WPI를 이용한 기능성 스폰지 케이크의 제조 및 품질 특성에 관한 연구

Abstract

식생활 패턴의 서구화에 따른 빵과 케이크류의 소비는 상당한 규모로 증가하고 있으며 또한 최근 식품의 소비 추세도 기능성 식품이나 저열량 제품에 대한 선호도로 급속히 바뀌고 있는 실정이다. 즉 각종 정보의 영향으로 기존의 재료보다는 기능성 부재료를 첨가하여 만든 건강지향적인 식품류를 선호하고 있어 제과제빵 분야에서도 특수 제과제빵류의 판매를 배가시키는 요인이 되고 있기 때문에 영양적으로 우수한 빵류 및 케이크류를 개발하는 것은 매우 중요하다. 우유의 유청단백질(whey protein)은 유청에서 추출한 단백질로서 필수 아미노산과 높은 생물가 및 영양생리적 활성을 가지면서 식품학적 기능도 가지고 있어서 낙농식품은 물론 제빵, 제과, 후식류, 시럽류, 육제품, 발효제품, 기능성식품, 영양강화 등으로 다양하게 이용되고 있다. 즉 단백질 보충제로서 뿐만 아니라 뛰어난 기포형성능과 유화력, 용해성과 gel형성능, 수분흡착력(보수성), 점도생성력, 점도유지력으로 인하여 제과제빵에 있어서 중요한 기능성 원료가 되는데 이러한 특성은 달걀의 기능과 유사하여 이용가치가 높지만 현재 우리나라에서는 이것을 이용한 식품개발에 관한 연구가 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 Whey Protein Isolate(WPI)의 기능성을 측정한 다음 달걀단백질의 기포 팽창이 이용되는 스폰지 케이크를 제조하여 WPI의 달걀 대체 적정율을 측정하고자 하였다. 즉 WPI의 달걀 대체율을 10, 20, 30, 40, 50%로 하여 스폰지 케이크를 제조한 후 케이크의 물성, 색도 측정, 외형, 주사전자 현미경을 이용한 미세구조 관찰, 아미노산 함량 측정 및 관능검사를 수행하였다. WPI의 기능성과 스폰지 케이크 제조시 WPI의 대체 가능성 여부 및 대체율에 대하여 실험한 결과는 다음과 같았다. 1. WPI의 이화학적 특성 1) WPI의 pH는 6.26, 적정산도는 0.18%이었으며 수분, 지방, 단백질, 회분, lactose의 함량은 각각 5.2, 0.6, 90.7, 2.7, 0.8%, 활성 SH 그룹 함량은 9μmol/g , 세균수는 5.9×103cfu/g이었다. 2) WPI의 총 아미노산 함량은 90.7%였고 그 중에서 필수 아미노산 함량이 44.03%를 차지하였다. 필수 아미노산 중에서는 leucine, lysine, isoleucine, valine 등의 BCAA(Branched chain amino acid) 함량이 높았다. 3) 전기영동에 의한 WPI의 단백질 양상은 α-lactalbumin, β-lacto-globulin, BSA(bovine serum albumin)의 band가 뚜렷하였으며 β-lactoglobulin이 WPI의 50%를 차지하고 있는 것으로 나타났다. 2. WPI의 기능성 1) pH에 따른 WPI와 sodium caseinate의 단백질 용해도는 각각 82~88%, 5~79%의 범위로 나타나 WPI의 용해성이 더 우수함을 보였다. 용해도의 변화 범위로 볼 때 sodium caseinate의 용해성은 pH에 의해 영향을 받지만 WPI의 용해성은 pH에 의해 영향을 받지 않았다. 2) WPI의 유화력은 302.73㎖/g으로 난황의 187.07㎖/g보다 높았으며 유화안정성도 WPI가 65~97%로 난황의 60~89%보다 좀 더 높은 것으로 나타났다. 3) WPI와 난백의 기포형성력은 각각 323.33%, 186.67%로 WPI가 약 2배 정도의 높은 기포형성력을 나타냈고 기포안정성은 WPI가 85.91~97.73%, 난백이 84.88~95.35%로 거의 유사하였다. 3. WPI의 유지에 대한 항산화능력 옥배유에 WPI와 기존 항산화제를 각각 0.02, 0.1%를 첨가하여 60±2℃에서 저장하면서 항산화 효과를 측정한 결과 BHT와 AsA보다는 낮았지만 항산화효과가 있는 것을 확인할 수 있었다. 유도기간으로 관찰해 보면 control은 10.9일인데 비해 WPI 0.02, 0.1% 첨가기질은 각각 17.6일, 18.1일로 나타나 control보다 유도 기간이 지연됨을 보여 항산화성이 유효하였다. 따라서 항산화효과의 상대적인 크기를 보여주는 RAE(relative antioxidant effectiveness)도 control을 100으로 정했을 때 WPI 0.02%와 0.1% 첨가기질이 161과 166을 나타내어 control보다는 약 1.6배 정도 높은 효과를 보였다. 위의 결과에서 나타난 항산화효과의 크기는 BHT 0.02%>AsA 0.1%> WPI 0.1%> WPI 0.02%>AsA 0.02%> Control>Toc 0.02%>Toc 0.1%의 순이었다. 4. WPI의 스폰지 케이크 품질에 미치는 효과 1) WPI를 대체한 스폰지 케이크 반죽의 비중은 WPI를 대체하지 않은 control에 비해 유의적으로 감소하여 반죽의 안정성이 증가되었다. 그 중에서 WPI 10% 대체 스폰지 케이크 반죽 의 비중이 가장 낮아 안정된 반죽을 형성함으로써 완성된 케이크의 품질이 가장 좋은 것으로 평가되었다. 2) 스폰지 케이크 반죽의 점도와 meringue의 이액량은 상반된 결과를 보였다. 달걀을 대신한 WPI의 대체비율이 증가할수록 반죽의 점도는 유의적으로 증가하였고 meringue의 이액량은 감소함을 보여 스폰지 케이크 반죽의 안정성이 증가되었다. 3) 스폰지 케이크 제조 시 달걀을 WPI로 대체한 것이 control에 비해 굽기 손실율은 감소되었고 비용적은 더 높았다. 4) WPI를 대체하여 제조한 스폰지 케이크의 수분함량은 대체비율이 10%인 것이 수분함량이나 수분 보유력이 가장 좋았으며, 20%인 것은 control과 유사하였다. 한편 저장 기간 중 WPI 대체비율이 30% 이상인 스폰지 케이크에서는 수분함량과 수분 보유력이 감소하였다. 5) 스폰지 케이크의 부피는 WPI 대체 스폰지 케이크가 control보다 2배 정도로 증가하였으나 WPI 대체율에 따른 부피 차이는 거의 없었다. 결과적으로 WPI 10, 20% 대체 스폰지 케이크의 부피가 가장 좋았다. 6) 주사전자 현미경으로 측정한 스폰지 케이크 단면의 미세구조에 있어서 단면과 air cell의 크기 및 수가 control의 스폰지 케이크보다 더 매끄럽고 부드러우며 균일하게 나타났다. 그 중에서도 WPI 10% 대체 스폰지 케이크가 가장 좋은 기공의 형태와 단면을 보였다. 7) 스폰지 케이크의 물성 중 경도, 점착성 및 씹힘성은 WPI 10, 20% 대체 스폰지 케이크가 control보다 약 2배 정도 감소한 결과를 보여 케이크의 물성이 향상된 것으로 나타났다. 부서짐성은 WPI의 대체 유무와 상관없이 모든 스폰지 케이크에서 거의 같은 값을 나타내었다. 8) 스폰지 케이크 표면의 색도는 20% 대체비율까지는 명도(L값)가 유사하였고 적색도(a값)는 대체비율 10%까지는 유사하가 대체비율이 증가함에 따라 다소 증가되는 경향이었다. 황색도(b값)는 대체비율 간의 유의적인 차이를 나타내지 않아 총 색도(ΔE)는 명도와 동일한 경향을 보여주었다. 스폰지 케이크 내부의 색도는 명도가 대체비율이 40%까지 유사하였고 적색도는 대체비율이 증가할수록 높아졌으며 황색도는 낮아졌다. 따라서 스폰지 케이크 내부의 총 색도(ΔE)는 WPI 대체비율이 증가할수록 값이 낮아져 색도가 밝아지는 것으로 나타났다. 9) 스폰지 케이크의 총 아미노산 및 필수 아미노산의 함량은 WPI의 대체비율이 증가함에 따라 증가하였다. WPI 10% 대체 스폰지 케이크는 control에 비해 isoleucine, leucine, lysine, aspartic acid가 약 2 배 정도로 높았으며 또한 WPI의 대체비율이 증가할수록 아미노산의 함량이 증가하여 표면의 색에서 갈색화가 크게 나타나 색이 짙어지는 경향을 보였다. 10) WPI 대체비율에 따른 관능검사 결과 외형, 기공, 부드러움, 씹힘성, 촉촉함, 향, 입안에서의 느낌, 전반적인 기호도 등 모든 검사항목에서 control에 비해 유의적인 차이를 나타내었다 (P<0.05). WPI 대체비율 10, 20%인 스폰지 케이크가 우수 한 것으로 나타난 것에 비해서 WPI 40, 50% 대체 스폰지 케 이크의 경우는 기공과 향을 제외한 나머지 검사항목 모두에 서 control보다 낮은 것으로 평가되었다. 따라서 관능검사 결과 스폰지 케이크의 달걀 대체물로 이용할 수 있는 WPI의 비율은 10, 20%가 가능할 것으로 보여진다. 위의 결과에서 WPI 대체 스폰지 케이크의 최종 품질은 이화학적 및 관능적 특성에서 가장 좋은 결과를 나타낸 WPI 10, 20% 대체 수준에서 좋았고 30% 수준까지는 가능하다고 볼 수 있으나 40% 이상에서는 좋지 않은 결과를 보였다. 따라서 스폰지 케이크 내에서 달걀 대체물로 이용하는 WPI의 가장 좋은 대체비율은 10%이며20~30%까지도 가능한 것으로 보이며, 케이크 이외의 다른 식품에도 적용될 수 있도록 WPI 대체 식품의 범위를 확대하는 방법에 대한 연구도 필요하다고 사료된다.|Whey is a by-product of cheese manufacture which is drained from the milk curd. Whey protein was known as a good nutritional source and a functional material for many processed food, specially for baked goods. Whey protein isolate(WPI) was contained about 90% of milk protein except casein. In this study, physicochemical, functional properties of WPI and the antioxidative activity of WPI for oil were measured. Also the substitution effects of WPI for egg in the preparation of sponge cake were determined by measure of objective and subjective test. The results were obtained as follows ; 1. The physicochemical characteristics of WPI 1) The pH of WPI was 6.26, and the titrable acidity was 0.18%. Among proximate compositions, there were shown as moisture 5.2%, fat 0.6%, protein 90.7%, ash 2.7%, and lactose 0.8%. The amounts of active SH group in WPI was 9 μmol/g and total colony counts of bacteria was 5.9×103 cfu/g. 2) The total amounts of amino acids in WPI was 90.7% and the total amounts of essential amino acids was 44.03%. Especially, among of them, leucine, lysine, isoleucine, valine were shown as high amounts. 3) α-Lactalbumin, β-lactoglobulin and bovine serum albumin (BSA) were shown in WPI as major protein by electrophore -tic pattern. 2. The functional properties of WPI 1) The solubility of WPI was higher than sodium caseinate at different pH which were 82~88%, 5~79%, respectively. By the results, it could be known that the solubility of WPI was not affected by pH fluctuation. 2) It was shown that the emulsifying capacity of WPI was higher than egg yolk as a degree of 1.6 times, and the stability of emulsions made with WPI and egg yolk was almost same as 65~97% and 60~89%, respectively. 3) The foam forming capacity of WPI was higher than that of egg white showing as 323.33% and 186.67%, respectively but foam stability of WPI was similar to that of egg white. 3. The antioxidative effect of WPI on corn germ oil The antioxidative effect of WPI and other antioxidants on corn germ oil used as substrate was determined by peroxide value(POV) and conjugated dienoic acid value(CDV). By these results, the order of antioxidative effects could be defined as BHT 0.02%>AsA 0.1%>WPI 0.1%>WPI 0.02%>AsA 0.02%>control>tocopherol 0.02%>tocopherol 0.1%. Also the induction period of corn germ oil added WPI was longer by 1.6 times than that of control(none added any antioxidant). Therefore the fact that WPI had antioxidative effect on corn germ oil could be certified. 4. The effect of WPI substituted for egg on the sponge cake quality 1) The specific gravity of sponge cake batter was significantly decreased according to increase substitutional amounts of WPI, so cake batter was shown as more homogenized status. Especially, the substitute ratio of WPI for egg in order to make the best status of cake batter and sponge cake could be known as 10%. 2) The viscosity of sponge cake batter was significantly increased according to increase substitutional amount of WPI for egg, whereas the syneresis amount from meringue was decreased, so the stability of batter was shown to be more desirable. 3) The cooking losses of sponge cake substituted WPI (abbreviated as WPI cake) for egg during baking in the oven was smaller than that made of egg(abbreviated as egg cake), while the specific loaf volume and expansion ratio of WPI cake was larger than those of egg cake. 4) The moisture content and retention capacity of WPI cake was better than those of egg cake, especially in case of 10% of WPI substitute amount for egg, the moisture content and retention capacity were the best. But in case of 30% of WPI substitute amount for egg, the moisture content and retention capacity of WPI cake was rather decreased than those of egg cake. 5) The volume of WPI cake made with WPI substitute amount of 10~20% for egg was increased about 2 times compared with that of egg cake showing best final status. Whereas in case of 40~50% WPI substitute amount, WPI cake was shown wrinkly surface and hard crumb. 6) The number of air cell was highly increased and the size of air cell was more uniformed finely in the cross section of WPI cake than those of egg cake observed by scanning electron microscopy. These phenomenon was the best in WPI cake made with 10% WPI substitution. 7) The hardness, gumminess and chewiness of WPI cake made with 10~20% WPI substitution were the lowest value among all cakes including egg cake, so it was shown that their cake qualities were improved considerably. 8) In the crust color of WPI cake made with 10~20% WPI substitution and egg cake, brightness(L) and total color difference(ΔE) were almost same, also the redness(a) was similar between 10% substitute WPI cake and egg cake but the redness was become thinner upon the increment of WPI substitution ratios above 10%. While the yellowness(b) was almost same in all cakes, these phenomenon was similar to total color difference. In the crumb of WPI cakes made with 10~40% WPI substitution, the brightness was almost similar to that of egg cake, redness was dipper and yellowness was thinner according to increase WPI substitute ratios. 9) The amounts of amino acids of WPI cakes were eveloped upon increment of WPI substitute ratios. Among them aspartic acid, isoleucine, leucine, lysine of 10% WPI substitute cake were higher 2 times than those of egg cake. Upon these results, it could be understood that the brown color was dipper according to increase of WPI substitute ratio in the WPI cakes. 10) By the results of sensory evaluation, appearance, air cell, softness, chewiness, moistness, flavor, mouth feeling, and overall acceptability of 10~20% WPI substitute cakes were evaluated better than all other cakes significantly(p<0.05). But in case of 40~50% WPI substitute cakes, all items of sensory evaluations were marked lower points except air cell and flavor than those of egg cake. According to the above results, it can be proposed that 10~20% of WPI substitution for egg will be better nutrition, physicochemical characteristics, and sensory evaluations in the preparation of sponge cake.