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Particle Size Analysis : Exploring of the Impact of Homogenization on Soy Milk |
Abstract
두유의 맛과 안정성을 향상시키기 위해, 강한 전단력을 가해 큰 fat globule 입자와 단백질 응집체를 분해하는 균질화는 제조 과정에서 중요한 단계입니다.
Bettersize 는 Bettersizer S3 Plus 와 BeVision S1 이라는 두 가지 장비를 결합하여 두유 입자 분석을 제공할 수 있으며, 이를 통해 두유 제품의 전반적인 품질을 보장하고
지방 부유 및 단백질 침전을 효과적으로 방지하는 균질한 액체를 생성할 수 있습니다.
Introduction
두유는 불린 콩으로 만든 콜로이드 액체로, 주로 단백질, 지질, 탄수화물을 함유하고 있습니다. 두유는 소의 우유와 유사한 단백질 함량을 가지고 있으면서도,
알레르기 반응과 소화기 증상을 유발할 수 있는 유당과 카제인이 없기 때문에 인기가 많은 대체 음료로 자리 잡았습니다.
그러나 두유를 그대로 두면 고체와 액체 성분 간의 분리가 발생할 수 있으며, 저장 중에는 지방이 떠오르거나 침전이 증가하기 쉽습니다.
또한, 두유 내의 식물성 단백질과 fat globule 의 크기가 크면 인체 내에서의 흡수율이 감소할 수 있습니다.
더 부드러운 질감을 얻고 두유의 생체이용률을 향상시키기 위해 고압 균질화가 사용됩니다.
균질화는 두유 제조 과정에서 중요한 단계입니다. 대기압의 최대 200배에 달하는 압력 하에서 두유는 균질화 밸브의 좁은 틈을 통과하게 됩니다.
이 과정에서 전단력과 충격력이 결합되어 큰 fat globule, 인지질, 단백질 응집체가 분해되어 더 작고 균일하게 분산된 입자로 변환됩니다.
따라서, 입자 크기는 두유의 균질화 과정에서 발생하는 변화를 추적할 수 있는 중요한 parameter 라 할 수 있습니다.
Figure 1. The simulated operation of a high-pressure homogenizer.
Materials and Method
이 실험은 균질화 과정이 두유 성분의 입자 크기에 미치는 영향을 분석하는 것을 목적으로 합니다.
실험에 사용된 재료는 균질화된 두유(샘플 1로 지칭) 와 균질화되지 않은 두유 (샘플 2로 지칭)입니다.
이 Application Note 에서는 입자 크기 분포 및 형상 분석을 위해 Bettersizer S3 PLUS 와 BeVision S1 의 활용 사례를 보여줍니다.
Bettersizer S3 Plus 는 레이저 회절과 동적 이미지 분석을 하나의 장비에 통합하여 넓은 동적 범위에서 입자 크기, 크기 분포 및 입자 형상을 동시에 특성화할 수 있습니다.
반면, BeVision S1 은 광학 현미경과 이미지 분석을 결합하여 분말 또는 현탁액의 크기 및 형상 분포를 직관적이고 정확하게 제공합니다.
Materials and Method
Bettersizer S3 Plus result：
이 두 샘플의 결과는 Figure 2 에 나타나 있습니다. 균질화된 두유의 경우, 중간 입자 크기는 0.355μm 이며 입자 크기 분포의 Span 은 2.833으로,
균일하고 미세하게 분산된 혼합물을 나타냅니다.
그러나 균질화되지 않은 두유는 중간 입자 크기가 8.861μm 로 훨씬 더 크고, Span 은 17.63 으로 더 넓어, 보다 다양한 크기의 일관성이 낮은 분포를 보입니다.
이 두 샘플을 비교해보면, 균질화된 두유는 fat globule 과 단백질의 평균 입자 크기가 감소하고 크기 분포가 좁아졌음을 알 수 있습니다.
이는 균질화 과정을 통해 더 미세하고 균일한 액체를 얻을 수 있음을 입증합니다.
또한, 샘플 2 의 주요 입자 크기 범위인 1~11μm 에서, 샘플 1 은 꼬리가 길게 늘어나는 현상 (tailing) 을 보이며, 이는 완전히 균질화되지 않은 입자가 존재함을 나타냅니다.
이러한 결과는 추가적인 균질화가 더 부드럽고 세밀한 일관성을 가진 두유를 만드는 데 기여할 것임을 시사합니다.
더불어, 샘플 2 의 입자 크기 분포는 두 개의 중요한 피크를 보여줍니다. 주요 피크는 5.07μm 를 중심으로 하며, 이 범위에서 우세한 입자 크기를 나타냅니다.
두 번째 피크는 154μm 를 중심으로 하며, 혼합물 내에 더 큰 입자가 존재함을 나타냅니다.
Figure 2. Particle size distribution of homogenized and unhomogenized soy milk.
Table 1. Typical particle size values of soy milk samples
동적 이미지 분석 기술을 기반으로 입자를 개별적으로 계수하는 Bettersizer S3 Plus 는 이러한 과도하게 큰 fat globule 와 단백질 입자를 쉽게 식별할 수 있습니다.
이 기능은 각 입자를 개별적으로 검사하거나 모든 입자의 크기 및 형상 데이터 매개변수를 집합적으로 분석함으로써 이루어지며,
이를 통해 개수 기반 분포 및 여러 필수 매개변수를 생성할 수 있습니다.
이 결과는 Figure 3 에 나타나 있습니다.
Figure 3. The result from the dynamic image analysis of Bettersizer S3 Plus
BeVision S1 result：
동적 이미지 분석에서 나타난 입자 성분을 교차 검증하기 위해 BeVision S1 은 보다 정밀하고 상세한 확대 이미지를 제공합니다.
이러한 이미지는 Figure 4 에 제시되어 있습니다. BeVision S1 으로 관찰한 결과, 약 30μm 크기의 큰 입자들은 다양한 흥미로운 형상과 구조를 보여주며 (Figure 4A/B/C),
이러한 입자들은 세포 매트릭스 내에서 공간적으로 조직된 패턴으로 배열되어 있어 대두 단백질 입자의 응집체로 정의될 수 있습니다.
이 구형 단백질 응집체는 주로 글리시닌 (glycinin) 과 β-콩글리시닌 (β-conglycinin) 으로 구성되어 있으며, 내부에 작은 기공이나 채널을 가진 구형 구조를 띠고 있습니다.
이러한 구조는 네트워크 형태를 형성하며, 조직적이고 규칙적인 패턴을 보여줍니다.
그러나 Figure 4D 는 균질화된 두유의 비교적 빈약한 미세 구조를 보여주며, 소수의 작은 입자만이 존재함을 나타냅니다.
이는 Figure 2 에서 1~10μm 범위에서 나타난 꼬리 현상 (tailing) 을 뒷받침합니다.
이러한 결과는 BeVision S1 이 대두 단백질 응집체의 복잡하고 동적인 본질을 미세 수준에서 엿볼 수 있는 통찰력을 제공할 수 있음을 입증합니다.
Figure 4. Examples of the microscopic results from BeVision S1. A&B: Results of unhomogenized soy milk under 10x objective. C: Zoom-in results with oversized particles of unhomogenized soy milk under 40x objective. D: Results of homogenized soy milk under 40x objective
일반적으로 용해되지 않은 대두 단백질 단량체의 입자 크기는 40nm 에서 2μm 사이입니다.
Figure 2 에 따르면, 샘플 1 의 입자 크기는 주로 2μm 이하인 반면, 샘플 2 의 입자는 대부분 2μm 를 초과합니다.
BeVision S1 이 제공한 이미지 분석 결과, 샘플 2 에서 과도하게 큰 입자들이 단백질 응집체임이 추가로 입증되었습니다.
따라서 이러한 결과는 균질화되지 않은 두유가 단백질 응집에 더 취약하다는 것을 재확인합니다.
반면, 균질화 과정은 구성 요소의 전체 입자 크기를 효과적으로 감소시키고 대두 단백질의 큰 응집체를 분해하여 두유의 생체이용률을 향상시키는 데 기여합니다.
Conclusions
균질화는 큰 지방구와 단백질 응집체를 분해하는 중요한 역할을 하여, 두유 내에서 더 작고 균일하게 분산된 입자들을 생성합니다.
이는 두유의 질감, 안정성 및 전반적인 제품 품질 향상에 기여합니다.
입자 크기 분포를 이해함으로써, 제조업체는 균질화 과정을 추적하여 크리미함과 구강감 등 원하는 감각적 특성은 물론, 최종 제품의 일관성도 달성할 수 있습니다.
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