플라스틱 용기 포장 두부의 유통기간 예측을 위한 3차원 수치모사 Three Dimensional Mathematical Simulation for Predicting the Shelf Life of Tofu Packaged in a Semi-rigid Plastic Container원문보기
포장된 두부의 유통기간 중 두부 포장재를 통해 유입되는 산소량에 따른 두부 및 충진수에 미생물 성장률을 기준으로 두부의 유통기간을 예측하고자 하였다. 미생물 균의 성장 및 두부 포장재를 통해 유입된 산소량의 변화를 3차원적 수치 묘사의 수학적 모델로 정량적으로 예측하였으며, 이를 위해 산소의 확산 메커니즘 원리를 고려한 유한차분해석법을 적용하여 개발하였다. 3차원적 수치묘사의 수학적 모델을 통한 예측 결과는 미생물의 수가 두부 제품보다 충진수에 더 높은 것으로 나타났다. 따라서 포장된 두부의 유통기간은 두부 제품의 미생물 수뿐만 아니라 충진수의 미생물 수에도 영향을 끼치리라 예측된다. 두부 제품의 물리적 특성, 적용된 포장재의 산소투과율 및 충진수의 깊이 등에 따라 포장된 두부의 유통기간에 영향을 주는 것을 관찰하였다.
포장된 두부의 유통기간 중 두부 포장재를 통해 유입되는 산소량에 따른 두부 및 충진수에 미생물 성장률을 기준으로 두부의 유통기간을 예측하고자 하였다. 미생물 균의 성장 및 두부 포장재를 통해 유입된 산소량의 변화를 3차원적 수치 묘사의 수학적 모델로 정량적으로 예측하였으며, 이를 위해 산소의 확산 메커니즘 원리를 고려한 유한차분해석법을 적용하여 개발하였다. 3차원적 수치묘사의 수학적 모델을 통한 예측 결과는 미생물의 수가 두부 제품보다 충진수에 더 높은 것으로 나타났다. 따라서 포장된 두부의 유통기간은 두부 제품의 미생물 수뿐만 아니라 충진수의 미생물 수에도 영향을 끼치리라 예측된다. 두부 제품의 물리적 특성, 적용된 포장재의 산소투과율 및 충진수의 깊이 등에 따라 포장된 두부의 유통기간에 영향을 주는 것을 관찰하였다.
In this research, three dimensional mathematical models were developed to predict the shelf life of tofu packaged in a semi-rigid plastic container. A model combining oxygen transfer through the package and oxygen consumption within the package was considered. According to the results, the model sim...
In this research, three dimensional mathematical models were developed to predict the shelf life of tofu packaged in a semi-rigid plastic container. A model combining oxygen transfer through the package and oxygen consumption within the package was considered. According to the results, the model simulations estimated that the number of microorganisms in the filled water was higher than that in the tofu, suggesting the shelf life of packaged tofu was not affected by the number of microorganisms in the tofu product, but rather by the number of organisms in the filled water. Additionally, the effects of the physical properties of the packaging material, such as oxygen permeability through the package, oxygen diffusion coefficient, the initial oxygen concentration in the filled water, and the depth of the filled water in the packaged tofu, were also observed.
In this research, three dimensional mathematical models were developed to predict the shelf life of tofu packaged in a semi-rigid plastic container. A model combining oxygen transfer through the package and oxygen consumption within the package was considered. According to the results, the model simulations estimated that the number of microorganisms in the filled water was higher than that in the tofu, suggesting the shelf life of packaged tofu was not affected by the number of microorganisms in the tofu product, but rather by the number of organisms in the filled water. Additionally, the effects of the physical properties of the packaging material, such as oxygen permeability through the package, oxygen diffusion coefficient, the initial oxygen concentration in the filled water, and the depth of the filled water in the packaged tofu, were also observed.
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문제 정의
본 연구에서는 일반 직육면체 형태의 두부를 선정하여 공기중의 산소가 포장재를 통과하고 포장재 내의 충진수 안으로 이동하면서 충진수 내의 호기성 미생물에 의해서 산소가 소모되면서 미생물이 성장하여 그 수가 증가하는 현상을 삼차원으로 해석한 수학모델을 발전시켜 산업체에서 식품의 보관수명을 예측하고 포장을 설계할 수 있는 수학 모델 프로그램을 개발시키는데 목적이 있다.
포장된 두부의 유통기간 중 두부 포장재를 통해 유입되는 산소량에 따른 두부 및 충진수에 미생물 성장률을 기준으로 두부의 유통기간을 예측하고자 하였다. 미생물 균의 성장 및 두부 포장재를 통해 유입된 산소량의 변화를 3차원적 수치 묘사의 수학적 모델로 정량적으로 예측하였으며, 이를 위해 산소의 확산 메커니즘 원리를 고려한 유한차분해석법을 적용하여 개발하였다.
가설 설정
1) 포장의 외부 온도는 일정하다.
6) 미생물의 수는 없어진 산소의 양에 따라 1차원으로 증가한다.
7) 두부 안에서의 산소확산은 두부의 공극 안에 있는 수분에 의해서만 확산된다.
대부분의 수학적 모델이 공기중의 수분이나 산소가 포장재를 통과하고 포장재 내와 포장된 식품이나 의약품 안으로 이동하는 현상을 정상상태로 가정하였고, 제품 내에서의 화학반응을 고려치 않았으며, 일차원 모델이었다. 그러나 실제현상은 공기중의 수분이나 산소가 포장재를 통과하고 포장재 내와 포장된 식품이나 의약품 안으로 이동하는 현상은 비정상상태이고 통과된 수분이나 산소는 제품 내에서 화학반응을 일으켜 실제 이동되는 수분이나 산소의 양이 줄어들면서 제품 내로 이동하고 대부분이 x-, y-, z- 방향의 삼차원으로 이동하고 있다.
제안 방법
Micro oxygen electrodes(3 mm tip diameter, model MI 730, Microelectrodes Inc., Londonderry, NH, USA)를 사용하여 상온 조건에서 두부 포장 제품에 용해되어 있는 초기 용존산소를 측정하였다. 각 측정값은 연결된 OM4 oxygen meter(Microelectrodes Inc.
, Londonderry, NH, USA)를 사용하여 상온 조건에서 두부 포장 제품에 용해되어 있는 초기 용존산소를 측정하였다. 각 측정값은 연결된 OM4 oxygen meter(Microelectrodes Inc., Londonderry, NH, USA)에 의하여 산소농도, atm 또는 percent 값으로 나타냈으며 측정 electrodes는 100% N2 gas로 표준 calibration하였다.
포장된 두부의 유통기간 중 두부 포장재를 통해 유입되는 산소량에 따른 두부 및 충진수에 미생물 성장률을 기준으로 두부의 유통기간을 예측하고자 하였다. 미생물 균의 성장 및 두부 포장재를 통해 유입된 산소량의 변화를 3차원적 수치 묘사의 수학적 모델로 정량적으로 예측하였으며, 이를 위해 산소의 확산 메커니즘 원리를 고려한 유한차분해석법을 적용하여 개발하였다. 3차원적 수치묘사의 수학적 모델을 통한 예측 결과는 미생물의 수가 두부 제품보다 충진수에 더 높은 것으로 나타났다.
포장두부의 충진수 깊이별로 저장시간에 따른 산소농도 변화를 모델화하여 관찰하였다. Fig.
포장시스템의 물리적 성질인 포장재의 산소투과도, 충진수 내의 확산계수, 초기농도, 충진수의 깊이 등이 보관수명에 미치는 영향을 Table 1에 나타난 수치들을 기준 값으로 하고 수치 묘사하려는 물리적 성질의 값을 변화시키면서 관찰하였다. 포장재 특성에 따른 각각 다른 산소투과도를 고려하여 4.
대상 데이터
두부의 주요 부패 미생물 중 산소에 영향을 받는 호기성 박테리아인 Acinetobacter calcoaceticus var. anitrat을 본 연구의 주요 대상으로 삼았다. 저장기간 중 이 미생물의 안정성은 그 기준을 KS기준인 일반세균 105 CFU/g 이하로 하였다.
본 실험의 모델로 사용된 시료는 풀무원 사각두부 포장 제품(10×10×5 cm, 서울, 한국) 및 두부의 크기는 8×8×4 cm로 충진수가 채워진 제품을 기준으로 적용하였다.
본 실험의 모델로 사용된 시료는 풀무원 사각두부 포장 제품(10×10×5 cm, 서울, 한국) 및 두부의 크기는 8×8×4 cm로 충진수가 채워진 제품을 기준으로 적용하였다. 부패균인 호기성 박테리아 Acinetobacter calcoaceticus의 Kinetic reaction rate constant (K)는 Srivastava 등(8)의 모델 연구의 데이터를 사용하였다. 충진수의 산소 확산계수 및 용해도 수치는 Kim 등(9)에 의해 측정된 계수를 사용하였다.
이론/모형
수학적 모델 개발을 위하여 프로그램은 유한 차분 해석법(Finite difference methods)을 적용하였으며, Fortran 언어(FORTRAN Powerstation 4.0, Standard Edition, Microsoft Cor. Redmond WA, USA)로 작성하였다. 컴퓨터 프로그램을 위한 flow chart는 Fig.
이와 함께 두부 부패균의 최대 증식속도상수, 온도 및 초기 균 수에 따른 두부 보관수명에 미치는 영향은 Shin(12)이 선정한 Gompertz 변형에 의해 두부 부패균의 성장 예측모델에 적용하여 유통기간을 예측하였다. 그 결과 Acinetobacter calcoaceticus 두부 부패세균의 경우 초기 균수는 최대 증식속도 상수에 큰 영향을 끼치지 않으며 온도에 의해 지배적인 영향을 받는다고 보고하였다.
부패균인 호기성 박테리아 Acinetobacter calcoaceticus의 Kinetic reaction rate constant (K)는 Srivastava 등(8)의 모델 연구의 데이터를 사용하였다. 충진수의 산소 확산계수 및 용해도 수치는 Kim 등(9)에 의해 측정된 계수를 사용하였다.
성능/효과
4에 나타내었다. 12시간 동안의 부패균 성장을 예측한 결과 충진수에서 부패균에 의해 소모된 산소농도가 0.38 mg/mL, 그리고 고형 두부에서 부패균에 의해 소모된 산소농도는 0.07 mg/mL로 충진수에서 소모된 산소량이 두부에서 소모된 산소농도보다 약 5배 이상 높은 것을 알 수 있다. 이 결과는 충진수의 부피가 더 작음에도 불구하고 미생물에 의해서 산소가 더 많이 소모되었으며, 외부 환경으로부터 두부 포장을 통해 들어오는 산소의 양이 두부보다 충진수에 더 많이 용해되어 있어 충진수의 산소가 더 많이 소비된 것을 알 수 있다.
2) 포장재질의 산소투과도 및 충진수와 두부 내 산소의 확산계수는 온도에 의해서만 영향을 받는다.
3) 포장된 두부 및 외포장 형태는 3차원 육면체모양의 형태를 가진다.
미생물 균의 성장 및 두부 포장재를 통해 유입된 산소량의 변화를 3차원적 수치 묘사의 수학적 모델로 정량적으로 예측하였으며, 이를 위해 산소의 확산 메커니즘 원리를 고려한 유한차분해석법을 적용하여 개발하였다. 3차원적 수치묘사의 수학적 모델을 통한 예측 결과는 미생물의 수가 두부 제품보다 충진수에 더 높은 것으로 나타났다. 따라서 포장된 두부의 유통기간은 두부 제품의 미생물 수뿐만 아니라 충진수의 미생물 수에도 영향을 끼치리라 예측된다.
4) 충진수내 미생물의 수는 시간에 따라 변화하나 위치에 따라서는 균일하다.
5) 미생물수의 증가는 산소농도에 1차원으로 비례한다.
따라서 포장된 두부의 유통기간은 두부 제품의 미생물 수뿐만 아니라 충진수의 미생물 수에도 영향을 끼치리라 예측된다. 두부 제품의 물리적 특성, 적용된 포장재의 산소투과율 및 충진수의 깊이 등에 따라 포장된 두부의 유통기간에 영향을 주는 것을 관찰하였다.
본 연구의 시스템 조건에서 충진수 내의 확산계수(D)가 2.1×10−6 cm2/sec보다 크면 확산계수 크기의 영향은 크지 않았다.
07 mg/mL로 충진수에서 소모된 산소량이 두부에서 소모된 산소농도보다 약 5배 이상 높은 것을 알 수 있다. 이 결과는 충진수의 부피가 더 작음에도 불구하고 미생물에 의해서 산소가 더 많이 소모되었으며, 외부 환경으로부터 두부 포장을 통해 들어오는 산소의 양이 두부보다 충진수에 더 많이 용해되어 있어 충진수의 산소가 더 많이 소비된 것을 알 수 있다.
저장 중 포장 두부에서 생성된 부패균의 생균수를 Fig. 5에서 비교해 보면 12시간 후의 충진수에서 5.80 CFU/g의 균수를 예상할 수 있었으며 충진수 안에서 증가한 미생물의 수가 고형 두부 안에서 보다 많음을 알 수 있었다. 고형 두부에서도 비례적으로 균수의 증가를 볼 수 있었으나 충진수에 비해 상대적으로 증식된 미생물 수가 낮음을 보여주고 있다.
6 atm · mL/mg의 값으로 각각 적용하였다. 적용 상수수치의 값은 모델 프로그램 계산을 위하여 외부로부터 포장재에 투과된 산소농도에 상관하여 미생물의 성장을 고려한 수치 묘사에 지배적인 영향을 가지는 요소로 나타났다.
충진수와 고형 두부 공극내 수분에서의 산소농도 분포값을 비교했을 때 충진수의 부피가 고형 두부 공극내 수분보다 작음에도 불구하고 충진수내 미생물에 의해서 산소가 더 많이 소모되었다. 이것은 포장재 외부로부터 들어오는 산소 분자가 고형 두부 공극내 수분보다 충진수에 더 많은 양으로 용해되어 결과적으로 충진수에서서 산소가 더 많아서 미생물 성장에 영향을 주게 된다.
후속연구
따라서 식품의 변함 없는 고른 고품질을 강조하는 현 추세에 비추어, 포장된 식품의 유통 중 품질특성 변화를 예측할 수 있는 수학적 모델이 필요하게 되었다. 실험을 최소한으로 줄이면서 식품이나 의약품의 보관수명을 예측하고 포장을 설계할 수 있다면 이는 산업체에 커다란 도움이 되리라 사료된다. 이와 같은 이유로 식품 및 의약품의 보관수명을 예측하기 위해 많은 수학적 모델이 개발되어 왔다(3,4).
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Acinetobacter calcoaceticus var. anitrat과 Klebsiella pneumoniae속에 포함된 균이 두부의 보관수명을 결정할 것으로 예상하는 이유는?
는데, 이들의 유통기한은 판두부와 온두부가 1일이며 새로운 형태인 포장두부의 경우도 10℃ 냉장조건에서 3일로 제한되어 있고(6), 실제로도 유통 4일 경과시 두부 내의 미생물이 104-106개에 이르러 건강에 치명적으로 되므로 식품의 안전성 측면에서 제품의 보관 수명을 좀더 연장할 수 있는 제품과 새로운 포장방법 및 설계의 개발이 요구되는 상황이다. 주로 품질 변화에 영향을 주는 두부의 부패 원인균은 주로 Acinetobacter calcoaceticus var. anitrat와 Klebsiella pneumoniae의 subgroup인 pneumoniae가 주종을 이루며, 실제 두부포장에서 외부공기와 접촉되지 않고, 곰팡이 등의 오염이 문제가 되기 이전에 일반세균의 증식이 문제가 되므로 효모와 곰팡이는 큰 의미를 가지지 않는다. 따라서 Acinetobacter calcoaceticus var.
식품에 있어서 보관수명에 가장 많은 영향을 미치는 요소는?
또한 산업체의 이익과 직결되는 문제이므로 식품업체에서는 이 보관수명을 늘리려고 새로운 기술 연구들이 활발히 이루어지고 있다(1). 특히 식품에 있어서 보관수명에 가장 많은 영향을 미치는 요소 중 하나가 포장이므로 식품업체에서는 포장설계에 많은 관심을 가지고 있다. 그러나 국내에는 아직 이 분야에 대한 연구가 거의 미흡한 실정이고 따라서 포장설계에 많은 애로점이 있다.
두부의 보관과 유통상 어려움은?
우리나라도 많은 양의 두류가 소비되고 있는데 우리의 식습관상 장류와 더불어 두부 등 제품으로 많이 이용되고 있다. 두부는 수분함량이 높고 고단백식품이나(5), 영양이 풍부해 쉽게 변질되므로 냉장고에 보관 하더라도 오래 보관하기 어려울 뿐만 아니라, 유통과정 중에서도 취급에 세심한 주의가 필요하다는 등의 결점이 있었다. 현재 유통되는 두부제품을 살펴보면 플라스틱 포장용기에 담겨져 외부에 노출되어진 채 유통되는 판두부와 뜨거운 쇠판에 담겨져 외부에 노출되어진 채 유통되는 온두부, 그리고 낱개로 플라스틱 포장에 충진수와 함께 포장되어 냉장 유통되는 포장두부 등이 있
참고문헌 (12)
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