I. 서 론
쌀은 전 세계 인구의 약 40% 이상이 주식으로 이용하는 대표적인 식량자원으로, 생산과 소비의 대부분이 아시아 지역에 집중되어 있다(FAO, 2024;Zhao & Fitzgerald 2023). 우리나라에서도 쌀은 주요 곡물로서 중요한 위치를 차지하고 있으나, 식생활의 서구화와 가정 간편식 및 외식 소비 증가 등 식품 소비 형태의 변화로 인해 1인당 쌀 소비량은 지속적으로 감소하고 있다(Moon et al. 2023). 최근에는 이러한 소비 감소에 대응하기 위해 쌀 가공식품의 활용이 확대되고 있으며, 전통적인 주류, 떡류, 면류뿐만 아니라 글루텐프리(gluten-free) 식품, 기능성 식품 및 고부가가치 가공식품으로서의 활용성도 증가하고 있다(Kim et al. 2020;Seo et al. 2020). 특히 쌀은 글루텐을 함유하지 않는 특성으로 인해 밀 대체 소재로서 산업적 가치가 높아지고 있으며, 건강 지향 식품 시장의 확대와 함께 그 활용성이 더욱 주목받고 있다(Park & Kim 2023). 쌀의 품종은 지리생태학적 특성에 따라 자포니카형(Japonica type), 인디카형(Indica type), 자바니카형(Javanica type)으로 구분된다(Lee et al. 2014). 자포니카형은 주로 온대 지역에서 재배되며, 낟알이 짧고 둥근 단립종(short grain)의 형태로 높은 점착성과 부드러운 식감을 나타내어 밥용으로 적합하다(Hossain et al. 2009;Farooq & Yu 2025). 인디카형은 열대 및 아열대 지역에서 재배되며, 낟알이 길고 가늘며 장립종(long grain)의 형태를 가지며, 아밀로오스 함량이 높아 점착성이 낮고 조직이 단단한 특성을 나타낸다(Hossain et al. 2009;Farooq & Yu 2025). 이러한 품종 간 차이는 전분의 구조 및 조성 차이에 기인하며, 가공 및 조리 특성에 영향을 미친다. 또한 쌀은 아밀로오스와 아밀로펙틴 함량 차이에 따라 멥쌀과 찹쌀로 구분되며, 찹쌀은 약 5% 미만, 중간찹쌀은 5-20%, 멥쌀은 20-25%, 고아밀로오스 품종은 25% 이상으로 분류된다(Lee 2013;Sim et al. 2015).
아밀로오스 함량은 전분의 구조적 특성과 분자 간 상호작용에 영향을 미치며, 호화, 노화, 수분흡수, 팽윤 및 물성 등 전반적인 가공 특성에 중요한 역할을 한다(Donmez et al. 2021;Wang et al. 2024b). 쌀의 가공적성 향상을 위해 다양한 품종이 개발되어 왔으며, 쌀의 소재화 및 가공적성 향상을 위한 연구가 지속적으로 수행되어 왔다. 국내에서는 쌀 품종 간 이화학적 특성 및 전분 조성 차이 분석 연구(Lee et al. 2017;Park et al. 2020), 품종 간 호화특성 및 물성 특성 비교 연구(Shin et al. 2023), 전분 구조와 기능적 특성 간의 상관관계 규명 연구(Lee et al. 2025) 등이 보고되고 있다. 기존 연구들은 쌀 품종 간 이화학적 특성 및 물성 차이를 규명하는데 기여해왔으며, 전분 구조와 기능적 특성 간의 관계도 지속적으로 보고되고 있다. 반면에 실제 가공식품 개발 및 산업적 활용에서는 국내에서 생산되는 자포니카형 품종과 중간 수준의 아밀로오스 함량을 갖는 밥용 품종을 기반으로 한 가공식품 개발이 주를 이루고 있다. 최근에는 다양한 기능적 특성을 반영한 원료 다양화에 대한 관심이 확대되고 있으며, 아밀로오스 함량이 높은 품종은 차별화된 물성 및 가공특성을 나타낼 수 있어 활용한 가능성이 주목되고 있다. 따라서 본 연구에서는 아밀로오스 함량 차이를 중심으로 인디카형 품종과 자포니카형 품종 간 이화학적 특성 변화를 비교‧분석하고, 전분 구조 특성과 물성 변화를 연계하여 해석함으로써 가공식품 소재로서의 적용 가능성을 제시하고자 하였다.
II. 연구내용 및 방법
1. 실험재료
본 연구에 사용한 쌀 품종 중 인디카형인 Kanto 504와 자포니카형인 고아미, 백진주는 2015년 전라남도 나주시에서 수확한 것으로 전남농업기술원을 통해 제공받았으며, 자포니카형인 추청은 충청북도 청주시에서 수확한 것으로 시중에서 구입하여 사용하였다. 모든 시료는 동일한 저장 조건에서 보관된 것을 사용하였으며, 수분함량 및 물리적 특성의 변화를 최소화하기 위하여 분석 전 일정한 온도와 습도 조건에서 2주간 평형화한 후 실험에 사용하였다.
2. 쌀가루의 제조
쌀가루 제조는 쌀 4 kg을 증류수로 5회 수세하고, 쌀과 증류수의 비율을 1 : 3으로 하여 20℃ incubator에서 4시간 수침하였다. 수침한 쌀은 2회 증류수로 수세하고 체에 밭쳐 1시간 동안 물기를 탈수한 후, Roll miller (HMF-100, Hanil Electric Co., Seoul, Korea)를 이용하여 2회 분쇄하였다. 분쇄한 쌀가루는 40℃ dry oven (HB-502L, Han Baek Co., Bucheon, Gyeonggi, Korea)에서 수분함량이 12%가 될 때까지 건조한 다음 기류식 초미분쇄기(Dream Mill DM-150S, Furukawa, Japan)를 이용하여 분쇄하였다. 이때 쌀가루의 수분함량은 Kanto 504는 7.94%, 고아미 7.99%, 추청 7.92%, 백진주 7.93%이었다.
3. 쌀 입자의 크기, 무게 및 색도 측정
쌀 입자의 길이(mm)와 폭(mm)은 caliper(500-150-20, Digimatic Caliper, Mututoyo, Tokyo, Japan)로 입자 50알을 측정하였으며, L/W 값은 길이/폭으로 계산하여 그 평균값을 나타내었다. 입자 부피는 쌀 입자를 타원형으로 가정하여 부피(mm3) = 4/3πab2 (a:길이, b: 폭)의 식을 이용하여 산출하였다(Beyer & William 1976). 무게는 쌀 50알의 무게를 측정한 후, 낱알의 수로 나누어 입자 1알의 무게로 하였으며, 10회 반복 측정하여 평균값을 나타내었다. 색도는 색차계(JC 801S, Color Techno System Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 L값, a값, b값을 6회 반복 측정하였으며, 표준백판 값은 L: 79.17, a: 0.53, b: 13.09 였다.
4. 쌀의 일반성분 및 아밀로오스 함량 측정
쌀의 일반성분 분석은 AOAC(2000) 방법에 따라 분석하였다. 즉 수분은 상압가열건조법, 조단백은 Kjeldahl법을 이용하여 측정된 질소 함량에 단백질 환산계수 6.25를 적용하여 산출하였으며, 조지방은 Soxhlet법, 조회분은 직접회화법, 조섬유는 Henneberg-Stohmann법으로 측정하였다. Amylose 함량은 Williams et al. (1970)의 비색법에 의하여 정량하였다.
5. X-선 회절도 및 상대적 결정화도 분석
쌀가루의 결정성은 X-선 회절기(D-MAX-1200, Rigaku Co. Ltd, Tokyo, Japan)를 이용하여 분석하였으며, target: Cu-Ka, filter: Ni, voltage: 35 kV, current: 15 mA, time constant: 1 sec, F.S.R: 1×103 CPS 조건으로 회절각도(2θ) 5-40° 범위에서 측정하였다. 상대적결정화도는 Origin 7.0 program (Origin 7.0 (Scientific Graphing and Data Analysis Software, Ver. 7.0 for Window, Origin Lab Inc., Northampton, MA ,USA)을 이용하여 결정성 영역(Ac)과 무결정영역(Aa)으로 나눈 다음, Ac/ (Ac+ Aa)로 계산하였다(Komiya & Nara 1986).
6. 수분흡수지수 (WAI) 및 수분용해지수 (WSI) 측정
수분흡수지수(Water Absorption Index, WAI) 및 수분용해지수(Water Solubility Index, WSI)는 AACC International (2010) 방법에 따라 측정하였다. 쌀가루 3 g에 증류수 30 mL를 첨가하여 30분간 진탕 교반한 후, 원심분리기(MF 600R, Hanil Electric Co., Kimpo, Gyeonggi, Korea)를 이용하여 3,767×g에서 30분간 원심분리하였다. 수분흡수지수는 침전물의 무게를 시료 g당 흡수된 수분함량으로 나타내었으며, 수분용해지수는 상등액을 105℃에서 건조시켜 얻은 고형분의 무게를 시료에 대한 백분율로 나타내었다.
7. Amylogram에 의한 호화 특성 분석
쌀가루의 호화특성은 Amylograph (Brabender Measurement & Control System. Duisburg. Germany)를 사용하여 측정하였다. 쌀가루 10% 현탁액을 30℃에서 10분간 교반한 후, 5.0℃/min의 속도로 95℃까지 가열하고 15분간 유지한 다음, 동일한 속도로 50℃까지 냉각하였다. 측정된 amylogram으로부터 호화개시온도, 최고점도, 최저점도, 냉각점도, breakdown, setback을 구하였으며, 모든 측정은 5회 반복하여 평균값으로 나타내었다.
8. 시차열량주사계 (Differential scanning calorimeter, DSC)에 의한 호화 특성 분석
시차열량주사계(DSC)를 이용한 호화 특성 분석은 Donovan et al. (1983)의 방법에 따라 측정하였다. 쌀가루 3.0 mg에 증류수를 3배 가하여 aluminum pan에 밀봉한 후, 30분간 평형시켰다. 이후 시차열량주사계(Jade DSC, Perkin Elmer, Co., Ltd., Waltham, MA, USA)를 사용하여 30℃에서 95℃까지 10℃/min 속도로 가열하여 흡열 peak를 측정하였다. 이 peak로부터 호화개시온도(onset temperature, To), 호화정점온도(peak temperature, Tp), 호화종료온도(conclusion temperature, Tc) 및 호화엔탈피(gelatinization enthalpy, ΔH)를 산출하였으며, 모든 측정은 5회 반복하여 평균값으로 나타내었다.
9. 통계처리
실험결과는 SPSS (Statistics Package for the Social Science, Ver. 20.0 for Window, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)를 이용하여 일원배치분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였으며, 유의수준 P<0.05에서 Duncan’s multiple range test를 실시하여 시료 간 유의성을 검증하였다.
III. 결과 및 고찰
1. 쌀 입자의 크기, 무게 및 색도
아밀로오스 함량에 따른 네 가지 쌀 품종의 크기, 무게 및 색도는 Table 1에 제시하였다. 길이는 인디카 품종의 Kanto 504가 6.56 mm로 가장 길었고, 자포니카 품종 중 중간찹쌀인 백진주가 4.69 mm로 가장 짧았다. 폭은 Kanto 504가 1.80 mm로 가장 좁았으며, 고아미, 추청 및 백진주 간에는 유의적인 차이가 없었다. L/W는 Kanto 504가 3.64로 유의적으로 큰 값을 나타내었다. 쌀의 부피는 Kanto 504가 89.76 mm3으로 가장 컸고, 백진주는 71.41 mm3로 가장 작았으며, 무게는 추청에서 21.60 mg으로 가장 높고, 백진주에서 19.71 mg으로 가장 낮았다. 쌀의 형태는 길이와 폭의 비에 따라 분류한 결과, 인디카 품종인 Kanto 504는 slender형에 해당하였고, 자포니카 품종인 고아미, 추청 및 백진주는 medium형에 속하는 것으로 나타났다(Chang & Bardenas 1965). 쌀알의 색도 측정 결과, L값과 b값은 중간찹쌀 품종인 백진주에서 가장 높았고, a값은 인디카 품종인 Kanto 504에서 가장 높았으며, 시료 간에 유의적인 차이를 보였다. 쌀의 외관 및 색도는 전분 구성뿐 아니라 단백질, 지질 및 색소 성분의 분포에 영향을 받는 것으로 알려져 있으며, 아밀로오스 함량이 낮고 아밀로펙틴 비율이 높은 품종은 전분의 미세구조와 결정성 차이에 의해 빛의 산란이 증가하여 L값이 높게 나타나는 경향이 있다(Shin et al. 2023;Wang et al. 2024a).
2. 일반성분 및 아밀로오스 함량
쌀의 일반성분과 아밀로오스 함량을 측정한 결과는 Table 2에 제시하였다. 수분함량은 14.51-14.61%로 나타났고, 조단백 함량은 Kanto 504, 고아미, 백진주, 추청에서 각각 7.98%, 7.26%, 6.28%, 5.52%로 나타났으며, 고아밀로오스 품종인 Kanto 504와 고아미에서 상대적으로 높았다. 조지방 함량은 고아미, 추청, 백진주, Kanto 504에서 각각 1.47%, 1.39%, 1.23%, 0.43%이었고, 인디카 품종인 Kanto 504에서 가장 낮게 나타났다. 조회분 함량은 추청에서 0.49%로 가장 높고 Kanto 504에서 0.41%로 가장 낮았으며, 조섬유 함량은 추청과 백진주에서 0.35%로 가장 높았고, Kanto 504에서 0.25%로 유의적으로 낮게 나타났다. 조단백 함량은 고아밀로오스 품종인 Kanto 504와 고아미에서 높게 나타났는데, 쌀의 단백질 함량은 쌀의 품종 및 질소 시비량, 토양, 물 관리와 같은 재배 조건에 영향을 받으며, 취반 시 끈기와 표면 경도에 영향을 미쳐 단백질 함량이 높은 품종일수록 더 단단한 질감을 가진다고 하였다(Fitzgerald & Reinke 2006;Son et al. 2002). 아밀로오스 함량은 고아밀로오스 품종인 고아미에서 27.34%, Kanto 504에서 26.33%로 높게 나타났고, 추청 19.22%, 백진주 9.31%로 시료 간 유의적인 차이가 있었다. 일부 선행연구에서 품종별 아밀로오스 함량에 차이가 있었는데, 이는 쌀의 재배조건, 수확시기 및 처리 조건 차이에 영향을 받은 것으로 보고되고 있다(Choi et al. 2012;Kim et al. 2006;Song et al. 2008).
3. 수분흡수지수 및 수분용해지수
쌀가루의 수분흡수지수 및 수분용해지수는 Table 3에 제시하였다. 수분흡수지수는 고아미에서 1.25로 가장 높았고, 백진주에서 1.19로 가장 낮았으며, 수분용해지수는 백진주에서 3.68%로 가장 높았고, 고아미에서 1.18%로 낮아 시료 간 유의적인 차이를 보였다. 이러한 결과는 멥쌀이 찹쌀보다 높은 수분흡수력을 나타낸다는 보고와 유사한 경향을 보였다(Kim & Shin 2007). Shin et al. (2014)은 고아미가 다른 쌀 품종에 비해 높은 수분결합력을 나타낸다고 보고하였으며, 이는 아밀로오스 함량이 높은 고아미에서 수분흡수지수가 높게 나타난 본 연구 결과와 일치하였다. 전분의 팽윤 및 용해 특성은 전분의 구조적 특성과 밀접한 관련이 있으며, 아밀로오스와 아밀로펙틴 비율이 기능적 특성을 결정하는 주요 요인으로 작용한다(Zhu et al. 2023). 아밀로오스 함량이 높은 전분은 분자 간 결합이 강하고 팽윤이 제한되어 수용성 고형분의 용출이 감소하고, 아밀로펙틴 가지 구조는 물과 결합을 용이하게 하여 팽윤 및 용해를 촉진하는 것으로 보고되고 있다(Zhu 2018).
4. X-선 회절도 및 상대적 결정화도
쌀가루의 X-선 회절도 및 상대적 결정화도는 Fig. 1에 제시하였다. 모든 시료는 3b, 4a, 4b, 5a 및 6a peak를 나타내는 전형적인 A형 결정구조를 보였다. 자포니카 품종인 고아미와 추청은 17-18° 부근의 4a와 4b 피크 차이가 크지 않은 반면, 아밀로오스 함량이 낮은 백진주는 두 피크 간 차이가 더 크게 나타났다. 이러한 경향은 찹쌀과 멥쌀 전분의 X-선 회절 양상 차이를 보고한 선행연구와 유사하였다(Govindaraju et al. 2022;You et al. 2014). 또한 20.3°에서 나타나는 Amylose-lipid complex 피크는 고아밀로오스 품종인 Kanto 504와 고아미에서 높게 나타났으며, Hung et al. (2007) 연구에서도 고아밀로오스 전분에서 해당 피크가 증가한다고 보고되어 본 연구와 일치하였다. 상대적 결정화도는 Kanto 504 5.38%, 고아미 5.33%, 추청 5.69%, 백진주 6.47%로, 백진주에서 가장 높았고, 고아미에서 가장 낮아 품종 간 차이를 보였다. 본 연구에서 나타난 상대적 결정화도는 정제 전분에서 보고되는 값에 비해 전반적으로 낮은 값을 보였으며, 이는 쌀가루에 포함된 단백질 및 지질 등 비전분 성분으로 인해 비정질 영역의 비율이 증가하였기 때문으로 판단된다. 이러한 경향은 아밀로오스가 아밀로펙틴의 결정구조를 약화시켜 결정화도에 영향을 미친다는 보고와 일치하며, 아밀로오스 함량이 높은 품종에서 상대적 결정화도가 낮게 나타난다는 선행연구와 유사한 경향을 보였다(Cheetham & Tao 1998;You et al. 2014). 또한 전분의 결정구조는 아밀로펙틴의 이중나선 구조에 의해 형성되며, 아밀로오스는 비정질 영역을 구성하여 결정구조 형성을 약화시키는 것으로 보고되고 있다(Asiamah et al. 2026). 이에 따라 아밀로오스 함량이 증가할수록 상대적 결정화도는 감소하는 경향을 보이며, 전분의 결정 영역과 비정질 영역 간 비율 변화의 영향 미치는 것으로 판단된다.
5. Amylogram에 의한 호화 특성
쌀가루의 아밀로그램에 의한 호화 특성은 Table 4에 제시하였다. 호화개시온도는 57.84-67.06°C로, 인디카 품종인 Kanto 504에서 67.06°C로 가장 높았다. 최고점도는 Kanto 504에서 714.20 B.U로 가장 높았고, 백진주 611.00 B.U, 추청 524.00 B.U, 고아미 393.00 B.U 순으로, 시료 간 유의적인 차이가 있었다. 최고점도 시 온도는 83.68-90.58°C로 고아미와 Kanto 504에서 높게 나타났다. 냉각점도는 Kanto 504에서 731.60 B.U로 가장 높았고, 백진주에서 422.60 B.U로 가장 낮았다. Breakdown은 백진주에서 363.80으로 가장 높았고, 고아미에서 123.20으로 가장 낮았으며, setback은 Kanto 504에서 374.00 B.U로 가장 높았고, 백진주에서 172.40 B.U 로 가장 낮아 시료 간 유의적인 차이를 나타냈다. 이러한 결과는 찹쌀 품종이 멥쌀 품종보다 낮은 호화온도와 setback을 나타낸다는 선행연구와 유사한 경향을 보였다(Kim et al. 2011;Lee 2013). 전분의 호화특성은 아밀로오스와 아밀로펙틴의 구조적 차이에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있으며, 아밀로펙틴은 수분 흡수와 팽윤에 관여하여 높은 점도를 나타내는 반면, 아밀로오스는 전분 입자의 팽윤을 제한하고 내부 구조를 강화하여 점도 발현을 감소시키는 경향이 있다(Huang et al. 2024). 아밀로오스 함량이 높은 품종에서는 낮은 최고점도와 breakdown값을 나타내며, breakdown값이 낮을수록 가열 및 전단 조건에서 전분 구조의 안정성이 높은 것으로 보고되고 있다(Kim et al. 2011). 본 연구에서도 고아밀로오스 품종인 고아미에서 낮은 breakdown이 나타났고, 저아밀로오스 품종인 백진주에서 높은 breakdown이 나타나 이러한 경향과 일치하였다. 또한 고아밀로오스 품종에서 나타나는 높은 호화개시온도와 setback값은 전분 분자 간 결합력이 강하고 재결정화 경향이 높기 때문으로, 제면성과 같은 가공적성에 영향을 미치는 중요한 요인으로 작용한다(Li & Luh 1980).
6. 시차열량주사계에 의한 호화 특성
쌀가루의 시차열량주사계에 의한 호화 특성은 Table 5에 제시하였다. 호화개시온도는 53.62-63.94°C로, 인디카 품종인 Kanto 504에서 가장 높았고, 고아미에서 가장 낮았다. 호화정점온도와 호화종료온도는 각각 63.37-73.10°C, 71.04-78.78°C로 나타났으며, Kanto 504에서 가장 높았고, 고아미에서 가장 낮았다. 호화엔탈피는 백진주에서 2.34 Cal/g 로 가장 높았고, 추청 2.15 Cal/g, Kanto 504 1.85 Cal/g, 고아미 1.69 Cal/g였으며, 백진주와 추청은 Kanto 504와 고아미에 비해 유의적으로 높은 값을 보였다. 아밀로오스 함량이 낮은 품종일수록 높은 호화엔탈피를 나타내었으며, 이는 상대적 결정화도가 높은 품종에서 더 많은 에너지가 요구된다는 결과와 일치하였다(Cheetham & Tao 1998). Kim et al.(2013)은 고아미의 호화개시온도가 백진주보다 낮다고 보고하여 본 연구와 유사한 경향을 보였으며, 아밀로오스 함량이 높을수록 호화엔탈피가 감소한다는 보고와도 일치하였다(Sim et al. 2015). 호화엔탈피는 전분 결정구조의 안정성과 밀접한 관련이 있으며, 아밀로펙틴의 이중나선구조가 발달할수록 높게 나타나는 것으로 알려져 있다. 반면 아밀로오스 함량이 증가하면 아밀로펙틴의 결정구조 형성이 제한되어 상대적 결정성이 감소하고, 호화 시 필요한 에너지도 감소한다(Asiamah et al. 2026;Cheetham & Tao 1998;Zhu et al. 2023). 따라서 본 연구에서 아밀로오스 함량이 낮은 백진주와 추청에서 높은 호화엔탈피가 나타난 것은 결정구조 안정성이 높은 결과로 해석되며, 고아밀로오스 품종에서 낮은 호화엔탈피를 보인 결과와 일치하였다.
IV. 요약 및 결론
본 연구에서는 아밀로오스 함량이 다른 인디카 품종 Kanto 504와 자포니카 품종 고아미, 추청 및 백진주를 대상으로 이화학적 특성, 전분 구조 및 물성 특성을 비교 분석하였다. 아밀로오스 함량은 전분의 구조 형성, 수분과의 상호작용, 호화 특성 전반에 영향을 미치는 주요 요인으로 나타났다. 아밀로오스 함량이 낮은 품종은 수분용해지수가 높은 경향을 보였으며, X-선 회절 및 DSC 분석에서 높은 상대적 결정화도와 호화엔탈피를 나타내 전분의 결정성이 높은 특성을 보였다. Amylogram 분석에서는 상대적으로 높은 breakdown을 보여 전분 입자가 팽윤된 이후 쉽게 붕괴되는 경향을 나타냈다. 아밀로오스 함량이 높은 품종은 수분흡수지수가 높고 수분용해지수는 낮은 특성을 나타냈으며, X-선 회절 및 DSC 분석에서는 낮은 결정성과 호화엔탈피를 보였다. Amylogram 분석에서는 높은 점도와 낮은 breakdown을 나타내 전분 입자가 팽윤된 이후에도 구조가 안정적으로 유지되는 경향을 보였다. 아밀로오스 함량에 따른 전분 구조의 차이는 수분 특성, 호화 및 점도 특성에 영향을 미치며, 이러한 차이는 가공 목적에 따라 품종을 선택적으로 활용할 수 있음을 시사한다. Kanto 504와 고아미는 높은 아밀로오스 함량으로 인해 점도 형성과 구조 유지에 유리한 특성을 보였으며, 백진주는 낮은 아밀로오스 함량으로 인해 높은 결정성과 호화특성을 나타냈다. 따라서 본 연구는 아밀로오스 함량이 다른 인디카형 및 자포니카형 품종의 이화학적 특성을 비교하고, 전분 구조와 물성 특성을 연계 해석함으로써 쌀 가공식품 소재로서의 활용가능성을 제시한다.
