Application of carbohydrate–based additives to retard retrogradation and improve freeze-thaw stability in frozen dumpling skins with Baromi2 rice flour = 바로미2 쌀가루 냉동 만두피의 노화 지연 및 냉해동 안정성 향상을 위한 탄수화물 기반 첨가제 적용

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To address Korea’s growing reliance on imported wheat, a new rice cultivar, Baromi2, has been developed as a potential alternative to wheat flour. However, incorporating Baromi2 rice flour into starch-based products often results in a significant deterioration in texture and structural integrity. Therefore, this study aimed to improve the quality of wheat-based dumpling skins partially substituted with Baromi2 rice flour by using various carbohydrate-based additives, including soluble soybean polysaccharide (SP), trehalose (TH), xanthan gum (XG), sodium alginate (SA), and propylene glycol alginate (PGA). Furthermore, optimal combinations of these additives were investigated to delay starch retrogradation, improve freeze-thaw stability, and preserve desirable texture during frozen storage. Among all additives, gels containing PGA and SA showed the highest storage modulus (ΔG'), compensating for the texture deterioration caused by Baromi2 rice flour substitution and forming an elastic and stable gel network. After storage at 4℃ for 7 days, these gels exhibited the lowest ΔHa, indicating effective inhibition of short-term retrogradation associated with amylose aggregation. Furthermore, after five freeze-thaw cycles, they showed the lowest syneresis rate, confirming their ability to prevent water separation and structural weakening. When applied to dumpling skins, PGA and SA improved the weakened texture induced by rice flour substitution, yielding greater chewiness and extensibility. The composite treatment of PGA and SA further presented the lowest R%, relative crystallinity, and short-range order ratio (R1048/1019 cm -1) after storage at 4℃ for 7 days, demonstrating its strong inhibition of long-term amylopectin recrystallization. Moreover, this formulation achieved the fastest freezing rate and the lowest freezable water content, promoting the formation of fine, uniformly distributed ice crystals that preserve the network structure from mechanical damage. SEM and CLSM analyses further confirmed a dense and continuous protein-starch matrix with reduced porosity, which contributed to superior textural stability during prolonged frozen storage. In conclusion, the combined application of PGA and SA effectively enhanced the overall quality of dumpling skins containing Baromi2 rice flour by simultaneously retarding both short- and long-term starch retrogradation and improving freeze-thaw stability through network reinforcement and regulation of water mobility. Therefore, this study is expected to contribute to the industrial application and quality improvement of frozen processed food utilizing domestic rice.

국문 초록 (Abstract)

국내 밀 수입 의존도가 증가함에 따라 이를 대체하기 위한 방안으로서 바로미2가 밀가루 대체용 쌀 품종으로 개발되었다. 그러나 바로미2 쌀가루를 전분질 기반 식품에 적용할 경우, 텍스처 및 구조적 안정성이 저하되는 문제가 발생한다. 이에 본 연구에서는 이러한 품질 저하를 개선하기 위해 탄수화물 기반 첨가제인 수용성 대두다당류 (SP), 트레할로스 (TH), 잔탄검 (XG), 소디움 알지네이트 (SA), 프로필렌 글라이콜 알지네이트 (PGA)를 활용하여 바로미2 쌀가루로 일부 대체한 밀가루 기반 만두피의 품질을 개선하고자 하였다. 또한 이들 첨가소재의 복합처리를 통해 전분의 노화를 지연시키고 냉해동 안정성을 향상시켜 냉동 저장 중에도 우수한 텍스처를 유지할 수 있는 최적 조합을 탐색하였다. 그 결과, PGA와 SA를 첨가한 겔은 모든 시료 중 가장 높은 저장 탄성률 (ΔG′)을 보여 바로미2 쌀가루 대체로 인한 물성 저하를 보완하고 탄성 있고 안정적인 겔 네트워크를 형성하였다. 4℃에서 7일간 저장한 결과, 해당 겔은 가장 낮은 ΔHa를 나타내어 아밀로스 응집에 의한 단기 노화를 효과적으로 억제하였다. 또한 5회의 냉해동 사이클 반복 후 가장 낮은 이수율을 나타내어 수분 분리 및 구조 약화를 방지하는 것으로 확인되었다. 만두피 적용 시 PGA와 SA는 쌀가루 대체로 약화된 물성이 개선되어 쫄깃함과 신장성이 향상되었다. 특히 PGA와 SA 복합처리 시료는 4℃에서 7일간 저장 후 R%, 상대적 결정성, 단거리 질서 비율 (R1048/1019 cm-1)이 모두 가장 낮게 나타나, 아밀로펙틴의 재결정화에 의한 장기 노화를 효과적으로 지연시켰다. 또한 복합처리 시료는 가장 빠른 동결 속도와 가장 낮은 동결수 함량을 나타내어, 미세하고 균일한 얼음 결정이 전분-글루텐 네트워크 내에 형성되도록 하여 구조적 손상을 최소화하였다. SEM과 CLSM 분석 결과에서도 공극이 감소된 치밀하고 연속적인 전분-단백질 매트릭스 구조로 인해 장기 냉동 저장 중에도 우수한 텍스처 안정성을 유지하였다. 결론적으로, PGA와 SA의 복합 처리는 바로미2 쌀가루를 일부 대체한 만두피의 단기 및 장기 전분 노화를 동시에 억제하고, 내부 네트워크 강화와 수분 이동 조절을 통해 냉해동 안정성을 향상시켜 전반적인 품질을 효과적으로 개선하였다. 따라서 본 연구는 국산 쌀을 이용한 냉동 가공식품의 산업적 적용과 품질 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures ⅲ
• List of Tables ⅳ
• Abstract ⅴ
• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Materials and Methods 7
• 2.1. Materials 7
• 2.2. Preparation of dumpling skins 7
• 2.3. Evaluation of anti-retrogradation additives 10
• 2.3.1. Pasting properties of flour blends 10
• 2.3.2. Rheological properties of flour blend gels 10
• 2.3.3. Textural properties of flour blend gels 11
• 2.3.4. Water holding capacity of flour blends and syneresis rate of flour blend gels 11
• 2.3.5. Textural properties of dumpling skins with additives 13
• 2.3.6. Thermal properties of dumpling skins with additives 13
• 2.3.7. X-ray diffraction and crystalline properties of dumpling skins with additives 14
• 2.3.8. Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy of dumpling skins with additives 15
• 2.4. Application of optimized additives on frozen dumpling skins 15
• 2.4.1. Quick freezing curves of dumpling skins 15
• 2.4.2. Freezable water content of dumpling skins 16
• 2.4.3. Microstructure of frozen dumpling skins 17
• 2.4.4. Confocal laser scanning microscopy (CLSM) of frozen dumpling skins 17
• 2.4.5. Textural properties of frozen dumpling skins 18
• 2.5. Statistical analysis 18
• Ⅲ. Results and Discussion 19
• 3.1. Evaluation of anti-retrogradation additives 19
• 3.1.1. Pasting properties of flour blends 19
• 3.1.2. Rheological properties of flour blend gels 25
• 3.1.3. Textural properties of flour blend gels 29
• 3.1.4. Water holding capacity and syneresis rate of flour blend gels 34
• 3.1.5. Textural properties of dumpling skins with additives 39
• 3.1.6. Thermal properties of dumpling skins with additives 45
• 3.1.7. X-ray diffraction and crystalline properties of dumpling skins with additives 51
• 3.1.8. Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy of dumpling with additives 56
• 3.2. Application of optimized additives on frozen dumpling skins 62
• 3.2.1. Quick freezing curves of dumpling skins 62
• 3.2.2. Freezable water content of dumpling skins 67
• 3.2.3. Microstructure of frozen dumpling skins 72
• 3.2.4. Confocal laser scanning microscopy (CLSM) of frozen dumpling skins 77
• 3.2.5. Textural properties of frozen dumpling skins 81
• Ⅳ. Conclusions 87
• Ⅴ. References 89
• Abstract in Korean 106