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문제 정의
- 따라서 본 연구는 전자레인지 가열에 의한 포장재 변형의 원인과 기작을 규명하기 위한 선결 조건으로서, 전자레인지 가열 시 식품과 포장재의 온도 변화를 열화상 카메라, 광섬유 온도계 및 온도센서 테이프 등을 이용하여 측정함에 있어서 각 측정 방법의 정확성과 문제점을 파악함으로써 안정된 전자레인지 포장시스템 구축을 위한 기술 개발에 활용하고자 수행되었다.
제안 방법
- 전자레인지로 포장된 식품을 가열 시 포장재의 온도 변화는 식품 자체의 온도보다 높고 국소적인 온도 측정 기술을 요한다. 공시 시료로 매운맛 닭 소스와 인도카레의 전자레인지 가열 시 포장재와 시료의 온도를 열화상 카메라, 온도센서 테이프 및 광섬유 온도계를 이용하여 측정하였다. 스탠딩 파우치 형태의 포장은 전자레인지 가열 조리 시 내용물의 불균일한 가열이 관찰되어 특정 부위, 특히 액위선 상단과 측면 sealing layer 에 열이 집중되는 현상이 발생하였다.
- 한편, 광섬유 온도계의 개선된 측정 방법으로서, 4개의 광섬유 센서(Fotemp TS 5, Optocon AG, Dresden, Germany) 중 T1, T2과 T3는 hot-spot으로 예상되는 액위선 상단 부위의 포장재 내면에 내열성 접착테이프로, 그리고 T4는 cold spot으로 예상되는 중심 부위에 파우치 하단으로 찔러 넣은 후 실리콘-고무 접착제로 고정시켰다. 그 후 출력 800 W의 전자레인지(R-651, Sharp, Osaka, Japan)를 이용하여 2분간 가열하였으며 이 때 온도는 센서 fiber 끝에 GaAs(gallium arsenide) crystal의 광학적 반사/투과도에 따른 온도 차이를 분광분석 방법으로 측정하는 센서(Fotemp TS 5, Optocon AG, Dresden, Germany)가 장착된 다채널 광섬유 온도계 (Fotemp MK, Lambda Photometrics Ltd., Batford Mill, UK) 로 측정되었다. 이와 같은 crystal sensor tip의 위치와 사이즈 등이 표시된 광섬유 온도 센서는 Fig.
- , Washington DC, NW, USA)을 이용하여 변화를 추정하였다. 그리고 온도센서 테이프(Thermo Label 5E, Nichiyu Giken Kogyo Co., Ltd., Kawagoe, Japan)를 포장재 외면에 접착시킨 후 온도 변화를 측정하였다. 온도센서 테이프 재질의 성분 분석을 위하여 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope) (Inspect F, FEI, Hillsboro, OR, USA)과 에너지분산형 X선 분석장치(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS) (TEAMTM, EDAX Inc.
- 이 때 전자레인지 회전테이블과 내부의 가열된 공기로부터 열이 전달되는 것을 막기 위하여 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) slab을 시료더미 맨 위와 아래에 끼워 넣었다. 그리고 파우치 중간에 thermocouple 온도계(306 data logger, Conrad Electronics, Hirschau, Germany)를 삽입한 다음 800 W 출력의 전자레인지(RE-C20YW, Samsung Electronics Co., Ltd., Seoul, Korea)로 2분간 가열하면서 온도를 측정하였다.
- 온도 측정에 사용된 온도센서 테이프의 성분은 제조 회사에서 밝히지 않아 정확히 파악할 수는 없었으나 금속계 물질, 염류 또는 색소 성분이 혼합된 것으로 추정된다. 금속류는 전자파를 반사하고 열을 발생할 수 있으므로 온도센서 테이프 자체가 부정확한 온도 측정을 야기할 수 있을 것으로 판단되어 아래와 같은 추가 조사를 수행하였다. 온도센서 테이프의 색이 변하는 부위를 칼로 긁어낸 후 SEM으로 측정한 결과 Fig.
- 는 포장재를 유백색 처리할 때 첨가되는데 온도센서 테이프에 티타늄이 사용된 것으로 보아 일정 부분 측정된 센서의 온도에도 영향을 미쳤을 가능성을 완전히 배제할수 없었을 것으로 사료되었다. 따라서 티타늄의 온도 상승 효과 여부를 간접적으로 확인하기 위하여 TiO2가 3% 첨가된 유백색 포장재와 무첨가 포장재를 전자레인지로 각각 2분간 가열 후 최초와 종료 시점의 온도를 비교한 결과는 다음 Table 1과 같았다. 즉, TiO2 무첨가 포장재의 경우 최초 22.
- 또한 광섬유 온도계(OSR-8, FISO Technologies Inc., Quebec, Canada)의 probe를 포장재 내 소스의 중앙, 가장자리와 액위선 위치에 꽂고 1,350 W 출력을 갖는 전자레인지 (NN-S763WF, Panasonic, Osaka, Japan)에서 2분간 가열하면서 온도 변화를 측정하였다.
- , Mahwah, USA)를 사용하였다. 분석을 위해 센서 부분을 칼로 긁어낸 입자를 코팅기(Leica EM SCD005, Leica Microsystems, Wetzlar, Germany)를 사용하여 백금(Pt)으로 증착한 후 SEM으로 10 kV의 가속전압하에서 2,000 배율로 관찰하였고, EDS 분석은 live time 60 sec에서 실시하였다.
- 열화상 카메라로 측정한 결과를 바탕으로 온도가 높게 상승하는 액위선 상단 부분과 온도 상승이 천천히 이루어지는 소스 중심부에 대하여 광섬유 온도계로 측정하였다. Fig.
- , Seoul, Korea)를 이용하여 700 W로 2분간 가열하였다. 온도 변화는 적외선 열화상 카메라(TH7102MV, NEC, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였는데, 이 때 전자레인지 문에 설치된 강화유리로 인하여 적외선이 일부 반사됨에 따라 온도가 낮게 측정되는 경향이 있어 유리를 제거한후 측정하였다. 한편 전자레인지 가열 후 꺼내지 않은 상태에서 문을 열자마자 식품 시료의 표면온도를 열화상 카메라의 capture 기능을 이용하여 1.
- , Kawagoe, Japan)를 포장재 외면에 접착시킨 후 온도 변화를 측정하였다. 온도센서 테이프 재질의 성분 분석을 위하여 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope) (Inspect F, FEI, Hillsboro, OR, USA)과 에너지분산형 X선 분석장치(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS) (TEAMTM, EDAX Inc., Mahwah, USA)를 사용하였다. 분석을 위해 센서 부분을 칼로 긁어낸 입자를 코팅기(Leica EM SCD005, Leica Microsystems, Wetzlar, Germany)를 사용하여 백금(Pt)으로 증착한 후 SEM으로 10 kV의 가속전압하에서 2,000 배율로 관찰하였고, EDS 분석은 live time 60 sec에서 실시하였다.
- 일부 소스류 제품에 사용된 스탠딩 파우치에서 전자레인지 가열조리 시 열변형이 발견되어 이의 원인을 규명하고자 온도 변화 패턴을 조사하였다. 전자레인지로 포장된 식품을 가열 시 포장재의 온도 변화는 식품 자체의 온도보다 높고 국소적인 온도 측정 기술을 요한다.
- 전자레인지 가열시 수증기가 배출될 수 있도록 소스 제품의 포장재 오른 쪽 상단에서 약 1 cm 아래 측면 부분을 약 3 cm 가량 자른 후, 제품 포장지에 제시된 조리법에 따라 회전 테이블형 전자레인지(M-M270FP, LG Electronics Inc., Seoul, Korea)를 이용하여 700 W로 2분간 가열하였다. 온도 변화는 적외선 열화상 카메라(TH7102MV, NEC, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였는데, 이 때 전자레인지 문에 설치된 강화유리로 인하여 적외선이 일부 반사됨에 따라 온도가 낮게 측정되는 경향이 있어 유리를 제거한후 측정하였다.
- 전자레인지로 매운 맛 닭 소스와 인도카레 제품을 포장한 스탠딩 파우치 제품 내에서 온도가 가장 빨리 상승한 부위와 가장 천천히 상승한 부위에서의 온도를 thermocouple data logger를 이용하여 비교 측정하였다(Table 2). 그 결과 인도카레와 매운 맛 닭 소스 시료들의 액위선에 가까운 측면 모서리 부위에서의 온도 상승률은 22℃/sec와 31℃/sec 로서 내용물의 중심 부위에서의 0.
- 한편 본 실험에 사용된 전자레인지 문에 장착된 철망의 메쉬 사이즈는 약 2.4 mm로서 열화상 카메라에 사용되는 수 μm 파장의 적외선은 철망을 투과할 것으로 판단되었으나, 유리가 있을 경우 열화상 카메라에서 주사된 적외선이 반사되어 온도가 실제보다 낮게 측정되는 경향이 관찰되어 유리를 제거하고 온도를 측정하였다.
- 온도 변화는 적외선 열화상 카메라(TH7102MV, NEC, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였는데, 이 때 전자레인지 문에 설치된 강화유리로 인하여 적외선이 일부 반사됨에 따라 온도가 낮게 측정되는 경향이 있어 유리를 제거한후 측정하였다. 한편 전자레인지 가열 후 꺼내지 않은 상태에서 문을 열자마자 식품 시료의 표면온도를 열화상 카메라의 capture 기능을 이용하여 1.5초 간격으로 15초간 측정하였다. 경과 시간에 따른 측정 온도는 Excel program (Microsoft Office Excel 2007, Microsoft Corp.
- 한편, 광섬유 온도계의 개선된 측정 방법으로서, 4개의 광섬유 센서(Fotemp TS 5, Optocon AG, Dresden, Germany) 중 T1, T2과 T3는 hot-spot으로 예상되는 액위선 상단 부위의 포장재 내면에 내열성 접착테이프로, 그리고 T4는 cold spot으로 예상되는 중심 부위에 파우치 하단으로 찔러 넣은 후 실리콘-고무 접착제로 고정시켰다. 그 후 출력 800 W의 전자레인지(R-651, Sharp, Osaka, Japan)를 이용하여 2분간 가열하였으며 이 때 온도는 센서 fiber 끝에 GaAs(gallium arsenide) crystal의 광학적 반사/투과도에 따른 온도 차이를 분광분석 방법으로 측정하는 센서(Fotemp TS 5, Optocon AG, Dresden, Germany)가 장착된 다채널 광섬유 온도계 (Fotemp MK, Lambda Photometrics Ltd.
대상 데이터
- 포장재의 열변형 패턴과 온도 측정을 위한 공시 시료로서 국내에서 시판되는 전자레인지 가열용 RTE 제품 중 매운 맛 닭 소스, 인도카레 및 자장 소스가 사용되었다. 이러한 제품에 사용된 포장재는 스탠딩 파우치(stand-up pouch) 형태로서 높이 155 mm, 폭 140 mm, 그리고 bottom gusset(BG)이 40 mm의 크기였다. 재질은 G-PET 12 μm/PET 12 μm/PET 12 μm/CPP 70 μm로 구성되었다.
- 재질은 G-PET 12 μm/PET 12 μm/PET 12 μm/CPP 70 μm로 구성되었다.
- 전자레인지 가열용 외국 시료로서 spicy chorizo & pulled chicken with black bean(Campbell, USA)가 조사되었는데, 이 제품의 포장재는 스탠딩 파우치 형태로서 재질은 PET 12 μm/PET 12 μm/PA 15 μm/CPP 70 μm로 구성되었다.
- 포장재의 열변형 패턴과 온도 측정을 위한 공시 시료로서 국내에서 시판되는 전자레인지 가열용 RTE 제품 중 매운 맛 닭 소스, 인도카레 및 자장 소스가 사용되었다. 이러한 제품에 사용된 포장재는 스탠딩 파우치(stand-up pouch) 형태로서 높이 155 mm, 폭 140 mm, 그리고 bottom gusset(BG)이 40 mm의 크기였다.
데이터처리
- 5초 간격으로 15초간 측정하였다. 경과 시간에 따른 측정 온도는 Excel program (Microsoft Office Excel 2007, Microsoft Corp., Washington DC, NW, USA)을 이용하여 변화를 추정하였다. 그리고 온도센서 테이프(Thermo Label 5E, Nichiyu Giken Kogyo Co.
성능/효과
- TiO2는 포장재를 유백색 처리할 때 첨가되는데 온도센서 테이프에 티타늄이 사용된 것으로 보아 일정 부분 측정된 센서의 온도에도 영향을 미쳤을 가능성을 완전히 배제할수 없었을 것으로 사료되었다. 따라서 티타늄의 온도 상승 효과 여부를 간접적으로 확인하기 위하여 TiO2가 3% 첨가된 유백색 포장재와 무첨가 포장재를 전자레인지로 각각 2분간 가열 후 최초와 종료 시점의 온도를 비교한 결과는 다음 Table 1과 같았다.
- 4℃로 각각 측정되었다. 광섬유 온도계로 측정된 온도는 열화상 카메라에서보다 높았으며, 가열이 시작된 지 약 30초 동안 온도가 급격히 상승하여 약 2분 후 최고 온도에 도달하였으나 그 이후로는 큰 온도 변화가 일어나지 않았다.
- 전자레인지로 매운 맛 닭 소스와 인도카레 제품을 포장한 스탠딩 파우치 제품 내에서 온도가 가장 빨리 상승한 부위와 가장 천천히 상승한 부위에서의 온도를 thermocouple data logger를 이용하여 비교 측정하였다(Table 2). 그 결과 인도카레와 매운 맛 닭 소스 시료들의 액위선에 가까운 측면 모서리 부위에서의 온도 상승률은 22℃/sec와 31℃/sec 로서 내용물의 중심 부위에서의 0.15℃/sec와 0.11℃/sec 보다 각각 147배 및 282배 정도 빨리 일어난 것으로 확인되었다.
- 온도센서 테이프를 이용할 경우 200℃까지 온도까지 측정되어 전자레인지 가열 과정 중 포장재 변형 현상이 야기될 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다. 그리고 전자레인지 가열 시 포장재 표면의 온도 변화를 기존 광섬유 온도계로 측정할 경우 실제 온도보다 낮게 측정되는 결과가 초래되므로, 좁은 범위에서의 hot spot의 온도 변화를 감지할 수 있는 방법으로 GaAS crystal 센서를 사용함으로서 기존 센서보다 더 민감하고 정확한 온도 측정이 가능하였다.
- 그러나 반대로 침투 깊이가 식품크기보다 훨씬 작을 경우 가열은 표면에 가까운 부분에 제한됨에 따라 불균일 가열이 일어난다. 따라서 본 실험에서 스탠딩 파우치로 포장된 시료와 같이 아랫면이 넓고 상대적으로 윗면이 좁아지는 포장 형태뿐 아니라 측면 및 하부 실링면과 같이 각진 모서리 부분이 많은 경우 국소적 hot spot이 일어날 가능성이 상대적으로 높아졌을 것으로 예상된다.
- 소스 중심부의 온도는 가열된 2분간 100℃를 넘지 못했으나, 소스 가장자리 부분(2번)은 전자레인지 가열 15초 만에 100℃에 도달하였으며, 소스 액위선 아랫부분(3번)과 윗부분(4번)은 각각 59초와 38초 후 100℃ 에 도달하였다. 따라서 전자레인지로 소스를 가열시 포장재 가장자리 부분의 온도가 가장 빨리 상승하고 소스 중심부의 온도가 천천히 상승하여 제품 내 온도 편차가 발생하는 것을 확인하였다.
- 본 실험에서는 전자레인지 가열 후 포장재의 액위선 윗부분과 소스가 튀는 포장재의 headspace 부분에서 온도가 가장 높았고 열 변형이 주로 발생된 것으로 확인되었는데, 이때 열화상 카메라로 측정된 온도는 최고 90.4℃이었다 (Fig. 2). 한편 매운 맛 닭 소스 제품 및 포장재 부위별 온도를 측정한 결과(Fig.
- 열화상 카메라를 이용한 온도 측정 방법은 식품의 표면 온도를 측정하는 제약이 있고 실제 식품의 온도보다 낮게 측정되는 경향을 보였다. 온도센서 테이프를 이용할 경우 200℃까지 온도까지 측정되어 전자레인지 가열 과정 중 포장재 변형 현상이 야기될 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다. 그리고 전자레인지 가열 시 포장재 표면의 온도 변화를 기존 광섬유 온도계로 측정할 경우 실제 온도보다 낮게 측정되는 결과가 초래되므로, 좁은 범위에서의 hot spot의 온도 변화를 감지할 수 있는 방법으로 GaAS crystal 센서를 사용함으로서 기존 센서보다 더 민감하고 정확한 온도 측정이 가능하였다.
- 6℃ 상승함으로써 TiO2가 첨가된 포장재의 경우 온도 상승이 약 3℃ 정도 높게 이루어진 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 보면 유백색 처리된 포장재의 경우 전자레인지 가열시 무처리 제품보다 온도 상승 효과가 다소 발생될 수 있을 것으로 추측된다. 그러나 본 실험에서와 같이 전자레인지 가열 시 포장재 내면에 내용물이 건조고화되고 온도가 100℃이상으로 가열되는 상황에서 온도 센서 테이프를 포장재 외면에 부착하였을 경우 실제 포장재내면의 온도가 얼마나 정확히 측정되었을지 그리고 티타늄이 포장재의 온도 상승에 얼마나 더 직접적으로 기여하였는지에 대한 연구는 추가적으로 수행될 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 접착식 온도센서 테이프를 이용하여 전자레인지 가열시 포장재의 온도 변화를 측정한 결과, 조사된 매운 맛 닭 소스, 인도카레 및 자장 소스 등 3가지 제품 모두에서 최고 200℃이상의 온도까지 측정되었다(data not shown). 이 중에서 Fig.
- 따라서 티타늄의 온도 상승 효과 여부를 간접적으로 확인하기 위하여 TiO2가 3% 첨가된 유백색 포장재와 무첨가 포장재를 전자레인지로 각각 2분간 가열 후 최초와 종료 시점의 온도를 비교한 결과는 다음 Table 1과 같았다. 즉, TiO2 무첨가 포장재의 경우 최초 22.5℃에서 종료 시점에는 44.1℃로 약 21.6℃ 상승한 반면, 무첨가 포장재의 경우에는 최초 23.0℃에서 종료 시점에는 41.6℃로 18.6℃ 상승함으로써 TiO2가 첨가된 포장재의 경우 온도 상승이 약 3℃ 정도 높게 이루어진 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 보면 유백색 처리된 포장재의 경우 전자레인지 가열시 무처리 제품보다 온도 상승 효과가 다소 발생될 수 있을 것으로 추측된다.
- 2와 3에서 보는 바와 같이 스탠딩 파우치에 포장된 매운 맛 닭 소스를 전자레인지로 가열 중 열화상 카메라를 이용하여 point 1~9의 다양한 부위에서의 온도 변화를 측정한 결과, 포장재 내 headspace 부분의 온도가 가장 먼저 상승하였다. 최종적으로는 밀봉 면 모서리(sealing edge) 부분과 소스 액위선 윗부분의 온도가 가장 높았고, 소스가 담겨있는 중심부의 온도가 가장 천천히 상승하였던 것으로 확인되었다. 전자레인지 가열시 포장재의 기하학적 구조와 오븐 cavity내에서의 전자파의 주사 방향에 따라 온도 상승이 영향을 받으며, 특히 포장 내부의 모서리와 구석진 부위에 전자파가 집중됨으로 인해 과열의 개연성이 있다(21).
- 한편 본 실험에서 사용된 광섬유 온도 센서 중 FISO 센서의 온도 감지존은 IVV에서 사용된 GaAS crystal Fotemp 센서에서보다 훨씬 넓었다. 측정된 온도는 감지존의 평균 값으로 표시되므로 작은 hot spots의 온도는 FISO 센서에서 측정된 전체 온도 증가치를 나타내지는 못 할 것으로 판단 된다.
- 한편, FISO 센서가 부착된 광섬유 온도계로 인도카레의 온도를 측정한 결과(Fig. 9) 포장 내 소스 시료 중심부의 온도(1번)는 다른 부위에 비해 온도가 가장 천천히 상승하여, 2분 동안 최고 88.8℃까지 상승하였다. 이에 반하여 각부분의 최고 온도는 소스 가장자리 부분(2번)은 114초 후 114.
후속연구
- 이러한 결과를 보면 유백색 처리된 포장재의 경우 전자레인지 가열시 무처리 제품보다 온도 상승 효과가 다소 발생될 수 있을 것으로 추측된다. 그러나 본 실험에서와 같이 전자레인지 가열 시 포장재 내면에 내용물이 건조고화되고 온도가 100℃이상으로 가열되는 상황에서 온도 센서 테이프를 포장재 외면에 부착하였을 경우 실제 포장재내면의 온도가 얼마나 정확히 측정되었을지 그리고 티타늄이 포장재의 온도 상승에 얼마나 더 직접적으로 기여하였는지에 대한 연구는 추가적으로 수행될 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 전자레인지는 우리나라를 비롯한 선진국들의 경우 약 80% 이상의 높은 가정보급률을 나타내는 보편적인 주방조리기구로서, 식품을 신속하고 간편하게 가공 또는 조리할 수 있는 이점 때문에 가정뿐 아니라 식품산업에서도 다양하게 이용되고 있다(1,2). 그리고 맞벌이 부부 및 1인 가구의 증가와 주 5일 근무제 확산, 그리고 편리함을 추구하는 바쁜 현대인의 식생활 추세에 맞추어 즉석섭취(ready-to-eat, RTE)용 전자레인지 조리 식품류의 소비가 증가할 것으로 예상된다.
- 한편 본 실험에서 사용된 광섬유 온도 센서 중 FISO 센서의 온도 감지존은 IVV에서 사용된 GaAS crystal Fotemp 센서에서보다 훨씬 넓었다. 측정된 온도는 감지존의 평균 값으로 표시되므로 작은 hot spots의 온도는 FISO 센서에서 측정된 전체 온도 증가치를 나타내지는 못 할 것으로 판단 된다. 따라서 전자레인지 가열 과정 중 식품 및 포장재의 본래 온도는 본 실험에서 측정된 온도보다 더 높았을 것으로 추측된다.
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