본 연구에서는 냉동처리한 김치의 동결에 따른 물리적 특성을 조사하고 적정 동결시간을 예측하기 위한 모델을 개발하였다. 김치의 동결 전후의 밀도를 부피에 대한 중량의 비로 산정한 결과 김치의 밀도는 1001.9$\pm$0.03 kg/㎥(동결전), 987.0$\pm$0.07 kg/㎥(동결후)이었고 김치의 체적팽창은 4.67%(-15$^{\circ}C$)이었다. 김치의 빙결점은 양념액에서 -2.5$^{\circ}C$, 고형분은 -4.$0^{\circ}C$로 측정되었다. 김치의 빙결율은 -5.$0^{\circ}C$일 때 약 50%이상, -1$0^{\circ}C$일 때 약 75% 이상, -$25^{\circ}C$일 때 약 90% 수준이었다 시료의 초기온도( $X_1$), 시료의 두께( $X_2$)와 시료의 초기빙결점에서 동결매체 온도사이의 차의 역수( $X_3$) 및 표면열전달계수의 역수( $X_4$)를 독립변수로 하고 동결시간(Y)을 종속변수로 설정하여 다중회귀 분석을 실시한 결과, $Y_{kimchi}$=3.856 $X_1$+13982.8 $X_2$+8305.166 $X_3$+ 3559.181 $X_4$-639.189($R^2$=0.9632)의 방정식을 구하였다. 이 식은 기존의 모델에 비해 측정치와 예측치가 비교적 유사한 것으로 나타났으며, 평균 절도오차도 10% 수준이었다.
본 연구에서는 냉동처리한 김치의 동결에 따른 물리적 특성을 조사하고 적정 동결시간을 예측하기 위한 모델을 개발하였다. 김치의 동결 전후의 밀도를 부피에 대한 중량의 비로 산정한 결과 김치의 밀도는 1001.9$\pm$0.03 kg/㎥(동결전), 987.0$\pm$0.07 kg/㎥(동결후)이었고 김치의 체적팽창은 4.67%(-15$^{\circ}C$)이었다. 김치의 빙결점은 양념액에서 -2.5$^{\circ}C$, 고형분은 -4.$0^{\circ}C$로 측정되었다. 김치의 빙결율은 -5.$0^{\circ}C$일 때 약 50%이상, -1$0^{\circ}C$일 때 약 75% 이상, -$25^{\circ}C$일 때 약 90% 수준이었다 시료의 초기온도( $X_1$), 시료의 두께( $X_2$)와 시료의 초기빙결점에서 동결매체 온도사이의 차의 역수( $X_3$) 및 표면열전달계수의 역수( $X_4$)를 독립변수로 하고 동결시간(Y)을 종속변수로 설정하여 다중회귀 분석을 실시한 결과, $Y_{kimchi}$=3.856 $X_1$+13982.8 $X_2$+8305.166 $X_3$+ 3559.181 $X_4$-639.189($R^2$=0.9632)의 방정식을 구하였다. 이 식은 기존의 모델에 비해 측정치와 예측치가 비교적 유사한 것으로 나타났으며, 평균 절도오차도 10% 수준이었다.
This study was carried out to investigate the thermo-physical properties and design Freezing time prediction model from data of freezing test of Kimchi. Density of Kimchi were measured as 1001.9 ${\pm}$0.03 kg/㎥ at unfrozen state, 987.0 ${\pm}$0.07 kg/㎥ at frozen state and volu...
This study was carried out to investigate the thermo-physical properties and design Freezing time prediction model from data of freezing test of Kimchi. Density of Kimchi were measured as 1001.9 ${\pm}$0.03 kg/㎥ at unfrozen state, 987.0 ${\pm}$0.07 kg/㎥ at frozen state and volume of the Kimchi expanded 4.67% at -l5$^{\circ}C$. Initial freezing point of Kimchi and seasoning were -4.0$^{\circ}C$ and -2.5$^{\circ}C$, respectively. Freezing ratio of Kimchi were estimated more than 50％ at -5.0$^{\circ}C$, more than 75% at -l0$^{\circ}C$ and approximately 90% at -25$^{\circ}C$. To obtain equation for freezing time prediction of Kimchi, freezing time(Y) was regressed against the reciprocal( $X_3$) of difference of initial freezing point and freezing medium temperature, reciprocal( $X_4$) of surface heat transfer coefficient, the initial temperature( $X_1$) and thickness( $X_2$) of samples. As results of the multiple regression analysis, equations were obtained as follows. Y$_{kimchi}$=3.856 $X_1$+13982.8 $X_2$+8305.166 $X_3$+ 3559.181 $X_4$-639.189( $R^2$=0.9632). These equations shown better results than previous models, and the accuracy of its was very high as average absolute difference of about 10% in the difference between the fitted and experimental results.
This study was carried out to investigate the thermo-physical properties and design Freezing time prediction model from data of freezing test of Kimchi. Density of Kimchi were measured as 1001.9 ${\pm}$0.03 kg/㎥ at unfrozen state, 987.0 ${\pm}$0.07 kg/㎥ at frozen state and volume of the Kimchi expanded 4.67% at -l5$^{\circ}C$. Initial freezing point of Kimchi and seasoning were -4.0$^{\circ}C$ and -2.5$^{\circ}C$, respectively. Freezing ratio of Kimchi were estimated more than 50％ at -5.0$^{\circ}C$, more than 75% at -l0$^{\circ}C$ and approximately 90% at -25$^{\circ}C$. To obtain equation for freezing time prediction of Kimchi, freezing time(Y) was regressed against the reciprocal( $X_3$) of difference of initial freezing point and freezing medium temperature, reciprocal( $X_4$) of surface heat transfer coefficient, the initial temperature( $X_1$) and thickness( $X_2$) of samples. As results of the multiple regression analysis, equations were obtained as follows. Y$_{kimchi}$=3.856 $X_1$+13982.8 $X_2$+8305.166 $X_3$+ 3559.181 $X_4$-639.189( $R^2$=0.9632). These equations shown better results than previous models, and the accuracy of its was very high as average absolute difference of about 10% in the difference between the fitted and experimental results.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 김치의 수출 활성화 방안의 일환으로 숙성 김치의 과숙을 최대한 억제시키며 장기저장 및 대량 유통에 이바지하기 위한 기초 연구로서 냉동처리한 김치의 물리적 특성을 조사함과 동시에 적정 동결시간을 예측하기 위한 모델 및 데이터를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 냉동처리한 김치의 동결에 따른 물리적 특성을 조사하고 적정 동결시간을 예측하기 위한 모델을 개발하였다. 김치의 동결 전후의 밀도를 부피에 대한 중량의 비로 산정한 결과 김치의 밀도는 1001.
제안 방법
초기빙결점은 Beckmann 법(9)에 의해, 표면열전달계수는 Creed와 James(lO)의 총괄 열전달 계수의 산출을 위한 transient temperature method를 적용하였고, 비열은 빙결점 이상의 온도에서는 Siebel 및 Kong의 실험식(8)에 의해, 빙결점 이하의 온도에서는 Yano 및 Kong 의 실험식(8)으로 산정하였으며, 잠열은 Wookich(ll)의 실험식으로, 동결동안 제거되는 전열량은 시료의 초기온도와 최종동결온도 사이의 total enthalpy차를 이용하여 산출하였다. 그리고, 열전도도를 추정하기 위해 열확산율을 측정하여 k = a · p · Cp 식(여기서 a= 열확산율(m1/hr), 0 =밀도(kg/m1), Cp= 비열(J/m'℃))으로 산출하였다. 이를 위해 열확산율은 항온 조에서 시간에 따른 온도변화를 연속 측정하여 curve htting법을 이용하였다.
송풍량으로 온도를 조절하였다. 동결온도 및 시간 측정은 0.3 mm 동-콘스탄탄 열전대를 시료의 기하학적 중심부에 부착하여 중심온도가 -18℃에 도달할 때까지 자동온도기록계 (Hydra Data Acquistion Unit, Model: 2620A, USA)를 이용하여 1 분 간격으로 연속 측정하였다.
동결실험
동결처리 방식은 정지공기식, 송풍식 및 침지식에 의해 각각 동결 처리하였으며, 동결고내의 중심부에 설치한 트레이 위에 시료를 얹어 놓고, -20~-50℃범위에서 온도조절기 및 송풍량으로 온도를 조절하였다. 동결온도 및 시간 측정은 0.
1과 같은 측정장치를 제작하여 curve fitting법 (8)으로 열확산율을 구하므로써 열전도도를 추정하였다. 먼저, 열확산율 측정장치의 보정을 위해 -5℃~6℃와 -17℃ ~ -18℃에서 얼음의 시간에 따른 온도변화를 측정하여 구한 측 정치와 비교 검토하였다. Table 1에서 보는 바와 같이 3회의 측정치를 문헌치와 비교한 결과, 약 6%의 근소한 오차로 거의 일치하므로 측정장치의 정확도와 재현성을 입증하였다.
본 연구에서는 동결시간 예측모델을 동결시간과 관련있는무차원 변수의 집단으로 나타내기 위해 무차원 해석을 적용하였다. 먼저 일반적인 Plank 방정식의 형태는 식(1)과 같다.
시료에 있어 동결 전후의 밀도는 부피에 대한 중량의 비로써 산정하였으며, 동결상태의 경우는 일정량의 시료를 비중병에 주입하여 처리온도 별로 약 24시간 동결시킨 후의 체적과 동결전의 중량으로 구하였다. 초기빙결점은 Beckmann 법(9)에 의해, 표면열전달계수는 Creed와 James(lO)의 총괄 열전달 계수의 산출을 위한 transient temperature method를 적용하였고, 비열은 빙결점 이상의 온도에서는 Siebel 및 Kong의 실험식(8)에 의해, 빙결점 이하의 온도에서는 Yano 및 Kong 의 실험식(8)으로 산정하였으며, 잠열은 Wookich(ll)의 실험식으로, 동결동안 제거되는 전열량은 시료의 초기온도와 최종동결온도 사이의 total enthalpy차를 이용하여 산출하였다.
대상 데이터
9 mL로 버무린 후 밀폐 용기에 1 kg씩 넣어 0℃ 냉장고에 보관하면서 실험에 사용하였다. 물성치 측정에 사용된 김치 시료는 염 농도 2.7%(w/w), pH 4.41-5.82, 산도 0.26-0.38 인 것을 마쇄하여 두께별로 일정 크기(10 cmXlO cm, 오차: ±0.5 cm)로 성형한 후 5℃에서 24시간 동안 품온을 일정하게 유지시킨 것을 사용하였다.
데이터처리
다양한 동결처리 조건에 따른 김치의 총 30개 데이타와기존의 동결시간예측 모델(Plank (8), Nagaoka(12), Qeland & Earle(13), Hung & Thompson(14) 및 Pham(15))과 비교 검토하기 위하여 각 모델을 Basic 및 Microsoft Excel 97(Version 7.0) 프로그램으로 계산 처리하였다.
여기서 무차원수의 집단은 Ti, Ta, h, D의 실험조건으로 구성되며, 이와 같은 실험인자에 의하여 동결시간을 예측할 수 있는 간편한 모델을 모색하기 위하여 동결시간의 증가요소인 시료의 초기온도(XD, 시료의 두께 (X3)와 동결 시간의 감소요소인 시료의 초기 빙결점에서 동결매체 온도 사이의 차의 역수 (XQ 및 표면 열전달계수의 역수 (XQ를 독립변수로 하고 동결시간(Y)을 종속변수로 설정하여 Table 4의 실험적 데이타를 이용하여 통계 소프트웨어인 SAS (statistical analysis system, version 6.11)을 사용하여 다중회귀 분석을 실시하였다. 다중회귀 분석에서 독립변수는 변수선택법 중 R2 선택법을 이용하여 적정 독립변수를 선정하였다.
이론/모형
이를 위해 열확산율은 항온 조에서 시간에 따른 온도변화를 연속 측정하여 curve htting법을 이용하였다. 그리고 수분은 상압가열 건조법으로 측정하였다.
11)을 사용하여 다중회귀 분석을 실시하였다. 다중회귀 분석에서 독립변수는 변수선택법 중 R2 선택법을 이용하여 적정 독립변수를 선정하였다. 그 결과 식(8)과 같은 방정식을 얻었다.
시료의 빙결점은 동결 기작 중의 중요한 인자의 하나로서 최적 동결조건 설정에 대단히 중요시되고 있으며 빙결 점을 전후하여 식품의 물성이 크게 변하므로 중요한 의미를 갖는다. 따라서, 본 연구에서는 Beckmann에 의한 빙결점 측정법을 적용하여 직접 측정하였다. 즉, 수용액을 냉각하면 온도가 내려가고 빙결점 이하로 되어도 빙결하지 않는 과냉각 현상이 나타난다.
그리고, 열전도도를 추정하기 위해 열확산율을 측정하여 k = a · p · Cp 식(여기서 a= 열확산율(m1/hr), 0 =밀도(kg/m1), Cp= 비열(J/m'℃))으로 산출하였다. 이를 위해 열확산율은 항온 조에서 시간에 따른 온도변화를 연속 측정하여 curve htting법을 이용하였다. 그리고 수분은 상압가열 건조법으로 측정하였다.
일반적으로 고체식품 및 점도가 높은 식품의 전열은 대부분 전도에 의한 전열로서, 여기에 관여하는 비열 및 밀도는 비교적 추정 및 측정이 쉬우나 열전도도는 측정이 용이하지않으므로 Fig. 1과 같은 측정장치를 제작하여 curve fitting법 (8)으로 열확산율을 구하므로써 열전도도를 추정하였다. 먼저, 열확산율 측정장치의 보정을 위해 -5℃~6℃와 -17℃ ~ -18℃에서 얼음의 시간에 따른 온도변화를 측정하여 구한 측 정치와 비교 검토하였다.
동결전의 중량으로 구하였다. 초기빙결점은 Beckmann 법(9)에 의해, 표면열전달계수는 Creed와 James(lO)의 총괄 열전달 계수의 산출을 위한 transient temperature method를 적용하였고, 비열은 빙결점 이상의 온도에서는 Siebel 및 Kong의 실험식(8)에 의해, 빙결점 이하의 온도에서는 Yano 및 Kong 의 실험식(8)으로 산정하였으며, 잠열은 Wookich(ll)의 실험식으로, 동결동안 제거되는 전열량은 시료의 초기온도와 최종동결온도 사이의 total enthalpy차를 이용하여 산출하였다. 그리고, 열전도도를 추정하기 위해 열확산율을 측정하여 k = a · p · Cp 식(여기서 a= 열확산율(m1/hr), 0 =밀도(kg/m1), Cp= 비열(J/m'℃))으로 산출하였다.
성능/효과
나타내었다. Table 5에서 보는 바와 같이 본 실험에 사용한 시료는 Pham 과 Hung & Thompson의 모델에서 평균 절대 온도 차가 10% 수준으로 나타났으나, Qeland & Erie의 모델은 여러가지 경험적 방법 및 현열을 포함하지 않은 상태에서 계산되기 때문에 13%이상의 오차가 발생한 것으로 나타났다. 한편, 본연구에서 제안한 식(8)은 Fig.
0℃일 때 약 50% 이상, -10℃일 때 약 75%이상, -25℃일 때 약 90% 수준을 나타내었다. 그리고, 동결에 의한 체적변화를 살펴본 결과, 순수한 물이 동결하여 o℃ 의 얼음으로 상 변화될 때, 미동결 시의 체적을 기준으로 8.75%정도 팽창하므로 물이 주성분인 신선식품을 동결시키면 체적은 당연히 팽창하게 될 것이다. 따라서 본 실험에서는 김치를 대상으로 동결중의 체적변화를 살펴보기 위하여 에틸 알콜을 저온매체로 사용하여 측정한 결과, Fig.
75%정도 팽창하므로 물이 주성분인 신선식품을 동결시키면 체적은 당연히 팽창하게 될 것이다. 따라서 본 실험에서는 김치를 대상으로 동결중의 체적변화를 살펴보기 위하여 에틸 알콜을 저온매체로 사용하여 측정한 결과, Fig. 5에서 보는 바와 같이 김치의 밀도는 20℃전후에 1001.9±0.03 kg/m'이 온도가 낮아짐에 따라 체적이 증가하여 -20±1.0℃에서 987.0 ±0.07 kg/m'으로 나타났으며, 이 때의 체적변화는 4.67% 증가하였다. 한편, 동결 시간 예측을 위해 적용할 열물성치는 Table 3에 나타낸 바와 같다.
9632) 의 방정식을 구하였다. 이 식은 기존의 모델에 비해 측정치와 예측치가 비교적 유사한 것으로 나타났으며, 평균 절대오차도 10% 수준이었다.
T,는 동결할 시료의 초기온도로써 Plank 방정식을 이용한 동결시간 예측모델에서는 초기온도에 대한 인자는 의 가정 때문에 무시되어 왔기 때문이다. 이러한 결과로 인하여 실험인자로 해석할 때, Plank 방정식에 의해 예측한 시간은 상당한 차이가 있음을 보여 주었다. 한편, Plank 방정식 은 식(2)와 같은 무차원수의 형태로 나타낼 수 있다
이와 같이 하여 김치의 미동결 상태와 동결상태에서 의 열 확산율을 구하여 밀도 및 비열 값을 대입하므로써 산출한 열전도도의 계산 결과를 Table 2에 나타내었다. 표면열전달계수는 냉각매체온도에 따라 변하는 시료의 표면온도를 직접 측정하여 반대수 그래프에 냉각시간과 무차원온도를 plotting하므로써 얻은 기울기를 이용하여 Creed와 James의 transient temperature method로 표면열전달계수를 산출한 결과, 무포장 시에는 20.57W/m'℃, wrap포장 시는 16.11W/m1℃, wrap과 Al-foil로 포장한 경우에는 8.79W.m1℃로 계산되었다. 시료의 빙결점은 동결 기작 중의 중요한 인자의 하나로서 최적 동결조건 설정에 대단히 중요시되고 있으며 빙결 점을 전후하여 식품의 물성이 크게 변하므로 중요한 의미를 갖는다.
참고문헌 (16)
구영조, 정진웅, 김인호, 홍석인 (1999) 김치의 보존성향상을 위한 동결 및 해동 기술개발. 한국식품개발연구원, E1496-9907, 15-35
Jeong, J.W. (1989) Freezing time prediction of slab shapefoodstuffs by modification of plank's equation. Ph. D.Thesis, National Fisheries Univ. of Pusan, Korea
Henningson, R.W. (1967) Thermister cryoscopy in the foodindustry. Food Technol., 21, 28-31
Creed, P.G. and James, S.J. (1985) Heat transfer during thefreezing of liver in a plate freezer. J. Food Sci., 50,285-28
Woolrich, W.R. (1966) Specific and latent heat of foods inthe freezing zone. ASHRAE J., 43-47
Nagaoka, J., Takagi, S. and Hotani, S. (1955) Experimentson the freezing of fish in an air-blast freezer. Proc. 9th Int.Congr. Refrig., Paris, 4: 105-110
Cleland, A.C. and Earle, R.L. Freezing time prediction for foods a simplified procedure. Int. J. Refrig., 5, 134-140(1982)
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