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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.50 No.1 pp.193-200
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2016.50.1.193

Optimum Fermentation Condition of Apple Vinegar Added with Korean Rice Wine Lees Extracts

Yu-Jin Ko, Chung-Ho Ryu*
Division of Applied Life Science, Institute of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University. Jinju, 52828, Korea
Corresponding author: Chung-Ho Ryu +82-55-772-1905+82-55-772-1909ryu@gnu.ac.kr
February 13, 2013 November 16, 2015 January 30, 2016

Abstract

This study was carried out for development of optimum processing conditions for apple vinegar fermentation using Korean rice wine lees extracts, and its quality properties were determined. The optimum initial acetic acid and ethanol concentration of apple vinegar for growth of Acetobacter aceti was 3.0% and 6.0%, respectively. In this composition of apple vinegar, optimum fermentation temperature was 27°C, and showed effective acetic acid fermentation than 24°C and 30°C. The optimum initial Korean rice wine lees extracts was 8.0% for fermentation. In this condition, lag phase has been shortened as 2 days, and sugar contents was not significantly changed in contrast to control. Major organic acid in apple vinegar was acetic acid and malic acid, and their contents in Korean rice wine lees extracts added apple vinegar were 8,416.9mg% and 103.5mg%, respectively. Therefore, optimum initial concentration of acetic acid, ethanol and Korean rice wine lees extracts are 3.0, 6.0 and 8.0%, respectively, and optimum fermentation temperature is 27°C for manufacture high quality apple vinegar.


주박추출물을 첨가한 사과식초의 최적 발효 조건

고 유진, 류 충호*
경상대학교 응용생명과학부 · 농업생명과학연구원

초록

주박추출물을 첨가한 사과식초의 효율적인 초산발효를 위한 최적조건을 검색하고 그 품질을 조사하였 다. 정상적인 초산균의 생육을 취한 사과식초 사입액의 초기 acetic acid과 ethanol의 농도는 각각 3.0%와 6.0%였다. 사과식초 사입액에서의 초산균의 생육적온은 27°C이였고, 24°C보다 30°C에서 배양 하는 것이 초산생성능이 우수하였다. 초기 주박추출물 농도가 8.0%일 때 초산생성정도가 가장 높게 나 타났다. 초산균은 주박추출물의 첨가농도가 높을수록 유도기가 짧아져 생성되는 초산의 함량이 증가하 다가 8.0%이상의 주박추출물이 첨가되면 유도기가 길어져 생성되는 초산의 함량이 감소하는 것을 확인 하였다. 8.0%의 주박추출물을 첨가하여 발효시킨 사과식초는 대조구에 비해 유도기를 2일정도 단축시 킬 수 있으며 발효 중의 당도변화가 대조구와 거의 차이가 없었다. 유기산 함량을 분석한 결과, acetic acid와 malic acid가 주된 유기산으로 검출되었고 주박추출물을 첨가한 식초에서의 함량은 각각 8,416.9mg%, 103.5mg%로 대조구보다 높게 나타났다. 따라서 8.0% 주박추출물, 3.0% acetic acid, 6.0% ethanol을 첨가한 초기 사과식초에 균을 접종하여 27°C에서 발효하는 것이 발효기간을 단축할 수 있으며 초산과 사과산의 함유량이 높은 식초를 제조할 수 있다.


    서론

    식초에는 초산을 비롯하여 25여종의 유기산, 20여 종의 아미노산, 20여종의 ester 및 각종 영양물질이 함유되어 있다(Kim & Choi, 2005). 또한 소화액의 분비 촉진, 피로회복, 당뇨병, 비만방지, 혈압상승방 지, 노화방지, 항종양효과 등 기능성이 주목 받고 있 으며(Lee & Kim, 1998; Vogel et al., 2000), 동맥 경화, 고혈압, 심장병 등 성인병을 예방하고, 살균 작용 등 다양한 효능이 밝혀지면서 조미료로서 뿐만 아니라 건강음료로서도 다양하게 활용되고 있다. 식 초에 대한 연구는 식초의 생산방법이나 이화학적 분 석, 관능적 특성을 연구하는 것으로 구분할 수 있으 며 식초의 생산성 증대나 다양한 원료를 선택하여 발효시킬 때 최적의 생산조건을 설정하는 것으로 요 약할 수 있다(Lee et al., 1999). 우리나라의 공선에 서는 양조식초를 과실 술덧, 과실 착즙액, 주정 및 당류 등을 혼합하여 초산 발효한 과실식초, 곡물술 덧, 곡물 당화액, ethanol 및 당류 등을 초산 발효 한 곡물식초 그리고 주정, 당류, 첨가물 등을 초산 발효한 주정식초 등으로 나누고 있다(Moon et al., 1997). 또한 식초 제조방법도 산업적 대량생산 방법 과 전통적인 숙성방법의 정치배양 식초가 출시되면 서 고급화, 다양화 되어 건강 음료 소재로 활용되고 있다(Ha & Kim, 2000; Kwon et al., 2000).

    식품산업 부산물로 생성되는 저가의 쌀 단백질 원 료인 주박은 청주 제조시 부산물로서 원료쌀의 약 20%에 달하며 아미노산류, 펩타이드류, 탄수화물 뿐만 아니라 쌀, 코지 및 효모에서 나오는 핵산류, 무기염류 등 다양한 영양소를 함유하고 있다. 주박 의 주성분은 단백질과 전분질로 단백질의 함량은 쌀 이나 밀보다 높다. 이들 성분의 단독적 영양가치는 물론 이들의 조합에 따른 생리활성물질의 발현까지 도 기대되고 있다(Cho et al., 1998). 그러나 주박 은 우리나라에서는 일부 사료첨가제로만 이용되며, 현재 폐기물로 등록되어 전량 폐기 처리되고 있다 (Lee et al., 2007). 반면 일본에서는 청주뿐만 아 니라 청주를 거르고 난 후의 술지게미(酒粕)의 생리 기능에 대한 연구를 활발히 진행하여 왔다. 그 결과 주박은 당뇨, 고혈압, 골다공증에 효과가 있으며, 뇌경색, 심근경색 및 동맥경화를 예방하고 알레르기 체질을 개선하고, 미백효과를 나타내는 등 다양한 기능성분을 함유하고 있음이 보고되며, 이들 성분을 이용한 건강식품과 기능성식품을 개발하려는 연구가 지속되고 있다(Saito et al., 1994).

    따라서 본 연구에서는 식품산업의 부산물로 생산 되는 주박의 부가가치 향상을 위한 효율적 활용과 초산발효 효율을 증대시키기 위하여 주박추출물을 첨가한 사과식초의 최적 발효 조건을 검색하고 품질 특성을 조사하였다.

    재료 및 방법

    1실험재료

    1.1식초의 원료

    본 실험에 사용된 사과액은 2010년 경남 거창산 사과를 착즙하여 50°Brix로 농축시켜 80°C에서 30분간 중탕 살균한 후 사용하였다. 주박추출물은 2012년 진주막걸리에서 제조한 청주에서 분리된 주 박을 60°C에서 3일간 열풍건조하여 보관중인 것을 20%(w/v)의 농도로 distilled water를 추출 buffer 로 하여 80°C에서 1시간동안 열수 추출하여 사용하 였다.

    1.2사용균주 및 배지 조성

    본 실험에 사용된 균주는 낙과에서 초산균 분리용 GYP(Glucose 15g, Yeast extract 2g, Peptone 3g, Agar 15g, Acetic acid 30mL, EtOH 30mL, D.W. 1L) 배지를 이용하여 분리 후 ethanol(Yeast extract 2g, Peptone 3g, CaCO3 20g, Agar 15g, EtOH 20 mL, D.W. 1L) 배지에 다시 획선분리하여 30°C에서 5일간 평판배양하였다. 초산생성능이 우수 한 균주, 즉 투명환의 크기가 큰 colony를 선발하여 당분해능과 생화학적 특성을 확인한 결과, 4균주 모 두 Acetobacter aceti 이었으며 JS 1-1, JS 2-1, JS 3-2, JS 4-2로 각각 명명한 후 -80°C에서 보 관하면서 사용 시 GYP배지에 계대배양하여 발효에 사용하였다.

    2식초의 발효조건 검색

    2.1초기 acetic acid 농도의 영향

    초기 acetic acid 농도가 초산균의 초산생성능에 미치는 영향을 알아보기 위해 6.0% ethanol을 함유 한 사과식초 사입액에 acetic acid 농도를 1.0, 2.0, 3.0, 4.0%가 되도록 조절하여 30°C에서 정치 발효 시키면서 acetic acid 함량의 변화를 측정하였다.

    2.2초기 ethanol 농도의 영향

    초기 ethanol 농도가 초산균의 초산생성능에 미 치는 영향을 알아보기 위해 3.0% acetic acid를 첨 가한 사과식초 사입액에 ethanol 농도를 2.0, 4.0, 6.0, 8.0%로 조절하여 30°C에서 정치 발효시키면서 acetic acid 함량의 변화를 측정하였다.

    2.3초기 주박추출물 농도의 영향

    초기 주박추출물의 농도가 초산균의 초산생성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여 주박추출물을 0.0, 2.0, 4.0, 6.0, 8.0, 10.0%가 되도록 사과식초 사입 액에 첨가하여 30°C에서 정치 발효시키면서 acetic acid 함량의 변화를 측정하였다.

    2.4배양온도의 영향

    실험에서 결정된 acetic acid과 에탄올의 최적 농 도인 3.0% acetic acid, 6.0% ethanol(3a/6e, 이하 X%의 acetic acid, Y%의 ethanol 함유를 Xa/Ye로 표기)을 함유한 사과식초 사입액에 전배양한 종균을 접종, 발효하였다. 발효온도를 24, 27, 30°C로 각각 달리하여 정치 발효하면서 온도에 따른 발효 중 생 성된 acetic acid 함량을 측정하였다.

    3식초의 품질 분석방법

    3.1총산 함량

    식초 10mL을 취하여 1% phenolphtalein을 2~3 방울을 첨가한 후 0.1N NaOH로 중화적정하여 acetic acid로 환산한 %로 나타내었다(Park et al. 2005).

    3.2생육도 조사

    사과식초 사입액에 형성된 균막을 단계희석 후 GYP배지(3a/3e)에 도말하여 30°C에서 배양하면서 생육 유무를 확인하였다.

    3.3당도 분석

    당도는 hand refractometer(model 507-1. Brix 0~32% Nippon optical work Co., Tokyo, Japan) 를 이용하여 측정하였다.

    3.4유기산 분석

    발효된 사과식초를 원심분리(8000×g, 10min.)하 여 균체를 제거한 후 60% perchloric acid 50μL를 첨가하여 단백질을 침전시킨 다음 0.22μm membrane filter로 여과하고 Sep-pak C18로 색소 및 단백질 성분을 제거한 후 HPLC로 분석하였으며 분석조건은 Table 1에 나타내었다. 또한 동일한 분 석조건으로 oxalic, malic, citric, tartaric, succinic, lactic, acetic acid 표준품의 검량곡선을 작성하여 각각의 유기산을 정량하였다(Joong et al., 1999).

    4통계처리

    모든 실험은 3번 반복하였고 통계처리는 SAS 8.0 version을 이용하여 분산분석(analysis of variance) 을 실시하였으며, 5% 유의수준에서 Duncan의 다중 범위검정법(Duncan’s multiple range test)을 수행 하였다.

    결과 및 고찰

    1초기 acetic acid 농도에 따른 생육

    초기 acetic acid 농도가 초산균의 생육에 미치는 영향을 조사하기 위해 식초 발효 시 사과식초 사입 액의 acetic acid 농도를 1.0~4.0%로 조절하여 발 효 중의 생성되는 acetic acid의 함량변화를 Fig.1 에 나타내었다. 초산균은 1.0, 2.0, 3.0%의 acetic acid를 함유한 사과식초 사입액에서는 모두 잘 생육 하였으나 4.0%의 acetic acid를 함유한 배지에서는 생육이 저하되었다. 발효 8일째 3.0%의 acetic acid 을 함유한 사과식초 발효 시 acetic acid 함량이 7.69%로 가장 높게 나타나 사과식초 발효 초기 acetic acid의 농도가 3.0%일 때 가장 우수한 것으 로 사료된다.

    Chung(1980)은 초산균의 특성을 연구한 결과에 서 초발 산도가 높은 경우 유도기가 길어지고 산 생성량이 적어지므로 식초균 증식의 늦고 빠름에 영향을 끼치며 Acetobacter acetosus CAU-15는 acetic acid를 2.0% 첨가하였을 때 산생성이 가장 좋았다고 보고하였는데 본 연구에서는 3.0% acetic acid 농도에서도 잘 생육하였으므로 식초발효 시 초기산도를 높임으로서 잡균의 생육을 억제하여 우수한 품질의 식초를 제조할 수 있을 것으로 사 료된다.

    2초기 ethanol 농도에 따른 생육

    초기 ethanol 농도가 초산균의 생육에 미치는 영 향을 조사하기 위해 식초 발효 시 초기 ethanol 농 도를 2.0, 4.0, 6.0, 8.0%로 조절한 사과식초 사입 액에 초산균을 접종하여 경시적인 acetic acid 함량 을 측정하여 초산균의 생육을 관찰하였다(Fig.2).

    초산균은 배양 5일째까지 모든 ethanol 농도에서 약하게 생육하였고 배양 8일째에는 6.0%이하의 ethanol을 첨가한 사과식초 사입액에서는 시간적인 차이는 있으나 초산균의 정상적인 생육이 관찰된 반면, 8.0% ethanol 첨가구에서는 7일 이후에도 acetic acid 함량 변화가 관찰되지 않으나 초산균의 생육이 정상적으로 이루어지지 않음을 확인할 수 있 었다. 6.0% ethanol 첨가구에서는 산도가 급격히 증가하여 발효 8일 째에는 7.56%로 다른 구에 비해 단기간에 최고 산도에 도달하였다. Ethanol을 4.0% 첨가한 구도 6일 이후 산도가 급격히 증가했으나 발 효 8일째의 산도가 6.54%로 6.0% 첨가구보다 최고 산도에 도달하는 시간이 더 많이 소요됨을 확인할 수 있다. 따라서 사과식초 사입액의 초기 ethanol 농도를 6.0%가 되도록 조절하는 것이 효율적인 식 초발효를 위한 조건으로 사료된다.

    Hong et al.(1996)은 ethanol 농도 4.0% 첨가구 에서 산생성능이 우수하고 관능적인 향미가 우수하 지만 6.0% 첨가구에서는 산생성능이 저해된다고 하 였으나, Lee et al.(1999)은 ethanol 농도 6.0%에서 가장 높은 상생성능을 보였다고 보고하여 본 연구와 유사한 경향을 보였다. 또한 Kim et al.(1996)은 ethanol 8.0% 이상에서는 산도의 증가가 적어 ethanol 6.0%가 가장 효과적이었다고 보고한 바 있 으나, Park et al.(1994)은 고농도 에탄올 내성 초 산균은 ethanol 10.0%농도에서도 발효 20일에 산도 9.0%에 도달하였다고 보고하여 균주에 따른 발효 차이가 큰 것으로 사료된다.

    3초기 주박추출물의 농도에 따른 생육

    초기 주박추출물 농도가 초산균의 생육에 미치는 영향을 조사하기 위해 식초 발효 시 사입액을 3.0% acetic acid, 6.0% ethanol 및 주박추출물의 농도를 0.0, 2.0, 4.0, 6.0, 8.0, 10.0%로 조절한 후 8일간 배양하여 acetic acid 생성능을 측정한 결과를 Fig.3에 나타내었다. 첨가된 acetic acid와 ethanol 의 함량이 일정하여 초산발효 완료시 최대로 도달할 수 있는 산도가 유사하게 관찰되므로, 최단시간에 최대 acetic acid 농도에 도달하는 조건이 발효조건 으로 가장 적합할 것이라 사료된다. 주박추출물의 농도가 0%부터 8.0%까지는 농도가 높을수록 유도기 가 짧아지고 활발한 acetic acid 생성능을 보이다 가, 주박추출물의 농도가 10.0%일 때 acetic acid 생성능이 저하되는 경향을 나타내었다. 초산균은 주 박추출물을 첨가하지 않았을 때는 최종산도에 도달 하는 시간이 10일 이후였으나 8.0%의 주박추출물을 함유한 사입액은 발효 7~8일경에 최종농도에 도달 하였다. Fig. 4

    Lee et al.(2007)의 보고에 따르면 주박은 C/N 율이 낮고 질소, 인산, 칼리 등의 성분 함량이 높 고, 주류생산에 이용된 주박미생물이 포함되어 있 어 알코올 및 효소의 안정적인 생산, 균체의 풍부 한 영양분을 함유하고 있다고 하였다. 그리고 Cho et al.(2006)은 주박이 청주제조시 원료쌀의 약 20%가 생산되며 당질, 알코올, 유기산 및 효 모 등을 함유하고 있지만 단백질 함량은 쌀이나 밀보다 높다고 보고하였다. 주박추출물에 함유된 다양한 미네랄과 당성분들이 초산균의 초기생육 에 적합한 영양 환경을 조성하여 유도기를 앞당 기는 것으로 추정되며, 따라서 주박추출물을 8% 첨가하는 것이 효율적인 초산발효를 위하여 가장 적합할 것이다.

    4주박추출물을 이용한 사과식초 발효 중의 당도 변화

    주박추출물을 첨가한 3.0% acetic acid, 6.0% ethanol 사과식초 사입액에 초산균을 접종하여 초산 발효 중의 당도 변화를 Table 2에 나타내었다. 주박 추출물이 함유되지 않은 0.0%의 대조구는 초기 당 도 4.2°Brix에서 초산균 접종 후 당도가 서서히 감 소하여 배양 7일째에는 3.8°Brix가 되었으나 주박추 출물이 8.0% 함유된 사입액은 발효가 진행됨에 따 라 서서히 감소하여 발효 7일에는 당도가 4.0°Brix 에 도달하여, 당도는 대조구와 유의적인 차이를 보 이지 않았다. 따라서 사과식초 사입액에 8.0%의 주 박추출물을 첨가하더라도 발효 중의 당도변화가 대 조구와 유사한 경향을 나타내므로 주박추출물의 첨 가가 식초발효 중의 당도에는 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다.

    Joong et al.(1999)도 사과식초에 주모 접종 후 시간이 경과함에 따라 당도가 서서히 감소한다고 보 고한 바 있다.

    5주박추출물을 이용한 사과식초의 유기산 함량

    일반적으로 유기산은 식초의 산미에 관여하며 식초 품질에 중요한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Jeong et al. 1998). 주박추출물을 첨가하여 발효한 사과식초 중의 유기산 함량을 Table 3에 나타내었다. 주박추출물이 첨가되지 않은 대조구와 첨가하여 발효시킨 사과식초중의 유기산함량을 비 교한 결과 acetic acid 함량이 가장 높았고, 그 외 tartaric acid, malic acid, oxalic acid 등이 검출 되었다. 주박추출물을 첨가하지 않은 대조구의 초 산함량은 7972.8mg%였으나 주박추출물을 첨가한 것은 8416.9mg%로 높게 나타났다. 10.0%의 주박 추출물을 첨가한 식초의 초산함량은 8125.1mg%로 8.0%의 주박추출물을 첨가한 식초보다 낮게 나타 났다. Tartaric acid와 oxalic acid는 주박추출물의 첨가량이 많아질수록 그 함량이 낮아졌다. Malic acid는 사과식초에서 acetic acid 다음으로 높게 나타나는 유기산으로 주박추출물을 첨가한 것은 103.5mg%로 첨가하지 않은 것이 73.3mg%인 것 에 비해 비교적 높은 함량이 검출되었다. 반면 주 박추출물을 1.0% 첨가한 것은 malic acid의 함량 이 38.3mg%로 그 양이 현저히 감소하였다. 이러 한 경향은 적절한 농도의 주박추출물의 첨가는 발 효 균주의 생육에 적절한 영양원을 제공할 수 있 으나, 필요이상으로 농도가 높을 경우 특정 성분이 균주의 생육을 저해하는 결과를 가져오게 되기 때 문이라 사료되며, 발효균주의 생육과 활성 정도에 따라 각종 유기산의 함량의 차이가 나타나는 것이 확인된다.

    Lee & Choi(1997)에 따르면 사과의 주된 유기 산 성분으로는 malic, citric acid가 보고되었으 며, Jo(1987)는 malic acid 함량은 국내 시판 식 초 중 사과식초에서 가장 높으며 그 함량은 2.322 ~ 2.466%로 보고하였다. 또한 Moon et al.(1997) 은 국내에서 시판되고 있는 4종의 식초(양조, 사 과, 현미, 감식초)에 대한 유기산 함량을 측정한 결과 양조>사과>현미>감식초 순으로 높은 함량을 보였으며 사과 식초의 경우 malic acid의 함량이 높은 것으로 보고하였다. Woo et al.(2010)은 잡곡 식초 발효 시 인산과 칼슘의 효율을 증진시켜줄 수 있는 인칼균의 첨가하였을 때 첨가농도에 따 라 유기산의 함량이 증가하였다고 보고하여, 식초 발효 시 보조물질의 첨가는 발효 효율의 증진 및 품질의 향상에 큰 영향을 줄 수 있을 것이라 사 료된다.

    이상의 결과들을 미루어 8.0% 주박추출물, 3.0% acetic acid, 6.0% ethanol을 첨가한 초기 사과식초 에 균을 접종하여 27°C에서 발효하는 것이 발효기간 을 단축할 수 있으며 유기산의 함량이 높은 식초를 제조할 수 있다.

    Figure

    JALS-50-193_F1.gif

    Effect of acetic acid concentration on the acetic acid fermentation of apple vinegar added with Korean rice wine lees extracts. Data are presented as the mean±SD of three independent experiments in triplicate. *Significant difference from initial value at p<0.05.

    JALS-50-193_F2.gif

    Effect of ethanol concentration on the acetic acid fermentation of apple vinegar added with Korean rice wine lees extracts. Data are presented as the mean±SD of three independent experiments in triplicate. *Significant difference from initial value at p<0.05.

    JALS-50-193_F3.gif

    Effect of Korean rice wine lees extracts concentration on the acetic acid fermentation of apple vinegar added with Korean rice wine lees extracts. Data are presented as the mean±SD of three independent experiments in triplicate. *Significant difference from initial value at p<0.05.

    ※ X/Ya/Ze: X% Korean rice wine lees, Y% acetic acid and Z% ethanol.

    JALS-50-193_F4.gif

    Influence of temperature on the acetic acid fermentation of apple vinegar added with Korean rice wine lees extracts. Data are presented as the mean±SD of three independent experiments in triplicate. *Significant difference from initial value at p<0.05.

    Table

    Operating condition of HPLC for organic acid content analysis

    Changes in sugar concentration in apple vinegar fermentation added with Korean rice wine lees extracts

    1)0.0% Korean rice wine lees extracts, 3.0% acetic acid and 6.0% ethanol.
    2)Means±SD(n=3).

    Organic acids contents of the apple vinegar added with Korean rice wine lees extracts

    1)0.0% Korean rice wine lees extracts, 3.0% acetic acid and 6.0% ethanol.

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