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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 건조제품의 품질 개선을 위한 연구로 초임계 이산화탄소를 건조 전처리 방법으로 사용하여 사과절편의 색과 물성변화 및 갈변의 산화효소인 poly-phenol oxidase의 저해효과를 규명하여 새로운 공정개발의 기초 자료를 제공하고자 하였다.
제안 방법
- Rheometer(CR-10 D, Sun Scientific Co., Ltd., Tokyo, Japan)를 이용하여 각 전처리 조건에 따른 건조 사과절편 시료를 무작위로 5개를 선택하여 hardness와 springiness를 3회 반복 측정하여 나타내었다. Rheometer의 측정조건은 직경 5 mm의 원형 adapter를 사용하였고, 진입깊이는 2 mm, 테이블 이동속도는 60 mm/min로 하여 진입깊이까지 가해지는 compressive force(kgf/cm2)를 측정하였다.
- , Tokyo, Japan)를 이용하여 각 전처리 조건에 따른 건조 사과절편 시료를 무작위로 5개를 선택하여 hardness와 springiness를 3회 반복 측정하여 나타내었다. Rheometer의 측정조건은 직경 5 mm의 원형 adapter를 사용하였고, 진입깊이는 2 mm, 테이블 이동속도는 60 mm/min로 하여 진입깊이까지 가해지는 compressive force(kgf/cm2)를 측정하였다.
- Extraction vessel에 사과절편을 넣고, heating jacket의 전류를 제어하여 vessel의 온도를 조절하였으며, vessel의 압력은 CO2 pump를 이용하여 조절하였다. 사과절편 50 g을 vessel에 채운 다음, 전처리 온도(35℃, 45℃, 5℃)와 압력(15 MPa, 20 MPa, 25 MPa)을 조절하며 실험하였다. 초임계 이산화탄소를 전처리 압력까지 상승시키는 시간은 10분이었고, 정치법으로 20분 처리 후, 10분간 압력을 release하였다.
- 색도의 측정은 색차계(Chromameter, CR20, Minolta Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 전처리 조건에 따라 L값(lightness), a값(redness) 및 b값(yel owness)을 측정하였고, 전반적인 색차 ΔE는 아래 식으로 나타내었다.
- 초임계 이산화탄소를 전처리 압력까지 상승시키는 시간은 10분이었고, 정치법으로 20분 처리 후, 10분간 압력을 release하였다. 전처리가 끝난 시료는 70℃, 열풍건조기(EDO-L, Dae Rim Instrument Ltd., Tokyo, Japan)에서 30분마다 6시간 동안 건조하며 품질특성을 관찰하였다.
- 초임계 이산화탄소를 건조 전처리 방법으로 사용하여 사과의 품질변화를 관찰하고, polyphenol oxidase의 저해효과를 조사하였다. 색도의 경우 L, a, b값은 초임계 이산화탄소의 온도와 압력이 높을 때, 무처리구보다 변화가 적었다.
- 사과절편 50 g을 vessel에 채운 다음, 전처리 온도(35℃, 45℃, 5℃)와 압력(15 MPa, 20 MPa, 25 MPa)을 조절하며 실험하였다. 초임계 이산화탄소를 전처리 압력까지 상승시키는 시간은 10분이었고, 정치법으로 20분 처리 후, 10분간 압력을 release하였다. 전처리가 끝난 시료는 70℃, 열풍건조기(EDO-L, Dae Rim Instrument Ltd.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 사과는 약 260 g의 홍로 품종을 구입하여 4℃에 보관하면서 실험 때마다 박피, 제심하고 3×3×0.5cm로 절단하여 사용하였다.
- 5cm로 절단하여 사용하였다. 실험에 사용된 장치는 Fig. 1과 같이 자체 제작한 초임계 추출장치를 이용하였다. Extraction vessel에 사과절편을 넣고, heating jacket의 전류를 제어하여 vessel의 온도를 조절하였으며, vessel의 압력은 CO2 pump를 이용하여 조절하였다.
데이터처리
- a,bMeans with different superscripts on the bars are significantly different at p<0.05 by Duncan's multiple range test.
- a-hMeans with different superscripts on the bars are significantly different at p<0.05 by Duncan's multiple range test.
- 실험의 결과는 평균(mean)±표준편차(SD)로 나타내었으며, 유의성을 검정하기 위하여 ANOVA 분석을 행한 후 p=0.05 수준에서 Duncan의 다중분석을 행하였다.
이론/모형
- Hendel 등(10)의 방법에 따라 건조과정 중 30분마다 2 g의 시료를 채취하고 40 mL 증류수와 10% tri-chloro acetic acid 용액 10 mL를 가하여 실온에서 2시간 추출한 다음 원심분리(4,00 × g, 10 min)하여 상등액을 분광계(CM-360 d, Minolta Co.)로 420 nm에서 흡광도를 측정하였다.
- 5) 50 mL를 가하고 브렌더로 1분간 마쇄한 후 10분간 원심분리(8,0 ×g)하여 그 상등액을 PPO 조효소액으로 하였다. 사과의 PPO 정량은 Oszmianski와 Lee(11)에 의한 실험방법에 준하였으며, 기질용액(1 mM chlorogenic acid) 8 mL에 0.1 M 인산염 완충용액(pH 6.5) 2 mL 혼합한 후 2.5 mL를 취하여 각 시료군의 조효소액 0.5 mL을 가하고 30℃의 항온수조에서 2분간 반응시켰다. 1 NHCl 용액 0.
성능/효과
- 255로 무처리구보다 10%활성 증가를 보였다. 20 MPa에서는 0.18 로 18% 억제 효과를 보였고, 25 MPa에서는 0.168로 30% 활성 억제 효과를 보였다.
- 8 kgf/cm2로 가장 낮은 수치를 나타내었다. 45℃ 전처리구에서는 생과육에 비해 평균 32% 감소하여 15 MPa에서 9.5 kgf/cm2로 낮은 수치를 나타내었고, 55℃ 처리구에서는 생 과육에 비해 평균 27%감소하여 20 MPa에서 10.4 kgf/cm2의 값을 나타내었으며 초임계 이산화탄소 온도가 증가할수록 hardness가 서서히 증가하는 것을 알 수 있다. 초임계 처리구가 무처리구와 비교해서 낮은 hardness를 나타내는 것은 Yamamoto 등(15)의 연구에서 초고압상태에서 무의 조직이 단단해진다는 보고와 Le 등(16)의 연구에서 초고압상태에서 동치미 무의 hardness가 증가한다는 보고와 상이한 결과를 보인 것은 초고압상태와 초임계상태의 압력매체의 차이로 생각된다.
- 또한 25 MPa에서 가장 낮은 색차를 보였으며, 이는 무처리구와 비슷하였다. 45℃ 초임계 이산화탄소 전처리구에서는 15 MPa, 20 MPa, 25 MPa에서도 35℃와 비슷한 경향을 보였으며, 20 MPa에서는 47.4로 가장 많은 색차를 보였고, 25 MPa에서 35.7로 무처리구와 비슷하였다. 55℃ 초임계 이산화탄소 처리구에서는 15 MPa, 20 MPa, 25 MPa에서도 다른 온도구간과 비슷한 경향을 보였으며, 15 MPa에서 43.
- 25 의 활성을 나타내었다. 45℃ 초임계 이산화탄소 처리구에서 PPO 활성은 15 MPa에서 무처리구보다 4% 증가하였고, 20 MPa에서는 21% 활성 증가를 보였다. 25 MPa에서는 0.
- 4로 무처리구보다 낮은 수치를 나타내었다. 55℃ 처리구에서는 25, 20, 15 MPa 순으로 a값이 높게 나타났고, 15 MPa에서는 건조 시작부터 최종 7.98까지 급격히 상승하였으며, 20, 25 MPa는 건조 초반에 a값이 낮아졌다가 이후 서서히 상승하여 0.7 , 0.52를 나타내었다.
- 7로 무처리구와 비슷하였다. 55℃ 초임계 이산화탄소 처리구에서는 15 MPa, 20 MPa, 25 MPa에서도 다른 온도구간과 비슷한 경향을 보였으며, 15 MPa에서 43.3으로 가장 많은 색차를 보였고 25 MPa는 35.1로 무처리구와 비슷하였다. 초임계 처리에서 압력이 높을수록 색차가 적은 것으로 나타났으며, 온도와 관계 없이 25 MPa에서는 무처리구와 비슷한 색차를 나타내었다.
- 15로 무처리구보다 35% 활성 억제를 보였다. 5℃ 초임계 이산화탄소 처리구에서 PPO 활성은 15 MPa에서 0.255로 무처리구보다 10%활성 증가를 보였다. 20 MPa에서는 0.
- 35℃, 15 MPa와 45℃, 20 MPa에서 무처리구보다 높은 갈색도를 나타내었다. Polyphenol oxidase(PPO) 활성은 초임계 이산화탄소의 온도와 압력이 증가할수록 활성이 억제되었다. 초임계 이산화탄소 전처리에 따른 springiness는 무처리구보다 증가하였고, hardness는 무처리구보다 감소하였으며, 초임계 이산화탄소의 압력와 온도가 증가할수록 springiness와 hardness는 증가하였다.
- 5%를 나타냈다. Springiness는 무처리구에 비해 초임계 처리의 온도와 압력이 높을수록 2배 이상 증가하는 것을 알 수 있었고, 5℃전처리 구간에서는 압력에 따른 springiness가 큰 차이를 나타나지 않았다. 이러한 결과는 이산화탄소가 초임계상태 하에서 사과절편의 조직으로 투과하였다가 상압으로 release될 때 이산화탄소가 일부 세포를 파괴하면서 탈출 경로를 만들면서 증발되어 스펀지처럼 과육에 탄력이 생기는 것으로 사료된다.
- 5는 전처리 후 건조 전의 hardness와 springiness를 측정한 결과이다. 무처리의 경우 springiness는 44%이고, 초임계 이산화탄소 처리에 따라서는 35℃ 15, 20 MPa에서는 45%, 48%로 무처리구와 큰 차이가 없었으며, 25 MPa에서는 78%로 높았다. 45℃는 15 MPa에서 62%, 20 MPa에서는 60%, 25 MPa에서는 76%를 나타냈으며, 5℃는 15 MPa에서 90%, 20 MPa에서는 92%, 25 MPa에서는 92.
- 색차를 나타내는 ΔE 값을 보면 Fig. 2와 같이 건조 과정 중 건조 사과의 색차는 모두 증가하였고, 무처리구의 경우 측정 시간마다 증가폭이 서서히 증가하여 가장 낮은 34.9를 나타내었다.
- 색도의 경우 L, a, b값은 초임계 이산화탄소의 온도와 압력이 높을 때, 무처리구보다 변화가 적었다. 색차와 갈색도는 초임계 이산화탄소 온도와 압력이 증가할수록 작은 값을 나타내었다. 35℃, 15 MPa와 45℃, 20 MPa에서 무처리구보다 높은 갈색도를 나타내었다.
- 4와 같다. 생 사과의 PPO 활성은 0.231이고, 35℃ 초임계 이산화탄소 처리구에서 PPO 활성이 무처리구보다 평균 10% 증가하여 15 MPa에서 0.258, 20 MPa에서 0.251 그리고 25 MPa에서는 0.25 의 활성을 나타내었다. 45℃ 초임계 이산화탄소 처리구에서 PPO 활성은 15 MPa에서 무처리구보다 4% 증가하였고, 20 MPa에서는 21% 활성 증가를 보였다.
- 이러한 결과로 PPO 활성 증가 정도가 가장 낮은 것은 45℃ 25 MPa이었고, 45℃ 20 MPa가 가장 큰 것으로 나타나 갈변정도가 컸던 처리구에서 PPO의 활성이 크게 나타난 것을 알 수 있어 PPO와 갈변도가 상관관계가 있다고 판단된다. PPO는 가용성과 불용성의 형태로 존재하며, PPO의 가용화는 과실의 숙성이나 aging을 통하여 일어날 수 있다고 한다(12,13).
- 초임계 이산화탄소 전처리에 따른 springiness는 무처리구보다 증가하였고, hardness는 무처리구보다 감소하였으며, 초임계 이산화탄소의 압력와 온도가 증가할수록 springiness와 hardness는 증가하였다. 이상과 같이 초임계 이산화탄소 전처리가 건조 사과의 색과 조직감에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
- 70을 나타내었다. 초임계 이산화탄소 전처리 조건에 따라 L값의 변화는 건조 90분까지 감소하다가 90분 이후에 증가하는 경향을 보였다. 최종 건조 사과 절편의 L값은 전처리 조건에 따라 차이가 나타났으며, 5℃ 25 MPa가 가장 밝고 45℃ 20 MPa가 가장 어두웠다.
- Polyphenol oxidase(PPO) 활성은 초임계 이산화탄소의 온도와 압력이 증가할수록 활성이 억제되었다. 초임계 이산화탄소 전처리에 따른 springiness는 무처리구보다 증가하였고, hardness는 무처리구보다 감소하였으며, 초임계 이산화탄소의 압력와 온도가 증가할수록 springiness와 hardness는 증가하였다. 이상과 같이 초임계 이산화탄소 전처리가 건조 사과의 색과 조직감에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
- 무처리구의 경우 120 kgf/cm2로 건조했을 때 생 사과에 비해 8배 증가하였다. 초임계 이산화탄소 처리구의 경우 건조 전보다 hardness가 10배 증가하였고, 35℃ 초임계 이산화탄소 처리구는 무처리구에 비하여 평균 21% 낮은 hardness를 나타내었으며, 45℃에서는 18%, 5℃에서는 14%의 낮은 hardness를 나타내었다. 이것은 전처리 조건에 따른 건조 전 hardness와 유사한 경향을 보였고, 35℃ 25 MPa에서 90.
- 074를 나타내었고, 초임계 처리구는 무처리구와 유사한 경향으로 나타났다. 초임계 이산화탄소의 압력이 15 MPa에서는 온도가 증가할수록 갈색도가 빨리 증가하였다. 20 MPa는 45℃에서 빠른 증가를 보였고, 55℃와 35℃ 순으로 나타났으나 큰 차이는 없었다.
- 초임계 이산화탄소 전처리 조건에 따라 L값의 변화는 건조 90분까지 감소하다가 90분 이후에 증가하는 경향을 보였다. 최종 건조 사과 절편의 L값은 전처리 조건에 따라 차이가 나타났으며, 5℃ 25 MPa가 가장 밝고 45℃ 20 MPa가 가장 어두웠다. 초임계 이산화탄소의 압력과 온도가 높을 때 명도의 변화는 적은 것으로 나타났다.
후속연구
- 지금까지 개발된 전처리 방법 중에 스팀에 의한 blanching은 심각한 열변성을 가져오고, 화학적 전처리는 화학약품이 건조식품에 잔존하게 되는 문제가 있고 삼투건조에서는 건조제품에 삼투용액이 잔존하여 원재료 그대로의 맛을 내지 못한다는 문제점이 있다. 초임계 이산화탄소를 전처리 방법으로 이용한다면 이산화탄소가 무독성 물질이고 상압 하에서는 이산화탄소가 모두 증발하게 되어 잔류 염려가 없고(8,9), 이산화탄소가 초임계상태로 변하는 온도도 상온 부근이어서 식품과 같이 열에 민감한 물질의 전처리 방법으로 적합할 것으로 판단된다.
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