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논문 기본 정보

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학위논문
저자정보

이상훈 (충북대학교, 충북대학교 대학원)

지도교수
정헌상
발행연도
2014
저작권
충북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수18

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

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(1→3),(1→4)-β-D-glucan은 보리, 귀리, 호밀 및 쌀 등의 곡류 세포벽 다당류로서 존재하며, 수용성 β-glucan은 다양한 생리활성이 알려지면서 대표적인 수용성 식이섬유의 하나로 주목받고 있지만 그 함량이 총 β-glucan의 약 40% 정도에 불과하며, 분자량이 크고 점도가 높아 산업적 이용에 제한이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 물리적, 화학적 및 생물학적 처리를 통하여 β-glucan의 저분자화 연구가 진행되었다. 그러나 대부분의 연구는 추출된 고순도 β-glucan의 저분자화 및 그 특성에 주목하고 있으며, 원료 보리에 적용된 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 원료보리를 다양한 방법으로 추출한 후 분리된 β-glucan의 이화학적 특성을 구명하고, 수용성 저분자화 β-glucan의 생리적 기능과 유화안정성 평가 및 수용성 β-glucan의 추출조건을 최적화하고자 하였다.
원료 보리를 열처리, 산/알칼리 가수분해 및 과산화수소 처리한 후 추출된 β-glucan의 함량, 순도 및 물리적 특성을 평가하였다. 메성 및 찰성보리 β-glucan의 함량은 각각 3.80%와 3.32%이었으며, 수용성 β-glucan은 약 40%이었으나, 추출조건의 강도가 증가함에 따라 함량은 감소하고 순도는 증가하였다. β-(1→4)/(1→3)결합비는 열처리를 제외한 모든 처리구에서 감소하는 경향을 보였다. 추출조건의 강도가 증가함에 따라 분자량과 점도는 감소하였으며, 열처리와 산처리의 분자량 감소가 크게 나타났다. 이로 인하여 재용해율은 증가하였으며, ''분자량-점도''와 ''농도-점도'' 간에 높은 상관관계를 보였다.
원료 보리를 다양한 방법으로 추출하여 얻은 수용성 저분자화 β-glucan의 식이섬유로서의 기능성을 확인하고자 in vitro 결합력을 평가하였다. 물 결합력의 경우 찰성보리 β-glucan (6.74 g/g)이 메성보리(6.14 g/g) 보다 높게 나타났으며, 추출조건의 강도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 지방 결합력의 경우에도 찰성보리(12.48 g/g)가 메성보리(8.29 g/g)보다 높게 나타났으며, 추출조건의 강도 증가와 함께 전반적으로 감소하는 경향을 보였으나 2 × 105정도의 분자량을 갖는 처리구에서 무처리와 유사하거나 증가하였다. 담즙산 결합력의 경우 메성 및 찰성보리 β-glucan이 각각 22.42%와 26.71%로 나타났으며, 저분자화됨에 따라 크게 감소하는 경향을 보였으나 1 × 105정도의 분자량 범위에서 높게 나타났다.
수용성 저분자화 β-glucan의 활용도를 높이고자 n-octenyl succinic anhydride(OSA)로 수식된 변성 β-glucan의 치환특성과 유화안정성을 평가하였다. 치환도는 0.0113에서 0.0234로 증가하였으며, 이는 식품첨가물 기준규격에 적합한 수준이었다. 치환도 증가에 따라 반응수율도 48.24~59.38%에서 90%로 크게 증가하였으며, 분자량과 점도 역시 수식 전의 β-glucan에 비하여 크게 증가하였다. 이들의 상관관계 분석 결과 분자량이 작을수록 화학적 수식이 높게 나타났으며(-0.957**), 치환도와 반응수율도 높은 양의 상관관계(0.987**)를 보였다. 변성 β-glucan을 이용하여 제조한 유화액의 유화안정성으로 10일간 저장하면서 지방구 크기(d32)와 크리밍 안정성 변화를 살펴보았다. 분자량이 작고 OSA치환도가 높을수록 지방구 크기는 감소하였으며, 저장기간동안 크리밍 안정성도 높게 나타났다.
보리로부터 수용성 β-glucan의 추출조건을 최적화하기 위하여 과산화수소 농도(X1: 0.2~0.8%), 열처리 온도(X2: 90~150°C) 및 시간(X3: 5~35 min)을 변수로 중심합성계획에 따라 얻은 실험값을 반응표면분석을 실시하였다. 과산화수소에 의하여 유도되는 Fenton 산화반응에 중요한 역할을 하는 불포화지방산과 철 함량은 메성보리가 높았다. 또한, Fenton 산화반응에서 산화제일철(0.1 mM)는 촉매제, 피틴산(0.1 mM)과 카탈라아제(1 kU/mL)는 억제제의 역할을 하며, 이들의 최적 처리조건을 설정하였다. 분산분석(ANOVA) 결과 수용성 β-glucan의 함량에 미치는 영향은 과산화수소 농도가 가장 컸으며, 열처리 온도는 영향을 주지 못하였다. 또한, 수용성 β-glucan 함량의 이차다항식 분석 결과 결정계수와 적합결여도는 각각 0.827과 0.151로 모델이 적합함을 알수 있었다. 반응표면분석을 통하여 얻은 최적 추출조건에서의 예측값과 실험값에는 유의적인 차이가 없었다(p>0.05). 메성 및 찰성보리로부터 수용성 β-glucan 추출 최적조건은 각각 0.514%/115°C/24 min과 0.444%/105°C/21 min으로 나타났다.
본 연구결과 보리의 열처리, 산/알칼리 가수분해 및 과산화수소 처리는 β-glucan의 순도를 증가시키고, 분자량, 점도의 감소와 용해도의 증가에 따라 β-glucan의 물성을 개선하였다. 특정 처리조건에서 지방과 담즙산 결합력이 증가되었으며, 분자량 감소와 치환도 증가에 따라 유화안정성이 향상되었다. 따라서 수용성 저분자화 β-glucan과 변성 β-glucan의 식품, 의약품 및 화장품 산업에서 이용성을 증가시킬 수 있을 것으로 판단되며, 또한 과산화수소와 열처리를 이용한 추출조건의 최적화를 통하여 β-glucan의 추출공정을 개선하였다.

목차

CHAPTER I. Literature Review 1
1. Introduction 2
2. β-Glucan 3
3. Physiological effects of cereal β-glucans 6
4. Physicochemical characteristics of cereal β-glucans 10
4.1. β-Glucan content 10
4.2. β-Glucan structure 12
4.3. β-Glucan molecular weight 12
4.4. Rheology of β-glucan solutions 13
5. Extraction procedures of cereal β-glucans 15
5.1. Inactivation of endogenous enzymes 15
5.2. Extraction of soluble β-glucan 16
5.3. Extraction of insoluble β-glucan 19
5.4. Precipitation of the β-glucan 20
6. Depolymerization and modification of of cereal β-glucans 21
6.1. Depolymerization 21
6.2. Modification 24
7. Objectives of the study 27
8. References 28
CHAPTER II. Physicochemical characteristics of barley β-glucan with different extraction methods . 48
Abstract 49
I. Introduction 51
II. Materials and methods 55
1. Materials 55
2. Pre-treatment methods 55
3. Extraction of total and soluble β-glucan 57
4. Measurement of β-glucan purity 59
5. Physicochemical characteristics of soluble β-glucan 61
6. Statistical analysis 64
III. Results and discussion 65
1. The content of crude total, soluble and insoluble β-glucan 65
2. The purity of crude total and soluble β-glucan 73
3. The ratio of β-(14)/(13) linkages of soluble β-glucan 81
4. The average molecular weight of soluble β-glucan 86
5. The viscosity of soluble β-glucan 95
6. The resoulbility of soluble β-glucan 103
7. Correlation between extraction methods and physicochemical characteristics 107
IV. References 115
CHAPTER III. In vitro binding capacities of soluble barley β-glucans with different extraction methods. 123
Abstract 124
I. Introduction 126
II. Materials and methods 128
1. Materials 128
2. Pre-treatment methods 128
3. Extraction and purification of soluble barley β-glucan 130
4. In vitro dinging capacity of soluble β-glucan 132
5. Statistical analysis 133
III. Results and discussion 134
1. Water binding capacity of soluble β-glucan 134
2. Fat binding capacity of soluble β-glucan 143
3. Bile acid binding capacity of soluble β-glucan 152
IV. Refernces 162
CHAPTER IV. Physicochemical characteristics and emulsion stabilities of modified barley β-glucan by n-octenyl succinic anhydride. 166
Abstract 167
I. Introduction 169
II. Materials and methods 172
1. Materials 172
2. Pre-treatment methods 172
3. Extraction and purification of barley β-glucan 174
4. Preparation of OSA-modified β-glucan 176
5. Physicochemical properties of OSA-modified β-glucan 178
6. Preparation and stability of OSA-modified β-glucan emulsions 180
7. Statistical analysis 182
III. Results and discussion 183
1. Degree of substitution and reaction efficiency of OSA-modified β-glucans 183
2. Molecular weight and viscosity of OSA-modified β-glucans 185
3. Droplet size and creaming stability of OSA-modified β-glucan emulsions 188
IV. References 203
CHAPTER V. Optimization of extraction conditions of soluble barley β-glucan by oxidative and heat treatmnet. 208
Abstract 209
I. Introduction 211
II. Materials and methods 214
1. Materials 214
2. Measurement of chemical compositions of the whole grain barleys 214
3. Determination of catalysts and inhibitors for Fenton reaction 216
4. Experimental design 217
5. Oxidative and heat treatmnet 218
6. Extraction of total and soluble β-glucan from barley solutions 218
7. Measurement of β-glucan purity 219
8. Statistical analysis 220
III. Results and discussion 222
1. Chemical compositions of whole grain barleys 222
2. Potential catalysts and inhibitors for oxidative degradation of β-glucans 224
3. Optimization of extraction conditions for soluble β-glucan 227
3.1. Experimental values 227
3.2. Model fitting 230
3.3. Interpretation of response surface models 235
3.4. Verification of predictive models 242
IV. References 245
CHAPTER VI. Conclusions 256
SUMMARY IN KOREAN 260

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