Physicochemical characterization of silkworm (Bombyx mori) protein and its potential as a fat replacer = 누에 유충 단백질의 이화학적 특성 및 지방 대체 활용 가능성 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Growing consumer interest in health and sustainability has intensified the demand for effective fat replacers in the food sector. Silkworm (Bombyx mori) protein (BMP), which possesses a favorable amino acid composition, high digestibility, and relatively low environmental burden, also demonstrates excellent structure-forming capacity and functional properties during processing, making it a promising candidate for developing fat-replacement systems. In this study, a foam-templated oleogel was prepared by incorporating canola oil into a BMP–xanthan gum cryogel, and its feasibility as a palm oil substitute in chocolate spread formulations was assessed. Amino acid analysis revealed that BMP is rich in acidic amino acids and branched-chain amino acids (BCAAs), confirming its strong nutritional and functional potential. BMP exhibited pronounced protein aggregation near its isoelectric point (pH 4.5), with increased particle size and decreased zeta potential observed at pH 5.0. At pH 9.0, protein solubility, surface hydrophobicity, and both total and free sulfhydryl contents reached their highest levels, whereas S–S bond formation was minimized. The addition of xanthan gum increased solution viscosity, enhanced foam structural stability, and promoted the development of a denser microcellular network, thereby improving oil absorption and binding capacity at higher concentrations. In the oleogels, increasing xanthan gum levels led to proportional increases in viscoelastic moduli (G′ and G″), with all samples exhibiting predominantly elastic behavior. Firmness also increased with xanthan gum concentration, indicating improved structural stability of the oleogels. When incorporated into chocolate spreads, higher palm oil replacement ratios resulted in decreased viscosity, more pronounced shear-thinning behavior, and reduced firmness. From a nutritional perspective, increasing the oleogel content elevated the proportion of unsaturated fatty acids to 73.21% and reduced saturated fatty acids to 27.02%, significantly enhancing the nutritional profile. Sensory evaluation indicated that replacing 25% of palm oil with oleogel yielded the most favorable balance of physical stability and consumer acceptance. Overall, BMP-based foam-templated oleogels exhibit strong potential as functional and health-conscious alternatives to palm oil.

국문 초록 (Abstract)

건강 및 지속가능성에 대한 소비자 관심이 증가함에 따라 식품 분야에서는 효과적인 지방 대체제 개발이 중요한 과제로 부상하고 있다. 누에(Bombyx mori) 단백질(BMP)은 우수한 아미노산 조성, 높은 소화율, 그리고 비교적 낮은 환경 부담을 지니며 가공 시 뛰어난 구조 형성 능력과 기능성을 나타내어 지방 대체 시스템 구축에 활용할 수 있는 잠재적 소재로 평가된다. 본 연구에서는 BMP–잔탄검 기반 cryogel에 카놀라유를 적용하여 foam-templated oleogel을 제조하고 이를 초콜릿 스프레드 제조 과정에서 팜유 대체 소재로서의 적용 가능성을 평가하였다. BMP의 아미노산 조성 분석 결과 산성 아미노산과 가지사슬아미노산(BCAA)이 풍부해 영양적 가치와 기능성이 우수한 것으로 확인되었다. 또한 BMP는 등전점(pH 4.5)에 가까운 pH 5.0에서 단백질 응집이 촉진되며 입자 크기 증가와 제타전위 감소가 나타났고 pH 9.0에서는 단백질 용해도, 표면 소수성, 총 SH 및 자유 SH 함량이 최대치에 도달하는 반면 S–S 결합 수준은 최소값을 보였다. 잔탄검의 첨가는 용액 점도를 증가시켜 foam의 구조적 안정성을 향상시키고 보다 조밀한 미세기공 구조 형성을 유도하였다. 이로 인해 잔탄검 농도가 높을수록 오일의 흡수 및 결합력이 증가하였다. Oleogel에서도 잔탄검 농도 증가에 따라 점탄성(G′, G″) 값이 모두 증가하였으며 모든 시료에서 탄성 특성이 지배적으로 나타났다. 경도 역시 잔탄검 첨가량에 비례하여 증가해 oleogel의 구조 안정성이 강화됨을 확인하였다. 초콜릿 스프레드에 oleogel을 적용했을 때 팜유 대체율이 높아질수록 점도 감소와 전단박화(shear thinning) 거동이 뚜렷해졌으며 스프레드의 경도 또한 감소하였다. 영양학적 측면에서는 oleogel 첨가 비율이 증가함에 따라 불포화지방산 함량이 최대 73.21%까지 증가하고 포화지방산 비율은 27.02%까지 감소하여 영양적 품질이 유의적으로 향상되었다. 관능평가 결과 팜유의 25%를 oleogel로 대체한 조건에서 물리적 안정성과 소비자 기호도의 균형이 가장 우수한 것으로 나타났다. 종합적으로 BMP 기반 foam-templated oleogel은 기능성과 건강성을 겸비한 팜유 대체 소재로서 우수한 적용 가능성이 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 4
• 2. Materials and Methods 11
• 2.1. Chemical and reagents 11
• 2.2. Characterization of silkworm (Bombyx mori, BM) protein (BMP) 12
• 2.2. Characterization of BMP-based foam 19
• 2.3. Characterization of BMP-based cryogel 22
• 2.4. Characterization of BMP-based oleogel 24
• 2.5. Characterization of chocolate spread with oleogel 26
• 2.6. Statistical analysis 36
• 3. Results and Discussion 37
• 3.1. Characterization of BMP 37
• 3.2. Characterization of BMP-based foam 50
• 3.3. Characterization of BMP-based cryogel 56
• 3.4. Characterization of BMP-based oleogel 60
• 3.5. Characterization of chocolate spread with oleogel 66
• 4. Conclusions 90