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https://www.krm.or.kr/krmts/link.html?dbGubun=SD&m201_id=10007050&local_id=10017219
Physicochemical and Physiological Characteristics of Enzymatically Modified-Rice Starch
Reports NRF is supported by Research Projects( Physicochemical and Physiological Characteristics of Enzymatically Modified-Rice Starch | 2004 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 이광연(한양대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
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  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number C00050
Year(selected) 2004 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2008년 10월 28일
Year type 결과보고
Year(final report) 2008년
Research Summary
  • Korean
  • 본 연구는 기능성 탄수화믈 소재로서의 용도 개발과 식품에의 응용 및 생리활성 증진을 목적으로 한국인의 식생활 패턴에서 섭취 비중이 가장 높은 쌀 전분을 이용하여 효소처리 정도에 따른 지소화성 전분과 난소화성 전분의 형성 조건을 조사하여 최적화함과 동시에 지소화성과 난소화성 전분의 구조-식품-생리학적 연관성을 확립하기 위하여 수행되었다. 1) 효소(pullulanase) 처리 정도를 달리한 쌀 전분을 제조한 후 이화학적 특성 및 소화율 변화를 측정하였으며, 2) 반응표면분석법(RSM)을 이용하여 지소화성 전분과 난소화성 전분의 최적 형성조건을 확립하였고, 이화학적, 형태학적 특성 및 소화율 변화를 생전분과 비교, 분석하였다. 또한, 3) 지소화성 전분과 난소화성 전분의 생체 내에서의 생리활성의 변화를 알아보기 위하여 동물 실험을 이용하여 체중, 체지방 형성 및 지질 대사에 미치는 영향을 조사하였다.
    1. 쌀 전분에 효소(pullulanase)를 전분 건량의 0.5-20.0% (w/v) 첨가한 후 8, 12, 24시간 동안 가수분해 하여 효소 처리 정도를 달리한 쌀 전분을 제조한 후 이화학적 특성 및 소화율을 측정하였으며, 결과는 다음과 같다. 총당을 이용하여 가수분해 정도를 측정한 결과 효소첨가량에 따라 증가하였으며 중합도와 아밀로오스 함량은 효소첨가량에 따라 감소하였다. Starch fraction (RDS, SDS, and RS)함량은 효소첨가량에 따라 RDS와 SDS는 감소하였으며, RS는 유의적으로 증가하였다. In vitro 전분 분해율, 팽윤력, 흡수율, 용해도, 이수율 및 호화 패턴 모두 효소첨가량이 증가할수록 모든 가수분해 시간에서 감소하였으며, 노화도는 증가하였다. X-ray 측정 결과 결정 구조의 변화를 관찰할 수 있었다.
    2. 지소화성 전분과 난소화성 전분의 최적 형성 조건을 알아보기 위하여 50-950 μL의 효소(pullulanase) 농도(X1), 5-85°C(X2)의 저장온도 및 1-5회의 autoclaving cycle(X3)을 독립변수로 하고 지소화성 전분(Y1)과 난소화성 전분(Y2) 수율을 반응변수로 하여 반응표면분석을 수행하였으며, 소화율 정량은 GOPOD 법을 이용하였다. 지소화성 전분(Y1)의 최적 제조 조건은 효소 농도가 482 μL, 저장 온도가 36°C, 3회의 가열-냉각일 때 32.28%의 생성율이 예측되었으며 실측값은 29.17%로 나타났다. 난소화성 전분(Y2)은 효소 농도가 610 μL, 저장 온도가 63°C, 3회의 가열-냉각일 때 35.00%의 생성율이 예측되었으며 실측값은 33.24%로 나타났다. 최적 생성 조건에서 지소화 및 난소화성 전분을 제조한 후 이화학적 특성을 생전분과 비교, 분석하였다. 아밀로오스 함량은 지소화, 난소화 전분 모두 생전분에 비해 유의적으로 높게 나타났으며, 평균 입자크기는 지소화 및 난소화전분 모두 생전분 보다 크게 증가하였다. 팽윤력은 생전분이 13.22, 지소화 및 난소화 전분이 각각 9.79와 7.51로 나타났다. 용해도는 1.05%의 생전분에 비해 지소화 및 난소화 전분이 유의적으로 증가하였으며, 흡수율은 생전분은 4.02, 지소화와 난소화 전분이 각각 3.94, 2.41로 나타났다. 흡유율은 지소화 및 난소화 전분 모두 생전분보다 유의적으로 감소하였다. 이수율과 탁도를 측정한 결과 지소화 및 난소화 전분 모두 유의적으로 증가하였다. 소화효소에 의한 가수분해율은 지소화 및 난소화 전분 모두 생전분보다 크게 증가하였지만 대조구보다는 소화율이 감소하였다. RVA 분석 결과 pasting curve는 발견되지 않았다. SEM을 이용하여 표면을 측정한 결과 전분 입자의 붕괴 및 다공성 망상구조를 보였다.
    3. 지소화성 전분과 난소화성 전분의 최적 형성 조건을 알아보기 위하여 50-950 μL의 효소(pullulanase) 농도(X1), 5-85°C(X2)의 저장온도 및 1-5회의 autoclaving cycle(X3)을 독립변수로 하고 지소화성 전분(Y1)과 난소화성 전분(Y2) 수율을 반응변수로 하여 반응표면분석을 수행하였으며, 소화율 정량은 DNS 법을 이용하였다. 지소화성 전분(Y1)의 최적 제조 조건은 효소 농도가 498 μL, 저장 온도가 47°C, 5회의 가열-냉각일 때. 난소화성 전분(Y2)은 효소 농도가 838 μL, 저장 온도가 62°C, 3회의 가열-냉각횟수로 나타났다. 최적화에서 제조된 지소화성 전분과 난소화성 전분의 체중감소 및 지질저하 효과를 조사하였다. 체중은 고지방식이군에 비해 쌀전분, 지소화 및 난소화 전분군에서 감소하는 경향이었으며, 신장지방 무게는 세 군 모두 고지방식이군에 비해 유의적으로 감소하였다. 혈장 지방, 중성지질, 총 콜레스테롤 및 LDL-콜레스테롤은 쌀 전분과 난소화전분 첨가군에서 유의적으로 감소하였으며, 간 지질은 지소화 전분에서, 간의 콜레스테롤은 난소화 전분에서 유의적으로 감소하였다. 분변의 지질농도, 중성지방 및 콜레스테롤 농도는 지소화 전분에서, 담즙산 배설은 난소화 전분에서 유의적으로 증가하였다.
  • English
  • The objectives of this study were 1) to investigate the effect of enzymatic treatment (pullulanase concentration and hydrolysis time) on physicochemical properties of modified rice starch, 2) to evaluate the effects of enzymatic modification on the rate and extent of starch digestion, 3) to determine and compare the ratio of the major starch fractions [rapidly digestible starch (RDS), slowly digestible starch (SDS), and resistant starch (RS)] using different analytical in vitro methods (GOPOD vs. DNS method), and 4) to investigate the optimal conditions for producing SDS and RS and compare physicochemical properties and physiological functions of optimized SDS and RS. Rice starch was treated with different concentrations of enzyme and hydrolysis times. As hydrolysis time and enzyme concentration increased, the fraction of RDS decreased (78.31→44.65%), whereas SDS (0.8→22.18%) and RS (20.79→34.43%) increased. As enzyme concentration increased, in vitro starch digestibility (ISVD) decreased in all hydrolysis time. Swelling factor (SF), water absorption index (WAI), and water solubility index (WSI) significantly decreased, while syneresis and turbidity increased as the concentration of enzyme increased in all hydrolysis time. Pasting properties of enzyme-treated rice starch decreased with increasing amount of pullulanase, regardless of hydrolysis time. The X-ray diffraction of enzyme-treated rice starch showed A-type and a weak V-type pattern. Optimum conditions for production of SDS and RS were determined by response surface methodology (RSM) and determination of starch fraction (RDS, SDS, and RS) was evaluated using GOPOD and DNS method. Also, physicochemical properties and response in mice of optimized SDS and RS were investigated in comparison with native rice starch. Using GOPOD method, the optimum conditions for SDS fraction were obtained at the [pullulanse concetration, X1] of 482 μL, [storage temperature, X2] of 36°C, and [A-C cycle, X3] of 3, and for RS fraction, were determined to be 610 μL (X1), 63°C (X2), and cycle of 3 (X3). Amylose content of SDS and RS significantly increased in comparison to native rice starch (p<0.05). For SDS and RS fractions, WAI was increased, SF, WAI, and oil binding were decreased compared to native rice starch. During the freeze-thaw cycles, the native rice starch gel showed significantly lower syneresis than did SDS and RS gels. The turbidity values of SDS and RS fraction were higher than native rice starch. The extent of hydrolysis with α-amylse followed the order: cooked (67.84%) > SDS (53.21%) > RS (44.80%) > Native rice starch (12.94%). Pasting curves of SDS and RS were flat and paste viscosity showed a drastic reduction. The granule morphology of SDS and RS showed disrupted granular form, and bigger, irregularly shaped particles as compared to native rice starch. Using DNS method, the optimum conditions for SDS fraction were obtained at the [pullulanse concentration, X1] of 498 μL, [storage temperature, X2] of 47°C, and [A-C cycle, X3] of 5, and for RS fraction, were determined to be 838 μL (X1), 62°C (X2), and cycle of 3 (X3). The body weight gain did not differ among the groups. In rice treatment groups (Rice-Native, Rice-SDS, and Rice-RS) perirenal fat weight significantly decreased compared to the high-fat control group(p<0.05). Rice-RS and Rice-Native groups significantly lower serum lipid and cholesterol concentrations(p<0.05). The serum triglyceride levels were significantly lower in mice fed Rice-SDS and Rice-RS group(p<0.05). The total liver cholesterol decreased significantly in rice treatment groups (Rice-Native, Rice-SDS, and Rice-RS)(p<0.05). The total liver cholesterol lowering effect was observed in Rice-RS group. The total lipid content and triglyceride in fecal significantly increased in Rice-SDS group(p<0.05). The total fecal cholesterol in mice fed both Rice-SDS and Rice-RS were significantly higher than in all other groups.
Research result report
  • Abstract
  • 전분은 인체 장내에 존재하는 전분 분해 효소에 의한 분해속도와 분해정도에 따라 영양적, 생리적인 특성이 달라진다. 이러한 영양적인 측면에서 전분을 3종류로 분류하면 빠르게 소화되는 전분(rapidly digestible starch: RDS), 지소화성 전분(slow digestible starch: SDS), 그리고 난소화성 전분(resistant starch: RS)로 나뉜다.지소화성 전분은 장내에서 서서히 가수 분해되면서 glucose가 유리, 흡수되므로 당뇨병 환자의 glucose 농도의 조절이 용이하고 고지혈증 환자나 건강인의 혈중 지질을 감소시키며, 운동 중 지구력을 증진시킬 수 있다는 여러 잠재적인 이점이 알려져 있어 최근에 RS 뿐만 아니라 SDS의 함량을 증가시킬 수 있는 방법을 마련하는 것이 중요하다. 그러나 지소화성 전분은 여러 가지 잠재적인 생리활성을 가지고 있지만 식품소재로서 이용하는 데에 대한 연구는 보고된 바 없으며, 산업적 활용을 위한 소재도 아직 개발되어 있지 않다.
    따라서, 본 연구에서는 기능성 탄수화물 소재로서의 용도 개발과 제품화 및 응용을 목적으로 한국인의 식생활 패턴에서 섭취 비중이 가장 높은 쌀 전분을 이용하여 1) 효소 및 물리적 처리에 따른 지소화 전분 및 난소화 전분의 생성조건을 반응표면분석법(RSM)을 이용하여 최적화하였으며, 2) 최적 조건에서 지소화 전분 및 난소화성 전분을 제조하여 이화학적 특성(아밀로오스 함량, 팽윤력, 수분흡수력 및 용해도, 냉-해동 안정성, Glucose bound 함량 및 호화패턴), in vitro 전분 분해율 및 형태학적 특성(SEM)을 비교, 관찰하였으며 그 결과는 다음과 같다.

    1. 지소화 및 난소화 전분의 생성 조건을 최적화하기 위하여 효소 첨가량(X1: 50~950 μL), 저장 온도(X2: 5~85ºC), 가열-냉각 횟수(X3: 1~5회)를 독립 변수로 하여 반응표면분석(RSM)을 실시하였으며, 지소화 및 난소화 전분의 최적 조건은 다음과 같다.
    지소화 전분 (SDS): 효소첨가량은 482μL, 저장온도는 56.40ºC, 가열-냉각 횟수가 3회로서 이러한 조건에서 지소화 전분 생성양은 32.28%로 예측할 수 있었으며 실제로 수행한 결과 32.68%의 실측값을 얻을 수 있었다.
    난소화 전분 (RS): 효소첨가량은 610.25 μL, 저장온도는 62.60 ºC, 가열-냉각 횟수가 3회로서 이러한 조건에서 지소화 전분 생성양은 35.00%로 예측할 수 있었으며 실제로 수행한 결과 33.24%의 실측값을 얻을 수 있었다.

    2. 최적 조건에서 제조된 지소화 (SDS) 및 난소화 (RS) 전분의 이화학적 특성, in vitro 전분 분해율 및 형택적 특성을 관찰한 결과는 다음과 같다.
    - 아밀로오스 함량 : RS (30.13%) > SDS (24.97%) > Native (21.26%)
    - 팽윤력 : Native (13.22) > SDS (9.79) > RS (7.51)
    - 수분흡수력 (WAI): Native (4.02) > SDS (3.94) > RS (2.41)
    - 수분용해도: SDS (17.70%) > SDS (13.10%) > Native (1.05%)
    - 냉-해동 안정성: Native (51.32%) > SDS (26.97%) > RS (23.46%)
    - In vitro 전분 분해율: Cooked > SDS > RS > Native (17%, 20%, 26% and 32%, respectively)
    - 신속점도계(RVA)를 이용하여 호화 패턴을 측정한 결과 지소화 및 난소화 전분에 비하여 점도가 급격히 감소하였다.
    - 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 형태학적 특징을 관찰한 결과 지소화 전분의 경우 생전분에 비하여 높은 결정성을 띠는 부분은 수평으로 층을 져서 패킹되어 있는 것을 알 수 있었다.
  • Research result and Utilization method
  • 1. 연구결과
    쌀 전분을 이용하여 효소 및 물리적 처리에 따른 지소화성 전분과 난소화성 전분의 형성 조건을 조사하여 지소화 전분 및 난소화 전분을 반응표면분석법(RSM)을 이용하여 최적화하였으며, 최적 조건에서 지소화 전분 및 난소화성 전분을 제조하여 이화학적 특성(아밀로오스 함량, 팽윤력, 수분흡수력 및 용해도, 냉-해동 안정성, Glucose bound 함량 및 호화패턴), in vitro 전분 분해율 및 형태학적 특성(SEM)을 관찰하였으며 그 결과는 다음과 같다.
    1) 지소화 및 난소화 전분의 생성 조건을 최적화하기 위하여 효소 첨가량(X1: 50~950 μL), 저장 온도(X2: 5~85ºC), 가열-냉각 횟수(X3: 1~5회)를 독립 변수로 하여 반응표면분석(RSM)을 실시하였으며, 지소화 및 난소화 전분의 최적 조건은 다음과 같다.
    지소화 전분 (SDS): 효소첨가량은 482μL, 저장온도는 56.40ºC, 가열-냉각 횟수가 3회로서 이러한 조건에서 지소화 전분 생성양은 32.28%로 예측할 수 있었으며 실제로 수행한 결과 32.68%의 실측값을 얻을 수 있었다.
    난소화 전분 (RS): 효소첨가량은 610.25 μL, 저장온도는 62.60 ºC, 가열-냉각 횟수가 3회로서 이러한 조건에서 지소화 전분 생성양은 35.00%로 예측할 수 있었으며 실제로 수행한 결과 33.24%의 실측값을 얻을 수 있었다.

    2) 최적 조건에서 제조된 지소화 (SDS) 및 난소화 (RS) 전분의 이화학적 특성, in vitro 전분 분해율 및 형택적 특성을 관찰한 결과는 다음과 같다.
    - 아밀로오스 함량 : RS (30.13%) > SDS (24.97%) > Native (21.26%)
    - 팽윤력 : Native (13.22) > SDS (9.79) > RS (7.51)
    - 수분흡수력 (WAI): Native (4.02) > SDS (3.94) > RS (2.41)
    - 수분용해도: SDS (17.70%) > SDS (13.10%) > Native (1.05%)
    - 냉-해동 안정성: Native (51.32%) > SDS (26.97%) > RS (23.46%)
    - In vitro 전분 분해율: Cooked > SDS > RS > Native (17%, 20%, 26% and 32%, respectively)
    - 신속점도계(RVA)를 이용하여 호화 패턴을 측정한 결과 지소화 및 난소화 전분에 비하여 점도가 급격히 감소하였다.
    - 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 형태학적 특징을 관찰한 결과 지소화 전분의 경우 생전분에 비하여 높은 결정성을 띠는 부분은 수평으로 층을 져서 패킹되어 있는 것을 알 수 있었다.

    2. 활용방안
    - 지소화성/난소화성 생성 체계 구축
    - 반응표면분석을 통한 지소화성 생산 최적화 구축
    - 효소적 변형 전분의 기능성과 이용성 확대
    - 체내 모델시스템구축을 통한 소화율 측정법 확립
    - 기능성, 영양성 및 경제성이 높은 소재의 생산 및 가공식품에의 응용
    - 전분구조에 따른 식품학적 특성 규명 및 교육용 자료로 활용.
    - 지소화성 생산 공정 최적화 및 구조/식품학적 특성 연관성 기초자료 제공.
  • Index terms
  • 다당체, 탄수화물 소재, 분지사슬 구조, 지소화성 전분, 난소화성 전분, 디블랜칭 효소, 분지 분해 효소, 변형 전분, 기능성 식품소재, 팽윤력, 반응표면분석법, 체내모델시스템구축, 효소저항성
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