분리 우유 단백질 기반 수용액 및 에멀전 시스템에서의 고농도 잔탄검의 물리화학적·유변학적 특성 비교 연구 = Comparative Studies on Physicochemical and Rheological Properties of Concentrated Xanthan Gum in Milk Protein Isolate-Based Aqueous and Emulsion Systems

국문 초록 (Abstract)

연하 곤란 （dysphagia）은 음식이나 유체식품을 삼키는 과정에서 어려움이나 불편함을 동반하는 질환으로, 적절한 섭취가 이루어지지 않을 경우 탈수와 영양실조를 유발할 수 있으며, 나아가 연하통（odynophagia）, 흡인성 폐렴 및 기타 호흡기계 합병증으로도 이어질 수 있다. 이러한 임상적 위험을 완화하기 위한 방법으로, 연하 곤란 환자에게는 점도증진제를 첨가하여 유체식품의 물리적 안정성 및 유변학적 특성을 조절하는 방법이 널리 적용되고 있다. 점도가 조절된 유체식품은 구강 내 유동성을 감소시켜 흐름을 완만하게 하고, 음식물이 기도로 유입될 가능성을 낮추는 동시에, 구강에서 식도 및 위로의 이동시간을 증가시켜 보다 안전한 삼킴 과정을 유도한다. 하지만, 현재 사용되는 연하 곤란 환자용 점도증진제는 주로 물을 기반으로 한 시스템에서의 점도 조절을 목표로 개발되었으며, 수불용성 향 및 기능성 성분을 포함하는 에멀전 음료 시스템에 적용될 경우 동일한 유변학적 거동을 보장하기 어렵다. 특히, 검계 점증제는 에멀전 입자와의 상호작용에 따라 점탄성 특성이 크게 달라질 수 있으므로, 연하 곤란 환자를 위한 검계 점증제 설계 시에는 에멀전 상을 포함한 음료 시스템의 물리화학적 및 유변학적 특성을 함께 고려하는 것이 중요하다.
카제인과 유청단백질로 구성된 분리 우유 단백질（milk protein isolate, MPI）은 양친매성 특성에 기반한 우수한 유화 능력과 점탄성 계면층 형성 특성을 지니고 있어 에멀전 기반 음료 시스템을 제조하는 데에 널리 활용되고 있다. 한편, 잔탄검（xanthan gum, XG）은 연하 곤란 환자용 점도증진제로 널리 사용되는 다당류로, 높은 의사가소성 거동과 우수한 관능적 특성을 나타내며, 단백질 및 에멀전 입자와의 상호작용에 따라 입체 구조와 유변학적 거동이 크게 변화할 수 있다. 특히, MPI는 유화과정 중 구조적 재배열을 겪으므로, XG는 수용액 내에서 MPI와 상호작용할 때와 에멀전 시스템 내에서 MPI 에멀전 입자와 상호작용할 때 서로 다른 유변학적 특성을 나타낼 가능성이 있다. 이에 본 연구에서는 MPI와 XG를 혼합한 시스템에서의 상호작용에 주목하여, 다양한 MPI 농도（0–2.0%） 조건에서 MPI 기반 수용액 및 에멀전 시스템 내 XG의 물리화학적 및 유변학적 특성을 조사하였다.
연구 결과 MPI 기반 수용액 시스템은 에멀전 시스템（−21.2 ~ −27.8 mV）에 비해 상대적으로 높은 ζ-potential 값（−12.1 ~ −14.1 mV）을 나타내었으며, 이는 유화 과정 중 MPI의 입체 구조 전이가 발생하였음을 시사한다. 또한, 에멀전 시스템의 ζ-potential 값은 MPI 농도가 증가함에 따라 감소하여 시스템의 안정성이 향상되었으며, XG의 첨가는 입자의 이동성을 제한하는 조밀한 점탄성 3차원 네트워크를 형성함으로써 안정성을 더욱 증가시켰다. 두 시스템 모두에서 XG의 고유점도는 MPI 농도가 증가함에 따라 감소하였다. 이는 MPI 또는 에멀전 입자와의 정전기적 반발력에 의해 XG가 보다 조밀한 입체 구조를 형성하였음을 의미했으며, 이러한 결과는 FTIR 분석 결과와 일치했다. 이와 같은 두 시스템 내에서의 XG의 구조 변화는 겉보기 점도 및 점탄성 계수 값의 증가로 이어졌으며, 이는 공간적으로 인접한 분자 사슬 간 상호작용이 강화되었기 때문으로 해석될 수 있다. 또한, MPI 기반 수용액 및 에멀전 시스템에는 양전하를 띠는 펩타이드가 존재한다는 점을 감안했을 때, 이들 펩타이드와 XG의 카르복실기 사이의 정전기적 상호작용을 통한 더욱 강력한 점탄성 네트워크가 형성되었기 때문일 수도 있다.
한편, XG는 MPI 기반 수용액 시스템에서보다 에멀전 시스템에서 더 높은 유변학적 특성을 나타냈으며, 이는 유화 과정 중 발생한 MPI의 입체 구조 변화와 관련이 있는 것으로 판단되었다. 에멀전 시스템에서는 유화 과정 중 더 강한 음전하를 띠는 입자가 형성되었으며, 이에 따라 XG와 에멀전 입자 간의 정전기적 반발력 증가로 인해 수용액 시스템보다 XG 분자의 수축 및 구조 안정화가 더 두드러지게 나타났고, 결과적으로 유변학적 거동에도 영향을 미친 것으로 보인다.
종합적으로, 본 연구 결과는 유화 과정이 MPI의 입체 구조를 변화시켜 XG와의 상호작용 양상을 달리하며, 이로 인해 수용액 및 에멀전 시스템에서 XG의 유변학적 거동이 상이하게 나타남을 명확히 보여준다. 이러한 결과를 바탕으로, 연하곤란 환자를 위한 검계 점증제 설계 시에는 에멀전 상을 포함한 음료의 특성을 고려하여 질감, 안정성 및 삼킴 안전성을 최적화할 필요가 있음을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we investigated the physicochemical and rheological properties of xanthan gum （XG） in milk protein isolate （MPI）-based aqueous and emulsion systems at varying MPI concentrations （0–2.0%）. MPI-based aqueous systems exhibited relatively higher ζ-potential values （-12.1 to -14.1 mV） than emulsion systems （-21.2 to -27.8 mV）, suggesting a conformational transition of MPI during emulsification. The ζ-potential of the emulsion system decreased with increasing MPI concentration, leading to enhanced stability. The addition of XG further improved stability by forming a dense viscoelastic 3D network that restricted particle
mobility. The intrinsic viscosity of XG in both systems decreased with increasing MPI concentration, indicating the formation of a more compact conformation due to electrostatic repulsion with MPI or emulsion particles. Consequently, the apparent viscosity and viscoelastic moduli values for XG increased, reflecting stronger intermolecular interactions among closely packed molecular chains. Notably, a more pronounced increase was observed in the emulsion system. The enhanced rheological properties are likely attributable to the formation of more negatively charged particles upon emulsification, which promoted XG molecule contraction in
the emulsion system. This conformational transition facilitated interactions between negatively charged XG and positively charged peptide domains protruding on the emulsion particle surfaces. These findings highlight that emulsification alters MPI conformation, thereby changing its interaction with XG and leading to distinct rheological behaviors of XG in aqueous and emulsion systems. With this in mind, the design of gum-based thickeners for dysphagia should account for beverages containing emulsified phases to achieve optimal texture, stability, and swallowing safety.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 재료 및 방법 4
• 1. 재료 4
• 2. 방법 5
• 2.1. MPI 기반 수용액 및 에멀전 시스템 제조 5
• 2.2. 에멀전 안정성 평가 7
• 2.3. ζ-potential 측정 8
• 2.4. 입자 크기 분포 측정 9
• 2.5. 탁도 측정 10
• 2.6. 크리밍 지수 측정 11
• 2.7. 고유점도 측정 12
• 2.8. FTIR 분광법 14
• 2.9. 유변학적 특성 측정 15
• 2.10. MPI 기반 시스템의 점도측정 17
• 2.11. 주사전자현미경 측정 18
• 2.12. 통계 분석 19
• Ⅲ. 결과 및 고찰 20
• 1. 유화 안정성 20
• 2. 수용액 및 에멀전 시스템에서의 XG 입체 구조 24
• 3. ATR-FTIR 분석 28
• 4. 정상유동 특성 31
• 5. 시간 의존적 유동 특성 36
• 6. 동적 점탄 특성 39
• 7. MPI 기반 수용액 및 에멀전 시스템의 비교 44
• Ⅳ. 결 론 47
• 참 고 문 헌 48
• ABSTRACT 54