펙틴에 대한 일반적인 사항
정의
펙틴은 보통 시트러스 과일(레몬, 라임, 오렌지)이나 사과와 같은 식용 식물을 수용 추출하여 얻는 정제된 탄소화물 물질이다.
모든 육상 녹색 식물은 셀루로오스와 함께 과일과 채소류의 펙틴을 함유하고 있다. 펙틴은 주로 liniar polysaccharide 사슬을 형성하는 galacturonic acid methyl ester unit과 galacturonic acid로 이루어졌으며 대개 에스테르화 정도(degree of esterification)에 따라 분류된다.
High (methyl) ester, 즉 HM-펙틴에서는 carboxyl 그룹의 비교적 높은 비율로 methyl ester가 일어나며 나머지 carboxylic acid 그룹은 free acid나 암모니아, 칼륨, 칼슘, 또는 나트륨염으로써 존재한다. HM 펙틴의 성질은 에스테르화(esterification) 정도와 폴리머화(polymerization) 정도에 따라 달라질 수 있다. Carboxyl acid unit의 50% 미만이 methyl ester로 나타나는 펙틴을 보통 low (methyl) ester, 즉 LM-펙틴이라고 부른다. 일반적으로 약산성 또는 알칼리 조건에서 high ester 펙틴을 처리하여 low ester 펙틴을 얻는다.
Amidated pectin은 암모니아를 사용하여 알칼리 de-esterification 과정을 통해 high ester 펙틴으로 만든다. 이 타입의 펙틴에서는 나머지 carboxylic acid 그룹 중 일부가 acid amide로 변형된다. Amidated pectin의 성질은 에스테르와 amide unit의 비율 및 폴리머화 정도에 따라 달라질 수 있다. 상업용 펙틴은 보통 표준화 목적으로 설탕과 혼합하며 어떤 타입은 pH를 조절하거나 원하는 특성을 맞추기 위해 완충염 함유하기도 한다.
식품 규제 상황
모든 육상 식물의 성분으로서 펙틴은 인류가 살기 시작하면서 인간의 음식 중 일부가 되어왔다. JECFA (The Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives)는 펙틴에 대한 검토를 완료했으며 독성 문제를 해결하였다. 펙틴과 amidated pectin에 대해 ADI “not specified” 그룹으로 설정되었는데 이는 독성 관점에서 볼 때 펙틴과 amidated pectin 사용에 제한을 둘 필요가 없음을 의미한다.
대부분 국가의 식품에 관한 입법 기관에서는 펙틴을 무해한 식품 첨가물로서 인식한다. 만약 규제를 가한다면 사용 허용 수치는 보통 “good manufacturing practice (우수 의약품 관리기준)”에 따른다.
원료
식물에 함유된 펙틴의 양과 구성은 식물의 종류에 따라 다르다. 상업용 펙틴을 제조하는 데에는 주로 시트러스 과일과 사과를 원료로 사용한다.
시트러스 펙틴은 레몬과 라임 껍질에서 얻으며, 오렌지와 포도에서 추출하기도 한다. 시트러스 껍질은 주스와 기름 착즙의 부산물로서 원하는 속성을 지닌 높은 비율의 펙틴이 함유되어 있다.
<펙틴 제조에 사용하는 시트러스 부위>
사과 주스를 짜낸 후의 사과 찌꺼기는 상업용 사과 펙틴의 원료이다. 이 사과 찌꺼기는 시트러스 펙틴보다 색상에 있어서 대개 더 어둡지만(갈색) 기능적인 측면에서는 중요한 차이가 없다.
제조 공정
펙틴 제조는 세 가지에서 네 가지의 중요한 단계로 이루어져있다.
1) 식물로부터 추출
2) 액체 추출물 정제
3) 용액에서 펙틴 분리, LM 펙틴을 원할 경우에는 4)번 단계
4) high ester (HM) 펙틴을 de-esterification
펙틴은 뜨거운 산성액(acidified water)으로 추출한다. 어떤 특정 원료로부터의 펙틴의 양과 질은 추출 조건의 선택과 조절에 따라 크게 달라진다. 추출은 윈심 분리와 여러 차례의 여과로 정제시
킨 다음 마지막 단계로 polishing filtration을 거친 뒤 완전한 투명도의 용액을 추출한다.
농축(2-4%) 펙틴 용액에서는 알코올을 사용하고, 희석시킨(0.3-0.5%) 펙틴 용액에서는 aluminium salt를 이용하여 용액에서 펙틴을 침전시킨다. 펙틴이 aluminium pectinate로 분리되면 침전 후 그 aluminium pectinate를 산성 형태로 변환시키기 위해 반드시 산성 알코올로 세척하고 약한 알칼리 알코올로 중화시켜야 한다.
이러한 절차로 얻은 펙틴이 high ester 펙틴이다. 이러한 유형의 펙틴은 약 55% 이상의 가용성 고형분 함량에서만 겔을 형성한다.
가용성 고형분 함량과 상관없이 칼슘 이온이 있을 경우 겔을 형성하는 low ester 펙틴은 산성 혹은 알칼리 조건에서 high ester 펙틴을 de-esterification하여 얻는다. 펙틴을 de-esterify하는 데 암모니아를 사용하면 몇몇 amide 그룹이 분자에 유입되어 소위 말하는 amidated pectin이 만들어진다.
제조 공정은 원칙적으로 단순하지만 실제 공정을 수행하면서 수많은 노하우가 축적된다. 아래의 흐름도는 CP Kelco가 사용하는 공정을 대략적으로 나타낸 것이다.
<펙틴 제조 공정 (알코올 침전 제품)>
구조
펙틴은 사슬과 같이 이루어진 수백 개에서 약 1000개의 saccharide unit (이는 평균 약 50,000에서 150,000까지의 분자량에 해당함)을 함유한 원래 선형인 polysaccharide이다.
D-galacturonic acid는 펙틴 분자 중 주요한 성분이지만 여러 가지의 중성 sugar 역시 펙틴에 공
통적으로 존재한다. D-galacturonic acid unit은 1.4 glycosidic linkage에 의해 서로 연결돼 있다.
<D-galacturonic acid>
polygalacturonic acid는 메틸 그룹으로 일부 에스테르화되며 free acid 그룹은 나트륨, 칼륨 또는
암모니아 이온으로 일부 또는 완전히 중화된다. 에스테르화 정도(degree of esterification, DE)라고
부르는 전체 galacturonic acid 그룹에 대한 에스테르화된 galacturonic acid 그룹의 비율은 펙틴의
특성, 특히 용해도와 겔 형성 특성에 중요한 영향을 끼친다. 천연 원료를 추출함으로써 얻을 수 있
는 DE 최대값은 약 75%이다. 제조 과정 중 de-esterification을 조절함으로써 DE가 20-70%인 펙
틴을 생산한다.
<High ester pectin Degree of esterification (DE) = 60%)>
DE가 50%일 때 상업용 펙틴을 high ester(HM) 펙틴과 low ester(LM) 펙틴으로 나눈다. 이 두 그
룹의 펙틴은 각기 다른 기전으로 겔이 된다.
HM 펙틴은 겔을 형성하기 위해 최소량의 가용성 고형분과 약 3.0 정도의 매우 좁은 범위의 산성
(pH)을 필요로 한다. 반면, LM 펙틴의 경우에는 겔을 형성하기 위해 조절된 양만큼의 칼슘이나 다
른 divalent cation이 필요하며 설탕이나 산성 물질을 필요로 하지 않는다.
<Nomenclature of pectin substances>
‘slow set’ HM 펙틴과 ‘rapid set’ HM 펙틴으로 각각 정한 것에 따라 HM 펙틴의 에스테르화 정도로 겔화의 상대적 속도를 조절한다. LM 펙틴의 에스테르화 정도는 칼슘 반응을 조절한다. 어떤 타입의 LM 펙틴에는 또한 amide 그룹이 함유돼 있는데 이는 칼슘 반응에 강하게 영향을 미친다.
<Acid demthylated pectin>
<Amidated low ester pectin>
펙틴의 일반적인 특성
용해성
펙틴을 완전히 다 이용하고 이질적인 겔 형성(heterogeneous gel formation)을 피하기 위해서는 반드시 펙틴을 완전히 용해시켜야 한다. 완전한 용해를 위해서는 덩어리짐 없이 분산이 되어야 한다. 만약 펙틴 덩어리가 형성되면 용해되기란 극히 어렵다. 다른 겔링 물질과 마찬가지로 펙틴 역시 겔링 조건이 존재하는 매체에서는 용해되지 않는다. 따라서 HM 펙틴은 매체 내 가용성 고형분 함량이 증가하면 점점 더 용해되기가 어려워진다. HM 펙틴은 20% 이하의 고형물일 때 될 수 있는 한 물에서 용해시킬 것을 권장한다.
고속 믹서기를 이용한 용해
분말 펙틴을 용해시키는 가장 간단한 방법은 분쇄 기능이 뛰어난 고속 믹서기를 이용하는 것이다. 이런 방법을 사용하면 4-8%의 펙틴 용액이 쉽게 만들어진다. 뜨거운 (최소 80℃) 물을 부어 고급 믹서기를 이용하면 대부분의 펙틴을 10%의 용액으로 만들 수 있다.
설탕을 이용한 예비 혼합(preblending)
5 조각 이상의 설탕과 건조 혼합시키면 펙틴은 물로 쉽게 확산된다. 이렇게 하면 미세한 펙틴이 낮은 농도에서도 차가운 물에 쉽게 용해된다. 보통의 mesh 크기의 펙틴과 전통적인 교반기(stirrer)를 이용하면 약 4%까지의 펙틴 분산을 이룰 수 있다. 더 높은 농도에서는 batch의 점성(viscosity)이 동질적 분산(homogeneous dispersion)에 제한 요인이 된다.
펙틴이 완전히 용해되게 하기 위해서는 분산물을 1분 동안 끓이는 것이 좋다. 가용성 고형분 함량이 높을수록 펙틴 용해가 점점 어려워지기 때문에 펙틴이 용해되기 전에 recipe의 설탕량을 추가하면 안 된다.
농축 설탕 용액에서의 분산
설탕 농도가 높을 경우 펙틴이 용해되지 않기 때문에 농축시킨 설탕 용액에서 덩어리가 형성되지 않도록 한 상태에서 펙틴을 분산시킬 수 있다. 이렇게 할 때 Stirrer의 효율성과 과정에 따라 2-12%의 펙틴이 분산된다.
펙틴을 완전히 용해시키기 위해서는 물로 희석시켜 고형분 함량을 20% 이하로 낮춘 다음 1분 동안 끓인다.
점성(Viscosity)
펙틴 용액은 대개 다른 식물 gum과 thickener에 비해 상대적으로 점성이 낮다. 칼슘이나 다른 polyvalent 이온은 펙틴 용액의 점성을 증가시키며, 칼슘 함량이 일정 수준을 초과하면 LM 펙틴 용액이 겔이 될 수도 있다. pH 역시 펙틴 용액의 점성에 영향을 준다. 칼슘이 없는 용액에서 pH가 pK 값 이하에서 이 값으로 상승하면 점성은 떨어진다. 펙틴 분자량의 기준을 잡기 위해, 또는 펙틴이 진해지는 효과를 검토하기 위해 펙틴 용액의 점성을 측정할 수 있다. 전자의 경우 반드시 칼슘이 없는 용액에서 pH가 고정된 상태, 예를 들어, pH4.0에서 점성을 측정해야 한다.
반응
용액내 안정성
사용 중 펙틴이 겪게 되는 대부분의 반응으로 펙틴의 질이 떨어진다. 대체로 최대 안정성은 pH-4에서 나타난다. 온도가 높아지면 저하율이 증가하는 반면 용액에 설탕이 있을 경우에는 어느 정도의 보호 효과가 생긴다.
<여러 pH 값에서 펙틴을 앞서 열처리(90℃, 15분)함에 따른 펙틴 겔의 breaking strength>
pH 값이 낮고 온도가 높을 때 glycosidic link의 가수 분해에 의한 저하가 나타난다. 또한 pH가 낮을 때 de-esterification이 더욱 잘 일어난다. De-esterification으로 HM 펙틴은 더 느린 slow setting이 되거나 점차 LM 펙틴 성질이 띠게 된다.
pH가 중성(5-6)에 가까울 때 HM 펙틴은 상온에서만 안정적이다. 온도(혹은 pH)가 높아지면 소위
on>
β-elimination이 시작된다. β-elimination으로 사슬이 분열되며 점성과 겔링 속성이 매우 빠르게 소
실된다.
<β-eliminati
LM 펙틴은 앞 페이지의 그래프에 나와 있는 것처럼 이러한 조건에서 안정성이 약간 더 좋은 것으
로 나타난다. pH 값이 알칼리성일 때 펙틴은 상온에서도 de-esterify되며 degrade된다.
다른 electrically charged hydrocolloid와의 반응
펙틴은 polygalacturonic acid이며 chain molecule은 pH가 중성일 때 음으로 대전(negatively
charged)된다. 펙틴의 pK 값은 약 3.5이다. 펙틴은 예를 들어 단백질과 같은 positively charged
macro-molecules와 그 등전자(isoelectric)의 pH 값 이하에서 반응한다. 펙틴은 pH가 낮을 때
gelatine을 침전시키지만 이 반응은 소금을 첨가하면 방지할 수 있다. 우유의 pH가 6.6일 때 우유
에 펙틴을 첨가하면 2-phase 시스템이 형성된다. pH가 더 낮으면 펙틴은 casein 입자와 결합하여
안정적인 acidified milk를 생산할 수도 있으며 제품의 유통 기한을 연장하기 위해 열처리를 할 수
도 있다. 펙틴을 사용하지 않으면 우유 단백질은 응결하여 “모래 같은” 식감을 내며 분리된다.
겔링 기전
펙틴 겔은 폴리머가 완전히 용해된 것과 침전된 것의 중간 상태에 있는 것으로 간주할 수 있다.
결정체가 제한됨으로써 분자 사슬의 마디 마디가 합쳐져 물과 설탕, 그리고 다른 용질이 담겨 있
는 3차원 망을 형성한다는 이론으로 이루어졌다.
폴리머가 완전히 용해된 상태에서 펙틴의 용해도가 떨어지는 경향이 있는 물리적 또는 화학적 변
화로 겔이 형성되며 부분적 결정체(local crystallization) 형성에 유리하다. 펙틴의 용해(겔화 경향)
에 영향을 미치는 가장 중요한 인자로는 다음과 같은 것들이 있다.
1) 온도
2) 펙틴의 분자
구성 (펙틴 유형)
3) pH
4) 설탕 및 기타 용질
5) 칼슘 이온
<펙틴 겔의 분자망을 단순화시킨 모델. 색칠한 부분은 부분적 결정체(local crystallization) 부분>
온도
펙틴을 함유한 뜨거운 용액을 냉각시킬 때 분자의 열 운동은 줄어들며 겔 네트워크로 합쳐지는 경향은 증가한다. 잠재적 겔링 조건에서 펙틴을 함유한 모든 시스템에는 겔화(gelation)가 결코 일어날 수 없는 온도 상한값이 있다. 이 임계 온도 이하에서 LM 펙틴은 거의 즉각적으로 겔이 되는 반면 HM 펙틴의 겔화는 시간에 비례하는데 이 때 걸리는 시간은 겔화가 일어나는 온도와 관계가 있다. LM 펙틴과 대조적으로 HM 펙틴의 겔은 온도와 반비례하지 않는다.
Gelling time, when cooled to and subsequently held at
HM 펙틴
Degree of esterification
95℃
85℃
75℃
65℃
Rapid set
Medium set
Slow set
73.5
69.5
64.5
60 min.
No gel
No gel
10 min.
40 min.
No gel
Pre-gel
5 min.
No gel
Pre-gel
Pre-gel
30 min.
다양한 DE의 HM 펙틴의 겔화 (pH=3.0, SS=65%, 펙틴 농도=0.43%)
펙틴 유형
펙틴 분자상의 친수성(hydrophilic) 그룹과 소수성(hydrophobic) 그룹의 전반적인 분포가 특정 펙틴의 용해도(겔화 경향)를 결정한다.
HM 펙틴의 에스테르화 정도는 겔링 속성에 영향을 준다. 에스테르 그룹은 산성 그룹보다 덜 hydrophilic하며 따라서 에스테르화 정도가 높은 HM 펙틴은 에스테르화 정도가 낮은 HM 펙틴보다 높은 온도에서 겔이 된다. 이 차이는 위의 표에 나타난 것처럼 rapid set, medium set, slow set 조건에 반영된다.
완전히 deesterify된 펙틴(polygalacturonic acid)의 칼슘염 용해도는 매우 낮으며 LM 펙틴의 경우 칼슘염이 있을 때 침전과 비슷한 경향(겔 형성)이 나타난다. 겔링 온도가 높으면 에스테르화 정도가 더 낮아지고(polygalacturonic acid와 같은 유사성이 더욱 확실해지고) 칼슘과의 반응이 더 커진다.
LM 펙틴에 amide 그룹이 유입되면 펙틴의 친수성이 약해져 겔을 형성하는 성향이 증가하게 된다. 실제로 amidated LM 펙틴은 시스템 내 칼슘 함량과 관련하여 “작용 범위”가 더 넓으며 amidation 정도가 증가하면서 겔링 온도를 더 증가시키게 된다.
<pH=3.3 –SS=45% Calcium: 15mg/g pectin, Pectin: 1%>
pH
펙틴은 pK 값이 약 3.5인 산성 물질이다.
비분리(non-dissociated) 산성 그룹에 대한 분리(dissociated) 산성 그룹의 비율이 증가하면 펙틴 분자의 친수성이 더욱 높아진다. 따라서 겔을 형성하는 경향은 시스템의 pH를 줄임으로써 강하게 증가한다. 이는 특히 겔이 되기 위해 보통 3.5 이하의 pH가 필요한 HM 펙틴의 경우 더욱 확실하다.
<Dissociation (-charge density) of pectin at varying pH>
설탕 및 기타 용질
설탕과 이와 유사한 용질은 일반적으로 용액에서 펙틴 분자를 탈수(dehydrate)시키는 경향이 있다. 고형분 함량이 높은 경우 펙틴에 대해 용매로 작용할 물이 더 적으며, 따라서 결정체나 겔이 될 경향이 높아진다.
85% 이상의 가용성 고형분은 탈수 효과가 매우 강력해서 실제 어떠한 상업용 펙틴의 겔화도 조절할 수 없다. HM 펙틴은 가용성 고형분 함량이 약 55%까지 낮을 때 겔을 형성한다. 가용성 고형분 함량이 각각 55%이상인 경우 특정 HM 펙틴에 대해 겔화가 최적인 pH 값과 실제로 겔화가 이루어지는 pH 범위가 있다.
LM 펙틴은 모든 가용성 고형분에서 겔을 형성한다. 특정 펙틴의 경우 가용성 고형분이 줄어듦에 따라 겔링 온도가 낮아진다.
칼슘 이온
HM 펙틴과 대조적으로 LM 펙틴은 칼슘과 같이 divalent cation이 있을 때 겔을 형성한다. 아래 그림에 나온 것처럼 acid-demthylated LM 펙틴은 최적의 겔 강도를 내기 위해 매우 좁은 범위 내에서 꽤 많은 양의 칼슘을 필요로 한다. Amidated LM 펙틴은 이런 면에서 더 유연성이 있다. 두 가지 타입 모두의 펙틴에서 칼슘 농도가 높으면 겔의 강도가 증가하고 pregelation이 일어나는 지점인 겔링 온도가 증가한다. 즉, 겔링 온도가 끓는 점에 가까이 간다.
amidated LM pectin (standardized)
------- acid demethylated LM pectin (standardized)
상업용 펙틴
분말 특성과 보관시 안정성
알코올 침전으로 생산한 표준 HM 펙틴의 분말 밀도는 0.70이다.
전형적인 mesh 사양은 60 mesh (0.25mm) sieve를 통해 90%이다. 상업용 펙틴의 색상은 알코올 침전 펙틴의 경우 옅은 크림색에서 연한 구릿빛, 또는 A1 침전 펙틴의 경우 녹색을 띤 노란색까지 다양하다. 사과 펙틴은 보통 시트러스 펙틴보다 색깔이 더 어둡다.
상업용 펙틴은 대부분의 기후 조건에서 물을 흡수한다. 평형 물 함량은 상대 습도가 50%인 대기에서 9%이며 상대 습도가 70%인 대기에서는 12%이다. (70% 펙틴, 30% sucrose로 혼합한 150 grade HM 펙틴의 경우)
dextrose로 표준화한 펙틴(물 9%)은 sucrose로 표준화시킨 것(물 0%)보다 수분 함량이 더 높고 어떤 대기 환경에서도 평형 물 함량이 더 높다. 펙틴은 보통 vapor tight 포장으로 포장한다.
건냉소에 보관.
안정성
분말 HM 펙틴은 상온에 보관하면 젤리 등급에서 일년에 약 5%가 손실된다. 뿐만 아니라 HM 펙틴은 보관 중 de-esterification이 느리게 일어나 1년새 rapid set 펙틴이 medium rapid set 펙틴으로 된다. 보관 온도를 20℃에서 30℃로 높이면 degradation과 de-esterification율이 두 배가 넘는다. LM 펙틴은 HM 펙틴보다 보관시 더 안정적이며, 보통 상온에서 1년 동안 degradation이 일어나지 않는다.
표준화
사용자가 동일한 조건으로 펙틴을 사용할 경우 자사 제품 간에, 생산 공정 중 동일한 지점에서 언제나 동일한 겔 강도를 얻을 수 있도록 제조 업체에서 펙틴을 표준화시킨다.
HM 펙틴
상업용 HM 펙틴은 일정한 “젤리 등급”과 겔링 속도로 특징지워지며 표준화된다. “젤리 등급”은 표준 겔(표준 성분과 표준 겔 강도)로 겔화할 수 있는 설탕량을 나타낸다.
겔의 강도를 측정하는 데에는 여러 가지 방법이 사용되는 데 가장 흔한 방법은 SAG 방법으로서 demoulded gel의 중력에 의한 deformation을 측정하는 것이다. 다른 방법에서는 겔의 breaking 강도를 측정한다. 특정 응용 분야에서는 SAG 급에 따른 강도와 breaking 강도 등급에 따른 강도 사이의 비율이 중요하다. 젤리, 특히 사탕 젤리에서는 높은 breaking 강도가 필요한 반면 잼에서는 퍼짐성(spreadability)이 필요하기 때문에 낮은 breaking 강도의 펙틴을 선호한다. 국제 거래에서는 1959년 미국 IFT가 개발하고 Food Technology 13, 496 (1959)에서 발행한 SAG 방법을 선호한다.
대다수의 HM 펙틴은 150 grade USA-SAG로 표준화되는데 이는 1kg의 표준 펙틴이 150kg의 설탕을 표준 겔(SS=65.0%, pH=2.2-2.4, 겔 강도=23.5% SAG)로 바꾼다는 것을 의미한다.
다시 말해,
1kg 150 “젤리 등급” 펙틴은 150 x 100 ≈ 230kg 표준 젤리를 만들 수 있다.
65
HM 펙틴 젤리의 겔링 속도는 설정 시간이나 설정 온도로서 나타낼 수 있다. 이 두 속성은 a) 젤리의 구성 요소, 즉 pH, SS, 펙틴 농도 등과 b) 젤리의 냉각률에 따라 달라지기 때문에 물리적 상수가 아니다.
HM 펙틴 젤리의 설정 온도는 젤리화의 첫 번째 징후가 나타났을 때의 온도로 정한다. 설정 시간은 젤리 준비 마무리 시점에서부터 젤리화의 첫 징후가 나타난 때까지의 시간으로 정의한다.
겔링 속도를 측정하기 위해 가장 흔하게 사용하는 방법은 겔링 시간을 측정하고 다음과 같이 중요한 변수를 명시하는 Joseph & Baier 방법이다.
SS = 65%
pH = 2.2 – 2.4
실험 젤리의 겔 강도 = 23.5% SAG
냉각률 = 30℃ water bath에서 표준 USA-SAG jelly glass에서 얻은 값
실험 젤리는 사실 USA-SAG grade 측정에 사용한 것과 동일한 것이다.
LM 펙틴
LM 펙틴은 HM 펙틴에 사용한 USA-SAG 방법과 유사한 방법으로 측정할 수 있다. 예를 들어 실험 젤리의 구성 요소는 다음과 같다.
SS = 31.0%
pH = 3.0
칼슘 농도 = 250mg Ca/kg 실험 젤리
또는 25mg Ca/g 표준 100 grade LM 펙틴
젤리 등급은 1kg의 LM 펙틴을 만들 수 있는 표준 firmness (20.5% SAG)를 지닌 젤리의 양(kg)으로 나타낸다. LM 펙틴에 대한 응용 조건이 다소 광범위하므로 젤리 등급 방법이 언제나 LM 펙틴 사용과 충분한 관련성이 있는 것은 아니다. 단독 혹은 추가 실험 절차로 성능 실험을 할 수 있다.
품질 관리
순도 측정
“순수 펙틴” 함량은 Food Chemicals Codex (FCC), Third Edition, Washington, D.C., 1981 (ins. supplements)의 공식 방법에 따른 anhydro-galacturonic acid의 퍼센티지나 FAO Food and Nutrition Paper (FNP), 52, 1992의 공식 방법에 따른 galacturonic acid로 결정한다. 이 방법은 hydrochloric acid와 60% 알코올 혼합물에서 분말 펙틴을 세척하는 것으로 설탕과 염분을 제거하고 펙틴을 산성 형태로 변형시킨다. Acid/alcohol 정제 샘플상에서 계산한 galacturonic acid 함량이 낮다면 이는 펙틴에 non-uronic acid polysaccharide 물질이 있거나 펙틴의 순도가 낮고 겔링력 또한 낮음을 가리킨다. 고순도의 시트러스 펙틴은 galacturonic acid 함량이 74% 이상인데 이는 펙틴에 대한 USP XXII 사양의 하한가이다.
펙틴내 중금속 함량은 FCC, FAO, FNP, EEC Directive of 25th July, 1978과 USP XXII에서 발행된 공식 방법으로 측정한다. 여러 공식적인 순도 사양에 대한 요약이 다음 페이지의 표에 나와 있다. 미생물학적 품질은 공식적 방법으로 측정한다.
칼슘 반응
원하는 속성을 지닌 겔을 만들기 위해서 LM 펙틴은 최소한도의 칼슘 농도를 필요로 한다. 칼슘 수치가 너무 높을 경우에는 pregelation과 이수 현상이 일어난다. 특정 LM 펙틴의 “칼슘이 작용하는 범위” – 즉 칼슘 반응은 주로 eterification 정도와 아미드화(amidation) 정도에 따라 달라지지만, 펙틴 로트의 분자 내 그리고 분자들간의 균일 정도에도 영향을 받는다.
따라서 칼슘 반응은 적절한 가공 조건으로만 조절되는 것이 아니라 적당한 원료를 주의 깊게 선별하는 것을 통해서도 조절된다. 칼슘 반응은 여러 칼슘 농도를 지닌 테스트 젤리에서 검사한다. 테스트 젤리는 칼슘 농도를 제외하고 등급을 결정하는 데 사용하는 젤리와 유사하다.
FAO FOOD AND NUTRITION PAPER, 52, 1992
식품 첨가물의 명칭과 순도에 대한 JECFA 사양서, 1984; (anti-caking agents, buffering agents, salts, emulsifiers, enzymes, extraction solvents, flavouring agents, and miscellaneous food additives),
FOOD CHEMICALS CODEX, Third Edition, Washington, D. C., 1981, (incl. Supplements).
EEC Council Directive of July 25, 1978, 식품에 사용하는 emulsifiers, stabilizers, thickeners, gelling agents 등의 순도에 대한 세부 기준 명시. (78/663/EEC) (plus Updates).
상업용 펙틴에 대한 공식 순도 사양
Reference
FAO
FCC
EEC
Drying loss
(volatile matter)
Acid-insoluble ash
Sulphur dioxide
Sodium methyl sulphate
Methanol, ethanol and isopropanol
Nitrogen content, amidated pectin
Nitrogen content, pectins
Galacturonic acid
Total anhydrogalacturonides in pectin component
Degree of amidation
Arsenic, ppm
Lead, ppm
Copper, ppm
Zinc, ppm
Copper and Zinc, ppm
Heavy metals (as Pb), ppm
max. 12%
max. 1%
max. 50mg/kg
-
max. 1%
-
max. 2.5%
min. 65%
-
max. 25%
max. 3
max. 10
max. 50
max. 25
-
-
max. 12%
max. 1%
max. 50mg/kg
max. 0.1%
max. 1%
-
-
-
min. 65%
max. 25%
max. 3
max. 5
-
-
-
max. 20
max. 12%
max. 1%
max. 50mg/kg
-
max. 1%
max. 2.5%
max. 0.5%
min. 65%
-
max. 25%
max. 3
max. 10
-
max. 25
max. 50
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응용 분야
식품 응용
펙틴은 가장 중요한 겔링 물질로서 주로 과일 음식에 겔로 된 조직감을 주기 위해 사용한다. 완제품이나 공정 중 중간 단계에서 multiphase 식품의 안정성이 필요할 때 겔링 능력이 더욱 요구된다.
펙틴의 농축 효과는 대개 식품 규정상 더 저렴한 검(gum) 사용을 금지하거나 제품의 “완전 천연” 이미지가 필수인 경우 이용된다.
잼과 젤리
HM 펙틴은 겔이 되기 위해 55-85%의 설탕과 pH2.5–3.8이 필요하다. 이러한 조건 때문에 HM 펙틴을 겔링 물질로 이용할 수 있는 범위가 가당 과일 제품으로 한정되며, 전세계 HM 펙틴 생산 중 약 80%가 잼과 젤리 제조에 사용되는데 이 때 펙틴은 “결핍된 천연 펙틴”을 보충하기 위해 첨가한다.
펙틴의 역할은 잼이나 젤리에 다른 변화 없이 조직감을 전달할 수 있도록 하고 좋은 풍미를 내며 이수를 최소화하는 것이다. 잼을 제조하는 동안 펙틴은 반드시 기계로 섞는 것이 멈추는 순간부터 젤리 단계에 있는 동안 과일 입자 분배를 일정하게 유지해야 한다. 즉, 펙틴은 filling 후 곧장 고정되어야 한다. 펙틴의 사용 농도는 잼과 젤리의 경우 0.1-0.4%이다.
cold process에서 가용성 고형분 함량이 60-65%이고 pH3.8-4.2인 펙틴-설탕-시럽을 fruit acid 용액과 섞어 pH3.0이 되면 펙틴이 겔화된다. 이 공정은 스칸디나비아에서 젤리를 얹은 과일 파이를 만드는 제조업체에서 이용하는 방식이다. 이 기술을 변형하여 pH2.9이고 가용성 고형분 함량 25%인 펙틴 용액을 액체 설탕과 섞으면 가용성 고형분 함량 53%를 얻을 수 있다.
온도뿐 아니라 시간에 따라 HM 펙틴의 겔화 결과로 이 두 공정을 이용할 수 있다.
LM 펙틴은 전통적으로 가용성 고형분 함량이 55% 미만인 잼에 사용해 왔는데 이 수치는 HM 펙틴 사용의 한계값이다. 과일에 들어 있는 칼슘 함량은 보통 amidated LM 펙틴을 정하는 데 충분한 반면 acid demethylated LM 펙틴은 칼슘염이 더 필요하다. LM 펙틴의 유형은 application medium에서 가용성 고형분 함량/pH 조건에 따라 신중하게 선택해야 한다. 예를 들어 당뇨병 환자용의 무설탕 잼과
같이 고형분 함량이 매우 낮은 제품에서 LM 펙틴은 물의 결합이 충분히 이뤄지기가 힘들어 carrageenan이 더 적합하다. 어떤 경우에는 LM 펙틴과 carrageenan을 혼합할 때 도움이 되기도 한다.
LM 펙틴 겔의 열 가역성은 glazing 목적으로 제과용 잼과 젤리에 이용할 수 있다. 약 65%의 가용성 고형분 함량을 지닌 잼이나 젤리는 상대적으로 미생물상 안전하지만 LM 펙틴만이 pregelation 때문에 제품에 paste와 같은 조직감을 준다. 응용 전에 base를 물로 희석시켜 약 40%의 고형분으로 만든 다음 가열하여 LM 펙틴 겔을 다시 녹인다. LM 펙틴을 케이크와 파이 위에 부으면 고형분이 줄어든 상태로 적당히 겔이 되어 밀착되고 윤기 나는 glazing을 형성한다.
요구르트용 과일 조리
LM 펙틴은 종종 요구르트용 과일 조리에 사용하여 부드럽고 약간 thixotropic한 겔 조직을 만들고 과일 분포가 일정하기에 충분할 정도로 단단하지만 요구르트 안에서 쉽게 휘저을 수 있을 정도로 만들어준다. 펙틴은 특히 다른 식물 검과 혼합할 때 최종 제품의 요구르트 단계로 색상이 이동하는 것을 더욱 줄여준다.
과일 농축액
펙틴의 겔화는 공정 중 어떤 단계에서 겔링 조건을 얻을 수 있다면 multiphase system을 안정화시키는 방법으로서 이용할 수 있다. 겔화는 emulsion과 suspension, foam의 영구적인 안정성을 얻기 위해 필요한 yield value를 제공한다. HM 펙틴은 과일 농축액에 사용하여 oil emulsion과 과일 입자 suspension을 안정시킨다. 이 응용 분야에서는 밀착된 겔 조직이 기계적으로 부서져 부드럽게 흘러가기 때문에 겔화가 thickening 결과로서 최종 제품에서만 확연히 드러난다. 안정성을 보장하기 위해 충분한 yield value가 여전히 있어야 하므로 광범위한 균질화를 이용해서는 안 된다.
과일 주스
HM 펙틴의 특성을 이루는 점성이나 식감은 주스의 식감을 신선한 것으로 회복하기 위해 주스 제품을 다시 혼합할 때 사용된다. 또한 인스턴트 과일 주스 파우더에서 자연스런 식감을 제공하기 위해 펙틴을 이용한다.
과일/밀크 디저트
LM 펙틴이 함유된 시럽에 칼슘 이온(우유)을 첨가할 때 즉각적인 겔화를 얻기 위해 LM 펙틴의 칼슘 반응을 이용할 수 있다. 가용성 고형분 함량 25-30%에 pH4.0인 과일 시럽에 2% LM 펙틴을 함유한 과일 통조림을 동일한 양의 찬 우유와 섞으면
과일향이 나는 반겔화된 밀크 디저트가 된다.
LM 펙틴은 과일 조리의 제조 조건, 즉 pH가 4.0이고 적절한 저온 살균 조건에서 안정성이 뛰어나다. LM 펙틴 용액은 칼슘 함량이 겔화를 유발하기에 불충분하기 때문에 상온에서 유체 상태로 남아 있는다. 과일 요리를 우유와 섞으면 LM 펙틴을 겔화하기에 충분한 칼슘이 생긴다.
이러한 기본 개념을 응용한 것으로 농축 가당 LM 펙틴 용액을 차가운 우유의 세 부분과 혼합하는 것이다. 이 개념을 띤 ‘중간 습기 식품’의 특성으로 보다 넓은 pH 범위를 포함하여 바닐라나 초콜릿 맛을 사용할 수도 있다.
그 다음 세 번째 버전으로 우유를 첨가하기 전에 분말을 차가운 물에 용해시키는 것이 있다.
발효 및 직접 산성화된 유제품
HM 펙틴의 ‘보호 콜로이드’ 효과는 배양시킨 신 유제품이나 직접 산성화 제품 (과일 주스-우유 혼합물)을 안정화시키는 데 이용된다.
펙틴은 카제인과 반응하고 등전(isoelectric) pH (4.6) 미만의 산성에서 카제인 입자의 응집을 막으며, 신 유제품을 저온 살균시켜 유통 기한을 연장시킬 수 있다.
요구르트의 조직은 요구르트 우유를 가열시키기 전 약간량의 LM 펙틴을 첨가하여 향상시킬 수 있다. LM 펙틴은 이수를 막지는 않는다.
겔화된 유제품
LM 펙틴은 밀크 디저트에서 겔링 물질로서 적합하지만 훨씬 적은 농도를 이용하여 우유를 겔화시키는 carrageenan에 비해 사용면에서 덜 경제적이다.
그러나 LM 펙틴은 신 밀크 푸딩이나 과일과 혼합된 밀크 디저트에 겔링 물질로 더 선호할 수도 있다. Carrageenan과 달리 LM 펙틴은 줄어든 pH 값에서 카제인과 함께 침전되지 않기 때문에 제품의 합리적인 유통 기한을 보장한다.
제과 제품
HM 펙틴은 주로 천연 과일 성분 및 합성 향으로 향을 낸 과일 젤리와 젤리 중심을 만들기 위해 제과 업계에서 사용한다. Whipping agent와 함께 사용하면 aerated fruit flavoured 제품에 texturizer로서 사용된다.
겔 형성을 위해 산을 첨가하지 않아도 되는 LM 펙틴은 HM 펙틴의 겔화에 필요한 낮은 pH 값이 향의 이유로 허용되지 않는 젤리와 center (예를 들어 페퍼민트나 시나몬향 젤리)에 사용된다.
LM 펙틴은 낮은 농도에서 thixotropic 조직을 제과 filling에 준다. 더 높은 농도에서는 칼슘 이온이 filling속으로 확산된다면 차가운 겔을 얻을 수 있다.
제과 제품에 흔히 사용되는 다른 겔링 물질과 비교하여 펙틴은 recipe와 생산 요인을 엄격히 준수해야 하지만 매우 섬세한 조직과 식감, 뛰어난 풍미, 빠르고 조절 가능한 겔화에 따른 현대의 지속적인 가공법에 적합한 이점을 제공한다.
제약 분야
점성을 늘리고 emulsion과 suspension을 안정화시키는 펙틴의 기능은 수많은 액체 약물 조제에 이용된다.
펙틴은 수많은 귀중한 생물학적 효과가 있는 것으로 보고되는데 가장 잘 알려진 효과로는 지사 효과가 있다.
지사 효과를 지닌 suspension이나 분말, 정제 등에 kaolin과 펙틴, 항생 물질 등의 혼합물을 함유하고 있을 경우가 많다.
펙틴은 ostomy ring의 접착 부분에 광범위하게 사용된다. 이 분야에서는 물 결합 효과와 습기 표면에 달라붙는 기능이 이용된다. 펙틴은 피부에 접촉시 자극을 일으키지 않으며 오히려 세균 및 상처 치료 효과가 있는 것으로 보고되었다.