Tempo를 이용하여 산화시킨 옥수수 전분과 셀룰로오스의 반응성 및 이화학적 특성

Abstract

본 연구는 옥수수 전분과 셀룰로오스의 1차 alcohol기를 특이적으로 산화시키는 데 있어서 효율적인 산화 반응조건을 모색하고, 1차 alcohol기를 모두 산화시킨 전분과 셀룰로오스를 식품 소재로 이용할 수 있는 가능성을 조사하기 위하여 수행되었다. 이를 위하여 특이적인 산화에 사용되는 2,2,6,6, tetramethyl-1-piperidine oxoammonium ion (TEMPO)과 sodium bromide (NaBr)의 농도 및 온도 변화에 따른 전분과 셀룰로오스의 산화 반응양상을 조사하고, 그 결과를 토대로 산화 전분과 셀룰로오스의 제조 조건을 결정하였다. 결정된 조건에서 제조한 산화 전분과 셀룰로오스의 이화학적 특성을 평가하였고, 전분 gel이나 케이크에 첨가하였을 때의 특성 변화를 조사하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 옥수수 전분의 산화 반응시간은 TEMPO, NaBr 및 온도 수준이 높을수록 감소하였고, 수율은 NaBr의 수준이 증가할수록 감소하였다. 선택성은 온도와 NaBr의 수준이 증가함에 따라 감소하였으며, TEMPO의 농도가 증가함에 따라 증가하다가 일정 수준 이상의 농도부터는 다시 감소하였다. 반응시간, 수율 및 선택성을 고려하여 결정된 산화 전분의 제조 조건은, TEMPO의 농도는 0.6 mM/100 mM AGU (anhydroglucose unit), NaBr의 농도는 45 mM/100 mM AGU 그리고 온도는 7℃이었다. 산화 전분은 산화시키지 않은 옥수수 전분에 비해 물과 지방 결합능력, 유화 안정능력 및 점도가 현저히 높았다. 또한 산화 전분을 함유한 옥수수 전분 분산액은 초기 점성 증가온도가 낮고 최고 점도는 높으며, 냉각시 setback이 낮아졌다. 또한 산화 전분을 함유한 옥수수 전분은 호화 개시 온도에서는 변화가 없었고, 호화 피크 온도와 종결 온도는 약간 증가하였으며, 호화 엔탈피 값은 감소하였다. 저장하면서 노화 특성을 조사한 결과, 호화 개시 온도와 종결 온도 및 노화 엔탈피 값이 모두 감소하였다. 산화 전분을 함유한 옥수수 전분 gel은 저장시 경도와 검성의 증가가 적게 나타났다. 따라서 산화 전분은 옥수수 전분 gel의 노화를 억제시키는 효과가 있음을 알 수 있었다. 셀룰로오스의 산화 반응양상을 살펴본 결과, 반응시간은 TEMPO, NaBr 및 온도 수준이 높을수록 감소하였으며, 수율은 온도가 증가할수록 감소하였고, NaBr의 수준이 증가할수록 증가였다. 선택성은 온도가 증가함에 따라 증가하였고, TEMPO와 NaBr의 수준이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 이에 따라 반응시간, 수율 및 선택성을 고려하여, 산화 셀룰로오스의 제조 조건은 TEMPO의 농도는 0.3 mM/100 mM AGU, NaBr의 농도는 50 mM/100 mM AGU, 그리고 온도는 25℃로 결정하였다. 결정된 조건에서 제조한 산화 셀룰로오스는 셀룰로오스보다 물과 지방 결합능력 및 점도가 증가하였다. 또한 산화 셀룰로오스가 첨가된 밀 전분 분산액은 산화 전분을 첨가한 경우와 pasting 양상이 비슷하였다. 산화 셀룰로오스가 첨가된 밀 전분은 호화 피크와 종결 온도 및 호화 엔탈피 값이 모두 증가하였고, 노화 엔탈피 값도 증가하였다. 따라서 산화 셀룰로오스는 노화 억제 효과가 없음을 알 수 있었다. 밀가루 함량의 10%를 산화 셀룰로오스로 대체한 케이크는 노란색이 더 짙어졌으며, 전체적인 부피는 증가하는 것으로 나타났다. 또한 관능 검사에서 단단한 정도가 더 낮고 촉촉한 정도가 크게 나타나, 케이크의 텍스처 특성을 향상시키는 것으로 나타났다. 본 실험 결과 TEMPO를 사용하여 옥수수 전분과 셀룰로오스 내의 1차 alcohol기만을 선택적으로 산화시킬 수 있는 효율적인 제조 조건을 결정할 수 있었다. 이 실험에서 결정된 산화 전분과 셀룰로오스의 제조 조건은 전분과 셀룰로오스 내의 1차 alcohol기를 일부만 산화시킬 경우에도 적용되므로, 1차 alcohol기의 산화 정도가 다양한 전분과 셀룰로오스를 제조하고, 더 나아가 식품에의 이용 가능성을 확대시킬 수 있으리라 사료된다. ; This study was conducted to examine the characteristics of oxidation reaction on primary alcohol groups in corn starch and cellulose, and to determine the efficient conditions for production of oxidized starch and cellulose. Applicability of the oxidized starch and cellulose in the food system was also investigated. The effects of 2,2,6,6-tetramethyl-1 -piperidinyl oxoammonium ion (TEMPO), sodium bromide (NaBr), and temperature on reaction time, yield, and selectivity of the oxidation process were examined by response surface methodology. Physicochemical properties of oxidized starch and cellulose were examined, and textural characteristics of gel and cake containing oxidized starch or cellulose were evaluated. The results were as follows. As the levels of TEMPO, NaBr, and temperature increased, reaction time and selectivity decreased. Yield decreased with the increased NaBr level, and selectivity decreased with the increased level of temperature and NaBr. Selectivity increased with the higher level of TEMPO until certain level, then decreased. Levels of TEMPO, NaBr, and temperature for production of oxidized starch were determined as 0.6 mM/ 100 mM AGU (anhydroglucose unit), 45 mM/ 100 mM AGU and 7℃, respectively. Water and oil binding capacity, emulsion stability, and viscosity increased significantly by the oxidation of starch. Corn starch containing oxidized starch resulted in decreased initial pasting temperature, setback, and gelatinization and retrogradation enthalpy (ΔH). Corn starch gel containing oxidized starch showed the positive effects on textural characteristics during storage. Higher levels of TEMPO, NaBr, and temperature reduced oxidation reaction time of cellulose. With the increased temperature, yield decreased while selectivity increased. Selectivity decreased with increased levels of TEMPO and NaBr. Considering these results, the levels of TEMPO, NaBr, and temperature for production of oxidized cellulose were determined as 0.3 mM/ 100 mM AGU, 50 mM/ 100 mM AGU and 25℃, respectively. Oxidation of cellulose increased water and oil binding capacity and viscosity. Addition of cellulose to wheat starch decreased setback, but increased the gelatinization and retrogradation ΔH. Addition of oxidized cellulose to yellow layer cake improved the textural characteristics. It was concluded that oxidized corn starch and cellulose could be successively used in the food products such as starch gel and cake, respectively.