KR100794387B1 - 액상식품의 동결농축 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 동결농축 방법은 액상식품을 예비냉각시켜 빙결정 핵형성 후, 결정화하여 스크래핑에 의해 얼음을 분리하는 제 1단계와, 가열 및 냉각 충격시켜 재결정 및 숙성시킨 후, 분리 및 농축하는 제 2단계로 구성된 액상식품의 동결농축 방법이다.

본 발명의 액상식품의 동결농축 방법에서 사용할 수 있는 동결농축 장치는 구동부에 모터와 교반기, 관내부의 온도 변화를 측정하기 위한 측정부에 열선과 기록계, 액상식품의 수분을 동결시키기 위한 쟈켓관으로 된 냉매순환부에 입구와 출구를 구비하고, 동결된 얼음을 제거하기 위한 얼음분리부에 스크래퍼와 여과망 및 밸브를 구비하고, 농축액의 이송을 위한 농축액이송부에 진공펌프와 저장조 및 이송관으로 구성되어 있다.

특히 액상식품의 수분함량을 낮추고 고형물 함량을 높이기 위하여 동결농축 장치를 단수 또는 복수로 동일하게 구성할 수 있다.

본 발명은 액상식품 중의 수분을 결정화된 얼음 입자로 만든 후 기계적으로 분리하여 원재료의 변질이나 손상없이 고형성분의 농도를 높이고 수분함량을 낮추는 동결농축 방법을 제공한다. 특히 낙농산업에 있어서 농축유는 저장성의 증대, 수송상의 편리함 도모 및 다양한 유가공제품 생산을 위하여 널리 사용되어 왔으나 열처리에 의해 농축하게 되면 우유의 이화학적 및 영양상의 변화를 초래하게 된다. 그러나 이 본 발명은 비열처리 방법에 의해 우유에 함유된 수분함량을 동결농축하 면 3∼15%까지 줄일 수 있는 획기적인 농축방법을 제공한다.

Description

액상식품의 동결농축 방법{Method for Freeze Concentration of Liquid Foods}

도 1은 본 발명의 동결농축 공정이다.

도 2는 본 발명의 장치의 구성도이다.

도 3은 온도영역(a,b,c,d)에 따라 각기 다른 성질을 지닌 얼음이 형성되는 것을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1. 교반기(motor) 2. 열선

3. 기록계

4. 장치(Stainless steel vessel) 및 쟈켓관(jacket)

5. 냉매입구 6. 냉매출구

7. 스크래퍼(Teflon scrapper) 8. 여과망

9. 밸브 10. 진공펌프

11. 저장조 12. 이송관

본 발명은 액상식품의 동결농축 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 동결농축 장치의 구동부에 모터와 교반기, 관내부의 온도 변화를 측정하기 위한 측정부에 열선과 기록계, 액상식품의 수분을 동결시키기 위한 쟈켓관으로 된 냉매순환부에 입구와 출구를 구비하고, 동결된 얼음을 제거하기 위한 얼음분리부에 스크래퍼와 여과망 및 밸브를 구비하고, 농축액의 이송을 위한 농축액이송부에 진공펌프와 저장조 및 이송관으로 구성되어 있다. 본 장치에 액상식품을 넣고 예비냉각시켜 빙결정을 핵형성시킨 후, 결정화하여 얼음을 분리하는 제 1단계와, 가열 및 냉각 충격시켜 재결정 및 숙성시킨 후, 분리 및 농축하는 제 2단계로 구성되어 액상식품을 동결농축하여 원재료의 변질이나 손상없이 수분함량을 낮추는 데 있다.

특히 낙농산업에 있어서 농축유는 저장성의 증대, 수송상의 편리함 도모 및 다양한 유가공제품 생산을 위하여 널리 사용되어 왔다. 그러나 이 농축유를 만들기 위하여 열처리 공정이 가해 진다면 우유에 있어서의 주요 이화학적 및 구조적, 영양상의 변화를 초래(Velez-Ruiz and Barbosa-Canovas, 1998)하게 된다. 따라서, 근래에는 농축유의 품질적 측면을 보전하기 위하여 농축 공정에 있어서 비열처리 기술이 요구되고 있다. 대표적 비열처리 농축 기술로는 동결 농축을 들 수 있는데, 이는 액상식품중의 수분을 결정화된 얼음 입자로 만든 후 기계적 힘으로 분리하여 고형성분의 농도를 높이는 조작을 의미한다. 그러나 이 동결 농축 기술을 유제품에 적용시 최종 제품에서 고형 성분의 농축율을 일정 성분 이상 (10-17%) 으로 올리는 데 기술적 어려움이 있다. 그럼에도 불구하고, 농축유의 이화학적, 영양학적 및 관능적 특성 보전을 통하여 고부가가치 가공 유제품 생산을 위하여는 비열 처리 기술의 적용이 필수적이다. 따라서, 본 발명의 목적은 얼음 재결정화 과정이 우유의 동결 농축 공정에 미치는 영향을 규명하여 효과적인 동결 농축 기술을 개발하는데 있다.

대표적인 비열처리 기술인 동결농축공법은 외국에서 이미 1960년대에 실험단계를 통해 과일주스나 와인 및 맥주 산업에 이용되었고 이후 냉동기의 발달과 공정에 필요한 부수장치 및 제어장치 들의 개발에 힘입어 1970년대에 들어오면서 식품 각종 산업분야에서 부가가치를 높일 수 있는 기술로 각광받게 되었는데 특히 농축과실주스와 이들의 건조분말식품 고품질 분말커피의 생산을 위한 농축 맥주 및 포도주 생산 및 저장 1990년대에 들어와 우유제품의 고품질을 위해 부분적으로는 유가공 분야에도 도입되었다.

동결 농축의 장점은 비열처리기술로서 액상식품은 진공농축공법이나 가열 농축 공법 역삼투압방식에 비해 식품이 갖고 있는 풍미 맛 영양학적인 측면에서 많은 장점을 제공하고 있어 현재 선진국에서 새로운 제품을 개발하고 식품의 부가가치를 높일 수 있으며 실용화단계에 있는 첨단 가공기술로 각광을 받고 있다.

본 발명은 동결농축 장치를 이용하여 액상식품을 예비냉각하고 빙결정을 핵 생성시킨 후, 결정화하여 얼음을 분리하는 제 1단계와, 가열 및 냉각 충격하여 재결정 및 숙성시킨 후, 분리 및 농축하는 제 2단계로 구성되어 재결정화 공정에 의해 액상식품을 동결농축하여 원재료의 변질이나 손상없이 고형분함량을 높이고 수분함량을 낮추는 동결농축 기술을 제공하는데 있다.

본 발명의 액상식품의 동결농축 방법은 액상식품을 동결농축함에 있어서, 본체에 액상식품을 넣고 예비냉각하여 빙결정을 핵형성시킨 후, 결정화하여 얼음을 분리하는 제 1단계와, 스크래핑하면서 가열 및 냉각 충격시켜 재결정 및 숙성시킨 후, 분리 및 농축하는 제 2단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 본체의 온도를 -4.5℃까지 강하시킨후, 액상식품을 넣고 -4.5℃까지 강하시켜 예비냉각하여 빙결정 핵형성 및 동결시킬 수 있다.

상기에서 동결된 액상식품의 온도를 -2℃∼0℃까지 올려 가열쇼크를 일으켜 얼음과 잔류 고형물을 분리시킨 후, 온도를 다시 -1℃로 내려 냉각쇼크를 일으켜 동결시킬 수 있다.

상기에서 재결정은 여과망을 통해 얼음이 제거된 농축액을 2차 동결농축관으로 이송시켜 냉매의 온도를 -2.5℃로 유지시켜 관 내부의 온도를 -0.7℃ 내지 -2.0℃ 사이로 유지시켜 얼음의 재결정화할 수 있다.

상기에서 숙성시 온도는 -4.5℃ 내지 -2℃로 1 ∼ 8시간 동안 숙성시켜 농축액과 얼음을 분리할 수 있다.

상기에서 여과는 동결농축시 동결율이 40-50% 수준이 되었을 때 실시할 수 있다.

상기에서 스크래핑은 rpm을 50∼60으로 실시할 수 있다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.

본 발명은 동결농축 장치를 이용한 동결농축 방법에 관한 것으로 액상식품을 예비냉각→ 빙결정 핵형성→ 결정화→ 얼음 분리→ 가열 및 냉각 충격→ 재결정 및 숙성→ 분리 및 농축하는 순서로 구성되어 있다(도 1 참조).

본 발명의 동결농축 장치(batch type multi-stage)의 기본 원리는 쟈켓(jacket)형으로 하여 냉매를 순환시킬 수 있고 시료는 동결과 농축과정이 하나의 장치(vessel)에서 가능하도록 설계되고, 온도의 변화를 측정할 수 있는 시스템 및 조절시스템을 일체식으로 구성하고, 동결농축한 후 얼음을 분리할 수 있는 시스템과 이를 최적화 할 수 있도록 한다. 동결 농축기는 스텐레스 스틸을 소재로 200mm x Φ135mm 실린더베셀(vessel)에 냉매(coolant)가 순환 할 수 있는 쟈켓(jacket)을 만들고, 내부에 직경이 132 mm인 U형 스크래퍼(scrapper;Teflon)를 장착한다. 스크래퍼는 D.C. motor와 연결하여 50∼60rpm으로 회전시킨다. 베셀 내부에 시료의 온도변화를 측정하기 위해서는 K-형(Φ0.1mm)의 열선(thermocouple)을 장착하고 기록계로 기록계(data logger, Yokogawa, MV-100, Japan)를 이용하여 측정 및 분석한다. Vessel의 온도를 강하시키고 시료의 동결 및 숙성(ripening)을 유도하기 위해 베셀은 외부로부터 cryostat(Julabo F80, Germany)와 연결 시켜 냉매(coolant)를 순환시킨다. 동결 농축 공정이 끝난 후 시료와 얼음을 분리하기 위해 베셀 바닥에 는 200 mesh 금속 필터를 장착하고 진공펌프 시스템을 이용하여 감압하에 농축액과 얼음(slush)을 분리한다. 베셀에 형성된 농축유와 얼음은 금속 필터(200 mesh)를 통해 분리되고 여액인 농축액은 시료통(sample container)에 수거되고 통 바닥에 연결된 파이프를 통해 2차 동결농축시스템으로 전달된다. 일정한 양이 수거되면 냉각공정과 숙성 과정을 통해 농축을 유도하고, 이후 진공시스템을 통하여 여과액과 얼음을 분리한다.

본 발명의 동결농축 방법에 사용되는 동결농축 장치에 대한 일예를 도 2에 나타내었다.

도 2의 동결농축 장치는 동결농축 장치의 구동부에 모터와 교반기(1), 관내부의 온도 변화를 측정하기 위한 측정부에 열선(2)과 기록계(3), 액상식품의 수분을 동결시키기 위한 쟈켓관(4)으로 된 냉매순환부에 입구(5)와 출구(6)를 구비하고, 동결된 얼음을 제거하기 위한 얼음분리부에 스크래퍼(7)와 여과망(8) 및 밸브(9)를 구비하고, 농축액의 이송을 위한 농축액이송부에 진공펌프(10)와 저장조(11) 및 이송관(12)으로 구성되어 있다.

본 발명의 흐름성(Flow behavior)과 동결점(freeze point)은 동결농축의 가장 중요한 요소로서 원심분리법으로 동결 농축 공정 중 형성된 얼음 입자를 제거하기 위해서는 농축하고자 하는 시료가 흐름성을 유지하여야 하고, 흐름성을 유지하기 위해서는 동결 농축 공정 중 동결율을 고려하여야 한다. 동결율은 동결점(freeze point) 하에서 초기의 수분함량에 대하여 빙결정으로 변한 비율로 정의될 수 있다. 즉 동결시 식품의 전체 초기 수분함량 중의 형성된 얼음의 양으로 이 해될 수 있다. 동결점이 θf℃ 인 식품의 온도가 θ℃ 까지 내려간 경우 동결율의 m의 근사값은 다음식에 의해서 계산될 수 있다.

......식(1)

이를 토대로 동결률은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

......식(2)

일반적으로 동결율이 40-50% 정도를 유지해야 액상 식품의 경우는 흐름성을 지니게 된다. 이 수치 이상으로 동결율이 증대될 경우는 액상 식품이 흐름성을 잃게 되어 동결 농축 공정 중 여과가 불가능하게 된다. 따라서 여과는 동결농축시 동결율이 40-50% 수준이 되었을 때 실시하는 것이 좋다. 물론 동결율이 수준을 유지하는 것을 확인함과 더불어 형성된 얼음 입자의 크기도 고려하여야 하며, 얼음 입자의 크기는 다음의 분리 과정과 연관지어 생각할 수 있다.

또한 분리(separation)는 동결 농축 공정 중 분리 조작은 전술한 바와 같이 동결을 통하여 형성된 얼음입자를 제거하여 고형분의 농도를 높여 농축을 하기 위함이다. 동결 농축을 위한 얼음입자의 분리는 기계적분리의 일종으로서, 필터(filtration)법과 원심분리(centrifuge)법으로 대별 될 수 있다. 즉 동결되지 않은 액상 시료는 mesh를 통과하고 동결된 얼음 입자는 mesh를 통과하지 못하는 원리를 이용하여 얼음 입자를 분리하는 것이다.

Mesh는 그 체눈의 크기에 따라 여러 종류가 있는데, 이러한 체눈의 크기에 따른 mesh의 분류는 체망 길이 1인치(inch) 속에 들어있는 체눈(sieve apertures or opening)의 수에 따라 이루어진다 예를 들면 10mesh체라 하면 체의 1인치 길이내에 들어 있는 체눈의 수가 10개 있는 체를 말한다. 일반적으로 mesh를 통한 분리시 입자의 크기는 입자의 직경으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

+10 mesh: 10 mesh체를 통과하지 못하는 입자

-10 mesh: 10 mesh체를 통과하는 입자

-10 +20 mesh : 10 mesh체를 통과하나 20 mesh체를 통과하지 못하는 입자

그러나 위와 같은 분류는 입자의 크기를 정확히 측정하지 못하는 경우에 이루어지며 본 동결 농축 실험에서는 L301 실험실에서 자체 제작한 얼음 결정체 크기 분석기(ice crystal size analyser)를 통해 재결정에 의한 숙성과정 중의 얼음 입자 크기를 측정한다.

재결정화에 의한 얼음 결정체의 숙성(ripening process of ice-crystal by recrystallization)은 전술한 바와 같이 여과에 의해 얼음 결정체를 분리하여 농축율을 높이기 위해서는 가능한 큰 얼음 결정체를 만들어야 한다. 얼음 결정체가 작게 형성되어 결정체 입자의 직경이 mesh의 체눈 크기 보다 작게 될 경우는 여과가 불가능하기 때문이다. 이를 방지하기 위하여 동결 농축시에는 얼음 입자간의 재 결정화에 기인한 얼음 결정체의 숙성 공정(ripening process)이 필수적이다. 이 얼음 결정체의 숙성은 재결정공정 중 동적 재결정(dynamic recrystallization)에 의해 이루어진다. 다이나믹 재결정이란 얼음의 재결정화가 일정하지 않은 온도와 압력의 상태에서 이루어지는 것으로서 이러한 조건은 얼음 결정체의 재 결정화를 촉진한다. 다이나믹 재결정을 위하여 동결 농축 공정에서는 숙성과정 중 가열 및 냉 각(heat & cold shock)과 함께 스크래퍼에 의해 개개의 얼음 결정체에 재 결정화를 위한 압력을 가하게 된다. 먼저 가열쇼크에 의한 재 결정화에는 다이나믹 재결정화 중의 MRR(Melt-Refreeze Recrystallization)에 의해 상승된 온도 에 의해 작은 얼음 결정체들이 결정체를 형성하기 위한 최소 임계 직경을 이루지 못하고 녹게 된다. 이때 다시 온도를 강하하게 되면 얼음 결정체로부터 상변화 된 물 분자는 가열과정 중 녹지 않고 남아있는 얼음 결정체의 표면으로 이동하 다시 얼게 된다. 이는 새로운 얼음 결정체 형성(formation of new ice crystal)이 아닌 기존의 얼음 결정체가 보다 큰 얼음 결정체로 변하는 과정이다. 이를 동결 농축 공정에서는 숙성을 위한 가열 및 냉각쇼크(ripening heat and cold shock)라 한다.

그러나 숙성과정중 유의할 사항은 가열쇼크 또는 냉각쇼크시 급격한 온도의 변화는 바람직하여 못하며, ±0.5℃ 내외로 변화를 주는 것이 효과를 거둘 수 있다. 급격한 가열쇼크는 동결 과정 중 형성된 모든 얼음결정체의 해동을 초래하여 재동결(re-freezing)시 얼음결정종자(seed ice crystal)의 역할을 행하는 얼음 입자까지 없앨 수 있기 때문이다. 또한 급격한 냉각쇼크는 동결율이 지나치게 높아져 흐름성의 상실을 초래하기 때문에 분리를 불가능하게 한다. 가열/냉각쇼크 온도 이외에도 한 가지 더 고려해야 할 사항은 온도 변수로 농축공정 개시시 ice crystal nucleation을 위해 설정해야 하는 초기 냉매 설정 온도 (initial coolant setting temperature)이다. 초기 냉매설정온도가 높을 경우에는 빙결정 핵형성이 불가능하고, 지나치게 낮을 경우에는 동결율의 증대와 더불어 흐름성의 상실을 초래하기 때문이다. 또한 지나치게 낮게 설정된 냉매온도, 즉 급속 동결 조건은 동결 농축 공 정에서 바람직하지 못한 작은 얼음 결정체(fine ice crystal)를 형성하기 때문이다. 이는 동결 속도에 따른 핵 형성 및 얼음 결정체 성장 속도의 차이에 기인한다. 이를 도식적으로 나타낸 것이 도 2(tanmann diagram)에 제시되어 있다. 도 3에 따르면 온도영역(a,b,c,d)에 따라 각기 다른 성질을 지닌 얼음이 형성되는 데, 동결농축에서 초기냉매온도는 a 영역인 -3.5℃∼-4.5℃에서 이루어 지고 있다. 물론 b영역의 경우는 동결율이 지나치게 높아 흐름성을 잃는 단점이 있다. 이와 함께 반드시 고려해야 할 점은 가열/냉각쇼크시 적절한 시간 간격의 유지가 필요하고, 농축기 외부의 이중관을 통해 들어 온 냉매의 온도가 시료 우유까지 전달되기 위해서는 전도와 대류의 과정을 거쳐야 하므로 가열/냉각쇼크 후에는 조절된 온도에서 최소 30분 이상의 시간 간격을 거치고 다음 조작을 하여야 숙성효율을 높일 수 있다.

스크래핑공정(Scrapping Process)은 농축기 내부에 형성되는 얼음을 긁어내는 공정으로서, 농축기의 2중관으로 들어간 냉매는 내부벽을 통해 시료로부터 열을 빼앗아 제거하게 되는데 이 과정에서 1차적으로 농축기 내벽에 얼음이 형성된다. 농축기 내벽에 형성된 빙핵을 제거하여 여과를 가능하게 하여 주는 조작이다. 농축기 농축기 내벽의 빙핵 제거 외에도 스크래핑공정은 Pressure-induced recrystallization을 유도하게 된다. 이는 얼음 결정체의 일정 집단에 한 방향의 힘을 가함으로써 빙결정 핵형성시의 기저(basal plane) 방향과 힘의 방향으로 재 결정화를 이루게 된다. 따라서 개개의 얼음 결정체의 크기는 증대되고 그 수는 감소되는 방향으로 재결정화가 이루어지게 된다. 또한 스크래핑은 동결율을 일정양으로 조절하게 되어 빙벽(ice-block)의 형성을 방지하여 시료의 흐름성을 유지시켜 준다. 스크래핑에 의한 재결정시 중요한 점은 스크래퍼의 회전속도인데 분당 회전 속도가 증대 될 경우는 시료우유내에 공기를 주입하게 되어 우유의 크림화 현상을 초래하게 된다. 이는 농축유의 물성에 바람직하지 못한 영향을 초래하므로 스크래퍼의 회전속도 rpm을 50 ∼ 60으로 조절하는 것이 중요하다.

이하 본 발명을 다음의 실시예에 의하여 보다 상세히 설명하고자 한다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 명확히 설명하기 위한 것으로서 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

스텐레스제 동결농축관의 온도를 -4.5℃까지 강하시키고, 액상식품으로 시중에서 구입한 시유(서울우유) 10ℓ를 동결농축관에 넣고 역시 온도를 -4.5℃까지 강하시켰다. 냉각상태를 유지시켜 빙결정 핵형성과 동결이 일어나면, 다시 온도를 -2℃까지 온도를 올려주므로서 가열쇼크를 일으키게 되어 얼음과 잔류 고형물과 분리시킨다. 다시 온도를 -1℃까지 올려 주므로서 가열쇼크를 일으키게 하여 얼음과 잔류 고형물을 분리시킨다

다시 온도를 온도를 0℃까지 올려 주므로서 가열쇼크를 일으키게 하여 얼음과 잔류 고형물을 분리시킨다. 다시 냉각쇼크에 의해 거대 얼음 결정의 형성과 완속 재동결을 유도하여 빙결정핵에 수분을 응집시키기 위하여 온도를 -1℃로 내려 준다. 동결된 시유와 얼음을 분리하기 위해 농축관의 바닥 중앙에 장착된 금속 filter를 통하여 감압하의 진공펌프를 이용하여 얼음을 분리하여 농축액을 다시 저장조에서 파이프를 통해 재결정을 위하여 2차 동결농축시스템으로 이송시켰다. 냉매의 온도를 -2.5℃를 유지시켜 동결농축관 내부의 온도를 -0.7℃ 내지 -2.0℃ 사이로 유지시켜 얼음의 재결정화를 유도하였다. 숙성과정의 온도는 -4.5℃ 내지 -2℃로 1시간 동안 숙성시켜 농축액과 얼음을 분리하여 농축된 우유를 얻었다.

<실시예 2>

실시예 1과 같이하고 숙성과정을 -2℃ 내지 -1℃로 2시간 동안 숙성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하였다.

<실시예 3>

실시예 1과 같이하고 숙성과정을 1℃ 내지 -2℃로 4시간 동안 숙성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하였다.

<실시예 4>

실시예 1과 같이하고 숙성과정을 -2℃로 8시간 동안 숙성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하였다.

<실시예 5> ; 대조구

동결농축유의 품질을 비교하기 위한 방안으로 진공농축장치(Buechi, R-205, Swiss, 300 Torr, 가열온도 85℃, Vapor 온도 70℃, 회전수 40 rpm)를 이용하여 일반적으로 사용되는 진공농축유를 대조구용으로 제조하였다.

<시험예 1> 얼음결정체 측정

본 발명에 사용된 얼음결정체 측정 및 분석시스템은 자체 개발한 것으로 농축기로부터 분리된 얼음은 시료통(sample container)에 터펜(terpene)을 혼합 후 약 1분간 교반을 시켰다. cold light의 강도를 조절한 후 스테레오현미경을 통해 들어오는 상을 증폭기를 통해 증폭시킨 후 디지털 카메라를 통해 이미지를 기록계(data logger)에 송신하여 저장 후 PC를 통해 분석 하였다. 얼음의 입자 크기는 Image Tool 3.0(UTHSCSA, Texas, USA) 프로그램을 이용하여 분석하였다. 얼음결정 사이즈는 재결정화 과정 중, 얼음 결정체의 크기는 시간에 따라 유의적으로 증가하였으며 이는 수학적으로 모델화 되었다. 재결정화 초기에 보다 빠른 얼음 결정체의 성장이 목격되었으며 이는 Hartel과 Espinel (1993) 의 연구에서도 비슷한 결과가 도출 되었다.

얼음 결정체의 현미경적이미지(Microscopic image)에서는 각 1시간 과 8시간 동안 재결정화 된 얼음 결정체를 비교할 시 8시간 동안 재결정화된 얼음 결정체가 육안으로 비교하여도 크게 증대되었음 을 확인할 수 있다

본 발명에서 얼음 결정체의 크기와 총 고형분 함량 간에는 직접적인 상관 관계가 있어서, 얼음 결정체의 크기 증가가 총 고형분 함량을 높여 농축을의 증대에 기여하는 것으로 나타났다. 재 결정화 과정 중, 인위적 온도 조절에 의하여 유도된 가열 냉각 쇼크 작업(heat and cold shock operation)은 얼음 결정체의 크기 성장에 직접적 영향을 미친 것으로 사료된다. 또한, Min et al. (1994) 과 Woinet et al. (1998) 의 연구에 기인하여 동결 과정 중 가능한 낮은 동결 속도를 유지하여 큰 얼음 결정체를 유도하도록 하였다. 따라서, 동결 농축 공정에서는 액상 식품의 빙점 영역에서의 적절한 온도 조절이 얼음 결정체의 기계적 분리를 용이하게 하여 농축율의 증대에 중요한 인자로 작용하는 것으로 예상된다.

<시험예 2> 빙점 측정(Freezing point)

시료의 빙점 측정은 Beckman Thermometer를 이용하였고 그 시스템은 자체 제작(60 mm x Φ30 mm)한 알루미늄 통(container)에 50 mL 시료를 넣고 cryostat를 이용하여 냉매(coolant)를 순환시켜 시료의 온도를 강하시켰다. 이때 통내부에 장착한 수직교반기(vertical stirrer)를 이용하여 시료를 일정한 속도로 교반시켜 우유의 과냉각을 최소화 하였고 핵형성 후 발생되는 잠열을 가능한 빠른 시간내에 전달되도록 하였다. 과냉각 후 상승하는 Beckman thermometer의 수은 meniscus를 magnifying glass로 추적하여 정점을 찾아 눈금을 읽었다. 농축율의 증대에 따른 빙점의 감소는 농축유의 빙점의 총 고형분 함량의 증대에 따라 유의적으로 감소되었으며, 동결 농축유의 빙점 강하는 수학적으로 모델화 되었다(식(3) 참조). Chen et al. (1996)의 연구에서도 농축유에서의 빙점 강하 현상이 관찰 되었으며, 이러한 현상은 동결 농축 시 재 결정화의 유도 및 흐름성의 유지를 위하여 충분히 고려되어야 할 것이다.

Y=-0.0096-0.0304X-0.008X², R²=0.9753...... 식(3)

X: 총고형분(%), Y: Freezing point of freeze concentrated milk (℃)

<시험예 3>; 이화학적 특성의 측정

* Refractometer를 이용한 Brix 측정

본 발명에 사용된 시료나 농축유의 Brix는 20℃에서 실시하였다. 측정할 시료의 온도를 고정시킨 후 Refractometer(Greers Ferry Glass Works, INC., USA)를 이용하여 나타난 Brix를 측정하였다. 각 농축 공정에서 Birx 함량은 재 결정화의 시간에 따라 모두 유의적으로 증가하였으며, 총 고형분 함량의 변화와 유사한 상관 관계를 나타내었다. 재 결정화 시간에 따른 Brix 함량은 수학적으로 모델화 되었고, 이는 동결 농축 과정 중 농축의 진행 정도를 예상하는데 유용한 지표임이 확인되었다.

* pH 측정

시료의 pH는 pH meter(Model 440, Corning, UK)를 이용하여 측정하였다. 각 농축 방법 및 농축율에 따른 pH 변화는 진공 농축유의 경우 control 및 동결 농축유에 비하여 유의적으로 감소된 pH 결과를 나타내었다. 이는 Walstra et al. (1999) 의 연구에 의하면, 진공 농축유의 경우 가열 처리에 의한 열 응고, 증대된 colloidal phosphate에 의한 화학적 가교 결합 및 유당의 변성에 기인하는 것으로 추정된다. 그러나, 동결 농축유에서는 이러한 pH의 변화가 진공 농축유에 비하여 낮은 것으로 나타났으며, control과 비교하여서도 큰 유의적 차가 발견되지 않았다. 따라서, pH 결과에서는 동결 농축을 통하여 농축유의 화학적 조성을 원유와 비슷한 상태로 유지할 수 있다고 추정할 수 있다. 이와 관련하여, 동결 농축유의 화학적 특성과 관련된 추가적인 연구가 요구된다.

* 점도 측정

본 실험에서 얻어진 농축유의 점도는 회전식 점도계를 이용하여 측정하였다. 시료 50 mL을 시료통에 놓고 스핀들(spindle) I을 점도계(VISCO STAR-L, J.P. Selecta S.A., Spain)에 장착 후 200 rpm, 5℃에서 점도를 측정하였다. 점도는 최소 3회 반복을 실시하였다. 점도는 모든 농축유에서 총 고형분 함량의 증가에 따라 유의적으로 증가되었으며, 동일 고형분 함량의 동결농축유와 진공 농축유에 있어서 점도의 유의적 차는 발견할 수 가 없었다. Chang 과 Hartel (1997)의 연구에서도 탈지유의 농축에 있어서도 점도의 증가가 관찰되었다고 보고 하였다. 농축유 및 유제품에 있어서 점도는 소비자의 기호에 영향을 미치는 중요한 인자임을 고려 및 동결 농축 과정에 있어서 얼음 결정체의 분리를 위한 농축유의 흐름성 유지 측면에서도 이와 관련된 추가적 연구가 필요하다.

* 색도측정

농축유의 색도는 Color meter(Minolta, CR210, Japan)를 이용하였다. 표준색은 백색도로서 L값은 97.83, 적색도 -0.43 그리고 황색도 1.98을 나타내는 백색 표준판을 사용하였다. 각 농축 공정에서의 색도의 변화는 Table 1에 제시되어 있다. 모든 농축유에서 색도의 변화가 관찰되었으며, 이는 농축율의 증가에 따라 증대된 경향을 보여주었다. 특히, 진공 농축유의 경우 동결 농축유에 비하여 변색의 정도가 보다 확연하였고, 이러한 현상은 가열 처리에 의한 유당의 caramelization과 마일라드 반응에 기인하는 것으로 사료된다. Caric (1994)에 의하면, 이러한 유당은 변성은 갈변화 반응을 유도하여 유제품의 가열취와 함께 바람직하지 않은 관능적 특성을 초래한다고 보고하였다. 각 L, a 및 b vaule에 기인한 총 색도의 변화 (?E value) 는 Fig. 7에 제시되었으며, 총 고형분 함량 27%의 진공 농축유에서 가장 심한 변화를 나타냈었다. 이에 반하여, 동결 농축유의 ΔE value는 모든 처리구에서 진공 농축유에 비하여 낮은 결과를 나타내었다. 결과적으로, 동결 농축유의 열처리에 의한 유당의 변성을 방지하여 색도 면에서 원유와 비슷한 관능적 특성을 나타낸다고 예상 할 수 있다.

* 수분 함량 및 고형분 측정

농축과정에서 농축의 정도를 나타내기 위해서는 시료의 수분함량 혹은 고형성분 함량을 측정하여 산출하였다. 본 실험에서는 가능한 빠른 시간내에 수분함량 및 고형분을 산출하여야 하기 때문에 실험실에서 자체 제작한 적외선 진공건조 시스템을 이용하였다. 적외선 진공건조시스템은 아크릴 진공챔버내에 적외선 lamp(220V, 250W)를 장착하였고 lamp로부터 150mm 떨어진 바닥에 sample tray(Φ55mm x 22mm, 알루미늄)를 고정시켰다. 진공도는 0.3 Torr였고 증발되는 수증기는 -70℃로 고정된 cold trap에 포집되도록 하였다. Sample tray 내부에는 cotton(100%) sheet를 장착 후 2 mL 시료를 정량 하였다. 본 시스템을 통한 건조 시간은 30 min 정도였다. 최종 제품에서의 농축율로서의 총 고형분 함량은 재결정 화 시간에 따라 각 농축 공정에서 모두 유의적으로 증가하였으며 이들의 결과는 수학적으로 모델화 되었다. Wideham (2003)의 연구에서도, saccharose의 동결 농축 과정 중 에서도 농축 시간의 증대에 따라 농축율이 증대되어 본 연구와 비슷한 결과가 보고 되었다. 반면에, 수율의 경우 재 결정화가 진행됨에 따라 감소하여, 농축율과는 역의 상관관계를 나타내었다. 이러한 결과는, 재 결정화 시간이 증대됨에 따라 농축기내에 과도한 얼음 결정체의 형성 및 동결율이 증가하였기 때문으로 사료된다. 따라서, 동결 농축 과정에서는 농축율과 수율에 따른 적절한 동결율을 유지하는 것이 중요한 인자로 작용함을 예상할 수 있다. 본 실험에서는 multi-stage process를 이용하여 총 고형분 함량을 초기 13%에서 최대 32.67% 로 증대시키는 것이 가능하였다.

* 통계처리

본 실험의 결과는 최소한 3회 이상 반복 후 얻은 data를 Nalimov방법을 통해 95% 신뢰도에서 data 유의성 검정을 한 후 평균값을 산출하였고 각 요인별 유의성 검정은 Duncan의 다중분산검정프로그램을 이용하였다.

본 발명은 액상식품 중의 수분을 결정화된 얼음 입자로 만든 후 기계적으로 분리하여 원재료의 변질이나 손상없이 고형성분의 농도를 높이고 수분함량을 낮추는 동결농축 방법을 제공한다. 특히 우유의 농축시 비열처리법으로 농축하므로 농축유는 저장성의 증대, 수송상의 편리성 뿐만 아니라, 우유의 이화학적 및 영양상 의 변화가 없는 농축유를 제공한다. 또한 본 발명은 비열처리법에 의해 우유를 동결농축하면 수분함량을 3∼15%까지 줄일 수 있는 획기적인 농축방법을 제공한다.

Claims (7)

1. 액상식품을 동결농축함에 있어서,

   본체에 액상식품을 넣고 예비냉각하여 빙결정을 핵형성시킨 후, 결정화하여 얼음을 분리하는 제 1단계와, 스크래핑하면서 가열 및 냉각 충격시켜 재결정 및 숙성시킨 후, 분리 및 농축하는 제 2단계로 구성되되,

   상기 본체의 온도를 -4.5℃까지 강하시킨 후, 상기 액상식품을 넣고 -4.5℃까지 강하시켜 예비냉각하여 빙결정 핵형성 및 동결시키는 것을 특징으로 하는 액상식품의 동결농축 방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 동결된 액상식품의 온도를 -2℃ ∼ 0℃까지 올려 가열쇼크를 일으켜 얼음과 잔류 고형물을 분리시킨 후, 온도를 다시 -1℃로 내려 냉각쇼크를 일으켜 동결시키는 것을 특징으로 하는 액상식품의 동결농축 방법.
4. 제 1항에 있어서, 재결정은 여과망을 통해 얼음이 제거된 농축액을 2차 동결농축관으로 이송시켜 냉매의 온도를 -2.5℃로 유지시켜 관 내부의 온도를 -0.7℃ 내지 -2.0℃ 사이로 유지시켜 얼음의 재결정화하는 것을 특징으로 하는 액상식품의 동결농축 방법.
5. 제 1항에 있어서, 숙성시 온도는 -4.5℃ 내지 -2℃로 1 ∼ 8시간 동안 숙성시켜 농축액과 얼음을 분리하는 것을 특징으로 하는 액상식품의 동결농축 방법.
6. 제 1항에 있어서, 여과는 동결농축시 동결율이 40-50% 수준이 되었을 때 실시하는 것을 특징으로 하는 액상식품의 동결농축 방법.
7. 제 1항에 있어서, 스크래핑은 rpm을 50∼60으로 실시하는 것을 특징으로 하는 액상식품의 동결농축 방법.

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