Preparation of Yogurt with Exopolysaccharide-producing Leuconostoc garlicum Isolated from Kimchi

Abstract

Exopolysaccharides (EPS) produced by lactic acid bacteria (LAB) are used to modify the rheological, physical, and sensory properties of fermented milk. Leuconostoc garlicum KCCM 43211 isolated from Kimchi is known as highly viscous EPS producing LAB. However, the effects of EPS produced by L. garlicum KCCM 43211 in fermented milk and its structural characteristics have not been studied. The overall objective of this study was to determine the influence of EPS produced L. garlicum KCCM 43211 on rheological properties of fermented milk and investigate the physicochemical characteristics of EPS (Chapter 2). After that, we studied the effects of pre-fermentation with L. garlicum KCCM 43211 on yogurt properties during the storage at 4 °C for 28 days due to the potential application of L. garlicum KCCM 43211 for yogurt production (Chapter 3). L. garlicum KCCM 43211 were grown in raw milk and homogenized milk for 48 h at 25 °C with 100 rpm shaking in the presence or absence of sucrose. Cell growth, pH variations, EPS production and rheological properties were measured during 48 h fermentation. The results showed that viable cell count reached to 108 - 109 CFU/mL and a decrease in pH followed by an increase in bacteria was observed during fermentation for all four fermented milks. EPS production was not observed in fermented milks without sucrose. With 10% sucrose, L. garlicum KCCM 43211 produced 22.91 to 27.29 g/kg medium of EPS. Viscosity was also no changes without sucrose, meanwhile, increased 1.08 to 3.22 cP and 1.29 to 2.93 cP in raw-milk fermented milk and homogenized-milk fermented milk, respectively. EPS production and the rheological analysis showed that EPS increases the viscosity in fermented milk. To investigate the physicochemical properties of EPS, EPS was isolated from fermented milk made with raw milk 10% sucrose and purified. EPS produced by L. garlicum KCCM 43211 was identified as linear α-(1→6) dextran with 2.9 × 106 Da of molecular weight. In the chapter 3, The effect of EPS on the storage stability of yogurt was investigated at raw-milk yogurt and homogenized-milk yogurt. For pre-fermentation, L. garlicum KCCM 43211 was inoculated on raw milk and homogenized milk containing 10% sucrose and incubated for 12 h at 25 °C with shaking. After 12 h, yogurt samples were prepared by yogurt starter culture. Viable cell changes, pH variations, total solids, color differences, water holding capacity (WHC), EPS concentration, and rheological properties are studied during 28 days of refrigerated storage for all four yogurt samples. Viable cell counts decreased and pH also decreased from 4.59 – 4.60 to 4.20 – 4.30. Total solids content showed no significant difference for all samples during storage. In addition, the presence of EPS did not affect the color. The WHC results showed that homogenization treatment could be an effective factor to develop the water-holding ability of the gel network, which prevents syneresis during storage. There was slight decrease (0.4 - 0.5 g/kg medium) of EPS concentration in both yogurts (pre+main), which indicated no degradation of EPS during long cold storage. Results from flow curve showed pseudoplastic (shear thinning) behavior for four yogurt samples. There was no significant difference of apparent viscosity by storage time. However, yogurts containing EPS showed an upward trend and smaller hysteresis loop after 14 days storage in temperature sweep measurement. The results show that the present EPS improve the viscosity of fermented milk in the preliminary stages of gelation (> pH 4.6), however, EPS effect could be screened in the strong gel network (< pH 4.6, homogenized-milk yogurt). Based on results obtained, EPS produced by L. garlicum KCCM 43211 could modulate physical and rheological properties of fermented milk with weak gel network.

유산균이 생성하는 세포외다당류(EPS)는 발효유의 유변학적, 물리적, 관능적 특성을 조절하는데 사용된다. 김치에서 분리한 L. garlicum KCCM 43211은 높은 점도를 가지는 EPS를 생성한다고 알려져 있다. 하지만, 발효유 내에서 EPS의 효과와 EPS의 구조적 특징은 아직 연구된 바가 없다. 따라서, 본 연구의 목적은 L. garlicum 43211이 생성하는 EPS가 발효유의 유변학적 특징에 미치는 영향을 밝히고, 생성된 EPS의 물리화학적 특징을 연구하는 것이다(Chapter 2). 그다음, 요구르트 생성에 있어서 L. garlicum KCCM 43211의 잠재적 적용을 확인하기 위해 본 균주를 이용하여 전 발효를 거친 요구르트를 4 °C의 조건에서 28일 동안 저장하며 그 특징을 연구하였다(Chapter 3). 발효유를 제조하기 위해 자당의 유무에 따른 원유와 균질 우유에 L. garlicum KCCM 43211을 접종하여 25 °C, 100 rpm 진탕 조건에서 48시간 동안 발효시켰다. 48시간 발효 중 균의 성장, pH의 변화, EPS 생성 및 발효유의 유변학적 특성을 실험하였다. 생균수 측정 결과 모든 발효유에서 108에서 109 CFU/mL의 성장을 보였다. pH는 모든 발효유에서 발효 기간 동안 균주의 성장과 함께 감소한 것을 확인할 수 있었다. 자당을 함유하지 않은 발효유에서는 EPS의 생성을 관찰할 수 없었다. 하지만, 10% 자당을 함유한 발효유에서는 22.91에서 27.29 g/kg medium의 EPS를 생성한 것을 확인할 수 있었다. 자당을 함유하지 않은 발효유에서는 점도의 변화 또한 관찰되지 않았으며, 자당을 함유한 원유 생성 발효유는 1.08 cP에서 3.22 cP, 균질 우유 생성 발효유는 1.29 cP에서 2.93 cP로 증가하였다. EPS의 생성과 점도 변화의 결과는 발효유 내에서 EPS가 점도 증가에 영향을 주는 것을 보였다. EPS의 물리화학적 특성을 확인하기 위하여, 10% 자당을 함유한 원유를 이용하여 만든 발효유에서 EPS를 추출 및 정제하였다. 분석을 통해 L. garlicum KCCM 43211이 생성하는 EPS는 선형의 α-(1→6) 결합을 가진 분자량이 2.9 × 106 Da인 덱스트란인 것을 확인하였다. Chapter 3에서는 원유와 균질 우유로 생성한 요구르트의 저장안정성에 미치는 효과를 연구하였다. 10% 자당을 함유한 원유 및 균질 우유에 요구르트 균주를 접종하여 생성된 요구르트를 대조군으로 사용하였다. EPS를 함유한 요구르트를 만들기 위해, L. garlicum KCCM 43211을 이용하여 12시간 동안 25 °C, 100 rpm 진탕 조건에서 발효하였으며, 그다음 요구르트 균주를 접종하여 요구르트를 생성하였다. 네 종류의 요구르트를 28일 동안 냉장 보관하며 생균수 변화, pH 변화, 총 고형분 함량, 색 변화, 보수력, EPS 함량 및 유변학적 특성을 관찰하였다. 28일 저장 기간 중 모든 요구르트 샘플에서 생균수는 감소하였으며, 젖산의 생성으로 pH도 초기 4.59 – 4.60에서 4.20 – 4.30 수준으로 감소하였다. 총 고형분 함량은 저장 기간 동안 모든 샘플에서 유의적인 차이를 보이지 않았다. EPS의 존재는 색에도 영향을 미치지 않았다. 보수율의 결과는 균질화 과정이 젤 네트워크 내에서 저장 기간 동안 이수(syneresis)를 방지하며 보수 능력을 증진하는데 효과적인 요인이 될 수 있음을 보여주었다. 또한, 두 종류의 EPS 함유 요구르트에서 EPS가 약간 감소함을 보였고, 이는 긴 시간 저온 저장 중 EPS의 분해가 없음을 나타내었다. 흐름곡선의 결과는 네 종류의 요구르트 모두 유사가소성 유체임을 보여주었다. 저장 기간 동안 겉보기 점도의 유의미한 변화는 보이지 않았지만, 온도 변화 시험(temperature sweep test)를 통해 EPS의 존재는 14일 저장 기간 이후 겉보기 점도 상승 및 더 작은 이력 루프 (hysteresis loop)를 보여주며 요구르트의 유변학적 특성에 긍정적인 영향을 주었음을 확인할 수 있었다. 결과적으로, EPS는 젤 생성의 초기 단계(> pH 4.6)에서 발효유의 점도를 향상시키지만, 강한 젤 네트워크(< pH 4.6, 균질 우유 생성 요구르트)에는 그 효과가 가려질 수 있다는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 L. garlicum KCCM 43211이 생성하는 EPS는 약한 젤 네트워크를 가진 발효유 내에서 물리적, 유변학적 특징을 조절하는 데 도움을 줄 수 있을 것이라 생각된다.