3D food printing of pastes incorporating Jerusalem artichoke puree: formulation, printability, and rheological characterization

기술 요약: 예르살렘 아티초크 퓨레를 함유한 페이스트의 3D 식품 프린팅

문제 제기
3D 식품 프린팅은 개인 맞춤형의 기하학적으로 복잡한 식품을 제조하는 기술로 부상하였으나, 그 성공 여부는 압출 가능한 페이스트의 유변학적 특성에 크게 의존한다. 현재 대부분의 연구는 흐름 행동과 구조적 회복력이 우수한 전분 함량이 높은 매트릭스, 특히 탈수 감자를 중심으로 이루어지고 있다. 그러나 원료를 다양화하고 프리바이오틱스 함량을 높여 영양학적 기능성을 강화할 수 있는 대안 탄수화물원에 대한 탐구는 제한적이다. 예르살렘 아티초크(Helianthus tuberosus L.)는 프리바이오틱스인 인줄린이 풍부한 괴경으로, 이를 3D 프린팅용 압출 페이스트의 매트릭스 성분으로 활용할 가능성에 대해서는 아직 체계적인 조사가 이루어지지 않았다. 과제는 예르살렘 아티초크의 영양적 이점과 성공적인 압출 및 형상 유지에 필요한 엄격한 유변학적 요구 조건(전단 박화, 항복 응력 및 빠른 구조 회복) 사이의 균형을 맞추는 페이스트를 배합하는 것이다.

방법론
본 연구는 탈수 감자(DP)를 예르살렘 아티초크 분말(JAP)로 20% 및 40%(w/w) 수준까지 부분적으로 대체하여 압출 가능한 페이스트를 개발하고 특성을 규명하는 것을 목표로 하였다. 대조군은 100% DP를 사용한 배합으로 준비하였다. JAP의 높은 인줄린 함량과 관련된 유변학적 결함을 해결하기 위해, 본 연구에서는 잔탄 검(XG)과 저메톡실 펙틴(LMP)을 하이드로콜로이드로 첨가하였다.

• 배합: 페이스트는 총 고형분 농도 20%(w/w)로 재구성되었다. 하이드로콜로이드는 다음과 같이 첨가되었다: XG 1.0%(총 고형분 기준) 및 LMP 1.2%(재구성 액 기준).
• 유변학적 특성 분석: 제어 응력 레오미터를 사용하여 다음을 수행하였다:
  • 변형 진폭 스윕(Strain amplitude sweeps): 선형 점탄성 영역(LVR) 및 유동 지점(G′-G″ 교차점)을 결정하기 위함.
  • 주파수 스윕(Frequency sweeps): 점탄성 계수(G′ 및 G″)와 주파수 의존성을 평가하기 위함.
  • 3단계 틱소트로피 테스트(3ITT): 프린팅 과정을 시뮬레이션(휴지, 압출/전단, 회복)하고 구조 회복 비율을 계산하기 위함.
• 3D 프린팅 및 후처리: 식품 등급 3D 프린터를 사용하여 원통형 디스크와 복잡한 기하학적 구조(예: 얼음 결정, 육각 기둥)를 출력하였다. 프린팅 후 안정화는 다양한 농도(1%, 5%, 10% w/v)의 염화칼슘(CaCl₂) 용액을 이용한 이온 결합 겔화(ionotropic gelation)를 통해 이루어졌다.
• 질감 분석: 겔화된 출력 구조의 경도, 응집성, 탄성 및 부착성을 측정하기 위해 질감 프로파일 분석(TPA)을 실시하였다.

주요 결과

• 원료 특성 분석: 예르랄렘 아티초크 분말은 탄수화물(78.26%)이 풍부하며, 주로 인줄린형 프럭탄으로 구성되어 있음이 확인되었다. 수분, 단백질, 회분 및 지질 함량은 각각 4.51%, 10.52%, 5.39%, 1.32%였다.
• 대체에 따른 유변학적 영향:
  • 감자를 JAP로 대체하면 탄성 계수(G′)가 유의미하게 감소하였다. 대조군(100% 감자)의 G′은 15.74 ± 1.05 kPa였으나, 40% 대체 시 6.31 ± 0.53 kPa로 감소하였다.
  • JAP의 혼입은 변형 내성(유동 지점이 약 6%에서 약 53% 변형으로 이동)을 증가시켰으나, 감자 기반 페이스트에 비해 절대적인 계수 값이 낮은 구조적으로 약한 네트워크를 초래하였다.
  • 100% JAP 배합은 복잡한 기하학적 구조를 지탱하기에는 점탄성 구조가 너무 약하여 형상이 무너지는 현상이 나타났다.
• 하이드로콜로이드 시너지: XG와 LMP의 병용이 결정적이었다. XG는 전단 박화 거동과 변형 내성을 제공하였고, LMP는 이온 결합 겔화를 가능하게 하였다. 이 조합은 점탄성 균형을 회복시켜, 최대 40%의 JAP를 포함한 페이스트가 대조군과 유사한 다층 적층 능력과 기하학적 충실도를 유지할 수 있게 하였다.
• 틱소트로피 회복: 성공적인 모든 배합(최대 40% JAP)은 전단 종료 후 구조를 회복하는 능력을 보여주었다. 그러나 JAP 함량이 높은 배합은 대조군에 비해 구조 회복이 약간 지연되었는데, 이는 가용성 인슐린 섬유가 하이드로콜로이드-전분 상호작용을 방해하기 때문인 것으로 분석되었다.
• 프린팅 후 겔화: 출력 구조에 5% (w/v) CaCl₂를 분무하는 것은 기계적 특성을 크게 향상시켰다. 경도는 겔화 전 0.28 ± 0.03 N에서 겔화 후 1.41 ± 0.44 N으로 증가하였다. 10% CaCl₂ 농도는 더 취성(brittle)이 강한 네트워크와 감소된 부착성을 초래하였다.
• 프린팅 가능성: 최대 40% JAP를 포함한 배합은 10% 미만의 치수 편차로 복잡한 기하학적 구조를 성공적으로 출력하였다. 100% JAP 페이스트는 감자 베이스 없이는 형상 충실도를 유지하는 데 실패하였다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 예르살렘 아티초크 퓨레를 기능성 원료로 사용하는 압출 기반 3D 식품 프린팅의 타당성을 입증한다고 주장한다. 본 연구는 다음을 확립하였다:

1. 기능적 강화: JAP는 (하이드로콜로이드 시스템(XG-LMP)의 지원을 받는 조건 하에, 대체 수준을 최대 40%로 제한할 경우) 공정성을 저해하지 않으면서 글루텐 프리 및 프리바이오틱스가 풍부한 식품을 제조할 수 있도록 페이스트에 혼입될 수 있다.
2. 유변학적 조절: 본 연구는 3D 프린팅에 필요한 특정 점탄성 균형을 달성하기 위해 인슐린의 가용성 섬유형 탄수화물과 전분 및 하이드로콜로이드의 구조적 강성 사이의 균형을 맞추는 것이 필수적임을 강조한다.
3. 안정화 전략: 유변학적 구조화(XG를 통한)와 적층 후 이온 결합 겔화(LMP 및 Ca²⁺를 통한)의 조합은 높은 수준의 기능성 섬유를 포함하는 출력물의 기계적 강도와 형상 유지력을 높이는 효과적인 전략이다.

결론적으로, 순수 JAP 페이스트는 복잡한 기하학적 구조를 위한 자립 능력이 부족하지만, 최대 40%의 JAP를 포함하는 혼합물은 조절 가능한 기능성 식품 매트릭스를 설계하기 위한 실행 가능한 경로을 제공하며, 이는 적층 제조를 위한 원료의 범위를 확장한다.