Introduction
Materials and Methods
아로니아 잼 제조
당도 및 pH
색도
항산화 물질 함량 측정
항산화활성 측정
통계처리
Results and Discussion
당도 및 pH 측정
색도 측정
항산화 물질 함량
항산화 활성 실험
Conclusion
Introduction
블랙초크라고 불리는 아로니아(Aronia melanocarpa)는 북아메리카에서 자생하는 장미과 베리류의 작물이다(Wu et al., 2004; Chrubasik et al., 2010). 아로니아의 열매는 rutin, ferulic acid, p-coumaric acid, caffeic acid, quercetin, gallic acid 등의 페놀 성분이 다량으로 함유되어 있다(Gim et al., 2020). 또한, cyanidin-3-glactoside, cyanidin-3-arabinoside, cyanidin-3-xyloside, cyanidin-3-glucoside 형태로 총 4 종류의 안토시아닌이 구성되어 있다(Slimestad et al., 2005). 안토시아닌이 풍부하다고 알려진 다른 베리류와 비교하였을 때도 상대적으로 함량이 높은 것으로 분석되어 슈퍼푸드로 주목받고 있다(Li and Jeong, 2015). 이와 같은 항산화물질이 풍부하여 항산화활성이 뛰어날 뿐 아니라, 항염증, 항알레르기, 항비만, 항미생물, 주름개선 등에 효과가 있다(Jeong, 2008; Kim et al., 2014b, 2016a; Park and Kim, 2018; Denev et al., 2019). 또한, 아로니아 분말을 첨가한 식품은 항산화 함량이 증가하였으며, 건강기능식품으로서 활용 가능성을 기대할 수 있다(Gonzalez-Molina et al., 2008; Zlabur et al., 2017). 그러나, 아로니아에는 tannin의 함유로 인해 떫은맛이 강하기 때문에 과실을 그대로 섭취하는 것에 어려움이 있어 다양한 가공 방법 연구가 필요하다.
식품공전에 의하면 잼은 과일류 혹은 채소류를 당류와 함께 젤리화 및 시럽화한 것으로 정의된 식품을 의미한다(KFSC, 2013). 과거에는 고농도의 설탕을 첨가하여 잼을 제조하였으나, 설탕의 과도한 섭취로 인한 심혈계 질환, 아동비만, 당뇨병 등의 만성질환 유발에 대한 연구가 보고되어 설탕 과다섭취에 대한 우려가 증가하고 있다(Palmer et al., 2008; Yang et al., 2014; Keller and Bucher Della Torre, 2015). 현재는 설탕의 함량을 감소시키거나 무설탕으로 제조하기 위해 설탕 대체재를 첨가하여 제조하는 연구가 진행되고 있다(Kim et al., 2015, 2020; Min et al., 2022). 그러나, 설탕을 대신할 대체재를 넣는 경우 식품의 맛을 비롯하여 물성 및 화학적 성분 등의 변화가 일어난다. 따라서 기존 제품의 장점과 품질을 유지할 수 있는 대체재를 찾는 연구가 필요하다.
Park 등(2016)은 천연에서 추출이 가능한 당알코올류 중 솔비톨, 말티톨, 에리스리톨, 자이리톨을 언급하였으며, 이들은 설탕보다 칼로리가 낮은 저칼로리 감미료로서 혈당 조절도 가능하다는 장점을 보고하였다. 또한, 점도를 높여줄 수 있는 특성이 있음을 밝혔다. Hong 등(2022)은 알룰로스가 설탕과 유사한 단맛을 내고, 청량한 향미가 있으며, 매우 낮은 칼로리를 가져 차세대 설탕 대체재로써 이용 가능성을 보고하였다. 추가로, 알룰로스에서 열, 산 및 갈변 안정성이 있어 탄산음료와 같은 식품의 장기간 유통 보관 시에도 이상이 없음을 보고하였다.
본 연구에서는 아로니아 과실의 떫은 식감을 보완하고, 더욱 편리한 섭취를 위한 식품연구로 아로니아의 잼을 개발하였다. 또한, 제조 과정에서 첨가되는 설탕은 각종 질병의 원인이 되어 소비자들의 우려가 커짐에 따라 설탕을 대체할 연구가 필요하다. 따라서, 이번 연구에서는 설탕과 유사한 맛과 특성이 나타나는 설탕 대체재 중 말티톨, 솔비톨, 알룰로스, 에리스리톨, 자이리톨을 첨가하여 제조하였다. 이 후, 제조된 대체당 첨가 아로니아 잼과 설탕을 첨가한 아로니아 잼의 이화학적 특성을 검사하였다. 기존 연구에서는 대체당의 종류 차이에 따른 변화를 연구하거나, 혹은 대체당의 첨가비율을 다르게 하여 품질을 비교하는 연구가 진행이 되었다(Go et al., 2023; Hwang, 2024). 그러나, 다양한 대체당 조합에 의한 잼의 품질과 화학적 특성을 비교 및 분석한 연구는 미비한 편이다. 따라서, 이번 연구에서는 대체당의 다양한 조합에 따른 아로니아 잼의 pH, 당도, 색도로 물리적 특성을 조사하였으며, 항산화물질 함량 및 항산화 활성 측정을 통해 화학적 특성을 연구하였다. 또한, 이화학적 특성을 분석하여 가장 적합한 조합을 제시하였으며, 위 연구를 통해 아로니아 잼을 건강식품으로써 이용할 방안에 대해 작성하였다.
Materials and Methods
아로니아 잼 제조
아로니아 잼에 사용된 백설탕(CJ CheilJedang, Korea), 알룰로스(Shandong Bailong Chuangyuan Bio-tech Co., Ltd., China), 에리스리톨(Shandong Sanyuan Biotechnology Co., Ltd., China), 말티톨(Roquette China Co., Ltd., China), 솔비톨(Sun-in Co., Ltd., Korea), 자이리톨(Danisco Sweeteners Oy, Finland)은 시중에서 구매하였다.
실험에 사용된 아로니아는 성산읍 농가에서 구입하여 -20℃ 냉동 보관하였다. 아로니아 열매 80 g을 이구플라스크에 넣고 Table 1에 제시된 대체당의 조합대로 각 대체당을 40 g씩 첨가하였으며, 대조군인 설탕은 80 g을 넣었다. 이 후, 80℃에서 30분간 예열을 하였으며, 100℃에서 1 시간 동안 가열을 하여 잼을 제조하였다.
Table 1.
Sugar content and pH according to sugar substitute combinations.
당도 및 pH
아로니아 잼 당도 및 pH 측정은 제조된 잼을 증류수로 10배(w·v-1)로 희석한 후 측정하였다. 당도 측정은 당도계(G-won Hitech Co., Ltd., Korea)를 이용하여 측정하였으며, 단위는 °Brix로 나타냈다. pH는 pH기(DE/PB-10, Sartorius, Germany)를 사용하여 측정하였다. 실험은 4반복을 진행하였다.
색도
색도 측정은 Hunter 체계를 이용한 색도측정기(Chroma meter CR-400, Konica Minolta, Japan)를 이용하여 4반복으로 측정하였다. 아로니아 잼의 명도, 적색도, 황색도를 측정하였으며 이를 각각 L값(lightness), a값(redness), b값(yellowness)으로 나타냈다.
항산화 물질 함량 측정
총 페놀, 플라보노이드 함량 측정은 Im과 Kim (2022)의 연구를 참고하여 실험하였으며 안토시아닌 함량 측정은 Li와 Jeong (2015)의 연구를 참고하였다. 페놀 측정은 아로니아 잼 20 µL, 증류수 700 µL에 50% Folin-Ciocalteu 100 µL를 가하여 2시간 동안 색 변화를 일으킨 다음 20% sodium carbonate 100 µL를 가하여 1시간 동안 암반응을 하였다. 이 후 micro plate (i-Mark 168-1135, Bio-Rad Inc., USA)를 이용하여 750 nm에서 흡광도 값을 측정하였다. Gallic acid을 기준으로 아로니아 잼 페놀의 함량을 mg GAE·mL-1로 작성하였다.
플라보노이드 측정은 아로니아 잼 100 µL에 에탄올 300 µL를 가한 뒤, 10% (w·v-1) aluminum chloride와 1 M potassium acetate를 100 µL씩 넣고 1시간 동안 색 반응을 유도하였다. 이를 1시간 동안 암반응한 후 415 nm에서 흡광도를 측정하였다. Quercetin을 기준으로 아로니아 잼 플라보노이드 함량을 mg QE·mL-1로 작성하였다.
안토시아닌 함량 측정은 아로니아 잼 0.5 mL에 25 mM potassium chloride buffer (pH 1) 4.5 mL와 400 mM sodium acetate buffer (pH 4.5) 4.5 mL을 각각 첨가하였다. UV-spectrometer (UV-1800, Shimadzu, Japan)로 510 nm, 700 nm에서 흡광도를 측정하였다. Cyanidin-3-O-glucoside를 표준물질로 설정하여, mg C3GE·mL-1로 작성하였다.
항산화활성 측정
2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) 저해 활성은 Blois (1958)의 방법을 참고하였다. 아로니아 잼을 80배 희석한 뒤 실험에 사용하였다. 희석된 아로니아 잼 40 µL에 0.15 mM DPPH solution 160 µL를 가한 뒤 30분간 암소에서 반응하였다. 이를 micro reader를 이용하여 450 nm에서 흡광도를 측정하여 DPPH 저해율(%)로 나타내었다.
Ferric reducing antioxidant power (FRAP)는 Benzie와 Strain (1996)의 방법을 변형하여 실험하였다. 아로니아 잼 50 µL에 FRAP working solution 150 µL를 가하여 30분간 37℃에서 반응시켰다. 이를 micro reader를 이용하여 590 nm에서 흡광도를 측정하였다. FRAP는 FeSO4·7H2O의 표준곡선을 작성하여 mM FE·mL-1로 나타냈다.
Trolox equivalent antioxidant capacity (TEAC)는 Im과 Kim (2022)의 방법을 참고하였다. 아로니아 잼 10 µL에 2,2'-Azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt (ABTS) 용액 200 µL를 가하여 5분간 암반응시켰다. 이를 micro reader로 750 nm에서 흡광도를 측정하였으며, trolox의 표준곡선에 따라 mM TE·mL-1로 작성하였다.
통계처리
모든 실험은 4회 반복하였으며, 통계처리는 SPSS 18.0 (SPSS Inc., USA)의 Duncan 다중 검정법(Duncan multiple range test, DMRT)으로 유의수준 0.05 이하로 설정하여 비교분석 하였다.
Results and Discussion
당도 및 pH 측정
아로니아 잼의 대체당 조합별 당도 및 pH 측정 결과는 Table 1과 같다. 말티톨과 알룰로스를 첨가한 잼에서 4.87 ± 0.33 °Brix로 측정되었다. 이는 설탕을 첨가한 아로니아 잼의 당함량인 4.97 ± 0.17 °Brix와 비교하였을 때 더 낮은 수치이다. 그 외 대체당을 첨가한 잼은 5.10 ± 0.08 - 5.57 ± 0.17 °Brix로 설탕을 첨가한 아로니아 잼보다 더 높은 당도로 측정되어 첨가당에 따른 당 함량의 차이가 나타났다. 선행연구에도 본 연구와 같이 첨가당과 설탕 간의 당 함량 차이가 보고되었다(Moon et al., 2010; Shin et al., 2019).
pH 측정 결과 설탕을 첨가한 아로니아 잼에서 pH 4.09 ± 0.05로 대체당을 첨가한 잼들과 비교하였을 때 말티톨과 에리스리톨 첨가 잼을 제외한 나머지 실험군보다 산도가 높은 경향을 보였다. Jeon 등(2018)은 아로니아 열매의 산도가 3.86 ± 0.06 - 4.06 ± 0.04임을 보고하였다. 이 산도는 말티톨과 에리스리톨을 첨가한 잼에서 가장 유사하다. 말티톨과 에리스리톨은 pH 안정성이 높아 식품의 특성을 유지할 수 있다고 알려졌다(Kim et al., 2016b). 실험 결과를 통해 말티톨과 에리스리톨을 첨가 시 아로니아 원물과 매우 유사한 특성을 보존할 수 있을 것이라 예상된다. 말티톨과 에리스리톨 외 다른 조합에서는 pH 4.11 ± 0.07 - 4.23 ± 0.14로 측정되었으며, 대체당 간의 미세한 pH 차이가 나타났다. Choi 등(2013)의 연구에서도 대체당 종류에 따라 식품의 pH가 4.40 ± 0.04 - 4.51 ± 0.03으로 미세한 차이가 나타났으며, 이는 본 연구의 결과와 유사한 경향을 보였다.
색도 측정
Park 등(1994)은 식품 내 첨가된 당류에 따라 색소 함량의 차이가 생긴다는 연구를 보고하였으며, 이로 인해 발생한 변색은 식품 품질 저하의 원인이 된다(Lee et al., 1996). 따라서, 대체당 조합에 따른 시각적인 품질 차이를 알아보기 위한 색도 측정 연구가 필요하다.
색도 측정의 결과는 Table 2와 같다. 설탕을 첨가한 잼의 명도는 +14.54 ± 0.65, 적색도는 +0.41 ± 0.02, 황색도는 +0.02 ± 0.03으로 측정되었으며, 대체당과 비교한 경우 대부분의 대체당보다 어둡고 갈색빛이 나타났다. 대체당의 경우, L값은 14.34 ± 0.40 - 17.70 ± 0.08로 가장 낮은 명도를 나타낸 말티톨과 알룰로스 조합 외에는 설탕 첨가 잼보다 높은 명도가 측정되었다. a값은 0.07 ± 0.03 - 0.73 ± 0.06으로 측정되었으며, 말티톨과 알룰로스를 첨가한 잼과 알룰로스와 에리스리톨을 첨가한 잼에서 적색도가 높게 나타났다. b값은 -0.06 ± 0.02 - 0.08 ± 0.04로 측정되었으며, 말티톨과 에리스리톨 조합에서 가장 황색도가 높게 측정되었고, 이어 알룰로스와 자이리톨 조합에서 황색도가 높았다. 두 조합 외 제조된 실험군들은 설탕을 첨가한 잼보다 청색도가 높은 경향을 보인다.
또한 설탕보다 대부분 대체당에서 황색도와 적색도가 낮게 나타났으며, 당류에 따른 미세한 색도 차이가 나타났다. 이는 Chae와 Kang (2024)의 논문에서 대체당을 첨가한 식품의 적색도와 황색도가 낮게 측정된 연구 결과와 유사한 경향을 보였다. 당류는 가열 시 분해반응이 일어나는데, 이 때 갈색으로 당류의 색이 변하는 카라멜화가 일어나며, 이는 당류의 종류, pH 등에 특성에 따라 색도의 변화에 차이가 나타난다(Lee and An, 2001). 본 연구에서도 당류 가열 시 발생하는 카라멜화로 인한 색도의 차이가 나타났을 것이라 생각된다.
Table 2.
Hunter color values according to sugar substitute combinations.
항산화 물질 함량
항산화물질인 페놀, 플라보노이드, 안토시아닌의 함량을 측정하였으며, 이는 Table 3과 같다. 총 폴리페놀 함량은 알룰로스와 에리스리톨에서 가장 높은 4,589.04 ± 234.15 mg GAE·mL-1로 측정되었다. 그 외 알룰로스 첨가군에서 3,431.91 ± 207.15 - 4,255.68 ± 148.64 mg GAE·mL-1로 알룰로스 비첨가군보다 더 높은 폴리페놀 함량이 측정되었다. 이어서 에리스리톨 첨가군이 2,747.50 ± 152.64 - 3,336.11 ± 166.10 mg GAE·mL-1로 높은 함량이 나타났다. 알룰로스 및 에리스리톨 비첨가군은 2,256.20 ± 163.80 - 2,649.60 ± 146.93 mg GAE·mL-1로 설탕의 페놀 함량인 2,664.98 ± 190.40 mg GAE·mL-1 보다 더 낮은 경향을 보였다. 대체당 종류에 따른 아로니아 잼의 폴리페놀 함량에 관한 기존 연구에 따르면, 알룰로스와 에리스리톨을 첨가한 잼에서 다른 대체당보다 높은 경향을 보였다. Kim 등(2021)의 연구에서는 알룰로스에 함유된 폴리페놀 함량에 의해 페놀 함량이 설탕을 첨가한 실험군보다 더 높게 측정되는 결과가 보고되었다. Benedek 등(2020)의 연구에서도 에리스리톨을 첨가한 식품에서 설탕을 첨가한 잼보다 더 높은 페놀 함량이 측정되었다.
Table 3.
Total phenol, flavonoid, and anthocyanin content according to sugar substitute combinations.
플라보노이드 함량의 결과에서는 말티톨과 에리스리톨의 조합에서 568.958 ± 69.83 mg QE·mL-1로 가장 높았다. 에리스리톨과 자이리톨 첨가 잼에서 472.84 ± 23.50 mg QE·mL-1로 그 다음으로 높았다. 이어서 말티톨과 솔비톨 첨가 잼에서 446.22 ± 55.30 mg QE·mL-1, 말티톨과 자이리톨 첨가 잼에서 424.29 ± 85.15 mg QE·mL-1의 순으로 높았다. 알룰로스와 에리스리톨 첨가 잼에서 418.34 ± 92.39 mg QE·mL-1, 알룰로스와 자이리톨 첨가 잼에서 399.27 ± 57.34 mg QE·mL-1, 에리스리톨과 솔비톨 첨가 잼에서 395.51 ± 115.39 mg QE·mL-1, 알룰로스와 말티톨 첨가 잼에서 359.47 ± 71.48 mg QE·mL-1로 설탕 첨가 잼의 355.63 ± 65.47 mg QE·mL-1 이상의 함량이 측정되었으며, 솔비톨과 알룰로스 조합에서는 342.92 ± 111.43 mg QE·mL-1, 솔비톨과 자이리톨 조합에서는 332.86 ± 97.20 mg QE·mL-1로 설탕보다 낮은 함량이지만 유사한 수준의 플라보노이드 함량이 측정되었다. 위 결과를 통해 대체당 첨가 시 설탕을 첨가한 경우와 유사한 수준이거나 더 높은 수준의 플라보노이드가 함유된 것을 알 수 있었다. 첨가당의 종류에 따른 항산화 성분 함량의 차이는 기존 연구에도 보고가 되어있으며(Kim et al., 2014a; Shin et al., 2020), 본 연구에서도 첨가된 당 종류에 따라 페놀류 화합물, 플라보노이드 함량의 차이가 나타났다.
총 안토시아닌 함량은 설탕에서 11.31 ± 1.00 mg C3GE·mL-1로 측정되었으며, 대체당은 9.52 ± 2.01 - 13.11 ± 1.74 mg C3GE·mL-1로 설탕 첨가군과 유사하게 나타났다. 이와 같은 미세한 안토시아닌 함량의 차이는 아로니아의 안토시아닌의 배당체 형태인 안토시아니딘에 결합된 당의 종류 차이에 따른 결과로 예상된다(Hwang and Ki, 2013).
항산화 활성 실험
DPPH free radical scavenging의 결과는 대체당 조합별로 나타내었다(Table 4). 80배 희석에서는 말티톨과 에리스리톨 조합에서 74.39 ± 5.05% 저해율로 가장 높은 저해활성 능력이 나타났다. 이어서, 에리스리톨과 자이리톨 첨가 잼에서 67.88 ± 2.78%, 알룰로스와 에리스리톨 첨가 잼에서 67.10 ± 1.74%, 말티톨과 솔비톨 첨가 잼에서 65.96 ± 6.18%, 솔비톨과 알룰로스 첨가 잼에서 65.26 ± 5.82%, 솔비톨과 에리스리톨 첨가잼에서 62.04 ± 1.53% 저해율이 나타났다. 설탕 첨가 잼은 60.77 ± 6.31%의 저해율로 측정되었으며, 그 외 대체당이 첨가된 아로니아 잼에서는 54.01 ± 0.92 - 58.60 ± 7.14%로 설탕보다 유의적으로 낮은 DPPH free radical 저해율이 나타났다.
Table 4.
2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) free radical scavenging activity, trolox equivalent antioxidant capacity (TEAC) and ferric reducing antioxidant power (FRAP) assay result according to sugar substitute combinations.
Kim 등(2010)의 연구에서 말티톨을 첨가한 식품에서 DPPH 라디컬 소거능이 설탕을 첨가한 잼보다 더 좋은 효과가 나타났다. Soetan 등(2023)은 에리스리톨 원물에 함유된 항산화 물질의 DPPH 소거능력을 보고하였으며, 본 연구에서도 에리스리톨 내 항산화 물질에 의한 결과일 것이라 예상된다.
TEAC와 FRAP 활성에 따른 결과는 Table 4에 작성하였다. TEAC는 설탕 첨가 잼에서 17,160.99 ± 1,813.49 mM TE·mL-1로 측정되었다. 알룰로스와 에리스리톨의 조합에서 24,439.62 ± 1,212.67 mM TE·mL-1로 가장 높은 항산화 활성이 나타났다. 그 외 조합은 16,332.45 ± 1,300.74 - 20,538.76 ± 1,462.91 mM TE·mL-1로 측정되었으며, 설탕을 첨가한 아로니아 잼의 항산화활성을 비교하였을 때 유의적으로 높거나 유사한 수준으로 분석되었다.
FRAP 활성에서도 설탕은 23,196.93 ± 605.08 mM FE·mL-1로 다소 낮은 항산화활성 능력이 측정되었으며, TEAC와 마찬가지로 알룰로스와 에리스리톨 조합에서 가장 높은 항산화 활성이 나타났다.
알룰로스와 에리스리톨은 항산화력이 높은 대체당으로(Hwang and Ki, 2013; Kim et al., 2021), 본 연구에서도 알룰로스와 에리스리톨을 첨가한 잼에서 항산화활성이 높은 경향을 보였다. 또한, 알룰로스, 에리스리톨을 조합하여 제조된 잼에서 다른 실험군과 비교하였을 때 유의적으로 높은 수준으로 나타나 총 페놀 함량 결과와 유사한 경향을 보였다. Abdelouhab 등(2023)은 총 페놀 함량과 FRAP 활성 결과에서 높은 상관관계가 있다고 보고하였다. 알룰로스와 에리스리톨 외 대체당 첨가 실험군에서는 22,805.62 ± 918.59 - 25,844.72 ± 346.57 mM FE·mL-1로 측정되었으며, 솔비톨과 자이리톨의 첨가군 외 모든 실험군에서 설탕 첨가군과 유사하거나 더 높은 수준의 항산화능력이 나타나는 것으로 분석되었다.
Conclusion
본 연구에서는 아로니아 잼 제조에서 설탕 대체재의 적합한 조합을 알아보았다. 당도는 말티톨과 알룰로스에서 가장 낮게 측정되었다. pH 측정결과 말티톨과 에리스리톨 조합에서 아로니아 원물과 가장 유사한 경향을 보였다. 색도는 말티톨과 자이리톨 조합에서 아로니아 과실 원색의 특성을 가장 잘 보존한 것으로 나타났다. 화학적 특성은 총 페놀 함량, 총 플라보노이드 함량, 총 안토시아닌 함량 측정과 DPPH free radical scavenging, TEAC, FRAP assays 활성을 측정하였다. 총 페놀 함량은 알룰로스와 에리스리톨 조합에서 가장 높았으며, 이는 TEAC와 FRAP의 결과와 유사한 모습을 보였다. 또한, 총 플라보노이드 함량은 말티톨과 에리스리톨에서 높게 측정되었으며, 이는 DPPH 저해 활성 능력과 유사한 경향을 보였다. 총 안토시아닌 함량은 모든 실험군에서 유의적 차이가 나타나지 않았다. 위 결과에 따라 pH와 색도 변화가 적으며, 항산화 활성이 뛰어난 알룰로스와 에리스리톨의 조합이 아로니아 잼에 첨가되는 대체당 조합으로 가장 적합할 것으로 생각된다.
