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      • 인산화 반응압출성형공정을 이용한 난소화성 알파가루쌀분말 개발

        양선혜 경기대학교 대학원 2025 국내석사

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        식이조절이 필요한 비만 및 당뇨병 전 단계 인구 증가에 따라 저당 식품에 대한 필요성 및 수요가 증가하고 있다. 그러나 쌀밥 위주로 하는 우리나라의 전통적인 식문화와 탄수화물 위주의 가공식품 또는 즉석조리식품의 범람으로 식이조절이 어렵다. 당지수(glycemic index, GI)에 직접적인 영향을 주는 전분질 원료를 대체할 수 있는 소재 역시 미흡한 상태이며 기존 쌀 소재에 적용된 당저감 기술은 개발에 많은 시간과 비용이 요구되며, 식품 가공 및 조리 시 혈당 강하 기능을 유지할 수 없어 이를 해결할 수 있는 새로운 당지수 저감 기술 개발이 필요하다. 최근 정부에서 가공용 쌀 소비 증대를 위하여 수원542호와 조평을 교배하여 육종한 쌀인 가루쌀(바로미2)를 개발하고 재배확대와 식품 산업적 이용 확대를 위해 다양한 연구·개발 및 식품업계를 중심으로 산업화가 추진되고 있다. 그러나 가루쌀 역시 여전히 빠른 소화성과 높은 노화도, 낮은 보수력 등의 낮은 가공 적성으로 인해 식품산업에 제한적으로 이용되고 있다. 따라서 본 연구는 1) 가루쌀의 가공 적성과 가공 기술 개발에 필요한 기초 자료로 제분기술별 가루쌀분말의 물리화학적 특성을 조사하였고, 2) 가루쌀분말의 소화성 및 노화 특성을 개선하기 위해 반응압출성형공정을 이용하여 가루쌀분말 유래 난소화성 인산화 알파미분의 개발 및 특성을 규명하였으며, 3) 개발한 가루쌀분말 소재의 가공식품 원료로의 적합성을 평가하였다. 제분기술별 가루쌀분말의 물리화학적 특성 규명 연구에 있어, 가루쌀분말의 일반성분, 총 전분 및 아밀로스 함량을 측정한 결과 제분 기술(롤밀 및 기류밀 이용 제분)에 대한 영향은 거의 없으나, 다른 대조군(상업용 쌀가루 및 실험실 제조 쌀가루)들에 비해 높은 조지방 함량을 가졌다. 주사전자현미경을 이용하여 형태학적 특성에 있어, 가루쌀분말이 대조군보다 개별적인 쌀전분 과립들이 쌀가루 과립 외부에 다량 존재하였고, 이는 높은 용해도를 초래하였다. 시차주사열량계를 이용한 열적 특성에 있어, 가루쌀분말의 노화도는 대조군들보다 높은 수준이었다. 페이스팅 점도 특성은 가루쌀분말이 단기 노화 특성 지표인 치반점도(setback viscosity)에 있어 대조군들에 비해 낮은 수준을 나타내었다. 따라서 가루쌀분말은 대조군에 비해 낮은 치반점도와 높은 팽윤력을 가져 식품에 적용 시 가공에 용이하고 단기 보관 시 노화가 지연되나 높은 조지방 함량으로 장기간 보관 시 높은 노화도를 가질 것으로 생각된다. 가루쌀분말의 당지수 저감을 위해 인산화 반응압출성형공정을 이용하여 인산화 알파미분 제조하고 특성을 규명하여 난소화성 인산화 알파미분을 개발하고자 하였다. 가루쌀분말과 인산염 혼합물(sodium hexametaphosphate:sodium tripolyphosphate=99:1, w/w)을 원료로 하여 Box-Behnken design에 의해 설계된 실험조건에 따라 반응압출성형하여 인산화 알파미분을 제조하고 특성을 조사하였다. 반응압출성형공정의 요인과 수준은 각각 반응물질의 pH 6-10, 배럴 온도 130-170°C와 스크류 회전속도 120-160 rpm이었다. 반응물의 pH가 8, 배럴 온도가 150°C에 근접할수록 저항전분 함량은 증가하였고, 반응용액의 pH를 8, 배럴 온도를 130°C, 스크류 회전속도를 160 rpm으로 조정하였을 때 용해도와 팽윤력은 모두 증가하였다. 호화엔탈피는 배럴 온도를 150°C로 하였을 때, 낮은 수준을 보였고, 호화엔탈피와 4주차 용융엔탈피의 차를 통해 호화와 노화 과정에서 전분의 구조가 잘 유지되었다는 것을 확인하였으며 이는 시간이 지나도 품질 저하가 적고, 저장 중 변화도 적다는 것을 나타낸다. 페이스팅 점도 특성에서는 배럴 온도가 높아질수록 낮아졌고, 이는 쌀전분과 쌀단백질 사이의 가교가 형성되었음을 시사한다. 이러한 결과를 통해 반응압출성형공정 최적조건은 반응물의 pH가 8, 배럴 온도가 149.5°C, 스크류 속도가 138.7 rpm으로 도출되었으며, 최적 반응압출성형공정조건에서 난소화성 인산화 알파미분의 저항전분은 semi-pilot scale 압출성형기 이용 시 60.9%, pilot scale 압출성형기 이용 시 41.0%를 나타내었다. 따라서 인산화 반응압출성형공정에 의한 난소화성 인산화 알파미분은 저항전분 함량 증대와 노화 현상을 개선하여 산업적 활용도가 높을 것으로 예상되며, 개발한 소재를 단순한 공정으로 대량생산할 수 있어 경제적으로도 우수한 소재와 제조기술이 될 것으로 생각된다. 마지막으로 개발한 난소화성 인산화 알파미분의 가공식품 이용성과 가공식품 적용 시 기능 유지를 검증하기 위해 면과 쿠키에 적용하였다. 면은 중력분(대조군), 가루쌀분말, 난소화성 인산화 알파미분과 가루쌀분말-난소화성 인산화 알파미분 혼합물을 이용하여 binder와 함께 압출면으로 제조하였다. 가루쌀분말-난소화성 인산화 알파미분 혼합 면의 저항전분 함량이 가장 높게 나타났으며, 중력분 면과 가장 비슷한 면 두께를 나타냈다. 가루쌀분말 면에서 관찰된 crack과 난소화성 인산화 알파미분 면의 울퉁불퉁한 현상은 가루쌀분말과 난소화성 인산화 알파미분을 1:1로 혼합하면서 개선되었다. 이는 가루쌀분말 면과 난소화성 인산화 알파미분 면의 높은 수분 흡수율을 낮추며 면의 끈적이는 식감도 개선되었다. 쿠키 적용 연구에 있어, 쿠키의 가루원료로 박력분(대조군), 가루쌀분말과 난소화성 인산화 알파미분을 사용하였다. 난소화성 인산화 알파미분 쿠키가 다른 쿠키에 비해 가장 높은 저항전분 함량을 나타냈지만 가장 낮은 퍼짐성과 높은 경도를 나타냈다. 결과적으로 인산화 반응압출성형공정에 의해 제조된 난소화성 인산화 알파미분은 식품에 적용 시 높은 저항전분 함량을 나타내며 낮은 호화 엔탈피로 빠르게 가공하고 고온에서 처리하여도 용이하여 식품산업에서 보편적으로 사용할 수 있는 큰 잠재력을 가진 소재인 것으로 생각된다. The need and demand for low-sugar foods is increasing due to the growing number of obese and pre-diabetic people in need of dietary control. However, dietary control is difficult due to Korea's traditional food culture, which is mainly based on rice, and the proliferation of carbohydrate-rich processed or ready-to-eat foods. In addition, there is a shortage of materials that can replace starchy raw materials that directly affect the glycemic index, and glycemic index reduction technology applied to existing rice materials require a lot of time and money to develop and cannot maintain the blood sugar-lowering functions during food processing and cooking, so it is necessary to develop new glycemic index reduction technology that can solve this problem. Recently, the government has promoted the research, development and industrialisation of the food industry use of floury rice(Baromi 2), a rice produced by crossing Suwon542 and Jopyeong, in order to increase the consumption of processed rice. However, its use in the food industry is still limited due to its low processing properties such as rapid digestibility, high retrogradation and low water retention. In the first study, a comparative analysis of five rice flours including floury rice materials was conducted as a basis for the development of processing aptitude and processing technology of floury rice. Two floury rices, two commercial rice flours and a laboratory-made rice flour were used for analysis and the particle size distribution, general composition, total starch and amylose content, morphological property, solubility, swelling power, thermal property and pasting viscosity property were measured. The results of the general composition, total starch and amylose content of floury rice including air-jet milled floury rice, which is the main material of this study, showed that there was little effect of milling method, but it had a higher crude fat content than the other controls, and morphological characterization using scanning electron microscopy showed that individual rice starch granules were present in large amounts outside the floury rice granules than other rice flours, which contributed to its high solubility. Furthermore, when the degree of retrogradation of the rice flour was determined as the ratio of the melting enthalpy to the gelatinization enthalpy of the rice flour using a differential scanning calorimeter, the degree of retrogradation was higher than that of the controls, and when the viscosity characteristics of the rice flour were analysed using a rapid viscometer, the setback viscosity, which is an indicator of short-term ageing characteristics, was lower for the floury rice than for the other controls. Therefore, it was predicted that floury rice has a low setback viscosity and high swelling power compared to other rice flours, which is easy to process when applied to food products and delays aging in short-term storage, but has a high crude fat content and high aging in long-term storage, which requires additional drying after extrusion process. In the second study, we aimed to develop phosphorylated pre-gelatinized floury rice powder as a food material that can improve the rapid digestibility and retrogradation of rice flour by using the phosphorylation extrusion process as a new glycemic index reduction technology to expand its industrial use in the food industry, and optimized the manufacturing conditions using Box-Behnken design and response surface analysis. The floury rice powder dry-milled by an air-jet mill was used as the rice flour raw material, and food additive grade phosphate was used as the reactant. The process factors (levels) of reaction extrusion process were pH of reactant (6-10), barrel temperature (130-170°C) and screw speed (120-160 rpm). The resulting phosphorylated pre-gelatinized floury rice powder was characterized in terms of resistant starch content, solubility, swelling power, thermal property and pasting viscosity property. It was observed that the content of resistant starch increased as the pH of the reactant increased to 8 and the barrel temperature approached 150°C, and both solubility and swelling power increased when the pH of the reactant was adjusted to 8, the barrel temperature to 130°C and the screw speed to 160 rpm, The thermal property was low when the barrel temperature was set at 150°C, and the difference between the enthalpy of gelatinization and the enthalpy of aging at 4 weeks confirmed that the structure of the starch was well maintained during the gelatinization and retrogradation process, indicating that there was little degradation over time and little change during storage. The pasting viscosity property decreased with increasing barrel temperature, suggesting that cross-linking between rice starch and rice protein had occurred. Based on these results, the optimum conditions for the reactive extrusion process were found to be a pH of 8 for the reactant, a barrel temperature of 149.5°C and a screw speed of 138.7 rpm, which resulted in a resistant starch content of 60.9% at semi-pilot scale extrusion and 41.0% at pilot scale extrusion. Therefore, the phosphorylation extrusion process is expected to have high industrial application by improving the digestibility and retrogradation of floury rice, and it is thought to be a simple and mass production process for phosphorylated pre-gelatinized floury rice powder, which can replace the existing glycemic index reduction technology. In the third study, the previously prepared phosphorylated pre-gelatinized floury rice powder was applied to noodles and cookies to evaluate the quality characteristics to increase the utilisation value of processed rice and to confirm its potential as an ovulatory material. Four powders were used for noodles: all-purpose wheat flour (control), floury rice powder, non-digestible phosphorylated pre-gelatinized floury rice powder and a 1:1 mixture by weight of floury rice powder and non-digestible phosphorylated pre-gelatinized floury rice powder, and for cookies soft wheat flour (control), floury rice powder and non-digestible phosphorylated pre-gelatinized floury rice powder were used. The quality characteristics of noodles were measured by tensile test, cooking characteristics and resistant starch content, and the quality characteristics of cookies were measured for spread factor, fracture strength, and resistant starch content. The results of the quality characteristics of the noodles showed that the noodles made with a mixture of floury rice powder and non-digestible phosphorylated pre-gelatinized floury rice powder had the highest resistant starch content and the thickness of the noodles most similar to the all-purpose wheat flour. The cracks observed in the floury rice powder noodles and the unevenness of the surface of the non-digestible phosphorylated pre-gelatinized floury rice powder noodles were improved by mixing the floury rice powder and non-digestible phosphorylated pre-gelatinized floury rice powder in a 1:1 ratio. This reduced the high water absorption rate of floury rice powder noodles and non-digestible phosphorylated pre-gelatinized floury rice powder noodles, and improved the sticky texture of the noodles. In terms of cookie quality characteristics, cookies made with pre-gelatinized floury rice powder had the highest resistant starch content, but the low spreadability and high fracture strength. Therefore, the non-digestible phosphorylated pre-gelatinized floury rice powder prepared by the phosphorylation extrusion process exhibits a high resistant starch content in food applications, and can be processed quickly and easily at high temperatures with a low gelatinization enthalpy, thus showing great potential as a universal food material in the food industry.

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