푸드브라우닝

브라우닝은 내부에서 일어나는 화학 반응으로 인해 음식이 갈색으로 변하는 과정이다. 갈변과정은 식품화학에서 일어나는 화학반응 중 하나로 건강, 영양, 식품기술에 관한 흥미로운 연구주제를 나타낸다. 시간이 지남에 따라 음식의 화학적 변화에는 많은 다른 방법들이 있지만, 특히 갈변은 두 가지 주요 범주로 분류된다: 효소 대 비질변성 갈변 과정이다.

브라우닝은 영양, 기술, 그리고 경제적 비용과 관련된 식품 산업에 많은 중요한 시사점을 가지고 있다.^[1] 연구자들은 특히 갈색의 통제(금지)와 이러한 억제를 극대화하고 궁극적으로 식품의 저장 수명을 연장하기 위해 사용할 수 있는 다양한 방법들을 연구하는 데 관심이 있다.^[2]

효소 브라우닝

효소 갈변은 해산물뿐만 아니라 대부분의 과일과 채소에서도 일어나는 가장 중요한 반응 중 하나이다.^[3] 이러한 과정은 그러한 음식의 맛, 색, 가치에 영향을 미친다.^[3] 일반적으로 천연 페놀에서 멜라닌과 벤조퀴논을 생성하는 것은 폴리페놀 산화효소(PPO), 카테콜 산화효소, 기타 효소를 포함하는 화학반응이다. 효소 브라우닝(식품의 산화라고도 함)은 산소에 노출되어야 한다. 그것은 폴리페놀 산화제에 의한 페놀의 키노네로의 산화로부터 시작되는데,^[4] 키노네스의 강한 전기적 상태가 다른 단백질의 핵포함 공격에 높은 민감성을 유발한다.^[4] 그리고 나서 이 퀴논들은 일련의 반응으로 중합되어 결국 음식 표면에 갈색 색소(융해)가 형성된다.^[5] 효소 브라우닝 속도는 식품에 존재하는 활성 폴리페놀 산화의 양에 의해 반영된다.^[1] 따라서 효소 갈색을 억제하는 대부분의 연구 방법은 폴리페놀 산화효소 활동을 방해하는 데 초점을 맞추고 있다.^[1] 그러나, 음식의 모든 갈색이 부정적인 효과를 내는 것은 아니다.^[1]

유익한 효소 갈색의 예:

• 커피, 코코아 콩, 차 등의 색과 풍미를 개발한다.^[6]
• 무화과나 건포도 같은 건조 과일의 색과 풍미를 개발한다.

유익하지 않은 효소 갈색의 예:

• 사과, 감자, 바나나, 아보카도를 포함한 신선한 과일과 야채.
• 폴리페놀 산화는 새우 등 갑각류에서 흑색증이 형성되는 주요 반응이다.^[7]

효소 갈변 제어

효소 갈색의 통제는 항상 식품산업에 도전이었다. 다양한 접근방식은 식품의 효소 갈색을 방지하거나 느리게 하기 위해 사용되는데, 각 방법은 화학반응의 특정 단계를 목표로 한다. 다양한 유형의 효소 갈변 제어는 물리학과 화학의 두 가지 큰 그룹으로 분류될 수 있다. 보통 여러 가지 방법이 사용된다. 황산염(강력한 항균 화학물질)의 사용은 황산염의 활동과 함께 발생할 수 있는 잠재적 위험 때문에 재고되었다.^[8] 효소 공정에 직면했을 때 발생하는 제어 메커니즘의 정확한 유형에 대해 많은 연구가 수행되었다. 갈변 조절은 예방 외에도 갈변 후에 음식 색깔을 회복하기 위한 조치도 포함한다. 예를 들어, 이온 교환 여과나 초유입은 용액의 갈색 퇴적물을 제거하기 위해 와인메이킹에 사용될 수 있다.^[9]

물리적 방법

• 열처리 - 음식을 데치거나 로스팅하는 것과 같이 열로 처리하면 효소를 불포화시키고 갈변 작용을 하는 반응제를 파괴한다. 예를 들어, 데치는 것은 와인 제조,^[10] 차 가공, 견과류와 베이컨 저장, 그리고 냉동 보존을 위한 야채 준비 등에 사용된다.^[11][12][13] 고기는 종종 높은 열에서 부분적으로 갈색이 되다가 낮은 온도에서 조리하기 위한 더 큰 준비물에 통합되어 갈색이 덜 만들어진다.

• 차가운 처리 - 냉동과 냉동은 부패를 방지하는 가장 흔한 음식 저장 방법이다. 브라우닝 효소의 활동, 즉 반응속도는 저온에서 떨어진다.^[14] 그러므로 냉장고는 신선한 야채와 과일의 초기 모양, 색깔, 그리고 맛을 유지하는데 도움을 준다. 냉장고는 또한 과일과 야채의 유통과 소매업에도 사용된다.

• 산소 제거 - 산소의 존재는 효소 갈색으로 결정되므로, 환경에서 산소를 제거하면 갈색으로 변하는 반응을 늦추는 데 도움이 된다. 진공 포장 또는 변형된 대기 포장,^[14] 와인 또는 주스 병입,^[15] 불침투성 필름 또는 식용 코팅 사용, 소금 또는 설탕 용액에 담그는 등 보존 중에 공기를 빼거나 다른 가스(예₂: N 또는 CO₂)로 대체하면 식품이 산소와 직접 접촉하는 것을 방지한다.^[16] 플라스틱이나 다른 물질로 만들어진 불침투성 필름은 음식이 공기 중의 산소에 노출되는 것을 막고 수분 손실을 피한다. 부틸화 하이드록시톨루엔(BHT)과 부틸화 하이드록시탄니솔(BHA), 토코페롤, 히노키티올, 리소자임, 니신, 나타미신, 치토산, po폴리신 등 항산화물질과 항균성분이 함몰된 포장재 개발 활동이 활발해지고 있다.^[17][18] 식용 코팅은 다당류, 단백질, 지질, 식물성 피부, 식물 또는 다른 천연물로 만들어질 수 있다.^[19]

• 조사 - UV-C, 감마선, X선 및 전자 빔을 사용한 식품 조사는 식품 저장 수명을 연장하는 또 다른 방법이다. 이온화 방사선은 식품 변질을 일으키는 미생물의 생기를 억제하고 채소와 과일 보존의 성숙과 싹을 지연시킨다.^[16][20]

화학적 방법

• 산화 - 브라우닝 효소는 다른 효소와 마찬가지로 pH의 특정 범위에서 활동한다. 예를 들어, PPO는 pH 5-7에서 최적의 활성을 보이며 pH 3 이하에서는 억제된다.^[16] 산성화제와 산도조절제는 식품에서 원하는 pH를 유지하기 위한 식품첨가물로 널리 사용된다. 구연산, 아스코르브산, 글루타티온과 같은 산성 물질은 브라우닝 방지제로 사용된다. 이러한 작용제들 중 다수는 또한 킬레이트화, 항산화 작용과 같은 다른 브라우닝 방지 효과를 보여준다.

• 산화 방지제 - 식품 산업에서 많은 산화 방지제가 식품 첨가제로 사용된다. 이들 화합물은 산소와 반응하여 갈변 과정의 시작을 억제한다.^[16] 또한 다음과 같은 반응의 중간 산물에 간섭하여 멜라닌 형성을 억제한다. 아스코르브산, N-아세틸시스틴, L-시스틴, 4-헥시알레소르시놀, 에리스토르비산, 시스틴 염산, 글루타티온 등이 항브라우닝 성질을 위해 연구된 항산화제의 예다.

• 킬레이트화제 - 폴리페놀 산화효소는 그 기능을 위한 공동 인자로서 구리를 필요로 하기 때문에, 구리를 감싼 제제는 이 효소의 활동을 억제한다. 킬레이트 활성을 가진 많은 물질들이 구연산, 소르브산, 폴리인산, 히노키티올, 코지산, EDTA, 포르피린, 폴리카르복실산, 다른 단백질과 같은 식품 산업의 다른 분야에서 연구되고 사용되고 있다.^[16][18] 이들 화합물 중 일부는 산성화 또는 항산화 작용과 같은 다른 탐색 방지 효과도 가지고 있다. 히노키티올은 식품 포장용 코팅재에 사용된다.

기타 방법

• 천연제 - 양파, 파인애플, 레몬, 백포도주와 같은 다양한 천연물과 그 추출물은 일부 제품의 갈변을 억제하거나 느리게 하는 것으로 알려져 있다.^[16] 양파와 그 추출물은 PPO 활동을 억제함으로써 강력한 브라우징 방지 특성을 나타낸다. 파인애플 주스는 사과와 바나나에 브라우닝 방지 효과가 있는 것으로 나타났다. 레몬즙은 반죽을 만드는데 사용되어 페이스트리 제품을 더 밝게 보이게 한다. 이 효과는 레몬 주스에 들어 있는 구연산 및 아스코르브산의 반브라우닝 성질에 의해 설명될 수 있다.

• 유전자 변형 - 북극 사과는 PPO의 표현을 침묵시키기 위해 유전적으로 변형되어 갈변 효과를 지연시키고 사과 먹는 질을 향상시켰다.^[21][22]

비전도성 브라우닝

두 번째 타입의 브라우닝, 비엔자이드 브라우닝은 음식에서 갈색 색소 침착을 생성하지만 효소의 활성이 없는 과정이다. 비전도성 갈색의 두 가지 주요 형태는 카라멜화와 메이야드 반응이다. 둘 다 물 활동의 함수로서 반응률에 차이가 있다(식품 화학에서 물 활동의 표준 상태는 대부분 같은 온도에서 순수한 물의 부분 증기압으로 정의된다).

캐러멜라이징은 설탕의 열분해와 관련된 과정이다. 원하는 견과류 맛과 갈색을 위해 요리에 광범위하게 사용된다. 이 과정이 일어나면서 휘발성 화학물질이 분비돼 특유의 캐러멜 맛이 난다.

또 다른 비전도성 반응은 Maillard 반응이다. 이 반응은 음식이 요리될 때 풍미를 만들어 내는 데 책임이 있다. Maillard 반응을 겪는 음식의 예로는 빵, 스테이크, 감자가 있다. 자유아미노산의 아민 그룹과 환원설탕의 카보닐 그룹 사이에서 일어나는 화학반응으로,^[1] 보통 열을 가하여 일어난다. 설탕은 아미노산과 상호작용하여 다양한 냄새와 맛을 낸다. 메이야드 반응은 관련된 아미노산의 종류가 결과적인 맛을 결정하기 때문에 향미산업에서^[23] 가공식품에 대한 인공적인 맛을 생산하는 기초가 된다.

멜라노이드인(Melanoidin)은 갈색, 고분자량 이질적인 고분자로, 고온과 저수활동에서 메이야드 반응을 통해 당분과 아미노산이 결합할 때 형성된다. 멜라노이드 인은 보리 망치(비엔나와 뮌헨), 빵 껍질, 빵 껍질, 제과점 제품, 커피와 같은 어떤 형태의 비전도성 갈색을 겪은 음식에서 흔히 나타난다. 그것들은 또한 설탕 정제소의 폐수에도 존재하기 때문에 이러한 정제소의 유출을 둘러싼 오염을 피하기 위해 치료가 필요하다.

와인메이킹 중 포도의 갈변

대부분의 과일과 마찬가지로 포도는 그들이 가지고 있는 페놀 화합물의 수에 따라 다양하다. 이 특성은 술의 품질을 판단할 때 매개 변수로 사용된다.^[4] 위네마킹의 일반적인 과정은 폴리페놀 산화에 의한 페놀 화합물의 효소 산화에 의해 시작된다.^[4] 포도 세포의 vacuole에 있는 페놀 화합물과 폴리페놀 산화효소(시토플라즘에 위치)의 접촉은 포도 산화를 유발한다. 따라서 포도의 초기 갈변은 포도의 세포에서 "구획화 수정"의 결과로 발생한다.^[4]

식품 산업 및 기술에서의 시사점

효소성 갈변은 식품의 색, 맛, 영양적 가치에 영향을 미쳐 소비자에게 제때 팔리지 않을 경우 막대한 경제적 손실을 초래한다.^[1] 효소 갈색으로 인해 생산물의 50% 이상이 소실되는 것으로 추정된다.^[2] 인구의 증가와 그에 따른 천연자원의 고갈은 많은 생화학자들과 식품 기술자들을 갈변반응을 억제하는 방법을 사용함으로써 음식을 보존하고 더 오랫동안 새로운 기술이나 개선된 기술을 찾도록 만들었다. 이것은 음식의 저장 수명을 효과적으로 증가시켜, 폐기물 문제의 이 부분을 해결한다. 효소 갈변 메커니즘에 대한 더 나은 이해, 특히 반응에 관여하는 효소와 기판의 특성을 이해하는 것은 식품 기술자들이 그 메커니즘의 특정 단계를 통제하고 궁극적으로 갈색을 억제하기 위해 그 지식을 적용하는 데 도움을 줄 수 있다.

사과는 페놀 함량이 높기 때문에 연구자들이 흔히 연구하는 과일로 효소 갈색으로 변하기 쉽다.^[3] 사과와 갈변 활동에 관한 다른 연구 결과에 따르면, 더 많은 페놀 수량과 사과에서 효소 활성도 증가 간에 상관관계가 발견되었다.^[3] 이것은 잠재적인 목표를 제공하고 따라서 식품 업계가 식품을 유전자 조작하여 폴리페놀 산화효소 활동을 감소시키고 따라서 갈색을 감소시키기를 희망한다. 식품공학에서 그러한 업적의 한 예는 북극 사과의 생산에 있다. 오카나간 스페셜티 과일사가 개발한 이 사과는 폴리페놀 산화효소의 감소를 가능케 한 실험실 기술인 유전자 스플라이싱을 적용한 결과다.

면밀하게 연구되고 있는 또 다른 유형의 이슈는 해산물의 갈변이다.^[7] 해산물, 특히 새우는 전 세계 사람들이 먹는 주식이다. 실제로 흑색증이라고 불리는 새우의 갈변은 음식 조련사와 소비자들에게 큰 우려를 자아낸다. 흑색증은 주로 사후에 처리하거나 냉장 보관할 때 발생한다.^[7] 최근 연구에 따르면, 멜라토닌 폴리페놀 산화효소 억제제 역할을 하는 식물 추출물이 황산염과 같은 기능을 하지만 건강상의 위험은 없는 것으로 나타났다.^[7]

참고 항목

• 브라우닝(부분 조리)
• 분해
• 그라비
• 물 활동

참조