[논문]두유박과 옥분 혼합물 압출성형 제조공정의 최적화

한규홍; 김병용

doi:10.3746/jkfn.2003.32.8.1270

두유박과 옥분 혼합물 압출성형 제조공정의 최적화
Optimization of the Extrusion Processing Conditions of Soymilk Residue and Corn Grits Mixture 원문보기

한국식품영양과학회지 = Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition, v.32 no.8, 2003년, pp.1270 - 1277

한규홍 (경희대학교 생명과학부 식품공학과) , 김병용 (경희대학교 생명과학부 식품공학과)

초록
AI-Helper

두유박과 옥분 혼합물의 압출성형물을 제조하기 위한 공정 조건의 위하여 스크류 속도 150∼250 rpm, 혼합물의 수분함량 20∼30%, 온도 100∼15$0^{\circ}C$의 조건에서 압출 성형하고, 반응표면분석법 (RSM)을 이용하여 최적 조건을 분석하였다. 공정 조건에 따른 팽화율에서는 스크류 속도가 높고 수분함량이 낮을수록 팽화가 크게 일어났고, 수분함량이 많을수록 용적 밀도를 높이는 것으로 나타났다. 절단강도의 경우 수분 함량에 따라 감소하다 증가하는 추세를 보여주었고, WSI는 스크류 속도와 수분함량에 WAI는 수분함량과 온도에 많은 영향을 받았다. 색도에서는 b＊ 값을 제외하고는 유의적인 차이를 보이지 않았다. 각 조건별 실험결과를 반응표면분석을 한 결과 팽화율과 용적 밀도, WSI, b＊ 값은 linear모델로 결정되었고, 절단강도와 WAI는 quadratic 모델이 유의성을 나타내었다. 압출 성형 공정의 최적화는 결정된 반응식과 반응표면 그래프를 이용한 결과 수치 최적화에서는 스크류 속도 250 rpm, 수분함량 22.43%, 온도 128.16$^{\circ}C$이었고, 모형적 최적화에서는 desirability가 0.727인 스크류 속도 250 rpm, 수분함량 22.43%, 온도 128.02$^{\circ}C$로 결정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The extrusion conditions of the soymilk residue and corn grits mixtures were optimized. The experiment was designed according to the D-optimal design of response surface methodology (RSM), which shows 18 experimental points including 4 replicates for three independent variables (screw speed, water content and die temperature). The responses variables such as bending force, expansion ratio, bulk density, water solubility index (WSI), water absorption index (WAI), and color values (L＊, a＊, b＊) were evaluated using response surface analysis. Expansion ratio and WSI decreased with increasing water content, whereas bulk density tended to increase with increasing water content. While greater screw speeds enhanced WSI and yellowness, higher moisture contents decreased the expansion ratio and WSI value. However, die temperature did not influence upon the response variables. The optimum extrusion conditions by numerical and graphical methods were similar: the screw speed, water content, and die temperature were 250 rpm, 22.43% and l28.16$^{\circ}C$ by the numerical method; 250 rpm, 22.43%, and 128.02$^{\circ}C$ by graphical method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

Canonical 모형의 수치 최적화(numerical optimization)와공정조건들에 대한 모형적 최적화(graphical optimization) 를 통하여 최적화를 위 한 스크류 속도, 혼합물의 수분함량, 온도를 선정하였고, 그 때의 점을 예측하였다. 수치 최적화는 canonical 모형을 근간으로 하는 모델의 계수에 각 반응에대 한 목표 범 위 (goal area)를 설 정하고 다음 식 에 의 하여 구하였다.
두유박과 옥분 혼합물의 압출성형물을 제조하기 위한 공정 조건의 위하여 스크류 속도 150〜250rpm, 혼합물의 수분함량 20〜30%, 온도 100〜 150°C의 조건에서 압출성 형 하고, 반응표면분석 법 (RSM)을 이용하여 최 적조건을 분석하였다. 공정 조건에 따른 팽화율에서는 스크류 속도가 높고 수분함량이 낮을수록 팽화가 크게 일어났고, 수분함량이 많을 수록용적 밀도를 높이는 것으로 나타났다.
28%) 것을 사용하였다. 두유박과 옥분은 50 : 50%의 비율로 혼합하여 각 수분함량의 조건에 맞게 수분을 첨가한 다음 압출성형을 하였다.
따라서 본 연구에서는 두유박과 옥분 혼합물의 압출성 형물 제조에 있어 반응표면 분석 법 (RSM)을 이용하여 압출성형 공정 의 스크류 회 전속도, 수분함량, 사출구 온도 등의 조건들에 따른 실험 계획을 설계하고, 압출성 형을 통하여 제조한 제품의 품질특성을 분석하여 최적조건을 구명하였다.
압출성 형 물을 제 조하기 위 한 독립 변 수로는 스크류 속도 150 〜250 rpm, 혼합물의 수분함량 20 〜30%, 사출구 온도를 100 〜 150°C로 설정하였으며, 상세한 실험조건은 Table 1과 같다. 또한, 공정조건들이 압출성형물에 대해 미치는 효과를 보기 위하여 종속변수로는 수분용해지수(WSI), 수분흡수지수(WAI), 팽화율, 용적밀도, 절단파손강도 및 색도를 사용하였다.
n은 response의 수이 다. 모형적 최적화는 각 반응에 대한 최소 혹은 최대 제한점을 결정하여 입력하였을 때 가능한 범위에서 그래프가 중첩되는 부분으로 구하였다.
압출성 형 물의 색 도 측정 은 Warring blender(Dynamic Corp., Hartford, USA)로 25 mesh 이하 30 mesh 이상의 가루로분쇄 한 후, 색 차계 (Color Techno System Corp., JC₈₀1, Tokyo, Japan)를 이용하여 L*(lightness), a*(redness), 그리고 b* (yellowness)값을 10회 측정한 뒤 평균값을 나타내었다.
압출성 형 물의 절 단파손강도는 Rheometer(Sun Co., CD- 200D, Tokyo, Japan)로 측정하였다. 원통형의 압출성형물 20개를 6 cm로 절단한 후 각각의 시료의 직경을 측정하고, 150 mm/min의 cross-head 속도로 압축하여 절단파손 강도를 측정하였다.
하여 발전시킨 방법을 사용하였다. 우선 본 연구의스크류 속도, 수분함량, 온도의 범위내에서 목적(goal)으로 하는 팽화율은 최대, WAI는 최소, b*값은 최대로 결정하고 (Table 4), 모델화에 의해 결정된 반응식을 이용하여 만족하는 수치 점 (numerical points 예측하였다. 예측된 최적값은스크류 속도 250 rpm, 수분함량 22.
, CD- 200D, Tokyo, Japan)로 측정하였다. 원통형의 압출성형물 20개를 6 cm로 절단한 후 각각의 시료의 직경을 측정하고, 150 mm/min의 cross-head 속도로 압축하여 절단파손 강도를 측정하였다.
팽화율은6 cm의 원통형 압출성 형물 10개의 직 경을 측정한 후 압출성 형 기 사출구의 지름에 대한 비율로 측정하여 평균값을 구하였고(12), 용적밀도는 각 압출성형물의 무게에대한 부피를 나누어 계산하였다(13).

대상 데이터

본 연구에 사용한 두유박(수분 3.4%, 조단백질 38.24% 조지 방 16.17%, 조회 분 4.19%)은 (주) 정식 품에서 두유 제 조시 얻어지는 부산물을 수집한 즉시 에 저장하면서 사용하였고, 옥분은 (주) 신안식 품의 (bulk density 0.74 g/mL, 수분함량 10.28%) 것을 사용하였다. 두유박과 옥분은 50 : 50%의 비율로 혼합하여 각 수분함량의 조건에 맞게 수분을 첨가한 다음 압출성형을 하였다.
본 연구에 이용한 압출성 형 장치는 동방향 쌍축압출성 형 7](model IHM 30 TWIN, 인천기 계, 한국)로서 스크류는 완전 맞물림형이다(스크류 직경: 31.0 mm, 사출구 직경: 4.0 mm, 모터 용량: 7.5 HP). 원료 투입 속도는 0.

이론/모형

수분용해 지 수(WSI)는 Anderson의 방법 (14)에 따라 분쇄한 시료 2.5 g에 물 40 mL를 가하여 상온에서 1시간 동안교반한 후 3, 000 rpm으로 10분간 원심 분리 하였다. 상등액을분리하고 남은 압출성 형물에 포함된 수분 함량과 원래의 압출성형물의 무게비를 수분흡수지수(WAI)로 하였으며, 상등액 10 mL를 취 하고 수분 칭 량병 에 넣어 105°C에서 4시 간 동안 건조하여 측정한 다음 식으로 WSI를 결정하였다.
압출성형 공정의 최적화 접근은 Derringer와 Suich(16)를근원으로 하여 발전시킨 방법을 사용하였다. 우선 본 연구의스크류 속도, 수분함량, 온도의 범위내에서 목적(goal)으로 하는 팽화율은 최대, WAI는 최소, b*값은 최대로 결정하고 (Table 4), 모델화에 의해 결정된 반응식을 이용하여 만족하는 수치 점 (numerical points 예측하였다.
압출성형 공정이 두유박과 옥분 혼합물에 미치는 영향을 살펴 보기 위 하여 반응표면분석 법 의 D-optimal design을 이용하여 실험디자인을 하였다. 압출성형의 공정 변수인 스크류 속도, 수분함량, 온도를 각각 150〜250 rpm, 20〜30%, 100 〜 150°C로 설정하여 디자인하였을 때 18개의 실험점과 4개의 반복점이 설정되었다.
압출성형의 공정 최적화는 D-optimal designC⑸에 따라 설계하였고, 모든 실험의 design 및 data 분석을 위하여 De sign Expert 6(Stat-Easy Co., Minneapolis)를 사용하였다. 압출성 형 물을 제 조하기 위 한 독립 변 수로는 스크류 속도 150 〜250 rpm, 혼합물의 수분함량 20 〜30%, 사출구 온도를 100 〜 150°C로 설정하였으며, 상세한 실험조건은 Table 1과 같다.

성능/효과

색도에서는 b*값을 제외하고는 유의적인 차이를 보이지 않았다. 각 조건별 실험 결과를 반응표면분석을한 결과 팽화율과 용적 밀도, WSI, b*값은 linear 모델로 결정되 었고, 절단강도와 WAI는 quadratic 모델이 유의성을 나타내었다. 압출성형 공정의 최적화는 결정된 반응식과 반응표면 그래프를 이용한 결과 수치 최적화에서는 스크류 속도 250 rpm, 수분함량 22.
분석하였다. 공정 조건에 따른 팽화율에서는 스크류 속도가 높고 수분함량이 낮을수록 팽화가 크게 일어났고, 수분함량이 많을 수록용적 밀도를 높이는 것으로 나타났다. 절단강도의 경우 수분함량에 따라 감소하다 증가하는 추세를 보여주었고, WSI는 스크류 속도와 수분함량에 WAI는 수분함량과 온도에 많은영향을 받았다.
2). 공정이 용정밀도에 미치는기여도를 본 trace plot에서는 수분함량(B-B선)이 증가할수록 용적밀도를 높이고, 스크류 속도(A-A선)와 온도(C-C선) 가 증가할수록 용적밀도를 낮추는 것으로 나타났다. 이는 스크류 속도와 온도가 증가 할수록 기 계적 에너 지와 열 에너지를 증가시 켜 압출성형 물의 호화를 많이 일으키기 때문인 것으로 사료된다(21).
3), trace plot에 나타난 결과 역 시 수분함량(B-B 선)이 증가할수록 절단강도가 감소하다 증가하는 추세를 보여주고 있다. 또한 스크류 속도(A-A선)가 증가할수록 절단 강도는 감소되고, 온도(C-C선)가 증가할수록 절단강도는 증가되 고 있지 만, 각 공정 변수의 독립 적 인 작용보다는 상호작용을 통하여 절단강도가 결정됨을 알 수 있다.
7에 나타내었다. 수치 최적화(numerical optimization) 과 달리 각 반응 모형 그래프의 중첩되는 범위를 최대의 de- sirability로 나타내었는데, 0.453 〜 0.727의 반응표면을 보여주었다. 이 때 결정된 최적화 점으로는 desirability 0.
압출성 형물의 팽화는 공정 조건과 원료 물질의 구성 에 따라 달라지는데(17), 두유박과 옥분의 비율을 같이한 본 연구에서는 스크류 속도 150 rpm, 수분함량 20%, 온도 100°C일 때 팽 화율이 가장 높았고, 각 공정 조건에 따라 0.81 〜 1.64의 범위를 보여주었다(Table 2). 압출성형의 공정에 따라 스크류 속도가 높고 수분함량이 낮을수록 팽화가 크게 일어났는더〕, 이는 원료의 점도가 감소되어 압출 후 수분증발이 쉽게일어났기 때문이다(18).
각 조건별 실험 결과를 반응표면분석을한 결과 팽화율과 용적 밀도, WSI, b*값은 linear 모델로 결정되 었고, 절단강도와 WAI는 quadratic 모델이 유의성을 나타내었다. 압출성형 공정의 최적화는 결정된 반응식과 반응표면 그래프를 이용한 결과 수치 최적화에서는 스크류 속도 250 rpm, 수분함량 22.43%, 온도 128.16°C이 었고, 모형적 최적 화에서는 desirability가 0.727인 스크류 속도 250 rpm, 수분함량 22.43%, 온도 128.02°C로 결정되었다.
우선 본 연구의스크류 속도, 수분함량, 온도의 범위내에서 목적(goal)으로 하는 팽화율은 최대, WAI는 최소, b*값은 최대로 결정하고 (Table 4), 모델화에 의해 결정된 반응식을 이용하여 만족하는 수치 점 (numerical points 예측하였다. 예측된 최적값은스크류 속도 250 rpm, 수분함량 22.43%, 온도 128.16°C이 었다. 최적화 접근의 다른 방법으로 팽화율과 WAI, b*값의 반응 모형 을 이용한 모형 적 최 적 화(graphical optimization)는 Fig.
용적 밀도 역 시 스크류 속도(A), 수분함량(B)와 온도(C)가 독립적으로 작용하는 linear 모델0亍=0.9742)이 결정되었고, 모델 성립에 관한5% 이내의 유의성에 만족하였다(p<0.0001).
6에 나타내었다. 전체적으로 압출성 형물의 색도는 공정 조건에 따라 뚜렷한 차이 를 보이 지 않아 L*값의 경 우 quadratic 모델(R2=0.5597), a*값의 경우 2FI 모델(R、0.4623) 모두 유의성을 보여주지 않았다. 다만 황색도를 나타내는 b*값이 <0.
절단강도에 대한 반응표면 곡선에서는 수분함량이 많을수록 높은 강도를 보이 다가 22〜 26%일 때 낮은 강도를 보여 주었고(Fig. 3), trace plot에 나타난 결과 역 시 수분함량(B-B 선)이 증가할수록 절단강도가 감소하다 증가하는 추세를 보여주고 있다. 또한 스크류 속도(A-A선)가 증가할수록 절단 강도는 감소되고, 온도(C-C선)가 증가할수록 절단강도는 증가되 고 있지 만, 각 공정 변수의 독립 적 인 작용보다는 상호작용을 통하여 절단강도가 결정됨을 알 수 있다.
공정 조건에 따른 팽화율에서는 스크류 속도가 높고 수분함량이 낮을수록 팽화가 크게 일어났고, 수분함량이 많을 수록용적 밀도를 높이는 것으로 나타났다. 절단강도의 경우 수분함량에 따라 감소하다 증가하는 추세를 보여주었고, WSI는 스크류 속도와 수분함량에 WAI는 수분함량과 온도에 많은영향을 받았다. 색도에서는 b*값을 제외하고는 유의적인 차이를 보이지 않았다.
5)을 통하여 볼 때, 스크류 속도보다는 수분함량과 온도가 WAI에 많은 영 향을주었다. 즉, 수분함량이 25〜27%, 온도가 120〜 되는부근에서 최소값을 보여주었고, 다시 수분함량과 온도가 증가할수록 WAI값도 증가하였다. 이 는 강낭콩을 압출성 형 할때 110°C에서 132°C로 증가할수록 WAI가 증가하다가 150 °C까지는 WAS 감소한다는 Gujska와 Khan의 연구(24)와상반된 결과를 보여주었지만, 단일 성분이 아닌 혼합물로 인하여 나타나는 결과로 사료된다.
즉, 팽화에 대해서는 스크류 속도(A), 수분함량(B), 온도 (C)에 각각 독립적으로 영향을 받는 linear 모델(1^=0.9115) 이 선택되었으며, 5%이내의 높은 유의성을 보여 모델의 성립을 보여주었다. Aguilera와 Kosikowski(19)는 식품의 압출성형에서 90% 이상이 2차 모델식에 적용된다고 하였지만, 실제 원료와 공정 조건에 따른 모델 적용을 해야 되는 것으로판단된다, 선택된 모델에 대한 반웅표면과 trace plot은 Fig.

후속연구

즉. 스크류 속도, 성형 및 압출온도, 원료의 수분함량 등의 조건에 따라 제품의 품질이 결정되기 때문에 원하는 최적 제품을 가공하기 위한 각 공정 조건의 최적화는 필요하고, 이러한 공정 최적화에는 실험계획법에 의한 통계적인 분석을 통해서 이루어져야만 한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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