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문제 정의
- 본 연구에서는 모델식품으로 고추장 소스를 제조하여 단시간에 많은 양을 처리할 수 있는 연속식 옴가열 장치를 고안, 제작하여 가열 살균 연구를 진행하였다. 또한 제조된 모델식품을 옴가열 처리하였을 때의 가열 특성, 전기전도도 변화, 살균 효과를 고찰하는 것을 주 목적으로 하여 재래가열 방법과 옴가열 처리한 모델식품의 가열 특성을 비교하였으며, 가공공정에 적용 가능한 최적 조건을 위한 기초연구를 수행하였다.
- 자체 제작한 전기전도도 측정기로 옴가열의 원리를 이용하여 각 시료의 전기전도도를 구하였다. 본 실험에서는 가열 도중의 전기전도도 값을 명확히 하기 위하여 온도별 전기전도도를 계산하였다.
- 본 연구에서는 모델식품으로 고추장 소스를 제조하여 단시간에 많은 양을 처리할 수 있는 연속식 옴가열 장치를 고안, 제작하여 가열 살균 연구를 진행하였다. 또한 제조된 모델식품을 옴가열 처리하였을 때의 가열 특성, 전기전도도 변화, 살균 효과를 고찰하는 것을 주 목적으로 하여 재래가열 방법과 옴가열 처리한 모델식품의 가열 특성을 비교하였으며, 가공공정에 적용 가능한 최적 조건을 위한 기초연구를 수행하였다.
제안 방법
- 35±1℃에서 24시간 배양한 후 각 평판(plate)에서 30-300개의 콜로니(colony)가 보이는 것을 계수하였고, 동일한 방법으로 계수실험을 3회 반복하여 평균치를 CFU/g으로 표시하였다.
- 펌프의 회전 속도는 계기판 상에서 0-60 (dimensionless)까지 조절이 가능하며 설정 속도 20, 30, 40, 50, 60에서의 처리량을 구하였다. 5가지 설정 속도에서 처리량을 3회 반복 측정하여 평균값을 구하였다. 이 때 전류는 통과시키지 않았으며, 시료의 온도는 25±2℃이었다.
- 이 처리량을 바탕으로 시료의 이동속도와 전극과의 접촉시간을 계산하였다. 5가지 설정속도에서의 접촉시간을 구한 뒤 x축은 설정속도, y축은 전극과의 접촉시간으로 하여 설정속도에 따른 접촉시간을 추세선을 이용하여 구하였다.
- , Paju, Gyeonggi-Do, Korea)를 통하여 옴가열 셀에 공급하도록 설계하였다. 60 Hz의 상용전류를 이용하여 전극이 장착된 셀 내부로 시료가 이동하며 전류에 의해 가열이 이루어지도록 제작하였으며, 셀에 가해지는 전압, 전류, 온도 데이타는 데이타로거(Hydra 2625A, Fluke Co., Everett, WA. USA)로 수집하였다.
- 각각의 모델 식품을 50 V(전압 기울기 1190 V/m), 100℃에서 5분간 가열하는 동일한 조건에서 처리하였고, 시간에 따른 온도 변화를 관찰하였다. 60 Hz의 상용전류를 이용하였고, 100℃에서 5분간 가열이 이루어지도록 설정속도를 조절하였다.
- 각각의 시료는 10 g씩 무균적으로 취하여 멸균인산완충액으로 단계적으로 희석한 뒤 Plate Count Agar (PCA, Difco Co., Detroit,MI, USA) 배지에 붓기 배양법(pouring culture method)으로 접종하였다. 35±1℃에서 24시간 배양한 후 각 평판(plate)에서 30-300개의 콜로니(colony)가 보이는 것을 계수하였고, 동일한 방법으로 계수실험을 3회 반복하여 평균치를 CFU/g으로 표시하였다.
- 본 연구에 사용된 연속식 옴가열 장치는 동력공급기(power supply), 전압제너레이터(voltage generator), 셀(cell (heater)), 데이타로거(data logger), 컴퓨터(computer)로 이루어져 있다. 동력공급기의 출력은 전압제너레이터(DLC-10K300, Daelimec Co., Paju, Gyeonggi-Do, Korea)를 통하여 옴가열 셀에 공급하도록 설계하였다. 60 Hz의 상용전류를 이용하여 전극이 장착된 셀 내부로 시료가 이동하며 전류에 의해 가열이 이루어지도록 제작하였으며, 셀에 가해지는 전압, 전류, 온도 데이타는 데이타로거(Hydra 2625A, Fluke Co.
- 예비실험을 통하여 옴가열 처리 시 스케일(scale)이 생성되지 않는 조건을 50 V의 전압 하에서 살균온도 100℃, 살균시간을 5분으로 설정하였다. 또한 전극과의 접촉시간, 시료의 온도 상승경향을 조사하여 시료와 전극과의 접촉시간은 총 10분으로 설정하였다.
- 60 Hz의 상용전류를 이용하였고, 100℃에서 5분간 가열이 이루어지도록 설정속도를 조절하였다. 모델식품의 가열이 진행되는 셀에 3개의 구멍을 내어 열전기쌍(thermocouple, Ttype)의 끝부분이 시료의 중심부에 위치하도록 고정시킨 뒤 데이타로거를 이용하여 3초 간격으로 온도를 측정하였다. 열전기쌍은 전극의 양 끝과 중간부분에 위치하도록 함으로써 처리 전, 가열이 진행되는 중간구간, 처리 후의 온도를 측정할 수 있도록 하였다.
- 수분은 적외선 수분측정기(FD-610, Kett Electronic Lab., Tokyo, Japan)를 이용하여 처리 전, 재래가열 처리 후, 옴가열 처리 후의시료 15 g을 105℃로 가열하여 수분함량을 3회 반복 측정한 뒤 평균값을 이용하였다. 그리고 전기 전도도에 영향을 미치는 염화소듐의 함량은 시료 10 g을 사용하여 모드(Mohr)법에 의한 질산은(AgNO3) 적정법으로 분석하였다.
- 시판 중인 고추장 베이스 소스의 특성과 자체 제작한 옴가열 장치의 펌프(pump) 특성을 고려하여 모델 식품을 선정, 제조하였다. 시판 소스의 배합비와 점성도를 기준으로 하여 더 높은 점도의 모델식품 4가지를 추가로 설계하여 총 5가지의 시료를 제작하였고 점도가 낮은 시료부터 B1, B2, B3, B4, B5로 명명하였다(Table 1).
- 실제 온도와의 오차를 고려하여 물중탕의 설정온도를 90±3℃로 유지하였다.
- 예비실험을 통하여 옴가열 처리 시 스케일(scale)이 생성되지 않는 조건을 50 V의 전압 하에서 살균온도 100℃, 살균시간을 5분으로 설정하였다. 또한 전극과의 접촉시간, 시료의 온도 상승경향을 조사하여 시료와 전극과의 접촉시간은 총 10분으로 설정하였다.
- 옴가열 장치를 이용하여 각 시료의 분당 처리량을 구하였다. 펌프의 회전 속도는 계기판 상에서 0-60 (dimensionless)까지 조절이 가능하며 설정 속도 20, 30, 40, 50, 60에서의 처리량을 구하였다.
- 유체 흐름의 상태와 형태를 결정할 수 있는 관성력과 점성력의 비를 나타내는 레이놀즈수(Reynolds number)에 따른 생균수감소 경향을 알아보았다. 레이놀즈수를 x축, 불활성화 퍼센트(inactivation percent)를 y축으로 하여 추세선으로 나타내었다(Fig.
- 이 때 전류는 통과시키지 않았으며, 시료의 온도는 25±2℃이었다. 이 처리량을 바탕으로 시료의 이동속도와 전극과의 접촉시간을 계산하였다. 5가지 설정속도에서의 접촉시간을 구한 뒤 x축은 설정속도, y축은 전극과의 접촉시간으로 하여 설정속도에 따른 접촉시간을 추세선을 이용하여 구하였다.
- 자체 제작한 전기전도도 측정기로 옴가열의 원리를 이용하여 각 시료의 전기전도도를 구하였다. 본 실험에서는 가열 도중의 전기전도도 값을 명확히 하기 위하여 온도별 전기전도도를 계산하였다.
- 재래가열 방법은 600 mL 비이커에 시료 500 mL 를 담아 잘 밀봉한 뒤에 물중탕(water bath) 속에 넣어 시료의 중심부 온도가 85℃에 도달하면 30분 간 온도를 유지시키며 가열하였다. 실제 온도와의 오차를 고려하여 물중탕의 설정온도를 90±3℃로 유지하였다.
- 전극은 30×150×10 mm의 막대기 모양이며 셀의 양 옆면에서 탈부착이 가능하도록 설계하였으며 전극이 장착된 부분에서 가열과 살균이 이루어지도록 하였다(Fig. 1).
- 옴가열 장치를 이용하여 각 시료의 분당 처리량을 구하였다. 펌프의 회전 속도는 계기판 상에서 0-60 (dimensionless)까지 조절이 가능하며 설정 속도 20, 30, 40, 50, 60에서의 처리량을 구하였다. 5가지 설정 속도에서 처리량을 3회 반복 측정하여 평균값을 구하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 연속식 옴가열 장치는 동력공급기(power supply), 전압제너레이터(voltage generator), 셀(cell (heater)), 데이타로거(data logger), 컴퓨터(computer)로 이루어져 있다. 동력공급기의 출력은 전압제너레이터(DLC-10K300, Daelimec Co.
- 셀의 모양은 100×100×300 mm의 직육면체이며, 가운데 42×42×300 mm의 구멍으로 시료가 통과하도록 하였다. 셀에 장착되는 전극의 재질은 전기전도성이 우수하고 산/염기에 강한 탄소전극을 사용하였다. 전극은 30×150×10 mm의 막대기 모양이며 셀의 양 옆면에서 탈부착이 가능하도록 설계하였으며 전극이 장착된 부분에서 가열과 살균이 이루어지도록 하였다(Fig.
- , Seoul, Korea)에 의해 셀 내부로 운반되고, 45℃로 기울어진 셀을 통과하면서 가열이 진행되어 가열이 완료된 시료가 다른 컨테이너에 모이게 된다. 시료의 진행방향과 가열의 효율성을 고려하여 셀은 45℃로 기울여 설치하였으며, 자체 제작한 셀의 재질은 내연성, 절연성이 우수한 polytetrafluoroethylene (PTFE, Teflon)를 사용하였다. 셀의 모양은 100×100×300 mm의 직육면체이며, 가운데 42×42×300 mm의 구멍으로 시료가 통과하도록 하였다.
- 시판 중인 고추장 베이스 소스의 특성과 자체 제작한 옴가열 장치의 펌프(pump) 특성을 고려하여 모델 식품을 선정, 제조하였다. 시판 소스의 배합비와 점성도를 기준으로 하여 더 높은 점도의 모델식품 4가지를 추가로 설계하여 총 5가지의 시료를 제작하였고 점도가 낮은 시료부터 B1, B2, B3, B4, B5로 명명하였다(Table 1).
- 연속식 옴가열 장치를 이용한 고추장을 베이스로 한 모델 식품에 대한 가열 살균 연구를 진행하여, 옴가열을 이용한 소스 살균에 필요한 기초 데이터를 수집하였다. 옴가열 시 점도에 상관없이 100℃까지 고르게 상승하였으나, 점도가 높을수록 전기전도도와 가열속도가 낮아져 살균력이 감소하는 것으로 나타나, 저점도 식품이 옴가열을 이용한 가열 및 살균에 있어 더 유용하다는 것을 알 수 있었다(13,14).
데이터처리
- 3회 반복 실험한 데이터에 대한 통계처리는 통계패키지 SAS(Statistical Analysis System Ver. 9.0, SAS Institute, Cary, NC, USA)로 분산분석(Analysis of variance)을 실시하였으며, 시료간의 유의적 차이 검증을 위하여 던칸시험(Duncan’s multiple range test)를 이용하였다(p<0.05).
이론/모형
- , Tokyo, Japan)를 이용하여 처리 전, 재래가열 처리 후, 옴가열 처리 후의시료 15 g을 105℃로 가열하여 수분함량을 3회 반복 측정한 뒤 평균값을 이용하였다. 그리고 전기 전도도에 영향을 미치는 염화소듐의 함량은 시료 10 g을 사용하여 모드(Mohr)법에 의한 질산은(AgNO3) 적정법으로 분석하였다.
성능/효과
- 처리 전 시료의 수분함량은 69-57%으로, 점도가 낮을수록 수분함량이 높았는데, 점도별 수분함량의 차이는 원재료의 배합 비율이 다른 데에 기인한 것으로 보여진다. 가열 처리 후 수분함량은 처리 전 수분함량 대비 0.1-3.4%가 감소하였으며, 재래가열 방식보다 옴가열 처리를 한 시료의 수분 감소량이 더 많았다.
- 2를 살펴보면, 모든 시료는 25℃에서 100℃까지 온도가 상승하는 데에 약 1분의 시간이 소요되었다. 각 시료의 가열 속도는 B1부터 1.16, 1.14, 1.07, 0,89, 0.75℃/sec로, 점도가 높을수록 가열속도가 느렸다. 또한 2번 지점에서 시료의 온도가 100℃ 까지 상승되었기 때문에 실질적인 살균은 2번과 3번 지점 사이에서 이루어지는 것으로 보였다.
- 860)로 레이놀즈 수가 클수록 살균도가 높은 것으로 나타났다. 그리고 관 내부에서 시료의 흐름이 불안정적일수록, 점도가 낮은 시료일수록 살균도가 더 높게 나타났다.
- 재래가열의 경우 B1부터 차례대로 71, 74, 75, 65, 69%, 옴가열 처리한 경우 B1부터 차례대로 95, 94, 93, 92, 90%의 살균 효과를 보여 살균력이 더 높았으며, 색상과 물성 등의 관능품질도 기존 가열방식 보다 더 우수하였다. 또한 가열 방법에 관계 없이 점도가 높아질수록 살균력이 낮아지는 경향을 보였는데 이는 점도에 따라 가열 살균 시 요구되는 온도와 시간이 다르다는 것을 의미한다.
- 3과 같다. 모든 시료의 전기전도도 값은 온도와 정비례하여 증가하였으나, 80℃ 이상의 온도에서는 감소하는 경향을 보였다. 80℃ 이하에서는 전압에 따른 전기전도도 차이는 유의적이지 않았으며(p<0.
- 본 실험을 통하여 5개의 모델 식품 모두 전극 표면에 결착 물질이 생성되지 않고 가열이 진행되었으며, 옴가열 온도는 100℃로 균일하게 유지되었다는 것을 알 수 있었다.
- 연속식 옴가열 장치를 이용한 고추장을 베이스로 한 모델 식품에 대한 가열 살균 연구를 진행하여, 옴가열을 이용한 소스 살균에 필요한 기초 데이터를 수집하였다. 옴가열 시 점도에 상관없이 100℃까지 고르게 상승하였으나, 점도가 높을수록 전기전도도와 가열속도가 낮아져 살균력이 감소하는 것으로 나타나, 저점도 식품이 옴가열을 이용한 가열 및 살균에 있어 더 유용하다는 것을 알 수 있었다(13,14). 재래가열 후의 살균도는 65.
- 옴가열 시 점도에 상관없이 100℃까지 고르게 상승하였으나, 점도가 높을수록 전기전도도와 가열속도가 낮아져 살균력이 감소하는 것으로 나타나, 저점도 식품이 옴가열을 이용한 가열 및 살균에 있어 더 유용하다는 것을 알 수 있었다(13,14). 재래가열 후의 살균도는 65.4-75.4%,옴가열 시는 89.5-95.0%로 살균력이 더 우수하였다. 향후 연속식 옴가열 장치의 살균효과를 더 높이기 위해서는 여러 개의 셀 연결 방식을 통해 한 개의 셀에서 온도를 조금씩 상승시켜 스케일생성을 방지하는 연구와 셀 통과시 빠른 온도 상승에 의한 점도변화로 살균 처리량이 변하기 때문에 최적 셀 조합 및 가열살균조건에 대한 충분한 고찰이 필요할 것으로 생각된다.
- 4(A)에 나타내었다. 재래가열의 경우 B1부터 차례대로 71, 74, 75, 65, 69%, 옴가열 처리한 경우 B1부터 차례대로 95, 94, 93, 92, 90%의 살균 효과를 보여 살균력이 더 높았으며, 색상과 물성 등의 관능품질도 기존 가열방식 보다 더 우수하였다. 또한 가열 방법에 관계 없이 점도가 높아질수록 살균력이 낮아지는 경향을 보였는데 이는 점도에 따라 가열 살균 시 요구되는 온도와 시간이 다르다는 것을 의미한다.
- 4(B)). 추세선의 식은 y=0.002x+90.94 (R2=0.768), B1을 제외한 나머지 시료들의 추세선의 식은 y=0.005x+89.94 (R2=0.860)로 레이놀즈 수가 클수록 살균도가 높은 것으로 나타났다. 그리고 관 내부에서 시료의 흐름이 불안정적일수록, 점도가 낮은 시료일수록 살균도가 더 높게 나타났다.
후속연구
- 48% 증가하였는데 이는 수분함량의 감소와 관련이 있는 것으로 보여진다. 옴가열에 있어 염화소듐 함량은 전기전도도와 밀접한 관련이 있기 때문에 미세한 차이라 할지라도 열전달 속도에 영향을 미칠 수 있으므로 향후 이에 대한 세부적 연구가 필요할 것으로 사료된다(10,11).
- 0%로 살균력이 더 우수하였다. 향후 연속식 옴가열 장치의 살균효과를 더 높이기 위해서는 여러 개의 셀 연결 방식을 통해 한 개의 셀에서 온도를 조금씩 상승시켜 스케일생성을 방지하는 연구와 셀 통과시 빠른 온도 상승에 의한 점도변화로 살균 처리량이 변하기 때문에 최적 셀 조합 및 가열살균조건에 대한 충분한 고찰이 필요할 것으로 생각된다.
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