타피오카 전분 혈당 - tapioka jeonbun hyeoldang

발명의 상세한 설명

바람직한 실시양태의 다음 상세한 설명에서, 실시양태의 일부를 형성하고 본 발명이 실시될 수 있는 구체적인 실시양태가 예시 목적으로 제시되는 도면에 대한 참조가 이루어진다. 다른 실시양태가 사용될 수 있고 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 구조적 변화가 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.

혈당 반응의 유의성

식품은 소비 후에 혈당 수준을 변경시키는 그의 능력에 따라 통상적으로 분류된다 (이 현상은 "혈당 반응"으로 규정됨). 정의에 의해, 혈당 반응은 식품 섭취에 의해 유도되는 혈당 농도의 변화이다 (FAO/WHO, 1998). 문헌 [Otto et al. (1973)]은 다양한 식품의 상이한 혈당 효과에 처음으로 주목하였고, 글루코스 흡수의 보다 느린 속도가 당뇨병 및 관상동맥성 심장병 위험과 관련하여 긍정적인 대사 이점을 제공한다는 개념은 문헌 [Burkitt and Trowell (1977)]에서 비롯되었다. 문헌 [Jenkins et al. (1985)]은 I형 당뇨병, 및 추후에 이상지질혈증의 식이 관리를 위한 도구로서 혈당 반응을 이용하였다. 이 개념은 글루코스 내성이 손상된 상황에서 탄수화물-함유 식품의 수치적 분류를 위한 도구로서 널리 수용되고 있다 (Jenkins et al., 2002). 수반되는 인슐린 저항성과 함께 내장 지방과다 및 복강내 지방량과 관련되는 일군의 질병이 관찰됨으로써 식품의 혈당적 분류 필요성이 추가로 제시되었다 ([Baley et al., 1973]; [Landin et al., 1990]; [Vague and Raccah, 1992]; [Gerald, 2000]).

일부 실시양태에 따르면, 본 실시양태의 감자 제품을 관상동맥 심장병, 당뇨 및 비만에 대한 위험을 최소화하는 것이 필요한 대상체에게 투여하는 것을 포함하는, 관상동맥 심장병, 당뇨 및 비만에 대한 위험을 최소화하기 위한 방법이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 본 실시양태의 감자 제품을 체중 감소의 촉진이 필요한 대상체에게 투여하는 것을 포함하는, 대상체에서 체중 감소를 촉진하기 위한 방법이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 본 실시양태의 감자 제품을 식후 혈당 및 인슐린 반응을 감소시키는 것이 필요한 대상체에게 투여하는 것을 포함하는, 대상체에서 식후 혈당 및 인슐린 반응을 감소시키기 위한 방법이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 본 실시양태의 감자 제품을 식사 사이의 포만감 시간을 증가시키는 것이 필요한 대상체에게 투여하는 것을 포함하는, 식사 사이의 포만감 시간을 증가시키기 위한 방법이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 본 실시양태의 감자 제품을 결장 건강을 증가시키는 것이 필요한 대상체에게 투여하는 것을 포함하는, 대상체의 결장 건강을 증가시키기 위한 방법이 제공된다.

전분 구조 및 혈당 반응에 관련된 화학

전분은 식이 탄수화물의 1차 형태 중의 하나이고, 칼로리 섭취 및 혈당 반응 모두에 대한 유의한 기여자이다. 전분이 많은 식품은 식물 공급원, 예를 들어 감자 및 시리얼 제품 (예를 들어, 빵, 파스타)에서 유래된다. 그럼에도 불구하고, 이들 전분-기반 제품의 혈당 효과는 주로 식품 내의 전분의 물리적 상태에 의존한다. 전분 이용성 및 소화능에 영향을 주는 요인에 대한 식견을 제공하기 위해 전분 구조 및 화학에 대한 간단한 개요를 제시할 것이다.

가장 간단한 형태에서, 전분은 α-D-글루칸으로만 이루어지고, 2개의 1차 중합체, 즉 아밀로스 및 아밀로펙틴으로 구성된다. 아밀로스는 주로 분자량이 약 105-106인 약 99% α-(1→4) 및 약 1% α-(1→6) 글리코시드 결합을 함유하는 선형 분자이다 (Bertoft, 2000). 평균적으로, 아밀로스 분자는 대략 1000의 무수글루코스 단위 (AGU)의 중합도 (DP)를 갖지만, DP는 식물 공급원에 따라 상이하다. 아밀로펙틴 (분자량 약 107-108)은 아밀로스보다 훨씬 더 큰 분자이고, 약 95% α-(1→4) 및 약 5% α-(1→6) 글리코시드 연결로 보다 고도로 분지되어 있다 (Bertoft, 2000). 아밀로펙틴의 사슬은 약 12 내지 120 AGU의 길이이고 (Rutenberg and Solarek, 1984), A, B, 또는 C 사슬로 분류할 수 있다 (도 1A). A 사슬은 그 자체로 다른 분지쇄를 추가로 제시하지 않는 외부 또는 말단 분지쇄이다. 이와 대조적으로, B 사슬은 하나 이상의 추가의 분지쇄를 제시하는 내부 사슬이고, C 사슬은 아밀로펙틴 분자의 유일한 환원 말단 (유리 아노머 탄소)을 수용한다. 아밀로펙틴 분자는 2백만개 이상의 글루코스 잔기를 함유하고, 치밀한 분지 상 분지 (branch-on-branch) 구조를 보일 수 있다 (Parker and Ring, 2001).

식물에서, 전분 분자는 과립으로 명명되는 반-결정질 응집체를 형성하도록 합성되고, 이것은 불용성 상태로 치밀하게 채워지는 방식으로 탄수화물을 저장할 수단을 제공한다 (Imberty et al., 1991). 전분 과립의 크기 (1-100 ㎛)와 형태 (구형, 다각형, 타원형 등)는 식물 종 사이에서 다르고, 동일한 종의 재배종 사이에서도 다르다 (Baghurst et al., 1996). 전분 과립은 교대하는 경질 및 연질 외피의 동심원 성장 고리로 이루어진다. 연질 외피의 구조는 그의 무정형 특성 때문에 정확하게 알려지지 않았지만, 경질 외피는 교대하는 6 nm 결정질 (아밀로펙틴 분지쇄의 이중 나선 구조 포함) 및 3 nm 무정형 (아밀로펙틴 분지점 영역 포함) 반복 구조로 이루어진다 (도 1B 및 1D). 주로 전분 과립의 천연 결정질 구조를 책임지는 아밀로펙틴 분자는 그의 비-환원 말단을 과립 외부를 향하도록 하면서 과립 내에서 방사상으로 배향된다 (도 1C). 과립 결정화도는 천연 전분 과립이 매우 느리게 소화 (즉, 가수분해)되기 때문에 전분 사슬의 전분 분해 효소에 대한 접근성을 제한한다. 아밀로스 분자는 전분 과립의 무정형 영역에 농축되는 것으로 생각되지만, 그의 정확한 과립 장소는 현재 논쟁의 대상이다.

전분 과립을 과량의 물의 존재 하에 열처리할 때, 전분 과립은 과립 결정화도 및 분자 질서의 상실, 및 과립 구조의 파괴를 수반하는 젤라틴화 (전분의 공급원에 따라 55-130℃)로 불리는 과정을 겪는다. 젤라틴화 과정에 걸쳐, 전분 분자 사이의 분자간 수소 결합이 파괴되어, 전분과 물 사이의 보다 큰 상호작용이 발생한다. 상기 물의 투과는 과립 구조의 무질서도를 증가시키고, 천연 결정질 구조의 용융을 촉진시킨다 (Donald, 2000). 냉각시에, 중합체 사슬의 선형 세그먼트가 제한된 방식으로 재회합되기 시작하여 3차원 겔 구조를 형성하면서 노화가 시작된다 (Wu and Sarko, 1978). 젤라틴화가 일단 발생하면, 전분 분자는 효소적 가수분해에 대해 보다 취약하게 되는데, 이는 천연 과립 구조의 결정성 성질에 의해 초기에는 제한되었다. 일부의 제한된 분자간 재회합 (즉, 노화)이 발생할 수 있지만, 전분 분자는 천연 과립의 원래의 분자 질서를 회복하지 못한다 (Donald, 2000).

저항성 전분 ( RS )/느리게 소화될 수 있는 전분 ( SDS )

용어 "저항성 전분"은 시험관 내에서 철저한 α-아밀라제 및 풀룰라나제 처리에 의한 가수분해에 대해 저항성인 전분의 작은 분획을 나타낸다. 그러나, 생체내 관점으로부터, 저항성 전분 (RS)은 소장 내에 존재하는 인간 효소에 의한 소화를 피하여 결장 내로 통과할 때 생리학적 이점을 제시하는 전분 물질로서 과학적으로 규정된다 (Asp, 2001). 이것은 소화에 대한 특이적인 저항 방식을 기초로 하여 4개의 주된 타입 (RS1, RS2, RS3 및 RS4)으로 분류될 수 있다 (표 1) (Nugent, 2005).

타입 1 저항성 전분 (RS1)은 물리적으로 접근할 수 없는 형태이거나 또는 가수분해 효소로부터 물리적으로 차단되기 때문에 소화되지 않은 상태를 유지하는 전분을 나타낸다. 그 예는 부분적으로 연마된 낟알 및 종자 및 매우 밀도높게 가공된 전분이 많은 식품을 포함한다. 일부 낟알 또는 종자는 효소 소화로부터 전분을 계속 보호하는 섬유상 외피 때문에 조리 후에 무손상 상태를 유지한다 ([Englyst and Cummings, 1987]; [Brown et al., 2001]). 그러나, 조리가 가수분해 효소로부터 전분을 보호하는 물리적 장벽의 유효성을 크게 감소시킬 수 있기 때문에 대부분의 RS1 함유 식품은 가공하지 않은 또는 조리되지 않은 상태에서만 저항성을 유지한다 (Asp, 1996).

저항성 전분 타입 2는 효소 소화에 저항하는 반-결정질 구조를 보이는 천연 전분 과립 (비젤라틴화 전분)으로 이루어진다. 고-아밀로스 전분을 제외하고, 대부분의 RS2 물질은 과량의 물 중에서 가열할 때 (즉, 젤라틴화될 때) 그의 실질적으로 모든 저항 특성을 상실한다 ([Englyst and Cummings, 1987]; [Englyst and kingman, 1990]).

타입 3 저항성 전분 (RS3)은 이중 나선 구조로 이루어진 노화된 선형 전분 분획 (주로 아밀로스)로 이루어지고, 젤라틴화 전분 사슬의 냉각 및 재결정화에 의해 형성된다 ([Englyst et al., 1992]; [Haralampu, 2000]). 노화된 전분은 췌장 아밀라제에 의한 소화에 대해 고도로 저항성이고, 140-160℃ 정도의 높은 온도에 대해서도 그의 저항성을 유지한다 (Haralampu, 2000). 그러나, RS3의 물 보유능은 이러한 종류의 RS에 고유한 광범한 전분-전분 상호작용 때문에 비교적 감소될 수 있다 (Sajilata et al., 2006).

타입 4 저항성 전분 (RS4)은 큰 치환기를 전분 사슬 상에 도입하여 효소 가수분해에 대한 입체 장애를 증가시키는 화학적 변형을 이용한다. RS4는 일반적으로 열처리 후에도 소화에 대한 그의 저항성을 유지하며, 사용된 특정 종류의 변형에 따라 식품 용도에 있어서 향상된 전분 특성을 추가로 제공할 수 있다 ([Brown et al., 2001]; [Sajilata et al., 2006]; [Xie et al., 2006]).

많은 관심있는 주위 RS는 그의 잠재적인 생리학적 역할을 수행하여야 한다. RS는 소장에서 소화를 피하기 때문에, 이는 결장의 세균 미생물총에 대한 발효가능한 탄수화물의 공급원으로 기능한다. 이들 미생물은 탄수화물 물질을 발효를 통해 대사하기 때문에, 결장 pH는 저하되고, 짧은-사슬 지방산, 예를 들어 아세테이트, 프로피오네이트, 및 부티레이트가 방출된다. 상기 2차 대사물질 중에서, RS로부터 부티레이트의 수율이 비교적 높고, 이는 결장 건강의 촉진에 관련된 것으로 시사되었다 ([Van Munster et al., 1994]; [Baghurst et al., 1996]; [Johnson and Gee, 1996]; [Kendall et al., 2004]). 발효가능한 기질의 존재는 염증성 장 질환의 예방을 돕고, 결장 점막 세포의 대사 요건을 유지한다. 문헌 [Johnson and Gee (1996)]은 부티레이트가 결장 점막 세포의 증식/전환율을 감소시키고, 종양 세포의 발생의 억제를 도울 수 있다고 보고하였다. 이들 인자는 결장암의 위험 감소에 기여하는 것으로 생각된다. 래트 급여 (feeding) 시험의 결과는 RS가 간 SR-B1 (스캐빈저 (scavenger) 수용체 클래스 B1) 및 콜레스테롤 7α-히드록실라제 mRNA의 향상된 수준 때문에 콜레스테롤-저하 기능을 갖는다고 제시한다 (Han et al., 2003). 또한, 저항성 전분은 프리바이오틱 (prebiotic) 기능을 갖고, 담석 형성을 감소시키고, 지방 축적을 억제하고, 무기질 흡착을 돕는다 ([Sajilata et al., 2006]; [Sharma et al., 2008]).

또 다른 잠재적으로 유익한 전분 물질의 범주는 느리게 소화될 수 있는 전분 (SDS)으로 불리고, 이것은 일반적으로 글루코스로 완전히 분해되지만, 인간 소장을 통과하면서 완화된 또는 감소된 속도로 흡수된다 ([Englyst et al., 1992]; [Bryan et al., 1999]). RS와 대조적으로, 느리게 소화될 수 있는 전분은 직접적으로 혈당 수준에 기여하지만, 그의 연장된 소화 시간 및 소장 내에서의 점진적인 흡수 때문에 혈당 항상성에 대해 유리한 영향을 갖는다 (Englyst et al., 1992). 문헌 [Zhang and Hamaker (2009)]은 SDS가 아밀로펙틴의 양호한 구조, 특히 짧은 전분 사슬 대 긴 전분 사슬의 중량비에 의해 영향을 받을 수 있음을 나타내었다. 이 문헌은 SDS가 노화 동안 긴 선형 분지쇄 사이의 결정질의 발달 또는 고도로 분지된 짧은 사슬의 우세 (즉, 증가하는 수의 분지점이 소화를 느리게 한다)에 의해 촉진됨을 추가로 제시하였다. 문헌 [Zhang and Hamaker (2009)]은 글루코스의 혈류 내로의 보다 느린 진입 및 완화된 인슐린 반응과 연관된 SDS의 잠재적인 이익을 검토하였다. 완화된 식후 글루코스 수준, 감소된 저혈당 에피소드 (즉, 고혈당 상태에 반응한 과잉보상), 개선된 인슐린 반응, 및 글리코실화 헤모글로빈의 보다 낮은 농도를 포함하는 특정한 유익한 대사 반응이 개선된 포만감 및 정신 기능을 제공하는 것으로 생각된다.

상기한 바와 같이, 유의한 양의 RS 및 SDS를 함유하는 식품은 또한 혈당 반응의 제어를 위한 글루코스 가수분해/흡수 속도를 완화시키는 잠재력을 갖는다. RS의 대사는 거의 즉시 소화되는 통상적으로 조리된 전분에 비해 소비 5 내지 7시간 후에 발생한다 (Sajilata et al., 2006).

상기 현상은 식후 혈당증 및 인슐린혈증을 감소시키고, 식사 사이의 포만감 시간을 증가시키는 잠재력을 갖는다 ([Raben et al., 1994]; [Reader et al., 1997]). 따라서, RS가 결장 건강에 기여하는 이점 이외에, 동일한 방안은 또한 전분-함유 식품의 혈당 반응의 완화에 유용할 것으로 보인다.

일반적으로, RS는 신속하게 소화될 수 있는 전분의 소화 및 소화될 수 없는 전분 잔여량의 정량을 수반하는 효소적 방법에 의해 측정된다. 식품에 대한 임의의 RS 결정 방법의 근본적인 단계는 먼저 열안정성 α-아밀라제 또는 판크레아틴 효소를 사용하여 샘플로부터 모든 소화될 수 있는 전분을 제거하여야 한다 ([Englyst et al., 1992]; [McCleary and Rossiter, 2004]; [Shin et al., 2004]). 현재, 2개의 일반적인 전략이 RS를 결정하기 위해 제시되었다 ([Berry, 1986]; [Englyst et al., 1992]). 문헌 [Englyst et al. (1992)]의 시험관 내 RS 결정은 실제 인간의 생리학적 조건 (생체 내)과 상호관련된다는 이점을 가지며, 따라서 RS 및 SDS 모두를 동일한 검정을 통해 결정할 수 있다.

전체-조직 RS 식품 성분에 대한 수단으로서의 감자 과립

현재까지, 실질적으로 모든 시판되는 RS 제품은 전체 식품 전략에 대해 거의 (있다손 치더라도) 강조하지 않으면서, RS/SDS 전분 물질을 생성하기 위한 수단으로서 단리된 전분을 이용하였다. 탈수된 감자 제품 (즉, 감자 과립)은 식품 성분으로서의 다양한 활용도, 뛰어난 저장-안정성, 비용-효율적인 수송성, 및 기존 시장 내의 현재 시판되는 제품의 존재로 인해 감자 조직-기반 RS 성분 (즉, 전체-조직 접근법)의 개발을 위한 잠재적인 수단을 제시하는 것으로 보인다.

천연 감자 조직은 일반적으로 2개의 주요 영역: 즉 피질 및 수질 (pith)로 이루어진다. 피질은 막대한 양의 전분 과립을 수용하는 관속 저장 실질 세포로 구성된다. 괴경의 중앙 영역에 위치하는 수질 조직도 실질 세포로 이루어지지만, 약간 더 낮은 밀도의 전분을 함유한다 (Jadhav and Kadam, 1998). 실질 1차 세포벽 구조는 주로 셀룰로스, 헤미셀룰로스 (예를 들어, 크실로글루칸, 헤테로만난, 헤테로크실란), 및 펙틴 물질로 이루어진다 (Parker et al., 2001). 중앙 라멜라 (세포내 공간) 내에 위치하는 펙틴 물질은 세포간 부착에서 중요한 역할을 하고, 또한 세포벽의 기계적 강도에 기여한다 (Van Marle et al., 1997). 천연 조직 내에서, 감자 전분 과립 (비젤라틴화 상태)은 그의 천연 결정질 구조 때문에 인간 소화에 대해 극도로 저항성이다.

감자 과립은 주로 즉석 요리용의 으깬 감자 제품 (단지 뜨거운 물의 첨가만을 요구함)으로서 개발되었지만, 빵 및 스낵 식품의 성분으로도 사용된다. 감자 과립은 애드-백 (add-back) 과정을 통해 탈수된 제품으로서 상업적으로 생산된다 (Hadziyev and Steele, 1979). 감자 과립의 기본적인 생산 단계는 다음을 포함한다: 껍질벗기기, 얇게 베기 (slicing), 사전 조리/데치기, 조리, 으깨기-혼합 (재활용된 건조된 과립의 약 2개의 부분과의 혼합), 조건화, 재혼합, 건조 및 냉각 (Hadzivev and Steele, 1979). 문헌 [Griffon (1969)], [Willard (1966)], [Shatila and Terrell (1976)] 및 [Ooraikul (1977, 1978)]에 의해 보고된 추가의 가공 기술은 터널형 보일러에서의 연속 조리의 사용, 동시 조리 및 으깨기 단계의 사용, 및 사전 조리 및 냉각 단계를 생략하는 동결-해동 과정의 통합을 포함한다.

열처리시에 (즉, 조리시에), 조직 구조 및 조성을 변경시키는 감자 조직 (texture)의 유의한 변화가 발생한다. 펙틴 물질은 가수분해되고, 다른 세포벽 고분자에 비해 가용화되고, 이러한 변화는 가열시에 감자 조직의 연화에 기여한다 (Van Marle et al., 1997). 전단의 존재 하에서의 사전 조리는 펙틴 중앙 라멜라의 가수분해 및 가용화 때문에 조직을 포함하는 개별적인 실질 세포의 분리를 야기한다 (Hadziyev and Steele, 1979). 이와 동시에, 실질 세포 내의 전분 과립은 사전 조리 및 후속 스팀 조리 단계 동안 팽창 및 젤라틴화되어, 전분 결정자의 용융에 의한 전분 분자 질서의 상실을 유발한다 (도 2). 가열 동안 상기 전분의 열 전이는 젤라틴화 후에 전분이 소화 효소에 의해 쉽게 공격될 수 있기 때문에 감자를 낮은 GI 범주로부터 높은 GI 범주로 전환하기에 충분하다 ([Englyst et al., 1992]; [Susan and Englyst, 1993]). 전분의 일부 노화가 감자 세포 내의 아밀로스 분자 및 선형 사슬 세그먼트가 재회합하는 후속적인 냉각 처리 단계 동안 발생함은 사실이다 ([Potter, 1954]; [Harrington et al., 1959]). 그러나, 노화 수준은 높은 혈당 지수 범주에 해당하는 조리된 으깬 감자 제품의 총 소화능을 감소시키기에 충분하지 않고/않거나 충분히 안정하지 않다.

일부 실시양태에 따르면, 전체-조직 감자 기재를 22℃ 내지 70℃의 온도에서 에테르화제의 수용액과 접촉시켜 감자 제품의 혈당 반응 값을 감소시키는 것을 포함하는, 전체-조직 감자 제품의 혈당 반응 값을 감소시키는 방법이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 전체-조직 감자 기재를 에스테르화제와 접촉시켜 감자 제품의 혈당 반응 값을 감소시키는 것을 포함하는, 전체-조직 감자 제품의 혈당 반응 값을 감소시키는 방법이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 전체-조직 감자 기재를 22℃ 내지 70℃의 온도에서 에테르화제의 수용액과 접촉시키고/시키거나 감자 기재를 에스테르화제와 접촉시켜 감자 제품의 혈당 반응 값을 감소시키는 것을 포함하는, 전체-조직 감자 제품의 혈당 반응 값을 감소시키는 방법이 제공된다.

일부 실시양태에서, 본 발명에 의해 생산된 전체-조직 감자 제품의 혈당 반응 값은 적어도 5 포인트 (예를 들어, 적어도 5 포인트, 적어도 10 포인트, 적어도 15 포인트, 적어도 20 포인트, 적어도 25 포인트, 적어도 30 포인트, 적어도 6 포인트, 적어도 7 포인트, 적어도 8 포인트, 적어도 9 포인트, 적어도 12 포인트, 적어도 18 포인트, 적어도 22 포인트) 감소된다.

일부 실시양태에서, 본 발명에 의해 생산된 전체-조직 감자 제품의 혈당 반응 값은 70 미만이다. 이것은 69 미만, 68 미만, 67 미만, 66 미만, 65 미만, 64 미만, 63 미만, 62 미만, 61 미만, 60 미만, 59 미만, 58 미만, 57 미만, 56 미만, 55 미만, 54 미만, 53 미만, 52 미만, 51 미만, 50 미만, 또는 45 미만의 혈당 반응 값을 포함한다.

일부 실시양태에서, 본 발명에 의해 생산된 전체-조직 감자 제품의 혈당 반응 값은 40 내지 70 (예를 들어, 40 내지 70, 40 내지 65, 40 내지 60, 40 내지 55, 40 내지 50, 40 내지 45, 45 내지 70, 45 내지 65, 45 내지 60, 45 내지 55, 45 내지 50, 50 내지 70, 50 내지 65, 50 내지 60, 50 내지 55, 55 내지 70, 55 내지 65, 55 내지 60, 50 내지 64, 50 내지 63, 50 내지 62, 50 내지 61, 50 내지 59, 50 내지 58, 50 내지 57, 50 내지 56, 50 내지 54, 52 내지 64, 52 내지 63, 52 내지 62, 52 내지 61, 52 내지 59, 52 내지 58, 52 내지 57, 52 내지 56, 52 내지 54, 54 내지 64, 54 내지 63, 54 내지 62, 54 내지 61, 54 내지 59, 54 내지 58, 54 내지 57, 54 내지 56, 56 내지 64, 56 내지 63, 56 내지 62, 56 내지 61, 56 내지 59, 및 56 내지 58)이다.

전체-조직 감자 제품의 제조 방법

일부 실시양태에 따르면, 전체-조직 감자 기재를 22℃ 내지 70℃의 온도에서 에테르화제의 수용액과 접촉시켜 감자 제품의 저항성 전분 (RS) 함량을 증가시키는 것을 포함하는, RS 함량이 향상된 감자 제품의 제조 방법이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 전체-조직 감자 기재를 에스테르화제와 접촉시켜 감자 제품의 저항성 전분 (RS) 함량을 증가시키는 것을 포함하는, RS 함량이 향상된 감자 제품의 제조 방법이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 전체-조직 감자 기재를 22℃ 내지 70℃의 온도에서 에테르화제의 수용액과 접촉시키고/시키거나, 감자 기재를 에스테르화제와 접촉시켜 감자 제품의 저항성 전분 (RS) 함량을 증가시키는 것을 포함하는, RS 함량이 향상된 감자 제품의 제조 방법이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 전체-조직 감자 기재를 22℃ 내지 70℃의 온도에서 에테르화제의 수용액과 접촉시켜 감자 세포벽 구성성분 및/또는 무손상 감자 세포 내의 전분을 변형시키는 것을 포함하는, 그 내부의 향상된 저항성 전분 (RS)을 증가시키기 위해 감자 세포벽 구성성분 및/또는 무손상 감자 세포 내의 전분을 변형시키는 방법이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 전체-조직 감자 기재를 에스테르화제와 접촉시켜 감자 세포벽 구성성분 및/또는 무손상 감자 세포 내의 전분을 변형시키는 것을 포함하는, 그 내부의 향상된 저항성 전분 (RS)을 증가시키기 위해 감자 세포벽 구성성분 및/또는 무손상 감자 세포 내의 전분을 변형시키는 방법이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 전체-조직 감자 기재를 22℃ 내지 70℃의 온도에서 에테르화제의 수용액과 접촉시키고, 감자 기재를 에스테르화제와 접촉시켜 감자 세포벽 구성성분 및/또는 무손상 감자 세포 내의 전분을 변형시키는 것을 포함하는, 그 내부의 향상된 저항성 전분 (RS)을 증가시키기 위해 감자 세포벽 구성성분 및/또는 무손상 감자 세포 내의 전분을 변형시키는 방법이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 전체-조직 감자 기재를 22℃ 내지 70℃의 온도에서 에테르화제의 수용액과 접촉시켜 변형된 감자 제품의 전분 노화에 대한 저항성을 증가시키는 것을 포함하는, 변형된 감자 제품의 전분 노화에 대한 저항성을 증가시키는 방법이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 전체-조직 감자 기재를 에스테르화제와 접촉시켜 변형된 감자 제품의 전분 노화에 대한 저항성을 증가시키는 것을 포함하는, 변형된 감자 제품의 전분 노화에 대한 저항성을 증가시키는 방법이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 전체-조직 감자 기재를 22℃ 내지 70℃의 온도에서 에테르화제의 수용액과 접촉시키고/시키거나, 감자 기재를 에스테르화제와 접촉시켜 변형된 감자 제품의 전분 노화에 대한 저항성을 증가시키는 것을 포함하는, 변형된 감자 제품의 전분 노화에 대한 저항성을 증가시키는 방법이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 전체-조직 감자 기재를 22℃ 내지 70℃의 온도에서 에테르화제의 수용액과 접촉시키는 공정에 의해 제조된 감자 성분을 포함하는, 저항성 전분 (RS) 함량이 향상된 감자 제품이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 전체-조직 감자 기재를 에스테르화제와 접촉시키는 공정에 의해 제조된 감자 성분을 포함하는, 저항성 전분 (RS) 함량이 향상된 감자 제품이 제공된다.

일부 실시양태에 따르면, 전체-조직 감자 기재를 22℃ 내지 70℃의 온도에서 에테르화제의 수용액과 접촉시키고/시키거나, 감자 기재를 에스테르화제와 접촉시키는 과정에 의해 제조되는 감자 성분을 포함하는, 저항성 전분 (RS) 함량이 향상된 감자 제품이 제공된다.

본 실시양태의 감자 제품의 RS 함량은 5% 내지 70%일 수 있다. 이 RS 함량은 5% 내지 70%, 10% 내지 70%, 15% 내지 70%, 20% 내지 70%, 25% 내지 70%, 30% 내지 70%, 35% 내지 70%, 40% 내지 70%, 45% 내지 70%, 50% 내지 70%, 55% 내지 70%, 60% 내지 70%, 65% 내지 70%, 5% 내지 60%, 10% 내지 60%, 15% 내지 60%, 20% 내지 60%, 25% 내지 60%, 30% 내지 60%, 35% 내지 60%, 40% 내지 60%, 45% 내지 60%, 50% 내지 60%, 55% 내지 60%, 5% 내지 50%, 10% 내지 50%, 15% 내지 50%, 20% 내지 50%, 25% 내지 50%, 30% 내지 50%, 35% 내지 50%, 40% 내지 50%, 45% 내지 50%, 5% 내지 40%, 10% 내지 40%, 15% 내지 40%, 20% 내지 40%, 25% 내지 40%, 30% 내지 40%, 35% 내지 40%, 5% 내지 30%, 10% 내지 30%, 15% 내지 30%, 20% 내지 30%, 25% 내지 30%, 5% 내지 20%, 10% 내지 20%, 및 15% 내지 20%를 포함하고 이로 제한되지 않는다.

수용액

일부 실시양태에서, 에테르화 및/또는 에스테르화 단계는 전체-조직 감자 기재를 알콜 수용액과 접촉시켜 현탁액 또는 슬러리를 형성함으로써 수행된다. 에테르화 및/또는 에스테르화 단계는 산성, 중성 또는 염기성 조건 하에 22℃ 내지 70℃의 온도에서 수행될 수 있다. 알콜은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 및 부탄올을 포함하고 이로 제한되지 않는 하나 이상의 알킬 알콜일 수 있다. 바람직하게는, 알콜은 25% 내지 100% [v/v] (예를 들어, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 또는 90% 내지 100%)의 수준으로 존재한다.

온도

일부 실시양태에서, 에테르화 단계 및/또는 에스테르화의 온도는 22℃ 내지 70℃이다. 이 온도는 22℃, 25℃, 30℃, 32℃, 33℃, 34℃, 35℃, 36℃, 37℃, 38℃, 39℃, 40℃, 41℃, 42℃, 43℃, 44℃, 45℃, 46℃, 47℃, 48℃, 49℃, 50℃, 51℃, 52℃, 53℃, 54℃, 및 55℃를 포함하고 이로 제한되지 않는다. 일부 실시양태에서, 에테르화 단계 및/또는 에스테르화의 온도는 22℃ 내지 30℃, 22℃ 내지 35℃, 22℃ 내지 40℃, 22℃ 내지 45℃, 22℃ 내지 50℃, 22℃ 내지 55℃, 22℃ 내지 60℃, 22℃ 내지 65℃, 22℃ 내지 70℃, 25℃ 내지 30℃, 25℃ 내지 35℃, 25℃ 내지 40℃, 25℃ 내지 45℃, 25℃ 내지 50℃, 25℃ 내지 55℃, 25℃ 내지 60℃, 25℃ 내지 65℃, 25℃ 내지 70℃, 30℃ 내지 35℃, 30℃ 내지 40℃, 30℃ 내지 45℃, 30℃ 내지 50℃, 30℃ 내지 55℃, 30℃ 내지 60℃, 30℃ 내지 65℃, 30℃ 내지 70℃, 35℃ 내지 40℃, 35℃ 내지 45℃, 35℃ 내지 50℃, 35℃ 내지 55℃, 35℃ 내지 60℃, 35℃ 내지 65℃, 35℃ 내지 70℃, 40℃ 내지 45℃, 40℃ 내지 50℃, 40℃ 내지 55℃, 40℃ 내지 60℃, 40℃ 내지 65℃, 40℃ 내지 70℃, 42℃ 내지 45℃, 42℃ 내지 50℃, 42℃ 내지 55℃, 42℃ 내지 60℃, 42℃ 내지 65℃, 42℃ 내지 70℃, 45℃ 내지 50℃, 45℃ 내지 55℃, 45℃ 내지 60℃, 45℃ 내지 65℃, 45℃ 내지 70℃, 50℃ 내지 70℃, 60℃ 내지 70℃, 50℃ 내지 60℃, 47℃ 내지 50℃, 47℃ 내지 55℃, 45℃ 내지 52℃, 47℃ 내지 52℃, 48℃ 내지 52℃, 또는 48℃ 내지 55℃이다.

감자 기재

일부 실시양태에 따르면, 본 발명의 방법에 대한 출발 물질은 전체-조직 감자 기재이다. 전체-조직 감자 기재 물질은 감자의 과육으로부터 생산된다. 일부 실시양태에서, 전체-조직 기재 물질은 천연 감자에 함유된 대부분의 천연 건조 고형물을 포함한다. 천연 건조 고형물은 천연 감자의 지질, 단백질, 탄수화물 (예를 들어, 전분, 섬유, 및 당), 및 회분을 함유한다. 일부 실시양태에서, 감자 기재는 천연 감자의 건조 고형물의 적어도 20% (예를 들어, 천연 감자의 건조 고형물의 적어도 25%, 적어도 30%, 적어도 35%, 적어도 40%, 적어도 45%, 적어도 50%, 적어도 55%, 적어도 60%, 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 97%, 또는 적어도 98%)를 함유하는 감자 제품/성분이다. 전체-조직 감자 기재는 단리된 전분 제품과 뚜렷하게 구별된다.

일부 실시양태에서, 전체-조직 감자 기재는 본 발명의 감자 제품/성분의 개발을 위한 출발 물질로서 사용하기 위한 무손상 실질 세포벽 구조를 나타내는 기존의 시판되는 감자 제품 (예를 들어, 감자 과립)을 포함한다.

일부 실시양태에서, 전체-조직 감자 기재는 본 발명의 감자 제품/성분의 개발을 위한 출발 물질로서 사용하기 위한 감자 플레이크, 감자 과립, 또는 감자 가루를 포함한다.

일부 실시양태에서, 전체-조직 감자 기재는 탈수된 전체-조직 감자 제품이다. 다른 실시태양에서, 전체-조직 감자 제품은 탈수될 수 있거나 그렇지 않을 수 있는, 껍질을 벗긴 감자, 감자 슬라이스, 큐브형 감자, 주사위꼴 감자, 잘게 썬 감자, 쐐기형 감자, 또는 스틱형 감자의 형태일 수 있다.

일부 실시양태에서, 감자 기재는 적어도 20%의 무손상 실질 세포 (예를 들어,적어도 25%, 적어도 30%, 적어도 35%, 적어도 40%, 적어도 45%, 적어도 50%, 적어도 55%, 적어도 60%, 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 97%, 또는 적어도 98%)를 함유하는 감자 제품/성분이다.

에테르화제

에테르화제는 전분 에테르를 생산할 수 있는 것으로 공지된 임의의 작용제일 수 있다. 일부 실시양태에서, 에테르화제는 프로필렌 옥시드, 아크롤레인, 에피클로로히드린, 에피클로로히드린 및 프로필렌 옥시드, 에피클로르히드린 및 아세트산 무수물, 및 에피클로로히드린 및 숙신산 무수물 중 하나 이상, 및 이들 물질의 모든 혼합물 및 조합물이다.

사용된 에테르화제의 양은 감자 기재 건조 중량 기준으로 0.5% 내지 35% [w/w]일 수 있다. 사용된 에테르화제의 양은 감자 기재 건조 중량 기준으로 0.5% 내지 35% [w/w], 0.5% 내지 30% [w/w], 0.5% 내지 28% [w/w], 0.5% 내지 25% [w/w], 0.5% 내지 22% [w/w], 0.5% 내지 20% [w/w], 0.5% 내지 18% [w/w], 0.5% 내지 15% [w/w], 0.5% 내지 12% [w/w], 0.5% 내지 10% [w/w], 0.5% 내지 8% [w/w], 0.5% 내지 6% [w/w], 0.5% 내지 4% [w/w], 1% 내지 35% [w/w], 1% 내지 30% [w/w], 1% 내지 28% [w/w], 1% 내지 25% [w/w], 1% 내지 22% [w/w], 1% 내지 20% [w/w], 1% 내지 18% [w/w], 1% 내지 15% [w/w], 1% 내지 12% [w/w], 1% 내지 10% [w/w], 1% 내지 8% [w/w], 1% 내지 6% [w/w], 1% 내지 4% [w/w], 2% 내지 35% [w/w], 2% 내지 30% [w/w], 2% 내지 28% [w/w], 2% 내지 25% [w/w], 2% 내지 22% [w/w], 2% 내지 20% [w/w], 2% 내지 18% [w/w], 2% 내지 15% [w/w], 2% 내지 12% [w/w], 2% 내지 10% [w/w], 2% 내지 8% [w/w], 2% 내지 6% [w/w], 2% 내지 4% [w/w], 4% 내지 35% [w/w], 4% 내지 30% [w/w], 4% 내지 28% [w/w], 4% 내지 25% [w/w], 4% 내지 22% [w/w], 4% 내지 20% [w/w], 4% 내지 18% [w/w], 4% 내지 15% [w/w], 4% 내지 12% [w/w], 4% 내지 10% [w/w], 4% 내지 8% [w/w], 4% 내지 6% [w/w], 8% 내지 35% [w/w], 8% 내지 30% [w/w], 8% 내지 28% [w/w], 8% 내지 25% [w/w], 8% 내지 22% [w/w], 8% 내지 20% [w/w], 8% 내지 18% [w/w], 8% 내지 15% [w/w], 8% 내지 12% [w/w], 8% 내지 10% [w/w], 10% 내지 35% [w/w], 10% 내지 30% [w/w], 10% 내지 28% [w/w], 10% 내지 25% [w/w], 10% 내지 22% [w/w], 10% 내지 20% [w/w], 10% 내지 18% [w/w], 10% 내지 15% [w/w], 10% 내지 12% [w/w], 12% 내지 35% [w/w], 12% 내지 30% [w/w], 12% 내지 28% [w/w], 12% 내지 25% [w/w], 12% 내지 22% [w/w], 12% 내지 20% [w/w], 12% 내지 18% [w/w], 12% 내지 15% [w/w], 15% 내지 35% [w/w], 15% 내지 30% [w/w], 15% 내지 28% [w/w], 15% 내지 25% [w/w], 15% 내지 22% [w/w], 15% 내지 20% [w/w], 15% 내지 18% [w/w], 20% 내지 35% [w/w], 20% 내지 30% [w/w], 20% 내지 28% [w/w], 20% 내지 25% [w/w], 20% 내지 22% [w/w], 22% 내지 35% [w/w], 22% 내지 30% [w/w], 22% 내지 28% [w/w], 22% 내지 25% [w/w], 25% 내지 35% [w/w], 또는 30% 내지 35% [w/w]일 수 있다.

에테르화 단계는 산성, 중성 또는 염기성 조건 하에 22℃ 내지 70℃의 온도에서 수행될 수 있다. 일부 실시양태에서, 이 단계는 염기성 조건 하에, 예를 들어 8 이상의 pH (예를 들어, pH 8 내지 14)에서 수행된다. 이것은 pH 8.5 초과, pH 9 초과, pH 9.5 초과, pH 10 초과, pH 10.5 초과, pH 11 초과, pH 11.5 초과, pH 12 초과, pH 12.5 초과, pH 13.5 초과, 또는 pH 13.5 초과의 pH를 포함한다. 일부 실시양태에서, pH는 10 내지 14 (예를 들어, 11 내지 14, 12 내지 14, 13 내지 14)이다.

에스테르화제

에스테르화제는 전분 에스테르를 생산할 수 있는 것으로 공지된 임의의 작용제일 수 있다. 일부 실시양태에서, 에스테르화제는 하나 이상의 트리메타포스페이트 (STMP), 나트륨 트리폴리포스페이트 (STPP), 옥시염화인, 및 에피클로로히드린, 및 상기 작용제의 모든 혼합물 및 조합물이다. 일부 실시양태에서, 에스테르화제는 하나 이상의 아세트산 무수물, 아디프산 무수물, 아디프산 무수물 및 아세트산 무수물, 비닐 아세테이트, 일나트륨 오르토포스페이트, 1-옥테닐 숙신산 무수물, 숙신산 무수물, 옥시염화인, 옥시염화인 및 비닐 아세테이트, 옥시염화인 및 아세트산 무수물, 나트륨 트리메타포스페이트 및 나트륨 트리폴리포스페이트, 나트륨 트리폴리포스페이트, 및 나트륨 트리메타포스페이트, 및 상기 작용제의 모든 혼합물 및 조합물이다.

사용된 에스테르화제의 양은 감자 기재 건조 중량 기준으로 0.5% 내지 35% [w/w]일 수 있다. 사용된 에스테르화제의 양은 감자 기재 건조 중량 기준으로 0.5% 내지 35% [w/w], 0.5% 내지 30% [w/w], 0.5% 내지 28% [w/w], 0.5% 내지 25% [w/w], 0.5% 내지 22% [w/w], 0.5% 내지 20% [w/w], 0.5% 내지 18% [w/w], 0.5% 내지 15% [w/w], 0.5% 내지 12% [w/w], 0.5% 내지 10% [w/w], 0.5% 내지 8% [w/w], 0.5% 내지 6% [w/w], 0.5% 내지 4% [w/w], 1% 내지 35% [w/w], 1% 내지 30% [w/w], 1% 내지 28% [w/w], 1% 내지 25% [w/w], 1% 내지 22% [w/w], 1% 내지 20% [w/w], 1% 내지 18% [w/w], 1% 내지 15% [w/w], 1% 내지 12% [w/w], 1% 내지 10% [w/w], 1% 내지 8% [w/w], 1% 내지 6% [w/w], 1% 내지 4% [w/w], 2% 내지 35% [w/w], 2% 내지 30% [w/w], 2% 내지 28% [w/w], 2% 내지 25% [w/w], 2% 내지 22% [w/w], 2% 내지 20% [w/w], 2% 내지 18% [w/w], 2% 내지 15% [w/w], 2% 내지 12% [w/w], 2% 내지 10% [w/w], 2% 내지 8% [w/w], 2% 내지 6% [w/w], 2% 내지 4% [w/w], 4% 내지 35% [w/w], 4% 내지 30% [w/w], 4% 내지 28% [w/w], 4% 내지 25% [w/w], 4% 내지 22% [w/w], 4% 내지 20% [w/w], 4% 내지 18% [w/w], 4% 내지 15% [w/w], 4% 내지 12% [w/w], 4% 내지 10% [w/w], 4% 내지 8% [w/w], 4% 내지 6% [w/w], 8% 내지 35% [w/w], 8% 내지 30% [w/w], 8% 내지 28% [w/w], 8% 내지 25% [w/w], 8% 내지 22% [w/w], 8% 내지 20% [w/w], 8% 내지 18% [w/w], 8% 내지 15% [w/w], 8% 내지 12% [w/w], 8% 내지 10% [w/w], 10% 내지 35% [w/w], 10% 내지 30% [w/w], 10% 내지 28% [w/w], 10% 내지 25% [w/w], 10% 내지 22% [w/w], 10% 내지 20% [w/w], 10% 내지 18% [w/w], 10% 내지 15% [w/w], 10% 내지 12% [w/w], 12% 내지 35% [w/w], 12% 내지 30% [w/w], 12% 내지 28% [w/w], 12% 내지 25% [w/w], 12% 내지 22% [w/w], 12% 내지 20% [w/w], 12% 내지 18% [w/w], 12% 내지 15% [w/w], 15% 내지 35% [w/w], 15% 내지 30% [w/w], 15% 내지 28% [w/w], 15% 내지 25% [w/w], 15% 내지 22% [w/w], 15% 내지 20% [w/w], 15% 내지 18% [w/w], 20% 내지 35% [w/w], 20% 내지 30% [w/w], 20% 내지 28% [w/w], 20% 내지 25% [w/w], 20% 내지 22% [w/w], 22% 내지 35% [w/w], 22% 내지 30% [w/w], 22% 내지 28% [w/w], 22% 내지 25% [w/w], 25% 내지 35% [w/w], 또는 30% 내지 35% [w/w]일 수 있다.

에스테르화 단계는 산성, 중성 또는 염기성 조건 하에 22℃ 내지 70℃의 온도에서 수행될 수 있다. 일부 실시양태에서, 이 단계는 염기성 조건 하에, 예를 들어 8 이상의 pH (예를 들어, 8 내지 14의 pH)에서 수행된다. 이것은 pH 8.5 초과, pH 9 초과, pH 9.5 초과, pH 10 초과, pH 10.5 초과, pH 11 초과, pH 11.5 초과, pH 12 초과, pH 12.5 초과, pH 13.5 초과, 또는 pH 13.5 초과의 pH를 포함한다. 일부 실시양태에서, pH는 10 내지 14 (예를 들어, 11 내지 14, 12 내지 14, 13 내지 14)이다.

정의

달리 규정되지 않으면, 본원에 사용된 모든 기술 및 학술 용어는 본 발명이 속하는 분야의 당업자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원에 기재된 것과 유사하거나 동등한 방법 및 물질이 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적절한 방법 및 물질이 아래에서 기재된다. 본원에 언급된 모든 간행물, 특허 출원, 특허, 및 다른 참조문은 그 전문이 참조로 포함된다. 서로 충돌하는 경우에, 정의를 비롯하여 본원 명세서가 우선하여 적용될 것이다. 추가로, 물질, 방법, 및 실시예는 본 발명을 제한하고자 의도하지 않으며 단지 예시하는 것이다. 본 발명의 다른 특징 및 이점은 하기 상세한 설명 및 청구의 범위로부터 분명히 알 수 있을 것이다.

본원에서 기재되는 실시양태의 이해를 돕기 위해, 바람직한 실시양태를 참고할 것이고, 이 실시양태를 설명하기 위해 특정 용어가 사용될 것이다. 본원에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시양태를 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위를 제한하고자 의도하지 않는다. 본원 개시내용 전체에 걸쳐 사용되는 바와 같이, 단수 형태 ("a," "an," 및 "the")는 문맥상 그렇지 않음이 분명한 경우를 제외하고 복수의 참조물을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "조성물"의 언급은 단일 조성물뿐만 아니라 복수의 상기 조성물을 포함하고, "치료제"의 언급은 하나 이상의 치료제 및/또는 약제 및 당업자에게 공지된 그의 동등물 등을 언급하는 것이다.

본원 전체에 걸쳐서, 용어 "약"은 특정 값이 이 값을 결정하기 위해 사용되는 장치 또는 방법의 오차의 표준 편차를 포함함을 나타내기 위해 사용된다.

본 개시내용이 단지 양자택일 및 "및/또는"을 의미하는 정의를 지지하지만, 청구의 범위에서 용어 "또는"의 사용은, 단지 양자택일만을 명시적으로 의미하기 위해 나타내거나 선택 대상이 상호 배타적이지 않는다면, "및/또는"을 의미하기 위해 사용된다.

본원 명세서 및 청구의 범위에서 사용되는 바와 같이, 용어 "이루어지는" (및 이루어지는의 임의의 형태, 예를 들어 "이루어지다" 및 "이루어진다"), "갖는" (및 갖는의 임의의 형태, 예를 들어 "갖다" 및 "갖는다"), "포함하는" (및 포함하는의 임의의 형태, 예를 들어 "포함하다" 및 "포함한다") 또는 "함유하는" (및 함유하는의 임의의 형태, 예를 들어 "함유하다" 및 "함유한다")는 포괄적이거나 제한이 없는 것이고, 추가의 언급되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다.

실시예

본 발명의 다양한 실시양태의 활성에 실질적으로 영향을 주지 않는 변형도 본원에서 제시되는 본 발명의 정의 내에 포함되는 것으로 이해된다. 따라서, 개시된 예는 본 발명을 제한하는 것이 아니라 예시하는 것으로 의도된다. 청구된 발명이 그의 구체적인 실시양태를 참고로 하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않는 다양한 변화 및 변형이 청구된 발명에 대해 이루어질 수 있음이 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 예를 들어, 당업자는 단지 통상적인 실험을 사용하여 본원에서 기재되는 구체적인 물질 및 절차의 많은 동등물을 알거나 확인할 수 있을 것이다. 상기 동등물은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 간주되고, 하기 청구의 범위에 포함된다.

실시예 1

실제 시판되는 식품-등급 시약을 사용하여 변형을 조사하기 위해, 시판되는 감자 과립을 4가지의 프로필렌 옥시드 (PO) 첨가 수준 (감자 과립 건조 중량 기준으로 4.6%, 9.1%, 12.8% 및 18.3% [w/w]) 및 2가지 반응 온도 (22 및 48℃)로 이루어진 요인 (factorial) 실험 설계를 사용하여 PO로 대체하였다. 몰 치환도 (MS) 값은 PO 첨가 수준 및 반응 온도 모두가 증가함에 따라 증가하였다. 반응 온도 증가에 따른 PO MS 수준의 향상은 전분의 팽윤 증가, 돈난 (Donnan) 전위의 가능한 감소, 및/또는 반응에 이용가능한 탈양성자화된 전분 알콕시드 이온의 보다 큰 비율을 비롯한 가능한 요인들의 조합에 의한 것이었다. PO MS와 RS 수준 사이의 양성 상관성 (r = 0.93)은 전분 분자에 대한 큰 히드록시프로필기의 통합이 효소 소화에 대한 입체 장애를 유발하여, RS 형성을 효과적으로 촉진함을 나타내었다.

RS와 달리, 단지 낮은 수준의 느리게 소화될 수 있는 전분 (SDS)은 감자 과립의 화학적 변형으로 달성되었다.

실시예 2

제2 요인 실험에서, PO 치환 (감자 과립 건조 중량 기준으로 0%, 10%, 및 20% [w/w]), 나트륨 트리메타포스페이트 (STMP) (감자 과립 건조 중량 기준으로 0%, 1%, 2%, 및 4% [w/w])와의 가교결합, 및 반응 온도 (22, 34 및 48℃)의 조합 효과를 유도체화 및 RS 형성 정도에 대해 조사하였다. PO 및 STMP 둘 모두 RS 형성에 대해 유의하게 기여하였지만, 2개의 시약의 조합 효과는 상승적이 아니라 단지 상가적이었다. 이중 변형된 감자 과립에 대한 추정된 혈당 지수 (eGI)는 유도에 의해 유의하게 (비변형된 과립의 경우의 116.4로부터 이중-변형된 과립의 경우의 59.7-65.9로) 감소하였고, 전분 분해 효소에 의한 전분 가수분해의 속도 및 정도 모두에 영향을 주었다. 실용적인 관점으로부터, 보다 높은 허용가능한 시약 첨가 수준 때문에 시판되는 감자 과립 내의 RS 함량의 향상 및 혈당 반응의 감소를 위해 PO가 STMP보다 더 좋은 선택이다.

주사 전자 현미경 (SEM)으로 관찰되는 바와 같이, 변형된 감자 과립은 무손상 실질 세포 구조를 보유하였지만, 시판되는 감자 과립에 비해 약간 수축된 외형을 보였다. 일반 성분 조성에 대해, 변형된 감자 과립은 시판되는 (비변형된) 감자 과립에 비해 감소된 단백질 및 지질 함량 (50% 이상 감소), 및 약간 증가된 총 탄수화물, 전분 및 회분 함량을 보였다. 히드록시프로필화는 시판되는 대조군에 비해 변형된 감자 과립 내의 전분의 노화 안정성을 향상시키는 것으로 관찰되었다. 따라서, PO 치환은 냉장 및/또는 동결 식품 시스템에 사용하기 위한 감자 과립의 물리적 특성을 개선시키는 잠재력을 갖는다.

간단히 설명하면, PO 및 STMP 시약을 사용한 화학적 변형을 통해 시판되는 감자 과립의 RS 함량을 향상시키고 eGI를 감소시켜, 50% 정도의 높은 RS 함량 (즉, RS/혈당 특성이 개선된 감자 과립)을 달성할 수 있었다.

물질 및 방법

시판되는 감자 과립 및 전분 공급원: 베이식 어메리칸 푸즈 (Basic American Foods, 미국 아이다호주 블랙풋)에 의해 공급되는 시판되는 감자 과립은 모든 변형 실험의 1차 기재이었다. 천연 감자 전분은 아베베 (AVEBE, 네덜란드 빈담)로부터 얻었으며, 저항성 전분 검정을 위한 참조 물질로서 사용하였다.

5-(4,6- 디클로로트리아지닐 ) 아미노플루오레세인 ( DTAF )을 사용한 감자 과립의 유도체화

시판되는 감자 과립을 감자 실질 세포 내의 전분 분자가 화학적 시약과 반응하는 잠재력을 조사하기 위해 "모델 (model)" 반응계 내에서 형광 프로브인 5-(4,6-디클로로트리아지닐)아미노플루오레세인 (DTAF, 시그마-알드리치 코포레이션 (Sigma-Aldrich Corp., 미국 미주리주 세인트루이스))으로 화학적으로 변형시켰다. 시판되는 감자 과립 (9.1 g, 건조 중량 기준, db)을 125 mL 엘렌마이어 플라스크 내로 칭량하여 도입한 후, 과량의 탈이온수 (약 70 mL)를 첨가하였다. 감자 과립은 수화를 촉진하기 위해 주변 온도에서 교반하고 (30 min), 생성되는 상청액을 버린 후에 원심분리 (1500 x g, 20 min)를 통해 수집하였다. 수화된 감자 과립을 125 mL 엘렌마이어 플라스크에 옮긴 후, 트리에틸아민 (18.5 mL)을 첨가하였다. 별도의 플라스크에, 형광 프로브의 광표백 (photobleaching)을 방지하기 위해 DTAF 시약 (0.003 g)을 암소에서 클로로포름 (15.3 mL) 내에 분산시켰다. 두 혼합물을 30 min 동안 독립적으로 교반한 후, 클로로포름/DTAF 용액을 감자 과립/트리에틸아민 현탁액을 함유하는 플라스크에 옮겼다. 반응 슬러리를 주변 온도에서 암소에서 24 hr 교반하였다. 반응 후에, 상청액을 버린 후 원심분리 (1500 x g, 20 min)에 의해 감자 과립을 수거한 후, 3개의 50 mL 폴리프로필렌 스크류-캡 원심분리관 (각각 20 mL의 무수 에탄올을 함유함)에 분할하였다. 결과적인 관을 알루미늄 호일로 덮고 (주변 광에 대한 노출을 최소화하기 위해), 미반응 시약을 제거하기 위해 손목형 (wrist action) 진탕기 (모델 75, 버렐 코포레이션 (Burrell Corp., 미국 펜실베니아주 피츠버그))에 2 hr 동안 놓았다. 진탕기로부터 꺼낸 후에, 관을 원심분리하고 (1500 x g, 20 min), 상청액을 버린 후, 각각의 관 내의 회수된 감자 과립을 새 무수 에탄올 (20 mL)에 재현탁하였다. 원심분리 후에 에탄올 세척 매질이 무색이 될 때까지 (미반응 염료의 제거를 나타냄), 상기 세척 절차를 다수회 반복하였다. 변형된 감자 과립을 부흐너 깔때기 (Buchner funnel)에 수집하고,암소에서 공기 건조시켰다. DTAF 시약을 반응계에 첨가하지 않은 것을 제외하고는 반응 대조군을 동일한 방식으로 제조하였다.

프로필렌 옥시드를 사용한, 시판되는 감자 과립의 화학적 변형

RS 형성에 대한 화학적 변형의 효과를 결정하기 위해 시판되는 감자 과립을 2가지 상이한 온도 조건 (22℃ 및 48℃) 하에 4개의 상이한 시약 첨가 수준 (감자 과립 건조 중량 기준으로 4.6%, 9.1%, 12.8%, 및 18.3% [w/w])에서 프로필렌 옥시드로 변형하였다. 요인 (4 x 2) 실험을 위한 반응계 파라미터를 표 2에 제시한다.

각각의 반응을 위해, 감자 과립 (4.5 g, db)을 100 mL 둥근 바닥 플라스크로 옮기고, 계속 기계적으로 교반하면서 이소프로판올 (11 mL) 내에 현탁한 후, 3.5 mL의 NaOH (5.0 M)를 플라스크에 점차적으로 적가하였다.

감자 과립을 반응 슬러리 내에 균일하게 분산시키기 위해 현탁액을 교반하였다 (2 min). 변형을 위해, 감자 과립 슬러리의 목적하는 반응 온도 (22℃ 또는 48℃)로의 평형화를 허용하기 위해 반응 플라스크를 환경 실험 인큐베이터 진탕기 (모델 G24, 뉴 브런즈윅 사이언티픽 코. (New Brunswick Scientific Co., 미국 뉴저지주 에디슨))에 옮겼다. 모든 반응에 대해 일관된 조건을 유지하기 위해, 인큐베이터 내에 장착되고 7/8" x 3/16" 교반 막대 (부품 번호 58947-106, 브이더블유알 인터내셔날 (VWR International, 미국 펜실베니아주 웨스트 체스터))를 이용하는 바리오마그 (Variomag) (모델 폴리 15 (Poly 15), 미국 플로리다주 데이토나 비치) 대용량 자석 교반기를 사용하여 교반을 390 rpm에서 표준화하였다. 의도된 변형 수준에 따라 적절한 양의 프로필렌 옥시드 시약을 반응 플라스크에 첨가하고 (표 1), 유도체화 동안 반응계 구성요소의 증발을 방지하기 위해 유리 스토퍼 (stopper)를 반응 플라스크 위에 두었다. 반응 대조군을 시약이 첨가되지 않은 것을 제외하고는 동일한 반응 조건에 적용하였다.

모든 반응은 24 hr 동안 진행시켰다. 반응 후에, 감자 과립 슬러리를 무수 에탄올 내의 HCl (3.0 M)의 용액으로 중화시켰다. 변형된 감자 과립을 부흐너 깔때기에 회수하고, 염 및 소비된 시약을 제거하기 위해서 45% (v/v) 수성 에탄올 (150 mL)로 필터를 세척하였다. 필터에 대해 무수 에탄올을 사용한 최종 세척을 수행한 후, 변형된 감자 과립을 수집하고, 밤새 공기 건조시켰다.

프로필렌 옥시드 및 나트륨 트리메타포스페이트 ( STMP )를 사용한 시판되는 감자 과립의 이중 화학적 변형

RS 형성에 대한 이중 화학적 변형의 효과를 조사하기 위해 감자 과립을 프로필렌 옥시드 및 나트륨 트리메타포스페이트 (STMP)로 변형시켰다. 3개의 프로필렌 옥시드 첨가 수준 (감자 과립 건조 중량 기준으로 0%, 10%, 및 20% [w/w]), 4개의 STMP 첨가 수준 (감자 과립 건조 중량 기준으로 0%, 1.0%, 2.0%, 및 4.0% [w/w]), 및 3개의 반응 온도 조건 (22℃, 34℃, 및 48℃)을 사용한 요인 설계 (3 x 4 x 3)를 감자 과립의 변형을 위해 사용하였다.

히드록시프로필화를 상기 기재한 조건 하에서, 그러나 앞의 문단에서 특정된 시약 첨가 수준 및 반응 온도에 따라 수행하였다. 24시간의 히드록시프로필화 반응 시간의 종료 후에, 각각의 반응 플라스크의 유리 스토퍼를 치우고, 적절한 양의 STMP 시약 (의도된 변형 수준 기준으로)을 반응계에 첨가하였다. 유리 스토퍼를 반응 플라스크 상에 놓고, STMP와의 반응을 추가로 3시간 동안 진행시켰다. 반응 시간의 종료시에, 변형된 감자 과립 생성물을 세척하고, 히드록시프로필화 감자 과립에 대해 이전에 설명된 바와 같이 회수하였다. 반응 대조군을 프로필렌 옥시드 또는 STMP 시약이 첨가되지 않은 것을 제외하고는 동일한 반응 조건에 적용하였다.

히드록시프로필화 감자 과립에 대한 몰 치환도 ( MS ) 결정

변형된 감자 과립의 몰 치환도 (MS) 값을 문헌 [Johnson (1969)]의 분광광도 측정 절차에 의해 결정하였다. 변형된 감자 과립 물질 (100 mg, db)을 100 mL 용적 플라스크 내로 칭량하여 도입한 후, 1.0 N 황산 (25 mL)을 플라스크에 첨가하였다. 반응 대조군 샘플을 참조물로서 유사한 방식으로 제조하였다. 두 플라스크를 비등 수조에 넣고, 3 hr 동안 가열하였다. 플라스크 내용물을 주변 온도로 냉각하고, 탈이온수로 100 mL의 부피로 희석하였다. 각각의 플라스크로부터의 1 mL 분취액 (변형된 및 참조 샘플)을 2개의 별개의 25 mL 눈금 시험관에 옮겼다. 또한, 감자 과립 MS 수준의 정량을 돕기 위한 표준 곡선을 작성하기 위해 표준 수용액의 분취액 (1 mL) (mL당 10, 20, 30, 40 또는 50 jig의 프로필렌 글리콜 함유)을 유사한 방식으로 처리하였다. 시험관을 냉수에 담근 상태로, 진한 황산 (8 mL)을 각각의 시험관에 적가하였다. 시험관을 마개로 막고, 볼텍싱하고 (5 sec), 비등 수조에 둔 후 (3 min), 얼음조 (30 min)에서 즉시 냉각하였다. 닌히드린 용액 (0.6 mL, 5% [w/v] 수성 중아황산나트륨 중의 1,2,3-트리케토히드린덴 결정의 3% [w/v] 용액)을 각각의 시험관에 조심스럽게 첨가하고, 내부 시험관 벽에 충돌시켰다. 손으로 부드럽게 진탕시킨 후 (약 4초), 시험관을 25℃ 수조에 둔 후 (100 min), 각각의 시험관의 부피를 진한 황산으로 25 mL로 조정하고, 혼합하였다 (튜브를 여러 번 뒤집음). 변형된 및 참조 감자 과립 물질을 제시하는 용액을 즉시 별개의 10 mm 큐벳에 옮겼다. 큐벳을 정치시킨 후 (5 min), 참조물로서 제조된 반응 대조군 샘플을 사용하여 샘플을 분광광도계 (UV160U, 시마즈 (Shimadzu, 일본 교또))로 590 nm에서 분석하였다. mL당 10, 20, 30, 40 또는 50 jig의 프로필렌 글리콜을 함유하는 표준 수용액의 분석을 기초로 하여 표준 곡선을 작성하였다. 감자 과립 샘플의 단위 중량당 히드록시프로필기의 중량 % 비 (%)를 아래 식 (1)에 따라 계산하였다:

(1) 히드록시프로필기 함량 (C3H7O%) = (C x 0.7763 x 10)/W

여기서, C는 분석된 샘플 용액에 존재하는 프로필렌 글리콜 해당 기의 농도이다 (g/mL, 표준 곡선으로부터 얻음). 0.7763의 계수는 프로필렌 글리콜 분자의 중량을 히드록시프로필기 (HPG)의 중량으로 전환하기 위해 사용하고, W는 분석되는 감자 과립 샘플 (mg)의 전분 부분의 중량을 나타낸다. 10의 순 인자 (factor)는 단위 전환 [㎍을 mg으로], 희석 배율, 및 % 비 계산을 집합적으로 설명하기 위해 포함되었다. 단순함을 위해 (및 전분 분획 내의 MS 수준을 계산하는 보수적인 접근법으로서), 상기 계산은 모든 시약기가 전분 분획 내에 위치하는 것으로 추정한다. 수식 (1)로부터 얻은 값을 사용하여, 전분 MS 값 (무수글루코스 단위 [AGU]당 히드록시프로필기의 평균수)을 하기 수식 (2)를 이용하여 얻었다,

(2) MS = (C3H7O% x 162)/((100 - C3H7O%) x 59.08)

여기서, 숫자 162 및 59.08은 각각 AGU 및 히드록시프로필기의 분자량을 반영한다 (Lawal et al., 2008). 상기 분석 방식에서, 전분, 세포벽 다당류, 또는 다른 잠재적으로 반응성인 구성성분에 부착된 프로필렌 옥시드기를 구별하는 것은 불가능하였다. 따라서, 본원에서 보고된 MS 값은 모든 프로필렌 옥시드기가 전분 분획 내에서 반응한다고 추정한 것이다 (즉, MS 값은 전분 기준으로 제시됨). 또한, 상기 분석은 가교결합 치환기가 히드록시프로필기 MS의 결정을 방해하였다는 사실 때문에, 가교결합되지 않은 히드록시프로필화 과립에 대한 MS 값을 결정하기 위해서만 이용될 수 있었다.

가교결합된 감자 과립에 대한 치환의 정도 ( DS ) 결정

변형된 감자 과립의 총 포스페이트 함량으로부터 반응 대조군의 고유한 인 함량 (0.0032 g/g 감자 과립)을 차감함으로써 혼입된 인을 계산하였다. 변형된 감자 과립 내의 인 (P) 수준은 문헌 [Anderson (1996)]의 방법에 따라 유도 결합 플라즈마-원자 방출 분광기 (ICP-AES)에 의해 결정하였다. 히드록시프로필화에 대한 MS 계산과 유사하게, DS 값은 혼입된 인이 감자 과립의 전분 분획 내에만 존재한다는 추정 하에 계산되었다. STMP로 유도체화된 감자 전분의 치환의 정도 (DS)를 계산하기 위한 식은 하기 수식 (3)에 제시된다:

(3) DS = P* 162/31

상기 수식에서, 162는 전분 AGU의 분자량이고, 31은 인의 분자량이고, P는 변형된 감자 과립 내의 혼입된 인의 중량 당량 (g/g 전분)이다.

전분 소화능의 시험관내 결정

변형된 및 대조군 감자 과립 둘 모두의 시험관내 가수분해에 대해 문헌 [Englyst et al. (1992)]에 기재된 방법을 약간 변형하여 분석하였다.

간단히 설명하면, 다양한 전분 분획 (총 전분 [TS]; 신속하게 소화될 수 있는 전분 [RDS]; 느리게 소화될 수 있는 전분 [SDS]; 저항성 전분 [RS])을 인버타제, 판크레아틴 및 아밀로글루코시다제와 함께 인큐베이션 동안 감자 과립 또는 전분 샘플로부터 방출된 글루코스 (신속하게 이용가능한 글루코스 [RAG] 또는 느리게 이용가능한 글루코스 [SAG])의 양을 기초로 하여 계산하였다. 일반적으로, 전분 함유 물질의 인큐베이션은 진탕 수조 내에 담긴 마개를 한 관에서 37℃에서 수행하였다. 다양한 전분 분획의 결정이 단일 샘플을 기초로 하여 아래에서 설명되지만, 실제로는 한번에 7개까지의 샘플 관 (반응 대조군 및 샘플 블랭크 (blank) 포함)을 동시에 분석할 수 있었다.

효소 용액 및 시약 제조

다양한 분석을 위한 효소 용액은 다음과 같이 제조하였다. 아밀로글루코시다제 용액은 0.24 mL의 효소 (300 단위/mL, 카탈로그 No. A7095, 시그마-알드리치 코포레이션)를 5 mL 유리 비커에 넣고, 140 단위/mL의 최종 효소 농도가 되도록 탈이온수로 0.5 mL로 희석하여 제조하였다. 판크레아틴 효소 용액은 50 mL 폴리프로필렌 원심분리관 내에서 판크레아틴 (1.0 g, 카탈로그 No. 7545, 시그마-알드리치 코포레이션)을 탈이온수 (6.7 mL)로 희석함으로써 제조하였다. 상기 용액을 교반하고 (5 min), 원심분리한 후 (1500 x g, 10 min), 상청액을 보관하였다. 생성되는 판크레아틴 용액 상청액의 일부 (4.5 mL)를 제조된 아밀로글루코시다제 용액 (0.5 mL) 및 0.5 mg의 인버타제 (300 단위/mg, 카탈로그 No. I4504, 시그마-알드리치 코포레이션)와 혼합하여 모든 분석을 위해 사용되는 최종 효소 용액을 생성하였다. 모든 효소 용액은 사용 직전에 새로 제조하였다.

완충제를 제조하기 위해, 13.6 g의 아세트산나트륨 삼수화물을 포화 벤조산 용액 (250 mL)에 용해시키고, 탈이온수로 1.0 L로 희석하였다. 아세트산 (0.1 M)을 사용하여 완충제 용액을 pH 5.2로 조정한 후, 1.0 M CaCl2 용액 (4 mL)을 첨가하여 효소를 안정화 및 활성화시켰다.

신속하게 이용가능한 글루코스 ( RAG ) 및 느리게 이용가능한 글루코스 ( SAG )의 시험관내 측정

변형된 감자 과립 물질 또는 전분 (600 mg db)을 50 mL 스크류-캡 폴리프로필렌 원심분리관 내로 칭량하여 도입한 후, 0.1 M 아세트산나트륨 완충제 용액 (20 mL)을 첨가하였다. 아세테이트 완충제만을 함유하는 샘플 블랭크 (감자 과립 또는 전분 물질 미함유)는 아밀로글루코시다제 용액에 존재하는 임의의 글루코스를 보정하기 위해 제조하였다. 감자 과립 또는 전분 물질이 담긴 관에 마개를 하고, 격렬하게 볼텍싱하였다 (1 min).

(조리 단계 후에) "섭취되는" 것으로서 분석되는 감자 과립 또는 전분 샘플의 경우, 관을 비등 수조에 30 min 동안 둔 후, 주변 온도로 냉각하였다. "있는 그대로"를 기준으로 분석되는 감자 과립 또는 전분 샘플의 경우, 상기 가열 단계는 생략되었다.

감자 과립 또는 전분 물질이 담긴 관을 진탕 수조 (모델 406015, 어메리칸 옵티칼 (American Optical, 미국 뉴욕주 버팔로))에서 37℃에서 평형화하였다. 표적 온도에 도달 한 후, 5 mL의 최종 효소 용액을 감자 과립 또는 전분 현탁액에 첨가하였다. 이어서, 관을 마개로 단단히 막고, 수평 방식으로 수조의 진탕 메카니즘에 단단히 고정시키고 (완전히 담금), 수조를 160 스트로크/min으로 조정하였다. 또한, 66% (v/v) 수성 에탄올 (20 mL)이 담긴 2개의 추가의 관을 준비하고, 각각 20 및 120 min 후에 효소 소화시킨 감자 과립 또는 전분 샘플로부터의 글루코스 추출을 위해 남겨두었다.

20 min의 인큐베이션 후에, 0.5 mL의 생성되는 가수분해물 원래의 25 mL 현탁액으로부터 취하여 (수식 (4)에서 희석 배율 [D] = 50), 66% 수성 에탄올 (20 mL; 수식 (4)에서 시험 부피 [Vt] = 20.5)이 담긴 사전에 준비한 관에 옮겼고, 이것은 소화 20 min 후에 샘플로부터 방출된 글루코스의 양을 나타낸다 (RAG; 관은 G20으로 지정됨). 샘플링 후에, 감자 과립 또는 전분 물질이 담긴 원래의 관을 추가의 인큐베이션을 위해 즉시 진탕 수조에 다시 넣었다. 추가의 100 min 인큐베이션 (총 120 min) 후에, 제2의 0.5 mL 샘플을 다시 취하여, 66% 수성 에탄올이 담긴 제2 관에 옮겼다 (120 min 소화 후에 샘플로부터 방출된 글루코스의 양을 나타냄 [SAG]; 관은 G120으로 지정됨). G20 및 G120 관을 모두 원심분리 (1500 x g, 5 min)하여 다음 문단에서 기재되는 추가의 글루코스 분석 전에 투명한 상청액 (글루코스 함유)을 얻었다.

변형된 감자 과립을 나타내는 생성된 상청액 (G20, G120)에 대해, 0.1 mL의 각각의 상청액을 피펫을 사용하여 별개의 큐벳으로 옮겼다. 상업상 이용가능한 키트 (글루코스 분석 키트 [K-GLUC], 메가자임 인터내셔날 아일랜드 엘티디. (Megazyme International Ireland Ltd., 아일랜드 위클로우))를 사용하여 글루코스 옥시다제/퍼옥시다제 효소 반응을 통해 글루코스 함량을 측정하였다. 글루코스 옥시다제/퍼옥시다제 시약 (GOPOD) 및 아세테이트 완충제 블랭크를 키트 제조자의 지시에 따라 제조하였다. GOPOD 시약 (3.0 mL)을 각각의 큐벳 (0.1 mL의 G20 또는 G120 용액 함유)에 첨가한 후, 큐벳을 후속적으로 45℃에서 인큐베이션하였다 (20 min). 0.1 mL의 글루코스 표준 용액 (1.0 mg/mL; 수식 (4)에서 AD-글루코스 표준물로 지정됨)이 담긴 관을 동일한 방식으로 처리하였다. 인큐베이션 후에, 큐벳을 아세테이트 완충제 블랭크에 대해 510 nm에서 분광광도계로 분석하였다. 실험 샘플 (A샘플) 및 기지의 글루코스 표준물 (AD-글루코스 표준물)의 흡광도 값을 측정하였다. 글루코스 함량 (%)은 아래 수식 (4)에 따라 계산하였다:

(4) 글루코스 = 100*[1.0 (mg/mL)* A샘플/AD-글루코스 표준물]*Vt*D/Wt

G20 상청액에서 검출된 글루코스는 G'20으로 지정하고, G120 샘플에서 검출된 글루코스는 G'120으로 지정하였다. Wt는 감자 과립 또는 전분의 총 중량 (mg)이다. 본 섹션에서 상기한 바와 같이, Vt는 시험 용액의 총 부피 (20.5 mL)이고, D는 희석 배율 (50)이다. 100의 인자는 글루코스의 단위 비 (mg/mg 감자 과립)의 감자 과립 중량의 % 비 (%)로의 전환을 설명하기 위해 포함되었다.

총 글루코스 ( TG ) 함량 ( 비변형된 반응 대조군 감자 과립)의 측정

반응 대조군 감자 과립 샘플 내의 총 소화될 수 있는 글루코스 (TG) 함량의 결정을 위해 (및 변형된 감자 과립 내의 상기 값을 추정하기 위해), 반응 대조군 감자 과립 물질을 제조/가열하고, 상기 기재된 프로토콜에 유사한 효소적 소화에 적용하였다. 그러나, 감자 과립 반응 대조군 물질이 담긴 관은 단지 120 min 동안만 소화시켰다 (즉, 20 min 인큐베이션 기간은 미포함됨). 120 min 인큐베이션 후에, 원래의 25 mL 소화 부피가 담긴 관을 비등 수조에 넣고 (30 min), 볼텍싱하고 (10 sec), 얼음 수조에서 냉각하였다 (20 min). 냉각 후에, 7.0 M KOH (10 mL)를 혼합하면서 관에 옮기고, 관을 얼음 수조 (30 min) 내에서 분당 120 스트로크로 진탕하였다. 생성되는 가수분해물 (1 mL)을 0.5 M 아세트산 (10 mL)이 담긴 50 mL 원심분리관에 옮겼다 (수식 (4)에서 희석 배율 [D] = 35). 제조된 아밀로글루코시다제 용액 (0.2 mL)을 관에 첨가하고, 이어서 수조 내에서 70℃에서 인큐베이션하였다 (30 min). 인큐베이션 후에, 관을 비등 수조에 옮기고 (10 min), 실온으로 냉각하고, 탈이온수로 50 mL로 희석하였다 (50 mL; 수식 4에서 시험 부피 [Vt] = 50). 이어서, 임의의 남아있는 불용성 물질을 제거하기 위해 관을 원심분리하였다 (1500 x g, 5 min). 상청액 (0.1 mL)을 피펫으로 GOPOD 시약 (3 mL)과 함께 큐벳 내에 넣고, 감자 과립 반응 대조군 물질에 존재하는 총 글루코스 (즉, 전분)의 측정치를 제공하기 위해 총 글루코스 함량을 상기한 바와 같이 결정하였다. 글루코스 함량 (TG)은 수식 (4)를 이용하여 값 Vt (50) 및 D (35)를 사용하여 계산하였다.

저항성 전분, 느리게 소화될 수 있는 전분, 신속하게 소화될 수 있는 전분, 및 총 전분의 결정

RDS (신속하게 소화될 수 있는 전분), SDS (느리게 소화될 수 있는 전분), RS (저항성 전분), 및 TS (총 전분)은 아래 수식 5-8을 사용하여 G'20, G'120, 및 TG 값으로부터 결정하였다. 이들 수식에서 0.9의 인자는 글루코스 값을 전분 함량으로 전환하기 위해 사용되었다.

(5) RDS = G'20 x 0.9.

(6) SDS = (G'120 - G'20) x 0.9.

(7) TS = TG X 0.9.

(8) RS = TS - (RDS + SDS)

시험관내 전분 소화능 지수 및 추정된 혈당 지수 결정

비변형된 또는 변형된 감자 과립의 소화능 지수를 RAG 및 SAG의 결정에 대해 기재된 방법과 유사하게 측정하였다. 상기 결정을 위해, 감자 과립 가수분해물을 제조하고, 상기 약술한 바와 같이 인큐베이션하되, 150 min의 총 분석 기간에 걸쳐 30 min 간격으로 샘플링하여 G30, G60, G90, G120, G150 가수분해물 용액 (각각의 소화 시간에 수집된 가수분해물에 대응함)을 얻었다. 각각의 소화 시간에 대해, 가수분해물을 원심분리하여 (1500 x g, 5 min), 투명한 상청액 (글루코스 함유)을 얻고, 이를 본원에서 기재되는 글루코스 옥시다제/퍼옥시다제 절차를 통해 글루코스 함량에 대해 검정하였다. 다양한 소화 기간 동안 방출되는 글루코스 (G'30, G'60, G'90, G'120, 및 G'150으로 지정됨)는 수식 (4)를 이용하여 계산하였다. 전분 소화능 지수를 측정하기 위해 문헌 [Goni et al. (1997)]의 절차를 사용하였고, 이는 수식 (9)에 따라 90 min의 인큐베이션 후에 소화된 전분의 양을 반응 대조군의 총 전분 함량으로 나눔으로써 계산된다 (HI90). 추정된 혈당 지수 (eGI)는 하기 수식 (10)에 따라 계산하였다 (Goni. et al., 1997).

(9) HI90 = ((G'90 x 0.9)/TS) x 100

(10) eGI = 39.21 + 0.803*(HI90)

변형된 감자 과립의 일반 성분 조성

다량영양소 함량에 대한 변형의 효과를 평가하기 위해 변형된 및 시판되는 감자 과립 제품에 대해 일반 성분 조성을 결정하였다. 수분 함량은 진공 오븐 방법을 사용하여 측정하였다 (Method 934.01; AOAC, 2000). 회분 함량은 전기로 (muffle furnace)를 사용하여 평가하였고 (Method 923.03; AOAC, 2000), 지질 함량은 석유 에테르를 사용한 속슬렛 (Soxhlet) 추출에 의해 측정하였다 (Method 920.39B; AOAC, 2000). 단백질 함량은 LECO 연소 분석기 CNS-2000 (레코 코퍼레이션 (LECO Corporatin, 미국 미시건주 세인트 조셉))을 사용하여 결정하였다 (Method 46-30, N x 6.25; AACC, 2000). 단백질, 탄수화물, 지질, 및 회분 함량은 모두 건조 중량 기준으로 계산하였다. 총 탄수화물 함량은 차이에 의해 계산하였다 (총 탄수화물% = 100% - [회분 % + 지방 % + 단백질 %]).

시차 주사 열량계 ( DSC )

시차 주사 열량계 (DSC, TA 2920, TA 인스트루먼츠 (TA Instruments, 미국 델라웨어주 뉴캐슬))를 사용하여 선택된 대조군 및 변형된 감자 과립의 열적 특성을 분석하였다. 감자 과립 (10 mg, db)을 스테인레스 스틸 팬에 칭량하여 도입하고, 20 ㎕의 탈이온수를 미세주사기를 사용하여 첨가하였다. 샘플 팬을 밀폐 봉합하고, 실온에서 밤새 평형화하고, 30 내지 180℃에서 10℃/min의 비율로 가열하였다; 밀봉된 빈 팬을 참조물로서 사용하였다. 전이 개시 (T o), 피크 (T p), 및 종료 (T c) 온도, 및 전이 엔탈피 (ΔR)를 TA 유니버셜 (Universal) 분석 소프트웨어 (버전 3.6)를 사용하여 기록하였다. 초기 가열 후에, 샘플 팬을 4℃에서 다양한 기간 동안 냉장 저장하고 (0, 7, 14 또는 21일), 감자 과립 샘플 내의 전분 노화의 수준을 조사하기 위해 재가열하였다.

현미경 영상화

시판되는 감자 과립을 실질 세포 구조 및 형태에 대해 광학 현미경을 통해 시각적으로 검사하고, 실질 세포 내의 전분 위치의 확인은 아이오딘 염색 (I2/KI 용액 = 0.05%/0.5%, w/v)에 의해 이루어졌다. 모든 샘플은 디지털 카메라 (큐 이미징 마이크로퍼블리셔 3.3 (Q Imaging Micropublisher 3.3, 캐나다 비씨 버나비))가 장착된 니콘 이클립스 (Nikon Eclipse) E600 현미경 (니콘 인스트루먼츠 인크. (Nikon Instruments Inc., 미국 뉴욕주 멜빌))을 사용하여 가시화하였다.

DTAF (형광 프로브)로 유도체화된 감자 과립의 광학상 절편은 시약이 실질 세포 내의 전분 분자에 접근할 수 있는 정도를 조사하기 위해 바이오래드 (BioRad) MRC 1024 공초점 레이저 주사 현미경 (CLSM) 시스템 (칼 자이스 마이크로이미징 (Carl Zeiss Microimaging, 미국 뉴욕주 톰우드))을 사용하여 조사하였다. 사전에 왁스로 가볍게 코팅된 현미경 슬라이드 상에 미소량의 DTAF-유도체화된 감자 과립을 뿌림으로써 샘플 시료를 제조하였다. 이어서, 왁스의 용융/경화를 통해 과립을 유리에 부착시키기 위해 슬라이드를 불꽃 위로 신속히 통과시켰다 (Huber and BeMiller, 2000). 부착된 과립을 침지유 및 유리 커버 슬립으로 덮고, CLSM으로 관찰하였다. 여기는 청색광 (488 nm) 조명을 사용하여 크립톤/아르곤 레이저 (10% 출력)로 달성하였다.

변형된 및 비변형된 시판되는 감자 과립의 전자 현미경 사진은 주사 전자 현미경 (SEM, 수프라 (Supra) 35VP, LEO-32, 칼 자이스 마이크로이미징)을 통해 얻었다. 시료를 양면 탄소 테이프를 사용하여 알루미늄 스텁 (stub) 상에 올리고, 60/40 비율의 Au/Pd로 코팅하고, 1.0 kV의 가속 전압에서 가시화하였다.

실험적 설계 및 통계적 분석

본 연구에서 이용된 요인 설계는 모든 실험의 완전한 반복실험을 포함하였다. 각각의 반복실험 데이터 점은 개별적인 실험 단위로 고려된다.

각각의 실험 단위에 대해, MS, 전분 소화능 (RDS, SDS, RS, 및 TS 결정), 일반 성분 조성 (수분, 지질, 단백질, 탄수화물, 및 회분 함량) 및 열적 특성 (T o, T p, T c 및 ΔR)은 이중으로 분석하였다. 데이터를 분산 분석 (ANOVA) (< 0.05)에 의해 통계적 유의성에 대해 분석하였고, 처리 평균 값 사이의 차이는 최소 유의차 (LSD) 시험을 사용하여 확인하였다. RS 함량과 MS 값 사이의 관계를 평가하기 위해 피어슨 (Pearson) 상관 분석을 수행하였다. 모든 통계적 계산은 SAS 소프트웨어 (버전 9.2, SAS 인스티튜트 인크. (SAS Institute Inc., 미국 노쓰캐롤라이나주 캐리))를 사용하여 수행하였다.

결과 및 논의

시판되는 감자 과립 내의 전분 분획의 반응성

감자 과립은 즉석 요리용의 으깬 감자 제품을 탈수된 형태로 생산하기 위해 으깨기 및 건조 과정에 적용된 사전조리된 감자로부터 상업적으로 제조된다. 표 3은 본 연구를 위한 출발 물질로서 사용된 시판되는 감자 과립의 화학적 조성을 제공한다. 시판되는 감자 과립은 상당량의 탄수화물 (85.3%)을, 주로 전분 (78.5%)의 형태로 함유하였지만, 측정가능한 양의 다른 성분 (단백질, 지질, 회분)도 보유하였다. 탄수화물과 전분 함량 사이의 차이 (6.8%)는 식물 세포벽 다당류 (셀룰로스, 헤미셀룰로스, 펙틴 등)에 기인할 가능성이 가장 컸다. 광학 현미경 하에서, 시판되는 감자 과립은 주로 개별적인 실질 세포로 구성되었고, 이들은 각각 젤라틴화 전분의 덩어리 (아이오딘 용액으로 염색된 어두운 영역)를 포함하는 상당히 무손상의 1차 세포벽을 보인다 (도 3). 현미경 관찰을 기초로 하여, 세포 내의 젤라틴화 전분은 평면 편광 (데이터 미제시) 하에 임의의 원래의 과립 구조 또는 복굴절성을 보유하는 것으로 보이지 않았고, 따라서 화학물질에 의한 변형을 위해 쉽게 이용가능할 것으로 예상된다.

반응에 대한 실질 세포 내의 전분 분자의 접근성을 측정하기 위해 알칼리성 (트리에틸아민) 모델 시스템 내에서 DTAF (형광 프로브)를 사용한 시판되는 감자 과립의 유도체화를 수행하였다. 미반응 염료의 변형 및 제거 후에, 유도체화된 감자 과립의 광학상 절편 (그의 대략 기하 중심에서)을 CLSM에 의해 가시화하였다. 실질 세포 광학상 절편은 균일한 형광 패턴을 보였고 (도 4), 이것은 시약에 의한 실질 1차 세포벽의 성공적인 투과 및 세포 내의 전분의 균일한 반응을 시사한다. DTAF 시약이 첨가되지 않은 동일한 반응 조건에 적용한 대조군 (비변형된) 감자 과립은 임의의 가시적인 형광을 보이지 않았다 (데이터 미제시). 균일한 염료 패턴은 실질 세포 내의 전분이 균일하게 반응성임을 제시하였고, 있다손 치더라도 임의의 천연 전분 과립 구조가 시판되는 감자 과립에 거의 유지되지 않다는 사실을 지지하였다. 또한, 형광 염료의 균등한 분포는 유사한 반응 패턴이 전통적인 전분 변형 시약을 사용하여 달성될 수 있다는 확실한 증거를 제시하였다. 효소 작용에 입체 장애를 부여하기 위해 전분 고분자 상에 큰 화학기를 균일하게 도입함으로써, 전분 분해 효소에 의한 전분의 (글루코스로의) 가수분해에 대한 가장 효과적인 장애를 제공한다고 가정되었기 때문에 균일한 전분 반응 패턴이 바람직하였다.

저항성/느리게 소화될 수 있는 전분 결정 방법의 타당성 조사

다양한 시험관내 RS 결정 방법 중에서, AOAC 식이 섬유 결정 (Method 985.29; AOAC, 1997) 및 문헌 [Englyst et al. (1992)]의 절차는 그의 우수한 반복가능성 및 신뢰성 때문에 널리 인정되어 있다. 문헌 [Englyst et al. (1992)]의 시험관내 방법도 설계되었고, 효소 (인버타제, 췌장-아밀라제 및 아밀로글루코시다제)의 조합을 사용하여 인간 소화 과정을 시뮬레이션하기 위해 조사되었다. 본 연구에서, 저항성 전분 (RS), 느리게 소화될 수 있는 전분 (SDS), 및 신속하게 소화될 수 있는 전분 (RDS) 값의 적절한 결정을 확인하기 위해 시판되는 감자 과립 ('있는 그대로' 및 수화된/가열된 것) 및 감자 전분 (천연/미가공 및 수화된/가열된 것)을 문헌 [Englyst et al. (1992)]의 방법에 따라 평가하였다 (표 4). 평가한 모든 샘플 중에서, 천연/미가공 감자 전분은 최고 비율의 RS를 보유하였고 (78.1 g/100 g 건조물 또는 78.1%), 이것은 문헌 [Gormley and Walshe (1999)] (74.4%), [Champ et al. (1999)] (77.7%), 및 [McCleary and Monaghan (2002)] (77.0%)에 보고된 다른 시험관내 유도 값과 매우 일치하였다. 또한, 본 연구의 값은 문헌 [Champ et al. (2003)]에 의해 미가공 감자 전분에 대해 결정된 생체내 RS 값 (78.8%)에 비해 손색이 없었다. 이와 대조적으로, 수화된/가열된 (젤라틴화) 감자 전분은 가열시에 천연 전분 과립 구조의 상실 때문에 단지 낮은 수준의 RS (1.8%)만을 보였다. 시판되는 감자 과립 ('있는 그대로')의 경우, 낮은 수준의 RS가 관찰되었지만 (5.7%), 이들 초기 값은 간단한 가열에 의해 무시할 수 있는 수준으로 감소되었다 (수화된/가열된, 0.3%). 종합적으로, 상기 결과는 시험관내 방법을 기초로 하여 시판되는 즉석 요리용의 감자 과립 ('있는 그대로')에 대해 1%의 RS 값을 보고한 문헌 [Susan and Englyst (1993)]에 의해 발표된 것과 상당히 일치하였다. 보고 사이의 경미한 차이는 실험 조건의 차이뿐만 아니라, 감자 세포 내의 상이한 전분 노화도를 유발할 수 있는 감자 과립 제조자에 의해 사용된 처리 조건의 차이 때문에 발생할 수 있다. SDS에 대해, 천연/미가공 감자 전분은 16.6%의 값을 보였고, 이것은 본 발명자들의 연구에서 적용된 것과 동일한 방법을 사용하여 문헌 [Englyst et al. (1992)]에서 얻은 값 (16.0%)과 매우 근접한 것이었다. 이와 대조적으로, 가열 후에, 수화된/가열된 감자 전분의 SDS 값은 현저하게 감소하였고 (16.6%로부터 1.0%로), '있는 그대로' 및 수화된/가열된 즉석 요리용의 감자 과립은 둘 모두 매우 유사하지만 비교적 낮은 SDS 수준 (각각 2.3% 및 2.5%)을 함유하였고, 그 어느 것도 가열/비등에 의해 영향받은 것으로 보이지 않았다.

RS 및 SDS 둘 모두의 가장 큰 감소는 미가공 전분의 초기 가열/젤라틴화시에 발생하였고, 이는 천연 전분 과립 구조 (RS2)의 파괴와 동시에 발생하였다. 산업적 처리 동안 이미 조리/가열된 (전분 젤라틴화 온도 이상으로) 시판되는 감자 과립 ('있는 그대로')은 비등점에서 가열시에 무시할 수 있는 값으로 쉽게 감소되는 낮은 RS 수준을 가졌다. 따라서, 시판되는 감자 과립 ('있는 그대로')에 존재하는 낮은 수준의 RS는, 그 구조가 비등에 의해 파괴되는 것으로 알려진 산업적 처리 동안 발생하는 아밀로펙틴 노화의 결과로 보였다. 시판되는 감자 과립 ('있는 그대로' 및 수화된/가열된) 내의 SDS 수준은 비교적 유의하지 않고, 비등점에서 가열함으로써 크게 영향받지 않거나 감소되었다. 본 연구에서 생성된 실험적 RS/SDS 값은 문헌에 보고된 값과 관련되고 유효한 것으로 보인다.

전분 MS , RS , 및 SDS 수준에 대한 감자 과립의 치환의 효과

예비 실험을 기초로 하여, 수성 알콜 반응 매질이 시판되는 감자 과립의 화학적 변형 (즉, 치환)에 적합한 조건을 제공한다는 것이 확립되었다. 알콜이 포함되지 않으면, 반응 슬러리는 실질 세포 내의 전분이 상업적인 처리 동안 이미 젤라틴화된 사실 때문에 과량의 팽윤 및 물 흡수 (특히 반응을 촉매하기 위해 필요한 알칼리 수준에서)가 발생하기 쉬웠다. 반응 매질의 과량의 점도는 취급 및 교반을 극히 어렵게 만들고, 반응 효율을 손상시키는 물을 사용한 과량의 희석을 필요로 하였다 (시약 역시 물 히드록실기에 반응성이다). 이소프로판올을 반응 매질 내로 통합시킴으로써, 젤라틴화 전분의 팽윤은 최소화되고, 감자 과립 슬러리는 반응 경로에 걸쳐 교반가능한 상태로 유지되었다.

전분 몰 치환도 ( MS ) 수준에 대한 반응 조건의 효과

전분의 효과적인 반응을 촉진하기 위해 필요한 조건을 조사하기 위해서, 요인 실험적 설계를 사용하여 변형된 감자 과립의 몰 치환도 (MS) 및 RS 값 모두에 대한 시약 (프로필렌 옥시드) 수준 및 반응 온도를 조사하였다. 2개의 반응 온도 (22℃ 및 48℃) 및 4개의 프로필렌 옥시드 첨가 수준 (표 2)을 설계에 포함시켰고, 이것은 MS와 RS 수준 사이의 관계 조사를 용이하게 하였다.

표 5는 감자 과립 MS 수준에 대해 요인 실험의 ANOVA 결과를 보여준다. 프로필렌 옥시드 수준과 반응 온도 둘 모두는 감자 과립 MS 값에 유의한 영향을 주었다 (p < 0.05). 그러나, 2가지 주요 효과 사이에 유의한 2원 상호작용이 존재하였다. 데이터의 해석을 돕기 위해 상기 상호작용을 그래프로 제시하였다 (도 5). 종합적으로, MS 값은 평가된 두 반응 온도 조건 모두에 대해 시약 첨가 수준 증가와 대략 선형 방식으로 증가하였다. 여기서 관찰된 프로필렌 첨가 수준과 반응 MS 사이의 선형 관계는 젤라틴화와 과립 전분 반응 모두에 대한 이전에 발표된 보고와 잘 일치한다 ([Kishida et al., 2001]; [Shao, 2001]; [Han and BeMiller, 2005]). 시약 (즉, 형광 프로브)는 실질 세포벽을 쉽게 투과하여 세포 내의 전분과 상당히 균일하게 반응할 수 있기 때문에, 전분 MS 수준은 첨가된 프로필렌 옥시드 시약의 양에 비례할 것임을 이해할 수 있다 (등온 반응 조건으로 가정함). 그러나, 시약 수준 증가의 함수로서 MS 증가 속도는 반응 온도에 따라 상이하고 (48℃ > 22℃), MS의 가장 큰 규모의 차이는 최고 수준의 시약 첨가시에 관찰되었다. 알려진 상호작용을 기초로 하여, 실험 데이터를 반응 온도에 의해 통계학적으로 재분석하였다 (ANOVA) (표 6). 각각의 온도 조건 내에서, 개별 프로필렌 옥시드 첨가 수준은 반응 MS 수준에 따라 분명하게 구별되었다. 시약의 유사한 수준에 대해 2개의 반응 온도의 MS 수준을 비교할 때, 48℃의 반응 온도는 일반적으로 22℃에서 달성되는 것보다 1.5-2.4배 더 높은 MS 수준을 생성하였다. 제시된 반응 온도 조건 내의 MS 수준은 첨가된 프로필렌 옥시드의 양에 비례하는 것으로 보이지만, 반응 온도 자체가 변형된 감자 과립 내의 MS 수준을 향상시키는 중요한 수단을 제시하였다. 또한, 이전의 조사에서도 젤라틴화 및 과립 전분 기재 모두에 대한 치환 반응을 향상시키는 온도가 관찰된 바 있다 ([Shao, 2001]; [Han and BeMiller, 2005]). MS 수준에 대한 관찰된 온도 효과는 몇몇 상이한 시나리오에 의해 설명될 수 있고, 이들은 각각 아래에서 논의된다.

먼저, 상승한 반응 온도는 보다 높은 정도의 전분 팽윤을 유도하여 젤라틴화 전분 덩어리 내의 전분 분자가 시약에 보다 접근가능하도록 만들 수 있다. 유사한 가설이 과립 전분에 대해 제시되었다 ([Donovan, 1979]; [Gray and BeMiller, 2005]). 본 발명자들의 반응계에서, 감자 실질 세포 내의 전분은 산업적 처리 동안 이미 젤라틴화되었고, 심지어 실온에서도 물에서 과도하게 팽윤되는 경향이 있었다. 전분 팽윤을 최소화하고 반응 매질의 점도를 제어하기 위해 이소프로판올을 반응계 내로 통합시켰다. 상승한 온도 반응 조건 (즉, 48℃)는 경미하지만 유의한 방식으로 전분 팽윤을 향상시킬 수 있고, 이소프로판올은 반응 슬러리를 교반가능한 상태로 유지시켰다. 팽윤을 능가하여, 상승한 반응 온도는 시판되는 감자 과립 내의 전분 노화와 연관된 결정성을 불안정화 (용융)시키기에 충분할 수도 있다. 산업적 처리 동안 이용되는 가열-냉각 사이클 때문에, 어느 정도의 결정질 구조가 시판되는 감자 과립에 존재할 것으로 예상된다. 상기 가설은 시판되는 감자 과립에서 53℃-71℃의 용융 범위를 갖는 작은 전분 노화 피크 (ΔH = 0.6 J/g)를 검출한 DSC 분석에 의해 지지되었다 (표 22). 전분 노화 피크의 용융 범위가 연구의 최고 반응 온도 (48℃)를 초과하는 온도에서 발생하였지만, 반응계의 알칼리성 조건 및 프로필렌 옥시드의 점진적인 치환이, 감자 과립 내의 노화된 전분의 파괴가 비교적 감소된 온도에서 발생할 수 있도록 허용하는 불안정화 효과에 기여하는 것이 가능하다. 높은 pH 조건 (정전기적 반발력) 및 치환 반응 (Gray and BeMiller, 2005)은 전분 구조에 대한 불안정화 효과를 보이는 것으로 밝혀졌다. 상기 가능성을 지지하여, 변형 후의 감자 과립은 전분 노화를 나타내는 식별가능한 피크를 더 이상 보이지 않았다 (표 22). 따라서, 보다 높은 반응 온도 (48℃)에서 유발되는 전분 팽윤 및/또는 노화된 전분의 용융이 전분의 반응에 대한 접근가능성을 증가시킴으로써 비교적 보다 높은 전분 MS 수준을 유도하는 것이 가능하다.

<표 22>

두번째로, 온도 효과는 돈난 전위 현상과 관련될 수 있다. 문헌 [Oosten (1982)]는 히드록시드 음이온의 전분 과립 내로의 도입이 돈난 효과에 의해 감소된다고 제시하였다. 돈난 전위의 발생의 기초는 실질 세포의 내부 및 외부 pH 환경의 차이의 존재 가능성과 관련이 있다. 세포 내의 물은 전분 히드록실기와 평행 상태이고 (pK = 12.5), 세포 외부의 수상 (물 부재)은 14의 표준 pK를 보인다. 순수한 효과는 실질 세포 내부의 환경과 주위 세포외 환경 사이의 pH 차이이고, 비교적 더 낮은 pH (보다 높은 농도의 수소 이온)가 실질 세포 내에 존재한다. (세포내 환경과 세포외 환경 사이에서) 균형에 도달하기 위해, 세포 내로부터 외부 환경으로의 수소 이온의 유동 (및 전분 염을 형성하기 위한 Na+ 양이온의 세포 내로의 동시 유동)이 필요하고, 이에 의해 외부 환경에 비해 세포내 영역과 결합된 비교적 보다 큰 음전하가 생성된다 (세포 내의 염 형태는 세포 외의 H-형태보다 비교적 보다 쉽게 해리된다). 돈난 전위 (실질 세포와 결합된 보다 큰 음전하)의 존재는 실질 세포로 도입되어 전분 반응을 촉매하는 히드록시드 음이온에 대한 잠재적인 전하 장벽을 생성할 것이다. 그러나, 증가된 온도는 돈난 전위 효과를 감소시키고, 실질 세포 내의 잠재적 반발 전하를 극복하여 전분 반응을 촉매하기 위해 보다 많은 히드록시드 이온이 내부로 접근하도록 허용할 것으로 예상된다. 또한, 상기 현상은 연구의 2개의 반응 온도에 대해 관찰된 차별적 반응성을 부분적으로 설명할 수 있다.

마지막으로, 문헌 [Lammers et al. (1993)]은 수산화나트륨에 의해 촉매된 전분의 히드록시프로필화에 대한 반응속도를 조사하고, 전분 히드록실기의 pK에 대한 온도의 효과를 설명하기 위해 다음과 같은 수식을 제안하였다: pK = 2174(1/T) + 6.06 (T (°K)). 상기 수식을 기초로 하여, 상승한 온도는 전분 히드록실기의 pK를 감소시켜, 프로필렌 옥시드 시약과의 반응을 위한 보다 많은 비율의 탈양성자화된 전분 알콕시드 이온을 생성하는 경향이 있을 것이다. 상기 이론은 관찰된 반응 온도 효과를 지지할 것이다.

요약하면, 증가된 온도 및 시약 첨가 수준 둘 모두는 감자 과립 MS 값을 실질적으로 증가시키지만, 2개의 효과가 독립적으로 작용하는 것으로 밝혀지지 않았다. 증가된 반응 온도는 반응 속도 및 정도를 향상시키고, 증가된 시약 첨가 수준은 제시된 반응 온도 조건에 대해 전분 MS 값의 선형 증가를 유도하였다. 온도 효과는 조합 현상 (노화된 전분의 증가된 전분 팽윤/용융, 감소된 돈난 효과, 전분 히드록실기의 향상된 해리 등)에 의해 잠재적으로 설명되었다. 그러나, 반응 온도의 추가의 증가 (48℃ 초과)가 반드시 전분 MS 수준의 추가의 증가로 연결되지는 않았음에 주목하는 것이 중요하다. 70℃의 반응 온도는 실제로 전분 MS 값에 대해 유해한 효과를 보였고, 생성물 색상을 비롯하여 다른 품질 특성에 부정적인 영향을 갖는 것으로 보였다. 상기 현상에 기여하는 잠재적인 인자는 보다 높은 반응 온도에서 프로필렌 옥시드의 증가된 휘발성 및/또는 과량의 전분 팽윤에 의한 반응 매질의 크게 증가된 점도를 포함할 수 있다. 과립 전분 반응에 대한 44℃ 및 54℃의 대조적인 반응 온도에서, 문헌 [Han and BeMiller (2005)]은 상기 특정 온도 범위 외에서 전분 MS 수준에 대한 온도의 임의의 유익한 효과를 관찰하지 못하였다. 따라서, 반응 온도의 증가를 통해 감자 과립 반응성을 향상시키기 위해서는 물리화학적 및 실제적인 제한이 존재한다.

저항성 및 느리게 소화될 수 있는 전분 수준에 대한 반응 조건의 효과

이전 섹션에서 기재된 바와 동일한 변형된 감자 과립 물질을 RS 및 SDS 수준에 대한 반응 조건의 효과를 조사하기 위해 ANOVA에 의해 분석하였다. 표 7은 RS 값에 대한 온도 및 시약 첨가 수준의 유의성에 대한 ANOVA 결과를 보여준다. 이전 섹션에서 MS 결과에 대해 관찰된 것과 유사하게, 반응 온도 및 시약 수준의 주요 효과는 RS 값에 유의한 영향을 주었다. 그러나, 2가지 주요 효과 사이에 어떠한 유의한 상호작용도 관찰되지 않았고 (표 7 및 도 6), 이 결과는 MS 값에 관한 주요 효과에 대해 관찰된 것과 상이하였다. 상호작용의 결여는 부분적으로는 MS 결정에 비해 RS 결정과 연관된 보다 높은 정도의 실험 오차가 존재한다는 사실 때문일 수 있다. 유의한 상호작용의 결여에도 불구하고, RS 값에 대한 시약 첨가 수준의 효과는 MS 수준에 대해 이전에 제시된 데이터 (표 6)와 함께 각각의 반응 온도에 대해 분석하였다 (표 8). 각각의 반응 온도에 대해, 일반적으로 시약 첨가 수준이 증가하면서 RS 값이 단계적으로 증가하였지만, RS 값의 통계적 차이가 항상 모든 시약 첨가 수준에 대해 구별가능하지는 않았다. MS 수준에 대한 관찰과 유사하게, 반응 온도는 감자 과립 RS 수준에 대한 매우 큰 영향을 보였고, 48℃에서 반응한 물질은 유사한 수준의 시약 첨가에 대해 22℃에서 반응한 것보다 적어도 2배 더 많은 RS 함량을 보였다. 실험에서 최고 RS 값 (40.1%)은 최고 온도 (48℃)에서 감자 과립을 최고 수준의 시약 (감자 과립 중량 기준으로 18.3%)과 반응시킴으로써 달성되었다. 감자 과립 MS와 RS 수준 사이의 관계는 다음 섹션에 보다 상세하게 설명될 것이다.

이와 대조적으로, 어떠한 유의한 반응 온도 또는 시약 수준의 주요 효과도 감자 과립 SDS 수준에 대해 관찰되지 않았다 (표 9). 단지 낮은 수준의 SDS (< 8.3%)만이 사용된 반응 조건과 무관하게 검출되었고 (표 10), 시약 첨가 수준 사이의 SDS 수준의 논리적인 경향 (특이적 반응 온도 조건에 대해)이 관찰되지 않았다. 변형된 감자 과립 내의 SDS 결정과 연관된 높은 정도의 편차가 존재하였다. 이에 비해서, 화학적 변형 후에 과립 전분에 대해 관찰된 SDS 수준은 문헌 [Englyst et al. (1999)]에 기재된 바와 같은 시험 식품으로부터 방출된 글루코스의 측정에 의해 SDS가 검출된 문헌 [Han and BeMiller (2007)]의 보고 (각각 감자 및 옥수수 전분에 대해 21% 내지 35%)를 제외하고는, 대부분의 연구에서 9.0%를 초과하지 않는 것으로 밝혀졌다 ([Wolf et al.,1999]; [Woo and Seib, 2002]).

요약하면, RS의 형성은 전분 사슬 상에 화학적 치환기를 도입함으로써 성공적으로 달성하였지만, 화학적 변형은 소화 속도에 대해서는 거의 효과를 갖지 않는 것으로 보였다 (낮은 SDS 수준). 관찰된 SDS의 낮은 수준 및 SDS 결정의 신뢰성 결여를 기초로 하여, 이들 실험에서 SDS 수준에 대한 추가의 논의는 있다손 치더라도 그 의미가 거의 없을 것이다. 나머지 논의는 RS 효과에 대해서만 집중될 것이다.

몰 치환도와 저항성 전분 수준 사이의 관계

감자 과립 전분 MS와 RS 값 사이의 관계를 추가로 조사하기 위해서 상관 분석을 사용하였다. MS와 RS (r = 0.93) 수준 사이의 강한 양의 상관성이 관찰되었다. 종합적으로, 이러한 발견은 히드록시프로필화 전분의 생체 내 소화능을 기초로 한 문헌 [Leegwater and Lutin (1971)] 및 래트 식이 내의 이중 변형된 (히드록시프로필화/가교결합된) 타피오카 전분의 소화능을 조사하면서 유사한 발견을 보고한 문헌 [Kishida (2001)]의 결론과 일치한다.

RS와 MS 사이의 높은 상관성은 전분 무수글루코스 단위 (AGU)의 O-2, O-3 또는 O-6 위치에서 전분 분자 상에 큰 히드록시프로필기의 도입에 의해 설명될 수 있다. 히드록시프로필화가 입체 장애를 증가시킨다는 사실에 대해서는 의심의 여지가 없지만, 전분 AGU 상의 특정 치환 위치는 논쟁의 대상이 되고 있다 (Richardson et al., 2000). 대부분의 연구는 히드록시프로필 치환기가 전분 AGU의 O-2 위치에 도입될 가능성이 가장 크다고 제시하였다 ([Xu and Seib, 1996]; [Merkus et al., 1977]; [Richardson et al., 2000]). 전분 사슬을 따른 치환기의 존재는 입체 장애를 증가시키고, 효소적 가수분해에 대한 전분 취약성을 감소시킨다.

판크레아틴을 사용한 소화를 기초로 하여, 문헌 [Leegwater (1972)]은 MS 수준의 증가와 함께 히드록시프로필 전분에 대한 환원력의 기하급수적 감소를 규정하기 위한 통계적 모델을 제시하였다. 전분 분자 상의 히드록시프로필기의 무작위 분포에 대해, 환원력은 전분 MS에 정비례한다고 설명되었다. 상기 연구 내의 낮은 MS 수준에 대해 MS와 RS 값 사이의 대략적인 선형 관계는 전분 사슬 상의 치환기의 무작위 분포를 의미한다 (도 7). 그러나, 최고 MS/RS 수준에서 경미한 선형성의 상실이 존재하는 것으로 보였다 (도 6). 상기 관찰은 보다 높은 치환 수준에서 전분 사슬 상의 치환기의 보다 작은 무작위 분포에 의해 설명될 수 있다. 히드록시프로필기 자체는 프로필렌 옥시드와 추가로 반응하여 치환기의 올리고머 및 또는 중합체 사슬을 형성할 수 있는 히드록실기를 갖는다. 동일한 전분 AGU의 여러 위치에서의 다중치환이 발생하여 (특히 높은 시약 첨가 수준에서) 보다 높은 전분 MS 수준에 기여할 수 있고, 종종 RS 수준에는 최소로 추가 기여한다 (단일 부위에서의 다중 변형은 전분 가수분해에 대한 추가의 저항성을 부여할 것으로 보이지 않는다). 또 다른 잠재적인 설명은 본 연구에서 감자 과립 MS 수준이 전분과 세포벽 다당류의 치환을 구별하지 못한다는 것일 수 있다. 보다 높은 비율의 세포벽 다당류 분자 (전분과 달리)가 높은 MS 수준에서 치환되는 것이 가능하고, 이 반응 전환은 RS 수준에 기여하는 것으로 예상되지 않는다. 이러한 가능성은 연구의 최고 수준의 시약 첨가시에 MS와 RS 수준 사이의 상관성 결여에 대한 가설적인 설명을 제공하지만, 이것이 실제로 그러한지에 대한 직접적인 증거는 본원에서 제시되지 않는다.

히드록시프로필화 밀 전분 (MS 0.04)에 대해, 문헌 [Leegwater and Luten (1971)]은 본 발명자들의 연구에서 유사한 MS 수준 (0.042, 표 6)에 대해 관찰된 것 (14.6%, 표 8)에 비해 약간 더 높은 RS 함량 (20%)을 보고하였다. 그러나, 본 발명자들의 연구에서 보고된 RS 함량 (MS~0.049, 표 6; RS~18.7%, 표 8) 및 문헌 [Kishida (2001]) (젤라틴화 히드록시프로필화 타피오카 전분)의 것에 거의 차이가 없고, 이 둘은 대략 0.05의 MS 수준에서 대략 20%의 RS를 얻었다. 본 발명자들의 발견과 다른 연구의 분석 사이의 경미한 차이는 아마도 기재의 차이 (감자 과립 대 밀 및 옥수수 전분) 및 전분 소화능 결정을 위한 상이한 방법의 사용에 의한 것일 것이다. 그러나, 이들 결과는 함께 프로필렌 옥시드를 사용한 전분의 화학적 변형이 전분 소화능을 감소시키고 유의한 수준의 RS를 생성함을 나타낸다. 본 발명자들의 연구에서 40.1%의 최고 RS 수준 (표 8)은 감자 과립에 대해 0.17의 전분 MS (표 6) (6.04% 히드록시프로필기 함량, w/w)을 사용하여 달성되었고, 이는 WHO (1972)에 규정된 히드록시프로필화 제품에 대한 최대 허용량 미만 (전분 내의 7% 미만의 히드록시프로필기 함량, w/w)이다.

전분 MS 및 RS 수준에 대한 이중 변형의 효과

이전 섹션에서, 반응 온도 및 프로필렌 옥시드 첨가 수준 둘 모두가 감자 과립 RS 값에 대해 유의한 영향을 주지만, SDS 값의 촉진에 대해서는 거의 영향을 주지 않음이 입증되었다. 다른 보고서에서, 가교결합 시약인 나트륨 트리메타포스페이트 (STMP)가 과립 전분과의 반응에서 RS/SDS를 생성하기 위해 사용되었다 ([Woo and Seib, 1997]; [Haynes et al., 2000]). 감자 과립 RS 함량에 대한 히드록시프로필화 및 가교결합 반응의 조합 효과를 조사하기 위해 제2 요인 실험을 수행하였다. 3개의 반응 온도 수준 (22℃, 34℃ 및 48℃), 3개의 프로필렌 옥시드 첨가 수준 (감자 과립 건조 중량 기준으로 0%, 10% 및 20% [w/w]), 및 4개의 STMP 첨가 수준 (감자 과립 건조 중량 기준으로 0%, 1%, 2% 및 4% [w/w])이 본 조사에 포함되었다. 이중-변형된 감자 과립 유도체의 제조를 위해, 프로필렌 옥시드를 사용한 치환을 항상 먼저 수행한 후, 가교결합을 실시하였다 (산업적인 설정도 이와 같다).

전분 몰 치환도 ( MS ) 수준에 대한 반응 조건의 효과

표 11은 연구의 모든 시약 조합 및 반응 온도에 대한 MS (히드록시프로필화) 및 DS (가교결합) 값의 요약을 제공한다. 가교결합이 히드록시프로필화 MS 값의 결정을 혼란스럽게 한다는 사실 때문에, 가교결합 시약이 사용되지 않은 감자 과립 유도체에 대한 히드록시프로필화 MS 값만이 측정될 수 있었다. 따라서, 표 11에서, 이중-변형된 감자 과립에 대한 히드록시프로필화 MS 값은 "결정되지 않음" (ND)으로 표시된다. 그러나, 이중-변형된 감자 과립의 히드록시프로필화 MS 값은, 실질적으로 동일하지 않다면 (직접 결정되지 않았지만), 프로필렌 옥시드 반응의 입증된 반복가능성을 기초로 하여 그 각각의 비-가교결합된 감자 과립 유도체에 대해 결정된 것에 매우 유사할 것으로 예상된다. 이러한 제한 때문에, 모든 주요 효과 및 감자 과립 MS 및 DS 값에 대한 그의 상호작용을 동시에 평가하기 위해 포괄적인 통계적 분석을 수행하는 것은 불가능하였다. 따라서, 초기 히드록시프로필화 실험에서 얻어진 데이터 (표 5 및 6)와의 비교를 용이하게 하기 위해 상기 실험의 비-가교결합된 히드록시프로필화 감자 과립에 대한 제한된 통계적 분석이 먼저 수행되었다. 표 12는 히드록시프로필화 MS 수준과 관련하여 2개의 프로필렌 옥시드 첨가 수준 (PO 시약이 첨가되지 않은 대조군 제외) 및 3개의 반응 온도에 대한 ANOVA 결과를 보여준다. 초기의 실험 (표 5)에서 발견된 것과 유사하게, PO 수준 및 온도의 주요 효과, 및 이들의 상호작용은 감자 과립 MS 값에 유의한 영향을 주었다 (p < 0.05) (표 12). 초기 및 현재 실험에 대한 MS 값 (각각 표 6 및 13)은 대등하고, 시약 첨가 수준 및 반응 온도의 유사한 조합에서 일치하였다 (22 및 48℃의 반응 온도에서, 표 6의 PO-2 첨가 수준은 표 13의 PO-1 첨가 수준과 대등하고, 표 6의 PO-4 첨가 수준은 표 13의 PO-2 수준과 대등하다). 이러한 관찰은 감자 과립의 변형을 위한 PO 반응의 반복가능성에 대한 추가의 증거를 제공하였다. PO 수준과 온도 사이의 알려진 상호작용 (도 8)은 이미 초기 실험에 대해 상세하게 논의되었고, 본원에서 추가로 논의되지 않을 것이다.

가교결합 DS 수준에 대한 반응 조건의 효과

가교결합 반응에 대해, 가교결합 DS 수준에 대한 STMP 시약 첨가 수준, 반응 온도, 및 PO 첨가 수준 (PO 치환은 항상 가교결합 전에 수행되기 때문에)의 효과를 조사하기 위해 추가의 ANOVA 분석을 수행하였다 (표 14). 주요 효과 중에서 모든 2원 및 3원 상호작용도 고려되었다. PO 반응과 완전히 대조적으로, 가교결합 DS 값은 STMP 시약 첨가 수준에만 의존적이었고 (p 0.030), 반응 온도 또는 PO 첨가 수준에 의해 영향받지 않았다. 반응 온도에 따라 PO 첨가 수준에 걸쳐 모은 평균 가교결합 DS 값을 표 15에 제시한다. 가교결합 반응에서 온도 효과의 유사한 결여가 다른 시험에서도 관찰되었다. 옥수수 전분의 STMP 변형을 조사할 때, 문헌 [Yang et al. (2007)]은 온도가 가교결합 반응에서 팩터임을 관찰하지 못하였지만, 시약 첨가 수준 및 pH 둘 모두는 반응 수준에 유의한 영향을 주었다. 반응을 유도하기에 충분한 수준의 알칼리성 수준의 존재 하에, STMP 반응에서 가교결합 DS 수준은 본질적으로 시약 첨가 수준의 함수이다.

저항성 전분 ( RS ) 수준에 대한 반응 조건의 효과

상기 섹션에서 논의된 이중 변형된 감자 과립을 저항성 전분 (RS) 수준을 평가하기 위해 추가로 분석하였다. 표 16은 히드록시프로필화 (0%, 10% 및 20% PO 수준), 가교결합 (0%, 1%, 2% 및 4% STMP 수준) 및 반응 온도 (22℃, 34℃ 및 48℃)의 모든 조합을 나타내는, 변형된 감자 과립에 대해 얻은 RS 값의 요약을 제시한다. 예상되는 바와 같이, RS 수준은 일반적으로 히드록시프로필화, 가교결합, 및 반응 온도의 증가에 따라 증가하였다. 감자 과립 RS 값에 대한 히드록시프로필화, 가교결합, 및 반응 온도의 주요 효과, 및 주요 효과 사이의 잠재적인 상호작용을 조사하기 위해 데이터를 3원 ANOVA 분석에 적용하였다 (표 17). 반응 온도, STMP 첨가 수준 및 프로필렌 옥시드 첨가 수준의 주요 효과는 모두 알려진 유의한 2원 상호작용 (PO 수준 x 반응 온도; STMP 수준 x 반응 온도)을 포함하여 감자 과립 RS 값 (p < 0.001)에 유의한 영향을 주었다. 또한, 모든 주요 효과 사이의 유의한 3원 상호작용도 관찰되었다. 이와 대조적으로, PO와 STMP 시약 첨가 수준 사이의 유의한 상호작용의 결여는 초기 히드록시프로필화 정도가 감자 과립 RS 값에 대해 가교결합의 후속적인 효과에 영향을 주지 않음을 나타내었다. 따라서, PO 및 STMP 시약은 감자 과립 RS 함량에 대해 상승적 효과보다는 상가적 효과를 보였다.

PO 첨가 수준과 반응 온도 사이의 유의한 상호작용을 데이터의 해석을 돕기 위해 그래프로 표시하였다 (도 9). 종합적으로, RS 값은 각각의 반응 온도 수준 내에서 PO 첨가 수준의 증가와 함께 증가하는 경향이 있었다. 그러나, PO 시약 첨가 수준의 함수로서의 RS의 증가 속도는 반응 온도가 증가함에 따라 증가하였다. 따라서, 가장 큰 RS 값은 최고 반응 온도 (48℃)에서 반응한 최고 PO 첨가 수준에서 달성되었다. PO 첨가 수준 및 반응 온도에 반응하는 RS의 경향은 PO MS 값에 대해 이전에 관찰된 것에 부합하고 (도 5 및 8), 이것은 보다 높은 반응 온도가 감자 과립 내의 보다 높은 히드록시프로필화 (이것은 다시 보다 높은 RS 값을 유발함)를 유도함을 나타내었다. 상기 현상은 초기 실험 (도 7)에서 MS와 RS 값 사이에서 관찰된 강한 양성 상관성 (r = 0.933)과 일치하지만, PO 시약 첨가 수준과 반응 온도 사이의 유의한 상호작용은 초기 실험에서 검출되지 않았다. 과립 전분 (본 연구에서 사용된 젤라틴화 전분과 달리)과의 반응을 기초로 하여, 문헌 [Kishida et al. (2001)]은 유사하게 변형된 전분 생성물 내의 RS 값을 유의하게 향상시키는 PO 첨가 수준을 관찰하였다

RS 값에 대한 PO 시약 첨가 수준의 효과는 초기 실험에서 얻은 데이터 (표 8)와의 비교를 용이하게 하기 위해 각각의 반응 온도에 대해 결정하였다 (표 18). 표 18에 제시된 RS 값은 대등한 반응 온도 및 PO 수준에 대해 표 8에서 제시된 것과 유사하다 (22 및 48℃의 반응 온도에서, 표 8의 PO-2 첨가 수준은 표 18의 PO-1 첨가 수준과 대응하고, 표 8의 PO-4 첨가 수준은 표 18의 PO-2 수준과 대등하다). 평균적으로 (표 18의 평균 값), 48℃의 반응 온도는 22℃에서 얻은 값 (11.6)보다 2.5배 더 높은 RS 값 (29.3)을 생성하였고, 이것은 반응 온도 자체가 변형된 감자 과립의 RS 함량의 향상에 중요하다는 사실을 재확인시켜주는 것이다.

STMP 첨가 수준과 반응 온도 사이의 유의한 상호작용이 RS 값에 대해 관찰되었지만 (표 17), 상호작용은 엄격하지 않고 실제적인 유의성이 없는 것으로 밝혀졌다 (도 10). 상기 언급한 바와 같이, 감자 과립 DS 수준에 대해 STMP 첨가 수준과 반응 온도 사이에 유의미한 상호작용이 관찰되지 않았고; 따라서, 실제적인 상호작용이 RS 값에 대해 나타나지 않은 것은 놀라운 사실이 아니다. 표 19는 반응 온도에 따라서 각각의 STMP 시약 첨가 수준에 대한 RS 값을 보여준다. RS 함량에 대한 가교결합의 전체적인 영향은 STMP 첨가 수준이 각각 증가함에 따라 RS 값이 단계적 증가를 보였기 때문에, 각각의 시약 첨가 수준 (PO 첨가 수준에 걸쳐 모은 평균 값)에 대해 통계학적으로 구별되었다. PO 반응과 달리, 반응 온도는 STMP 가교결합 반응에서 생성된 RS 수준에 실제적인 영향을 보이지 않았다 (표 19). PO 첨가 수준, STMP 첨가 수준, 및 반응 온도의 주요 효과 사이의 3원 상호작용 (표 17)은 PO 첨가 수준과 반응 온도 사이의 2원 상호작용의 결과이었다.

STMP 시약과 함께 PO의 RS의 생성에 대한 기여를 직접 비교하기 위해, 각각 유사한 MS 및 DS 수준을 보이는 변형된 감자 과립을 RS 함량에 대해 비교하였다. 가교결합이 없는 0.047의 히드록시프로필화 MS 수준 (PO-1/22℃ 반응; 표 11)은 7.8의 RS 값을 생성하였다 (표 16). 이에 비해, 히드록시프로필화의 부재 하에서 STMP 가교결합 (0.048의 DS 값; STMP-3/34℃ 반응; 표 (11))은 5.5의 RS 값을 보였다 (표 16). 따라서, 낮은 변형 수준에서, 히드록시프로필화는 STMP를 사용한 가교결합보다 변형된 감자 과립에서 적어도 대등한 (또는 약간 더 많은) 양의 RS를 생산하지만, 이러한 관찰이 보다 높은 변형 수준으로 외삽될 수 있는지는 알려지지 않았다.

시험관내에서 추정된 혈당 지수 ( eGI ) 결정

이전 섹션에서, 히드록시프로필화 및 가교결합 둘 모두가 RS 수준을 효과적으로 향상시킴이 입증되었다. 많은 연구는 RS의 존재가 전분 소화 비율을 저하시킴으로써 혈당 지수 (GI) 값을 감소시킴을 보여주었다 ([Raben et al., 1994]; [Reader et al., 1997]; [Goni et al., 1996]; [Sajilata et al., 2006]). 따라서, 실제 GI의 시험관내 추정치를 나타내는 추정된 혈당 지수 (eGI)는 문헌 [Goni et al. (1997)]에 의해 확립된 절차 및 실험식을 기초로 하여 본 연구의 선택된 이중 변형된 감자 과립 물질에 대해 확립되었다. 상기 절차에서, 90 min에 가수분해된 총 전분의 백분율 (HI90)을 측정하고, HI90과 생체내 혈당 지수 결정 사이의 확립된 상관성 (r = 0.952, p < 0.05)을 기초로 하여 eGI 값을 생성하기 위해 외삽하였다.

표 20은 연구의 선택된 변형된 감자 과립 제품의 소화된 전분 함량에 대한 처리 및 소화 시간 둘 모두의 효과를 조사하기 위해 사용된 2원 ANOVA 분석의 요약을 제공한다. 처리 및 소화 시간의 주요 효과는 어떠한 유의한 상호작용도 2가지 주요 효과 사이에서 관찰되지 않았기 때문에 소화된 전분 함량 값에 독립적으로 영향을 주었다 (표 20). 표 21은 모든 평가된 변형된 감자 과립 제품에 대해 소화된 전분 함량 (HI90) 및 eGI 값에 대응하는 평균 값, 및 지정된 GI 범주를 보여준다. 화학적 변형 처리를 실시하지 않은 시판되는 감자 과립 제품 (대조군, 처리 5)은 평가된 모든 감자 과립 제품 중 최고의 HI90 (71.6) 및 시험관내 eGI (116.4) 값을 가졌고, 따라서 고 GI 제품으로 분류되었다. 이와 대조적으로, 최저의 HI90 (25.0-27.4) 및 시험관내 eGI (59.7-65.9) 값은 최고 수준의 PO 첨가 (PO-2)를 실시한 변형된 감자 과립 제품 (처리 1, 2, 및 3)에 대해 얻어졌고, 이들 과립 제품은 중간 혈당 범주에 해당하였다. 이들의 STMP 첨가 수준 (각각 STMP-3, STMP-2, 및 STMP-0)에서만 상이한 처리 1, 2, 및 3은 이들의 HI90 또는 eGI 값에 의해 통계학적으로 구분되지 않았다. 따라서, 본 연구에서 조사된 STMP 가교결합은 변형된 감자 과립의 HI90 또는 eGI 값에 영향을 주거나 개선하는 것으로 보이지 않았다. 낮은 수준의 PO 첨가를 보이는 감자 과립 제품 (PO-1, 처리 4)은 HI90 또는 eGI 값을 기초로 하여 비변형된 시판되는 대조군 (처리 5)과 통계학적으로 구분되었지만, 고 혈당 제품으로 계속 간주되었다. 간단히 설명하면, 비교적 높은 PO 수준이 감자 과립 제품의 혈당 반응 특성에 영향을 주기 위해 필요하다.

동일한 데이터의 그래프를 도 11에 제시한다. 모든 샘플에 대해, 전분 소화의 가장 큰 속도 및 비율은 소화 기간의 처음 30분 내에 발생하였고, 이후에는 추가의 전분이 거의 소화되지 않았다. 화학적 변형을 통해 저 혈당 제품을 생산하는 능력은 전분 가수분해의 초기 단계에 발생하는 신속한 소화의 속도 및 정로를 제한하는 화학적 처리를 필요로 한다.

변형된 및 대조군 감자 과립의 주사 전자 현미경 영상화

변형된 및 시판되는 (비변형된) 감자 과립 둘 모두를 보다 양호하게 가시화하고 그 물리적 특성을 비교하기 위해 주사 전자 현미경 (SEM)에 의해 가시화하였다. 도 12 및 13은 각각 비변형된 시판되는 감자 과립 및 반응 대조군 감자 과립의 영상을 보여주고, 도 14 및 15는 변형된 감자 과립을 보여준다. 현미경 사진은 시판되는 및 변형된 과립 둘 모두가 별개의 실질 세포 구조로 구성됨을 보여준다; 따라서, 세포는 유도체화 절차에 의해 파열되지 않은 것으로 보였다. 으깬 감자 질감 및 품질의 중요한 결정자로 간주되는 무손상 세포는 시판되는 제품의 중요한 특징이다. 반응 대조군 (비변형된) 감자 과립의 실질 세포 (도 13)는 비처리된 시판되는 감자 과립 (도 12)에 비해 약간 주름지거나 수축된 외형을 보였다. 반응 대조군 감자 과립 표면의 수축된 외형은 반응계 (알칼리성 수성 알콜 반응 매질) 및/또는 반응 조건에 대한 노출 후에 과립의 후속적인 용매 건조 때문에 발생한 것으로 보인다. 변형된 (히드록시프로필화) 과립 (도 14 및 15)은 약간 주름진 외형 (반응 대조군 과립과 유사)뿐만 아니라, 약간 더 거친 외부 표면을 보였다. 표면 외형의 관찰된 차이 이외에는, 변형된 과립은 크기 및 형태와 관련하여 시판되는 비변형된 감자 과립과 크게 상이한 것으로 보이지 않았다.

변형된 감자 과립의 노화 안정성

본 연구에서 감자 과립의 RS 함량을 향상시키는 방법은 이전에 제시된 바와 같이 eGI 값을 저하시킬 뿐만 아니라, 감자 과립 물리적 특성의 개선에도 기여한다. 히드록시프로필화는 과량의 사슬간 회합을 감소시키기 위해 중합체 사슬을 따라 치환기를 도입함으로써 (그렇지 않으면 이액 (syneresis)이 발생함) 노화에 대해 전분을 안정화시키기 위해 종종 상업적으로 사용된다. 따라서, 치환된 전분 페이스트는 일반적으로 노화에 저항하고, 물-보유능을 상실하지 않으면서 동결 및 해동 과정을 견딜 수 있다 (Whistler and BeMiller, 1997). 본 연구에서, 시판되는 (비변형된) 감자 과립은 냉장 온도 (4℃)에서 21일의 저장 과정에 걸쳐 노화에 저항하는 그의 능력에 대해 시차 주사 열량계 (DSC)를 통해 히드록시프로필화 감자 과립과 대비되었다. 비변형된 감자 과립에 대해, 노화된 전분의 전이 온도는 21일의 실험 과정에 걸쳐 평가된 모든 샘플에서 53.4℃ 내지 77.9℃의 범위에 해당하였다 (표 22). 이 온도 범위는 천연 전분 젤라틴화의 온도 미만의 온도에서 발생하는 ([Pravisani et al., 1985]; [Toshiko, 2000]; [Karlsson and Eliasson, 2003]) 재결정화된 아밀로펙틴의 용융과 일치한다 (Sievert and Pomeranz, 1989). 냉장 저장 제0일에 시판되는 감자 과립에 대해 관찰된 상 전이는 노화된 전분 사슬의 용융에 의한 것일 수 있고, 이것은 그의 원래의 제조 동안 사용되는 처리 (가열/냉각) 조건의 결과이다. 개시 전이 온도는 21일의 냉장 저장 기간에 걸쳐 유의하게 변화하지 않았고, 피크 및 종료 전이 온도는 7일의 냉장 저장 후에 약간 증가하였다. 예상되는 바와 같이, 용융 엔탈피는 냉장 저장의 기간이 증가함에 따라 증가하였다 (0.6 내지 2.7 J/g). 냉장 저장 과정에 걸친 엔탈피의 증가는 증가된 노화 (분자 질서) 수준을 반영하고, 피크/종료 전이 온도의 미세한 증가는 미결정 완전성의 증가를 나타내었다 (Tester and Morrison, 1990). 상기 관찰된 흡열 패턴은 낮은 온도 조건에 적용된 젤라틴화 천연 전분에 전형적인 것이다. 종합적으로, 저온 저장은 핵형성, 결정 성장, 및 미결정 완전성을 증가시킴으로써 전분 노화를 향상시켰다 ([Tester and Morrison, 1990]; [Toshiko, 2000]; [Karlsson and Eliasson, 2003]).

그러나, 히드록시프로필화 감자 과립 (PO-1 수준)에서, 변형된 전분 사슬에 부착된 히드록시프로필 치환기가 아밀로펙틴 재결정화를 효과적으로 방해하기 때문에, 전분 노화를 나타내는 어떠한 전이 흡열도 21일의 실험 과정에 걸쳐 관찰되지 않았다 (표 22). 따라서, 히드록시프로필화는 감자 과립 내의 전분 노화를 효과적으로 억제하여, 냉장/동결 식품 시스템에 사용하기 위한 그의 물리적 특성을 개선하였다.

변형된 감자 과립의 일반 성분 조성

화학적 변형이 다량영양소 조성의 임의의 변화를 유발하는지 평가하기 위해서 시판되는 (비변형된) 및 히드록시프로필화 (PO-2) 감자 과립을 일반 성분 조성 (단백질, 탄수화물, 지질, 및 회분), 및 황 및 인 수준에 대해 평가하였다 (표 23). 일반 성분 분석은 시판되는 (대조군) 감자 과립에 비해 변형된 감자 과립에서 단백질, 지질, 황, 및 인 함량의 경미한 감소를 보였다. 대략 단백질 함량의 1/2이 변형 과정 동안 상실되었다. 반응에 필요한 고 알칼리성 조건이 단백질의 일부를 짧은 펩티드 또는 아미노산으로 가수분해할 가능성이 있고, 가수분해물은 가용화되어 반응 매질의 제거시에 상실되었다. 황의 동시 감소는 황 함유 펩티드 또는 아미노산의 상실에 의한 것일 수 있다. 지질 에스테르, 및 천연 전분 모노포스페이트 에스테르도 반응 매질의 강한 알칼리성 조건에 의해 가수분해되어 상실될 가능성이 있고, 이것은 관찰된 변형된 감자 과립 내의 지질 및 함량의 감소를 설명한다 ([Chen and Jane, 1994]; [Sang et al., 2010]; [Tester and Karkals, 2005]). 이와 대조적으로, 변형된 감자 과립 내의 탄수화물, 전분 및 회분 함량은 단백질 및 지질의 유의한 상실 때문에 약간 증가되었다 (즉, 농축되었다). 미래의 조사는 변형된 감자 과립에 대한 반응후 부가를 용이하게 하기 위한 반응 전의 감자 과립으로부터 단백질의 제거 및 회수를 고려하여야 한다.

요약

히드록시프로필화 및 가교결합 (STMP) 반응은 시판되는 감자 과립의 RS 함량을 향상시키고 추정된 혈당 지수를 완화시키기 위한 효과적인 수단으로 입증되었다. 화학적 반응이 전분 분자로만 제한되지는 않을 것이지만 (세포벽 다당류, 단백질도 동일한 반응에서 변형될 수 있다), 전분 분자가 변형 과정에서 주로 유도체화된다는 우수한 증거가 존재한다. 먼저, 감자 과립이 수성 상태에서 형광 프로브로 변형된 모델 반응계는 시약이 실질 세포벽을 투과하여 세포 내의 전분 분획과 반응하는 능력을 보여주었다. 두번째로, 변형된 감자 과립 내의 전분은 시험관내 효소 소화 시스템을 통해 가수분해에 대해 증가된 저항성을 보였고, 또한 노화에 대한 향상된 안정성을 나타냈고, 이 둘은 전분 사슬의 성공적인 유도체화에 대한 간접적인 증거를 제공한다. 세번째로, 유사한 수준의 시약 첨가에 대해, 변형된 감자 과립 수준 내의 히드록시프로필화 MS 수준은 순수한 전분에 대해 문헌에서 보고된 반응과 거의 동일한 RS 수준을 생성하였다. 이들 관찰, 및 전분이 대략 85%의 실질 세포 건조물 함량을 나타낸다는 사실은 감자 과립 실질 세포 내의 많은 전분이 변형 과정에서 효과적으로 유도체화된다는 강력한 증거를 제공한다.

감자 과립을 변형하기 위한 반응 조건에서, 이소프로판올은 농축된 교반가능한 슬러리를 유지하기 위해 감자 과립의 과도한 팽윤을 방지하기 때문에, 시약 및 염기 이외의 반응계의 중요한 성분이다. 증가하는 PO 시약 수준 (감자 과립 중량 기준으로 4.6-20%) 및 반응 온도 (22-48℃)는 감자 과립 MS 값에 대해 양성 효과를 보였다. 48℃의 반응 온도는 PO 치환 효율을 향상시켰지만, 시험된 보다 높은 온도 (> 50℃)는 반응계 매질의 과도한 팽윤/점도를 유발하고, 전체적인 반응성을 저해하였다. 온도 (22-48℃)에 의해 향상된 반응은 전분 사슬의 증가된 팽윤, 돈난 전위 효과 감소 및 전분 히드록실기의 해리 증가를 비롯한 현상의 조합에 의해 야기될 가능성이 있다. 가교결합 반응에서, 증가하는 STMP 시약 수준 (감자 과립 중량 기준으로 1-4%)는 DS 수준을 증가시켰지만, STMP 반응 효율은 반응 온도 또는 PO 수준에 의해 영향받지 않았고 (PO 반응은 항상 STMP 가교결합 전에 수행됨), 이것은 DS 값이 주로 시약 첨가 수준의 함수임을 나타내었다.

변형된 감자 과립 (모든 반응 온도인 22-48℃에 걸쳐 모음)에 대한 PO MS 및 RS 값 (r = 0.933) 사이의 양성 상관성은 RS 수준이 주로 PO MS 수준의 함수임을 시사하였다. 따라서, 증가하는 PO MS 수준 (0.31-0.174)은 일반적으로 보다 많은 감자 과립 RS 함량 (6.0-40.1%)을 생성하였다. 전분 분자 상에 히드록시프로필기를 통합하는 것은 효소 소화에 대한 입체 장애를 효과적으로 증가시켰다. 최고 RS 수준은 가장 높은 PO 첨가 수준 (감자 과립 중량 기준으로 18.3% [w/w]) 및 반응 온도 (48℃)를 사용할 때 달성되었기 때문에, 2가지 주요 효과는 단순히 MS 값을 증가시킴으로써 변형된 감자 과립의 RS 함량을 향상시켰다. RS 함량과 달리, PO 시약에 의해 변형된 감자 과립은 단지 매우 낮은 수준의 SDS (1.2-8.3%)를 가졌고, 이것은 유의하지 않은 것으로 간주되었다. PO 유도체화와 유사하게, STMP DS 수준은 또한 RS 값과 양성 관계를 보였다. PO 및 STMP 시약으로 이중-변형된 감자 과립에서, 2개의 시약은 상승적 효과보다는 주로 상가적 효과를 감자 과립 RS 함량에 대해 보였다. PO 및 STMP 시약 둘 모두가 RS 생성에 대해 유사한 기여를 보이지만, PO에 대한 허용가능한 유도체화 수준이 STMP에 대한 것보다 훨씬 더 높고, 이 때문에 PO가 감자 과립에서 RS 생성을 위한 보다 실제적인 시약으로 사용된다.

변형된 감자 과립에 대한 시험관내 전분 가수분해 속도 및 eGI는 PO/STMP 치환 수준에 의해 유의한 영향을 받았다. 최저 GI (59.7)는 최고 PO 첨가 수준에서 반응한 변형된 감자 과립에 의해 생성되었다 (이들 실험에서 사용된 STMP 수준은 감소된 가수분해 속도에 거의 기여하지 않는 것으로 나타났다). RS4의 존재는 전분 소화의 속도 및 정도 둘 모두를 완화함으로써 감자 과립의 eGI를 감소시켰다.

미세구조적 관점에서, 변형된 감자 과립의 실질 세포의 크기 및 형태는 SEM을 통해 관찰된 시판되는 과립의 것에 대등하였다. 변형된 과립 내의 세포벽 구조는 무손상 상태로 유지되는 것을 보이지만, 변형된 세포는 시판되는 (비변형된) 감자 과립의 것에 비해 약간 수축한 외형 및 거친 표면 구조를 보였다. 히드록시프로필화 감자 과립은 21일의 냉장 저장에 걸쳐 전분 노화에 대한 완전한 안정성을 보였고, 시판되는 (비변형된) 감자 과립 내의 전분 노화 수준은 동일한 저장 조건 하에서 점진적으로 증가하였다. 따라서, 변형된 감자 과립은 향상된 물리적 특성을 보유하고, 따라서 냉장 동결 식품 시스템에 사용하기 위해 이상적일 수 있다. 다른 변형제가 다른 관능기를 갖는 RS 감자 과립 제품을 생성하기 위해 사용될 수 있는 잠재력이 존재한다.

구성과 관련하여, 시판되는 감자 과립 내의 대략 50%의 단백질이 변형 과정에서 상실되었고, 이것은 변형을 위해 사용되는 강한 알칼리성 조건 하에서의 가수분해 때문일 가능성이 가장 높다. 미래의 연구 노력은 유의한 순 단백질 상실을 방지하기 위해 변형전 단백질 제거 및 변형후 단백질 애드-백의 가능성을 조사할 수 있다. 추가로, 전통적인 미량영양소 (예를 들어, 비타민 C) 수준에 대한 변형의 영향을 이해하기 위해 보다 집중된 영양 분석을 수행해야 한다. 변형은 RS 함량을 효과적으로 향상시키고, 감자 과립의 추정된 혈당 지수를 감소시켰지만, 동물 및/또는 인간에서 이들 효과를 확인하기 위해 생체내 실험을 수행하여야 한다. 마지막으로, 제품 기능성에 대한 그의 기여를 보다 잘 이해하기 위해 다양한 식품 시스템 내의 변형된 감자 과립의 물리적 및 감각적 특성을 규정하는 것이 중요할 것이다.

참조문헌

다음 참조문헌이 본원에 참고로 포함된다.