용 착즙기를 이용하 여 12가지 과채류의 착즙률을 비교한 결과 총 10가지 과채류에 서 쌍기어 방식의 착즙기가 가장 높은 착즙률을 보였다. 따라서 현재 상용되는 3가지 착즙 유형 중에서 가장 높은 착즙률을 보 이며 착즙 효율을 높일 수 있는 최적의 방법은 쌍기어 방식의 착 즙이라고 판단된다. 그 뿐만 아니라 착즙 과정 중 발생될 수 있 는 열에 의해서도 영양소 파괴가 일어날 수 있으나, 3가지 착즙 유형 모두 착즙 과정에서 온도 증가가 일어나지 않았다.

Table 1. Comparison of juice yield by extraction method

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착즙 유형에 따라 제조된 당근 주스의 영양성분 비교 분석

착즙 유형에 따른 당근 주스의 일반성분 및 영양성분 조성을 비교 분석하여 Table 2에 나타내었다. 당근은 풍부한 미네랄과 비 타민 그리고 생리활성 물질을 함유하고 있으며, 탄수화물과 칼슘, 인, 철 그리고 마그네슘의 훌륭한 공급원으로서 중요한 역할을 하기 때문에 당근의 소비량은 꾸준히 늘어나고 있는 실정이다 (Sharma 등, 2012). 이러한 생리활성 물질과 미네랄 함량은 신선 한 당근 주스의 품질지표로서 사용이 가능하다. 세 가지 착즙 방 법에 따라 당근 주스의 미네랄 함량을 비교한 결과, 대부분의 미 네랄은 쌍기어 방식으로 착즙된 당근 주스에서 가장 많이 함유 되어 있었다. 신경과 근육의 기능을 유지하고 비타민 B, C, E 대 사에 도움을 주는 마그네슘은 외기어 및 쌍기어 방식으로 착즙 된 당근 주스에서 각각 8.75 및 8.21 mg/100 g으로 원심분리형에 비해 각각 1.98, 1.85배 많이 함유되어있으며, 뼈와 치아 형성에 도움을 주는 칼슘 또한 쌍기어 방식으로 착즙된 당근 주스에서 가장 높은 함량을 나타냈다. 당근은 등황색을 띠는 채소로서 비 타민 A의 전구체인 β-carotene을 많이 함유하고 있어 체내 면역 력을 높이고, 암 및 심혈관 질환 그리고 노인성 질환과 같은 질 병의 위험으로부터 보호 효과가 탁월하며 체내에 흡수되어 높은 항산화 활성을 나타내는 것으로 알려져 있다(Sharma 등, 2012). 본 연구에서 당근 주스에 함유되어 있는 β-carotene은 쌍기어 방 식으로 착즙된 당근 주스에서 14.27 mg/100 g, 원심분리형에서 15.96 mg/100 g 그리고 외기어 방식에서 7.18 mg/100 g으로 외 기어 방식으로 착즙된 당근 주스에서 가장 낮은 함량을 보였다. Kim 등(2017)의 연구에서는 진공 유무에 착즙 방식에 따라 제조 된 당근 주스에 함유된 β-carotene은 1.26-2.43 mg RE/100 g으로 즉 7.56-14.58 mg/100 g이 함유되어 있다고 나타냈으며 본 연구 의 결과와도 유사한 것으로 확인되었다. 따라서 쌍기어 방식과 원심분리형 착즙 방식에 따른 차이는 보이지 않았으나, 종류에 상관없이 상당히 많은 양의 β-carotene이 함유되어 있는 것을 확인하였다. 하지만 착즙 방식에 따른 착즙률을 고려한다면 당근 100 g을 착즙 했을 때 당근으로부터 얻어지는 영양성분 함량은 큰 차이가 있음을 확인할 수 있다. 당근 100 g으로부터 얻어지 는 미네랄의 양은 다른 착즙 방법에 비해 쌍기어 방식의 착즙이 가장 많게 나타났으며, 칼슘의 경우 쌍기어로 착즙할 경우 100 g의 당근으로 부터 15.98 mg이 얻어지면서, 원심분리형(4.34 mg) 과 외기어 방식(9.60 mg) 착즙에 비해 각각 3.68 및 1.61배 높게 나타났다. 특히 β-carotene의 경우 성인 남성을 기준으로 했을 때 1일 권장 섭취량은 800 µg RAE으로 알려져 있으며 3가지 방식 중에 쌍기어 방식으로 당근 100 g을 착즙했을 때 1일 권장 섭취 량을 충족시킬 수 있는 것으로 확인하였다; 10.27 mg β-carotene =855.83 µg RAE. 그에 비해 원심분리형과 외기어 방식 착즙은 당근 100 g으로 660.83 및 296.67 µg RAE의 β-carotene을 얻을 수 있었으며 1일 권장 섭취량에는 못 미치는 것으로 확인되었다. 당근에 함유된 폴리페놀은 주로 β-coumaric acid, chlorogenic acid, caffeic acid, hydroxybenzoic acid (Gonçalves 등, 2010) 그리고 다양한 cinnamic acid 유도체(Alasalvar 등, 2001)로 구성되어 있 다고 알려져 있다. 당근 주스의 총 폴리페놀 및 플라보노이드 함 량을 분석한 결과, Table 2에 나타낸 바와 같이 당근 착즙액에서 는 착즙 방법에 따른 유의적인 차이는 보이지 않았으나 100 g의 당근으로부터 얻어지는 양은 쌍기어 방식이 62.53 mg으로 원심 분리형(42.62 mg)과 외기어 방식(42.78 mg)보다 1.46-1.47배 그리 고 1.53-1.61배 높은 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 착 즙 방법에 따라 당근 주스의 미네랄 함량이 달라질 수 있으나 미 량 비타민과 총 폴리페놀 화합물의 함량에는 큰 차이가 없음을 확인하였다. 하지만 동일한 양의 당근으로부터 얻을 수 있는 영 양성분의 양은 착즙 방법에 따라 크게 차이가 나는 것을 확인하 였으며 3가지 착즙 방법 중에서는 쌍기어 방식의 착즙이 당근의 영양성분을 섭취하는데 가장 효율적인 것으로 판단된다.

Table 2. Nutrition composition (mg/100 g) of carrot juice according to extraction method

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착즙 방법에 따른 당근 주스의 층 분리 안정성 비교

음료류의 층 분리 현상은 침전물과 투명한 액상층으로 분리되 면서 시각적 및 미각적 측면에서의 관능을 크게 떨어트려 시장 성에 제한을 준다. 특히 착즙 주스의 경우 분쇄된 식물 조직들이 다량 함유되어 있어 일반 음료류보다도 층 분리 안정성이 매우 낮게 나타난다. 이러한 착즙 주스의 층 분리 현상은 다양한 원인으로 해석되고 있는데, 크게 입자의 크기, 발생되는 거품의 양, 입자 간의 밀도 차이와 같은 유동학적 원인과 효소 및 미생물적 요소의 영향인 것으로 설명되고 있다(Reiter 등, 2003). 당근 주스 의 품질 비교 분석을 위해 냉장 상태가 아닌 실온에서의 가속 실 험을 통해 착즙 유형에 따라 당근 주스의 층 분리 안정성을 비 교하여 Fig. 1A에 나타내었다. 당근 주스를 상온에서 18시간 이 상 보관하였을 때 층 분리 현상이 나타났으며, 가장 위로 펄프층 이 형성되고 그 아래로 세럼(serum)과 침전물(segmentation)이 형 성되어 총 3개의 층으로 분리되는 것을 확인하였다. 당근 주스는 2상-콜로이드계(two-phase colloidal system)를 이루는 혼탁 주스 (cloud juice)로 당근 조직으로부터 얻어지는 부유성 입자인 고체 상과 액체상으로 구성되어 있다(Schultz 등, 2014). 세럼은 수용성 성분을 함유하고 있고, 부유성 입자는 다양한 크기와 모양의 불 용성 입자들로 0.2-10 µm의 평균 크기를 갖는 것으로 알려져 있 다(Reiter 등, 2003). 착즙 유형에 따라 당근 주스의 입자 크기를 분석한 결과(Fig. 1B), 쌍기어 방식으로 착즙한 당근 주스에 분산 되어 있는 평균 입자크기는 16.46±0.30 µm로 가장 작았다. 스크 류를 이용하는 외기어 방식과 쌍기어 방식은 입자 크기 및 분포 가 서로 유사하게 나타났으나, 원심분리형으로 착즙한 당근 주스 의 입자는 최소 입자 분포(<10%)의 평균 크기가 34.66±1.10 µm 로 외기어(2.49±1.55 µm) 및 쌍기어 방식(1.90±0.97 µm)에 비해 상당히 큰 것으로 확인되었다. 그 뿐만 아니라 중간(<50%) 및 최 대(<90%) 입자 분포 또한 원심분리형으로 착즙된 당근 주스에서 가장 높게 나타나면서, 스크류를 이용하는 형태인 외기어 및 쌍 기어 형태의 착즙이 당근 조직을 더욱 미세하게 분쇄하는 것을 확인하였다. 그 중에서도 특히 쌍기어 형태의 착즙기는 입자의 평균 크기, 최소, 중간 그리고 최대 입자 분포값이 가장 작았을 뿐만 아니라 분산값 또한 363.50±19.51 µm로 외기어 방식 (696.20±28.30 µm) 및 원심분리형(41,927.14±21.40 µm)에 비해 상 당히 낮은 값을 보임으로써 쌍기어 형태의 착즙이 가장 고르고 미세하게 당근을 분쇄하는 것으로 판단된다. Reiter 등(2003)은 당근 주스를 2단계의 원심분리 과정을 거쳐 당근 입자의 크기 별 로 분석하고 그에 따른 층 분리 안정성을 조사하였다. 가장 먼저 원심분리 과정을 거치지 않은 일반 당근 주스의 입도 분포는 0.11,000 µm를 보였으며 본 연구 결과와도 일치하였다. Reiter 등 (2003)은 침전 형성의 주된 원인은 10 µm 이상의 크기를 갖는 조 립자(coarse particles)라고 나타내었으며 본 연구에서 당근 주스를 상온에서 방치하였을 때 입자 크기가 가장 큰 원심분리형 착즙 기의 당근 주스에서 펄프가 가장 많이 형성된 것과 일치하는 결 과이다. 또한 외기어 방식으로 착즙된 당근 주스의 경우는 펄프, 세럼 그리고 침전물 총 3개의 층으로 나뉘는 것을 확인할 수 있 었으나 쌍기어 방식으로 착즙된 당근 주스의 경우는 윗쪽에 형 성된 펄프의 양도 가장 적었으며 아래쪽에는 침전물이 전혀 형 성되지 않아 비교적 높은 층 분리 안정성을 보였다. 따라서 당근 을 가장 미세하고 고르게 분쇄 및 착즙하는 것은 스크류가 있는 형태의 착즙기였으며 그중에서도 쌍기어 형태의 착즙기가 가장 우수한 성능을 보이는 것을 확인하였다.

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Fig. 1. Comparison of particle size of carrot juice. (A) Cloud stability and (B) Particle size of carrot juice to different extracting method. Data are mean±SD of at least three replicates of each samples. Different letters in the same line indicate significant differences among samples (p<0.05).

쌍기어 방식으로 제조된 당근 주스의 지질과산화에 대한 항산화 효과

당근 주스의 화학적 및 물리적 특성을 분석하기 위해 가장 높 은 착즙 효율을 보였던 쌍기어 방식으로 제조된 당근 주스를 선 정하여 계속적인 연구를 수행하였다. 쌍기어 방식으로 제조된 당 근 주스의 일반성분 조성은 Table 3과 같다. 당근 주스는 수분함 량이 91.30%로 가장 많이 차지하고 있으며, 다음으로 탄수화물, 단백질, 회분 그리고 지방 순으로 확인되었다. 착즙 과정을 통해 미세한 조직을 제외하고 대부분의 당근 조직이 걸러지고, 압착을 통해 조직에 함유되어 있던 영양성분이 수분과 함께 착즙되기 때 문에 수분에 비해 나머지 일반성분들의 조성이 낮게 나타난 것 으로 생각된다.다양한 원인에 의해 체내에 생성된 유해 활성산소종은 세포, 단백질, DNA 등에 산화적 손상을 일으켜 다양한 질병을 일으키며 특히 생체 세포막의 구성 성분의 과산화를 유도하여 동맥경화증, 류마티스 관절염, 염증 등의 원인으로 알려져 있다(Alfadda와 Sallam, 2012). 따라서 당근 주스의 장기 보관에 따른 불포화지방산에 대한 항산화 효과를 조사하기 위해 thiocyanate 방법으로 linoleic acid의 과산화 정도를 조사하였다(Fig. 2). Linoleic acid의 산화가 진행되면 과산화지질(lipid hydroperoxide, LOOH)이 다량으로 생성되면서 LOOH와 ferrous thiocyanate가 반응하여 500 nm에서 최대 흡광을 나타내는 Fe3+-thiocyanate complex를 형성하여 흡광도가 증가하게 된다(Gasparovic 등, 2013). 대조군의 경우보관 기간에 따라 linoleic acid의 산화가 진행되면서 7일차까지흡광도 값이 계속적으로 증가되었으며 8일차부터는 흡광도 값이감소하는 경향을 보였다. 그에 비해 당근 주스 메탄올 추출물의 경우 9일 동안 산화가 거의 진행되지 않았으며 농도 의존적으로높은 항산화 활성을 보였다. 100% 및 50% 농도에서는 지질의 과산화가 거의 일어나지 않았으나 10% 농도에서는 6일차부터 서서히 산화가 진행되기 시작하였다. 양성 대조군으로는 천연 항산화제인 α-tocopherol를 1 mg/mL 농도로 처리하였으며 6일차에서부터 지질의 산화가 시작되면서 장기 보관에 따라 흡광도가 높아지는 것을 확인하였다. 당근 주스 메탄올 추출물 100%, 50%그리고 10% 희석액 모두 α-tocopherol 1 mg/mL보다 낮은 과산화물량을 나타내면서 천연 항산화제로 알려진 α-tocopherol 보다 뛰어난 항산화 활성을 갖는 것을 확인하였다. 이와 유사한 결과로 Potter 등(2011)은 성인 17명을 대상으로 당근 주스 섭취에 따른 심혈관계 질환 위험인자 변화를 조사하였다. 그 결과 당근 주스를 90일간 매일 섭취한 성인들의 경우 수축기 혈압이 감소하고, 혈장 내 총 항산화 상태(total antioxidant status)가 증가하고 malondialdehyde 생성이 저해된다고 나타내었다. Potter 등(2011)은 당근 주스 섭취로 인한 수축기 혈압 감소가 당근에 풍부하게 함유된 칼륨 때문인 것으로 보고하였으며 항산화 상태 증가와 혈장 malondialdehyde의 감소는 α-carotenes과 β-carotene이 풍부하기때문이라고 나타냈으며 이는 본 연구 결과와도 일치하였다.

Table 3. Nutrition composition of carrot juice prepared by twin gear extraction

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Fig. 2. Inhibitory effect of carrot juice on lipid peroxidation. Data are mean±SD of at least three replicates of each samples. Different letters indicate significant differences among samples. *p<0.05; **p<0.01, ***p<0.001.

쌍기어 방식으로 제조된 당근 주스의 소화 단계에 따른 항산화 활성 변화

당근 주스를 섭취하면 체내의 소화과정을 거치게 되면서 생리 활성 효과의 변화가 생긴다고 알려져 있다. 따라서 본 연구에서 는 in vitro 소화모델에서 위장 및 소장 소화 단계를 거침에 따른 당근 주스의 대사 활성 변화를 비교 분석하였다. FRAP assay를 통해 당근 주스의 환원력을 조사한 결과(Fig. 3), 소화과정을 거 치기 전에는 당근 주스 메탄올 추출물이 100% 농도에서 18.59 µM FeSO4/g의 환원력을 보였으나 pepsin에 의해 단백질 분해가 일어나는 위장 소화단계를 거치면서 당근 주스의 환원력은 82.06 µM FeSO4/g으로 4.41배 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 50% 및 10% 희석액 모두 위장 소화 단계를 거치면서 각각 4.69배와 6.52배 증가되는 것을 확인하였다. 다음으로 pancreatin이 존재하 는 소장 소화를 거치면 위장 소화를 거친 당근 주스 소화물보다 1.36배 높은 111.89 µM FeSO4/g의 환원력을 나타내었다. 이는 소 화 과정을 거치면서 당근 주스의 항산화 활성이 더욱 증가되는 것을 나타낸다. 하지만 소화 단계에 따른 폴리페놀 함량을 분석 한 결과(Table 4) 위장 소화과정을 거치면서 폴리페놀 함량이 다 소 증가하지만, 소장 소화과정에서는 폴리페놀의 유의적인 증가 는 없었다. 따라서 당근 주스가 대사과정을 거치면서 성분들의 분해 및 구조 변화가 야기되지만 환원력 결과와 정확히는 일치 하지 않는 것을 확인하였다. Choi 등(2005)의 연구에서도 폴리페 놀의 함량과 라디칼 소거능은 높은 상관관계를 보이는 것을 확 인할 수 있었으나, TBARS 및 에스트로젠 활성 간의 상관성은 낮은 것으로 나타났다. Choi 등(2005)은 이러한 이유를 in vivo system에서 항산화능에 관여하는 성분으로는 폴리페놀류 외에 많 은 성분이 관여하며 식용 및 약용식물에 존재하는 유효 성분이 다양하기 때문이라고 나타냈다. 본 연구에서도 위장 소화 과정을 통한 폴리페놀 및 플라보노이드 함량 변화와 환원력 사이에 높 은 상관관계를 보이지 않았으나, 소화 과정을 거침으로서 환원력 에 영향을 미칠 수 있는 폴리페놀을 포함한 다양한 유효 성분들 이 생성 되었을 것으로 판단된다. 그 뿐만 아니라 폴리페놀류 중 에서도 그 구조에 따라 환원력이 크게 달라지기 때문에 이러한 차이가 나타나는 것으로 생각된다. deGraft-Johnson 등(2007)은 폴 리페놀과 폴리페놀 대사산물(metabolites)이 혈장 내 FRAP 활성 에 미치는 영향에 대해 발표하였으며 그 결과 폴리페놀과 그 대 사산물 중 catechol ring을 가진 지방족 화합물은 FRAP 활성과 양의 상관관계가 있다고 보고하였다. 반면 방향족과 같이 공명구 조(conjugated double bond)를 갖는 화합물은 FRAP 활성과 음의 상관관계를 갖는다고 나타냈다. 따라서 소화 과정에 따라 당근 주스에 있는 성분들이 다양한 형태로 분해 혹은 변형되면서 환 원력과 같은 생리활성이 충분히 증가될 수 있을 것으로 생각된 다. 하지만 이에 대해서는 보다 심도 있는 연구가 필요할 것으로 판단된다.

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Fig. 3. Reducing power of carrot juice at different phase of in vitro digestion. Data are mean±SD of at least three replicates of each samples. Different letters indicate significant differences among samples (p<0.05).

Table 4. Polyphenolic contents and ACE inhibition activity of carrot juice at different phases of in vitro digestion

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쌍기어 방식으로 제조된 당근 주스의 항고혈압 활성 변화

당근 주스의 소화 과정에 따른 항고혈압 활성 변화를 조사하 기 위해 ACE 저해능을 분석하였다. ACE는 angiotensin I을 angiotensin II로 전환시켜 혈압 증가의 중추적인 역할을 하는 효 소로 알려져 있다. 소화 과정을 거치기 전의 당근 주스의 ACE 저해율은 1.40%로 아주 미미한 효과를 보였으나 위장 소화를 거 치면서 21.32%로 크게 증가된 것을 확인하였다(Table 4). 하지만 소장 소화과정을 거치면서 ACE 저해율은 17.98%로 더 이상 증 가되는 경향은 보이지 않았으나 초기의 당근 주스보다는 높은 활 성을 보였다. 소화 과정을 통해 증가된 ACE 저해 활성은 증가된 폴리페놀 함량과 관련 있다고 판단된다. ACE 저해 효과를 나 타내는 것으로 알려진 폴리페놀류는 luteolin, kaempferol, rutin, apigenin, epicatechin등이 알려져 있다(Guerrero 등, 2012). 그 뿐 만 아니라 Balasuriya와 Rupasinghe(2011)의 연구결과에 따르면 높 은 ACE 저해 활성을 보인 epicatechin은 dimer일 때 IC50 value가 97 µM로 나타났으나, tetramer로 존재할 때 4 µM의 IC50 value를 보이면서 24.25배 높은 ACE 저해 활성을 보였다. 이러한 결과는 폴리페놀 및 플라보노이드의 구조에 따라 ACE 저해 활성이 크 게 달라질 수 있으며, 위장 소화 과정을 거치면서 크게 증가된 ACE 저해 활성이 소장 소화과정에서 다소 감소된 것 또한 이러 한 유효 성분들의 구조 변형과도 관련이 있을 것으로 판단된다. 그 뿐만 아니라 Mirzapour 등(2017)은 6가지 소화 효소 종류에 따른 가수분해가 ACE 저해 활성에 미치는 영향에 대해 발표하 였다. Mirzapour 등(2017)은 pepsin에 의한 가수분해를 거치는 경 우 37.44배 활성이 증가될 수 있다고 나타냈으며 또한 각각의 소 화 효소 종류에 따라 가수분해물의 ACE 저해활성은 달라질 수 있다고 보고하였다. 따라서 당근 주스가 위장 소화 과정을 거치 면서 ACE 저해율이 크게 증가되는 것은 당근 주스 내에 함유된 폴리페놀을 포함한 다양한 유효 성분들이 가수분해되면서 ACE 저해 활성을 나타내는 것으로 해석될 수 있다. 이러한 ACE 저 해 활성의 증가는 소화 과정을 통해 유효 성분들의 구조 변화로 인해 생리 활성이 증가될 수 있으며, 이는 당근 주스의 생체이용 률이 증가됨을 나타내는 결과라고 생각된다.

쌍기어 방식으로 제조된 당근 주스의 냉동 보관 기간에 따른 pH 및 산도 변화

제조 직후 당근 주스를 급속 냉동(−60℃) 조건에서 보관하면서 해동 직후 냉장보관 1-3일차에 따른 당근 주스의 일반 세균수와 산도 및 pH 변화를 측정하였다. 0-12개월 까지 당근 주스의 pH 값은 pH 6.48-6.64 사이로 나타났으며(Table 5), 착즙 직후 보다 냉동 조건에서 저장 기간이 길어짐에 따라 pH가 다소 감소된 것 을 확인하였다. Oh 등(2017)의 보고에 의하면 당근 주스를 4℃ 에 보관하였을 때 초기 pH 6.31에서 저장 2일차부터 pH가 감소 되기 시작하여 저장 6일차에는 pH가 6.22로 급격히 감소된다고 보고하였다. 하지만 본 연구에서 급속 냉동 조건으로 당근 주스 를 저장하였을 때 pH 변화가 미미한 것을 확인할 수 있었다. 그 뿐만 아니라 Kim 등(2016)의 냉동 조건에 따른 대파의 냉동 저 장 중 품질변화에 관한 연구보고에서도 냉동 온도가 낮을 수록 냉동 저장 중에 생기는 pH 변화가 적다고 나타냈다. 이와 마찬 가지로 당근 주스를 급속 냉동 조건에서 보관하였을 때 그에 따 른 산도 변화를 측정한 결과, 저장 기간이 길어짐에 따라 산도가 다소 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 pH와 산도의 변 화는 당근 주스의 저장 기간 중 효소나 미생물 등의 작용에 따 른 유기산의 생성에 기인한다. 식물 세포벽에는 세포벽의 신장과 형성에 필수적인 pectin methylesterase가 존재하여 식물세포벽의 펙틴(pectin)의 methyl ester 부분을 가수분해하면서 유기산의 한 종류인 acidic pectin이 생성되어 pH가 낮아지고 산도가 올라가게 된다(Anthon와 Barrett, 2012). 따라서 저장 및 유통 과정 중에 생 길 수 있는 이러한 품질 변화를 최소화하기 위한 다양한 가공 및 처리방법이 연구되고 있는 실정이다. 본 연구에서 급속 냉동 처 리된 당근 주스는 급격한 pH 감소를 보인 4℃ 냉장 보관된 당 근 주스(Oh 등, 2017)에 비해 거의 변화가 없는 것을 확인하였 으며, 산도 증가 또한 크지 않은 점으로 보아 급속 냉동처리가 주스 안정성을 높일 수 있는 전처리 수단인 것을 확인하였다.

다음으로 급속 냉동된 당근 주스의 해동 직후 4℃ 냉장보관 기간에 따른 일반 세균수와 대장균수 변화에 조사하였다. 식품공 전에 고시된 가열하지 않고 섭취하는 과채음료의 기준 및 규격에 따르면 세균수는 g당 100,000 CFU 이하를 유지해야 한다. 본 연구에서 당근 주스의 초기 일반 세균은 9.3×103 CFU/mL이며, 3-12개월 동안 급속 냉동 보관 후 냉장 상태에서 해동 1-3일차 동안 위의 기준에 적합한 미생물 수치를 보이면서 미생물 안전성이 유지되는 것을 확인할 수 있었다(Table 5). 또한 냉동 보관 12개월 차에는 오히려 세균수가 감소됨을 확인하였다. 반면 당근 주스의 냉장보관 기간 및 해동 3일차 동안 대장균은 검출되지 않았다. Park 등(2012)은 다진 마늘과 깐마늘의 총균수가 20일간의 저장 기간 경과에 따라 감소하여 냉동 저장이 미생물의 증식을 억제하는 경향이 있다고 보고하였으며, 이는 본 연구 결과와도 일치하였다. 냉동 저장에 의한 미생물학적 변화에 대한 다양한 결과들이 보고되고 있는데, 대부분의 연구 결과에서 냉동 저장 기간이 증가함에 따라 미생물 증식이 억제된다고 나타내고 있다(Kim 등, 2016). 따라서 당근 주스를 해동시켜 냉장제품으로 유통할 경우 과일·채소류 음료(비가열 제품)의 권장유통기간인 3일 동안은 미생물 오염으로부터 안전할 것이라고 판단된다.

결론적으로 쌍기어 방식의 착즙이 외기어 방식 및 원심분리형 착즙기에 비해 높은 착즙률을 보이고, 당근 주스에 함유된 입자 또한 가장 미세하고 조밀하게 형성되는 것으로 보아 다른 착즙 방식에 비해 가장 높은 효율을 나타내는 것으로 판단된다. 이와 일치하는 결과로써 당근 주스에 함유되어 있는 영양성분 또한 쌍 기어 및 외기어 방식이 원심분리형에 비해 높게 나타났으며 특 히 쌍기어 착즙 방식은 3가지 착즙 방식 중 유일하게 100 g의 당근으로부터 1일 권장 섭취량 이상의 β-carotene을 얻을 수 있 다. 그 뿐만 아니라 쌍기어 방식으로 착즙된 당근 주스는 천연 항산화제인 α-tocopherol 보다도 우수한 지질과산화 저해 활성을 보이면서, 당근 주스의 섭취가 체내 유해 활성산소종을 유의적으 로 소거하고 산화를 저해하는데 효과가 있음을 나타냈다. 실제 당근 주스를 섭취할 경우 대사과정에 따른 생리 활성 변화를 조 사하기 위해, in vitro 소화모델에서 위장 및 소장 소화과정을 거 친 결과, 항산화 성분 변화는 크지 않았으나, 환원력이 크게 증 가되고 소화과정을 거치지 않은 당근 주스에는 매우 저조하게 나 타나던 ACE 저해 활성이 위장 소화를 거치면서 상당히 증가되 는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로 미생물 오염으로부터 취 약한 비가열 당근 착즙주스의 미생물 안전성을 높이기 위해, −60 ℃에서 당근 주스를 급속 냉동시켰으며, 저장 기간에 따른 품질 변화를 조사한 결과, 냉동 저장 12개월 그리고 해동 직후 3일까 지 산도 및 pH의 변화가 크지 않고 미생물 안전성이 유지되는 것을 확인하였다. 그러므로 당근 주스는 냉동 저장 12개월 그리 고 해동일로부터 냉장보관 3일까지 저장 안정성이 있는 것으로 판단된다.

Table 5. Quality change and microbial stability of carrot juice for 12 month

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요 약

본 연구는 원심분리형, 외기어 방식 그리고 쌍기어 방식과 같 은 착즙 방법에 따른 당근 주스의 품질 특성을 비교하기 위해 수 행되었다. 신선한 주스의 품질은 착즙률, 영양성분 및 층 분리 안 정성을 통해 평가되었다. 쌍기어 착즙 방식은 가장 높은 착즙률 을 보였다. 게다가 당근 주스의 미네랄 함량은 쌍기어 착즙방식 으로 제조된 당근 주스에서 가장 높게 나타났으며, 특히 유일하 게 쌍기어 방식의 착즙이 100 g의 당근으로부터 1일 권장 섭취 량 이상의 β-carotene이 얻어졌다. 더욱이 당근 주스의 입자 크기 가 가장 작게 나타난 것은 쌍기어 방식의 착즙이었고 다음으로 외기어 방식과 원심분리형으로 나타났다. 따라서 쌍기어 방식의 착즙을 최적의 방법으로 선정하고, 이를 이용해 당근 주스의 항 산화 활성 및 대사 활성 변화를 조사하였다. 그 결과 당근 주스 는 α-tocopherol 보다 더 높은 지질과산화 저해율을 보였으며, 위 장과 소장 소화를 거치면서 angiotensin I-converting enzyme (ACE) 저해 활성이 증가되었다.

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