Food Functionality and In Vitro Bioactivity of Olive Flounder Paralichthys olivaceus Roe Concentrates Prepared by Cook-dried Process

가열-건조처리 넙치(Paralichthys olivaceus) 알 농축물의 식품기능성 및 생리활성

Abstract

Boil-dried concentrate (BDC) and steam-dried concentrate (SDC) were prepared from olive flounder Paralichthys olivaceus roe using the cook-dried process, and their food functionality and in vitro bioactivity were examined. The buffer capacity of BDC and SDC was found to be stronger in the alkaline region than in the acidic region, and the buffer capacity of SDC was superior to that of BDC. The water holding capacities of these concentrates were 7.6 and 7.4 g/g protein, respectively, both of which were significantly lower than that of freeze-dried concentrate (FDC). The solubility of BDC (13.4%) and SDC (12.7%), foaming capacity of BDC (107.7%) and SDC (110.6%), and oil-in-water emulsifying activity index of BDC (7.7 m²/g) and SDC (9.7 m²/g) were all significantly lower than the corresponding values for FDC (P<0.05). The lower food functionality of BDC and SDC compared with FDC can be attributed to the high-temperature denaturation of proteins during the cook-dried process. The 2,2'-azino-bis-3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid radical scavenging activities (IC₅₀) of SDC (2.5 mg protein/mL) was 60.4 ㎍/mL, and the angiotensin I converting enzyme inhibitory activity was 80.9%. Olive flounder roe concentrates have good antioxidant and antihypertensive activities, and can be used as materials or ingredients in the processing of seafood and other foods to enhance protein contents and food functionality.

서론

우리나라의 대표 양식어류인 넙치(Oliver flounder Paralichthys olivaceus)는 소비자들이 선호하고 있는 어류로서 대부분 횟감으로 이용되고 있으며, 초밥, 조림 및 구이로 소비되는 대표적 다소비 양식 어종이다. 넙치는 우리나라 전체 양식산 어류의 50% 이상을 차지하며, 특히, 제주특별자치도의 광어생산량은 2020년 기준으로 전국 생산량(43,813 M/T)의 53.5% 이상을 차지하고 있다(MOF, 2021). 이러한 다소비 어종은 조리 및 가공 시 머리, 중골 frame, 비늘, 내장, 껍질, 알 등과 같은 비가식 가공부산물이 다량 발생하고 있다. 이들 수산가공부산물의 재활용(up-cycling 또는 reuse)은 그 경제적 효과와 영양적 이점으로 인해 수산가공산업에 있어서도 큰 관심을 받고 있으며(Lee et al., 2016b), 최근 몇 년간 수산가공부산물의 기능성 식품소재 또는 단백질 및 지질보충제로서의 이용에 관한 연구가 진행됨으로써, 부산물의 무단 폐기로 인한 처리비용 및 부산물의 발생량을 경감시킬 것으로 기대하고 있다(Galla et al., 2012a; Kim et al., 2016). 수산가공부산물 중에서 어류 알(fish roe)은 어종에 따라 다양하지만, 전 어체 중량의 1.5–10%를 차지하며, 알부민, 오보글로불린, 콜라겐(Yoon et al., 2018b), vitellogenin 및 vitellogenin derivatives (Sikorski, 1994; Heu et al., 2006; Park et al., 2016; Yoon et al., 2018a; Kim et al., 2020)와 같은 기능성 단백질 및 필수지방산(Heu et al., 2006; Mahmoud et al., 2008; Intarasirisawat et al., 2011)이 풍부하여 그 영양적 가치는 가식부와 유사하거나 그 이상으로 수산생물자원의 단백질 급원 또는 식품 재자원으로서의 잠재력이 크다. 가열-건조처리 공정은 소화성과 기호성을 향상시키고, 유해 세균이나 기생충의 사멸(Lee et al., 2016b; Yoon et al., 2018c), 박테리아 및 곰팡이 등 미생물의 생육에 필요한 수분을 제거하여, 부피와 중량을 현저히 감소시켜 보관 안전성을 높이고, 내인성효소의 활성을 불활성화하기 때문에 제품의 품질과 영양적 손실을 최소화하여 안전한 소비를 제공한다(Bala and Mondol, 2001; Bellagha et al., 2002; Duan et al., 2011). 가열-건조처리한 단백질 농축물(protein concentrates)은 영양성분의 농축 및 기능 특성, 고단백질, 그리고 영양방해요소(anti-nutritional factors)를 낮춤으로써 식품산업에 널리 이용되고 있다(Cordero de los Santos et al., 2005; Galla, 2013). 분말형태의 어류 단백질 농축물은 특별한 저장 조건이 필요 없어 실온보관이 가능하여, 식품가공 소재로서 사용하기에도 편리한 장점이 있다(Sathivel et al., 2003; Pires et al., 2012; Lee et al., 2016b). 또한 가공공정에 따른 원료 구성분의 물성 변화로 인해, 품질에 영향을 주는 식품 기능성에는 완충능, 보수력, 용해도, 거품 및 유화 형성능 등이 있으며, 항산화 활성 및 생리활성에서는 항고혈압 활성이 대표적이다(Cha et al., 2020; Kim et al., 2020; Yoon et al., 2020).

수산가공부산물로부터 제조한 단백질 농축물의 식품기능성에 관한 연구에는 Galla et al. (2012a)이 Channa striatus 및 Lates calcarifer 알로부터 제조한 단백질 농축물의 물리화학적, 기능적 특성 및 항산화성에 대해 보고한 바 있으며, Sathivel and Bechtel (2006)은 Alaska pollock Theragra chalcogramma 가 공부산물의 가용성 단백질 분말 농축물에 대해, Chalamaiah et al. (2013a)은 mrigal Cirrhinus mrigala 알 단백질 농축물의 식품성분 특성과 전통식품에서의 응용에 대해 보고하였다. Sathivel et al. (2004)과 Sathivel and Bechtel (2008)은 각각 arrowtooth flounder 육과 청어(herring) 머리로부터 얻은 건조 단백질 분말이 다양한 식품기능성을 나타낸다고 하였으며, 청어의 동결건조 분말단백질의 기능특성이 유화제와 겔 형성소재로서 활용이 가능하여, 대두 단백질과 egg albumin과 같은 시판 단백질분말과 경쟁할 수 있는 상품성이 인정된다고 하였다(Sathivel and Bechtel, 2008). 이 연구의 저자들은 다랑어류 알로부터 분말농축물의 제조(Lee et al., 2016b; Yoon et al., 2018c)와 그 식품기능특성(Park et al., 2016; Yoon et al., 2018c)에 대하여 시도한 바 있다. 따라서, 이 연구에서는 가열-건조공정을 통해 제조한 넙치 알 농축물의 기능성 성분 및 단백질 보충제로의 이용 가능성을 위해, 식품기능성으로서 완충능, 보수력, 용해도, 거품 및 유화 형성능, 그리고 생리활성으로서 항산화 및 항고혈압 활성에 대해 살펴보았다.

재료 및 방법

넙치 알 농축물의 제조

넙치(P. olivaceus)는 통영시 소재 수산시장에서 생물로 구입하여, 실험실로 운반한 후, 알을 적출하여 농축물의 제조에 사용하였다. 가열-건조처리 농축물은 Lee et al. (2016b)의 방법을 수정하여 제조하였다. 즉, 300 g씩의 넙치 알(olive flounder roe, OFR)을 파우치형 티백에 담은 다음, 열탕-건조처리 농축물(boil-dried concentrate, BDC)은 시료의 6배량의 탈 이온수에 침지하고, 시료의 중심온도가 80°C가 되는 시점부터 20분동안 열탕처리를 하였다. 증자-건조처리 농축물(steam-dried concentrate, SDC)은 함께 준비한 다른 시료에 6배량의 탈 이온수를 끓여, 발생하는 증기로 시료의 중심온도가 80°C가 되는 시점부터 20분 동안 증자처리를 각각 실시하였다. 가열처리한 시료들은 열풍건조기(VS-1203P3V; Vision Scientific, Co., Ltd., Daejeon, Korea)에서 건조(70±1°C, 15시간)하였다. 가열-건조한 농축물들은 식품분쇄기(SFM-555SP; Shinil Industrial Co., Ltd., Seoul Korea)로 분쇄하고, 채거름(180 mesh)하여 각각 BDC 및 SDC로 표시하였다. 이를 일정량씩 소분하여 용기에 담아 냉동보관(-20°C)하고, 식품기능성 및 생리활성 실험에 사용하였다.

단백질농도

단백질 농도는 Lowry et al. (1951)의 방법에 따라 표준단백질로서 bovine serum albumin을 사용하여 구한 검량선을 통해 측정하였다.

완충능

시료의 완충능(buffer capacity)은 Park et al. (2016)의 방법에 따라 측정하였다. 300 mg의 시료에 30 mL의 탈이온수를 가하여 1% (w/v)의 분산액을 조제한 다음, 소량의 0.5 N NaOH 또는 HCl을 첨가하면서, pH 2–12 범위에서 1 단위씩의 pH를 변화하는데 소요되는 NaOH 및 HCl의 부피를 기록하였다. 이때 각 pH별 조정을 위해 첨가한 알칼리와 산의 양과 분산액의 부피를 측정하여 각 pH별 분산액의 NaOH와 HCl의 최종농도를 계산하였다. 이를 통해 각 시료별 완충능은 1 g의 시료에 대하여 1 단위의 pH를 변화하는데 필요한 평균 mM NaOH 또는 HCl의 농도로 나타내었다.

보수력

시료의 보수력(water holding capacity, WHC)은 Park et al. (2016)의 방법에 따라 측정하였다. 50 mL의 원심관에 300 mg의 시료와 30 mL의 탈 이온수를 가해 실온에서 10분간 vortex mixer로 격렬하게 혼합하고 1% 분산액(대조구)을 조제하였으며, 0.5 N NaOH 또는 HCl을 첨가하면서 pH 2–12 범위에서 2단위씩의 pH를 조정한 각 pH별 분산액도 조제하였다. 이어서 이들 분산액을 원심분리기(Supra 22K; Hanil Science Industrial Co., Ltd., Incheon, Korea)로 원심분리(12,000 g, 20분, 4°C) 한 다음, 그 잔사(pellet)의 무게를 측정하여 대조구와 각 pH별 실험구에 대한 WHC를 아래의 식을 통하여 나타내었다.

\(\begin{aligned}\mathrm WHC(g/g \;protein)=\frac{\text { Weight of pellet }(\mathrm{g}) \text {-Weight of sample }(\mathrm{g})}{\text { Weight of sample }(\mathrm{g}) \times \mathrm{C}}\end{aligned}\)

여기서 C는 단백질 함량(%)를 의미하였다.

단백질 용해도

시료의 단백질 용해도는 Park et al. (2016)의 방법에 따라 측정하였다. 30 mL의 탈이온수에 300 mg 시료를 혼합하여 1% 분산액을 조제하고, 0.5 N HCl 또는 NaOH로 분산액의 pH를 2–12 범위에서 2단위씩 pH를 조정하였다. 이들 분산액은 실온에서 30분 동안 안정화시킨 다음, 원심분리(12,000 g, 20분)를 실시하였다. 시료만 분산시킨 대조구(control)와 각 pH별 분산액의 상층액에 대한 단백질의 농도는 Lowry et al. (1951)의 방법에 따라 측정하고, 분산액의 부피를 곱하여 단백질함량을 계산하였다. 각 시료의 총 단백질 함량은 20 mg의 시료에 0.5 NNaOH를 사용하여 완전히 가용화한 후, 이의 단백질농도와 부피를 측정하여 구하였다. 이를 통해 시료의 단백질 용해도는 다음의 식에 따라 계산하고, 측정결과는 최소 3회 반복 실시하여 평균±표준편차로 나타내었다. 아울러 대조구와 pH 조정한 실험구간의 단백질 용해도를 상호 비교하였다.

\(\begin{aligned}\text {Solubility}(\%)=\frac{\text { Protein content in supernatant }}{\text { Total protein content in sample }} \times 100\end{aligned}\)

거품 형성능

시료의 거품성(foaming capacity, FC)과 거품안정성(foam stability, FS)은 Park et al. (2016)에 따라 측정하였다. 25 mL의 메스실린더에 10 mL의 1% 분산액을 옮겨 담고, 균질기 (POLYTRON^® PT 1200E; KINEMATICA AG, Luzern, Switzerland)로 12,500 rpm에서 1분 동안 균질화하였다. 거품이 형성된 시료는 주어진 시간(15, 30, 60분)동안 실온(20±2°C)에서 정치하면서, 총 부피와 거품의 부피를 측정하여 아래의 식에 따라 FC와 FS를 구하였다. 아울러 1% 분산액에 대해 2단위씩 pH를 조정한 실험구에 대해서도 거품형성능을 측정하여 pH를 조정하지 않은 대조구와 상호비교하여 나타내었다.

\(\begin{aligned}\text {Foaming capacity}(\%)=\frac{V T}{V_{0}} \times 100\end{aligned}\)

\(\begin{aligned}\text {Foam stability}(\%)=\frac{(F t / V t)}{(F T / V T)} \times 100\\\end{aligned}\)

이때 VT는 균질 후 총 부피, V₀는 균질 전의 총 부피, FT는 균질 직후 거품의 부피, Ft와 Vt는 주어진 시간(t=15, 30, 60분) 경과 후의 거품부피 및 총 부피로 각각 나타내었다.

유화 형성능

시료의 유화능(emulsifying activity index, EAI)과 유화안정성(emulsion stability index, ESI)은 Park et al. (2016)의 방법에 따라 측정하였다. 각 시료(10 mL의 1% 분산액)는 식용유 (soybean oil; Ottogi Co., Ltd., Seoul, Korea)와 1:3 (v/v)의 비율로 혼합하여 균질화(12,500 rpm, 1분)하고, 균질액이 담긴 메스실린더의 아래쪽에서 일정량(50 μL)의 emulsion을 취하여 5 mL의 0.1% sodium dodecyl sulfate (SDS) 용액과 혼합하였다. 이 혼합액은 분광광도계(UV-2900; Hitachi, Kyoto, Japan)를 사용하여 파장 500 nm에서 균질화한 직후의 흡광도(A_{0 min})와 10분경과 후의 흡광도(A_{10 min})를 측정하여 아래의 식으로 각각 EAI (m²/g protein) 및 ESI (min)를 구하였다.

\(\begin{aligned}\operatorname{EAI}\left(\frac{\mathrm{m}^{2}}{\mathrm{~g}}\right)=\frac{2 \times 2.303 \times \mathrm{A} \times \mathrm{D}}{\mathrm{l} \times \Phi \times \mathrm{C}}\end{aligned}\)

이때, A는 파장 500 nm에서의 흡광도, D는 희석비(100), l은 빛이 통과하는 cuvette의 폭(1 cm), φ는 혼합액 중에 식용유가 차지하는 비율(0.25) 그리고 C는 단백질의 농도(g/mL)를 각각 나타내었다.

\(\begin{aligned}\mathrm{ESI}(\min )=\frac{\mathrm{A}_{0} \times \Delta \mathrm{t}}{\Delta \mathrm{A}}\end{aligned}\)

여기서 ΔA는 A_{0 min}에 대한 A_{10 min}의 흡광도의 차이, Δt는 10분을 의미하였다.

ABTS⁺ 라디칼 소거 활성

ABTS⁺ [2,2'-Azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammouium salt] 라디칼 소거활성은 Cha et al. (2020)의 방법에 따라 측정하였다. 각 시료용액(1 mL)에 3 mL의 ABTS⁺ 용액과 혼합하여, 실온의 암소에서 30분 동안 반응시킨 후, 파장 734 nm에서 흡광도를 측정하였다. ABTS⁺ 라디칼 소거활성(%)은 아래의 식으로 계산하였으며, IC₅₀ value (mg/mL)는 50%의 ABTS⁺ 라디칼 소거활성을 나타내는 시료의 농도(mg/mL)로 정의하였다.

\(\begin{aligned}\mathrm{ABTS}^{+}\text {radical scavenging activity}(\%)=\\\frac{\left(\text { Control }_{734}-\text { Sample }_{734}\right)}{\text { Control }_{734}} \times 100\end{aligned}\)

이때의 대조구(control₇₃₄)는 시료용액 대신 탈 이온수에 대해 측정한 흡광도를 나타내었다.

Tyrosinase 저해활성

각 시료용액의 tyrosinase 저해활성은 Cha et al. (2020)의 방법에 따라 측정하였다. 300 μL의 시료용액은 900 μL의 mushroom tyrosinase (50 Unit/mL)와 1.5 mL의 50 mM phosphate buffer (pH 6.8)을 혼합하여 실온에서 30분 동안 전 단계 반응을 실시한 후, 300 μL of 10 mM 3,4-dihydroxy-L-phenylalanine (L-DOPA) 용액을 가하여, 파장 475 nm에서 20분 동안 1분 간격으로 생성되는 dopachrome의 흡광도를 모니터링 하면서 측정하였다. Tyrosinase 저해활성(%)은 아래의 식을 통하여 계산하였다.

\(\begin{aligned}\text {Tyrosinase inhibitory activity}(\%)=\\\frac{\left(\text { Control }_{475}-\text { Sample }_{475}\right)}{\text { Control }_{475}} \times 100\end{aligned}\)

여기서 대조구(control₄₇₅)는 시료 대신 탈 이온수를 가하여 측정한 흡광도를 의미하였다.

ACE 저해활성

Angiotensin I-converting enzyme (ACE) 저해활성은 Cha et al. (2020)의 방법에 따라 측정하였다. 100 μL의 시료용액, 50 μL의 ACE 용액 그리고 50 μL의 0.05 M sodium borate 완충액(pH 8.3)을 혼합한 반응용액은 실온에서 30분 동안 전 단계 반응을 실시하였다. 여기에 50 μL의 5 mM hippurly-his-leu (HHL) acetate salt를 함유한 0.05 M sodium borate 완충액(pH 8.3)을 가하여 37°C의 항온수조에서 60분 동안 반응을 진행하였다. 250 μL의 1 N HCl을 가해 반응정지 후 여기에 1.5 mL의 ethyl acetate를 가하여 hippuric acid의 추출, 원심분리(1890 g, 10분, 4°C)하여 파장 228 nm (UV-2900; Hitachi)에서 흡광도를 측정하였다. ACE 저해활성(%)은 아래의 식에 따라 구하였다.

\(\begin{aligned}\text {ACE inhibitory activity}(\%)=\\\left[1-\frac{\left(\text { Sample }_{228}-\text { Sample Blank }_{228}\right)}{\left(\text { Control }_{228}-\text { Control Blank }_{228}\right)}\right] \times 100\\\end{aligned}\)

이때의 sample blank는 시료에 1 N HCl을 가하여 불활성화한 시료에 HHL을 첨가해 측정한 흡광도이며, control blank는 시료 대신 탈 이온수와 1 N HCl을 혼합한 다음, HHL을 가하여 측정한 흡광도를 나타내었다.

통계처리

모든 실험은 최소 3회 이상 반복 실시하였으며, 평균과 표준편차로 나타내었다. 데이터는 SPSS 12.0 K (SPSS Inc., Chicago, IL, USA) 통계프로그램을 이용하여 ANOVA test를 통해 분산 분석을 실시하고, Duncan의 다중위 검정법으로 최소유의차검정(P<0.05)을 실시하였다.

결과 및 고찰

완충능

OFR 농축물들(BDC 및 SDC)의 완충능에 대한 결과는 Fig. 1에 나타내었다. 먼저, pH-shift 처리 전 1% 분산액(controls)의 pH는 5.9–6.2 범위를 나타내었으며(데이터 미제시), 이들 초기 pH에서 완충능은 최소를 나타내었다(Fig. 1). Park et al. (2016)은 황다랑어알 농축물과 난백(egg white, EW)의 1% 분산액의 초기 pH는 각각 pH 5.9와 7.4라고 하였으며, 가다랑어 알 농축물(Yoon et al., 2018c)은 pH 5.8–6.0 범위라고 하였다. 어류 알농출물들의 1% 분산액들은 대체로 약산성(pH 6.0) 부근인 것으로 확인할 수 있었다.

Fig. 1. Buffer capacity of protein concentrates prepared from olive flounder Paralichthys olivaceus roe by cook-dried process according to pH-shift treatment. ¹Quoted from Park et al. (2016). ²Quoted from Yoon et al. (2020). FDC, Freeze-dried concentrate; BDC, Boil-dried concentrate; SDC, Steam-dried concentrate. Values represent the mean±SD (n=3). Data with different letters within the samples are significantly different at P<0.05 by Duncan's multiple range test.

BDC의 완충능은 1 단위의 pH를 변화시키는데 pH 2–6구간 (104.8 mM HCl/g protein)에서는 평균 22.6 mM HCl/g protein이 소요되었으며, pH 6–12구간(280.0 mM NaOH/g protein)에서는 평균 46.7 mM NaOH/g protein이 필요하였다. SDC의 완충능은 산성측 pH 2–6구간의 pH-shift 처리에서 총 137.8 mM HCl/g protein이 소요되어, 1 단위의 pH를 변화시키는데 평균 34.5 mM HCl/g protein이 필요하였다. pH 6–12 범위(334.2 mM NaOH/g protein)에서는 평균 55.7 mM NaOH/g protein이 소요되었다. 동결건조 농축물(freeze-dried concentrate, FDC)의 경우(Yoon et al., 2020), 산성측 pH 2–6구간의 pH-shift 처리에서 191.1 mM HCl/g protein이 소요되어, 1 단위의 pH를 변화시키는데 평균 47.8 mM HCl/g protein이 필요하였다. 이어서 pH 6–12구간(428.6 mM NaOH/g protein)에서는 평균 71.4 mM NaOH/g protein이 소요되었다.

한편 EW는 19.5 mM HCl/g protein (pH 2–6 shift 처리) 및 14.5 mM NaOH/g protein (pH 6–12 shift 처리)이 1 단위의 pH를 변화시키는데 소요되었다(Yoon et al., 2020). 가열-건조처리 황다랑어알 농축물들(25.2 mM HCl/g and 49.5 mM NaOH/g, Park et al., 2016)과 가다랑어알 농축물들(26.1–29.9mM HCl/g and 35.6–42.6 mM NaOH/g, Yoon et al., 2018c)의 완충능은 이 연구의 BDC 및 SDC에 비해 다소 낮은 경향을 나타내었다. 아울러 Yoon et al. (2020)은 명태, 넙치 및 가다랑어알의 진공동결건조 농축물들이 황다랑어 및 EW (Park et al., 2016)에 비해 완충능이 우수하고 보고한 바 있으며, 이들 어류알이 난백에 비해 상대적으로 우수한 완충능을 나타내는 것으로 확인되었다.

또한 FDC이 가열-건조 농축물들(BDC 및 SDC)에 비하여 유의적으로 완충능이 우수하였으며(P<0.05), 이는 진공 동결건조처리로 인해, 완충능에 영향을 주는 가용성의 단백질성분이나 지방성분이 가공공정 중에 소실되거나 변성되지 않고 그대로 유지되었기 때문이라 판단되었다. 가열-건조 농축물 중에서는 SDC가 BDC에 비하여 우수한 완충능을 나타내었다(P<0.05). BDC 및 SDC의 완충능이 FDC에 비해 낮은 이유는 완충능에 영향을 미치는 식품성분이 가열처리 공정에서 발생되는 가공처리수로 유리된 것을 의미하며, 증자처리 보다 열탕처리에 의한 유용성분의 유실이 크다고 하였다(Yoon et al., 2017). 또한 Chalamaiah et al. (2013a)에 의하면, mrigal 알 탈수 농축분말은 탈지한 농축분말에 비하여 완충능이 우수하며, 이는 농축분말 중의 지질성분이 산과 알칼리 요구량을 높여 완충능에 영향을 미친 결과라고 보고하였다. 따라서 이 연구의 OFR이 다른 어류 알에 비하여 상대적으로 완충능이 우수한 것으로 확인됨으로써, 이는 식품성분 중에 지방함량이 다른 어류알에 비해 상대적으로 높은 것이원인(Kim et al., 2020)으로, 지방성분이 pH를 변화시키는 산이나 알칼리의 요구량이 많은데 기인하는 것으로 판단되었다(Lee et al., 2016a).

OFR 농축물들은 모두 알칼리성 측에 대한 완충능이 산성측에 비하여 우수한 것으로 나타났으며, mrigal (Chalamaiah et al., 2013a), Cyprinus carpio와 Epinephelus tauvina (Galla, 2013), 황다랑어 알(Park et al., 2016) 및 가다랑어 알(Yoon et al., 2018c) 농축분말 그리고 gum karaya seed 분말(Galla and Dubasi, 2010)의 알칼리성 측의 완충능이 산성 측에 비해서 유의적으로 높다고 하여, 이 연구의 결과와 일치하였다.

가열-건조처리 어류 알 농축물들의 완충능력은 외부 환경의 pH 변화에 대해 상대적으로 그 영향을 덜 받을 것으로 예상되었으며, 식품가공소재로서의 이러한 완충능력은 농축단백질, 분리단백질 및 가수분해물의 제조에 있어, 스케일 업(scale-up)공정의 절차 설계에 기여할 것이다(Galla et al., 2012; Park et al., 2016; Yoon et al., 2018c). 따라서, 완충능력이 우수한 어류 알농축물들은 다양한 가공처리 환경에 적용 가능한 식품소재로서 이용을 고려할 수 있을 것이라고 판단되었다.

보수력

가열-건조처리 OFR 농축물들의 WHC에 대한 결과는 Fig. 2에 나타내었다. WHC는 수화(hydration)와 관련한 단백질 기능성으로서 단백질과 함께 물 또는 기름(oil)간의 상호작용으로 식품의 향 및 조직감에 영향을 미친다(Mohamed et al., 2012). pH-shift 처리하지 않은 대조군(controls)으로서, BDC 및 SDC의 WHC는 각각 7.6 그리고 7.4 g/g protein이었으나, FDC (8.5g/g protein)에 비해 낮은 수준이었으나 유의적인 차이가 인정되지 않았다(P>0.05). 양성 대조구(positive control)로서 시판 제품인 EW는 0.3 g/g protein으로서, 이 연구의 OFR 농축물들에 비해 현저히 낮은 WHC를 나타내었다(Yoon et al., 2020). 또한 진공 동결건조 처리한 명태 알 및 가다랑어 알 농축물(Yoon et al., 2020) 그리고 황다랑어 알(Park et al., 2016)의 WHC는 각각 3.5, 4.2 그리고 4.4 g/g을 나타내어, OFR 농축물들이 월등히 높은 수준이었다.

Fig. 2. Water holding capacity (WHC) of protein concentrates prepared from olive flounder Paralichthys olivaceus roe by cookdried process according to pH-shift treatment. ¹Quoted from Yoon et al. (2020). ²Quoted from Park et al. (2016). FDC, Freeze-dried concentrate; BDC, Boil-dried concentrate; SDC, Steam-dried concentrate. Values represent the mean±SD (n=3). Data with different letters within the samples are significantly different at P<0.05 by Duncan's multiple range test.

Yoon et al. (2018c)은 가열-건조 가다랑어 알 농축물들의 WHC는 3.7–3.9 g/g protein, 그리고 Park et al. (2016)의 가열-건조 황다랑어 알 농축물들은 4.1–4.7 g/g protein의 WHC를 나타낸다고 하였다. Rohu알 Labeo rohita (Balaswamy et al., 2007) 및 mrigal 알(1.79 g/g, Chalamaiah et al., 2013a)의 단백질 농축물에 비해, 이 연구의 가열-건조 OFR 농축물들이 현저히 높은 수준이었다. 또한 Galla et al. (2012a, 2012b)과 Chalamaiah et al. (2013a)은 어류 알 단백질 농축물이 기름보다 많은 수분을 흡수하며, 이것은 단백질 농축물의 극성기(COO^- 및 NH3⁺)의 존재로 인해 보다 쉽게 물 분자와 결합하는 특성에 기인한다고 보고한 바 있다.

한편, OFR 농축물들(BDC와 SDC)의 pH-shift 처리에 따른 WHC의 변화는 먼저 BDC의 경우, control (7.6 g/g protein)에 비해 개선된 pH 범위는 pH 2 (9.4 g/g protein)와 pH 7–12구간 (8.6–24.2 g/g protein)이었으나, pH 4–6 shift 처리 구간에서는 이보다 낮은 5.9–6.1 g/g protein의 WHC를 나타내었다. SDC는 pH 4–7구간에서 control보다 낮은 6.0–6.5 g/g protein이었으나, pH 2 (10.8 g/g protein), 그리고 pH 8–12구간(7.9–19.8g/g protein)에서는 pH-shift 처리에 따른 WHC가 개선된 것으로 확인되었다.

FDC의 경우(Yoon et al., 2020), pH 2에서 8.9 g/g protein을 나타내었고, pH 10–12 범위에서 8.9–9.1 g/g protein의 WHC를 보여 control (8.5 g/g)에 비해 WHC이 개선되었으나, pH 4–8 (5.2–7.5 g/g protein)에서 오히려 감소하였다. 따라서 FDC는 pH 2 및 pH 10–12구간에서, BDC는 pH 2 및 pH 7–12구간에서, 그리고 SDC는 pH 2 및 pH 8–12구간에서 각각의 control에 비해 WHC 개선이 확인되어 다소 차이가 있었다. 그러나 공통적으로 pH 4–6구간에서 가장 낮은 WHC를 보였다.

이 연구결과를 통해 OFR 농축물들의 pH-shift 처리에 따른 WHC 차이는 선행 연구(Lee et al., 2016b; Yoon et al., 2018c; Yoon et al., 2020)에서 완충능, WHC 및 단백질 용해도에 직접적인 영향을 미치는 아미노산의 조성과 함량, 그리고 SDS-PAGE에 따른 단백질의 분자량 분포에 있어 차이를 반영한 결과라고 추정되었다.

pH-shift 처리 시료에 따른 WHC와 관련한 연구보고에서, 진공 동결건조 어류 알 농축물(Park et al., 2016; Yoon et al., 2020)은 pH 6을 제외한 전 구간에서 WHC (6.1–15.9 g/g protein)가 개선된 것으로 확인되었으나, EW는 pH 2와 12에서 WHC (1.4 및 1.0 g/g protein) 개선이 확인되었을 뿐이었으며, 가열-건조 농축물에 비해 현저히 낮은 WHC를 나타낸다고 하였다. 또한 가열-건조 황다랑어 알 농축물(Park et al., 2016) 및 가다랑어 알 농축물(Yoon et al., 2018c)의 경우도 pH 4–8구간 (4–6 g/g protein)에서는 control과 유사하여 개선 효과가 거의 없다고 하였으나, pH 2 (7–8 g/g protein) 및 pH 10–12 (17–18 g/g protein)에서는 WHC이 유의적으로 증가하여, 알칼리성 측이 산성 측에 비해 WHC 개선이 우수하다고 하였다. 이러한 pH-shift 처리에 따른 WHC의 증가 또는 개선은 정전기적 반발력(electrostatic repulsion)의 증가로 인해 WHC가 최소가 되는 pH 4–8 범위를 제외한 pH에서 관찰되었다(Azadian et al., 2012).

이 연구결과와 보고에 따르면, OFR 농축물들의 pH-shift 처리에 따른 WHC는 가열-건조에 의한 농축물(BDC 및 SDC)이 진공 FDC에 비하여 pH 변화에 따른 WHC가 우수한 것으로 나타나, 가열에 의한 단백질 변성이 동결에 의한 것보다 단백질 구조의 변화에 보다 크게 영향을 미치는데 기인하는 것으로 판단되었다. 여기에 pH-shift 처리로 인하여 단백질 입체 구조 변화가 보다 쉽게 일어남으로써 표면에 노출되는 친수성 아미노산이 주변 물에 쉽게 접근하여 WHC가 증가하는 것으로 보인다 (Balaswamy et al., 2007; Mohamed et al., 2012; Chalamaiah et al., 2013b; Park et al., 2016; Yoon et al., 2018c).

한편, 어류 알의 등전점 부근인 pH 4–6 범위에서, WHC는 최소를 나타내었는데 이는 pH 4–6에서, 농축물들의 단백질응집 (protein aggregation) 또는 침전(precipitation)으로 인해 WHC가 현저히 감소하는 결과를 초래하였다. Azadian et al. (2012)은 silver carp 단백질 분리물의 최소 WHC는 등전점 부근인 어류 육(pH 6.3)의 pH에서 관찰되었다고 보고한 바 있다. 이러한 WHC의 감소는 단백질과 물(protein-water)간의 상호작용에 있어, 단백질 및 아미노산의 극성기(polar groups)의 존재가 중요한 역할을 하기 때문에, 특히 등전점부근에서는 단백질 응집이나 침전으로 극성기의 노출이나 존재가 감소되어 나타난 결과로 판단되었다(Tan et al., 2014).

단백질 용해도

용해도는 유동학적(rheological), 유체 역학적(hydrodynamic) 및 표면 활성(surface activity)에 영향을 미치는 중요한 기능적 특성이기 때문에, 다양한 단백질 기반 소재나 식품가공 및 제조에 있어서 용해도는 중요한 요소이다(Yuan et al., 2012). 따라서 단백질 용해도는 거품성(foaming property), 유화 형성능(emulsifying property) 및 겔 형성능(gelling property) 등과 같은 단백질 기능성에 영향을 미치는 주요인자(parameters)이다(Kinsella, 1976; Mohan et al., 2006; Azadian et al., 2012). OFR 농축물의 단백질 용해도(protein solubility)에 대한 결과는 Fig. 3에 나타내었다. pH-shift 처리하지 않은 대조군(controls)에 대한 BDC (13.4%)와 SDC (12.7%)의 단백질 용해도는 FDC (50.0%)에 비해 유의적으로 낮았으며(P<0.05), 양성 대조구인 EW는 80.3%의 용해도를 나타내어 시판제품이 가장 우수하였다. 명태 및 가다랑어 알 진공 동결건조 농축물(Yoon et al., 2020)의 단백질용해도는 각각 42.5% 및 14.2%라고 하였으며, 어종간의 단백질 용해도에 있어 유의적인 차이를 보인다고 하였다. 그러나 가열-건조 황다랑어 알(Park et al., 2016) 및 가다랑어 알(Yoon et al., 2018c) 농축물은 4.0–6.0%의 용해도를 나타내어 가열처리로 인한 단백질변성으로 용해도가 감소하였다.

Fig. 3. Protein solubility of protein concentrates prepared from olive flounder Paralichthys olivaceus roe by cook-dried process according to pH-shift treatment. ¹Quoted from Yoon et al. (2020). ²Quoted from Park et al. (2016). FDC, Freeze-dried concentrate; BDC, Boil-dried concentrate; SDC, Steam-dried concentrate. Values represent the mean±SD (n=3). Data with different letters within the samples are significantly different at P<0.05 by Duncan's multiple range test.

이 연구결과에서 가열-건조처리 농축물들(BDC 및 SDC)이 진공 FDC의 비해 단백질 용해도는 낮은 수준이었으며, 이들 어류 알 농축물들은 시판 EW에 비하여는 현저히 낮은 수준의 용해도를 나타내었다.

한편, pH-shift 처리에 따른 OFR 농축물들의 용해도는 FDC가 pH 4–6구간에서 28.7–49.8%, BDC와 SDC는 pH 4–8구간에서 각각 9.6–12.3% 및 10.2–14.0% 범위로 각각의 대조구보다 낮은 단백질 용해도를 나타내었으나, 이 구간들을 제외한 pH-shift 처리에 있어서는 대조구에 비해 용해도가 개선되었다. 특히 pH 2에서 FDC가 77.2%, BDC는 16.4% 그리고 SDC는 13.1%의 용해도를 나타내었고, FDC는 pH 7–12구간 (66–111.3%)에서, BDC와 SDC는 pH 10–12구간에서 각각 30.4–62.4% 및 31.4–95.4%로 알칼리성 측에서의 용해도가 산성 측에 비하여 우수하였으나, pH-shift 처리에서도 BDC와 SDC가 FDC에 비해 유의적으로 낮은 단백질 용해도를 나타내었다(P<0.05).

Yoon et al. (2020)은 어류 알 진공 동결건조 농축물은 pH 2 및 12의 pH-shift 처리에서 명태가 각각 54.8% 및 64.4% 그리고 가다랑어는 43.1% 및 57.5%로 알칼리성 측에서의 용해도가 산성측에 비해 우수하다고 하여, 이 연구결과와 같은 경향을 나타내었다. 또한 황다랑어(Park et al., 2016) 및 EW는 각각 pH 4–6 (14.5%)구간과 pH 6 (79.5%)에서 최소 용해도를 나타내었으나, EW의 경우는 대조군 자체의 용해도가 우수하여 pH-shift 처리에 따른 용해도 개선은 12%정도였다.

pH 2와 12에서, 가열-건조처리 어류 알 농축물의 용해도는 황다랑어(Park et al., 2016)가 각각 4–6% 및 8.6–9.5%, 그리고 가다랑어(Yoon et al., 2018c)는 5–7% 및 12.9–14.2%로 EW (86.2 및 92.6%)에 비해 현저히 낮았으며, 이 연구의 진공 FDC에 대한 연구결과에 비해서도 용해도가 낮은 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 가열-건조처리로 열 변성과 단백질 소수성 잔기의 노출로 인해 단백질 용해도가 감소한 것(Sikorski and Naczk, 1981)과 더불어 열탕 및 증가처리 공정에 발생되는 가공처리수로 용해도에 영향을 주는 수용성 또는 가용성 성분이 유리되었기 때문으로 판단되었다(Yoon et al., 2017).

따라서 pH-shift 처리에 따른 진공 FDC은 가열-건조처리 농축물(BDC 및 SDC)에 비하여 용해도가 월등히 우수하였으나, 공통적으로 산-알칼리에 대한 단백질의 가용성이 제한되는 등 전점 부근인 pH 4–6에서 가장 낮은 단백질 용해도를 나타내었다(Kinsella, 1976; Park et al., 2016; Yoon et al., 2018c).

이 연구결과와 보고에 따르면, pH 2 및 12와 같은 극단적인 pH-shift 처리는 단백질 주변의 물에 더 많은 하전을 띠게 하거나, 보다 많은 극성기를 노출시켜 단백질 용해도를 개선 또는 향상시킬 수 있음을 의미하였다(Kristinsson et al., 2005). 또한 단백질의 pH 의존적 용해도는 식품 시스템(food system)과 관련한 기능적 특성 및 응용에 있어서, 특히 pH 4 이하 또는 7 이상인 경우에 중요하며(Kinsella, 1976), 단백질-단백질 또는 단백질-용매 간의 상호 작용 및 단백질의 표면 친수성-소수성의 균형에 영향을 받는다고 하였다(Gbogouri et al., 2004; Mohan et al., 2006; Horax et al., 2011).

따라서, 수산물 기원 단백질의 높은 용해도는 거품 및 유화 특성과 같은 식품 기능특성에 영향을 미치기 때문에 식품가공소재로서의 응용에 있어 중요하다고 할 수 있다(Kristinsson and Rasco, 2000).

거품 형성능

가열-건조처리 OFR 농축물들의 거품 형성능에 대한 결과는 Table 1과 같다. 대조군(controls)의 FC는 BDC 107.7%) 그리고 SDC (110.6%)가 FDC (128.3%)에 비해 상대적으로 낮은 FC를 나타났으며, 유의적 차이가 인정되었다(P<0.05). 또한 BDC와 SDC의 FS는 거품형성 직후 곧바로 거품층이 사라져 FS는 인정되지 않았으나, FDC는 거품형성 후 60분까지 53.0%의 거품층이 유지되어, 상대적으로 안정하였다.

Table 1. Foaming capacity (FC) and foam stability (FS) of protein concentrates prepared from olive flounder Paralichthys olivaceus roe by cook-dried process according to pH-shift treatment

¹Quoted from Yoon et al. (2020). ²Quoted from Park et al. (2016). FDC, Freeze-dried concentrate; BDC, Boil-dried concentrate; SDC, Steam-dried concentrate. Values represent the mean±SD (n=3). Data with different small letters within the same row and capital letters within same column are significantly different at P<0.05 by Duncan's multiple range test. -, Not detected.

진공 동결건조 명태 및 가다랑어 알 농축물(Yoon et al., 2020)의 경우 각각 128.0% 및 143.3% 그리고 황다랑어 알 농축물 (Park et al., 2016) 및 EW (Yoon et al., 2020)의 경우, 각각 156.8% 및 126.6%의 FC를 나타내어, 가다랑어와 황다랑어는 시판 제품인 EW에 비해 우수한 FC를 보인 반면에 명태와 이 연구의 넙치 FDC는 EW와 유사한 FC를 보였다. 또한 이들 진공 동결건조 명태 및 가다랑어 알 농축물의 FS에 있어서도, 거품형성 후 60분까지 53.0–74.2%, 그리고 황다랑어와 EW의 경우, 각각 58.8% 및 84.9%의 거품층(60분까지)을 유지하였다(Park et al., 2016; Yoon et al., 2020).

pH-shift 처리에 따른 BDC의 FC는 pH 2–8구간에서 104.0–116.7%로 대조구와 유사하였으나, pH 10–12구간에서 173.8% 및 161.5%로써 pH-shift 처리에 따른 FC이 향상되었으며, SDC의 경우도, pH 2–10구간에서 104.0–111.9%로 대조구와 유사하였으나, pH 12에서는 141.5%로 FC 개선효과가 확인되었다. 또한 FDC는 pH 2–8구간에서 120.6–130.9%범위를 나타냄으로써 대조구와 거의 유사하여 유의적인 차이가 없었으나, pH 10–12구간에서 192.0–199.0% 범위를 나타내어, FC가 개선되었다. 한편 pH-shift 처리에 따른 BDC와 SDC의 FS는 pH 2–7구간에서 거품층이 형성되지 않았으며, pH 8–10구간에서만 각각의 FC에 따라 거품형성 후 60분까지 44.1–70.0%의 거품층이 유지됨으로서 FS가 일부 인정되었다. 그리고 전반적으로 BDC가 SDC에 비해 FC 및 FS에 있어 상대적으로 우수한 편이었으나 유의적인 차이는 없었다. FDC의 경우, pH 4에서 FC가 나타나지 않았으나, 이를 제외한 pH-shift 처리에서 거품형성 직후 60분까지 48.9–68.6%의 거품층이 유지되었다.

Yoon et al. (2020)은 진공 동결건조 어류 알 농축물은 pH 10–12구간에서 명태가 133.6–144.0% 그리고 가다랑어는 141.8–150.8%라고 하였으며, 황다랑어(Park et al., 2016)는 161.2–162.8%로, 이 연구의 OFR 농축물이 알칼리성 측 pH-shift 처리에서 FC이 상대적으로 우수한 것으로 확인되었다. 한편, 가열-건조처리 황다랑어 알 농축분말의 경우, pH 2–12구간에서 107.7–115.9% 내외의 FC를 보일 뿐이었으며, 거품 형성 직후, 곧바로 거품층이 사라짐으로써 안정성 또한 인정되지 않아, 이는 가열처리에 따른 단백질응고로 인해 단백질용해도가 감소함으로써 나타난 결과라고 보고하였다(Park et al., 2016). 또한 가다랑어 알 가열-건조처리 농축분말(Yoon et al., 2018c)은 107.7-115.9%의 FC를 나타내었으며 이때의 FS은 관찰되지 않았다고 하였다.

이상의 pH-shift 처리에 따른 결과를 통해서 진공 FDC가 가열-건조처리(BDC 및 SDC)에 비하여 FC 및 FS가 우수하였으며, FDC와 BDC는 pH 4에서 그리고 SDC는 pH 6에서 각각 최소의 FC를 나타내었다. 이는 등전점 부근인 pH 4와 6에서의 완충능(Fig. 1), WHC (Fig. 2) 그리고 단백질 용해도(Fig. 3)의 결과와 일치하였다. 따라서 완충능, WHC 및 용해도가 FC과 밀접한 관련이 있음을 시사하고 있다.

식품 기능성에서 FC 및 FS는 식품의 신선감(refreshment), 부드러운 촉감(softening) 그리고 방향성분의 분산과 같은 독특한 특성을 부여한다. 또한 거품이 형성되는 동안, 새로 생성된 공기-액상 계면(interface)에 신속히 흡착되는 단백질들은 계면에서 단백질의 되풀림(unfolding) 및 단백질분자의 재배치 (rearrangement)를 거치게 되어, 단백질이 유연해짐으로서 거품 형성능이 향상된다(Halling and Walstra, 1981; Damodaran, 1997; Klompong et al., 2007). Mutilangi et al. (1996)은 단백질의 FC는 단백질 내의 소수성 잔기노출 증가나 표면장력(surface tension)의 감소를 통하여, 보다 유연성(flexibility)을 증가시킴으로써 개선된다고 하였다. 따라서 진공 FDC의 FC 및 FS가 가열-건조처리 농축물(BDC 및 SDC)에 비해서 우수한 것은 가열처리로 인한 단백질의 변성으로 응집이나 응고가 일어나 거품형성에 영향을 주는 용해도가 감소함으로서 나타난 결과라고 판단되었다.

유화 형성능

EAI는 water-oil의 계면(interface)에서 단백질이 oil을 흡착하여 유화층(emulsion)을 형성하는 능력을 말하고, 유화 안정성은 형성된 유화층이 일정시간 동안 이를 유지시키는 능력으로 정의되며, 수중유적형(oil in water)의 EAI와 ESI는 스프(soup), 소스(sauce), 제과제빵 그리고 유제품과 같은 다양한 식품에 유화제로서 작용하는 능력을 평가하기 위해 측정하게 된다(Can Karaca et al., 2011).

OFR로부터 가열-건조처리를 통해 제조한 어류 알 농축물의 EAI (m²/g protein) 및 ESI (min)은 Table 2에 나타내었다. pH-shift 처리하지 않은 대조군(controls)의 경우, BDC (7.7 m²/g protein) 및 SDC (9.7 m²/g protein)는 FDC의 EAI (20.2 m²/g protein)에 비하여 현저히 낮은 수준으로 EAI가 상대적으로 약하였으며, 양성대조군인 EW (14.7 m²/g protein)보다도 유의적으로 낮았다(P<0.05). BDC 및 SDC 대조구의 ESI는 각각 27.4분 및 34.9분으로 ESI는 SDC가 BDC보다 유의적으로 우수하였으나(P<0.05), 이들의 EAI 자체가 상당히 낮아 식품기능성으로서 의미 있는 결과는 아니라고 판단되었다.

Table 2. Emulsifying activity index (EAI) and emulsion stability index (ESI) of protein concentrates prepared from olive flounder Paralichthys olivaceus roe by cook-dried process according to pH-shift treatment

¹Quoted from Yoon et al., 2020. ²Quoted from Park et al., 2016. Values represent the mean ± SD (n=3). Data with different small letters within the same row and capital letters within same column are significantly different at P<0.05 by Duncan's multiple range test. FDC¹ , freeze-dried concentrate; BDC, boil-dried concentrate; SDC, steam-dried concentrate

Park et al. (2016)과 Yoon et al. (2018c)은 황다랑어 및 가다랑어 알 가열-건조처리 농축분말의 EAI가 각각 2.3–2.5 및 3.1–3.7 m²/g protein 범위로, SDC가 BDC에 비해 상대적으로 우수한 EAI를 나타낸다고 하여, 이 연구의 OFR 농축물에 대한 연구결과와 일치하는 경향이었으나, 이 연구의 OFR의 가열-건조처리 농축물들은 다랑어류의 농축물에 비해 우수한 EAI를 나타내어, EAI를 활용한 식품소재로서의 이용가능성이 있을 것으로 판단되었다.

한편, pH-shift 처리(pH 2–12)에 따른 BDC 및 SDC의 EAI은 먼저 pH 2에서, SDC (16.5 m²/g protein)와 BDC (8.5 m²/g protein)는 각각의 대조군에 비해서 유의적인 개선효과가 있었으나(P<0.05), FDC (21.8 m²/g protein)는 대조군(controls)과 유의적인 차이가 없었다.

pH 10–12구간에서는 FDC (59.2–62.7 m²/g)와 SDC (54.8–55.6 m²/g protein)간에는 유의적인 차이가 없었으나, BDC (26.2–40.5 m²/g protein)와는 유의적인 차이를 나타내었다. 한편 FDC (11.5 m²/g protein)와 SDC (3.0 m²/g protein)는 pH 4에서, 그리고 BDC (0.5–7.8 m²/g protein)는 pH 4-8구간에서 각각 대조구보다 낮은 유화성을 나타내었으나, 그 외의 구간에서는 pH-shift 처리에 따른 EAI의 개선효과가 인정되었다. 알칼리성 측(pH 10–12구간)에서의 EAI가 산성 측(pH 2)에서 보다 유의적으로 높은 EAI를 나타내었고, pH 4에서 공통적으로 최소의 EAI을 보였다. 아울러 가열-건조처리 SDC가 BDC에 비하여 pH-shift 전 구간에서 유의적으로 우수한 EAI를 나타내었다.

pH-shift 처리에 따른 EAI의 변화에 대해서, 진공 동결건조 명태와 가다랑어 알 농축물은 각각 pH 2–8구간과 pH 4–8에 대조구와 유의적인 차이가 없으며, 알칼리성측이 산성측에서보다 우수한 EAI를 보인다고 하였다(Yoon et al., 2020). 황다랑어(Park et al., 2016)와 가다랑어 알(Yoon et al., 2018c) 가열-건조처리 농축분말의 경우도 알칼리 pH-shift 처리(15.4–21.9m²/g)에서의 EAI가 산성(5.2–5.9 m²/g)에서 보다 높은 EAI를 나타낸다고 하여, 이 연구결과와 유사하였다. 따라서 비 변성 단백질농축인 FDC와 EW는 가열변성 단백질 농축물인 BDC와 SDC에 비하여 EAI가 우수하였다.

이 연구결과와 보고를 통해 pH-shift 처리에 따른 EAI는 알칼리성(pH 10–12)측이 산성(pH 2)측에서 보다 우수하였으며, 가공처리 방법 및 어종 간의 차이는 있지만 대체로 pH 4–7사이의 EAI가 상대적으로 pH-shift 처리하지 않은 대조군보다 낮은 것으로 나타났다. 이는 어류 알의 등전점 부근(pH 4–6)에서 완충능, WHC, 단백질 용해도가 최소가 되어, 단백질의 응집이나 침전으로 인해 거품 및 유화 형성능에 영향을 미친 결과라고 판단되었다. 아울러 단백질의 용해도가 최대가 되는 극단적인 pH (pH 2와 12) 조건에서는 가열-건조처리 농축물 조차도 우수한 EAI를 나타냄으로써 EAI는 단백질 용해도와 밀접한 관련이 있음을 확인할 수 있었다(Mutilangi et al., 1996).

분자량이 상대적으로 큰 펩티드가 차지하는 비율이 높거나 소수성 펩티드의 함량이 많을수록 유화층의 안정성에 기여하게 되며, 균질화 과정에서 새로 형성된 oil 방울의 표면에 단백질과 펩티드가 흡착됨으로서, oil 방울끼리의 결합을 방지하는 보호막들이 만들어져 유화층이 형성된다고 하였다(Dickinson and Lorient, 1994; Mutilangi et al., 1996; Yoon et al., 2018c). 또한, 저분자량의 펩티드는 양친매성(amphipathic)이 아니더라도 좋은 유화 특성을 나타낼 수 있다(Chobert et al., 1988). 따라서 양친매성의 단백질 및 아미노산의 하전(charge)과 관련된 친수성(hydrophilic) 및 소수성(hydrophobic) 잔기의 작용으로 수중 유적형(oil in water)의 emulsion이 생성되는 것으로 판단되었다.

한편, pH-shift 처리에 따른 ESI (min)에 있어서, 20 m²/g protein 이상의 EAI를 나타내는 pH 구간과 안정성은 FDC는 pH 4를 제외한 전 구간에서, 12.4–47분이었으며, EAI가 가장 높은 pH 10 (62.7 m²/g)에서 가장 오랜 시간 동안 유화층이 유지되었다. BDC의 경우는 pH 10–12구간에서 15.9–22.7분이었으며, SDC는 pH 8–12구간에서 58.1–86.9분으로, SDC가 FDC와 BDC에 비하여 ESI가 가장 우수하였다. Yoon et al. (2020)은 진공 동결건조 명태 및 가다랑어 알 농축물의 ESI는 각각 11.6 및 17.3분이며, pH-shift 처리에 따른 안정성이 있어서도 각각 14.8–33.2분 및 17.1–27.1분 이라고 하여, 이 연구의 넙치가 명태와 가다랑어보다 상대적으로 ESI가 우수한 것으로 확인되었다.

pH-shift 처리에 따른 ESI에 관한 보고에서, Park et al. (2016)은 15 m²/g protein 이상의 EAI를 보이는 황다랑어 알 가열-건조 농축분말의 유화 안정성은 18.2–20.3분, 그리고 가다랑어 알가열-건조 농축분말(Yoon et al., 2018c)의 경우는 18.1–20.1분 이라고 보고하였다. 따라서 이상의 결과와 보고에 비추어 공통적으로 알칼리성 측 pH-shift 처리에 의해 EAI 및 ESI가 개선되었으며, 진공 동결건조 농축분말이 가열건조처리 농축분말에 비해 상대적으로 EAI 및 ESI가 우수하였다.

어류 알로부터 제조한 가열-건조처리 농축물(BDC 및 SDC)은 진공 FDC에 비해 상대적으로 낮은 식품 기능성을 나타내었으나, 단백질강화 및 식품기능성 개선소재 또는 대체소재로서의 이용이 가능할 것이라고 판단되었다.

또 다른 한편으로, 이 연구결과와 연구보고를 통해서 진공 동결건조 농축물에 비해 낮은 식품기능성을 보인 가열-건조처리 농축물(BDC 및 SDC)은 pH-shift 처리를 통해서 식품기능성을 개선할 수 있음이 확인되었으나, 산/알칼리처리 등에 따른 식품안전 관련 문제가 발생될 수 있어, 효소를 활용한 가수분해물의 제조 등의 방법으로 단백질의 용해도 개선뿐만 아니라, 식품기능성 향상과 항산화성 및 항고혈압 등과 같은 생리활성의 부여를 동시에 달성할 수 있는 방법의 개발이 필요할 것으로 판단되었다.

항산화, Tyrosinase 저해 및 항고혈압 활성

이상의 연구결과를 통해서 SDC는 완충능, WHC, 단백질 용해도 및 유화형성능이 BDC에 비해 유사하거나 우수한 것으로 나타남으로써, 4% SDC (w/v) 분산액에 대하여 항산화성 및 항고혈압 활성과 같은 생리활성에 대해 검토하고자 하였다. Table 3은 SDC의 ABTS+ 라디칼 소거활성(IC₅₀, μg/mL), tyrosinase 저해활성(%), 그리고 ACE 저해활성(%)에 대해 나타낸 결과이다. ABTS⁺ 라디칼 소거활성의 측정은 친유성(oleophilic) 및 친수성(hydrophilic) 화합물 모두에 적용할 수 있어, 항산화 활성 분석에 널리 활용된다(You et al., 2010). 4% SDC 분산액(2.5 mg protein/mL)의 ABTS+ 라디칼 소거활성 (IC₅₀, μg protein/mL)은 60.4 μg/mL이었으며, 진공 동결건조 어류 알 농축물들(130–180 μg/mL; Yoon et al., 2020), 황다랑어(82 μg/mL; Yoon et al., 2018d) 및 가다랑어 알 분리단백질(103 μg/mL; Cha et al., 2020), 새우가공부산물의 효소 가수분해물 (160–170 μg/mL; Kim et al., 2016)에 비해 우수하였으나, 어류 알로부터 단백질 분리물 회수에 사용된 가공처리수(33–97 μg/ml, Lee et al., 2017), 물 추출물(28–45 μg/mL) 및 자숙수 (55–110 μg/ml, Yoon et al., 2017)에 비하여는 유사하거나 다소 낮은 소거활성을 나타내었다. 항산화 활성에 있어서, 아미노산 및 peptide의 조성, peptide의 길이, 서열 및 소수성 등과 밀접한 관련이 있으며, 이러한 차이가 라디칼 소거활성에 영향을 준다고 하였다(Wu et al., 2003).

Table 3. in vitro bioactivities of steam-dried concentrate (SDC) prepared from olive flounder Paralichthys olivaceus roe

¹Protein concentration of the supernatant of 4% SDC dispersion (w/v) after centrifugation. IC₅₀, the half maximal inhibitory concentration. ABTS⁺ , 2,2'-azino-bis-3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid radical scavenging activity; ACE, Angiotensin-I-converting enzyme. Values represent the mean±SD (n=3).

최근 tyrosinase inhibitor는 과다한 색소침착의 예방 또는 미백효과와 관련하여 의약 및 화장품 산업에서 그 관심이 증가하고 있다(Schurink et al., 2007; Choi et al., 2011). SDC의 tyrosinase 저해활성은 없는 것으로 확인되었으며, Yoon et al. (2017)은 어류 알 물 추출물의 tyrosinase 저해활성은 14.6–20.8%이며, 이의 가열처리 자숙수(0.4–2.5%)에는 저해활성이 거의 없다고 하여, tyrosinase 저해성분은 열에 불안정하다고 보고하였다. Lee et al. (2017)은 어류 알 분리단백질 가공 중에 발생하는 가공처리수에는 14.6–20.8%의 tyrosinase 저해활성을 나타내어 미백효과가 일부 인정된다고 하였다. 그러나 Choi et al. (2011)은 참치 자숙수의 tyrosinase 저해활성은 31%이며, 감마선 노출정도에 따라 활성은 증가한다고 보고하였으며, Choi et al. (2017)은 아임계수 가수분해에 의한 멸치 가수분해물이 14.7%의 저해활성을 나타내었다고 하였다. 이 실험결과와 보고를 통해 tyrosinase 저해활성은 단백질이나 아미노산을 포함하는 단백질성 물질에서도 발견되었으나, 그 저해활성은 강하지 않음을 의미하였다.

혈압을 조절하는 핵심 효소인 ACE의 저해는 고혈압 치료에 가장 효과적인 치료법으로 인정받고 있다. 4% SDC 분산액(2.5mg protein/mL)의 ACE 저해활성은 80.9%로서, 황다랑어 알(Yoon et al., 2018d) 및 가다랑어 알(Cha et al., 2020) 분리단백질의 저해활성이 각각 35.7% 및 44.0%라고 하여, 이들 분리단백질의 농도를 고려하더라도, SDC가 우수한 저해활성을 나타내었다. Skate 껍질 젤라틴(Ngo et al., 2014), yellow sole frame (Jung et al., 2006), 가다랑어 알(Intarasirisawat et al., 2013) 그리고 태평양 대구 껍질(Himaya et al., 2012)은 35–86%의 ACE 저해활성을 나타내어, 이 연구결과 유사하거나 다소 우수하였다. 한편 50% 저해활성을 나타내는 농도(IC₅₀, mg/mL)로 나타낸 ACE 저해활성은 어류 알 진공 동결건조 농축물(Yoon et al., 2020)이 0.92–1.89 mg/mL 범위, 어류 알 가열-건조처리 가공 처리수(Yoon et al., 2017) 그리고 분리단백질 회수를 위해 사용한 산/알칼리 가공처리수(Lee et al., 2017)는 1.2–2.0 mg/mL 범위라고 하여, 이 연구결과와 유사한 수준의 활성을 나타내었다. 이상의 연구결과와 보고에서 SDC는 항산화 및 항고혈압 활성이 인정되어, 단백질 및 식품기능성 강화를 위한 수산가공 및 식품가공 소재로 활용이 가능할 것으로 판단되었다.