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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 반응표면분석을 이용하여 포도 식초 제조 시 알코올 발효의 최적 조건을 찾아서 초산발효가 일어나기에 적합한 알코올 함량과 총산도를 제시하여 고품질 포도 식초를 생산하는데 기초자료로 활용하고자 하였다.
- 본 연구에서는 포도즙의 최적 알코올발효조건을 구하기 위하여 Minitab software의 Multiple Response Optimizer를 사용하였다. 종속변수 알코올함량(Y1)의 경우는 목적 값을 10%로 설정하였으며, 총산도(Y2)는 그 값이 최소화되는 것을 목적으로 하였다. 통계적으로 산출된 독립변수의 부호화된 최적값(coded value)은 당도(X1)가 -0.
제안 방법
- 발효 조건의 최적화는 MINITAB statistical software (Version 13, Minitab Inc., USA)의 Minitab program을 이용하여 각각의 반응변수에 대한 목표 값을 설정하여 그 범위를 만족시키면서 합성된 만족도(D)를 최대화하는 인자의 최적조합으로 결정하였다.
- 발효가 끝난 시료의 당도는 상온에서 당도계(model PAL-1, Atago Co., Ltd., Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였다. 알코올 함량은 포도발효액을 100 mL 취하여 냉각관이 연결된 증류기에서 가열하고 수기에 80 mL 이상의 알코올을 받아 증류수로 100 mL로 정용한 후 온도계와 주정계를 이용하여 측정한 후 Gay Lussac Table을 이용하여 15℃ 값으로 보정하였다.
- , Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였다. 알코올 함량은 포도발효액을 100 mL 취하여 냉각관이 연결된 증류기에서 가열하고 수기에 80 mL 이상의 알코올을 받아 증류수로 100 mL로 정용한 후 온도계와 주정계를 이용하여 측정한 후 Gay Lussac Table을 이용하여 15℃ 값으로 보정하였다.
- 포도즙의 발효에 영향을 미치는 당도(°Bx, X1), 교반속도(rpm, X2) 및 발효시간(hr, X3)은 독립변수(independent variables)로 설정하였으며(Table 1), 알코올함량(%, Y1)과 총산도(%, Y2)는 각각 종속변수(dependent variables)로 설정하였다(Table 1).
- 포도즙의 알코올 발효 시 당 농도와 교반속도, 발효시간이 알코올함량과 총산도에 미치는 영향을 알아보기 위해 반응표면분석을 이용하여 알코올발효 조건을 최적화하였다. 알코올함량은 10%, 총산도는 최소화되는 것을 목적으로 하여 알코올 발효조건을 최적화한 결과 19.
- 포도즙의 알코올발효에 대한 당도, 교반속도 및 발효시간이 미치는 영향을 알아보고 최적 발효조건을 설정하기 위하여 중심합성설계(Central composite design, CCD)를 이용하여 실험을 실시하였다. 포도즙의 발효에 영향을 미치는 당도(°Bx, X1), 교반속도(rpm, X2) 및 발효시간(hr, X3)은 독립변수(independent variables)로 설정하였으며(Table 1), 알코올함량(%, Y1)과 총산도(%, Y2)는 각각 종속변수(dependent variables)로 설정하였다(Table 1).
- 포도즙의 알코올발효에 대한 당도, 교반속도 및 발효시간이 미치는 영향을 알아보고 최적 발효조건을 설정하기 위하여 포도즙의 발효에 영향을 미치는 당도(°Bx, X1), 교반속도(rpm, X2) 및 발효시간(hr, X3)을 독립변수(independent variables)로, 알코올함량(%, Y1)과 총산도(%, Y2)를 각각 종속변수(dependent variables)로 설정하였다.
- 포도착즙액을 당도별(8.2, 13, 20, 27, 31.8oBx)로 준비하여 건조효모를 포도즙에 0.03%(w/v) 첨가하여 12시간 동안 전배양한 배양액을 총 담금량의 5%(v/v)씩 접종하여 항온배양기(25℃)에서 실험설계에서 설정된 발효시간 동안 알코올발효를 진행하였다.
대상 데이터
- 김천지방의 Campbell early종 포도를 농가로부터 구입하여 원료로 하여 제경, 수세 및 마쇄하여 껍질과 씨 등을 제거하고 착즙하였으며 착즙액을 실험재료로 사용하였다. 효모는 적포도주 발효용인 Saccharomyces cerevisiae fermivin 7013(DSM Food Specialties B.
- 김천지방의 Campbell early종 포도를 농가로부터 구입하여 원료로 하여 제경, 수세 및 마쇄하여 껍질과 씨 등을 제거하고 착즙하였으며 착즙액을 실험재료로 사용하였다. 효모는 적포도주 발효용인 Saccharomyces cerevisiae fermivin 7013(DSM Food Specialties B.V., The Netherlands)을 사용하였다.
데이터처리
- 반응표면회귀분석은 SAS program(SAS Institute Inc., USA, ver. 9.0)을 이용하였다(13). 이때 독립변수 Xi와 Xj에 대한 종속변수 Y(알코올 함량, 산도)는 다음과 같은 2차 회귀식으로 나타내었으며, β0는 상수이고, βi, βii, βij는 회귀계수이다.
이론/모형
- 본 연구에서는 포도즙의 최적 알코올발효조건을 구하기 위하여 Minitab software의 Multiple Response Optimizer를 사용하였다. 종속변수 알코올함량(Y1)의 경우는 목적 값을 10%로 설정하였으며, 총산도(Y2)는 그 값이 최소화되는 것을 목적으로 하였다.
성능/효과
- t-statistic에 근거하여 종속변수 Y1의 일차항(X1, X2, X3), 이차항(X12, X22, X32), 상호항(X1X2, X1X3, X2X3)의 계수와 유의성을 나타낸 결과(Table 3), X1, X3 및 X12항은 유의성이 인정되었으나(p<0.05), 상호항은 모두 유의하지 않는 것으로 나타났다.
- t-statistic에 근거한 종속변수 Y2의 일차항(X1, X2, X3), 이차항(X12, X22, X32), 상호항(X1X2, X1X3, X2X3)의 계수와 유의성을 나타낸 결과(Table 3), 일차항 중에서도 오직 X1항만이 유의성이 있는 것으로 나타났다(p<0.05).
- 각 독립변수가 Y1(알코올함량, %)에 미치는 영향을 그래프로 나타낸 결과(Fig. 1), 당도가 증가할수록 알코올함량은 급격히 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 Lee 등(11)의 참외의 알코올 및 초산발효 특성 모니터링 과정과 Son 등(14)의 매실을 이용한 알코올발효의 최적화 연구, 그리고 Lee 등(15)의 감자의 알코올발효 및 초산발효의 모니터링 연구에서 알코올함량의 변화는 당 함량이 높아짐에 따라 비례한다는 경향과 유사하였다.
- 이는 Lee 등(7)이 발효과정 중 총산도는 점차 감소한다는 보고와 다소 다른 경향이었으나 Lee 등(11)의 참외의 알코올발효에서 발효시간이 증가함에 따라 총산도가 증가한다는 보고와는 유사한 결과를 보였다. 교반속도가 높아질수록 총산도는 감소하였고, 발효시간이 증가할수록 총산도가 증가하였으나 당도에 의한 영향에 비하여 적은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 총산도에서도 비슷한 양상을 보여 발효 시의 교반속도나 발효시간보다는 초기 당도에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 88%로 통계적으로 예측된 결과와 거의 유사하였다. 따라서 본 실험에서 반응표면분석을 이용하여 설정한 알코올발효 최적조건 설정이 유효함을 증명하였다. 이는 Yook 등(17)이 초기 당도를 20°Bx로 하여 포도주를 발효한 결과, 발효 2주 후 11.
- 알코올 발효 시 포도즙의 당도가 증가할수록 알코올함량과 총산도는 증가하는 경향을 나타내었고, 교반속도는 알코올함량과 총산도에 큰 영향을 주지않는 것으로 나타났다. 또한 발효시간이 길어질수록 알코올 함량과 총산도가 증가하는 경향을 나타내었다.
- 또한 종속변수 Y1의 ANOVA(analysis of variance)의 결과에 의하면 이차항과 상호항은 유의하지 않으며, 특히 상호항의 경우 독립변수 간의 상호작용은 거의 없는 것으로 나타났다(p>0.1).
- 또한 교반속도에 대한 알코올함량의 그래프는 완만한 곡선을 보임으로써 이 조건은 알코올함량에 큰 영향을 주지 않는 것으로 사료된다. 발효시간은 증가할수록 알코올함량을 증가시키는 경향을 나타내었고 이때의 증가 속도는 시간이 지날수록 점차 둔화되었다. 이를 통해 알코올함량은 교반속도에는 큰 영향을 받지 않고, 초기 당도가 높을수록 그리고 발효시간이 길수록 알코올함량이 높아지며 그 중에서도 초기당도가 더 큰 영향을 주는 요인으로 나타났다.
- 67 hr이었다(Table 6). 상기의 최적조건에서 통계적으로 산출된 종속변수의 값은 알코올함량(Y1) 10.0%와 총산도(Y2) 0.86이다(Table 7). 이상의 모델조건을 검증하기 위하여 설정된 최적 조건을 이용해 실제 포도즙의 알코올발효 실증실험을 실시한 결과 발효액의 알코올함량이 10.
- 67시간 동안 발효시켰을 때 목적값에 가장 근접한 결과를 나타내었다. 알코올 발효 시 포도즙의 당도가 증가할수록 알코올함량과 총산도는 증가하는 경향을 나타내었고, 교반속도는 알코올함량과 총산도에 큰 영향을 주지않는 것으로 나타났다. 또한 발효시간이 길어질수록 알코올 함량과 총산도가 증가하는 경향을 나타내었다.
- 알코올함량은 10%, 총산도는 최소화되는 것을 목적으로 하여 알코올 발효조건을 최적화한 결과 19.98°Bx로 농축한 국내산 Campbell early 포도즙에 효모를 접종시킨 후 교반속도 104.1 rpm으로 89.67시간 동안 발효시켰을 때 목적값에 가장 근접한 결과를 나타내었다.
- 교반속도가 높아질수록 총산도는 감소하였고, 발효시간이 증가할수록 총산도가 증가하였으나 당도에 의한 영향에 비하여 적은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 총산도에서도 비슷한 양상을 보여 발효 시의 교반속도나 발효시간보다는 초기 당도에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 이는 Lee 등(16)이 딸기의 알코올 발효 특성 모니터링 연구에서 알코올 발효 시 산도는 발효시간보다 초기 당 함량에 더 많은 영향을 받는 요인으로 나타났다는 결과와 일치하였다.
- 발효시간은 증가할수록 알코올함량을 증가시키는 경향을 나타내었고 이때의 증가 속도는 시간이 지날수록 점차 둔화되었다. 이를 통해 알코올함량은 교반속도에는 큰 영향을 받지 않고, 초기 당도가 높을수록 그리고 발효시간이 길수록 알코올함량이 높아지며 그 중에서도 초기당도가 더 큰 영향을 주는 요인으로 나타났다. 이는 Lee 등(16)이 딸기의 알코올 발효 시 딸기의 초기농도가 발효시간과 발효온도보다 더 큰 영향을 준다는 보고와 Jeong 등(12)의 감식초 제조조건 중 알코올 발효 시 교반속도와 발효시간보다는 원료 감 당도에 주로 영향을 받는다는 결과와 비슷한 경향이었다.
- 86이다(Table 7). 이상의 모델조건을 검증하기 위하여 설정된 최적 조건을 이용해 실제 포도즙의 알코올발효 실증실험을 실시한 결과 발효액의 알코올함량이 10.1%, 총산도가 0.88%로 통계적으로 예측된 결과와 거의 유사하였다. 따라서 본 실험에서 반응표면분석을 이용하여 설정한 알코올발효 최적조건 설정이 유효함을 증명하였다.
- 포도는 2006년을 기준으로 우리나라 총 과실 재배면적 155,000 ha의 14%인 22,000 ha에서 재배되고 있다(1). 전체 생산량의 45.8%를 차지하는 경상북도를 비롯하여 충청북도와 경기도, 충청남도 등 우리나라 전역에 걸쳐서 재배가 가능한 과실이며, 그 중 Campbell early종은 1983년 전체 재배면적의 81.5%에서 1997년 66.3%로 감소하는 추세를 보였으나 여전히 주품종의 위치를 지키고 있다(1,2). Vitis labrusca종에 속하는 Campbell early종은 우리나라 기후조건에 매우 적합하고 향이 좋아서 주로 생과로 소비되고 있으며, 가공품으로 처리되는 포도는 전체 생산량의 7%정도이다(3,4).
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