Influence of sugars on the structure and rheological properties of cold-set soy protein isolate gel

Abstract

The improvement of functional properties of proteins available in large quantity using non-toxic chemical modifications is one of the great issues in the food industry. In this study, investigated were the effects of a reducing sugar (xylose and maltose) and a non-reducing sugar (sucrose), when heated in combination with soy protein isolate (SPI), on the structural and rheological properties of SPI. SPI was heated above its denaturation temperature in the presence of sugars. And then gelation was induced by 20mM CaCl2. Thermal properties, rheology, pH, water holding capacity, zeta-potential, microstructure and protein secondary structure of soy protein gels cross-linked with sugars were measured to investigate the effect of sugars on the soy protein gel. The effect of sugars on the heat denaturation of SPI dispersion was determined using differential scanning calorimetry. Sucrose and maltose caused a greater increase in the temperature at which protein denaturation occurred compared to xylose. In the gels containing no sugar, addition of sucrose and maltose let to no color development, whereas the gels with added xylose became orange/brown in color. Heat treatment with xylose resulted in SPI with higher glycation degree than with maltose, whereas SPI heat treated in the presence of sucrose was not glycated. When xylose and maltose were present pH decreased from neutral to acidic pH. This pH decrease was a consequence of the Maillard reaction. That followed protein denaturation. Rheological measurement, revealed that all SPI-sugar gels were softer than gels without sugar. The value of storage modulus (G) was largest for gels of SPI with xylose followed by gels of SPI reacted with maltose and gels of SPI heated in the presence of sucrose. Zeta potential showed that sugars block the revealed net charge of protein. Compared with other types of sugars, the net charge of xylose was closer to zero. Indicating a change in the net charge of proteins caused by Maillard reaction. Gels of SPI with sucrose had largest water holing capacity. CD spectra revealed that xylose reduced the change of protein secondary structure by heat. In case of sucrose, there was no significant difference in compared to the control (no sugar addition). The image of TEM showed that denser flocs were formed as well as increased aggregation of protein molecules as the concentration of sugar decreased. SPI-xylose gels had far more compact structure than SPI-sucrose gels. These results suggested that all kinds of sugars have protective effect on the cold-set gelation of SPI, while xylose and maltose have a protective effect on protein denaturation, albeit less than sucrose due to Maillard reaction.

대두 단백질은 열에 의하여 서로 결합하여 3차원적 망상 구조인 젤을 형성하여 내부에 물과 당, 향기성분, 식품 첨가물 등을 포함할 수 있으며, 이와 같은 성질은 육제품, 커스타드, 치즈, 두부 등 많은 식품에 사용되어 관능적인 질감 특성을 얻는 데 중요한 역할을 하고 있다. Cold-set 젤화는 망상 구조의 구성단위로서 단백질을 효과적으로 사용할 수 있도록 변형을 유도하고, 열처리 이후 젤을 형성하기 전 응집물의 특성을 결정할 수 있어 최종 젤의 특성을 조절하는 것이 가능한 장점이 있다. Cold-set 젤화는 열처리로 구상 구조가 풀린 후 냉각을 거쳐 염 첨가에 의해 일어나며, 염으로 전기적인 반발을 중화하고 단백질 사이에 가교를 형성시켰을 때 망상 구조를 이룬다. 식품산업에서는 단백질 젤 구조에 당류나, 향기성분, 색소 등 여러 가지 식품 첨가물이 포함된 상태로 다양한 가공식품이 제조되고 있다. 이러한 식품 첨가물들이 단백질 젤 품질에 미치는 영향에 대한 연구는 부족한 상태이다. 따라서 이 연구에서는 식품에 가장 주요한 첨가물인 당류를 대상으로 하여 대두단백 cold-set 젤의 생성 특성 및 그 기작에 당류가 미치는 영향을 구조 및 유변학적인 특성을 분석하여 조사하고, 특히 환원당에 의한 마이야르 반응이 젤의 형성에 미치는 영향에 대해 규명 하였다. 9 %의 단백질 현탁액에 10 %, 20 %, 40 % 농도의 당을 가하여 혼합한 후 97 ℃ 에서 30분간 열을 가하고 상온에서 2시간 동안 식힌 후 20 mM의 염화칼슘을 가하여 젤을 제조하였다. 비환원당으로 자당(sucrose)을 사용하였고, 환원당으로는 같은 이당류인 맥아당(maltose)과 단당류인 목당(xylose)을 사용하였다. 마이야르 반응의 정도를 측정한 결과 목당의 경우 농도에 따른 마이야르 반응이 점점 증가함을 확인 하였고 그에 따라 pH가 감소하고 갈색도 점점 진해지는 것을 확인 하였다. 맥아당 또한 마이야르 반응이 일어나긴 하였지만 목당에 비해 미미하였고, 자당의 경우는 마이야르 반응이 일어나지 않아 pH 변화를 보이지 않았다. 하지만 열변성 온도에서는 세 가지 당 모두 농도가 증가함에 따라 변성온도가 증가하였으나, 맥아당과 자당이 목당에 비해서 좀더 단백질의 열변성온도를 상승시키는 것을 확인하였다. 표면전하량 측정을 통하여 당이 표면전하를 감싸는 역할을 한다는 것을 확인하였으며, 목당의 경우는 단백질과의 마이야르 결합에 따라 표면전하가 맥아당과 자당에 비해 좀더 0에 가까워 지는 것을 확인하였다. 또한 열에 의해서 3차 및 4차 구조가 당의 농도에 관계 없이 일정하게 변하는 것을 확인하였으며, 2차 구조에서는 열이 가해짐에 따라 β-sheet 구조가 α-helix나 random coil구조로 변화 되었는데 목당의 경우는 농도가 증가함에 따라 2차 구조의 변화를 저해하였다. 레올로지를 측정한 결과, 이러한 차이를 통해 당의 농도가 증가할수록 단백질 젤이 무르고 약하게 형성되었으며, 같은 농도의 경우, 마이야르 반응 정도에 비례하여 목당이 맥아당 보다, 그리고 맥아당은 자당보다 좀 더 단단하고 견고한 젤을 형성 하였다. 하지만 맥아당과 자당은 크게 차이가 나지 않았다. 수분보유력 측정과 전자현미경 관찰을 통하여 당의 농도가 증가할수록 좀더 수분을 포함 할 수 있는 공극이 많고 조밀하지 않은 형태의 젤이 형성되며, 마이야르 반응을 많이 일으키는 당일 수록 좀더 조밀한 구조를 형성함을 알 수 있었다. 이러한 당의 젤 형성 방해는 공통적으로 농도에 비례하여 영향을 받지만 당의 종류 및 마이야르 반응에 따라서 그 방해 정도가 달라 졌다. 당의 농도 및 당의 종류에 따라서 젤 형성은 크게 차이가 있으며, 특히 마이야르 반응은 제품의 색상 및 맛에도 크게 영향을 미칠 뿐 아니라, 물성 및 구조에도 영향을 미치는 것을 확인하였다. 따라서 이 연구 결과는 당과 단백질이 공존하는 식품의 열처리 공정에서 당을 선택하는데 유용한 지표로 이용 될 수 있을 것이다.