KR100965479B1 - 초음파를 이용한 근육 단백질의 수용화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초음파를 이용한 수용화 단백질의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 활용도가 낮은 노계(老鷄)의 가슴육과 같은 근육 단백질을 초음파 처리하여 단백질 수용액을 얻고 이를 동결건조하여 단백질 분말을 수득하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초음파를 이용한 수용화 단백질의 제조방법은 화학물질 등을 거의 사용하지 않고 초음파를 이용하여 근육내 단백질을 수용화 시킴으로서 종래 단백질의 분리를 위해 사용하던 효소나 화학물질을 처리하는 방법보다 간편하게 효율적으로 단백질을 분리할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 약 30분 이내에 90% 이상의 단백질을 신속하게 분리할 수 있고, 근육을 구성하고 있는 주요 단백질인 마이오신, 액틴 등이 자연 상태 그대로 분리되며, 분리된 단백질을 동결건조 하여 분말형태로 보관하면 냉장상태에서 1년 이상 유지할 수 있을 뿐 아니라 언제든지 필요할 때 단백질식품 소재로서 이용할 수 있는 장점이 있다.
초음파, 근육, 수용화 단백질, 단백질 분말, 단백질 식품 소재
Description
본 발명은 초음파를 이용한 근육 단백질 수용화 방법 및 이를 이용한 분말 단백질 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 활용도가 낮은 노계(老鷄)의 가슴육과 같은 근육 단백질을 초음파 처리하여 단백질 수용액을 얻고 이를 동결건조하여 단백질 분말을 수득하는 방법에 관한 것이다.
단백질은 아미노산이 펩타이드 결합(peptide bonds)에 의하여 연결된 구조를 가지고 각종 생체에 존재하며 다양한 생리적인 기능을 담당하고 있다. 펩타이드 결합은 비교적 안정하여 펩타이드 결합이 가수분해되어 카복실산(carboxylic acid)과 아민(amine)으로 쪼개어지는 반응은 25℃ 및 pH 7에서 500년 내외의 반감기(half-life)를 가진다. 생체 내에는 단백질 가수분해효소(peptidases, proteases or proteinases)가 단백질의 펩타이드 결합을 가수분해하는 반응의 촉매역할을 담당한다.
생체 바깥에서 단백질 가수분해 효소를 사용하여 단백질 속에 포함된 펩타이 드 결합 중 일부를 가수분해함으로써 여러 가지 크기의 펩타이드 조각의 혼합물을 생성하는 방법은 다양한 종류의 산업에서 활용되고 있다. 즉, 세제산업(detergent industry), 세척제 산업(cleansing agent industry), 제약 산업(pharmaceutical industry), 동물사료 산업(animal feed industry), 섬유 산업(textile industry), 피혁 산업(leather industry), 낙농 산업(dairy industry), 주류 산업(alcohol industry), 단백질 산업(protein industry), 육류 산업(meat industry), 제빵 산업(baking industry), 유류 산업(oil industry), 폐기물 처리(waste treatment), 유기 합성(organic synthesis) 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.
특히, 단백질을 작은 조각으로 가수분해하는 공정은 농산물, 해산물 및 육류 등의 부산물과 같이 값이 싸며 식품에 부적합한 단백질을 유용한 식품으로 전환함으로써 식량문제를 해결하는데 기여할 수 있다. 또한, 단백질을 부분적으로 소화함으로써 영양성과 각종 기능성을 개선할 수 있다. 뿐만 아니라, 단백질의 부분 절단에 의하여 다양한 생체 활성(bioactivity)을 가진 펩타이드를 얻을 수 있다.
그러나 종래의 단백질 분리 기술은 염, 알카리 등의 화학 물질 또는 단백질 분해 효소를 사용하였기 때문에 화학물질 또는 분해효소의 분리문제, 이에 따른 생산비용 증가 등이 문제가 되었고, 처리시간의 증가 및 폐기물 처리에 따르는 환경오염의 문제 등이 발생하는 등의 단점이 있었다.
이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과 초음파를 이용하면 단백질을 분해하고 수용화할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
결국, 본 발명의 목적은 근육 단백질을 초음파를 이용하여 수용화 단백질로 변화시켜 각종 단백질 식품의 소재로 활용하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 초음파 기술을 이용한 단백질 수용화 방법을 제공하고, 상기 방법으로 수용화된 단백질을 동결건조하여 단백질 분말을 얻어 산업적으로 제공하도록 한다.
따라서 본 발명에서는 근육 단백질의 수용화 방법에 있어서, 상기 수용화는 초음파 처리를 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 근육 단백질의 수용화 방법을 제공한다.
또한 본 발명에서는 (1) 근육 단백질을 초음파 처리를 통해 수용화 시키는 단계; (2) 상기 수용화된 단백질을 원심분리하는 단계; (3) 상기 원심분리된 단백질의 상층액을 분리하여 동결건조시키는 단계; 및 (4) 상기 동결건조된 단백질 분말을 수득하는 단계를 포함하는 분말 단백질의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 상기 처리를 위한 초음파는 20~25 kHz 범위가 바람직하고, 상기 초음파는 20분 이상 처리하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 30분 ~ 40분 처리를 한다.
본 발명에서는 염 용액에 용해된 근육 단백질을 초음파 처리하여 단백질의 수용화 효율을 높이도록 할 수 있는데, 상기 염용액은 0.001~0.8M, 바람직하게는 생리 염농도 0.001~0.1M이 가능하다. 또한 염 농도 0M, 즉 수용액에서도 초음파 처리만으로도 근육 단백질의 수용화가 가능하다. 다만, 생리 염 농도인 0.1M 근처의 염농도가 수율 측면이나 부차적인 염 제거 공정등이 요구되지 않아 가장 바람직하다. 염 농도가 높은 경우 염에 의한 단백질의 불용화 또는 실제 가공시 염의 제거 등이 필요하게 된다. 상기 염용액은, NaCl, 또는 KCl등, 예를 들어 알카리 금속과 아세트산, 타르트르산, 시트르산과 같은 유기산 또는 황산, 염산, 브롬산과 같은 무기산의 염, 알카리 토금속과 무기산 또는 유기산의 염 용액으로 이루어진 군으로부터 선택할 수 있고, 상기 염용액의 pH는 6~8가 바람직하다. pH가 너무 낮으면 산에 의해 단백질이 변성되거나 등전점에 의한 불용화우려가 있으며, 강알카리의 경우 식품으로서의 활용도 저하되는 등의 문제점이 있다.
본 발명의 단백질 수용화 방법을 이용하면 활용도가 낮은 노계 가슴육을 사용하여 단백질 자원의 활용도를 극대화 시킬 수 있다.
본 발명에 따른 초음파를 이용한 수용화 단백질의 제조방법은 화학물질 등을 거의 사용하지 않고 초음파를 이용하여 근육내 단백질을 수용화 시킴으로서 종래 단백질의 분리를 위해 사용하던 효소나 화학물질을 처리하는 방법보다 간편하면서 효율적으로 단백질을 분리할 수 있다. 본 발명에 따르면 약 30분 이내에 90% 이상의 단백질을 신속하게 분리할 수 있고, 근육을 구성하고 있는 주요 단백질인 마이오신, 액틴 등이 자연 상태 그대로 분리되며, 분리된 단백질을 동결건조 하여 분말 형태로 보관하면 냉장상태에서 1년 이상 유지할 수 있을 뿐 아니라 언제든지 필요할 때 단백질식품 소재로서 이용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명을 이용하면 염이나 기타 화학적 성분을 최소한으로 사용하여도 종래의 방법인 염이나 기타 화학물질에 의한 단백질의 분리보다 쉽게 분리할 수 있으며, 분리수율 역시 월등하다.
단백질 분리를 위해 근육에 10배량의 생리적인 염농도 0.001~0.8M, 바람직하게는 생리적 염농도인 0.1M의 NaCl, 10mM 인산염(pH 6.0-8.0)의 용액을 첨가하여 분쇄한 후, 20KHZ-25KHZ의 초음파로 약 20분 이상 처리를 하면 최대 95%의 용해도를 나타내었다. 이것을 동결건조하여 분말화하면 각종 단백질 식품의 소재로서 장기간(약 1년) 냉장 저장하면서 사용할 수 있다.
초음파라 함은 주파수가 가청주파수 20kHz보다 커서 인간이 청각을 이용해 들을 수 없는 음파를 이른다. 본 발명에서는 근육 단백질의 분해를 위하여 20~25 kHz 범위의 초음파를 이용하는데, 상기 범위의 초음파를 사용하는 것이 면을 고려하면 효율적이기 때문이다.
근육 단백질에 초음파 처리를 하여 주면 하기와 같은 과정을 거쳐 분해가 일어난다.
근육 -----> 구조붕괴----> 단백질 용출 -----> 단백질 단편화
상기와 같은 과정을 거쳐 분해가 일어나기 때문에 본 발명에 따르면 근육내 단백질의 분해에 의한 수용화(펩타이드)가 아니라 근육구조의 붕괴에 의한 단백질의 해리로 인해 단백질의 구조를 그대로 유지할 수 있는 수용화를 달성할 수 있는 것이다.
본 발명에 따르면 노계 가슴육과 같이 활용도가 낮은 단백질 자원을 활용하여 수용화 단백질 분말을 제조할 수 있는데, 그 제조공정은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
노계 가슴육 채취 ---> 10배량의 10mM 인산염(pH 8.0)첨가 ----> 현탁 ----> 초음파처리 (20-25 KHz, 30~40분) ---> 원심분리 ----> 상층액(수용화 단백질) ----> 동결건조 ----> 수용화 단백질 분말화
노계 가슴육 이외에 활용도가 낮아 본 발명을 활용하기에 적합한 단백질 원료로는 소, 돼지, 계육, 등의 가공후 잔여육, 각종 내장육을 이용할 수도 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예로써 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위해 제공되는 것으로 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
1: 초음파 처리를 통한
노계
가슴육
단백질의
수용화
노계 가슴육 1kg에 10배량의 0.1M NaCl, 10mM 인산 (pH 8.0) 용액을 첨가하여 현탁시킨 후 20KHZ에서 진동수 약 75%(Ultrasonic processor VCX 750, Sonic & Material Inc, USA), 진동지속시간 15초, 진동정지 시간 3초의 조건하에서 총 30분간 초음파 처리를 한다. 초음파 처리 후 원심분리(10,000 x g)하여 상층액을 취한 뒤 이것을 동결건조하여 분말화 한다. 이들의 모든 과정은 10℃ 이하에서 실시한다.
생리적 염농도 및 각각의 pH 조건하에서 진폭(amplitude)의 강도와 펄스(Pulse) 시간이 근육 내 단백질의 수용화율에 미치는 영향을 검토한 결과 pH 8.0, 진동수 약 75%, 진동지속시간 15초, 진동 정지시간 3초로 하여 총30분 동안 처리하였다. 진동을 15초 동안 실시하고 3초 정지하는 과정을 반복하는 이유는 냉각장치는 되어있으나, 열 발생을 줄이므로서 단백질 변성을 억제하고, 기기적인 무리를 피하기 위한 방법으로서, 자동설정이 가능(진동지속시간, 정지시간)하며, 이렇게 하였을때 10℃이하에서 작업이 가능하다.
실시예
2: 초음파 처리에 의한
노계
가슴육
단백질의
수용화율
확인
실시예 1과 같은 초음파 처리의 결과 약 90% 이상 수용화가 일어난 것을 확인할 수 있었다(도 1).
근육 단백질은 대부분 염용성으로 이루어져 있어 pH 7.0, NaCl 농도 0.5M 이상의 농도에서 단백질이 용출되는데 이때 약 60-70% 정도가 용출된다. 이러한 것을 감안할 때 초음파 처리한 것은 90% 이상 수용화가 일어나 용출되는 것으로 나타나 화학물질인 염을 사용하는 것보다 단백질을 분리하는 능력이 우수 하다.
실시예
3: 초음파 처리에 의한
수용화
단백질의 점도 변화 확인
실시예 1에서와 같은 조건하에서 초음파 처리하여 얻어진 수용화 단백질의 점도를 Ostwald 점도계(size 0.1mm2/s2 , Cannon instrument Co.)로 25℃에서 측정하여 그 결과를 도 2 및 3에 제시하였다. 도 2와 도 3은 각각 단백질의 생화학적 특성을 알아보기 위하여 수용화 단백질의 수용화율에 따라서 측정한 것과 수용화 단백질을 1mg/ml로 조절하여 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 2에 제시한 단백질 농도를 조절하지 않은 수용화율에 따른 단백질 점도의 변화를 보면 도 1에 제시한 것과 같이 수용화율이 높을수록 점도도 높게 나타났다. 이는 초음파에 의해서 근육의 구조가 붕괴되어 단백질이 구조 밖으로 해리되는 것으로 판단되었으며 극단적인 초음파에 의한 단백질의 분해는 일어나지 않는 것으로 판단되었다.
도 3에는 수용화 단백질을 1mg/ml로 조절하여 측정한 점도의 결과를 제시하였다. 이 결과에 의하면 수용화율이 높아질수록 도 2와 같이 점도가 상승하는 결과를 나타내었는데 이는 초기의 수용화는 근육내의 저분자 성분이, 후기의 수용화 성분은 근육내 주요성분(고분자 성분)이 많이 용출되었기 때문인 것으로 사료되었다.
단백질 농도를 일정하게 조절하였음에도 불구하고 수용화율이 높을 때 점도가 높아졌다고 하는 사실은 근육내의 고분자 성분이 모노머의 형태로 용출되었을 가능성이 높다. 가령 고분자 성분이 초음파에 의해서 저분자화 되어 용출되었다면 점도에 있어서 양자간에 큰 차이는 일어나지 않았을 것이기 때문이다. 따라서 초음파에 의한 수용화는 단백질의 저분자화에 의한 것이 아니라 근육 구조의 붕괴에 의한 모노머 형태의 고분자 단백질이 용출되었기 때문으로 판단할 수 있다.
한편, 초음파 처리 30분후에는 급격한 점도의 저하를 나타내었는데 용출된 단백질이 초음파에 의해서 약간의 단백질의 단편화가 일어났기 때문으로 판단된다. 즉, 이와 같은 과정은 다음과(*) 같이 설명할 수 있다.
초음파처리 ----> 근육 ----> 구조붕괴 ----> 단백질 용출 ----> 단백질 단편화
실시예
4: 초음파 처리에 의한
수용화
단백질로부터 분리된 단백질의 분자량 확인
도 4에는 실시예 1에서 처리한 수용화 단백질의 서브유닛(subunit) 조성을 Laemmli 법에 따른 10% polyacrylamide gel을 이용한 SDS-PAGE로 검토하여 그 결과를 나타내었다
도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이 초음파를 처리함에 따라서 용출되는 단백질은 분자량 20만에 해당되는 미오신 헤비체인(heavy chain)과 분자량 4만5천에 해당되는 액틴이 주로 검출되었다. 이와 같은 결과는 앞서 제시한 점도의 결과를 입증시켜 주는 것으로 판단된다. 즉, 초음파에 의해서 분리되는 단백질은 저분자화 에 의한 것이 아니라 근육의 구조 붕괴에 의한 것으로 판단할 수 있다.
실시예 5: 초음파 처리에 의한 근원섬유의 현미경 관찰
도 5에는 실시예 1에서 처리한 시료 근육을 초음파 처리 하였을 때의 근원섬유를 현미경으로 관찰한 결과이다. 이 결과에 의하면 초음파 처리에 의해서 근육의 구조가 확실히 붕괴된 것을 알 수 있었다. 즉, 초음파 처리전의 근원섬유(a)는 A대와 I대가 구분되는 얼룩무늬의 고유의 구조가 관찰되었으나, 초음파 처리 후(b)의 근원섬유는 A대와 I대가 구분이 되지 않는 근원섬유의 형체만 남아 있는 완전히 붕괴된 것으로 판단되는 구조가 관찰되었다.
.
실시예
6: 초음파에 의해서 분리된
수용화
단백질의
분말화
수용화 단백질을 분말화 하기 위해서 동결건조하였다. 실시예 1과 같이 처리하여 얻어진 수용화 단백질을 -50℃에서 동결한 후 FD 5512(Ilshin Lab. Co. LTD.)의 동결건조기(-50℃)를 이용하여 압력 5m Torr에서 60시간 이상 동결건조하여 수분함량이 8% 이하가 되도록 하였다.
도 6에는 수용화 단백질을 동결건조 하여 얻어진 분말을 나타낸 그림이다. 그 형태는 순백색의 색채를 띄고 있었으며, 수용액에 재차 용해를 하여도 90% 이상의 수용화율을 보여 단백질 식품소재로서 활용하기에 적합하다. 상기 분말은 고형물의 95% 이상이 단백질로서 수용액에 잘 용해되므로 단백질 강화 음료, 노인식, 병원식 또는 유아식의 단백질 강화식품, 우주식품 등의 다양한 식품의 소재로서 활 용할 수도 있다. 또한 상기 분말은 각종 단백질 식품의 소재로서 장기간(약 1년) 냉장 저장하면서 사용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 각 진폭, 펄스 처리시간에 따른 단백질의 수용화율을 나타낸다.
도 2는 각 진폭, 펄스 처리시간에 따른 수용화 단백질의 점도를 나타낸다.
도 3은 각 진폭, 펄스 처리시간에 따른 수용화 단백질(1mg/mL)의 점도를 나타낸다.
도 4는 초음파 처리에 의한 수용화 단백질의 SDS-PAGE 패턴을 나타낸다. 이 때, a: 분자량 마커; b : 근원섬유단백질; c : 초음파 0분처리; d : 초음파 10분처리; e : 초음파 20분처리; f : 초음파 30분처리; g : 초음파 40분 처리이다.
도 5는 초음파 처리에 의한 근원섬유의 구조 변화를 나타낸다.
도 6은 동결건조에 의해 분말화된 수용화 단백질을 나타낸다.
Claims (16)
- 노계 가슴육을 pH 6 내지 8 의 0.1 M NaCl 용액에 현탁시키는 현탁 단계; 및상기 현탁 단계에서 생성된 현탁액을 초음파 처리하여 단백질을 용출시키는 용출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근육 단백질의 수용화 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 초음파 처리가 20~25 kHz 범위에서 이루어짐을 특징으로 하는 근육 단백질의 수용화 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 초음파 처리가 20분 이상 이루어짐을 특징으로 하는 근육 단백질의 수용화 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 초음파 처리는 30분 ~ 40분 처리하는 것을 특징으로 하는 근육 단백질의 수용화 방법.
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- 하기의 단계를 포함하는 분말 단백질의 제조방법:(1) 노계 가슴육을 pH 6 내지 8 인 0.1 M NaCl 용액에 현탁한 후, 초음파 처리를 통해 수용화 시키는 단계;(2) 상기 수용화된 단백질을 원심분리하는 단계;(3) 상기 원심분리된 단백질의 상층액을 분리하여 동결건조시키는 단계; 및(4) 상기 동결건조된 단백질 분말을 수득하는 단계.
- 제 9항에 있어서, 상기 처리를 위한 초음파는 20~25 kHz 범위임을 특징으로 하는 분말 단백질의 제조방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 초음파는 20분 이상 처리함을 특징으로 하는 분말 단백질의 제조방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 초음파 처리는 30분 ~ 40분 처리하는 것을 특징으로 하는 분말 단백질의 제조방법.
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| KR1020070108770A KR100965479B1 (ko) | 2007-10-29 | 2007-10-29 | 초음파를 이용한 근육 단백질의 수용화 방법 |
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