Starch modification by tea polyphenols under ultrasonic power control: Digestive behavior and physicochemical characteristics

매일 수십억 명의 사람들이 에너지를 얻기 위해 전분에 의존합니다. 전분은 감자와 쌀부터 마와 밀에 이르기까지 모든 곳에서 발견되는 인류 식단의 주요 탄수화물입니다. 우리가 전분을 섭취하면 우리 몸은 이를 포도당으로 분해하여 세포의 연료로 사용합니다. 하지만 모든 전분이 동일한 속도로 분해되는 것은 아닙니다. 어떤 종류는 빠르게 용해되어 식후 혈당을 급격히 높이는 반면, 다른 종류는 천천히 또는 아예 분해되지 않아 꾸준한 에너지 방출을 제공합니다. 특히 제2형 당뇨병과 같은 질환을 관리하는 많은 사람들에게 전분이 설탕으로 변하는 속도는 건강에 매우 중요한 요소입니다. 과학자들은 맛이나 질감을 희생하지 않으면서 혈당 수치를 안정적으로 유지할 수 있는 식품을 만들기 위해, 전분의 구조를 변경하여 이 과정을 늦추는 방법을 오랫동안 연구해 왔습니다. 한 가지 유망한 방안은 차(tea)에 풍부하며 건강상 이점으로 잘 알려진 천연 식물 화합물인 폴리페놀을 전분과 결합하는 것입니다. 과제는 안전하고 효율적이며 식품 생산에 확장 가능한 방법을 사용하여 이 두 성분을 충분히 단단하게 결합하는 방법을 찾는 것이었습니다.

최근 허난 농업 대학교의 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 초음파를 사용하여 차 폴리페놀이 마 전분과 결합하도록 강제하는 특정 기술을 탐구했습니다. 티군(Tiegun) 마에서 추출한 마 전분은 영양가가 높지만 종종 제대로 활용되지 못하는 식재료로, 가공하기가 까다로울 수 있습니다. 연구진은 고주파 음파를 사용하여 강력한 물리적 힘을 만들어내는 기술인 초음파를 사용하여 전분과 차 화합물이 서로 맞물리도록 도울 수 있는지 확인하고자 했습니다. 그들은 마 전분과 차 폴리페놀 혼합물을 준비하고, 96와트의 약한 출력부터 480와트의 훨씬 강한 출력에 이르는 다섯 가지 다른 출력 수준에서 초음파 처리를 가했습니다. 목표는 음파가 전분 분자를 재배열하고 차 화합물을 그 안에 가둘 만큼 충분히 강하면서도, 만들고자 하는 구조를 파괴할 정도로 너무 강하지 않은 '최적의 지점'을 찾는 것이었습니다.

결과에 따르면 음파의 출력이 극적인 차이를 만들었습니다. 초음파 처리를 전혀 하지 않았을 때, 차 폴리페놀이 전분에 결합하는 양은 매우 적었습니다. 그러나 연구진이 출력을 높임에 따라 전분에 성공적으로 부착된 차 화합물의 양이 급격히 증가하여, 288와트라는 특정 설정에서 정점에 도달했습니다. 이 최적의 수준에서 결합 효율은 초음파 처리를 하지 않았을 때보다 거의 20배 더 효과적이었습니다. 만약 출력을 384와트나 480와트로 더 높이면 결합 효율은 다시 떨어졌습니다. 음파는 정밀한 도구처럼 작용하는 것으로 보였습니다. 즉, 적절한 강도에서는 전분 입자를 딱 적당히 열어 차 화합물이 안으로 들어오게 하고 전분 분자를 새로운 형태의 더 단단한 구조로 재배열했습니다. 하지만 소리가 너무 크면 연구진이 형성하려던 연결을 되풀이하여 구조를 찢어버렸습니다.

현미경으로 변형된 전분을 자세히 관찰한 결과, 정확히 어떤 일이 일어나고 있는지 밝혀졌습니다. 원래의 마 전분 입자는 매끄럽고 균일했지만, 초음파 처리 후에는 많은 미세한 구멍과 기공이 있는 불규칙하고 파편화된 조각처럼 보였습니다. 이 다공성의 거친 표면은 차 폴리페놀 분자가 단순히 표면에 머무는 것이 아니라 전분 매트릭스 깊숙이 박힐 수 있게 하는 데 결정적인 역할을 했습니다. 연구진은 이 새로운 구조가 전분 사슬이 나선형 계단처럼 차 분자를 감싸는 V형 포합 복합체(V-type inclusion complex)라고 알려진 특정 분자 배열임을 확인했습니다. 이 구조는 288와트에서 처리된 샘플에서 가장 완벽하고 질서 정연했으며, 이는 분자들이 매우 안정적이고 견고한 패턴으로 뭉쳐져 있음을 의미하는 높은 결정성을 보여주었습니다.

이러한 구조적 변화는 신체가 음식을 소화하는 방식에 심대한 영향을 미쳤습니다. 연구진이 모사된 소화 환경에서 변형된 전분을 테스트했을 때, 288와트로 처리된 버전은 분해하기가 현저히 더 어렵다는 것을 발견했습니다. 빠르게 당으로 전환되는 전분의 양은 감소한 반면, 소화계를 통과하여 흡수되지 않고 지나가는 물질인 저항성 전분의 양은 실질적으로 증가했습니다. 결과적으로, 식품이 혈당을 얼마나 높이는지를 나타내는 척도인 당지수(GI)는 낮은 수준으로 떨어졌습니다. 연구진 또한 소화 과정 중 차 화합물이 어떻게 방출되는지 추적했습니다. 그들은 차 성분이 한꺼번에 방출되는 것이 아니라 시간이 지남에 따라 천천히 그리고 꾸준히 방출된다는 것을 발견했습니다. 결정적으로, 연구진은 소화 효소 자체의 활성을 측정하였고, 차 화합물이 효소의 작용을 멈추게 하는 것이 아님을 확인했습니다. 대신, 소화가 느려진 것은 전분의 물리적 구조 자체 때문이었습니다. 즉, 촘촘하고 다공성인 구조가 효소가 전분 분자를 분해하기 위해 접근하는 것을 어렵게 만든 것이었습니다.

연구는 또한 변형된 전분이 열과 물에 어떻게 반응하는지도 조사했습니다. 최적의 288와트 설정으로 처리된 샘플은 가열 시 안정성이 향상되었는데, 이는 조리 및 가공 시 더 높은 온도에서도 구조가 무너지지 않고 견딜 수 있음을 의미하며, 이는 바람직한 특성입니다. 또한 이들은 일반 전분과 다르게 물을 보유하여, 팽창하거나 너무 빨리 녹는 것에 저항하는 더 밀도 높은 네트워크를 형성했습니다. 이러한 물리적 변화는 변형된 전분이 질감이나 안정성을 잃지 않고 다양한 식품 제품에 사용될 수 있음을 시사합니다. 연구진은 특정 수준의 중간 정도의 출력으로 초음파를 사용하는 것이 새로운 유형의 기능성 식품 원료를 만드는 효과적이고 효율적인 방법이라고 결론지었습니다. 차 폴리페놀을 마 전분 내부에 물리적으로 가둠으로써, 그들은 천천히 소화되고 혈당 수치를 더 안정적으로 유지하며, 전분과 차의 유익한 특성을 모두 유지하는 물질을 만들어냈습니다. 이는 혈당 수치에 민감한 사람들을 위한 더 건강한 식품을 개발하는 데 있어 잠재적인 도구를 제공합니다.