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문제 정의
- 본 연구는 쌀, 밀, 옥수수, 보리, 귀리가루의 수분함량을 달리하여 압출성형 하였을 때 비기계적 에너지, 밀도, 팽화율, 겉보기 탄성계수와 파괴력, 수분용해지수와 수분흡착지수, 페이스트 점도와 색도의 변화에 관하여 살펴보았다.
제안 방법
- Fig. 2의 페이스트 점도곡선으로부터 최고점도(peak viscosity, PV), 최저점도(trough viscosity, TV), 최종점도(final viscosity, FV), 구조파괴점도(breakdown viscosity, BV)와 회복점도(setback viscosity, SV) 등의 페이스트 점도 지표를 각각 구하였다.
- 압출성형물의 밀도는 차조를 이용한 종자치환법으로 3회 반복하여 평균값을 산출하였다. 계량컵을 사용하여 차조의 부피를 10회 반복하여 그 평균값을 구하고 압출성형물과 차조를 포함한 부피를 측정하여 압출성형물의 밀도를 계산하였다. 압출성형물의 밀도는 식 (4)와 같다(13,15).
- 곡류식품의 소재 개발을 위하여 수분함량을 달리하여 처리한 후 압출성형 곡류가루의 일반성분, 팽화율, 비길이, 밀도, 파괴력, 겉보기 탄성계수, 수분흡착지수와 수분용해지수, 비기계적 에너지 투입량, 페이스트 점도, 색도를 측정하였다. 압출성형 조건은 배럴온도 130℃, 원료투입량 120g/min, 수분함량(20, 22.
- 색도 측정은 chromameter(CR-300, Minolta, Osaka, Japan)를 사용하여 명도(L, lightness), 적색도(a, redness), 황색도(b, yellowness) 값을 3회 반복하여 측정하였고, 이때 사용한 표준 백색 판은 L, a, b 값이 각각 96.98, 0.53, 1.72인 것을 사용하였다. L값은 100(white)에서 0(black), a값은+60(red)에서 -60(green), b값은 +60(yellow)에서 -60(blue)으로 나타내었다.
- 0 mm인 것을 사용하였으며, 배럴온도는 전열기와 냉각수를 사용하여 조절하였다. 압출성형 공정변수는 전체의 수분함량을 20.0, 22.5, 25.0, 27.5, 30.0%가 되도록 원료에 수분을 공급하였고, 스크루 회전속도 200 rpm, 배럴온도 130℃, 원료 투입량 120 g/min으로 고정하였다. 제조된 압출성형물은 열풍건조기(DS-FCPO250, Dongseo Sci.
- 압출성형 멥쌀, 밀, 옥수수, 보리, 귀리가루의 수용성 성질을 분석하고자 AACC 방법(12)을 응용하여 건량기준의 시료 1 g에 증류수 25 mL를 가하여 30℃의 항온수조(BF45SB, Biofree Co., Seoul, Korea)에서 30분간 교반한 후 원심분리기(H-1000-3, Hanil Science Industrial Co., Incheon, Korea)에서 3,000 rpm으로 20분간 원심분리 하였다. 상등액을 알루미늄접시에 부은 후 침전물의 무게를 측정하고, 알루미늄접시를 105℃의 열풍건조기(HB-502MP, Han Beak Co.
- 곡류식품의 소재 개발을 위하여 수분함량을 달리하여 처리한 후 압출성형 곡류가루의 일반성분, 팽화율, 비길이, 밀도, 파괴력, 겉보기 탄성계수, 수분흡착지수와 수분용해지수, 비기계적 에너지 투입량, 페이스트 점도, 색도를 측정하였다. 압출성형 조건은 배럴온도 130℃, 원료투입량 120g/min, 수분함량(20, 22.5, 25, 27.5, 30%)으로 압출성형 하였다. 수분함량 20%일 때 압출성형 곡류가루의 팽화율이 가장 높았으며, 밀도와 파괴력이 가장 낮았다.
- 압출성형물의 페이스트 점도를 측정하기 위해 신속점도 측정기(RVA, Rapid viscosity analyser, RVA3D, Newport Scientific Inc., Narrabeen, Australia)를 사용하였다. 시료 3 g(14%, w.
- 직경 팽화율은 압출성형물의 직경을 캘리퍼스(CD-15C, Mitutoyo Co., Tokyo, Japan)로 10회 측정하여 사출구의 직경과 압출성형물 직경비의 평균값으로 식 (2)를 이용하여 산출하여 평균값과 오차를 구하였으며, 비길이는 일정한 길이로 절단한 압출성형물의 길이와 무게의 비로 10회 반복 측정 후 식 (3)을 이용하여 평균값과 오차를 구하였다(14). 압출성형물의 길이는 캘리퍼스를 이용하였고, 무게는 전자 저울(MW-Ⅱ, CAS Co.
대상 데이터
- 멥쌀가루((주)광일, 아산), 밀가루(대한제분, 인천), 옥수수가루(동일곡산, 안산), 보리가루(인그린, 포천), 귀리가루(이든타운 F&B, 여주)를 구입하여 사용하였다.
- 실험에 사용한 압출성형기는 자체 제작한 실험용 동방향 쌍출 압출성형기(THK31T, Incheon Machinery Co., Incheon, Korea)를 사용하였으며, 스크루 배열은 Fig. 1과 같다. 직경은 32.
- 압출성형물을 Micro Hammer-cutter Mill(Type 3, Culatti AG Co., Zürich, Switzerland)로 분쇄하여 직경이 0.5 mm인체를 통과한 분말을 시료로 사용하였다.
- 1과 같다. 직경은 32.0 mm, 직경과 길이의 비(L/D ratio)는 24:1이었고 사출구는 원형으로 직경이 3.0 mm인 것을 사용하였으며, 배럴온도는 전열기와 냉각수를 사용하여 조절하였다. 압출성형 공정변수는 전체의 수분함량을 20.
데이터처리
- 압출성형물의 겉보기 탄성계수와 파괴력은 Sun Rheometer(Compac-100Ⅱ, Sun Sci., Tokyo, Japan)를 사용하여 10회 측정하여 평균값을 산출하였다. 측정 조건은 probe angle type(65°), 최대응력 2 kg, 지지대 이동속도 120 mm/min, 지지대간의 거리 3 cm였다.
- 압출성형물의 밀도는 차조를 이용한 종자치환법으로 3회 반복하여 평균값을 산출하였다. 계량컵을 사용하여 차조의 부피를 10회 반복하여 그 평균값을 구하고 압출성형물과 차조를 포함한 부피를 측정하여 압출성형물의 밀도를 계산하였다.
이론/모형
- 멥쌀가루, 밀가루, 옥수수가루, 보리가루, 귀리가루의 조회분, 조단백(N×6.25), 조지방은 AACC방법에 의하여 측정하였다(12).
성능/효과
- 적색도(a)는 대부분의 압출성형 곡류가루에서 수분함량이 증가할 때 점차 증가하는 경향을 보이다 25% 이후로 다시 감소하는 경향을 보였다. 황색도(b)는 원료보다 압출성형물이 증가하였으며, 그중 보리와 귀리가 가장 많이 증가하였다. 그리고 밀, 옥수수, 귀리의 경우 수분함량이 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며, 쌀과 보리에서는 큰 변화가 없었다.
- 위의 결과에 따라 곡류가루를 압출성형 하였을 때, 전체적으로 보아 수분함량 20%일 때 팽화율이 가장 높았으며, 비 길이는 수분함량이 증가함에 따라 감소하였고 밀도는 증가하는 경향을 보였다. 겉보기 탄성계수와 파괴력은 쌀과 옥수수의 경우 수분함량이 증가할수록 겉보기 탄성계수는 감소하고 파괴력은 증가하였으며, 밀, 보리, 귀리는 뚜렷한 변화는 없는 것으로 보아 Table 1의 원료의 일반성분 중 지방함량과 탄수화물 함량의 차이로 인하여 압출성형물에 영향을 준 것으로 사료된다.
- 황색도(b)는 원료보다 압출성형물이 증가하였으며, 그중 보리와 귀리가 가장 많이 증가하였다. 그리고 밀, 옥수수, 귀리의 경우 수분함량이 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며, 쌀과 보리에서는 큰 변화가 없었다.
- 원료 중 쌀가루의 최고점도, 구조파괴점도, 최종점도, 회복점도가 다른 원료에 비해 높게 측정되었으나 압출성형공정 후 다른 원료에 비해 점도가 낮게 측정되었다. 그리고 원료의 호화개시온도는 옥수수가 4.96분으로 호화가 빨리 일어났으며 보리의 호화개시온도는 5.86분으로 옥수수에 비해 약 1분 가량 늦게 호화가 일어났다.
- 73%로 다른 압출성형 곡류가루에 비해 가장 낮게 측정되었다. 대부분의 압출성형 곡류가루가 수분함량이 증가할수록 서서히 감소하여 수분함량 30%일 때는 20%일 때 보다 적게는 약 6%, 많게는 약 20% 감소하는 것을 확인하였다.
- 77 kJ/kg으로 수분함량 30%일 때 멥쌀, 옥수수, 보리, 귀리가루의 비기계적 에너지 투입량은 비슷하게 나타났다. 따라서 수분함량이 20%에서 30%로 증가함에 따라 비기계적 에너지 투입량은 감소하는 경향을 보였다. 그중 밀가루의 감소폭이 가장 크게 나타났고 귀리는 가장 낮게 나타났다.
- 따라서 압출성형공정을 통해 전단력과 고온, 고압으로 인하여 전분 입자의 파열과 용출된 아밀로오스로 인해 수분함량이 낮을수록 점도가 감소하고 수분함량이 증가함에 따라 점도가 증가하는 것으로 사료된다.
- 밀도는 수분함량이 증가할수록 증가하는 경향을 보였는데 그중 수분함량 30%일 때 귀리의 밀도가 0.54±0.04 g/cm3로 가장 높았으며, 수분함량 20%일 때 밀가루의 밀도가 0.14±0.01 g/cm3로 가장 낮게 측정되었다.
- 수분함량이 증가할수록 수분흡착지수는 증가하였고, 수분용해지수는 수분함량이 낮을수록 높은 경향을 나타내었다. 비기계적 에너지 투입량은 낮은 수분함량일 때 옥수수가루가 가장 높았으며, 귀리가루는 높은 수분함량에서 가장 낮은 값을 나타내었다. 수분함량이 증가할수록 페이스트 점도가 증가하는 경향을 보였으며, 명도는 압출성형 쌀가루가 가장 밝게 측정되었고 압출성형 보리가루가 가장 어둡게 측정되었으며, 총 색도 변화는 원료를 기준으로 보리가 가장 크게 나타났다.
- 비길이는 수분함량 20%일 때 100.80±1.04 cm/g으로 귀리의 비길이가 가장 높게 나타났으며, 수분함량 22.5%일 때 옥수수의 비길이가 63.01±2.32 cm/g으로 가장 낮게 측정되었다.
- 수분함량 20%일 때 겉보기 탄성계수가 큰 순서대로 나열하면 옥수수> 멥쌀> 밀> 귀리> 보리 순으로 나타났고, 수분함량 30%일 때 옥수수> 보리> 귀리> 밀> 멥쌀의 순서로 나타났다.
- 5, 30%)으로 압출성형 하였다. 수분함량 20%일 때 압출성형 곡류가루의 팽화율이 가장 높았으며, 밀도와 파괴력이 가장 낮았다. 수분함량이 증가할수록 수분흡착지수는 증가하였고, 수분용해지수는 수분함량이 낮을수록 높은 경향을 나타내었다.
- 4, 5에 각각 비교하였다. 수분함량 20%일 때 압출성형 쌀가루의 수분용해지수는 35.25%로 다른 압출성형 곡류가루에 비해 가장 높게 나타났으며 수분함량 20%일 때 압출성형 귀리가루의 수분용해지수는 11.73%로 다른 압출성형 곡류가루에 비해 가장 낮게 측정되었다. 대부분의 압출성형 곡류가루가 수분함량이 증가할수록 서서히 감소하여 수분함량 30%일 때는 20%일 때 보다 적게는 약 6%, 많게는 약 20% 감소하는 것을 확인하였다.
- 수분함량 20%일 때 절단강도를 비교하면 멥쌀은 16.75±1.59 N/cm2 , 밀 15.67±1.41 N/cm2 , 옥수수 13.22±0.42 N/cm2 , 보리 21.57±1.77 N/cm2 , 귀리 43.96±1.67 N/cm2로 나타났고, 수분함량 30%일 때 멥쌀 35.16±2.97 N/cm2 , 밀 27.21±2.08 N/cm2 , 옥수수 52.68±1.87 N/cm2 ,보리 30.49±2.26 N/cm2 , 귀리 43.96±1.71 N/cm2로 귀리의 절단강도가 가장 높았으며, 멥쌀의 절단강도가 가장 낮은 것을 확인할 수 있었다.
- 3과 같다. 수분함량 20.0%일 때 비기계적 에너지 투입량은 멥쌀가루 571.53 kJ/kg, 밀가루 735.56 kJ/kg, 옥수수가루 561.73 kJ/kg, 보리가루 432.76kJ/kg, 귀리가루 271.54 kJ/kg으로 나타났으며, 그중 밀가루가 가장 높은 값을 나타내었고 귀리가루가 가장 낮은 값을 나타내었다. 쌀가루와 옥수수가루는 수분함량이 20%일 때 큰 차이는 나지 않았다.
- 20으로 가장 낮게 나타났다. 수분함량이 증가하면 팽화율이 감소하는 경향을 보였으나 귀리의 경우 수분함량이 증가할 수록 팽화율의 변화가 뚜렷하게 나타나지 않았다. 다른 곡류와 비교하여 귀리의 탄수화물 함량은 낮고 지방의 함량이 높기 때문에 팽화율이 다른 곡류가루에 비해 낮게 측정된 것으로 판단되었다.
- 수분함량 20%일 때 압출성형 곡류가루의 팽화율이 가장 높았으며, 밀도와 파괴력이 가장 낮았다. 수분함량이 증가할수록 수분흡착지수는 증가하였고, 수분용해지수는 수분함량이 낮을수록 높은 경향을 나타내었다. 비기계적 에너지 투입량은 낮은 수분함량일 때 옥수수가루가 가장 높았으며, 귀리가루는 높은 수분함량에서 가장 낮은 값을 나타내었다.
- 비기계적 에너지 투입량은 낮은 수분함량일 때 옥수수가루가 가장 높았으며, 귀리가루는 높은 수분함량에서 가장 낮은 값을 나타내었다. 수분함량이 증가할수록 페이스트 점도가 증가하는 경향을 보였으며, 명도는 압출성형 쌀가루가 가장 밝게 측정되었고 압출성형 보리가루가 가장 어둡게 측정되었으며, 총 색도 변화는 원료를 기준으로 보리가 가장 크게 나타났다.
- 수분함량 20%일 때 겉보기 탄성계수가 큰 순서대로 나열하면 옥수수> 멥쌀> 밀> 귀리> 보리 순으로 나타났고, 수분함량 30%일 때 옥수수> 보리> 귀리> 밀> 멥쌀의 순서로 나타났다. 수분함량이 증가함에 따른 겉보기 탄성계수가 감소하는 것으로 나타났다. 절단강도는 보리를 제외한 다른 압출성형은 수분함량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다.
- 겉보기 탄성계수와 파괴력은 팽화율과 밀도, 기공구조에 영향을 받으며, 압출성형물의 품질을 결정하는데 중요하다(3). 압출성형 귀리가루를 제외한 멥쌀, 밀, 옥수수, 보리가루의 겉보기 탄성계수는 수분함량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 수분함량 20%일 때 겉보기 탄성계수가 큰 순서대로 나열하면 옥수수> 멥쌀> 밀> 귀리> 보리 순으로 나타났고, 수분함량 30%일 때 옥수수> 보리> 귀리> 밀> 멥쌀의 순서로 나타났다.
- 압출성형물의 명도는 압출성형공정을 거친 후 대체적으로 어둡게 측정되었으나 옥수수의 경우 명도가 약 82.06～82.82로 변화가 크지 않았음을 확인할 수 있었고, 보리의 명도는 수분함량 20%일 때 65.31±0.01로 가장 어둡게 측정되었다.
- 86분으로 옥수수에 비해 약 1분 가량 늦게 호화가 일어났다. 압출성형물의 페이스트 점도는 수분함량 27.5%일 때 전체적으로 최고점도가 높게 측정되었는데, 수분함량 30%일 때 보리 압출성형물의 최종점도와 회복점도가 각각 44.92 cP, 37.53 cP로 다른 압출성형물보다 높게 측정되었으며, 멥쌀 압출성형물의 경우는 10.25 cP로 가장 낮은 점도를 보였다. 압출성형물의 호화개시온도는 수분함량이 20%일 때 원료에 비해 호화가 빨리 진행되었으며, 보리와 귀리의 경우 원료보다 약 1분 가량 늦은 호화개시온도 분포를 보였다.
- 25 cP로 가장 낮은 점도를 보였다. 압출성형물의 호화개시온도는 수분함량이 20%일 때 원료에 비해 호화가 빨리 진행되었으며, 보리와 귀리의 경우 원료보다 약 1분 가량 늦은 호화개시온도 분포를 보였다.
- 신속점도측정기로 측정한 원료와 압출성형물의 페이스트 점도는 Table 3과 같다. 원료 중 쌀가루의 최고점도, 구조파괴점도, 최종점도, 회복점도가 다른 원료에 비해 높게 측정되었으나 압출성형공정 후 다른 원료에 비해 점도가 낮게 측정되었다. 그리고 원료의 호화개시온도는 옥수수가 4.
- 원료의 명도는 멥쌀가루가 94.14±0.02로 가장 밝았으며 귀리가루가 86.31±0.40으로 가장 어둡게 측정되었다.
- 위의 결과에 따라 곡류가루를 압출성형 하였을 때, 전체적으로 보아 수분함량 20%일 때 팽화율이 가장 높았으며, 비 길이는 수분함량이 증가함에 따라 감소하였고 밀도는 증가하는 경향을 보였다. 겉보기 탄성계수와 파괴력은 쌀과 옥수수의 경우 수분함량이 증가할수록 겉보기 탄성계수는 감소하고 파괴력은 증가하였으며, 밀, 보리, 귀리는 뚜렷한 변화는 없는 것으로 보아 Table 1의 원료의 일반성분 중 지방함량과 탄수화물 함량의 차이로 인하여 압출성형물에 영향을 준 것으로 사료된다.
- 이 결과로 보아 쌀, 옥수수, 밀, 보리, 귀리에 포함된 전분이 압출성형공정을 통하여 고압, 고온, 고전단력으로 인하여 전분 구성성분 중 아밀로펙틴이 아밀로오스보다 분획화가 증가한다는 보고(22,23)에 의하여 수분함량 20%에서 압출성형 곡류가루의 수용화지수가 증가하였을 것으로 판단되었다.
- 총 색도 변화(ΔE)는 수분함량 20%에서 보리가 20.30±0.01로 원료에 비해 색도 변화가 크게 나타났고, 옥수수가 10.42±0.01로 원료에 비해 가장 낮게 나타났다.
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