Process Optimisation and Quality Evaluation of a Vitamin D₃-Fortified, Monk Fruit– Sweetened Fermented Milk Beverage Containing Shatavari and Ashwagandha

기술 요약: 샤타바리(Shatavari)와 아슈와간다(Ashwagandha)를 함유한 비타민 D₃ 강화, 나한과 감미료 사용 발효 유제품의 공정 최적화 및 품질 평가

문제 제기
지용성 비타민(비타민 D₃), 아유르베다 식물 추출물(샤타바리 및 아슈와간다), 그리고 대체 감미료를 동시에 배합한 기능성 발효 유제품(FMB)을 개발하는 것은 상당한 기술적 과제를 안겨준다. 이러한 과제에는 콜로이드 안정성 유지, 발효 역학 확보, 식물 유래 파이토케미컬과 우유 단백질 간의 상호작용 관리, 그리고 관능적 수용성 확보가 포함된다. 구체적으로, 식물 분말의 첨가는 쓴맛, 떫은맛, 입안의 거친 질감을 유발할 수 있으며, 설탕을 고감도 감미료나 벌크 캐리어(나한과 기반 감미료와 같은)로 대체하는 것은 수분 활성도, 삼투압 조건 및 유변학적 특성을 변화시킨다. 또한, 비타민 D₃의 지용성 특성은 안정적인 전달 매트릭스를 요구하여 보존율과 생체 이용률을 보장해야 한다. 세 가지 성분(식물 추출물, 비타민 D₃, 상업용 1:1 나한과 기반 벌크 감미료)을 단일 FMB 제형에 동시에 최적화하는 연구는 미비한 실정이다.

연구 방법론
본 연구는 제형 최적화, 공정 공학 및 종합적인 품질 평가를 포함하는 체계적인 접근 방식을 채택하였다:

1. 실험 설계: 반응 표면 분석법(RSM) 내 중심 합성 회전 설계(CCRD)를 사용하여 샤타리(Shatavari, Asparagus racemosus)와 아슈와간다(Ashwagandha, Witharia somnifera)의 농도 및 설탕의 농도를 최적화하였다. 설계 범위는 식물 추출물의 경우 0.20–0.50%, 설탕의 경우 8.0–17.0%였다. 관능적 속성(색상, 바디/질감, 단맛, 풍미, 전체적 수용도)은 20명의 훈련된 평가자를 대상으로 9점 척도 헤도닉 척도를 사용하여 평가되었다.
2. 공정 최적화: RSM 결과에 따라 설탕이 첨가된 허브 FMB(S-HFMB)를 제조하였다. 이후, 설탕을 모그로사이드(mogrosides)와 알룰로스 캐리어를 포함하는 상업용 나한과 기반 벌크 감미료로 1:1 질량 기준으로 완전히 대체하였으며, 농도는 8.5%에서 14.5% 사이로 조절하였다.
3. 제조 공정: 표준 혼합 우유(지방 4.5%, 고형분 8.5%)를 90°C로 가열한 후 42°C로 냉각하고, Streptococcus thermophilus와 Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus를 접종하여 pH 4.60까지 발효시켰다. 응고물을 혼합한 후 비타민 D₃(6000 IU/L)를 강화하였으며, 빛에 의한 퇴화를 방지하기 위해 불투명 용기에 포장하였다.
4. 품질 평가: 최적화된 나한과 감미 FMB(MF-HFMB)를 설탕 첨가 허브 FMB(S-HFMB) 및 비허브 대조군(C-FMB)과 비교하였다. 분석 항목은 다음과 같다:
   • 물리화학적 특성: 총 고형분, 단백질, 지방, 회분, pH, 적정 산도, 겉보기 점도, 유리 지방산 및 티로신 수치.
   • 기능적 특성: DPPH 라디칼 소거 활성(항산화 능력) 및 S. aureus, E. coli, S. Typhimurium, E. faecalis에 대한 in vitro 항균 활성.
   • 영양적 특성: 비타민 D₃ 보존량 정량 분석.
   • 미생물학적 특성: 추정 락토바실러스(lactobacilli) 및 스트렙토코커스(streptococci)의 수 측정.

주요 기여 및 결과

• 제형 최적화: RSM 모델링(R² = 0.9559–0.9752)을 통해 설탕이 첨가된 최적 제형(샤타리 0.35%, 아슈와간다 0.35%, 설탕 12.50%)을 확인하였으며, 이는 예측된 전체 수용도 8.66을 나타냈다.
• 감미료 대체: 설탕을 12.5%의 나한과 기반 감미료로 완전히 대체했을 때, MF-HFMB의 전체 수용도 점수가 가장 높게(8.94/9) 나타났다. 감미료 농도가 더 높을 경우(14.5%) 바디감과 질감 점수는 개선되었으나, 지속적이거나 불균형한 단맛 프로파일로 인해 단맛 수용도는 감소하였다.
• 물리화학적 특성:
  • 점도: MF-HFMB는 대조군(20.40 mPa·s)보다 높은 겉보기 점도(22.10 mPa·s)를 보였으나, 설탕이 첨가된 허브 버전(24.60 mPa·s)보다는 약간 낮았다.
  • 조성: MF-HFMB는 총 고형분 24.52%, 단백질 3.50%, 지방 4.10%를 함유하였다.
  • 발효: 식물 추출물 첨가는 대조군의 4.5시간에 비해 발효 시간을 7.0시간으로 연장시켰으나, 감미료의 종류(설탕 vs 나한과)는 두 허브 제형 간의 발효 시간을 유의미하게 변화시키지 않았다.
• 기능적 활성:
  • 항산화 능력: MF-HFMB는 대조군(0.41 mmol TE L⁻¹)에 비해 유의미하게 높은 DPPH 라디칼 소거 활성(0.92 mmol TE L⁻¹)을 보였다.
  • 항균 활성: 허브 제형은 테스트된 병원균에 대해 대조군보다 높은 in vitro 항균 활성을 나타냈다. 예를 들어, S. aureus에 대한 저해대는 MF-HFMB의 경우 약 23 mm, 대조군의 경우 약 13 mm였다.
  • 비타민 D₃ 보존: MF-HFMB는 100 mL당 11.88 µg의 비타민 D₃(약 79.2% 보존)를 유지하였으며, 이는 100 mL 제공량당 약 475 IU를 제공하여 설탕 첨가 버전과 유사한 수준이다.
• 미생물학적 안정성: 두 허브 제형 모두 높은 수준의 스타터 배양균(추정 락토바실러스 ~8.88 log₁₀ CFU mL⁻¹, 스트렙토코커스 ~9.43 log₁₀ CFU mL⁻¹)을 유지하였으며, 이는 식물 추출물과 감미료가 스타터 배양균의 성장을 저해하지 않았음을 나타낸다.

의의 및 주장
본 논문은 상업용 나한과 기반 벌크 감미료를 사용하여 설탕을 완전히 대체한, 관능적으로 수용 가능한 비타민 D₃ 강화 허브 발효 유제품을 생산할 수 있는 기술적 타당성을 입증한다고 주장한다. 본 연구는 다음을 확립하였다:

1. 동시 결합: 지용성 비타민, 아유르베다 식물 추출물, 대체 감미료를 관능적 품질이나 스타터 배양의 생존력을 저해하지 않고 균형 있게 배합하는 것이 가능하다.
2. 기능성 향상: 결과물인 MF-HFMB는 표준 대조군에 비해 항산화 능력, 겉보기 점도, in vitro 항균 활성 측면에서 우수한 기능적 특성을 제공한다.
3. 영양적 가치: 이 음료는 1회 제공량당 성인 권장 섭취량(RDA)의 상당 부분을 제공하는 비타민 D₃를 포함하고 있다.

저자들은 본 제형이 실험실 조건에서는 성공적이지만, 상업적 적용 전 냉장 보관 안정성, 시간 경과에 따른 파이토케미컬 조성 변화, 그리고 파일럿 규모의 재현성에 대한 추가적인 평가가 필요하다고 결론지었다. 또한, 본 연구는 특정 기능적 이점이 개별 분리 성분에 의한 것이 아니라, 제형의 결합된 매트릭스 효과에 의한 것임을 명시하였다.