[논문]전기 자기장을 이용한 식품보존 신기술

오종택

전기 자기장을 이용한 식품보존 신기술 원문보기

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문제 정의

화학적 방법으로는 이산화탄소, 오존, 박테리오신, 양이온 다중 고분자(polycationic polymer)와 같은 화학물질, 세포벽 분해 효소(lytic enzyme) 등을 이용한다. 본 원고에서는 동결 동안 높은 전기장에서 과냉각도의 저하 및 전기 자기장에서의 식품의 얼음 결정과 그것의 제어에 대해 소개하고자 한다.^1~4)

제안 방법

백금 표준 온도계로 보정된 온도 센서는 시료 1 mm 중앙 하부의 측정 셀(cell)에 설치하였으며, 실험 장치는 주위 공기로부터 열을 차단하기 위하여 10℃ 냉각 기내에서 수행하였다. 1.6 ml 샘플을 3℃/min 속도로 -22℃까지 하강시켰으며 주어진 실험 조건에서 10회 반복 측정하였고 각 실험마다 새로운 샘플을 사용하였다. 그림 3은 실험에 이용한 장치이다.
기존 연구자들 대부분은 균일한 실험 샘플을 이용하여 전기장의 강도를 두 전극의 전위차를 전극 사이의 거리로 나눈 V/m로 나타내었으며, 본 실험에서는 두 전극 사이의 거리를 2 mm로 하였다. 실험에 사용된 시료수는 17,000이고 유전체의 유전율은 공기 1, 아세탈(acetal) 3.
물 동결에 미치는 전기장의 영향에 대해 그동안 발표된 바가 없으며, 본 실험에서는 전압차 0~12 kV 에서 과냉각을 관찰하였다. 두 전극 사이의 전위차를 증가시켰을 때 과냉각의 크기는 영향을 받았으며 전위차가 클수록 과냉각은 더 저하되었다.

대상 데이터

기존 연구자들 대부분은 균일한 실험 샘플을 이용하여 전기장의 강도를 두 전극의 전위차를 전극 사이의 거리로 나눈 V/m로 나타내었으며, 본 실험에서는 두 전극 사이의 거리를 2 mm로 하였다. 실험에 사용된 시료수는 17,000이고 유전체의 유전율은 공기 1, 아세탈(acetal) 3.6 및 물 80으로 나타났다. 표 1에 전압차와 유효 전기장을 나타내었다.
그림 2의 샘플 용기는 유전체(Acetal Ertacetal-내전압 20 KV/mm)이며, 용기 중간에 20×20×51 mm 크기의 사각 구명을 설치하였다. 알루미늄 전극은 샘플 용기 표면 위의 2 mm 위치에 설치하였고, 시스템 온도제어에 사용하는 접지 전극은 Peletier 소자의 금속판이다. 고전압은 DC generator에서 공급되고, 측정된 온도는 데이터 로거에 연결되어 PC에 저장된다.

성능/효과

PEF 처리는 임의의 온도에서 단시간에 행할 수 있으며, 식품의 가열에 의한 에너지의 손실을 최소화하게 한다. PEF 살균을 할 경우 열처리에 비해 10%이상 에너지 절감 효과가 있는 것으로 나타났다.²⁾ PEF 살균이 현재 파일럿 규모에서 행해지고 있지만 산업적인 응용이 가능할 것으로 기대된다.
물 동결에 미치는 전기장의 영향에 대해 그동안 발표된 바가 없으며, 본 실험에서는 전압차 0~12 kV 에서 과냉각을 관찰하였다. 두 전극 사이의 전위차를 증가시켰을 때 과냉각의 크기는 영향을 받았으며 전위차가 클수록 과냉각은 더 저하되었다. 핵 생성 온도 T_N은 전위차의 함수로서 표 2에 나타내었다.
외부 전기장이 적용되었을 때 빙 결정 현상에 대해 나타내었으며, 증류수 및 10% v/v 프로판디올 수용액은 외부 전기장 하에서 과냉각의 크기가 감소함을 알 수 있었다. 이것은 에탄올 수용액에서 관찰된 것과 같은 현상이며, 만약 이 현상이 지속적으로 식품 시스템 대해 유효하다면 다시 말해 빙 결정 크기와 식품의 미세구조에 영향을 준다면 실험적 연구는 더 계속돼야 할 것이다.
증류수 동결 과정과 마찬가지로 중요한 과냉각이 관찰되었으며, 전극 사이의 전압을 10 kV 증가시키면 과냉각의 크기는 감소하였다. 핵 생성 온도 T_N은 0 kV와 비교했을 때 CA 2℃까지 증가하였으며, 그 차이는 통계적으로 95%의 신뢰를 나타내었다.

후속연구

PEF 살균을 할 경우 열처리에 비해 10%이상 에너지 절감 효과가 있는 것으로 나타났다.²⁾ PEF 살균이 현재 파일럿 규모에서 행해지고 있지만 산업적인 응용이 가능할 것으로 기대된다.
위의 방정식 (2)는 물 프로판디올 수용액 및 에탄올 수용액에서 관찰되는 현상에 대한 이론식을 나타낸 것이다. 앞으로의 연구는 만약 빙 결정의 크기 및 동결 식품의 구조에 영향을 미치는 것이 있다면 현장의 음식 시스템에 영향을 주는 정적 전기장의 영향에 대해 연구되어야 할 것이다.
외부 전기장이 적용되었을 때 빙 결정 현상에 대해 나타내었으며, 증류수 및 10% v/v 프로판디올 수용액은 외부 전기장 하에서 과냉각의 크기가 감소함을 알 수 있었다. 이것은 에탄올 수용액에서 관찰된 것과 같은 현상이며, 만약 이 현상이 지속적으로 식품 시스템 대해 유효하다면 다시 말해 빙 결정 크기와 식품의 미세구조에 영향을 준다면 실험적 연구는 더 계속돼야 할 것이다. 그리고 외부 전기장은 빙 결정 크기를 감소시키는 것으로 밝혀졌다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

식품 산업에 있어서 가장 중요한 과제 두 가지는?

식품 산업에 있어서 가장 중요한 과제는 제품 유통 기간 중의 안전성과 안정성을 확보하는 것과 식품 본연의 품질을 유지한 상태로 유통 기한을 연장하는 것이라 하겠다. 원료와 생산품을 고품질의 신선도로 유지하면서 식중독과 부패를 방지하는 기술로 현재 가장 활발히 연구되고 있는 것은 최소가공기술(minimal process technology)이다.

비가열 가공 기술의 단점은?

일반적으로 초고압은 액체 및 고체 식품, 광 펄스, 고전압 펄스 자기장은 액체식품, 이온 조사법은 고체 식품에 이용이 가능한 장치이다. 따라서 대상 식품에 따라그 적용 기술이 다르며, 한 가지 기술을 모든 식품 분야에 적용할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 화학적 방법으로는 이산화탄소, 오존, 박테리오신, 양이온 다중 고분자(polycationic polymer)와 같은 화학물질, 세포벽 분해 효소(lytic enzyme) 등을 이용한다.

식품의 저장 기간을 줄이는 대표적인 원인은?

최소가공기술이란, 식품 본래의 신선한 품질을 그대로 유지하면서 식중독 및 부패 미생물을 최소화시켜 저장수명을 연장시키는 최소 처리(the least possible treatment) 가공 기술을 말한다. 식품의 저장기간을 단축시키는 대표적인 원인으로 효소에 의한 품질 저하와 미생물에 의한 부패를 들 수 있으며, 식품의 보존성을 향상시키기 위하여 전통적으로 가열, 건조, 냉동 등의 물리적 방법이나 식품 보존제 첨가와 같은 화학적 방법을 사용하여 왔다. 그러나 가열 공정은 열에 의한 영양 성분의 파괴, 텍스처와 색의 변화, 향기 성분의 손실 등 품질 저하를 피할 수 없다.

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