서울과학기술대 식품공학연구실
박성희 교수
E-mail : sunghpark@seoultech.ac.kr
현재 소비자들은 식품산업에서 안전하면서도 식품 고유의 영양소 및 관능적 특성에 영향을 최소화한 최소가공식품(minimally processed food)을 원하고 있다. 식품공학적으로 안전한 식품을 생산하는 것은 기술적으로 어려운 일은 아니다. 미생물 포자를 비롯한 내열성 미생물을 완벽히 사멸하여 실온에서 저장 가능한 멸균 제품을 만드는 방법은 고온에서 장시간 식품을 열처리하면 간단하게 실현 가능한 일이다.
그림1. 식품 가공에서 안전성과 품질의 균형.
그러나 이 과정에서 식품 고유의 영양성분 및 풍미가 파괴되어 품질 저하가 일어나기 때문에, 실제 식품 가공에서는 안전성(Safety)과 품질(Quality)의 균형을 맞추어야 한다. 전통적으로 사용되어 온 대표적인 식품가공기술(레토르트 처리, 열풍건조, 동결건조 등)은 각 고유 기술의 장점도 있지만 동시에 제약점도 내포하고 있다. 따라서 최근에는 각기 다른 가공기술의 물리적 처리(온도, 전기장, 압력, 진공도)를 조합한 시너지 효과를 활용하여 새로운 가공 기술을 만드는 조합 가공 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
그림2. 조합기술의 시너지 효과.
본 기고에서는 현재 서울과학기술대학교 식품공학 연구실에서 진행되고 있는 1) 적외선 동결 건조 기술(Infrared Assisted Freeze Drying Technology), 2) 적외선 기류 건조 기술(Infrared Assisted Air Drying Technology) 및 3) 아임계 추출 기술(Subcritical Water Extraction Technology)의 대표적 조합기술에 대해서 소개하고자 한다.
동결건조는 삼중점 이하(0.075-0.375 torr, >-40℃)에서 얼음의 승화 현상을 이용하여 식품을 건조하는 기술로, 열을 가하지 않기 때문에 유용성분의 파괴를 최소화하고 얼음이 승화된 공극이 존재하여 재수화에 의한 복원이 우수하고 크리스피(crispy)한 물성을 나타내어 고부가가치 식품 건조 기술로 이용되어 왔다 (Bui et al., 2018; Khampakool et al., 2019; Yu et al., 2011). 동결건조는 식품 건조 외에도 미생물 균체의 건조 및 제약 산업에서도 매우 유용하게 이용되어 온 기술이다. 이러한 장점에도 불구하고, 동결 건조는 얼음이 승화하는데 건조 시간이 오래 걸리고 동결 건조 시스템(진공펌프, 냉각기, 콜드트랩)에서 요구되는 기계적 에너지가 커서 생산효율이 낮고 비용이 많이 소요된다는 제약점을 가지고 있다. 따라서 동결 건조 과정 중 승화속도를 증대시킬 수 있는 방안에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다.
이 중 얼음의 승화속도를 증대시킬 수 있는 물리적 에너지로 적외선의 조사(infrared light radiation)에 대한 연구가 시도되었다. 적외선은 파장에 따라 근적외선(0.75-1.4 ㎛), 중적외선(1.4-3 ㎛) 및 원적외선(3-1000 ㎛)으로 구분된다(Krishnamurthy et al., 1994). 이 중 근적외선은 식품의 중심부까지 침투가 용이하여 식품 건조에 많이 쓰인다.
그림 3. 적외선 동결 건조 시스템, Khampakool et al., 2019: Elsevier Copyright Clearance: 4638510479267.
그림 3에 제시된 동결 건조 시스템은 서울과학기술대 식품공학 실험실에서 자체 구축된 연구장비로, 동결건조기 챔버 내에 적외선 램프를 설치하여 적외선 복사에너지와 진공의 조합으로 근적외선을 조사함으로서 동결 건조 속도를 가속화 할 수 있다. 적외선 조사 과정 중 과도한 온도 상승을 방지하기 위하여 PID 제어기를 통하여 적외선의 조사 강도를 적절하게 조절할 수 있으며, 건조율을 측정하기 위한 전자 저울 및 데이터 수집 시스템이 구축되어 있다.
표 1에 제시된 바와 같이, 바나나의 동결 건조 시 일반 동결 건조(FD)가 696 min이 소요된데 비하여 적외선 동결 건조(IRAFD)는 213 min이 소요되어 건조 속도를 1/3로 단축이 가능하였으며, 적외선 동결 건조 바나나의 물성 및 미세 구조도 우수한 것으로 나타났다.
| Method | Total drying time (min) |
Drying rate (g/h) |
Vacuum energy (J) |
Radiant energy (Er, J) |
|---|---|---|---|---|
| FD | 696a | 3.3d | 680160a | - |
| IRAFD-2.7 kW/m2 at 20% WR | 330b | 7.0c | 324511b | 355649c |
| IRAFD-2.7 kW/m2 at 20% WR to 4.0 kW/m2 at 0°C |
294c | 8.0b | 288107c | 392053b |
| Continuous IRAFD-2.7 kW/m2 | 213d | 10.9a | 209340d | 470820a |
| LSD | 28 | 0.3 | 21690 | 27794 |
적외선 동결 건조 기법은 진공상태에서 빛 에너지의 복사열을 이용하여 승화속도를 가속화하기 때문에 시료의 과도한 온도 상승을 방지하고 빠른 동결 건조를 가능하게 하기 때문에 다양한 농•축•수산물을 이용한 다양한 고부가가치 건조 제품의 생산에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
적외선 기류 건조 기술은 적외선 에너지의 조사 하에서 건조기 챔버에 Fan을 설치 및 가동함으로서 건조기 내부에 음압을 형성하여, 식품으로부터 해리된 수분을 건조기 외부로 배출하는 원리이다.
그림 4. 적외선 기류 건조 시스템.
적외선 기류 건조 기법은 적외선의 복사에너지와 기류 흐름의 조합으로, 기존 열풍 건조 시 발생되는 표면 경화 및 수축 현상을 방지할 수 있는 장점이 있어 농업 법인 등에서 지역 특산물의 건조에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
아임계 추출은 고온(100-374℃) 및 고압(0.5-22 MPa)의 조합을 통한 시너지 효과를 이용하여, 동물성 부산물로부터 난용성 물질 및 식물로부터의 유용 물질 추출에 널리 이용되어 왔다. 아임계 조건에서 물은 수소 결합을 약하게 하고 유전율을 감소시켜 극성 및 비극성 물질을 모두 용해가 가능하게 하며, 물의 우수한 용해도와 기체의 높은 확산성을 모두 지니게 된다 (Adetunji et al., 2017; Munoz-Almagro et al., 2019).
그림 5. 아임계 추출 시스템, Min et al., 2017, : Elsevier Copyright Clearance: 4638621382949.
위 그림은 서울과학기술대 식품공학 실험실에서 자체 구축된 아임계 추출 시스템을 보여주고 있다. 아임계 추출 시스템은 고압 챔버, 내부 전기 시즈 히터, 외부 쿨링 자켓 및 데이터 수집 시스템(전압, 전류 및 온도)으로 구성되어 있다. 아임계 추출은 물을 용매로 하기 때문에 친환경적이고 지속 가능한 장점을 가진 추출 기술이다.
그림 6. 아임계 추출 과정 중 고온 및 고압의 조합.
위 그림은 아임계 추출 과정 중 고온(200℃) 및 고압(200 kPa)의 조합에 의한 추출 조건을 보여주고 있다.
그림 7. 돈피 부산물의 아임계 처리 후 콜라겐 분자량 감소 효과(Min et al., 2017, : Elsevier Copyright Clearance: 4638621382949).
그림 7은 아임계 추출을 이용하여 돈피 부산물로부터 콜라겐을 추출하는 과정 중 아임계 온도 및 압력 조건에 따라 분자량이 감소하는 효과를 보여주고 있다. 아임계 처리의 경우 고온 및 고압의 조합을 이용하고 친환경 용매인 물을 이용하여 난용성 물질의 가수 분해 및 유용 물질의 경제적 추출을 가능하게 하는 유용한 기술이다.
최근 들어 식품 산업에서 연구가 시작된 조합기술(combination technology)은 각 가공기술의 장점을 조합한 시너지 효과를 이용하여 보다 안전하고 품질 변화가 최소화된 식품을 생산할 수 있는 전망 있는 기술이다. 전술한 적외선 동결 건조, 적외선 기류 건조 및 아임계 추출 기술 외에도 전압, 압력 및 전자기파등의 다양한 물리적 처리를 조합한 새로운 조합 가공기술의 개발이 기대된다. 조합기술의 효용성을 보다 극대화하기 위해서는 물리적 처리 조건의 최적화가 필수적인데 이에 관한 식품공학적 접근의 시뮬레이션 연구도 필수적으로 진행되어야 할 것으로 예상된다.
