KR101590271B1 - 입자의 크기와 형태의 가공을 통해 식감이 개선된 식품용 식이섬유소 및 상기 식품용 식이섬유소의 가공방법과 상기 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류의 제조에 활용하는 방법 - Google Patents

입자의 크기와 형태의 가공을 통해 식감이 개선된 식품용 식이섬유소 및 상기 식품용 식이섬유소의 가공방법과 상기 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류의 제조에 활용하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 식감이 개선된 식이섬유소는 기존의 시판되는 식품용 식이섬유소를 사이클론 밀링 등의 방법으로 밀링 가공하여 입자들의 부피 평균 입도를 70㎛ 이하가 되게 하고 수 평균 입도를 70㎛ 이하가 되게 만들었으며, 상기 부피 평균 입도를 상기 수 평균 입도로 나눠 얻은 값을 '형상비'(aspect ratio)라고 정의할 때, 상기 식이섬유소는 형상비가 1.0~2.0이고, 다분산도 지수가 1.0~1.3에 해당되며, 상기 식이섬유소는 빵, 과자, 면류 등의 식품의 제조에 사용되는 밀가루 성분의 적어도 일부를 대체할 수 있다. 본 발명에 따른 식이섬유소를 빵, 과자, 면류 등의 식품에 활용하여 밀가루 등 탄수화물 성분을 상당량 대체하면, 밀가루의 식감은 그대로 유지한 채 열량을 대폭 낮춘 쿠키, 면류, 빵류 제품을 손쉽게 제조할 수 있으므로, 소비자들이 맛있는 쿠키 등의 식품들을 비만 걱정 없이 마음껏 즐길 수 있게 될 것이다. 또한, 본 발명에 따른 개선된 식감을 갖는 식이섬유소는 건강에 좋은 식이섬유소가 다량 함유된 다이어트 식품을 제조하는데도 널리 활용될 수 있다.

Description

입자의 크기와 형태의 가공을 통해 식감이 개선된 식품용 식이섬유소 및 상기 식품용 식이섬유소의 가공방법과 상기 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류의 제조에 활용하는 방법 {Dietary cellulose that provides an improved mouthfeel due to modification of particle size and shape, the method of modifying the dietary cellulose and the method for applying the dietary cellulose to the making of bread, confectionery and noodles}
본 발명은 입자의 크기와 형태의 가공을 통해 식감이 개선된 식품용 식이섬유소 및 상기 식품용 식이섬유소의 가공방법과 상기 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류의 제조에 활용하는 방법에 관한 것으로서, 특히 기존의 시판되는 식품용 식이섬유소 제품을 밀링 가공을 통해 평균 입자 크기 50㎛ 이하로 만들고 이와 동시에 입자의 형태도 구형이 되도록 가공함으로써, 빵, 과자, 면류 등의 식품 제조시 사용되는 밀가루 함량 중의 적어도 일부를 식이섬유소로 대체하여 맛과 씹는 느낌이 모두 좋은 저열량 식품을 제조할 수 있도록 함으로써 소비자들의 다이어트와 건강 관리에 도움이 되도록 한 식품용 식이섬유소 및 상기 식품용 식이섬유소의 가공방법과 상기 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류 등의 식품 제조에 활용하는 방법에 관한 것이다.
밀가루를 주원료로 하는 빵, 과자, 쿠키, 면류 등의 인스턴트 가공 식품들은 맛이 좋고 언제 어디서나 쉽게 먹을 수 있어 바쁜 현대인들에게 널리 사랑받고 있는데, 밀가루는 주성분이 탄수화물이어서 열량이 높고 많이 섭취할 경우 비만, 당뇨 등과 같은 각종 성인병에 걸릴 위험을 높게 하는 문제가 있었다.
최근 선진국과 개발도상국의 구분 없이 전 세계적으로 비만과 당뇨 등 성인병의 발생빈도가 높아지고 있는 가운데, 저탄수화물 또는 저열량 식품의 제조에 관심이 높아지고 있다. 현재 식품의 열량을 낮추기 위해 설탕을 대체한 인공감미료가 적극 활용되고, 고열량의 지방 및 버터류를 대신하여 오일 이멀전(oil emulsion)이나 유화제를 첨가한 저열량 버터가 많이 활용되고 있다.
그리고 빵, 과자, 면류 등의 주원료인 쌀, 밀가루 등 곡물류 탄수화물의 경우에는, 저열량의 식품을 구현하기 위해 밀가루 대신 식품용 식이섬유소를 일부 사용해 보고는 있지만, 근본적으로 식이섬유소를 어느 정도 이상 첨가할 경우 마치 종이를 씹는 듯한 식감이 두드러지게 나타나서 식품용 식이섬유소를 더 이상 적극적으로 활용하기가 어려운 실정이다.
한편, 식품용 식이섬유소(cellulose)는 처음에는 제약용 정제(타블렛) 생산을 위한 바인더(binder)로서 개발되었기 때문에 '조밀성'(compactability)과 '섭취후의 분해 용이성'에 초점을 맞추어 제품이 발전된 측면이 있었다. 이 때문에 기존에 개발 판매되어 온 식이섬유소 제품들은 입자가 자연 결정 상태인 막대 형태(rod like shape)(도2의 <a> 참조)를 띠었으며, 또는 씹어 먹는 정제의 경우에는 입자가 소용돌이형 원판 형태로 가공되었고(도2의 도면<b> 참조), 이렇게 소용돌이형 원판 형태로 가공된 식이섬유소 입자들은 구아검(gua gum) 등과 결합해서 70 ㎛ 이상의 입자 크기를 지닌 불균질 비결정 형태로 만들어졌다(FMC사의 'Avicel CE-15' 제품 브로셔 참조).
현재의 식이섬유소가 주로 사용되는 식품 분야에서는 이러한 형태를 가진 식이섬유소를 소량 적용시 버터와 같은 부드러운 식감을 유발하기에 어느 정도 버터 사용량을 감소시키는 효과를 달성할 수 있었다.
최근에는 식이섬유소의 유효 열량이 제로(0)인 점에 착안해서, 이러한 식이섬유소의 활용 분야를 더 확대하여 기존의 식품제조에 사용되는 밀가루 및 곡물 원료의 일부를 식이섬유소 혹은 식이섬유소 함유 제품들로 대체하려는 시도들이 있어 왔다.
그러나 외국의 여러 연구들에 의하면, 빵류의 경우에는 주원료인 밀가루 대신 현재 시중에 유통되는 평균 입자 직경 70 ㎛의 불균질 비결정 식이섬유소를 5 중량% 이상 대체할 경우 마치 종이를 씹는 듯한 이질적 식감과 섭취 후 입안에 종이가 남는 듯한 잔물감으로 인해 사용하기 어렵다는 결과가 나왔으며(C. F. Ognean, N. Darie, M. Ognean. "Nutritional and Technological Studies about Using Carboxyl-methyl-cellulose in Low Calories Bakery Products". Acta Univ. Cibiniensis Seria F Chemia 9(2006-1): p89-101. 2006), 또한 과자류의 경우에는 밀가루 함량의 15 중량% 이상을 상기 식이섬유소로 대체할 경우 역시 종이를 씹는 것과 같은 이질적 식감과 입안에 종이가 남는 듯한 잔물감이 발생하여 사용하기 어렵다는 결과가 나왔다(N. Prentice, L. T. Kissell, R.C. Lindsay and W.T. Yamazaki. "High-Fiber Cookies Containing Brewers' Spent Grain". Cereal Chem. 55(5): p712-721. 1978). 뿐만 아니라, 본 발명자가 실험한 바에 의하면, 국수와 같은 면류 제품의 경우에도 밀가루 함량의 2% 이상을 현재 시판중인 입자 크기 70㎛ 이상의 식이섬유소로 대체할 경우 역시 이질적 식감과 잔물감으로 인해 정상적인 제품으로 만들기 어렵다는 결론을 얻었다.
저열량 식품을 구현하기 위해서는 식이섬유소를 탄수화물의 대체 재료로 활용할 필요성이 있음에도 불구하고, 이상과 같이 식이섬유소는 근본적으로 불편한 식감을 유발하기 때문에 현실적으로 식이섬유소를 식품 제조 원료로서 적극 활용하는데 있어서는 상당히 높은 장벽이 존재하고 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 기존의 식품용 식이섬유소의 문제점들을 해결하기 위해 식품용 식이섬유소의 형태 및 입자 크기를 가공하는 기술에 관한 것으로서, 기존 빵, 과자, 면류 등의 식품을 만드는데 사용되는 재료로서의 밀가루(탄수화물)를 상당량 대체하여도 풍미나 조직감이 전혀 뒤떨어지지 않는 새로운 형태의 식이섬유소를 제공함과 함께, 그러한 식이섬유소의 가공 방법과 활용 방안을 제공하고자 하는 것이다.
상기 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명은 열량 저하를 목표로 최근 곡물 등 탄수화물 대체 재료로의 활용이 시도되지만 섭취시 느껴지는 종이와 같은 이질감으로 인하여 활용에 제한성이 있는 식품용 식이섬유소를 입자의 크기와 형태를 특정하게 가공함으로써, 밀가루를 대체하여 식품 제조에 사용하였을 때 그 식품의 풍미와 조직을 매우 뛰어나게 변화시킬 수 있는 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 식품용 식이섬유소의 입자를 특정한 크기와 형태로 가공하여 빵, 과자, 면류 등의 식품에 밀가루 또는 탄수화물 대신 첨가할 수 있도록 함으로써 저열량의 건강에 좋은 식품을 만들 수 있도록 한 식품용 식이섬유소의 활용방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해 제공된 식감이 개선된 식품용 식이섬유소는, 동적 광산란법(dynamic light scattering)에 의한 입자 분석 결과를 기준으로 할 때 부피 평균 입도가 70㎛이하이고, 수 평균 입도가 70㎛이하인 입자들로 구성되며, 빵, 과자, 면류 등의 식품의 제조에 사용되는 밀가루 성분을 대체할 수 있는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해 제공된 식감이 개선된 식품용 식이섬유소는 상기 부피 평균 입도를 상기 수 평균 입도로 나눠 얻은 값을 '형상비'(aspect ratio)라고 정의할 때, 상기 식이섬유소는 형상비가 1.0~2.0이고, 다분산도 지수(polydispersity index)가 1.0~1.3인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해 제공된 개선된 식감을 갖는 식품용 식이섬유소의 가공방법은, (a) 식품용 식이섬유소 원재료를 입자 분쇄 장치에 투입하는 제1단계; (b) 상기 입자 분쇄 장치 내에서 고속의 공기의 흐름을 만들어 상기 식품용 식이섬유소 원재료들의 입자들을 고속으로 이동시킴으로써 입자들 상호간의 충돌을 유도하는 제2단계; 및 (c) 동적 광산란법에 의한 입자 분석 결과를 기준으로 할 때, 입자들의 부피 평균 입도가 제1값 이하가 되고 수 평균 입도가 제2값 이하가 되도록 가공된 식품용 식이섬유소들만을 상기 입자 분쇄 장치의 외부로 배출하여 가공산물로서 수집하는 제3단계;를 포함하며, 상기 제1단계에서 사용되는 상기 식품용 식이섬유소 원재료는 동적 광산란법에 의한 입자 분석 결과를 기준으로 할 때 부피 평균 입도가 200㎛ 이상이고, 수 평균 입도가 50㎛ 이상이며, 상기 제3단계에서 상기 제1값은 60~70㎛의 범위에 있고, 상기 제2값은 50~70㎛의 범위에 있으며, 상기 부피 평균 입도를 상기 수 평균 입도로 나눠 얻은 값을 '형상비'라고 정의할 때, 상기 입자 분쇄 장치에 의해 가공 완료된 식품용 식이섬유소들은 형상비가 1.0~2.0이고, 다분산도 지수(polydispersity index)가 1.0~1.3인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해 제공된 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류의 제조에 활용하는 방법은, 빵, 쿠키, 과자 및 면류를 포함하는 식품군 중에서 선택된 어느 하나의 식품을 제조할 때 사용되는 밀가루 및/또는 기타 곡물가루의 함량의 적어도 일부를 대체하여 식품용 식이섬유소를 사용하되, 상기 식품용 식이섬유소는 동적 광산란법에 의한 입자 분석 결과를 기준으로 할 때 부피 평균 입도가 70㎛이하이고, 수 평균 입도가 70㎛이하인 입자들로 구성되며, 여기서 상기 부피 평균 입도를 상기 수 평균 입도로 나눠 얻은 값을 '형상비'라고 정의할 때, 상기 식품용 식이섬유소는 형상비가 1.0~2.0이고, 다분산도 지수는 1.0~1.3이며, 상기 식품을 제조할 때 사용되는 밀가루 및/또는 기타 곡물가루와 식품용 식이섬유소를 합한 전체 중량 중에서 상기 식품용 식이섬유소가 차지하는 중량 비율은 5~100%인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소는 입자들의 대부분을 50㎛ 이하의 크기가 되도록 분쇄 가공하고 이와 함께 입자의 형태도 구형(球形化)하거나 또는 각진 부분이 없는 라운드(round)된 형태를 갖도록 함으로써 과자, 면류, 빵 등 제조시 밀가루, 쌀 등의 탄수화물을 대체하여 첨가하면 풍미 및 조직감이 매우 뛰어나면서도 열량이 낮은 건강식품을 만들 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소는, 기존의 식이섬유소와 달리 섭취시 종이와 같은 이질감 또는 입안의 잔물감이 발생하지 않도록 하므로 기존의 식품 제조에 사용되던 밀가루, 쌀 등의 탄수화물 성분을 상당량 대체하여 소비자들로 하여금 좋아하는 맛있는 음식을 살찔 걱정없이 마음껏 즐길 수 있도록 하여 인생의 기쁨을 즐길 수 있도록 하는 장점이 있다.
그리고 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류 등의 식품에 활용하는 방법은, 그 식품들에 사용되던 밀가루의 함량 중 본 발명의 개선된 식이섬유소로 대체할 수 있는 함량 비율을 제시함으로써 맛은 그대로 유지하면서도 열량은 대폭 낮춰 소비자들이 비만 걱정과 성인병 걱정 없이 빵, 쿠키, 면류 식품들을 즐길 수 있도록 하는 장점이 있다.
도1은 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 밀가루 대용으로 적어도 일부를 사용하여 쿠키, 과자, 빵 및 국수 등의 식품들을 제조하는 방법을 도시한 순서도이다.
도2는 기존의 식품용 식이섬유소 입자들을 1200배 확대 촬영한 사진들로서, 이 중 도면<a>는 막대 형태의 식품용 식이섬유소 입자(50)를 촬영한 것이고, 도면<b>는 씹어먹는 정제를 만들 때 사용되는 소용돌이형 원판 형태의 식품용 식이섬유소 입자(51)를 촬영한 것으로서 구아검(Gua gum)등과 결합된 상태가 나타나 있다.
도3은 기존의 식품용 식이섬유소 입자들(501, 502, 503, 504)의 형태와 이러한 기존의 식이섬유소 입자들을 본 발명에 따라 입자 분쇄 가공한 후에 나타나게 되는 식이섬유소 입자들(521, 521a)의 바뀐 형태를 대비하여 도시한 것이다.
도4는 본 발명에 따라 분쇄 가공된 식품용 식이섬유소들의 바람직한 형태를 예시한 것으로서, 입자 분쇄 가공과정에 의해 식이섬유소의 입자 크기가 부피 분포를 기준으로는 평균 70㎛ 이하로 되고 수 분포를 기준으로는 평균 70㎛ 이하로 되었으며, 전체적인 입자 형상에 있어 구형 내지 라운드(round)된 형태를 갖게 된 것이 도시되어 있다.
도5 내지 도7은 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 만들기 위한 밀링 장치들을 도시한 것으로서, 이 중 도5는 사이클론 밀(cyclone mill, 1) 장치의 개략적인 단면도이고, 도6은 도5의 X-X′선을 따라 절단한 상태의 단면도이다. 그리고 도7은 또 다른 밀링 장치의 예로서 제트 밀(jet mill) 장치(30)를 도시한 것이다.
도8은 동적 광산란법(dynamic light scattering)에 의한 나노 입자 분석기를 사용하여 식품용 식이섬유소의 입도를 측정할 경우에 식이섬유소 입자(100)의 실제 형상(101)과 입자 분석기에 의해 측정되는 직경(102)의 관계를 설명한다.
도9는 입도 분석의 결과를 표현하는 기준들 중에서 대표적인 기준들인 부피 분포(volume distribution)와 수 분포(number distribution)의 개념과 서로 간의 차이점을 설명하기 위한 도면이다.
도10은 기존의 시판되는 셀룰로오스 제품을 동적 광산란법(DLS)에 의한 나노입자분석기를 사용해서 입도 분석을 수행한 결과 얻은 데이터를 정리한 것으로서, 이 중 도면 <a>는 부피 분포와 수 분포 데이터를 각각 표 형식으로 정리한 것이고, 도면<b>는 도면 <a> 중의 부피 분포 데이터를 그래프로 나타낸 것이다.
도11은 본 발명에 따라 밀링 가공이 완료된 후의 셀룰로오스를 동적 광산란법(DLS)에 의한 나노입자분석기를 사용해서 입도 분석을 수행한 결과 얻은 데이터를 정리한 것으로서, 이 중 도면 <a>는 부피 분포와 수 분포 데이터를 각각 표 형식으로 정리한 것이고, 도면<b>는 도면 <a> 중의 부피 분포 데이터를 그래프로 나타낸 것이다.
도12는 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소의 효과를 테스트하기 위해 사용한 셀룰로오스 샘플들의 사양을 정리한 표이다.
도13은 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 사용해 초콜렛칩 쿠키를 만들었을 때의 식이섬유소(셀룰로오스)의 성분비율과 시험자 그룹에 의한 평가결과를 기존의 기본적인 초콜렛칩 쿠키의 경우와 비교하여 정리한 표이다.
도14는 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 사용해 밀크 쿠키를 만들었을 때의 식이섬유소(셀룰로오스)의 성분비율과 시험자 그룹에 의한 평가결과를 기존의 기본적인 밀크 쿠키의 경우와 비교하여 정리한 표이다.
도15는 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 사용해 국수 제품을 만들었을 때의 식이섬유소(셀룰로오스)의 성분비율과 시험자 그룹에 의한 평가결과를 기존의 기본적인 국수 제품의 경우와 비교하여 정리한 표이다.
도16은 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 사용해 빵 제품을 만들었을 때의 식이섬유소(셀룰로오스)의 성분비율과 시험자 그룹에 의한 평가결과를 기존의 기본적인 빵 제품의 경우와 비교하여 정리한 표이다.
도17은 밀가루와 셀룰로오스를 사용해서 쿠키를 제조한 경우의 열량 정보의 예를 비교한 표들로서, 이 중 그림<a>는 기존의 레시피(recipe)에 의해 밀가루를 전량 사용해서 제조한 쿠키의 열량 정보를 예시한 표이고, 그림<b>는 밀가루 대신 기존의 셀룰로오스를 전량 대체 사용해서 제조한 쿠키의 열량 정보를 예시한 표이며, 그림<c>는 밀가루 대신 본 발명에 의해 가공된 식감이 개선된 셀룰로오스를 전량 대체 사용해서 제조한 쿠키의 열량 정보를 예시한 표이다. 본 발명에 의해 식감이 개선된 셀룰로오스를 사용해서 제조한 쿠키의 경우에 단위 질량당 열량감소 효과가 탁월하게 뛰어난 것을 설명한다.
이하, 첨부한 도면들을 참고하여 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소 및 상기 식품용 식이섬유소의 가공방법과 상기 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류의 제조에 활용하는 방법의 구성 및 작용 효과를 상세히 설명한다.
본 발명에서 식감을 개선하고자 하는 식품용 식이섬유소의 원재료로는 셀룰로오스가 가장 흔히 사용될 수 있고, 또 영어로 식이섬유를 '셀룰로오스'(cellulose)라고 부르기도 하므로, 이하 본 명세서에서는 식이섬유소라는 용어와 셀룰로오스라는 용어를 편의상 혼용하여 사용하도록 한다. 그러나 엄밀히 말하면, 식이섬유라는 용어 자체는 셀룰로오스뿐만 아니라 채소, 과일, 해조류 등에 존재하는 자연발생적인 식이섬유들까지도 모두 포함하는 광의의 개념이므로, 본 발명의 적용 대상은 반드시 셀룰로오스에만 한정되는 것이 아니라 그 외의 자연발생적인 식이섬유들까지도 모두 포괄한다는 점을 밝혀둔다.
도1은 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 밀가루 대용으로 적어도 일부를 사용하여 쿠키, 과자, 빵 및 국수 등의 식품들을 제조하는 방법을 도시한 순서도이다.
도1을 참고하면, 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 사용하여 빵, 과자, 면류 등의 식품을 제조하는 방법은, 우선 원재료로서 기존에 시판되는 식품용 식이섬유소를 준비하는데(S1 단계), 이때 기존의 식품용 식이섬유소라 함은 예를 들어 '케모파마'(Chemopharma)사에서 판매하는 'Comprecel M302' 제품 또는 미국의 다국적 화학회사인 'FMC'사에서 판매하는 'Avicel PH-101' 제품 및 'Avicel CE-15' 제품을 들 수 있다. 상기 'Comprecel M302' 제품과 'Avicel PH-101' 제품은 모두 식품용 식이섬유소로서 입자의 크기가 50~100㎛이고, 막대 형태를 띠고 있는데, 이 제품들은 모두 기존에 정제(타블렛)를 제조할 때 사용하는 식이섬유소이기 때문에 그대로 먹을 경우에는 입안에서 마치 종이를 씹는 것 같은 느낌과 치아 사이에 끼는 이물감을 느끼게 된다.
여기서, 기존의 식품용 식이섬유소의 입자 크기가 50~100㎛라는 것은 그 입자들을 현미경으로 관찰했을 때 가장 많은 수(數)가 관찰되는 입자 크기가 50~100㎛의 범위에 있다는 것인데, 이는 미세 입자의 입도 분석에 있어 수 분포(number distribution)를 기준으로 해석한 것이다. 이러한 입도 분포의 해석방법을 '수 분포' 분석이라고 하는데, 이에 대비하여 가장 많은 부피를 차지하는 입자들의 크기를 파악하는 해석방법을 '부피 분포'(volume distribution) 분석이라고 한다. 입자의 입도를 분석하는 이 2가지의 해석방법, 즉 부피 분포와 수 분포에 대해서는 아래에서 도9를 참고하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
한편, 기존의 식품용 식이섬유소들과 이러한 식이섬유소를 함유한 제품들이 마치 "종이를 씹는 듯한 식감"을 발생시키는 원인에 대해 본 발명자들이 연구한 결과, 상기 "종이를 씹는 듯한 식감"은 세부적으로 다음의 2가지의 느낌에 의한 것으로 결론을 내렸으며, 각각의 원인에 대해서 다음과 같이 판단하였다.
1. 첫째, 섭취 후 입안 전체에서 침에 용해되지 않고 남는 이질감 :
이 이질감의 원인은, 수분과 결합 후 셀룰로오스 입자간의 강한 반데르 발스(Van der Walls) 표면 상호작용으로 인한 결합 및 입자 결합 효과에 기인한 것이다.
2. 둘째, 치아 저작시 느껴지는 압축감 및 불연속적 붕괴감 :
(1) 먼저, 상기 압축감의 원인은, 기존 셀룰로오스 입자가 막대 형태 또는 소용돌이원판 형태를 가짐으로 인해 치아 저작 과정에서 셀룰로오스 입자들이 압축되면서 발생하는 식감에 기인한 것이다. 이렇게 셀룰로오스 입자가 압축된 구조는 다시 반데르 발스 상호작용을 발생시키고, 그 결과 반복된 저작 운동 시마다 종이 특유의 씹는 식감을 발생시키게 된다.
(2) 다음으로, 상기 붕괴감은, 셀룰로오스 입자 간의 약한 반데르 발스 표면 상호작용이 치아 저작 운동 과정에서 발생하는 기계적 전단력(mechanical sheer)에 의해 붕괴되면서 발생하는 것이다.
본 발명의 발명자들은 이와 같은 기존의 셀룰로오스의 이질감, 압축감 및 붕괴감을 해결하기 위하여, 셀룰로오스 입자의 크기와 형태를 특정하게 밀링(milling) 가공함으로써 탄수화물(밀가루, 쌀)과 같은 식감을 유지할 수 있다는 것을 밝혀냈으며, 본 발명을 완성하게 되었다. 즉, 본 발명자들은 셀룰로오스 입자들 간의 반데르 발스 상호 작용을 최소화하는 구체적인 방법으로 다음의 2가지 방안을 발견하였다.
(제1방안) 식이섬유소의 입자 크기를 50 ㎛ 이하가 되도록 작게 가공하는 방안
(제2방안) 식이섬유소의 입자 형태를 구형 내지는 라운드(round)된 형태로 가공하는 방안
계속해서 도1을 참고하여 본 발명에 따른 식이섬유소의 가공방법을 설명하면, 원재료로서의 기존의 셀룰로오스 제품을 준비한 다음(S1 단계), 상기 셀룰로오스 제품을 사이클론 밀(cyclone mill) 장치 또는 제트 밀(jet mill) 장치와 같은 밀링 장치에 넣어 입자들 상호간의 빈번한 충돌을 유도함으로써 입자들끼리의 마찰 충돌에 의해 보다 작은 크기로 쪼개지고 또 구형 내지는 라운드된 형태로 둥글게 다듬어지도록 한다(S2 단계). 즉, 밀링 가공의 결과, 기존의 셀룰로오스 입자들은 50㎛ 이하의 입자들로 크기가 작아짐과 동시에 모서리들이 깎여나가 둥글게 된 구형(球形)의 형태 또는 모난 부분이 없이 둥그렇게 라운드된 형태를 갖게 된다(S3 단계). 이때, 밀링에 의해 둥글게 가공된 식이섬유소 입자들은 완전한 구형의 형태를 가질 수도 있고, 또는 완벽한 구형은 아니더라도 전체적으로 라운드된 형태를 가져 모난 부분이 없이 둥그렇게 변형된 형태를 가질 수 있다.
한편, 도1의 S1단계 및 S3단계에서 설명한 입자들의 크기들에 관해서는 후술하는 수 분포와 부피 분포의 개념을 사용하여 한정하는 것이 보다 정확할 수 있다. 셀룰로오스 입자들은 주로 100㎛ 이하의 작은 크기를 가진 수많은 알갱이들로 구성되어 있으므로, 그 입자들의 크기가 정확하게 하나로 통일되어 있지 않으며, 작은 것부터 큰 것까지 매우 다양한 크기들이 일정한 분포를 보이게 된다. 따라서 이러한 미세 입자들의 크기를 기술할 때는, 입자들의 크기가 일률적으로 얼마라고 얘기하는 것보다는, 본 명세서의 도9에서 후술하는 수 분포 및 부피 분포의 개념들을 이용하여 설명하는 것이 훨씬 유용하다.
이러한 관점에서 보면, 본 발명에서 가공하기 위해 사용하는 원재료로서의 셀룰로오스 제품들은 부피 분포 분석에 의한 입자 크기 평균이 200~300㎛이고, 수 분포 분석에 의한 입자 크기 평균이 50~100㎛이었는데(S1 단계; 도10 참조), 밀링 가공에 의해 더 작은 크기로 분쇄된 후에는 부피 분포 분석에 의한 입자 크기 평균이 40~70㎛이고, 수 분포 분석에 의한 입자 크기 평균이 30~70㎛인 셀룰로오스 입자들로 변화되게 된다(S3 단계; 도11 참조).
이렇게 해서 가공작업이 완료된 식품용 식이섬유소는 빵, 과자, 면류 등의 식품을 제조하는데 있어 밀가루 대용으로 적어도 일부가 사용될 수 있다(S4 단계). 밀가루에 상기 밀링 가공된 식품용 식이섬유소를 일정 함량 섞어서 반죽을 만든 다음, 쿠키(60), 과자(61), 빵(62) 및 국수류(63)의 식품들을 제조하면, 기존의 밀가루만을 사용하여 만든 쿠키, 과자 등의 식품들에 비해 훨씬 저열량이면서도 식감은 그대로 유지되거나 또는 더 향상된 우수한 품질의 건강식품을 만들 수 있다.
이처럼 본 발명에 따라 밀링 가공된 식품용 식이섬유소를 활용해서 밀가루 함량을 적어도 일부 대체하여 빵, 과자, 면류의 식품을 제조하게 되면, 밀가루만을 사용하는 경우의 식감과 비교하여 같거나 더 나은 정도의 식감을 확보할 수 있게 되는데, 보다 구체적으로는 식품의 전체적인 풍미(flavor)가 향상되고, 씹을 때 입안의 이물감이 대폭 감소하며, 종이 알갱이가 남아 있는 것 같은 잔류감이 발생하지 않게 된다.
반면, 본 발명에 따른 입자의 크기와 형태가 가공된 식품용 식이섬유소를 활용해서 식품 제조에 쓰이는 밀가루를 일부 대체하여 사용한 경우에는, 열량이 제로(zero)인 식이섬유소의 특성상 식품 전체의 열량이 대폭 감소하게 되므로 이러한 식품을 섭취하는 사람은 맛있는 음식을 먹고 싶은 대로 마음껏 먹으면서도 살찌지 않게 되므로 다이어트와 건강관리에 큰 도움이 된다. 또한 즐기고 싶은 음식을 마음 편하게 즐길 수 있으므로 정신건강을 밝게 유지하는데도 좋은 효과를 발휘할 수 있다.
도2는 기존의 식품용 식이섬유소 입자들을 1200배 확대 촬영한 사진들로서, 이 중 도면<a>는 FMC사의 'Avicel PH-101 MCC' 제품인 막대 형태의 식품용 식이섬유소 입자(50)를 촬영한 것이고, 도면<b>는 FMC사의 'Avicel CE-15 MCC' 제품을 촬영한 것이다.
도2<a>를 참고하면, 기존의 식품용 셀룰로오스는 입자(50)가 막대 형태로 되어 있으며, 긴 것은 실처럼 쭉 연장되어 있고, 작은 것도 입자의 표면이 매우 울퉁불퉁하여 튀어나온 돌기들이 많이 존재한다. 이와 같이 기존의 식품용 식이섬유소들이 긴 막대 형태 또는 실 형태를 하고 있는 것은 주로 식이섬유소가 알약을 만드는데 사용되는 재료로서 개발된 것이어서 약제를 포함한 상태로 잘 압축될 수 있는 성질이 요구되었기 때문이다.
도면2<b>의 사진에 나타난 'Avicel CE-15 MCC' 제품은 입자의 형태가 소용돌이형 원판 형태로 되어 있고 구아검(gua gum)과 결합되어 있는데, 이러한 식이섬유소는 주로 씹어먹는 정제를 만들 때 사용된다.
여기서 식품용 식이섬유소인 'Avicel CE-15 MCC'제품과 결합되는 구아검은 식품의 점착성과 점도를 증가시키고 유화안정성을 증진하며 식품의 물성 및 촉감을 향상시키기 위한 식품첨가물로서, 주로 식품 제조과정에서 안정제, 보형제, 유화제, 증점제 등으로 사용되는 물질이다.
도2의 <a> 및 <b>에 도시된 기존의 식이섬유소 제품들은 긴 막대 형태 또는 실 형태를 갖고 있고, 서로 잘 엉키게 되어 있어서, 알약을 만드는 데는 매우 유용한 소재였지만, 이렇게 셀룰로오스 입자들이 서로 엉킨 상태를 유지하고 있기 때문에 입안에 넣고 씹으면 잘 씹히지 않고 그대로 남게 되어 마치 종이를 씹는 것과 같은 이물감을 느끼게 하므로 식품으로는 도저히 사용할 수가 없는 것이었다.
도3은 기존의 식품용 식이섬유소 입자들(501, 502, 503, 504)의 형태와 이러한 기존의 식이섬유소 입자들을 본 발명에 따라 분쇄 가공한 후에 나타나게 되는 식이섬유소 입자들(521, 521a)의 바뀐 형태를 대비하여 도시한 것이다.
도3의 좌측에는 본 발명에 의해 분쇄 가공이 이루어지기 이전의 일반적인 셀룰로오스의 입자들이 개략적으로 도시되어 있다. 도3의 좌측에 도시된 셀룰로오스 입자들(501, 502, 503, 504)은 기존의 일반적인 셀룰로오스 제품들에 들어있는 입자들의 형태를 예시적으로 나타낸 것인데, 셀룰로오스는 기본 유닛(501)으로 된 입자가 다른 입자들과 결합할 때 한 쪽 방향을 따라 결합하면서 성장하는 특성이 있기 때문에, 큰 입자(502, 503, 504)는 마치 실 또는 막대 형태로 길쭉하게 연결된 형태를 갖게 된다.
도3에서 도면부호 501은 셀룰로오스의 기본 유닛에 해당하는 입자를 가리키고, 501a는 기본 유닛(501) 입자의 표면에 약간 돌출되어 튀어나온 부분을 가리킨다. 그리고 도면부호 502는 기본 유닛의 셀룰로오스 입자들(502-1, 502-2)이 2개 연결되어 이루어진 2배 크기(x2)의 입자를 가리키는데, 여기서 도면부호 502a는 x2의 입자(502)의 표면에 돌출되게 튀어나온 부분을 가리킨다. 이어서 도면부호 503과 504는 기본 유닛의 셀룰로오스 입자들(503-1, 503-2, 503-3; 504-1, 504-2, 504-3, 504-4)이 3개 또는 4개 연결되어서 이루어진 3배 크기(x3) 또는 4배 크기(x4)의 입자를 가리키며, 여기서 도면부호 503a와 504a는 위 입자들(503, 504)의 표면에 돌출된 부분들을 가리킨다.
이러한 가공전의 셀룰로오스 입자들(501, 502, 503, 504)이 본 발명에 따른 분쇄 가공 방법에 의해서 분쇄 가공되면, 2개 이상의 기본 유닛들(502-1, 502-2; 503-1, 503-2, 503-3; 504-1, 504-2, 504-3, 504-4)을 서로 연결하고 있던 연결부분들(510)의 결합이 깨지면서 애초의 기본 유닛(501)과 비슷한 크기를 가진 다수의 기본 유닛들(521)로 쪼개지게 된다. 그리고 이러한 분쇄 가공 과정에서는 단순히 긴 입자들의 연결부분(510)의 결합만이 깨지는 것이 아니라, 가공전의 입자 표면에 약간씩 튀어나와 있던 부분들(501a, 502a, 503a, 504a)도 마찰 충격에 의해 깨지면서 매우 작은 크기의 분쇄입자(521a)로 분리되어 나오게 된다. 그 결과 본 발명에 따른 분쇄 가공 과정을 거치고 난 후의 가공 완료된 셀룰로오스 입자들은 처음의 기본 유닛(501)보다 훨씬 둥그렇게 되고 라운드(round)된 형태를 가진 기본 유닛 입자들(521)과 다수의 미세한 크기의 분쇄입자들(521a)로 구성된다.
도4는 본 발명에 따라 분쇄 가공된 식품용 식이섬유소들의 바람직한 형태를 예시한 것으로서, 분쇄 가공과정에 의해 식이섬유소의 부피 평균 입도가 70㎛ 이하로 되고 수 평균 입도가 70㎛ 이하로 되었으며, 전체적인 입자 형상에 있어 구형 내지 라운드(round)된 형태를 갖게 된 것이 도시되어 있다.
도4를 참고하면, 본 발명에 따라 식감이 개선된 식이섬유소 입자들(52, 52a, 52b, 52b, 52c)의 바람직한 형태는 공(ball)처럼 둥글게 다듬어진 것이며, 그때의 직경(A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7)은 대부분 50㎛ 이하로 작게 된 것이 이상적이라고 할 수 있다. 한편, 완전히 공 형태로 동그랗게 다듬어지지 않고 약간 타원형으로 길쭉하게 가공된 입자(52d)도 존재할 수 있는데, 이러한 타원형의 셀룰로오스 입자(52d)를 실제적인 입자 분석장치를 이용해서 입자 크기를 측정할 때에는 실제 입자(52d)의 긴 축의 길이(A8)와 짧은 축의 길이(A9)를 중간에서 근사한 값을 그 입자의 직경으로서 측정하게 된다.
도4에 도시된 셀룰로오스 입자들 중 비교적 큰 크기의 셀룰로오스 입자들(52, 52a, 52d)은 원래 실 또는 막대 형태로 되어 있던 셀룰로오스 입자들이 기본 유닛별로 쪼개져서 생겨난 것이라고 할 수 있으며, 작은 크기의 셀룰로오스 입자들(52b, 52c)은 애초의 셀룰로오스 입자들의 표면에 돌출되어 있던 부분들(501a, 502a, 503a, 504a; 도3 참조)이 쪼개져 나오면서 생긴 분쇄입자들(521a, 도3 참조)이라고 할 수 있다.
도5 및 도6은 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 만들기 위한 입자 분쇄 가공 장치들 중 하나의 예시로서 사이클론 밀(cyclone mill, 1) 장치를 도시한 것으로서, 이 중 도5는 사이클론 밀 장치(1)의 개략적인 단면도이고, 도6은 도5의 X-X′선을 따라 절단한 상태의 단면도이다.
도5를 참고하면, 사이클론 밀 장치(1)의 케이싱(2) 안에 하나의 회전축(6a)이 설치되어 고정되며, 상기 회전축(6a) 상에는 제1임펠러(impeller, 3)와 제2임펠러(4)가 상호 동일한 축선상에 설치된다. 그리고 상기 제1 및 제2임펠러들(3, 4)과 상기 케이싱(2)의 벽(2a)에 의해서 둘러싸인 빈 공간은 분쇄실(8)이 되는데, 상기 분쇄실(8) 안에서 원재료(20) 입자들의 상호 마찰 충돌로 인한 밀링 작업이 수행되게 된다.
상기 회전축(6a)은 베어링(10a)에 의해서 지지부(10)에 회전가능하게 고정되어 있으며, 구동모터(6)의 회전력에 의해서 회전한다. 한편, 상기 구동모터(6)와 제1임펠러(3)의 사이에서 상기 케이싱(2)의 측면에는 원재료 투입구(6)가 마련되고, 제2임펠러(4)에 가까운 쪽에는 밀링 가공이 완료된 입자들이 배출되는 배출구(9)가 마련되어 있다.
상기 제1 및 제2임펠러들(3, 4)은 도6에 도시된 바와 같이 날개 형태로 제작되어 있으므로, 그 날개들의 사이를 통해서 상기 원재료 투입구(20)와 분쇄실(8) 및 배출구(9)가 서로 연통되어 있다. 그리고 흡입장치(12)가 상기 배출구(9)에 결합되어 있어서 항상 상기 케이싱(2) 내부에 음압을 발생시키므로, 분쇄실(2) 내부의 입자들은 배출구(9) 쪽으로 이동하려는 힘을 받게 된다.
도5에서, 사이클론 밀 장치(1)의 구동모터(6)를 작동시키면 제1 및 제2임펠러들(3, 4)이 고속으로 회전하게 되며, 이때 상기 분쇄실(8) 내에서 제1임펠러(3) 측에는 반경방향 외측으로 향하는 공기의 흐름이 생김과 동시에 제2임펠러(3) 쪽으로 끌어당겨지는 공기의 흐름이 생긴다. 한편, 상기 제2임펠러(4)의 경우에는 상기 제1임펠러(3)와 마찬가지로 반경 방향 바깥쪽으로 향한 공기의 흐름이 생김과 동시에 공기가 상기 흡입장치(12)쪽으로 당겨지는 흐름이 생기는데, 그 결과 상기 분쇄실(8) 안에서는 상기 제1임펠러(3)와 제2임펠러(4)의 서로 마주보는 면들 상에 있어서 반경방향 바깥쪽으로 이동하고자 하는 공기의 순환류가 각각 생성된다.
원재료 투입구(5)에 원재료(즉, 본 발명에서 식품용 식이섬유소)를 투입하면, 상기 식품용 식이섬유소는 제1임펠러(3)가 생성하는 순환류를 타고 분쇄실(8)안으로 이동하며, 분쇄실(8) 내에서는 제2임펠러(4)가 만드는 순환류가 또한 존재하기 때문에, 분쇄실(8)로 이동된 상기 식이섬유소 입자들 중의 일부는 상기 제2임펠러(4)의 순환류에 의해 배출구(9) 쪽으로 이동한다. 이때 식이섬유소 입자가 작은 경우에는 제2임펠러(4)가 만드는 순환류의 힘보다 상기 흡입장치(12)의 흡인력에 의한 힘의 작용을 더 많이 받게 되므로, 이러한 작은 입자는 배출구(9)를 통해 외부로 빠져나가서 흡입장치(12)를 거치고 이후 세퍼레이터(13)에 의해 회수된다. 반면, 식이섬유가 입자가 큰 경우에는 흡입장치(11)로부터 흡인되는 힘보다 제2임펠러(4)가 만든 순환류의 힘의 작용을 더 많이 받게 되므로, 그러한 입자는 다시 분쇄실(8)로 이동해서 추가적으로 입자들 간의 마찰 분쇄를 더 경험하게 된다.
도5에 도시된 사이클론 밀 장치(1)는 제1 및 제2임펠러(3, 4)의 이격 거리를 조정하는 것에 의해 배출되는 입자의 크기(직경)를 자유자재로 조정할 수 있다.
도5에서 미설명 도면부호 7은 제1 및 제2임펠러들(3, 4)과 케이싱 벽(2a) 사이의 틈새 공간을 의미하며, 도면부호 11은 사이클론 밀 장치(1)의 배출구(9)와 흡입장치(12)의 인입관을 연결하는 레듀서(reducer)를 가리킨다. 그리고 상기 세퍼레이터(13)는 흡입장치(12)에 의해 흡입된 공기흐름과 식이섬유소 입자들을 받아들여 식이섬유소 입자들만을 수집하는 장치로서, 흡입장치(12)로부터 보내진 공기 흐름은 세퍼레이터(13)의 상부측에 마련된 공기배출구를 통해서 내보내고, 식이섬유소 입자들은 서서히 내부에서 가라앉혀 하부의 배출구를 통해 빼낼 수 있도록 하고 있다.
도7은 본 발명에 따른 개선된 식감을 갖는 식품용 식이섬유소의 가공방법을 실행하는데 있어 밀링 작업을 수행하기 위해 사용되는 또 다른 밀링 장치의 예로서 제트 밀(jet mill) 장치(30)를 도시한 것이다.
도7을 참고하면, 상기 제트 밀 장치(30)는 유동층(fluidized bed) 방식의 제트 밀이며, 수직 방향으로 세워져 설치되고 내부 공간을 가지는 하우징(31)에 가스분사노즐(33)과 원재료 투입구(34)가 설치되어 있다. 상기 가스분사노즐(33)은 하우징(31)의 하단 측면에 마련되어 하우징(31)의 내부공간으로 가스를 불어 넣어주는 역할을 하며, 가스공급관(32)은 가스탱크(미도시)와 연결되어 상기 가스분사노즐(33)에 가스를 공급한다. 그리고 원재료 투입구(34)는 상기 하우징(31)의 측면에 마련되어 상기 하우징(31)의 내부공간으로 원재료를 투입하는데, 하우징(31)의 내부공간 안에서는 가스의 흐름에 의해서 식품용 식이섬유소 입자들 간에 빈번한 충돌이 발생하여 마찰 분쇄가 이루어진다.
한편, 상기 하우징(31)의 상부에는 고속으로 회전할 수 있는 구동모터(35)가 설치되어 있으며, 구동모터(35)의 회전력에 의해 분류기 휠(classifier wheel, 36)이 회전하면, 하우징(31)의 내부에서 작은 크기로 분쇄된 입자들(미분 입자들)은 미세분쇄물질 배출구(38)와 공기정화 미분 출구(air-purged fines exit, 39)를 거쳐 배출관(40)으로 빠져나오게 된다.
도7에서 미설명부호 21a는 식품용 식이섬유소가 50㎛ 이하의 작은 크기로 분쇄된 상태의 미세분쇄물질을 가리키며, 도면부호 37은 하우징(31)의 상부에 설치된 결합볼트를 의미하고, 도면부호 41은 상기 구동모터(35)가 지지되는 지지부를 가리킨다.
본 발명에서는 식품용 식이섬유소를 입자 분쇄 가공하는 장치로서 도5 및 도6에 도시된 사이클론 밀 장치(1)와 도7에 도시된 제트 밀 장치(30)를 제시하였지만, 이는 입자 분쇄 가공 작업을 수행할 수 있는 수단들 중의 일부를 예시한 것이며, 그 밖에도 다양한 타입의 입자 분쇄 장치 내지 밀링장치들을 사용해서 식품용 식이섬유소를 50㎛ 이하의 크기로 밀링 가공 작업하는 것이 가능하다.
즉, 본 발명에 따른 식품용 식이섬유소를 가공하는 방법은 식이섬유소의 입자를 보다 작게 분쇄 가공하는 수단으로서 사이클론 밀 및 제트 밀과 같은 밀링 장치들을 채택할 수도 있고, 또는 고압 호모지나이저(high pressure homogenizer), 미분쇄기(pulverizer), 핀 크러셔(pin crusher), 해머 크러셔(hammer crusher) 등과 같은 기존에 상용화된 입자 균일화 장치들 및 미분쇄기 장치들을 사용할 수도 있으며, 더 나아가 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 평균적 기술자들이 제시할 수 있는 식품 미립자화에 사용가능한 모든 장치와 수단들을 활용할 수도 있다.
여기서, 상기 호모지나이저(homogenizer)란 조직이나 세포 등의 시료를 기계적인 힘에 의해 파괴하여 균일화하거나 유화를 시키는 기구장치를 말하며, 고압 호모지나이저가 식품 및 약학, 화학 분야에 상용화되어 있으므로, 이러한 고압 호모지나이저를 본 발명에 따른 식품용 식이섬유소의 가공방법에 있어 식이섬유소의 입자분쇄를 위한 수단으로서 적용하는 것이 가능하다.
그리고 미분쇄기(微粉碎機, pulverizer)란 일반적으로 지름 약 0.5㎝~1㎝ 정도의 원료를 200 메쉬(mesh) 정도의 크기(지름 약 0.07㎜)의 분말로 빻는 분쇄기를 말하는데, 그 예로는 튜브 밀, 볼 밀, 롤 제분기 등의 다양한 종류의 기계들이 포함된다.
한편, 상기 핀 크러셔는 곡물류, 화학제품류, 약품류 등의 각종 원료 또는 제품을 회전하는 핀(pin)과 고정된 핀(pin) 사이에서 중분쇄하여 200 메쉬 레벨 이상으로 고밀도 입자분쇄를 하는 장치이다. 그리고 상기 해머 크러셔는 고속으로 회전하는 스윙 해머의 충격과 라이너에 의한 충돌효과에 의해 입자를 분쇄하는 충격식 미분쇄기이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 기존의 식품용 식이섬유소들을 입자 분쇄 가공하여 소정의 크기 이하로 만듦과 동시에 그 입자의 형상이 라운드 타입이 되도록 가공하는 것을 특징으로 하므로, 본 발명의 특징을 잘 설명하기 위해서는 우선 식이섬유소 입자들의 가공 전후의 크기(입도)를 각각 측정하고 표현할 수 있는 적절한 수단들이 필요하다.
이를 위해 본 명세서에서는 도8 및 도9를 참고하여 셀룰로오스를 비롯한 식이섬유소 입자들의 크기(입도)를 측정하고 표현하는 방법의 원리를 설명할 것이며, 이어 도10 및 도11을 참고해서는 기존의 셀룰로오스 제품과 본 발명에 따라 제조한 셀룰로오스 샘플의 각각의 입도 분석 결과를 설명하기로 한다.
먼저, 도8은 동적 광산란법(dynamic light scattering)에 의한 나노 입자 분석기를 사용하여 식품용 식이섬유소의 입도를 측정할 경우에 식이섬유소 입자(100)의 실제 형상(101)과 입자 분석기에 의해 측정되는 직경(Dhyd)의 관계를 설명한다.
본 발명에서 대상으로 하고 있는 셀룰로오스를 비롯한 대부분의 식이섬유소 입자들은 수십 ㎛ ~ 수백 ㎛의 크기를 갖고 있는 고분자들인데, 이러한 고분자 입자들의 크기는 실제로 매우 다양하게 나타나기 때문에, 이러한 입자들의 크기(입도)를 표현할 수 있는 적절한 방법이 필요하게 된다. 만약 어떤 시스템 내에 존재하는 고분자 입자의 크기가 모두 동일하다면 굳이 평균 입도 및 분포도의 개념이 필요하지 않을 것이다. 그러나 실제적으로는 다양한 크기의 입자들이 혼재하기 때문에 고분자 입자들의 크기를 표현하기 위한 수학적 수단으로 '평균 입도' 및 '분포도'가 필요하게 되었다.
여기서 평균 입도라고 할 때의 평균의 개념에 관해서는 수평균(number average), 무게 평균(weight average), 조화평균(harmonic average), 기하평균(geometric average), 광산란 평균(light scattering average), 부피 평균(volume average), 표면 평균(surface average) 등의 다양한 평균들이 이미 정의되어 있는데, 이 중에서 가장 널리 사용되는 것은 수평균 입도(dn)과 무게평균 입도(dw)이다. 수평균 입도는 입도분석기가 아닌 주사 전자 현미경(SEM) 및 투과 전자 현미경(TEM)을 통해서도 쉽게 계산될 수 있으며, 무게평균 입도는 광산란법에서 측정되는 수치와 유사하다. 또한 입자의 균일도를 표현하기 위한 방법으로는 표준편차를 사용하거나 무게평균 입도와 수평균 입도의 비(polydispersity index = dw/dn)를 사용할 수도 있다.
현재 고분자 입자의 입도를 분석하는 방법은 십여 가지의 기술들이 개발되어 있으며, 이들을 분석원리에 따라 나누면, ① 현미경을 이용하는 방법(예를 들어 광학현미경, 주사전자 현미경, 투과전자 현미경, 원자현미경을 이용함), ② 광산란을 이용하는 방법{예를 들어 준탄성 광산란(quasi-elastic light scattering) 또는 광자상관법(photon correlation spectroscopy), 프라운호퍼 회절법(Fraunhofer diffraction), 중성자 산란법(neutron scattering) 등} 및 ③ 입자 움직임을 이용하는 방법{예를 들어 침강 장 흐름 분획법(sedimentation field flow fractionation), 유체역학적 크로마토그래피(hydrodynamic chromatography)등})으로 나눌 수 있다.
이 중에서 현미경을 이용하여 셀룰로오스 같은 식이섬유 입자들의 크기를 측정하는 것은 가장 직관적인 방법이기는 하지만, 수많은 식이섬유 입자들을 이렇게 일일이 크기를 측정한다는 것은 현실성이 없으므로, 전체 입자들에 대해 통계적 기법으로 크기를 측정할 수 있는 광산란법이 효과적인 측정 방법이 될 수 있다. 광산란법에는 정적 광산란법(static light scattering)과 동적 광산란법(dynamic light scattering)이 있는데, 이 중에서 측정결과에 대한 교정(calibration)을 수행할 필요 없이 곧바로 적용 가능한 동적 광산란법이 보다 일반적으로 널리 사용되고 있다.
동적 광산란법(DLS)은 분산 내 나노 입자의 크기를 측정하는 비침투성 기법으로서, 브라운 운동(Brownian motion)을 이용하여 입자 현탁액에서 시간에 따른 산란광의 세기를 측정한다. 이러한 산란광의 세기 변동을 분석하면 입도를 알 수 있는 확산계수를 결정할 수 있으며, 스톡스-아인슈타인 방정식(Stokes-Einsteine equation)을 통해 이 확산계수로부터 입도를 구할 수 있다.
동적 광산란법을 이용한 측정장비를 이용하면, (a) '유체역학적인 반경/직경'(hydrodynamic radius/diameter)으로서의 입자 사이즈와 (b) 입자의 수 분포(number distribution) 및 부피 분포(volume distribution), 그리고 (c) 다분산도 지수(polydispersity index; PDI)를 구할 수 있다.
여기서, 상기 '유체역학적인 직경'(Dhyd)이란 도8에 도시된 것과 같이 타원형으로 된 입자(100)의 긴 축의 길이(L1)와 짧은 축의 길이(L2) 사이에서 중간값을 그 입자의 직경으로 취한 것으로서, 고분자 또는 콜로이드 입자를 동적 광산란법에 의해 입도를 분석할 경우에 측정기기에 의해서 입자(100)의 직경(Dhyd)으로 파악되는 크기를 말한다. 즉, 콜로이드 입자 또는 고분자가 실제로는 도8에서 도면부호 101이 가리키는 것과 같은 모양을 가졌을 때, 동적 광산란법에 의한 측정장치는 그 입자의 직경을 Dhyd인 것으로 측정한다는 것이다.
고분자 또는 콜로이드 입자의 '유체역학적 반경'은 다음의 수식으로서 정의된다. 이는 고분자 또는 콜로이드 입자를 N개의 하위입자(subparticle)들의 집단(collection)으로 간주하는 것으로서, 여기서 상기 하위입자들은 고분자를 구성하는 기본 유닛들(units)이 된다.
Figure 112014120867665-pat00001
------------ (수식 1)
위 수식(1)에서, Rhyd는 콜로이드 입자의 유체역학적 반경이며, rij는 하위입자들 i 및 j 사이의 거리이고, '<...>' 표시는 앙상블 평균(ensemble average)으로서 통계적 평균 또는 집합적 평균을 의미한다.
도9는 입도 분석의 결과를 해석하는 기준들 중에서 대표적인 기준들인 부피 분포(volume distribution)와 수 분포(number distribution)의 개념과 서로 간의 차이점을 설명하기 위한 도면이다.
다양한 크기를 가진 수많은 입자들의 입도 측정 결과를 해석하는 것은 어떤 기술이 사용되었는가를 이해할 것과 그 계산들의 기본을 이해할 것을 요구한다. 각 측정기술은 상이한 결과를 발생시키는데, 이는 각 기술이 샘플의 서로 다른 물리적 성질들을 측정하기 때문이다.
그리고 일단 입자들의 물리적 물성이 측정되면, 그 측정 결과는 입자 크기 분포에 관한 형태로 나타난다. 입자 크기 분포는 몇 가지 모델들에 기초해서 계산될 수 있는데, 이 중 가장 자주 사용되는 기준은 수 분포(number distribution)와 부피 분포(volume distribution)이다. 이때, 시료 입자가 단일 물질인 경우에는 부피=질량이 되므로 부피 분포에 의해서 곧바로 질량 분포를 구할 수 있게 되며, 다분산도 지수(PDI)는 입자들의 동질성(homogeneousness)을 나타내는 지표가 된다.
수 분포를 이해하는 가장 쉬운 방법은, 현미경을 사용해서 입자들의 크기를 직접 측정하고 해당 크기를 가진 입자들의 수를 직접 카운트하는 것이다. 이러한 접근법에서는 각 입자가 동등한 가중치를 가지며, 최종 분포가 수 분포로서 얻어진다. 도9에 도시된 9개의 입자들(110, 120, 130)을 예로 들면, 제일 위에 도시된 3개의 입자들(110)은 직경 1㎛짜리들이고, 중간에 도시된 3개의 입자들(120)은 직경 2㎛짜리들이며, 아래의 3개의 입자들(130)은 직경 3㎛짜리들이다. 이들 3가지 크기의 입자들에 대해서 수 분포를 만들면 각각의 입자들의 크기는 전체의 1/3씩을 차지하여 균등하게 나타난다. 따라서 도9에 도시된 입자들의 수 평균(number average) 입도는 2㎛가 된다.
그러나 이 측정 결과를 부피 분포로 변환한다면, 직경 1㎛의 입자는 전체 부피(18.85㎛3)중의 2.78%인 0.52㎛3를 차지하며, 직경 2㎛의 입자는 전체 부피 중의 22.22%인 4.19㎛3를 차지하고, 직경 3㎛의 입자는 전체 부피 중의 75%에 해당하는 14.14㎛3를 차지하게 된다. 즉, 부피 분포에 의하면 각 입자들의 분포 비중이 동일한 비율로 반영되는 것이 아니라, 제일 큰 입자의 분포 비중이 가장 큰 비율로 반영된다. 그 결과, 도9에 예시한 입자들의 부피 평균(volume average) 입도는 1㎛ x 2.78% + 2㎛ x 22.22% + 3㎛ x 75% = 2.72㎛가 된다. 이처럼 부피 분포는 큰 입자가 더 큰 비중으로 반영되는 것이 특징이라고 할 수 있다.
그런데 일반적으로 고분자 물질의 물성을 좌우하는 것은 수 평균 입도가 아니라 부피 평균 입도라고 할 수 있다. 이러한 이유 때문에, 주로 입자 형태의 약품을 대량으로 생산하는 제약업계에서도 부피 평균 입도만을 약물 입자의 물성을 결정하는 요소로서 중요하게 취급하고 있으며, 수 평균 입도는 단지 공장에서 입자를 얼마만큼의 크기로 제조해야 한다는 의미에서의 공장 제조 기준 정도로만 활용하고 있을 뿐이다.
또한, 본 발명에서 문제삼고 있는 식이섬유의 식감이라는 것도 수 평균 입도에 의해 영향을 받는 것이 아니라 실질적으로 부피 평균 입도에 의해 영향을 받는 것이므로, 식이섬유의 식감을 개선하기 위해서는 본 발명에 의해 밀링 가공된 후의 식이섬유 입자들에 대해서도 수 평균 입도보다 부피 평균 입도를 낮추는 것이 더욱 중요하게 된다.
도10은 기존의 시판되는 셀룰로오스 제품을 동적 광산란법(DLS)에 의한 나노입자분석기를 사용해서 입도 분석을 수행한 결과 얻은 데이터를 정리한 것으로서, 이 중 도면 <a>는 부피 분포와 수 분포 데이터를 각각 표 형식으로 정리한 것이고, 도면<b>는 도면 <a> 중의 부피 분포 데이터를 그래프로 나타낸 것이다.
동적 광산란법을 이용해서 셀룰로오스 입자들의 입도 분포를 측정하는 작업은 상온(常溫)에서 진행되며, 각 경우에 해당되는 셀룰로오스 입자들을 탈이온수(deionized water)에 넣고 혼합해서 물속에 셀룰로오스 입자들을 현탁(懸濁, suspend) 또는 부유(浮遊)시킨 다음 나노 입자 분석기를 이용해서 측정을 진행하게 된다.
본 발명의 발명자들은 기존의 셀룰로오스 제품의 입도 분석을 수행하기 위해 '케모파마'(Chemopharma)사의 'Comprecel M302' 제품을 선택하였으며, 이 셀룰로오스 제품을 탈이온수에 혼합한 다음 일본 오츠카 포토닉스(Otsuka Photonics)사의 ELS-800 입자 분석기를 사용해서 동적 광산란법에 의한 입도 분석을 수행하였다.
그러한 입도 분석의 결과가 도10의 표와 그래프로서 정리되어 있는데, 우선 도10의 도면<a>를 참고하면, 부피 분포로서는 1번부터 5번까지의 5개의 피크들(peaks)이 발견되었다. 각각의 피크들에서 측정된 입자 직경들(Dhyd)은 3,205㎚(1번 피크), 28,070㎚(2번 피크), 69,413.9㎚(3번 피크), 125,154㎚(4번 피크) 및 279,608㎚(5번 피크)가 되는데, 이들 5개의 피크들 중 1번 피크와 2번 피크는 그 성분 비율이 미미하며, 3번부터 5번까지의 피크들(P1)이 대다수의 비율을 차지한다. 도면<b>에는 위 3번부터 5번까지의 피크 성분들이 표시되어 있다(P6 참조). 그리고 이 5개의 피크들로서 나타난 입자 직경값들을 부피 분포에 의해 평균한 결과(즉, 부피평균 입도(AVG1))는 273,285㎚가 된다(P2 참조).
한편, 도면<b>에는 3번부터 5번까지의 각각의 피크들이 서로 중첩되어서 마치 하나의 피크 분포를 보이는 것처럼 표시되어 있으나(P6 참조), 실제 나노입자 분석기의 모니터에는 3개의 분리된 피크 성분들의 분포 패턴들이 서로 다른 색으로 표시되므로, 이러한 피크 성분들의 존재를 쉽게 확인할 수 있다.
그리고 도면<a>의 우측에는 가공되지 않은 'Comprecel M302' 제품의 수 분포 결과가 표로서 나타나 있다. 수 분포 결과에 의하면, 역시 5개의 피크 성분들이 존재하는데, 각각의 피크들에 나타난 입자 직경은 각각 2,544.8㎚(1번 피크), 27,351.7㎚(2번 피크), 69,413.9㎚(3번 피크), 116,325㎚(4번 피크) 및 256,067㎚(5번 피크)이고, 이들 피크들의 수 평균 입도(AVG2)는 60,426.8㎚가 된다(P4 참조). 상기 수 분포에 있어서도 3번부터 5번까지의 피크 성분들이 전체에서 많은 비중을 차지하는 주된 성분이라고 할 수 있다(P3 참조)
그런데, 특기할 만한 것은 부피 분포의 3번 피크와 수 분포의 3번 피크의 입자 직경이 69,413.9㎚로 일치한다는 것이다. 이에 의해서 셀룰로오스의 기본 유닛이 69,413.9㎚의 유체역학적 직경(Dhyd)을 갖는다는 것을 확인할 수 있으며, 그보다 큰 입자들(4번 피크 및 5번 피크)은 이러한 기본 유닛의 입자들이 2배 혹은 4배로 연결되어서 이루어진 덩어리라는 것을 짐작할 수 있다. 그리고 부피 평균 입도가 273,285㎚가 된다는 것에 의해서, 기본 유닛의 4배가 되는 273,285㎚의 유체역학적 직경(Dhyd)을 가진 입자가 'Comprecel M302' 제품 속에서 가장 일반적으로 널리 퍼져있는 종류라는 것을 알 수 있다. 도10의 도면<a>에는 표기되지 않았지만, 실제 측정결과에 의하면, 위 기본 유닛의 4배가 되는 273,285㎚ 짜리 입자들이 'Comprecel M302' 셀룰로오스 제품의 전체 부피에서 38% 정도를 차지하는 것으로 나타났다.
그리고 부피 평균 입도(AVG1)를 수 평균 입도(AVG2)로 나눈 것을 형상비(aspect ratio)라고 정의할 수 있는데, 상기 형상비는 측정대상 샘플 중에 가장 많은 부피로 존재하는 셀룰로오스 입자들이 어떤 형태로 되어 있는지 즉 기본 유닛이 몇 개가 연결된 셀룰로오스 입자가 가장 일반적으로 분포되어 있는가를 나타내는 지표로서의 역할을 할 수 있다. 즉, 본 샘플의 셀룰로오스 제품이 1차원적 성장 패턴을 가진 단결정 셀룰로오스(monocrystalline cellulose)라는 점을 감안하면, 형상비가 2~5의 수치값으로 나올 경우, 기본 유닛의 셀룰로오스 입자 2~5개가 실 모양(filamentous)으로 길게 연결되어 만들어진 입자들이 본 샘플 속에서 주류를 이룬다고 추론할 수 있는 것이다.
도10의 도면<a>에 의하면, 부피 평균 입도(AVG1) 273,285㎚를 수 평균 입도(AVG2) 60,426.8㎚로 나눈 형상비가 4.5이므로, 기존의 시판되는 셀룰로오스 제품의 경우에는 기본 유닛이 4.5개 정도 길게 연장된 실 혹은 막대 형태의 입자들이 주류를 이루고 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 상기 부피 분포의 3번 피크와 수 분포의 3번 피크로서 서로 일치되게 나온 입자 직경 69,413.9㎚짜리가 본 샘플에서의 셀룰로오스 입자의 기본 유닛으로서 그 직경이 수 평균 입도 60,426.8㎚와 거의 근접하고 있다는 사실에 의해, 본 셀룰로오스 샘플 중에는 상기 기본 유닛의 입자들이 가장 많은 개수로서 존재하고 있다는 점을 확인할 수 있다.
그리고 또 하나 더 특기할 점은 상기 기본 유닛의 직경 69,413㎚가 'Comprecel M302' 제품의 공장의 품질관리 시트에서의 사양인 「70㎛ 이하의 입자 크기」라는 기준과 부합한다는 것이다.
한편, 도10의 <a>의 하단부에는 다분산도 지수(polydispersity index; PDI)가 1.590으로 꽤 높게 나타나 있다(P5 참조). 상기 다분산도 지수는 무게평균 입도와 수평균 입도의 비(dw/dn)로 정의되는데, 실제로는 나노 입자 분석기에 의해서 곧바로 출력되어 나온다. 다분산도 지수(PDI)는 1.0 이상의 수치로 나타나게 되는데, 만약 다분산도 지수가 1.0일 경우에는 모든 입자들이 전부 다 균일한 크기와 형태를 갖고 있다는 것이 되며, 이 수치가 1보다 커짐에 따라 입자들 간의 불균일성이 높아지게 된다.
도11은 본 발명에 따라 밀링 가공이 완료된 후의 셀룰로오스를 동적 광산란법(DLS)에 의한 나노입자분석기를 사용해서 입도 분석을 수행한 결과 얻은 데이터를 정리한 것으로서, 이 중 도면 <a>는 부피 분포와 수 분포 데이터를 각각 표 형식으로 정리한 것이고, 도면<b>는 도면 <a> 중의 부피 분포 데이터를 그래프로 나타낸 것이다. 도11의 측정 결과는 도10의 측정 방법과 동일한 방법으로 수행하되, 그 측정대상 샘플만을 본 발명에 의해 밀링 가공된 후의 셀룰로오스 입자들로 바꿔서 측정해 얻은 결과물이다.
도11의 도면<a>를 참고하면, 본 발명에 의해 밀링 가공된 후의 셀룰로오스 샘플은 부피분포에 있어 2개의 피크들만이 발견되는데, 1번 피크는 3,372.6㎚로 매우 작은 유체역학적 직경을 갖고, 2번 피크는 58,036㎚의 유체역학적 직경을 갖는다(T1 참조). 그리고 부피분포 데이터에서의 부피평균 입도가 58,036㎚가 된 것을 보면(T2 참조), 상기 2번 피크의 입자들이 거의 99.9%의 부피 분포를 차지한다는 것을 알 수 있다. 도면<b>의 부피 분포 그래프에는 위 2번 피크 성분이 표시되어 있다(T6 참조).
그리고 도면<b>의 수 분포 결과를 참고하면, 수 분포에 있어서도 역시 2개의 피크들만이 존재하는데, 1번 피크는 3,057.9㎚의 유체역학적 직경을 갖고, 2번 피크는 43,008.6㎚의 유체역학적 직경을 갖는다(T3 참조). 이때에도 수 평균 입도(AVG2)가 43,007.9㎚로 위 2번 피크의 입자 직경과 거의 근사한 크기를 가지므로(T4 참조), 2번 피크의 입자들이 전체 입자들 중에서 거의 99% 이상의 개수만큼 존재한다는 것을 미루어 짐작할 수 있다.
도11의 경우에서 부피 평균 입도(AVG1) 58,036㎚를 수 평균 입도(AVG2) 43,007.9㎚로 나눠 형상비를 구하면 1.35가 된다. 이에 의해서, 본 발명에 의해 밀링 가공 처리가 완료된 후의 셀룰로오스 입자들은 거의 셀룰로오스의 기본 유닛에 가까운 입자들로 구성되어 있다는 것을 알 수 있는데, 이는 곧 기존의 셀룰로오스 제품을 밀링 가공함에 의해 그 기존의 셀룰로오스 제품 중에 존재하던 실 혹은 막대 형태의 입자들이 모두 기본 유닛 단위로 쪼개졌다는 것을 의미한다.
그리고 본 발명에 의해 밀링 가공처리가 완료된 후의 셀룰로오스 샘플들은 다분산도가 1.109로서 상당히 낮은 값을 갖는다(T5 참조). 다분산도가 최저치인 1.0에 가깝게 되었으므로, 본 발명에 의해 생산된 셀룰로오스 샘플 중의 입자들은 거의 비슷한 형태와 크기를 가지고 있어 균질도가 꽤 높다는 것을 알 수 있다.
이상, 도10 및 도11을 참고하여 기존의 셀룰로오스 제품과 본 발명에 의해 제조된 셀룰로오스 샘플의 입도 분석 결과를 설명한 바를 정리하면, 본 발명에 의해 제조된 식감이 개선된 식품용 식이섬유소는 부피 평균 입도가 70㎛ 이하이고, 수 평균 입도가 70㎛ 이하인 입자들로 구성되며, 상기 부피 평균 입도를 상기 수 평균 입도로 나눠 계산한 '형상비'(aspect ratio)가 1.0~2.0의 범위에 있고, 동적 광산란법에 의해 측정한 다분산도 지수(PDI)가 1.0~1.3의 범위에 있는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 개선된 식감을 갖는 식품용 식이섬유소의 가공방법은,
(a) 식품용 식이섬유소 원재료를 밀링 장치에 투입하는 제1단계;
(b) 상기 밀링 장치 내에서 고속의 공기의 흐름을 만들어 상기 식품용 식이섬유소 원재료들의 입자들을 고속으로 이동시킴으로써 입자들 상호간의 충돌을 유도하는 제2단계; 및
(c) 입자들의 부피 평균 입도가 제1값 이하가 되고 수 평균 입도가 제2값 이하가 되도록 가공된 식품용 식이섬유소들만을 상기 밀링 장치의 외부로 배출하여 가공산물로서 수집하는 제3단계;를 포함하며,
상기 제1단계에서 사용되는 상기 식품용 식이섬유소 원재료는 부피 평균 입도가 200㎛ 이상이고, 수 평균 입도가 50㎛ 이상이며,
상기 제3단계에서 상기 제1값은 60~70㎛의 범위에 있고, 상기 제2값은 50~70㎛의 범위에 있으며,
상기 부피 평균 입도를 상기 수 평균 입도로 나눠 얻은 값을 '형상비'라고 정의할 때, 상기 밀링 장치에 의해 가공 완료된 식품용 식이섬유소들은 형상비가 1.0~2.0이고, 동적 광산란법에 의해 측정한 다분산도 지수가 1.0~1.3인 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 개선된 식감을 갖는 식품용 식이섬유소를 이용해서 빵, 과자, 면류 등의 식품을 제조하는 방법에 대해서 설명한다.
우선, 도12는 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소의 효과를 테스트하기 위해 사용한 식이섬유소 샘플들의 사양을 정리한 표이다. 도12에서 샘플1의 '가공하지 않은 식이섬유소'는 시중에 판매되는 케모파마(Chemopharma)사의 결정 셀룰로오즈 (상표명 ComprecelTM M302) 제품을 그대로 사용하는 것인데, 이러한 기존의 식이섬유소의 평균 입자크기는 70~100㎛가 되며, 각 입자들은 막대 형태를 띠고 있다. 반면, 샘플2의 '본 발명에 의해 개량된 식이섬유소'는 상기 'Comprecel M302' 제품을 사이클론 밀 장치(1, 도5 및 도6)를 이용해서 밀링 가공하여 입자 크기를 평균 50㎛ 이하로 낮추고 입자의 형태를 구형으로 만든 것이다.
본 발명자들은, 본 발명에 의해 입자의 크기와 형태가 개량된 식품용 식이섬유소의 실제적인 효과를 평가하는데 유용하도록 위 2가지의 식이섬유소 샘플들(도12 참조)을 각각 사용해서 초콜렛칩 쿠키, 밀크쿠키, 국수 및 빵을 만들어 보았으며, 이렇게 제조된 식품들을 다수의 시험자들에게 시식하게 하고 평가점수를 매기도록 하는 블라인드 조사(blind-survey)를 수행함으로써 과연 본 발명에 의해 개량된 식품용 식이섬유소가 밀가루를 충분히 대체하여 사용될 만한 상업적인 경쟁력을 갖고 있는지를 테스트해보았다.
<실시예1>
도13은 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 사용해 초콜렛칩 쿠키를 만들었을 때의 식이섬유소의 성분비율과 시험자 그룹에 의한 평가결과를 기존의 기본적인 초콜렛칩 쿠키의 경우와 비교하여 정리한 표이다.
식품용 식이섬유소에 대해서 입자의 크기와 형태라는 2가지의 물성을 동시에 변화시킬 수 있는 가공방법은 사이클론 밀 장치(1, 도5 및 도6)를 이용하여 식이섬유소(ComprecelTMM302)를 밀링 가공하는 것이다.
가공 전에 평균 입자 크기 70~100㎛의 막대 형태를 띠던 결정 셀룰로오스는 사이클론 밀링 작업 이후 평균 입자크기가 50㎛로 되었으며, 비교적 구체(球體) 형태로 바뀌었다(도12 참조). 이러한 식이섬유소 입자의 물성을 변화시키는 방법은 제트 밀링(jet milling)을 비롯한 다양한 밀링 기술로서 대체될 수 있으며, 아예 미정질 셀룰로오스(microcrystalline cellulose)의 제조 과정에서부터 입자 크기를 35㎛ 이하로 결정화시켜도 유사한 효과를 기대할 수 있다.
이와 같이 입자 크기를 평균 50㎛로 만들고 구형화/라운드화하여 물성을 개선한 결정 셀룰로오스(도12의 샘플2)를 이용해서 초콜렛칩 쿠키를 제작하였으며, 이와 별도로 비교 시험을 위하여 물성이 개선되지 않은 결정 셀룰로오스(도12의 샘플1)를 이용한 초콜렛칩 쿠키, 그리고 결정 셀룰로오스를 전혀 사용하지 않고 밀가루만을 전량 사용하여 만든 초콜렛칩 쿠키를 제작하였다.
이렇게 해서 만들어진 3가지의 초콜렛칩 쿠키들을 37명의 시험자들에게 블라인드 조사(blind-survey) 방식으로 시식하게 한 다음 각자의 평가점수를 매기도록 하였는데, 각 초콜렛칩 쿠키들의 성분자료와 그에 대한 시험자 그룹의 시식 평가결과가 도13의 표로서 정리되어 있다.
이 블라인드 조사에 있어서 우선 시험자들에게 기존의 요리법대로 만든 '기본적인 초콜렛칩 쿠키들'을 맛보게 하였으며, 이때 느끼는 맛을 '4'점으로 설정한 상태에서 샘플1 및 샘플2의 셀룰로오스들을 사용하여 제작한 초콜렛칩 쿠키들을 맛보고 평가하게 하였다.
도13을 참고하면, 본 실시예에서 초콜렛칩 쿠키를 제작하는데 있어 밀가루를 식이섬유소로 대체한 비율(중량%)은 62.5%였으며, 그 결과 기본 초콜렛칩 쿠키에 비해 단위 중량(g)당 열량 감소율은 24.4%로 나타났다. 여기서 밀가루를 식이섬유소로 대체한 비율(중량%)이 62.5%라는 것은 밀가루와 샘플2의 식이섬유소를 1:1.67의 중량 비율로 혼합하였다는 것을 의미한다.
도13의 표의 하단부에 기록된 바와 같이 본 실시예에서 샘플2의 밀링 가공된 식이섬유소를 밀가루 대신 62.5% 혼합하여 만든 초콜렛칩 쿠키는 전체적인 풍미에서 '5'점을 받아 기존의 기본적인 초콜렛칩 쿠키보다도 오히려 더 높은 평가점수를 받았으며, 치아 사이에 느껴지는 종이씹는 느낌과 잔류감 역시 거의 '0'에 가까운 평가점수를 받아 기존의 기본적인 초콜렛칩 쿠키의 경우와 별로 다를 것이 없었다.
<실시예2>
도14는 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 사용해 밀크 쿠키를 만들었을 때의 식이섬유소의 성분비율과 시험자 그룹에 의한 평가결과를 기존의 기본적인 밀크 쿠키의 경우와 비교하여 정리한 표이다.
식품용 식이섬유소에 대해서 입자의 크기와 형태라는 2가지의 물성을 동시에 변화시킬 수 있는 가공방법은 사이클론 밀 장치(1, 도5 및 도6)를 이용하여 식이섬유소(ComprecelTMM302)를 밀링 가공하는 것이다.
가공 전에 평균 입자 크기 70~100㎛의 막대 형태를 띠던 결정 셀룰로오스는 사이클론 밀링 작업 이후 평균 입자크기가 50㎛로 되었으며, 비교적 구체(球體) 형태로 바뀌었다(도12 참조). 이러한 식이섬유소 입자의 물성을 변화시키는 방법은 제트 밀링(jet milling)을 비롯한 다양한 밀링 기술로서 대체될 수 있으며, 아예 미정질 셀룰로오스(microcrystalline cellulose)의 제조 과정에서부터 입자크기를 35㎛ 이하로 결정화시켜도 유사한 효과를 기대할 수 있다.
이와 같이 입자 크기를 평균 50㎛로 만들고 구형화/라운드화하여 물성을 개선한 결정 셀룰로오스(도12의 샘플2)를 이용하여 밀크 쿠키를 제작하였으며, 이와 별도로 비교시험을 위하여 물성이 개선되지 않은 결정 셀룰로오스(도12의 샘플1)를 이용한 밀크 쿠키, 그리고 결정 셀룰로오스를 전혀 사용하지 않고 밀가루만을 전량 사용하여 만든 밀크 쿠키를 제작하였다.
이렇게 해서 만들어진 3가지의 밀크 쿠키들을 37명의 시험자들에게 블라인드 조사(blind-survey) 방식으로 시식하게 한 다음 각자의 평가점수를 매기도록 하였는데, 각 밀크 쿠키들의 성분자료와 그에 대한 시험자 그룹의 시식 평가결과가 도14의 표로서 정리되어 있다.
이 블라인드 조사에 있어서 우선 시험자들에게 기존의 요리법대로 만든 '기본적인 밀크 쿠키들'을 맛보게 하였으며, 이때 느끼는 맛을 '4'점으로 설정한 상태에서 샘플1 및 샘플2의 식이섬유소들을 사용하여 제작한 밀크 쿠키들을 맛보고 평가하게 하였다.
도14를 참고하면, 본 실시예에서 밀크 쿠키를 제작하는데 있어 밀가루를 식이섬유소로 대체한 비율(중량%)은 53.8%였으며, 그 결과 기본 초콜렛칩 쿠키에 비해 단위 중량(g)당 열량 감소율은 20.5%로 나타났다. 여기서 밀가루를 식이섬유소로 대체한 비율(중량%)이 53.8%라는 것은 밀가루와 샘플2의 식이섬유소를 1:1.165의 중량 비율로 혼합하였다는 것을 의미한다.
도14의 표의 하단부에 기록된 바와 같이 본 실시예에서 샘플2의 밀링 가공된 식이섬유소를 밀가루 대신 53.8% 혼합하여 만든 밀크 쿠키는 전체적인 풍미에서 '4'점을 받아 기존의 기본적인 밀크 쿠키와 동일한 평가점수를 받았으며, 치아 사이에 느껴지는 종이씹는 느낌과 잔류감 역시 거의 '0'에 가까운 평가점수를 받아 기존의 기본적인 밀크 쿠키의 경우와 별로 다를 것이 없었다.
도13 및 도14의 평가결과에 의하면, 본 발명에 따른 식감이 개선된 식이섬유소를 곧바로 밀가루 대용으로 상당량 투입하여 초콜렛칩 쿠키 또는 밀크 쿠키를 제조하더라도 기존의 밀가루만을 사용한 쿠키들과 비교하여 전혀 손색없는 식감과 맛을 제공한다는 것을 알 수 있으므로, 본 발명에 따른 식이섬유소는 쿠키를 제조하는데 사용하면 저열량의 맛있는 쿠키를 만들 수 있어 다이어트와 건강관리에 관심이 높은 소비자들을 상대로 큰 성공을 거둘 수 있을 것으로 예상된다.
<실시예3>
도15는 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 사용해 국수 제품을 만들었을 때의 식이섬유소의 성분비율과 시험자 그룹에 의한 평가결과를 기존의 기본적인 국수 제품의 경우와 비교하여 정리한 표이다.
식품용 식이섬유소에 대해서 입자의 크기와 형태라는 2가지의 물성을 동시에 변화시킬 수 있는 가공방법은 사이클론 밀 장치(1, 도5 및 도6)를 이용하여 식이섬유소(ComprecelTMM302)를 밀링 가공하는 것이다.
가공 전에 평균 입자 크기 70~100㎛의 막대 형태를 띠던 결정 셀룰로오스는 사이클론 밀링 작업 이후 평균 입자 크기가 50㎛로 되었으며, 비교적 구체(球體) 형태로 바뀌었다(도12 참조). 이러한 식이섬유소 입자의 물성을 변화시키는 방법은 제트 밀링(jet milling)을 비롯한 다양한 밀링 기술로서 대체될 수 있으며, 아예 미정질 셀룰로오스(microcrystalline cellulose)의 제조 과정에서부터 입자크기를 35㎛ 이하로 결정화시켜도 유사한 효과를 기대할 수 있다.
이와 같이 입자 크기를 평균 50㎛로 만들고 구형화/라운드화하여 물성을 개선한 결정 셀룰로오스(도12의 샘플2)를 이용하여 간단한 밀가루 국수를 제작하였으며, 이와 별도로 비교시험을 위하여 물성이 개선되지 않은 결정 셀룰로오스(도12의 샘플1)를 이용한 밀가루 국수, 그리고 결정 셀룰로오스를 전혀 사용하지 않고 밀가루만을 전량 사용하여 만든 국수를 제작하였다.
이렇게 해서 만들어진 3가지의 밀가루 국수들을 제조 후 끓는 물에 2분 동안 익힌 다음, 5명의 시험자들에게 블라인드 조사(blind-survey) 방식으로 시식하게 한 다음 각자의 평가점수를 매기도록 하였는데, 각 밀가루 국수들의 성분자료와 그에 대한 시험자 그룹의 시식 평가결과가 도15의 표로서 정리되어 있다.
이 블라인드 조사에 있어서 우선 시험자들에게 기존의 요리법대로 만든 '기본적인 밀가루 국수들'을 맛보게 하였으며, 이때 느끼는 맛을 '4'점으로 설정한 상태에서 샘플1 및 샘플2의 식이섬유소들을 사용하여 제작한 국수들을 맛보고 평가하게 하였다.
도15를 참고하면, 본 실시예에서 밀가루 국수를 제작하는데 있어 밀가루를 식이섬유소로 대체한 비율(중량%)은 26.0%였으며, 그 결과 기본 밀가루 국수에 비해 단위 중량(g)당 열량 감소율은 26.0%로 나타났다. 여기서 밀가루를 식이섬유소로 대체한 비율(중량%)이 26.0%라는 것은 밀가루와 샘플2의 식이섬유소를 1:0.352의 중량 비율로 혼합하였다는 것을 의미한다.
도15의 표의 하단부에 기록된 바와 같이 본 실시예에서 샘플2의 밀링 가공된 식이섬유소를 밀가루 대신 26%만큼 혼합하여 만든 밀가루 국수는 전체적인 풍미에서 '3'점을 받아 기존의 기본적인 밀가루 국수보다는 약간 못하지만 별 차이가 없다고 할 정도의 좋은 평가점수를 받았으며, 치아 사이에 느껴지는 종이씹는 느낌과 잔류감 역시 거의 '0'에 가까운 평가점수를 받아 기존의 기본적인 밀가루 국수의의 경우와 별로 다를 것이 없었다.
<실시예4>
도16은 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 사용해 빵 제품을 만들었을 때의 식이섬유소의 성분비율과 시험자 그룹에 의한 평가결과를 기존의 기본적인 빵 제품의 경우와 비교하여 정리한 표이다.
식품용 식이섬유소에 대해서 입자의 크기와 형태라는 2가지의 물성을 동시에 변화시킬 수 있는 가공방법은 사이클론 밀 장치(1, 도5 및 도6)를 이용하여 식이섬유소(ComprecelTMM302)를 밀링 가공하는 것이다.
가공 전에 평균 입자 크기 70~100㎛의 막대 형태를 띠던 결정 셀룰로오스는 사이클론 밀링 작업 이후 평균 입자크기가 50㎛로 되었으며, 비교적 구체(球體) 형태로 바뀌었다(도12 참조). 이러한 식이섬유소 입자의 물성을 변화시키는 방법은 제트 밀링(jet milling)을 비롯한 다양한 밀링 기술로서 대체될 수 있으며, 아예 미정질 셀룰로오스(microcrystalline cellulose)의 제조 과정에서부터 입자크기를 35㎛ 이하로 결정화시켜도 유사한 효과를 기대할 수 있다.
이와 같이 입자 크기를 평균 50㎛로 만들고 구형화/라운드화하여 물성을 개선한 결정 셀룰로오스(도12의 샘플2)를 이용하여 간단한 식빵을 제작하였으며, 이와 별도로 비교시험을 위하여 물성이 개선되지 않은 결정 셀룰로오스(도12의 샘플1)를 이용한 식빵, 그리고 결정 셀룰로오스를 전혀 사용하지 않고 밀가루만을 전량 사용하여 만든 밀가루 식빵을 제작하였다.
이렇게 해서 만들어진 3가지의 식빵들을 5명의 시험자들에게 블라인드 조사(blind-survey) 방식으로 시식하게 한 다음 각자의 평가점수를 매기도록 하였는데, 각 식빵들의 성분자료와 그에 대한 시험자 그룹의 시식 평가결과가 도16의 표로서 정리되어 있다.
이 블라인드 조사에 있어서 우선 시험자들에게 기존의 요리법대로 만든 '기본적인 식빵들'을 맛보게 하였으며, 이때 느끼는 맛을 '4'점으로 설정한 상태에서 샘플1 및 샘플2의 식이섬유소들을 사용하여 제작한 식빵들을 맛보고 평가하게 하였다.
도16을 참고하면, 본 실시예에서 식빵을 제작하는데 있어 밀가루를 식이섬유소로 대체한 비율(중량%)은 26.0%였으며, 그 결과 기본 밀가루 식빵에 비해 단위 중량(g)당 열량 감소율은 26.0%로 나타났다. 여기서 밀가루를 식이섬유소로 대체한 비율(중량%)이 26.0%라는 것은 밀가루와 샘플2의 식이섬유소를 1:0.352의 중량 비율로 혼합하였다는 것을 의미한다.
도16의 표의 하단부에 기록된 바와 같이 본 실시예에서 샘플2의 밀링 가공된 식이섬유소를 밀가루 대신 26.0 중량% 만큼 혼합하여 만든 식빵은 전체적인 풍미에서 '1.73'점을 받아 기존의 기본적인 밀가루 식빵보다는 못한 평가점수를 받았지만, 치아 사이에 느껴지는 종이씹는 느낌과 잔류감 역시 거의 '0'에 가까운 평가점수를 받아 기존의 기본적인 식빵의 경우와 별로 다를 것이 없었다.
한편, 상기 실시예1 및 2의 경우와 같이, 과자 및 쿠키류의 식품을 제조하는 데에 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 사용할 때에는, 밀가루와 본 발명의 식품용 식이섬유소를 1:0.05 ~ 1:3의 중량 비율로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 실시예3 및 4의 경우와 같이, 국수 및 빵 등의 식품들을 제조하는 데에 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 사용할 때에는, 밀가루와 본 발명의 식품용 식이섬유소를 1:0.05 ~ 1:1의 중량 비율로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 실시예1 내지 4에서는 과자, 쿠키류, 국수 및 빵 등의 식품을 만드는데 있어 원래 사용되는 밀가루의 함량의 일부를 대체하여 식이섬유소를 사용하는 것을 예로 들었는데(즉, 밀가루와 식이섬유소를 섞어서 사용하는 것을 예로 들었음), 더 나아가 밀가루의 함량을 전량 대체하여 식이섬유소만을 사용하도록 하는 것도 가능하다.
뿐만 아니라 과자, 쿠키류, 국수 및 빵 등의 식품들을 만들 때에 밀가루와 기타 곡물가루들(쌀가루, 현미가루, 보리가루, 콩가루, 미수가루 등)을 섞어서 제조하는 경우도 있는데, 이때에도 이러한 밀가루와 기타 곡물가루들을 합한 함량의 일부를 본 발명에 따른 식이섬유소로 대체하여 사용할 수도 있고, 더 나아가 밀가루와 기타 곡물가루들을 합한 함량의 전부를 대체해서(즉, 밀가루와 기타 곡물가루들을 사용하지 않고) 식이섬유소만을 투입하여 과자 등의 식품을 제조할 수도 있다.
따라서 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류의 제조에 활용하는 방법에 있어 기존에 사용되던 밀가루 및/또는 기타 곡물가루들을 얼마나 대체하여 본 발명에 따른 식이섬유소를 사용할 수 있는가를 수식으로 표현하면,
Figure 112014120867665-pat00002
가 된다.
이 경우, 위 대체비율이 5%라는 것은 (밀가루와 기타 곡물가루들의 함량):(본 발명의 식이섬유소의 함량)= 95 : 5 인 경우를 말하며, 위 대체비율이 100%라는 것은 (밀가루와 기타 곡물가루들의 함량):(본 발명의 식이섬유소의 함량)= 0 : 100 이라는 것을 의미한다.
이상, 실시예1 내지 4를 참조하여 본 발명에 따른 개선된 식감을 갖는 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류 등의 식품 제조에 활용하는 방법을 설명하였는데, 본 발명의 기술적인 사상과 범위는 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 이와 동일한 사상을 갖는 범위까지 본 발명의 권리범위가 확대되어 인정되어야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 입자 형태와 크기를 가공하여 식감을 개선한 식품용 식이섬유소는, 기존에 밀가루, 쌀 등의 탄수화물을 주로 사용하여 제작해왔던 식품들에 있어서 밀가루 등의 탄수화물 함량을 상당량 대체하여 사용할 수 있으며, 그 결과 밀가루의 기존 식감은 그대로 유지한 채 열량을 대폭 낮춘 쿠키, 면류, 빵류 제품을 손쉽게 제조할 수 있도록 하므로, 소비자들에게는 맛있는 쿠키 등의 식품들을 비만 걱정 없이 마음껏 즐길 수 있도록 도와주는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 개선된 식감을 갖는 식이섬유소는 앞으로 건강에 좋은 식이섬유소가 다량 함유된 다이어트 식품을 제조하는데도 널리 활용될 수 있으므로, 온 국민의 식생활 개선과 건강관리에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
도17은 밀가루와 셀룰로오스를 사용해서 쿠키를 제조한 경우의 열량 정보의 예를 비교한 표들로서, 이 중 그림<a>는 기존의 레시피(recipe)에 의해 밀가루를 전량 사용해서 제조한 쿠키의 열량 정보를 예시한 표이고, 그림<b>는 밀가루 대신 기존의 셀룰로오스를 전량 대체 사용해서 제조한 쿠키의 열량 정보를 예시한 표이며, 그림<c>는 밀가루 대신 본 발명에 의해 가공된 식감이 개선된 셀룰로오스를 전량 대체 사용해서 제조한 쿠키의 열량 정보를 예시한 표이다.
우선 도17의 그림<a>를 참고하면, 기존의 레시피에 의해 제조한 쿠키 1개에는 대략적으로 버터 15g, 설탕 30g 및 밀가루 30g이 들어간다고 가정할 수 있는데, 이때 버터는 단위 질량당 열량이 7.5 Kcal/g이고, 설탕은 단위 질량당 열량이 3.87 Kcal/g이며, 밀가루는 단위 질량당 열량이 3.8 Kcal/g이 된다. 따라서 기존의 레시피에 의한 쿠키 1개 안에는, 버터에 의한 열량이 112.5 Kcal가 존재하고, 설탕에 의한 열량이 116.1 Kcal가 존재하며, 밀가루에 의한 열량이 114 Kcal가 존재한다고 가정할 수 있다. 쿠키 1개의 중량이 75g이고, 열량이 342.6 Kcal이므로, 기존의 레시피에 의한 쿠키 1개의 단위 무게당 열량은 4.57 Kcal/g이 됨을 알 수 있다.
다음으로, 도17의 그림<b>를 참고하면, 기존의 쿠키 레시피에 있어서 밀가루 대신 기존의 시판되는 셀룰로오스 제품(도12의 샘플1)을 전량 대체하여 사용할 경우에는, 쿠키 1개에 버터 15g, 설탕 30g, 샘플1의 셀룰로오스 15g이 투입된다. 여기서 셀룰로오스가 원래의 밀가루의 중량인 30g의 절반인 15g만이 투입된다고 가정한 것은, 특히 본 발명에 의해 밀링가공 처리되지 않은 기존의 셀룰로오스 제품의 경우에는 셀룰로오스 입자들이 실 혹은 막대 형태로 되어 있어서 입자들 속의 공극이 많고, 실 모양의 입자들이 서로 엉킨 상태로 존재하기도 하므로, 셀룰로오스 자체의 밀도가 낮아지기 때문이다. 쿠키를 제조할 때는 각 성분들의 투입비율을 부피에 의해서 계량하는 것이 일반적이므로, 밀가루 30g과 같은 부피를 갖는 셀룰로오스의 질량이 15g이라고 가정하고, 그림<b>에서는 쿠키 1개를 만들기 위해 투입되는 셀룰로오스의 질량을 15g으로 설정한 것이다.
계속해서 도17의 그림<b>를 참고하여, 밀가루를 완전 대체해서 기존 셀룰로오스 제품을 사용했을 경우에는 쿠키 1개의 중량은 60g이 되고, 그 전체 열량은 228.6 Kcal가 되므로, 쿠키 1개의 단위 무게당 질량은 3.81 Kcal/g가 된다.
그림<b>의 경우의 쿠키는 그림<a>의 경우의 쿠키보다 단위 질량당 열량이 0.76 Kcal/g이 줄어서, 쿠키에 관한 단위 질량당 열량감소 효과가 있다고 할 수 있다. 그러나 도13 및 도14를 참고하여 이미 상술한 바와 같이, 기존의 셀룰로오스 제품을 그대로 밀가루 대신 사용했을 경우에는 종이씹는 느낌이 강하게 나타나고 이물감이 심해서 사람이 먹고 싶은 마음이 별로 들지 않게 된다. 뿐만 아니라 밀가루를 완전히 빼고 대신 기존의 시판되는 셀룰로오스 제품을 전량 대체하여 사용한 경우에는 성형성이 급격하게 떨어져서 쿠키의 형체를 만드는 일 조차도 어렵게 된다.
다음으로 도17의 그림<c>에는 기존의 쿠키를 만드는 레시피에 있어서 밀가루를 빼고 본 발명에 의해 밀링 가공이 완료된 후의 셀룰로오스 샘플(도12의 샘플2)을 전량 대체해서 사용할 경우의 쿠키의 열량을 계산한 것이 나타나 있다. 본 발명에 따라 밀링 가공 작업을 거쳐서 생산된 셀룰로오스(샘플2)는 입자들이 주로 기본 유닛의 입자들로만 구성되어 있고 형체가 구형화 또는 라운드화 되어 있어서 같은 공간 안에 더 많은 질량의 셀룰로오스가 들어갈 수 있다. 이렇게 본 발명에 의해 제조된 셀룰로오스(샘플2)는 기존의 셀룰로오스(샘플1) 보다 밀도가 높으므로, 그림<c>에서는 밀링 가공된 셀룰로오스(샘플2)의 질량을 밀가루의 질량(30g)과 샘플1의 셀룰로오스의 질량(15g)의 사이에 있는 25g으로 가정하였다.
도17의 도면<c>를 참고하면, 버터와 설탕의 중량 및 열량은 앞서 도면<a> 및 <b>에서 설명한 것과 동일하며, 밀링가공된 셀룰로오스(샘플2)의 질량이 25g이라는 점에서만 차이가 난다.
도면<c>의 경우에는 쿠키 1개의 질량이 70g이 되고, 쿠키 1개의 열량이 228.6 Kcal가 되므로, 쿠키의 단위질량당 열량은 3.27 Kcal/g이 된다.
도17의 <a>, <b>, <c>에 기재된 열량 계산 결과를 서로 비교해 보면, 본 발명에 의해 밀링 가공되어 생산된 셀룰로오스(샘플2)를 사용해서 제조한 쿠키의 단위 질량당 열량이 3.27 Kcal/g으로서 다른 경우들(그림<a>의 경우의 4.57 Kcal/g와 그림<b>의 경우의 3.81 Kcal/g)에 비해 월등히 낮았다.
즉, 본 발명에 의해 식감이 개선된 셀룰로오스를 사용해서 제조한 쿠키의 경우에 단위 질량당 열량감소 효과가 탁월하게 뛰어나게 된다는 것을 알 수 있었다.
이러한 열량 계산 결과를 감안하면, 본 발명에 따른 개선된 식감을 갖는 셀룰로오스를 밀가루 대신 사용하여 쿠키, 빵, 국수 등의 식품을 만들 경우, 그 식품의 단위 질량당 열량이 대폭 낮아지게 되므로 다이어트 식품으로서의 역할을 충실히 잘 수행할 수 있게 되는 효과를 거둘 수 있다.
이상, 본 명세서에서는 식품용 식이섬유소 중 셀룰로오스를 주로 대상으로 하여 입도 분석 및 실제로 쿠키 등 식품을 만들었을 때의 시험자 그룹에 의한 풍미 테스트 등을 수행하였는데, 본 발명의 적용대상은 셀룰로오스에 한정되지 않으며, 셀룰로오스 이외의 자연발생적 식이섬유들까지 모두 포괄하여 적용대상으로 삼을 수 있다.
셀룰로오스는 식물체의 세포막의 주성분으로서 식물 섬유를 구성하는 고분자 물질인데, 본 명세서에서 지금까지 언급한 셀룰로오스는 순수 셀룰로오스로서 단순히 셀룰로오스라고 불리거나 또는 단정질 셀룰로오스(monocrystalline cellulose)라고 불리며, 이때의 단정질(monocrystalline)이라는 말은 화학적 특성이 아닌 물리적 형태를 의미한다.
본 발명에 의한 개선된 식감을 갖는 식품용 식이섬유소 및 그 제조방법은 굳이 셀룰로오스에 한정되지 않으며, 셀룰로오스의 다양한 화학적 변성물들에도 적용할 수 있다. 즉, 본 발명의 식이섬유소에는 셀룰로오스 외에도 메틸셀룰로오스(methylcellulose), 에틸셀룰로오스(ethylcellulose), 에틸메틸 셀룰로오스(ethylmethylcellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydoxypropylcellulose), 하이드록시프로필메틸 셀룰로오스(hydroxypropylmethylcellulose), 에틸드록시에틸 셀룰로오스(ethyldroxyethylcellulose), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethylcellulose) 및 크로스카멜로스 소듐(croscarmellose sodium)과 같은 셀룰로오스의 화학적 변성물들 이 포함될 수 있으며, 상기 셀룰로오스의 화학적 변성물들 중에서 선택된 적어도 어느 한 종류의 셀룰로오스를 사용해서 본 발명에 따른 식품용 식이섬유소를 제조할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 식감이 개선된 식품용 식이섬유소 및 그 제조방법은 셀룰로오스 이외의 자연발생적 식이섬유들에도 적용될 수 있다. 예를 들어 풀루란(pullulan), 레반 섬유(levan fiber), 리그난 섬유(lignan fiber) 등과 같은 자연발생적인 식이섬유들도 모두 본 발명에 의한 식품용 식이섬유소를 만드는 원재료로서 사용될 수 있다.
1: 사이클론 밀(cyclone mill) 장치 2: 케이싱
2a: 케이싱 벽 3: 제1임펠러(impeller)
4: 제2임펠러 5: 원재료 투입구
6: 구동모터 6a: 회전축
7: 틈새공간 8: 분쇄실
9: 배출구 10: 지지부
10a: 베어링 11: 레듀서(reducer)
12: 흡입장치 13: 세퍼레이터
20: 원재료 21: 분쇄물 입자
21a: 미세분쇄물질 23: 공기
30: 제트 밀(jet mill) 장치 31: 하우징
32: 가스공급관 33: 가스분사노즐
34: 원료투입구 35: 구동모터
36: 분류기 휠(classifier wheel) 37: 결합볼트
38: 미세분쇄물질 배출구
39: 공기정화미분(air-purged fines) 출구
40: 배출관 41: 지지부
50, 51, 52: 셀룰로오스 입자
52a, 52b, 52c, 52d: 밀링 가공된 후의 셀룰로오스 입자
60: 쿠키 61: 과자
62: 빵 63: 국수
100: 수화물(水和物) 입자 101: 본래 입자 형상
102: 수화물의 직경 110, 120, 130: 공
501: 기본 유닛(unit)의 입자 501a: 튀어나온 부분
502: x2의 입자 503: x3의 입자
503: x4의 입자 510: 연결 부분
521: 기본 유닛의 입자 521a: 분쇄 입자

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  7. (a) 식품용 식이섬유소 원재료를 입자 분쇄 장치에 투입하는 제1단계;
    (b) 상기 입자 분쇄 장치 내에서 고속의 공기의 흐름을 만들어 상기 식품용 식이섬유소 원재료들의 입자들을 고속으로 이동시킴으로써 입자들 상호간의 충돌을 유도하는 제2단계; 및
    (c) 동적 광산란법(dynamic light scattering)에 의한 입자 분석 결과를 기준으로 할 때, 입자들의 부피 평균 입도가 제1값 이하가 되고 수 평균 입도가 제2값 이하가 되도록 가공된 식품용 식이섬유소들만을 상기 입자 분쇄 장치의 외부로 배출하여 가공산물로서 수집하는 제3단계;를 포함하며,
    상기 제1단계에서 사용되는 상기 식품용 식이섬유소 원재료는 동적 광산란법에 의한 입자 분석 결과를 기준으로 할 때 부피 평균 입도가 200㎛ 이상이고, 수 평균 입도가 50㎛ 이상이며,
    상기 제3단계에서 상기 제1값은 60~70㎛의 범위에 있고, 상기 제2값은 50~70㎛의 범위에 있으며,
    상기 부피 평균 입도를 상기 수 평균 입도로 나눠 얻은 값을 '형상비'라고 정의할 때, 상기 입자 분쇄 장치에 의해 가공 완료된 식품용 식이섬유소들은 형상비가 1.0~2.0이고, 다분산도 지수(polydispersity index)가 1.0~1.3이며,
    상기 입자 분쇄 장치는 사이클론 밀(cyclone mill) 장치이며,
    상기 사이클론 밀 장치(1)는,
    케이싱(2);
    상기 케이싱(2) 내에 설치되며, 구동모터(6)에 의해서 회전되는 회전축(6a);
    상기 구동모터(6)를 상기 케이싱(2)에 대해서 회전가능하게 지지하는 베어링(10a);
    상기 회전축(6a)의 축방향을 따라 서로 이격되어 설치되는 제1임펠러(3) 및 제2임펠러(4);
    상기 제1임펠러(3)와 상기 구동모터(6)의 사이에서 상기 케이싱(2)의 일측에 마련되며, 가공할 원재료(20)를 상기 케이싱(2)의 내부 공간으로 투입하는 원재료 투입구(5);
    상기 케이싱(2)에 있어서 상기 구동모터(6)의 반대편에 마련되며, 밀링가공 작업이 완료된 원재료들을 외부로 배출하는 배출구(9);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 개선된 식감을 갖는 식품용 식이섬유소의 가공방법.
  8. (a) 식품용 식이섬유소 원재료를 입자 분쇄 장치에 투입하는 제1단계;
    (b) 상기 입자 분쇄 장치 내에서 고속의 공기의 흐름을 만들어 상기 식품용 식이섬유소 원재료들의 입자들을 고속으로 이동시킴으로써 입자들 상호간의 충돌을 유도하는 제2단계; 및
    (c) 동적 광산란법(dynamic light scattering)에 의한 입자 분석 결과를 기준으로 할 때, 입자들의 부피 평균 입도가 제1값 이하가 되고 수 평균 입도가 제2값 이하가 되도록 가공된 식품용 식이섬유소들만을 상기 입자 분쇄 장치의 외부로 배출하여 가공산물로서 수집하는 제3단계;를 포함하며,
    상기 제1단계에서 사용되는 상기 식품용 식이섬유소 원재료는 동적 광산란법에 의한 입자 분석 결과를 기준으로 할 때 부피 평균 입도가 200㎛ 이상이고, 수 평균 입도가 50㎛ 이상이며,
    상기 제3단계에서 상기 제1값은 60~70㎛의 범위에 있고, 상기 제2값은 50~70㎛의 범위에 있으며,
    상기 부피 평균 입도를 상기 수 평균 입도로 나눠 얻은 값을 '형상비'라고 정의할 때, 상기 입자 분쇄 장치에 의해 가공 완료된 식품용 식이섬유소들은 형상비가 1.0~2.0이고, 다분산도 지수(polydispersity index)가 1.0~1.3이며,
    상기 입자 분쇄 장치는 제트 밀(jet mill) 장치이며,
    상기 제트 밀 장치(30)는,
    수직 방향으로 세워져 설치되고 내부 공간을 가지는 하우징(31);
    상기 하우징(31)의 하단 측면에 마련되어 하우징(31)의 내부공간으로 가스를 분출하는 가스분사노즐(33);
    가스탱크와 연결되어 상기 가스분사노즐(33)에 가스를 공급하는 가스공급관(32);
    상기 하우징(31)의 측면에 마련되어 상기 하우징(31)의 내부공간으로 원재료를 투입하는 원재료 투입구(34);
    상기 하우징(31)의 상부에 설치된 구동모터(35);
    상기 구동모터(35)와 연결되며, 상기 하우징(31)의 상부의 내부공간 안에서 수평방향으로 회전하는 분류기 휠(classifier wheel, 36),
    상기 분류기 휠(36)의 아래에 마련되며, 상기 하우징(31) 내에서 분쇄된 미분물질들(21a)을 분류기 휠(36) 쪽으로 받아들이는 미세분쇄물질 배출구(38); 및
    상기 미세분쇄물질 배출구(38)를 통과한 미분물질을 외부로 배출하는 공기정화 미분 출구(air-purged fines exit, 39);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 개선된 식감을 갖는 식품용 식이섬유소의 가공방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 식이섬유소는 셀룰로오스, 풀루란(pullulan), 레반섬유(levan fiber) 및 리그난 섬유(lignan fiber)를 포함한 군에서 선택된 적어도 하나의 종류의 식이섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는, 개선된 식감을 갖는 식품용 식이섬유소의 가공방법.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 식이섬유소는 셀룰로오스(cellulose), 메틸셀룰로오스(methylcellulose), 에틸셀룰로오스(ethylcellulose), 에틸메틸 셀룰로오스(ethylmethylcellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydoxypropylcellulose), 하이드록시프로필메틸 셀룰로오스(hydroxypropylmethylcellulose), 에틸드록시에틸 셀룰로오스(ethyldroxyethylcellulose), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethylcellulose) 및 크로스카멜로스 소듐(croscarmellose sodium)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나의 종류의 셀룰로오스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 개선된 식감을 갖는 식품용 식이섬유소의 가공방법.
  11. 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류의 제조시 사용하는 방법에 있어서,
    빵, 쿠키, 과자 및 면류를 포함하는 식품군 중에서 선택된 어느 하나의 식품을 제조할 때 사용되는 밀가루 및/또는 기타 곡물가루의 함량의 적어도 일부를 대체하여 식품용 식이섬유소를 사용하되,
    상기 식품용 식이섬유소는,
    (a) 식품용 식이섬유소 원재료를 입자 분쇄 장치에 투입하는 제1단계;
    (b) 상기 입자 분쇄 장치 내에서 고속의 공기의 흐름을 만들어 상기 식품용 식이섬유소 원재료들의 입자들을 고속으로 이동시킴으로써 입자들 상호간의 충돌을 유도하는 제2단계; 및
    (c) 동적 광산란법(dynamic light scattering)에 의한 입자 분석 결과를 기준으로 할 때, 입자들의 부피 평균 입도가 제1값 이하가 되고 수 평균 입도가 제2값 이하가 되도록 가공된 식품용 식이섬유소들만을 상기 입자 분쇄 장치의 외부로 배출하여 가공산물로서 수집하는 제3단계;에 의해서 생산되고,
    상기 제1단계에서 사용되는 상기 식품용 식이섬유소 원재료는 동적 광산란법에 의한 입자 분석 결과를 기준으로 할 때 부피 평균 입도가 200㎛ 이상이고, 수 평균 입도가 50㎛ 이상이며, 상기 제3단계에서 상기 제1값은 60~70㎛의 범위에 있고, 상기 제2값은 50~70㎛의 범위에 있으며,
    상기 부피 평균 입도를 상기 수 평균 입도로 나눠 얻은 값을 '형상비'라고 정의할 때, 상기 입자 분쇄 장치에 의해 가공 완료된 식품용 식이섬유소들은 형상비가 1.0~2.0이고, 다분산도 지수(polydispersity index)가 1.0~1.3이며,
    상기 입자 분쇄 장치는 사이클론 밀(cyclone mill) 장치이며,
    상기 사이클론 밀 장치(1)는,
    케이싱(2);
    상기 케이싱(2) 내에 설치되며, 구동모터(6)에 의해서 회전되는 회전축(6a);
    상기 구동모터(6)를 상기 케이싱(2)에 대해서 회전가능하게 지지하는 베어링(10a);
    상기 회전축(6a)의 축방향을 따라 서로 이격되어 설치되는 제1임펠러(3) 및 제2임펠러(4);
    상기 제1임펠러(3)와 상기 구동모터(6)의 사이에서 상기 케이싱(2)의 일측에 마련되며, 가공할 원재료(20)를 상기 케이싱(2)의 내부 공간으로 투입하는 원재료 투입구(5);
    상기 케이싱(2)에 있어서 상기 구동모터(6)의 반대편에 마련되며, 밀링가공 작업이 완료된 원재료들을 외부로 배출하는 배출구(9);를 포함하고,
    상기 식품용 식이섬유소는, 동적 광산란법에 의한 입자 분석 결과를 기준으로 할 때 부피 평균 입도가 70㎛ 이하이고, 수 평균 입도가 70㎛ 이하인 입자들로 구성되며,
    상기 식품을 제조할 때 사용되는 밀가루 및/또는 기타 곡물가루와 식품용 식이섬유소를 합한 전체 중량 중에서 상기 식품용 식이섬유소가 차지하는 중량 비율은 5~100%인 것을 특징으로 하는, 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류의 제조에 활용하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    과자 및 쿠키류의 식품을 제조할 때는, 밀가루 및/또는 기타 곡물가루와 상기 식품용 식이섬유소를 1:0.05 ~ 1:3의 중량 비율로 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는, 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류의 제조에 활용하는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    국수 및 빵류의 식품을 제조할 때는, 밀가루 및/또는 기타 곡물가루와 상기 식품용 식이섬유소를 1:0.05 ~ 1:1의 중량 비율로 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는, 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류의 제조에 활용하는 방법.
  14. 제11항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 식이섬유소는 셀룰로오스, 풀루란(pullulan), 레반섬유(levan fiber) 및 리그난 섬유(lignan fiber)를 포함한 군에서 선택된 적어도 하나의 종류의 식이섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는, 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류의 제조에 활용하는 방법.
  15. 제11항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 식이섬유소는 셀룰로오스(cellulose), 메틸셀룰로오스(methylcellulose), 에틸셀룰로오스(ethylcellulose), 에틸메틸 셀룰로오스(ethylmethylcellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydoxypropylcellulose), 하이드록시프로필메틸 셀룰로오스(hydroxypropylmethylcellulose), 에틸드록시에틸 셀룰로오스(ethyldroxyethylcellulose), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethylcellulose) 및 크로스카멜로스 소듐(croscarmellose sodium)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나의 종류의 셀룰로오스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 식감이 개선된 식품용 식이섬유소를 빵, 과자, 면류의 제조에 활용하는 방법.
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