Introduction
Materials and Methods
실험 재료
수리미 잉크 준비 및 3D 프린팅 구조 제작
출력 어육 구조물의 질감 측정
색도 측정
전계방출 주사전자현미경(field emission scanning electron microscope, FE-SEM)을 통한 출력물 내부 구조 관찰
통계처리
Results and Discussion
당 종류 및 함량에 따른 3D 프린팅 출력능 평가
당 종류 및 함량에 따른 3D 프린트 출력물의 질감
당 함량 및 종류에 따른 색도 측정
조직특성
Conclusion
Introduction
수리미(surimi)는 일본어로 뼈를 제거하고 다진 후 씻은 생선살을 의미하며, 어묵, 맛살 등의 원재료로 사용된다. 수리미는 어육에 소금, 단백질, 전분, 그리고 설탕과 같은 기타 보조 재료나 첨가물을 추가한 후, 이를 으깨고 성형하여 열 가공을 통해 생선완자, 생선두부, 게맛살과 같은 수산물 제품을 만드는데 사용된다(Kong et al., 2016). 수리미 제품은 맛있고, 섭취가 편리하며, 영양이 풍부하다는 특성 덕분에 소비자들에게 인기가 많다(Zhou et al., 2020; Zhao et al., 2022). 수리미로 만든 대표적인 연제품은 어묵으로 품질은 색택, 향미, 탄력 등의 요소에 의해 결정되며, 이 중에서도 탄력은 품질을 결정짓는 중요한 인자가 된다(Akahane and Shimizu, 1990). 어묵은 단백질과 칼슘이 풍부하고 칼로리와 지방이 낮아 많은 소비자들에게 인기 있는 식품으로, 이러한 특성 덕분에 다양한 소비자의 취향에 맞춰 기능성 식품으로 발전할 가능성이 매우 크다(Park et al., 2015).
식품 3D 프린팅 기술은 컴퓨터 지원 설계(computer aided design, CAD)나 3D 스캐너를 이용해 생성한 3D 디지털 디자인을 기반으로, 분말이나 액체 형태의 원료를 층층이 쌓아 3차원 구조로 재구성하는 방법이다(Kim et al., 2020). 기존의 식품을 개인의 취향이나 목적에 맞게 맞춤 설계할 수 있는 장점을 바탕으로 다양한 식품에 활용될 수 있다. 3D 푸드 프린팅 공정에서 핵심적인 요소는 재료의 특성과 재료 간의 조합이며, 사용되는 재료는 균일해야 하고 프린팅에 적합한 유동성을 가져야 한다(Godoi et al., 2016). 이 중 수리미는 점성이 있는 식품 원료로, 물과 다른 재료를 섞었을 때 겔 상태로 변하는 특성을 가지고 있어 3D 프린팅 잉크 개발에 유망한 소재가 될 수 있으며(Lee et al., 2021), 다른 재료와 결합하여 맛, 질감, 영양 성분을 조절할 수 있다.
최근 설탕의 과도한 섭취가 비만과 다양한 성인병의 주요 원인으로 여겨지고 있다. 특히 가공식품에 포함된 과도한 당분은 비만을 초래할 수 있으며, 비만은 심혈관 질환, 지방 간염, 제 2형 당뇨병 등 치명적인 합병증을 일으킬 수 있다(Flegal and Troiano, 2000). 이에 소비자들은 건강에 무해한 대체 감미료를 선호하게 되었고, 이에 따라 다양한 대체 감미료들이 활발히 개발되고 있다(Park and Sim, 2017). 스테비아는 남미에 자생하는 관목인 스테비아 리보디아나(Stevia rebaudiana)라는 식물의 잎에서 추출되는 천연원료로(An, 2019), 그 줄기와 잎에는 스테비오사이드(stevioside)와 레바우디오사이드(rebaudioside)라는 감미 성분이 포함되어 있다(Lee et al., 2014). 스테비오사이드는 설탕의 약 300배 단맛을 가지며, 혈당을 상승시키지 않는 천연 감미 성분으로 알려져 있다. 또한 다른 인공 감미료보다 안전성이 높아 식품과 의약품에서 대체 감미료로 사용될 수 있으며 설탕, 감초, 자일리톨 등과 함께 사용하면 상승 효과를 얻을 수 있어 다양한 식품에서 설탕 대체 감미료로 활용되고 있다(Choi et al., 2014). 알룰로스(D-allulose)는 무화과, 포도 등에 소량 존재하는 단당류로 D-ribo-2-hexulose 또는 D-psicose라고도 불린다(Jung, 2017). 이 희소당은 설탕의 70% 정도의 감미도를 가지지만 칼로리는 약 0.39 kcal·g-1으로 설탕에 비해 매우 낮다(O’Charoen et al., 2014). 알룰로스는 체내에서 대사되지 않으며, 장내 미생물도 이를 이용하지 않기 때문에 체지방 감소에 효과적인 것으로 알려져 있다(Iida et al., 2010).
기존 수리미를 이용한 3D 푸드 프린팅 연구들은 주로 식염이나 전분이 연육의 질감과 겔 특성에 미치는 영향에 초점을 맞춰 다양한 실험이 이루어졌으나, 연육의 주요 부재료로 사용되는 설탕과 대체 감미료의 첨가에 따른 수리미 물성의 탐색에 대한 연구는 상대적으로 부족한 상황이다. 이에 본 연구에서는 설탕과 대체 감미료인 스테비오사이드, 알룰로스를 첨가한 연육 잉크를 만들고 3D 프린터로 출력하여, 출력물의 3D 프린팅 적합성을 분석하고자 한다. 출력 구조물의 적층, 질감, 색도 및 조직 특성을 통해 적합한 당 종류와 함량을 조사하여, 건강에 부담이 적은 대체 감미료를 활용한 개인 맞춤형 어묵 개발에 기여하고자 한다.
Materials and Methods
실험 재료
수리미의 재료로 사용할 농어는 ㈜가리온씨푸드(Korea)에서 구매하여 -20℃에 보관하였으며, 4℃에서 12시간 냉장 해동 후 사용하였다. 소금은 청정원 천일염 가는 소금(Daesang Corp., Korea)을 사용하였다. 설탕은 백설탕(CJ CheilJedang Corp., Korea)을 구입하여 사용하였고, 스테비오사이드는 효소처리 스테비아(Sinsunmom, Korea)를 사용하였다. 알룰로스는 순수 알룰로스 분말 100% (Keto Pantry, Korea)를 구입해서 사용하였다.
수리미 잉크 준비 및 3D 프린팅 구조 제작 (A) (B) (C) (D)
시판용 어묵의 배합비를 참고해서 만든 3D 프린트용 수리미 잉크의 배합비는 기존에 보고된 문헌(Wang et al., 2018; Lee et al., 2021)을 변형하여 조성하였다. 어육살 50 g을 기준으로 식염 3% (w·w-1), 물 15% (w·w-1)에, 각각 설탕, 스테비오사이드, 알룰로스 1, 2, 3, 4% (w·w-1)의 함량을 갖는 3D 프린트용 수리미 잉크를 제조하였다. 농어의 어육살은 믹서기(Blendforce + BL4258, Tapal, Korea)로 곱게 분쇄하고 다졌다. 이후 수분을 제거하기 위하여 다진 반죽을 250 mL 용기에 넣고 4,000 rpm, 4℃ 조건으로 15분간 원심분리 2회 수행 후 상층액을 모두 제거한 후 반죽했다. 이때의 수분보유능력은 90% 이상이었다. 본 실험에서는 식품 3D 프린터(SMART3D FoodBot, SMART 3D Corp., Korea)를 이용하였고, 3D 프린팅 슬라이싱 소프트웨어(Repetier, 2011)를 사용하여 heart 구조(X: 50 mm, Y: 50 mm, Z: 17 mm) 3D 디자인(STL file)을 g-code로 변환하여 제작하였다. 연육 잉크를 60 mL의 FoodBot 전용 용기에 충진 후, 3D 프린터에 장착하여 제품으로 출력하였다. 3D 프린팅은 2.0 × 32 mm (노즐 직경 × 길이)의 노즐을 사용하여 첫 번째 층 높이 2.0 mm, 층과 층 사이의 층 높이 2.5 mm, 압출기의 이동 속도 80%의 조건으로 실온에서 수행되었다.
출력 어육 구조물의 질감 측정
출력된 구조물의 질감은 물성시험기(ZwickiLine, ZwickRoell, Germany)를 사용하여 2회 반복 압착실험으로 측정하였다. 직경 20 mm 의 원형 probe를 사용하여 측정하였으며, 압축 속도 1 mm·sec-1, 복귀 속도 7 mm·sec-1, Start position 20 mm·sec-1의 조건으로 수행되었다.
색도 측정
출력된 구조물의 lightness (L*), redness (a*), yellowness (b*)를 포함한 색도는 색도계(CR-400, Konica Minolta, Japan)를 사용하여 3회 반복 측정하여 그 평균값을 나타냈다. 이 때 사용된 white standard plate의 Y 값은 86.9, x 값은 3,170, y 값은 3,240을 표준으로 사용하였다.
전계방출 주사전자현미경(field emission scanning electron microscope, FE-SEM)을 통한 출력물 내부 구조 관찰
당 종류와 함량에 따른 연육의 결착을 확인하기 위하여, 연육을 임계점 건조 전처리한 후, 건조된 시료를 칼날을 이용해 단면을 제작하였다. 이후, 이 단면을 stub 위의 카본 테이프에 부착하고 백금 도금을 실시한 후, 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM; Gemini 500, ZEISS, Germany)을 사용하여 분석을 진행하였다. 분석은 15 kV 전압에서 3 KX 배율로 표면을 촬영하여 수행되었다.
통계처리
통계적 평가는 R (Statistical Computing, Austria)을 사용하여 수행되었으며, 분석에는 분산 분석(ANOVA)과 사후 검정(Turkey’s test)이 포함되었다. 결과는 최소 세 번의 반복 실험을 기반으로 평균 ± 표준편차로 표현되었으며, 95% 신뢰 수준에서 차이가 유의미한 것으로 간주되었다(p < 0.05).
Results and Discussion
당 종류 및 함량에 따른 3D 프린팅 출력능 평가
수분함량은 식품 잉크에서 물성을 결정하는 중요한 요소로(Yoon et al., 2004), 본 연구에서는 어묵 제조 시 사용되는 밀가루의 수분함량에 맞추어 15%의 수분을 첨가하였다. 이는 전분이나 밀가루를 첨가할 때의 일반적인 수분 비율을 반영한 것이다. 당의 종류와 함량에 따른 3D 수리미 잉크의 적합성을 조사하기 전 식염 함량에 따른 구조물의 적층과 물성을 평가한 결과, 식염 3%를 첨가한 연육이 3D 프린터에서 가장 적합한 물성을 보였으며, 이는 기존 연구와 일치하는 결과이다(Lee et al., 2021). 따라서 대조군은 어육에 물과 식염 3%만 첨가하였고 실험군은 물과 식염에 더해 각각 어묵에 첨가되는 당질계의 대표적인 예인 설탕과 대체 감미료 중에서 대중에게 친숙한 알룰로스와 스테비오사이드를 사용했다.
다양한 당을 함유한 3D 프린터용 수리미 잉크로 제작한 모형은 Fig. 1과 같다. 설탕을 첨가한 출력물의 경우, 1 - 2% 설탕을 첨가한 경우 설탕을 첨가하지 않은 대조군과 유사한 출력 성능을 나타냈으며, 3 - 4% 설탕을 첨가한 경우, 프린팅의 연속성이 부족하여 단절된 부분이 확인되었다(Fig. 1A). 스테비오사이드를 첨가한 경우, 1 - 2%가 첨가된 출력물의 경우 구조의 무너짐이 확인되었고 연속적으로 압출되지 못해 출력물의 구조가 견고하지 못하여 무너지는 모습을 보여주었다. 3%의 스테비오사이드가 첨가된 출력물은 압출의 연속성이 1 - 2% 보다 안정되었으나 대조군에 비해서는 연속성이 끊어지는 구간이 확인되었다. 4%의 스테비오사이드가 첨가된 출력물은 대조군과 비교해 직선의 연속성이 조금 불안정했지만 스테비오사이드를 첨가한 연육 중에서는 가장 3D 디자인에 맞게 적층 되었다(Fig. 1B). 알룰로스를 첨가한 경우도, 스테비오사이드를 첨가한 경우와 마찬가지로 1 - 2%를 첨가한 경우 출력능이 감소함을 보였다. 알룰로스를 3% 첨가한 출력물은 대조군에 비해 연속성이 부족하여 단절된 부분이 확인되었으나 알룰로스를 첨가한 연육 중에서는 3D 디자인에 가깝게 적층된 것을 확인하였다.
당 종류 및 함량에 따른 3D 프린트 출력물의 질감
당 종류 및 함량에 따른 3D 프린트를 이용한 수리미 출력물의 질감(경도[hardness], 씹힘성[chewiness], 응집성[cohesiveness], 검성[gumminess], 탄력성[springiness])을 물성시험기를 이용하여 측정하였다(Fig. 2). 설탕을 첨가한 어육은 대조군에 비해 약 28% 낮은 경도(hardness)를 나타내었다(Fig. 2A). 설탕은 탈수제로 작용하기 때문에 펙틴의 분리와 3차원적 망상구조의 형성을 도와 겔 형성을 촉진시키는데, 이는 설탕이 식품 중의 수분과 결합하여 수리미 내의 수분함량이 높아져 부드러운 상태를 유지하게 된 것으로 사료된다. 씹힘성, 응집성, 검성은 설탕을 첨가하지 않은 대조군 대비 각각 59, 38, 56% 감소함을 보였으나, 설탕의 농도별 실험군 간의 차이는 없었다(Fig. 2B - D).
스테비오사이드 첨가 시, 출력물의 경도는 스테비오사이드를 첨가하지 않은 대조군 대비 28% 이상 높아졌으며, 이는 스테비오사이드 첨가에 따른 무 피클의 경도가 높아지는 기존 결과(Choi et al., 2017)와 일치함을 확인하였다. 씹힘성, 응집성은 대조군에 비해 전반적으로 감소함을 보였지만, 스테비오사이드의 함량에 따른 차이는 없었다. 검성은 스테비오사이드 함량이 증가할수록 검성이 감소하는 경향을 보여 4% 첨가 시 가장 낮은 검성을 나타냈다.
알룰로스를 첨가한 실험군의 경도는 대조군 대비 37% 이상 증가함을 보였다. 이전 연구의 알룰로스 첨가 머핀(Hwang and Lee, 2018)처럼 알룰로스를 첨가한 실험군이 대조군보다 경도가 높은 것을 확인할 수 있었으며, 알룰로스 함량이 많아질수록 경도가 점점 높아지는 것은 알룰로스를 첨가한 스펀지케이크 및 다쿠아즈와 유사한 결과를 보여주었다(Lee and Shin, 2022; 2023). 씹힘성, 응집성은 대조군에 비해 전반적으로 감소하였고, 알룰로스의 첨가를 달리한 군 간의 차이는 없었다. 검성은 대조군과 실험군의 차이가 거의 없었으며, 알룰로스 첨가를 달리한 군에서도 차이가 없었다. 설탕, 스테비오사이드, 알룰로스를 첨가한 실험군 모두 탄력성은 대조군과 실험군의 차이가 없었다(Fig. 2E).
설탕 및 대체 감미료 첨가에 따른 경도를 비교하였을 때, 설탕의 첨가는 질감을 부드럽게 만드는 반면, 스테비오사이드와 알룰로스는 경도를 강화하는 경향을 보였다. 알룰로스는 설탕에 비해 수분활성도가 낮다. 수분활성도가 낮으면 식품은 상대적으로 건조하고 단단한 질감을 가지게 되며, 이로 인해 바삭함(crispness)과 부서지기 쉬운 성질(brittleness)이 증가 한다(Mok et al., 1981). 이는 대체 감미료를 첨가한 수리미 잉크 출력물이 설탕을 첨가한 수리미보다 일정하지 않게 출력되는 결과를 초래한 것으로 사료된다(Fig. 1A and B). 또한 스테비오사이드 첨가 시에도 대조군에 비해 수리미 출력물의 경도가 증가한 것을 볼 때, 스테비오사이드와 알룰로스가 수리미의 경도를 유지하거나 강화하는데 도움이 될 것으로 생각되며, 이에 대한 자세한 연구가 더 필요할 것으로 보인다.
당과 대체 감미료의 첨가 시 응집성은 전반적으로 낮아졌다. 이는 탄력성은 당과 대체 감미료의 첨가에 따라 큰 변화를 보이지 않았으나, 씹힘성과 검성은 대체 감미료를 첨가했을 때 약 10 - 20% 감소한 반면, 설탕 첨가 시에는 50% 이상 감소하는 경향을 보였다. 결론적으로 수리미에 설탕 첨가 시 경도, 씹힘성, 응집성, 검성이 낮아지는 현상을 보였지만, 대체 감미료를 첨가 시, 경도는 증가하였고, 씹힘성과 검성의 감소는 설탕을 첨가한 것 대비 상대적으로 적은 것을 확인하였다. 이는 스테비오사이드와 알룰로스의 첨가가 설탕을 첨가한 경우보다 구조적 안정성 형성에 기여한다고 판단할 수 있다.
당 함량 및 종류에 따른 색도 측정
당 함량 및 종류에 관한 3D 프린트 출력물 표면의 색도를 명도(L*값), 적색도(a*값), 황색도(b*값)로 측정한 결과는 Table 1과 같다. 스테비오사이드가 1% 첨가된 연육의 L*값은 76.28로 가장 높았고 스테비오사이드 함량이 높아질수록 L*값이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 적색도를 나타내는 a*값과 b*값도 1% 스테비오사이드가 첨가된 연육이 각각 0.37, 4.49로 가장 높았으며 대조군에 비해 스테비오사이드를 첨가한 연육이 높게 나타났다. a*값과 b*값이 스테비오사이드 함량이 높아질수록 L*값과 비례해 감소하는 것을 확인할 수 있었고 이는 스테비오사이드 분말을 첨가한 쿠키(Yoo and Hong, 2012)와 비슷한 결과이다. 알룰로스를 첨가한 연육은 대조군과 실험군의 L*값 차가 없었으며, 이를 통해 알룰로스는 명도에 영향을 미치지 않음을 확인하였다. a*값과 b*값은 대조군에 비해 더 높게 나타났다. a*값은 알룰로스가 3% 첨가된 연육이 0.28로 가장 낮았으며, b*값은 알룰로스가 3% 첨가된 연육이 4.56로 가장 높아 yellow에 가까운 결과를 확인할 수 있었다. 설탕을 첨가한 연육의 L*값은 알룰로스와 대조군보다 높았으며 설탕을 첨가한 머핀, 커스터드 푸딩이 알룰로스를 첨가한 머핀, 커스터드 푸딩 보다 명도가 높게 나온 것과 유사한 결과이다(Hwang and Lee, 2018; Kim et al., 2021a). 설탕의 함량에 따른 L*값의 차이는 거의 나타나지 않았다. b*값은 대조군보다 실험군이 높았으며, 설탕농도가 증가함에 따라 황색도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 수리미는 백색도와 질감 특성이 중요한데(Kim et al., 2021b), 스테비오사이드 3% 및 4%를 첨가한 실험군이 대조군에 비해 L*값은 높고, b*값은 낮아 수리미의 백색도를 개선하는 데 가장 효과적임을 확인하였다.
Table 1.
Color difference based on the type of sugar and contents.
조직특성
Fig. 3은 종류 및 함량에 따른 비가열 수리미를 임계점 건조 시킨 후 전계방출 주사전자현미경으로 관찰한 결과이다. 당 종류와 함량에 따라 조직이 치밀해지고 어육의 결이 변화하는 경향을 확인하였다. 설탕을 첨가한 연육은 대조군에 비해 연육 간의 응집이 약해 조직의 밀도가 낮아 연육의 구조가 비조직적이며 작은 공동이 발견 되었다. 특히 3%의 설탕이 첨가된 연육에서 이러한 특성이 확인되었다. 이는 설탕 첨가군의 경도가 가장 낮았던 질감 측정 결과를 뒷받침해주며, 설탕은 단백질의 2차 및 3차 구조를 안정화 시켜 변성을 방지하고, 수분을 흡수하는 성질이 있어 단백질과 함께 있을 때 수분 함량을 증가시켜 식품의 질감을 부드럽게 만든다는 연구와 유사한 결과임을 알 수 있다(Lee and Timasheff, 1981). 스테비오사이드를 첨가한 연육은 대조군 및 설탕, 알룰로스, 스테비오사이드가 첨가된 군 중에서 표면이 가장 안정적인 것을 확인할 수 있었다. 3%의 스테비오사이드가 첨가된 연육은 조직이 굉장히 치밀하게 응집되어 있으며, 3%의 스테비오사이드가 첨가된 연육은 조직이 치밀하게 응집되어 있으며, 알룰로스가 3, 4% 첨가된 연육도 유사한 경향이 보였다. 이러한 결과는 알룰로스를 첨가한 스펀지케이크에서도 나타났다. 알룰로스가 첨가된 스펀지케이크는 팽창성이 낮았고, 팽창성이 낮은 제품일수록 기공이 작아 경도가 높게 측정되었다(Lee and Shin, 2022). 알룰로스가 기공 구조를 치밀하게 만들어 단단한 질감을 형성하는 데 영향을 미친 것으로 판단된다.
Conclusion
본 논문에서는 당의 종류와 함량이 식품 3D 프린팅의 원료로 사용하기 위한 수리미 잉크의 적합성에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 수리미 잉크를 3D 프린터로 출력한 후, 출력물의 적층 모형, 조직감 측정, 색도 및 전계방출 주사전자현미경을 통한 조직 특성을 분석하여 최적의 식품 3D 프린팅 잉크로 사용할 수리미 잉크의 배합비를 도출하였다. 실험 결과, 설탕은 2% 농도에서 가장 안정적인 출력물을 형성했으나, 경도와 조직 밀도가 낮아 구조적 응집성이 약한 것으로 나타났다. 스테비오사이드는 4% 농도에서 높은 안정성과 치밀한 조직을 보였으나, 씹힘성과 응집성은 대조군보다 낮았다. 알룰로스는 3% 농도에서 스테비오사이드와 유사한 조직과 안정성을 나타냈다.
결론적으로 각 당류가 연육의 질감 및 구조적 특성에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인하였으며, 당류의 종류와 농도를 최적화함으로써 연육의 품질을 효과적으로 개선할 수 있음을 보여주었다. 실험 결과를 종합해서 볼 때 설탕 2%를 첨가한 실험군이 가장 안정적인 프린팅 성능을 나타냈으며, 스테비오사이드와 알룰로스를 설탕 대신 사용하면 구조적 안정성을 높이고 어묵의 물성과 질감을 개선할 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 결과는 식품 3D 프린팅 잉크에서 설탕을 대체할 수 있는 대체 감미료의 활용 가능성을 뒷받침한다. 향후 노즐 크기, 프린팅 속도, 온도 등 다양한 프린팅 조건과 구조적 안정성을 고려한 실험이 이루어진다면, 보다 최적화된 식품 프린팅 공정 개발에 기여할 수 있을 것으로 생각된다.
