KR101893726B1 - 압출성형장치를 이용한 저어분 양어 사료 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

a) 어분, 밀가루, 탈피대두박을 포함하는 배합사료 원료를 혼합하는 단계;b) 상기 배합사료 혼합물을 압출성형장치의 호퍼에 투입하는 단계;c) 상기 압출성형장치의 성형 조건을 설정하는 단계;d) 상기 압출성형장치에서 압출 및 성형되어 사출되는 펠렛 형태의 저어분 양어사료를 수득하는 단계로 이루어잔 압출성형장치를 이용한 저어분 양어 사료 제조방법과 이에 따라 제조된 사료를 제공함으로써, 저어분 함량에도 양어 사료의 물리화학적 특성(밀도, 팽화율, 팽창률, 수중안정성, 수분흡수력, 경도, 수용성 질소지수, 환원당 함량, 단백질 및 전분 소화도, 미세구조 등)이 우수한 양어 사료를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

압출성형장치를 이용한 저어분 양어 사료 및 이의 제조방법 {Method for producing fish meal and feed using thereof}

본 발명은 압출성형장치를 이용한 양어 사료 및 이의 제조방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 저어분 배합사료를 원료로 하여 압출 성형장치의 압출 스크루 배열과 사출구 길이를 조절하고, 압출성형장치의 최적 조건을 제공함으로써 사료효율은 높일 수 있으면서 어분함량은 낮춰 사료비 절감을 이룰 수 있는 압출성형장치를 이용한 저어분 양어 사료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

다른 육류에 비해 저지방 고단백인 수산물은 그 수요가 계속해서 증가하고 있으나, 세계 어업 생산고는 환경오염과 어자원의 남획 등으로 인해 감소하고 있어 어류 양식산업의 발전이 필요하다. 어류산업의 지속적인 발전을 위해서는 어류 생산경비의 50~70%를 차지하는 양어사료 연구를 통한 생산경제성을 향상시켜야 한다.

사료는 대상종의 생존 및 성장에 요구되는 영양소를 고루 함유하여야 하며, 운송 및 취급 시 형상이 변형되거나 파손되지 않도록 충분한 강도를 유지하여야 한다. 또한, 사료의 물성이나 가공형태는 제조공정, 사료단가, 유통 및 수질 오염 등에 영향을 미치는 주요한 요인이다.

특히, 양어사료의 영양 및 양어사료의 물리적 적성에 중요한 기능을 하는 어분은 배합사료 가격의 상승요인으로 양어생산 비용 증가의 원인 중 하나이고 이에 따라 대두단백 및 전분 등의 대체재를 이용하지만 소화율 감소에 의해 양식어의 폐사 또는 출하월령의 증가, 지방함량의 감소에 의한 품질저하 등이 일어날 수 있으므로 원료단가를 감소시키고 소화율을 증가시킬 수 있도록 원분 대체원료의 탐색이 요구되는 고가인 어분 함량을 줄이고 대두단백(탈피대두박, 농축대두단백)과 전불을 대체재로 원료단가를 줄일 수 있는 양어사료의 개발이 필요하다.

사료의 경제성을 향상에는 사료가공기술의 개발도 포함이 된다. 사료가공이란 생산된 사료를 가축이 효과적으로 이용할 수 있도록 하기 위하여 가축의 기호성에 맞는 형태 및 풍미를 갖게 하고 소화율 향상과 유해물질을 제거함으로써 섭취량이 낮은 사료는 이를 개선하고 또한 저장성을 높이도록 하는 공정이다. 가공사료의 종류는 매우 다양하지만 국내에서 일반적으로 이용되는 가공사료로는 펠렛사료, 크럼블사료, 후레이크사료, 익스트루젼 사료 등이 있다.

최근 어류 배합사료는 대부분 익스트루더를 사용하여 압출성형 공정에 의해 제조된 형태로 생산되고 있고 품질은 익스트루더를 사용한 사료 공정 중 원료 공급량, 수분함량, 스크류 회전속도 및 바렐의 온도와 같은 조건에 영향을 받을 수 있다.

펠렛사료의 물리적 성질은 처리과정, 수송 및 공기 전달을 견딜 수 있도록 과량의 분진과 미립자가 존재하므로 압출 양어 사료의 물리적 특성이 중요하다. 특히 양어사료의 가장 중요한 품질 변수 중 하나는 수중 안정성이다. 어류가 사료를 감지하여 섭취하기에 충분한 시간 동안 물리적 안정성이 유지되어야 하기 때문이다. 수중 안정성이 좋지 않으면 사료의 낭비와 함께 수중의 유기물 부하 증가, 사료 전환율 증가 및 수익성 감소로 이어진다.

통상적인 펠렛사료 제조공정은 분쇄, 혼합, 펠렛팅 및 냉각으로 이루어진다.혼합은 원료사료를 정량한 후 혼합기에 투입하고 펠렛기의 조정실로 이송되어 혼합물 중량의 약 2~4%에 해당하는 증기가 첨가되며 증기의 첨가와 함께 조정실 내부온도는 상승한다. 혼합물 내 전분 입자는 부분적인 호화를 일으켜 영양소의 특성에 따라 여러 가지 변화가 일어나고 호화된 전분은 펠렛으로의 성형을 위한 압착시 혼합물의 입자를 결합시켜 펠렛 형성을 용이하게 해준다. 펠렛의 성형은 다이(die)의 가는 구멍을 통한 강한 압축에 의해 이루어지며 구멍을 통해 빠져나오는 펠렛은 다이위에 부착된 칼날에 의해 적당한 길이로 절단된다. 다이 구멍의 직경이 가늘고 길이가 길수록 펠렛의 경도는 증가하지만 펠렛의 생산성은 떨어지며 엉킴현상의 발생빈도는 높아진다.

압출성형공정은 단시간에 압출성형기 내부에서 가열에 의한 전분의 호화, 단백질의 변성, 재배열, 혼합, 성형 등의 단위조작이 행해지므로 압출성형공정을 통한 사료원료의 성분변화는 압출성형공정의 제어 및 원하는 제품의 개발에 있어 매우 중요하여 소화율 향상을 위한 공정개발이 필요하다.

소화율에 영향을 주는 요소의 평가는 수용성 질소지수, 수분흡수지수, 수분용해지수, 폡신 소화율, 아밀라제 소화율, 식이섬유 변화, 환원당 함량, 팽창률, 미세구조의 변화 등 다양한 요소가 있으며, 이는 순수한 가공공정변수의 제어만으로도 가능하다.

배합사료의 소화율을 향상시키기 위해서는 원료의 저분자화가 필요하다. 압출성형 공정변수(수분, 온도, 스크루 배열, die 등)는 물리적 조건으로 원료의 저분자화가 가능하며, 공정변수에 의해 불용성 식이섬유가 수용성 식이섬유로, 전분이 저당화로 전환 가능하다.

소화율이 감소되지 않도록 하기 위하여 원료의 저분자화가 필요하다. 저분자화 된 원료는 불용성 식이섬유에서 수용성 식이섬유로 전환이 되며 소화율이 향상될 수 있고 전분이 저당화로 전환되며 단백질 변성에 의해 소화율이 향상될 수 있다. 향상원료의 저분자화는 압출성형 공정변수인 수분, 온도, 스크루 배열, die 등에 의해 압출 성형물에 가해지는 물리적 힘에 변화를 주면 일어난다.

전분은 사료의 안정성에 결착제로서 중요한 인자로 작용하며 사료의 안전성은 사료의 이동 및 보관 중 형태를 유지하는 품질로 수질오염에 영향을 미치는 수중안정성과도 연관이 있다. 본 발명에서는 사료제조 공정조건에 따른 소화율 증가 실험을 통해 최적의 공정 조건을 제시하고자 한다.

국내 등록특허번호 제10-0584872호에는 고 수분 원료의 2단 펠렛 성형방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 주변에서 흔히 발생하는 원료 중 농축산업 부산물, 음식물쓰레기 등을 이용하여 이들을 분쇄하여 펠렛 형태로 가공함으로써, 비료, 사료 및 기타용도로 성형할 수 있는 방법에 관한 것으로서, 함수율이 높은 원료를 2단계의 펠렛 가공을 하게 함으로써 별도의 건조기를 거치지 않더라도 함수율을 줄일 수 있고, 2차 펠렛 가공함으로써 별도의 첨가제 없이 견고한 입자상태를 유지할 수 있는 고수분 원료의 2단 펠렛 성형방법에 관하여 개시하고 있다. 국내 등록특허번호 제10-1020250호에는 에어의 공급압력을 달리하여 물위로 떠오르는 부상 펠릿사료, 물속 중간지점에 위치하는 중간 펠릿사료는 물론 물속에 가라앉는 침강 펠릿사료 등 고품질의 다양한 펠릿사료를 한 장치 내에서 선택적으로 성형제조할 수 있도록 한 양식어 펠릿사료 성형장치에 관하여 개시하고 있다. 국내 등록특허번호 제10-1512602에는 축우사료 제조 시 각각의 원료들을 고온, 고압으로 익스펜더 과정을 1회 수행한 후 혼합함으로써, 공정을 단축시켜 생산효율성 증대는 물론 소화율을 현저히 개선시켜 저가 원료의 사용량 증대 및 축우의 사료 기호도와 육질을 향상시킬 수 있는 익스펜더를 이용한 축우사료에 관하여 개시하고 있다. 사료원료 공급량 및 스크류 회전속도를 달리하여 제조한 배합사료가 넙치(Paralichthys olivaceus)의 성장 및 체조성에 미치는 영향. 김경덕 외 5명. 2014. 국립수산과학회지 그러나 상기선행문헌은 본 발명의 어분 60~70 중량%, 밀가루 19.5~24.5 중량%, 탈피대두박 10.5~15.5 중량%를 포함하는 배합사료 원료, 상기 배합사료 원료는 압출성형장치의 호퍼에 투입되고, 상기 호퍼를 통해 투입된 원료사료는 압출성형장치의 압출 스크루가 내장된 배럴형의 압출기를 통해 이송, 교반 및 압축 분쇄되어, 펠렛(pellet)형태로 제조되고 단백질 소화율이 80~95%인 사료 구성 및 이의 제조방법에 관한 구성은 개시되지 않아 차이를 보인다.

본 발명은 저어분 배합사료와 이에 따른 압출성형 조건의 연구가 미흡한 상기 문제점을 해결하기 위하여 압출 성형장치의 압출 스크루 배열과 사출구 길이를 조절하고, 압출성형장치의 최적 조건을 제공함으로써 사료효율은 높일 수 있으면서 어분함량은 낮춰 사료비 절감을 이룰 수 있는 압출성형장치를 이용한 저어분 양어 사료 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은 어분 60~70 중량%, 밀가루 19.5~24.5 중량%, 탈피대두박 10.5~15.5 중량%를 포함하는 배합사료 원료, 상기 배합사료 원료는 압출성형장치의 호퍼에 투입되고, 상기 호퍼를 통해 투입된 원료사료는 압출성형장치의 압출 스크루가 내장된 배럴형의 압출기를 통해 이송, 교반 및 압축 분쇄되어, 펠렛(pellet)형태로 제조되고 단백질 소화율이 80~95%인 사료 구성 및 이의 제조방법을 제공한다.

양어 사료의 물리화학적 특성(밀도, 팽화율, 팽창률, 수중안정성, 수분흡수력, 경도, 수용성 질소지수, 환원당 함량, 단백질 및 전분 소화도, 미세구조 등)을 비교 분석한 결과, 높은 사료 품질의 특성을 보였다.

도 1은 시험사료의 수중 안정성을 측정하는 과정의 사진을 나타낸다.
도 2는 압출성형물의 측정 수분보유력 실험과정을 나타낸다.
도 3은 압출성형물의 경도그래프를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 압축성형물의 수용성 질소 지수의 측정방법을 나타낸다.
도 5는 환원당 함량의 측정을 위한 DNS(3, 5 dinitrosalicylic acid) 시약 제조 모식도를 나타낸다.
도 6은 DNS법에 의한 환원당 측정법을 나타낸다.
도 7은 환원당 함량의 측정을 위한 Glucose로 표준곡선을 나타낸다.
도 8은 단백질 소화율 측정방법 모식도를 나타낸다.
도 9는 단백질 소화율 측정을 위해 ninhydrin 방법으로 단백질 함량을 측정하여 lbumin으로 표준곡선을 그려 산출한 그래프를 나타낸다.
도 10은 어분 함량에 따른 수중안정성을 나타낸다.
도 11은 어분함량에 따른 밀도를 나타낸다.
도 12는 어분함량에 따른 경도를 나타낸다.
도 13은 어분함량에 따른 환원당 함량을 나타낸다.
도 14는 어분 함량에 따른 수용성 질소지수를 나타낸다.
도 15는 어분함량에 따른 단백질 소화율을 나타낸다.
도 16은 어분 함량에 따른 전분 소화도를 나타낸다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 압출성형 사료의 미세구조를 주사현미경을 살펴본 사진이다.
도 18은 압출성형온도를 70 내지 140℃로 달리하였을 때 압출성형 양어사료를 나타낸다.
도 19는 2차 Preconditioner에서의 수분첨가량에 따른 수중안정성, 수준흡수력, 팽창률, 팽화율, 단백질 소화율을 나타낸다.
도 20은 배럴온도 및 수분 첨가량에 따른 수중 안정성을 나타낸다.
도 21은 배럴온도 및 수분첨가량에 따른 수분흡수력, 팽창률, 단백질 소화율을 나타낸다.
도 22는 배럴온도에 따른 압출성형 양어 사료의 밀도분포를 나타낸다.
도 23은 스크루 회전속도에 따른 압출성형 양어 사료의 밀도분포를 나타낸다.
도 24는 수분함량에 따른 압출 성형 양어 사료의 밀도 분포를 나타낸다.
도 25는 배럴온도에 따른 압출 성형 양어사료의 직경 팽화율 분포를 나타낸다.
도 26은 스크루 회전속도에 따른 압출성형 양어사료의 직경 팽화율 분포를 나타낸다.
도 27은 수분함량에 따른 압출성형 양어사료의 직경 팽화율 분포를 나타낸다.
도 28은 배럴온도에 따른 압출성형 양어 사료의 길이 팽화율 분포를 나타낸다.
도 29는 스크루 회전속도에 따른 압출 성형 양어사료의 길이 팽화율 분포를 나타낸다.
도 30은 수분함량에 따른 압출성형 양어 사료의 길이 팽화율 분포를 나타낸다.
도 31은 배럴온도에 따른 압출성형 양어 사료의 단백질 소화도를 나타낸다.
도 32는 스크루 회전속도에 따른 압출성형 양어사료의 단백질 소화도 분포를 나타낸다.
도 33은 수분첨가량에 따른 압출성형 양어 사료의 단백질 소화도 분포를 나타낸다.
도 34는 본 발명의 압출성형장치의 스크루 배열의 모식도를 나타낸다.
도 35는 본 발명의 압출성형장치의 다이 구조 모식도를 나타낸다.
도 36은 반응표면 회귀분석에 의한 수중안정석 분석, 단백질 소화율 분석, 팽창률 분석, 수분흡수력을 나타낸다.

본 발명의 압출성형장치를 이용한 저어분 양어 사료 및 이의 제조방법는 a) 어분, 밀가루, 탈피대두박을 포함하는 배합사료 원료를 혼합하는 단계; b) 상기 배합사료 혼합물을 압출성형장치의 호퍼에 투입하는 단계; c) 상기 압출성형장치의 성형 조건을 설정하는 단계; d) 상기 압출성형장치에서 압출 및 성형되어 사출되는 펠렛 형태의 저어분 양어사료를 수득하는 단계로 이루어질 수 있다.

a)단계의 배합사료 원료는 어분 60~70 중량%, 밀가루 19.5~24.5 중량%, 탈피대두박 10.5~15.5 중량%를 포함하는 사료조성물로 이루어질 수 있다. 상기 사료 조성물에는 어유, 농축대두단백, 라이신, 메티오닌, MCP, 비타민믹스, 미네랄 믹스 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 압출성형장치는 펠렛(pellet)형태의 양어 사료제조가 가능하도록 하나 이상의 원료 사료가 혼합 생성된 배합사료가 장치 내부로 투입될 수 있도록 호퍼가 설치되고, 상기 호퍼를 통해 투입된 배합사료는 이송, 교반 및 압축 분쇄하여 토출할 수 있는 압출 스크루가 내장된 배럴형의 압출기와 상기 압출기를 통해 토출되는 분쇄사료를 소정크기로 절단하여 펠렛화 하기 위한 절단부가 설치되어 이루어질 수 있다.

상기 압출기는 통상적인 연신된 배럴 및 하나 또는 그 이상의 내부에 위치되면서 나선형으로 플라이팅되고 배럴내에서 축방향으로 회전 가능한 압출 스크루를 포함하는 것으로 압출기 배럴의 출구에는 개구된 압출다이가 형성된 것일 수 있는 것으로 본 발명에 따른 압출기는 쌍 스크루 압출기가 적절하다.

본 발명에 따른 압출 스크루는 전체길이에 대하여 혼합사료 투입구에서 사출구 방향 또는 혼합사료 이동방향의 시작점을 전면부로 기준하였을 때, 전면부로부터 1구간, 2구간, 3구간으로 구분하고 각 구간은 4개의 스크루 배열로 이루어지되 혼합사료 이동방향을 따라 1구간은 3개의 full pitch screw, 1/2pitch screw가 배열되고, 2구간은 3개의 2/3pitch screw, 1개의 1/2pitch screw로 배열되며, 3구간은 1/2pitch screw, 1/2reverse pitch screw, 2개의 1/2pitch screw가 배열되어 이루어질 수 있다. 또한 사출구 다이 길이는 2.5mm 구조로 형성되는 것이 적절하다.

전형적인 압출 가동에서 상기 투입된 배합사료 원료는 건조 혼화(blend)되며 프리컨디셔너 내로 공급되고, 프리컨디셔닝 중 혼합물은 더욱 혼화되며, 증기 및 /물이 첨가되어 혼합물을 최소한 부분적으로 예비 제조된다. 프리컨디셔닝 후 상기 배합사료 혼합물은 압출기 내로 관통하여 통과되며 펠렛 형태의 양어사료로 성형될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 압출 성형장치의 압출 성형조건은 배럴온도 120~140℃, 압출 스크루 회전속도 200~250rpm, 수분함량 35~45%, 프리컨디션(precondition) 수분 22~24%가 적절하다.

이하, 하기에는 본 발명의 압출성형장치를 이용한 저어분 양어 사료 제조방법으로 제조된 양어 사료의 품질 분석을 실시한 실시예를 나타낸다.

Ⅰ. 어분 함량 변화에 따른 사료 물성평가

1. 실험방법

본 발명에 따른 압출성형으로 가공된 배합사료의 물성변화의 표준화를 위한 기초조사를 위하여 본 연구를 수행하였다. 주원료인 어분의 함량 변화를 기준으로 배합비를 설계하고 밀가루와 탈피대두박의 함량의 변화를 위해 시험사료는 어분함량 60%. 65%, 70%의 구간을 설정하였다.

표 1은 시험사료의 성분함량을 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따른 시험사료의 어분종류는 어분(수입), 3등급 밀가루 및 탈피대두박을 이용하였다. 이때 어분의 함량을 60, 65 및 70% 기준으로 3등급 밀가루 24.5%, 19.5%, 19.5%와 탈피대두박 15.5%, 15.5%, 10.5%의 함량을 조절하였다.

압출성형의 조건은 온도는 120, 130℃이었으며 스크루 회전속도는 200, 300rpm이었다. 마지막으로 수분함량은 23, 48% (3.07L/h)로 기준하였다.

시험사료 성분함량

성분 (%)	시험사료 1	시험사료 2	시험사료 3
어분-수입	60.0	65.0	70.0
3등급 밀가루	24.5	19.5	19.5
탈피대두박	15.5	15.5	10.5

상기 설계된 시험사료의 품질분석 항목으로는 비기계적에너지, 수중안정성, 팽화특성, 팽창률, 수분보유력, 조직감, 수용성 질소지수, 환원당 함량 측정, 단백질 소화율, 전분소화율, 주사전자현미경에 의한 미세구조 등을 포함하였다. 상기 항목을 위한 분석 방법 및 통계처리는 하기에 서술된 방법으로 실시하였다.

비기계적 에너지 투입량(specific mechanical energy input, SME input)은 Ryu와 Mulvaney의 방법을 이용하여 압출성형기가 단위 질량당 소비한 전기에너지로 나타내었다. 즉 원료투입시의 전력과 모터 공회전시의 전력의 차와 압출성형물의 생산량과의 비로부터 실제 원료에 투입된 전력에너지를 구하였다. 비기계적 에너지 투입량은 식 (1)과 같다.

SME input : Specific mechanical energy input (J/g)

E : Electric power when input to material (J/s)

E

: Electricpowerwhenidling (J/s)

P

: Productionrate (g/s)

도 1은 시험사료의 수중 안정성을 측정하는 과정의 사진을 나타낸다. 수중안정성(Water stability, WS)은 Baeverfjord G 등(2006)의 방법을 수정하여 측정하였다. 도 1의 (가)의 사진과 같이, 10g의 시료(wet basis)를 추출기(TW-SM soluble extraction bath, 우주과학공사)의 1000mL의 용기에 500mL의 증류수를 넣고 뚜껑을 씌워 1, 2, 3시간 동안 100rpm으로 교반한다.

상기 (가)단계를 거친 시료는 도 1의 (나)와 같이, 시간 교반 후의 부상사료와 사료에서 용출되어 침전되며, (다)에 도시된 바와 같이 각 시간별로 체에 걸러서 105℃에서 건조 후 아래의 식(2)에 의해 산출하였다.

압출성형물의 팽화율(expantion ratio, ER)은 가로와 세로를 캘리퍼스(CD-15C, Mitutoyo Co., Kawasaki, Japan)로 10회 측정하여 사출구 단면적과 압출성형물 단면적비의 평균값으로 산출하였다. 비길이(specific length, SL)는 압출성형물 무게와 길이를 5회 측정하여 단위질량당 길이의 비(cm/g)를 평균치로 산출하였다.

압출성형물의 체적밀도(bulk density, BD)는 차조를 이용한 종자치환법으로 3회 반복하여 평균값을 산출하였다. 계량컵을 이용하여 무게를 측정해 압출성형물의 부피를 구한 후 밀도를 계산하였다. 압출성형물의 체적밀도는 식(3)과 같다.

P_F : Piece density of extrudate (g/cm³)

P : Bulk density of millet (g/cm³)

M : Mass of extrudate (g)

M₀ : Mass of millet in cup (g)

M₁: Mass of extrudate and millet in cup (g)

압출성형물의 팽창률(swelling ratio, SR)은 10개의 펠렛을 증류수에 담가 실온에서 1시간 동안 수침한 후 20 mesh의 표준체를 사용하여 5분간 여분의 물기를 제거한 후 캘리퍼스(CD-15C, Mitutoyo Co., Kawasaki, Japan)로 직경을 측정하여 수침 전과 후의 직경의 비를 식(4)로 계산하였다.

도 2는 압출성형물의 수분보유력 측정 실험과정을 나타낸다. 압출성형물의 수분보유력(water holding capacity, WHC)은 1.5∼2.0cm 시료 10g을 180mL의 증류수를 넣고 water bath를 이용하여 90℃에서 1시간 30분간 수화를 시켰다. 그 다음 15분간 체에 받쳐서 물을 제거하고 젖은 시료의 무게를 측정했다. 건조된 시료와 젖은 시료의 무게를 이용하여 식(5)에 대입하여 값을 산출하였다.

압출성형물의 경도(hardness)는 Sun Rheometer (Compac-100Ⅱ, Sun Sci. Co. Tokyo, Japan)를 사용하여 10회 측정하여 평균값을 산출하였다. 압출성형물을 probe에 닿는 단면이 1 cm x 1 cm 가 되게 성형 후 측정하였다. 측정조건은 probe angle type (65˚), 최대응력 2kg, 지지대 이동속도 100mm/min 였다. 경도는 도 3의 그래프에 표기된 최대치 값으로 하였다.

도 4는 본 발명의 압축성형물의 수용성 질소 지수의 측정방법을 나타낸다. 압출성형물의 수용성 질소 지수(nitrogen soluble index, NSI)는 Daun 과 Kisilowsky(21)의 방법을 사용하였다. 시료 1.5g을 0.5%의 KOH 용액 75mL에 넣고 30℃의 Shaker (SI-300R, Jelotech, Korea)에 120rpm으로 교반하였다.

그 중 50mL를 취하여 2,000rpm에서 20분 동안 원심분리 한 후 0.5mL의 상등액을 최종적으로 취하여 Barry의 방법으로 ninhydrin을 사용하여 수용성 질소 함량(soluble nitrogen content)을 측정하였다.

총 질소 함량(total nitrogen content in sample)은 시료 1.5g을 6N의 염산을 넣고 100℃에서 24시간 동안 완전히 가수분해하여 75mL의 증류수에 녹인 후 상등액 0.5mL를 취하여 ninhydrin 방법으로 측정하여 식(6)에 대입하여 계산하였다. 실험방법은 아래의 모식도와 같다.

환원당 함량은 DNS (3, 5 dinitrosalicylic acid)법에 의한 측정법을 사용하였다. 도 5는 DNS(3, 5 dinitrosalicylic acid) 시약 제조 모식도를 나타내고 도 6은 DNS법에 의한 환원당 측정법을 나타낸다.

시료 1g에 증류수 10mL을 넣고 35℃에서 1시간 동안 120rpm으로 진탕 추출한 후 3,000rpm으로 원심분리하여 상등액 2mL에 DNS 6mL을 넣은 후 끓는 물에서 5분, 차가운 물에서 10분간 반응시킨 후 증류수로 50mL까지 채운 후 흡광도를 550nm로 측정하였다. 도 7에 도시된 바와 같이, Glucose로 표준곡선을 그려 환원당 함량을 산출하였다.

도 8은 단백질 소화율 측정방법 모식도를 나타낸다. 압출성형사료의 단백질 중 소화되지 않은 단백질의 값을 구하기 위해 시료 0.2g을 0.084N의 염산을 가한 pepsin 용액 35mL에 넣고 37°의 온도에서 150rpm으로 2시간 동안 교반한 후 2M의 NaOH 용액 2mL을 가하여 3,000rpm으로 15분 동안 원심 분리하였다.

상등액을 제거 후 잔사에 0.1M의 potassium phosphate buffer 10mL을 넣어 원심분리 하는 작업을 두 번 반복하였고 남은 잔사를 30℃의 드라이 오븐에 넣고 완전히 건조 시킨 후 잔사의 질소 함량을 ninhydrin 방법으로 측정하여 다음 식(7)에 대입하였다. 총 단백질 함량은 6N HCl로 100℃의 오븐에서 24시간 동안 완전히 가수분해하여 도 9에 도시된 바와 같이 그 단백질 함량을 ninhydrin 방법으로 측정하여 albumin으로 표준곡선을 그려 산출하였다.

압출성형사료의 전분 소화율은 전분분해효소 amyloglucosidase를 이용하여 DNS법에 의한 환원당 측정법으로 측정하였다. 시료 0.1g에 증류수 2mL과 효소(amyloglucosidase) 0.02mL을 넣은 후 40℃, 150rpm에서 1시간 동안 반응시킨 후 TCA(trichloroacetate) 0.8mL을 첨가하여 반응을 멈춘 후 마이크로 튜브에 옮겨 원심분리(3,000rpm, 10분)하였다.

상등액 2mL에 DNS 6mL을 넣은 후 끓는 물에서 5분, 차가운 물에서 10분 반응시킨 후 증류수로 50mL까지 채운 후 흡광도를 550nm로 측정하였다. Glucose로 표준곡선을 그려 환원당 함량을 산출하였다.

압출성형 양어 사료의 미세구조는, 고분해능 주사전자현미경(MIRA II LMH Tescan USA, Inc., Cranberry Township, PA)을 사용하여 관찰하였다. 샘플을 관찰하기 전에 금 - 팔라듐 합금으로 표면을 코팅하였다. 모든 샘플은 10kV의 가속 전압을 사용하여 관찰하였다. 표 2는 고분해능 주사전자현미경의 성능을 나타낸다.

고분해능 주사전자현미경의 성능

분해능	SEI : 1.0nm at 30kV or better, 2.0nm at 3kV or better BEI : 2.0nm at 30kV or better
배율	4 x 1,000,000 or wider
최소배율	about x4 without any image distortion in Wide Field optic mode
가속 전압	200V to 30kV
전자총	High Brightness Schottky Emitter
프로브 전류	2pA to 100nA or wider

결과의 통계처리는 SPSS(Statistical Package for the Social Science, version 23.0) 프로그램(IBM-SPSS, Thornwood, NY, USA)을 이용하여 일원배치분산분석(one-way ANOVA)을 실시한 후 유의적 차이가 있는 항목에 대해서 P <0.05 수준에서 그 결과를 Duncan’multiple range test로 검정하였다.

2. 실험결과

도 10은 어분 함량에 따른 수중안정성을 나타낸다. 어분함량에 따른 수중안정성은 어분함량이 증가할수록 증가하였으나 그 차이는 크지 않았으며, 시간에 따라서는 수중안정성이 감소하였다. 또한 어분함량 68%에서 수분함량에 따른 차이를 비교하였을 때, 수분함량의 증가에 따라 수중안정성도 증가하였다.

도 11은 어분함량에 따른 밀도를 나타낸다. 밀도는 어분함량 및 압출성형 온도가 증가할수록 대체로 감소하는 경향으로 나타났다. 압출성형 시 온도가 120℃일 때는 어분 함량이 65%인 사료에서 밀도가 다소 증가했지만 어분 함량이 70%인 사료는 약 400g/L 수준으로 밀도가 낮아졌다. 온도가 130℃일 때는 어분 함량이 65%, 70%인 사료에서 밀도 차이가 거의 없는 것을 알 수 있었다.

도 12는 어분함량에 따른 경도를 나타낸다. 경도 또한 밀도와 유사한 경향으로 나타났으며 어분함량이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다.

도 13은 어분함량에 따른 환원당 함량을 나타낸다. 환원당은 압출성형에 의해 유의적인 차이를 보이지 않았으나 어분함량이 증가할수록 감소하는 경향을 나타냈다. 어분함량이 증가할수록 식품성 원료의 감소로 인해 환원당 값이 줄어든 것으로 사료된다.

도 14는 어분 함량에 따른 수용성 질소지수를 나타낸다. 수용성 질소지수(NSI)는 raw 상태(원료 혼합만 하고 가공은 하지 않은 상태의 시료)에 비하여 압출성형 후 감소하는 것을 볼 수 있었다. 어분 함유량이 65%, 70%인 경우는 감소하는 폭이 적었지만 60%일 경우는 큰 폭으로 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 NSI 측정 시 시간이 매우 오래 걸린다는 문제점 때문에 온도 조건 120℃의 경우는 분석하지 않고 130℃의 시험구만 확인하였다.

도 15는 어분함량에 따른 단백질 소화율을 나타낸다. 단백질 소화도(Protein digestibility, PD)는 어분함량에 상관없이 압출성형에 의해 증가하였다. 어분함량이 60에서 65%로 증가할 때에는 단백질 소화도가 증가하였으나 65에서 70%로 증가할 때는 소화도가 감소하였다. 소화도는 어분 함유량에 따라 증가하거나 감소하였지만 그 차이는 크기 않았다.

도 16은 어분 함량에 따른 전분 소화도를 나타낸다. 전분 소화도(Starch digestibility, SD)도 단백질 소화도와 같이 60에서 65%로 어분함량의 증가 시 전분 소화도도 증가하였으며, 65에서 70%로 증가 시 소폭의 감소가 보였다. 단백질 및 전분의 소화도는 어분함량 65%에서 최대의 결과를 나타내었다.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 압출성형 사료의 미세구조를 주사현미경을 살펴본 사진이다. 어분함량이 증가할수록 미세구조는 단순화되는 것을 볼 수 있다. 표면이 단순화되면 표면적의 감소로 소화효소가 작용하는 단면적이 적어져서 소화도가 감소한다. 어분함량이 65에서 70%로 증가할 때 소화도가 감소하는 원인으로 판단된다.

결과적으로, 단백질 소화율은 탈피대두박 함량 20%에서 감소를 보였으나 다른 시료에서는 유의적인 차이를 보이지 않았다. 전분류인 3등급 밀가루 함량이 증가할수록 직경 팽화율이 3등급 밀가루 20%에서 감소하였으나 30%에서는 증가하였다. 길이 팽화율은 3등급 밀가루 함량 20%에서 증가하여 직경팽화율과 반대의 경향을 보여 전제적인 팽화율은 큰 차이를 보이지 않았다.

수중안정성은 3등급 밀가루 함량이 증가하여도 거의 변화를 보이지 않았다. 수분흡수력(water holding capacity, WHC)은 3등급 밀가루 함량이 0에서 10, 20%로 증가함에 따라 약간 감소하였다. 팽창률은 3등급 밀가루 함량이 10에서 30%로 증가함에 따라 증가하였으며, 단백질 소화율은 3등급 밀가루 함량의 증가에 큰 영향을 받지 않았으며, 전 시료에서 80% 이상의 높은 소화도를 나타내었다.

Ⅱ. 익스트루더 공정개선에 의한 저어분 사료의 최적 사료물성 기준제시

본 발명에 따른 배럴온도, precondition 수분함량, 수분함량, 스크루 회전속도, 스크루 배열, 다이 구조를 포함하는 압출성형 공정변수로 제조된 압출성형 양어 사료에 미치는 영향을 분석함으로써 저어분 사료의 최적 사료물성 기준 제시를 위해서 본 발명의 압출성형 양어 사료의 물리화학적 특성(밀도, 팽화율, 팽창률, 수중안정성, 수분흡수력, 경도, 수용성 질소지수, 환원당 함량, 단백질 및 전분 소화도, 미세구조 등)을 비교 분석하였다.

본 발명의 실험 실시예에 따른 양어 사료는 넙치용 부상 사료로 압출성형 후 부상율 100%를 만족하지 못하는 압출성형 양어 사료는 물리화학적 특성분석에서 처음부터 제외시켰다.

표 3은 본 발명의 압출성형 공정변수에 따라 제조된 압출 성형 양어사료 의 영향을 분석하기 위해 설계된 시험사료 배합비를 나타낸다. 표 3에 따라 어분 35%, 3등급 밀가루 21.5%, 탈피대두박 13.5%로 하여 압출성형을 실시 후 그 특성을 비교분석하였다.

압출성형 공정을 위한 어분 종류 및 함량

어분 종류	함량 (%)
어분-수입	65.0
등급 밀가루	21.5
탈피대두박	13.5
농축대두단백	0.0

표 4는 압출성형 온도의 영향을 검토하기 위한 압출성형 공정 설계를 나타낸다. 압출성형 공정이 미치는 영향 분석에서 압출성형 온도가 미치는 영향 분석을 위해 아래 표와 같이 배럴 온도를 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140℃로 달리하여 압출성형 하였으며, 이 때 수분은 40%, 스크루 회전속도는 250rpm, die는 4mm로 고정하였다.

온도의 영향 검토를 위한 압출성형 공정 설계

온도 (℃)	70	80	90	100	110	120	130	140
수분 (%)	40
스크루 회전속도 (rpm)	250
(mm)	4.0

도 18은 압출성형온도를 70 내지 140℃로 달리하였을 때 압출성형 양어사료를 나타낸다. 압출성형 온도를 70/80/90/100/110/120/130/140℃로 달리하였을 때 70, 80, 90℃에서는 조직이 형성되지 않았으며, 100, 110℃에서는 조직은 형성되었으나 수중안정성이 확보되지 않아 압출성형 조건에서 배제하였다. 따라서 사료의 조직형성에 적절한 압출성형 온도는 120 내지 140℃로 사료된다.

1차 precondition 수분의 영향 검토는 다음과 같다. 표 5는 Precondition 수분의 영향 검토를 위한 압출성형 공정 설계를 나타낸다. precondition 수분을 5, 22, 23, 24, 28.2%로 달리하여 압출성형 하였으며, 이 때 배럴온도는 130℃, 스크루 회전속도는 250rpm, die는 4mm로 고정하였다.

Precondition 수분의 영향 검토를 위한 압출성형 공정 설계

Precondition 수분 (%)	5	22	23	24	28.2
온도 (℃)	130
스크루 회전속도 (rpm)	250
(mm)	4.0

압출성형 시 precondition에 의한 수분 첨가량을 5/22/23/24/28.2%로 하였을 때 5%에서는 조직이 너무 단단하였으며 28.2%에서는 conditioner 부분에서 나와 배럴로 주입 시 배럴입구에서 원료의 정체현상으로 인한 균등한 원료 주입이 잘 이루어지지 배제하였다.

또한 precondition 단계에서 28.2% 이상 수분 첨가 시 conditioner 부분에서 원료의 정체현상이 발생하였다. precondition에 의한 수분 첨가량은 30% 이하에서의 압출성형 사료는 조직이 너무 단단하고 거칠었고 수분함량 48%는 배럴로 주입시 배럴입구에서의 원료의 정체현상이 일어남으로 22%, 23%, 24%가 사료조직 형성에 적절한 것으로 판단된다.

2차 precondition 수분의 영향 검토는 다음과 같다. 표 6은 Precondition에 따른 품질특성 분석을 위한 압출성형 양어사료의 배합비를 나타낸다. 압출성형 양어사료 배합비는 어분 65%, 3등급 밀가루 17%, 탈피대두박 10.7%로 하여 압출성형을 실시 후 그 특성을 비교분석하였다.

Precondition에 따른 품질특성 분석을 위한 배합비

어분 종류	함량 (%)
어분-수입	65.0
3등급 밀가루	17.0
탈피대두박	10.7
농축대두단백	0.0

표 7은 Precondition 수분함량별 압출성형 공정 설계를 나타낸다. 상기 1차 precondition 실험의 결과에 따라 적절하다고 판단된 precondition 수분인 22, 23, 24%로 달리하여 압출성형 하였다. 표 수분함량은 45%, 배럴온도는 140℃, 스크루 회전속도는 250rpm, die는 4mm로 고정하였다.

Precondition 수분 함량 별 압축성형 공정 설계

Precondition (%)	22	23	24
온도 (℃)	140
수분 (%)	45
스크루 회전속도 (rpm)	250
Die (mm)	4.0

Precondition에서의 수분(스팀) 첨가량의 영향을 분석하기 위하여, 수분함량을 22, 23, 24%로 하여 제조한 압출성형 양어사료의 수중안정성, 수분흡수력, 팽창률, 팽화율, 소화율을 분석하였다.

도 19는 2차 Preconditioner에서의 수분첨가량에 따른 수중안정성, 수준흡수력, 팽창률, 팽화율, 단백질 소화율을 나타낸다. 수중안정성(water stability, WS)은 precondition에서의 수분 첨가량을 22, 23 24%로 달리하였을 때 변화가 없는 것으로 나타나 precondition에서의 수분 첨가량 22~24% 범위는 수중안정성에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 모든 시료에서 수중안정성이 85% 이상으로 나타났다.

수분흡수력(water holding capacity, WHC)은 precondition에서의 수분 첨가량을 22, 23, 24%로 달리하였을 때 각각 392.94, 400.03, 380.53%로 수분첨가량 24%에서 가장 작게 나타났으나 각 시료간의 유의적인 차이는 없었다.

팽창률(swelling ratio, SR)은 precondition에서의 수분 첨가량을 22, 23, 24%로 달리하였을 때 각각 1.41, 1.42, 1.33으로 수분첨가량 24%에서 가장 작게 나타났다. 팽창률은 물기기의 배에서 늘어나는 부피로 부피의 증가할수록 물고기의 소화기관에 많은 부담 및 손상을 줄 수 있으므로 팽창률이 적은 24%가 양어 사료로 적합하다고 사료된다.

팽화율(expantion ratio, ER)은 precondition에서의 수분 첨가량을 22, 23 24%로 증가시켰을 때 각각 117.63, 120.43, 123.13%로 증가하였다. 팽화율이 증가하면 압출성형물의 표면적이 증가하여 소화효소의 작용이 용이해져서 소화율이 증가할 수 있다.

단백질 소화율(protein degestibility, PD)은 precondition에서의 수분 첨가량을 22, 23, 24%로 증가시켰을 때, 각각 80.96, 81.06, 85.58%로 증가하였으며 특히 24%에서 높은 소화율을 나타내었다. 24%에서 높은 팽화율과 소화율을 나타내어 결과의 연관성을 보여주었다.

표 8은 수분함량의 영향 검토를 위한 압출성형 공정 설계를 나타낸다. 압출성형 공정이 미치는 영향 분석에서 수분이 미치는 영향 분석을 위해 아래 표와 같이 수분을 23, 25, 30, 35, 40, 45, 48%로 달리하여 압출성형 하였으며, 이 때 배럴온도는 130℃, 스크루 회전속도는 250rpm, die는 4mm로 고정하였다.

수분함량의 영향 검토를 위한 압출성형 공정 설계

수분 (%)	23	25	30	35	40	45	48
온도 (℃)	130
스크루 회전속도 (rpm)	250
(mm)	4.0

수분의 함량이 23/25/30/35/40/45/48%로 변할 때 30% 이하 즉 23, 25, 30%에서의 압출성형 사료는 조직이 너무 단단하고 거칠었다. 또한 수분함량 48%는 배럴로 주입 시 배럴입구에서 원료의 정체현상으로 인한 균등한 원료 주입이 잘 이루어지지 않아, 사료의 수분 함량은 35~45%가 적절한 것으로 판단된다.

압출성형 공정이 미치는 영향 분석에서 배럴온도 및 수분이 미치는 영향 분석을 위해 압출성형 양어사료 배합비는 표 9에 따라 어분 65%, 3등급 밀가루 21.5%, 탈피대두박 13.5%로 하였고, 압출성형 공정 설계는 표 10에 따라 상기 실시예에서 적절하다고 판단된 배럴온도 120, 130, 140℃로, 수분함량은 35, 40, 45%로 달리하여 압출성형 하였다.

스크루 회전속도는 250rpm, die는 4mm로 고정하였다. 상기 설계된 공정에 따라 압출성형을 실시한 후, 비기계적 에너지 투입량, 수중 안정성, 수분흡수력, 팽창률, 소화도, 전분소화율, 밀도, 팽화율, 경도 등의 특성을 비교분석하였다.

온도 및 수분에 따른 품질특성 분석을 위한 배합비

어분 종류	함량 (%)
어분-수입	65.0
등급 밀가루	21.5
탈피대두박	13.5
농축대두단백	0.0

온도 및 수분 함량별 압출성형 공정설계

수분 (%)	35	40	45
온도 (℃)	120	130	140
스크루 회전속도 (rpm)	250
(mm)	4.0

표 11은 비기계적 에너지 투입량의 변화를 나타낸다. 압출성형공정에서 비기계적 에너지 투입량은 중요한 시스템 변수로서 모터 토크, 사출구 압력, 원료의 화학적 성분에 밀접하게 관련된다.

수분 함량 35%에서 사출구 온도가 120℃에서 140℃로 증가할 때, 사출구 온도 120℃에서 637.13kJ/kg, 140℃에서 500.60kJ/kg으로 비기계적 에너지 투입량은 감소하였다.

비기계적 에너지 투입량의 변화

Moisture content (%)	Temperature (℃)	SME input (kJ/kg)
35	120	637.13
	130	568.86
	140	500.60
40	120	621.22
	130	544.17
	140	475.34
45	120	602.99
	130	511.98
	140	443.71

도 20은 배럴온도 및 수분 첨가량에 따른 수중 안정성을 나타낸다. 사료 펠렛의 붕괴로 인하여 영양성분이 용출됨으로 수질오염이 원인이 되어 수중 안전성은 사료 품질을 평가하는 데 중요한 요소가 될 수 있다. 통상적으로 35% 조단백질과 적어도 30% 전분을 함유 한 사료는 제조 후 수중에서 24 시간 동안 80% 이상의 잔존률을 가져야하며 40%의 조단백질과 6~8%의 지방을 함유한 사료는 75% 이상의 수중안정성을 가져야하며, 45%의 조단백질과 8~10%의 지방을 함유한 사료는 지방을 함유한 사료는 70%의 수중안정성을 가져야 적절한 것으로 알려져 있다.

수중안정성에 대한 온도 및 수분함량의 영향을 분석하기 위하여 1, 2, 3 시간 동안 안정성 분석을 한 결과, 시간이 경과함에 따라 안정성은 감소하였으나, 1시간까지의 수중안정성은 모든 압출성형 조건에서 85% 이상 잔류하는 것으로 측정되어 수중안정성 즉 환경오염에 대한 안정도가 높은 것으로 판단된다. 특히 배럴 온도 140℃, 수분함량 40%에서 수중안정성이 높은 것으로 나타났다.

도 21은 배럴온도 및 수분첨가량에 따른 수분흡수력, 팽창률, 단백질 소화율을 나타낸다. 수분흡수력(water holding capacity, WHC)은 단백질 매트릭스가 중력에 대항하여 결합 된 유체 역학 및 물리적 포획물을 흡수하고 유지하는 능력을 말한다. 이것은 단백질 - 물 상호 작용을 반영하는 중요한 특성이며 단백질 생성물의 물리적 특성에 영향을 미칠 수 있다.

수분흡수력은 동일한 배럴 온도에서 수분 함량이 증가함에 따라 수분흡수력의 값이 증가함을 나타내었다. 최대 수분흡수력은 배럴 온도 140℃에서 수분함량 45%일 때이며 그 값은 426.25 ±0.21% 였다. 또한 배럴 온도의 증가에 의하여 수분흡수력도 증가하였다. 수분흡수력이 높으면 소화효소의 작용이 용이해져서 소화율이 높을 가능성을 나타낸다.

팽창률(swelling ratio, SR)에 대한 온도 및 수분함량의 영향 분석에서 온도가 120에서 130℃로 증가할 때 감소하였으며, 온도가 130에서 140℃로 증가할 때 증가하였다. 또한 동일한 온도 조건에서 수분함량이 35에서 40, 45%로 증가할 때 팽창률은 감소하였다. 팽창이 지나치게 이루어지면 물고기의 소화기관에 압박을 주어 물고기의 성장에 음의 영향을 주기 때문에 수분함량 35%는 팽창률이 커서 압출성형 조건으로는 부적합한 것으로 사료된다.

단백질 소화율(protein digestibility, PD)은 소화관에서 흡수되는 단백질의 비율을 나타낸다. 높은 소화율을 가진 단백질은 단백질 분해에 대한 흡수를 위해 더 많은 아미노산을 제공할 수 있기 때문에 소화율이 낮은 것보다 영양 가치가 더 좋은 것으로 알려져 있다.

단백질 소화도에 대한 온도 및 수분함량의 영향 분석에서 전술한 실험 결과와 동일하게 압출성형에 의해서는 모든 조건에서 증가하였으며 배럴온도 130, 140℃에서 수분 45%가 단백질 소화도가 높은 것으로 나타났다.

표 12는 전분 소화율의 값을 나타낸다. 전분 소화율은 배럴 온도 120℃에서는 수분 함량을 35에서 40%로 증가시킴으로써 증가하지만 수분 함량이 40에서 45%로 증가함에 따라 감소하였다. 그

그러나 배럴 온도 130℃와 140℃에서 수분함량이 35에서 40%로 증가함으로써 전분 소화율은 감소하다가, 수분 함량이 40에서 45%로 증가함에 따라 증가하였다. 전분 소화율은 배럴 온도 120℃, 수분함량 40%에서 11.12%로 최고값을 나타내었다.

배럴온도 및 수분첨가량에 따른 전분 소화율

Extrusion conditions		Starch digestibility (%)
Temperature (℃)	Moisture content (%)
120	35	7.24
	40	11.12
	45	6.14
130	35	9.83
	40	6.42
	45	7.87
140	35	9.22
	40	7.57
	45	10.02
Raw material		6.62

표 13은 밀도(bulk density, BD), 팽화율(expantion ratio, ER), 경도(hardness)에 대한 온도 및 수분함량의 영향을 나타낸다. 밀도는 수분이 30에서 35, 45%로 증가할 때 밀도는 증가하였으며, 배럴온도가 120에서 130, 140℃로 증가할 때 감소하는 경향을 보였다.

통상적으로 부상 사료에 대해 320~400g/L 및 침강 사료에 450~550g/L의 부피 밀도로 적절한 것으로 알려져 있고, 상기 결과를 살펴보면 수분 함량 45%를 제외하고 밀도 값이 부상 사료 조건 320~400g/L의 범위에 들어 부상 사료로 적합한 것으로 판단된다.

배럴온도 및 수분첨가량에 따른 밀도, 팽화율 및 경도

Extrusion conditions		Physical properties
Temp (℃)	MC (%)	Bulk density (g/L)	Expansion ratio	Hardness (N/m2)
120	35	275.26±0.3	1.12±0.12	4.98E+05
	40	400.62±0.2	1.12±0.15	6.35E+05
	45	463.89±0.2	0.99±0.16	6.53E+05
130	35	36.726±0.3	1.14±0.06	5.22E+05
	40	367.38±0.1	1.12±0.11	5.61E+05
	45	397.91±0.0	1.00±0.11	6.59E+05
140	35	334.71±0.0	1.14±0.12	4.50E+05
	40	363.74±0.2	1.10±0.22	5.22E+05
	45	421.12±0.2	1.01±0.17	5.46E+05

압출성형 공정에 의해 생성된 팽화는 재료가 다이를 빠져 나올 때, 혼합물 내에 포집된 수분이 증기로 증발하며 생성되는 것으로 상기 결과를 살펴보면 팽화율은 0.99~1.14로 수분 증가에 의해 감소하였으며, 온도 증가에 의해서는 큰 변화를 나타내지 않았다.

사료를 저장 또는 이동에 있어서 균열 없이 일정한 양의 힘에 견딜 수 있도록 일정치의 경도를 가져야 한다. 그러나 지나친 경도는 사료 섭취량에 영향을 줄 수 있다. 사료가 너무 단단하면 영양소 이용률이 낮을 수 있다. 반면, 너무 부드러운 사료는 물류 및 환경오염과 관련된 문제를 야기할 수 있다.

동일한 온도에서 수분 함량이 증가함에 따라 경도가 증가하는 것으로 나타났으며, 배럴온도가 120에서 130℃로 증가할 때 증가하는 경향을 보였다. 보통 밀도 및 경도는 같은 경향을 보이며 팽화율은 밀도 및 경도와 반대의 경향을 나타내는데 이번 결과도 동일한 경향을 나타내었다.

압출성형 공정이 미치는 영향 분석에서 배럴온도, 수분 및 스크루 회전속도가 미치는 영향 분석을 위해 아래 표 14와 같이, 배합비는 어분 65%, 3등급 밀가루 17%, 탈피대두박 10.7%, 어유 5.8%를 기본 배합비로 하여 어분의 양을 감소시켜 감소시킨 양 만큼 농축대두단백을 어분 양에 대하여 0, 15, 30% 첨가하여 압출성형을 실시 후 압출성형 양어사료 21개를 제조하여 그 특성을 비교분석하였다.

온도, 수분 및 스크루 회전속도에 따른 품질 특성 분석을 위한 배합비(%)

Ingredients	배합비 1 (%)	배합비 2 (%)	배합비 3 (%)
어분-수입	65.0	55.3	45.5
어유	5.8	6.1	6.4
밀가루-3등	17.0	17.0	17.0
탈피대두박	10.7	13.0	13.9
농축대두단백	0.0	6.9	15.5
라이신	0.0	0.1	0.1
메티오닌	0.0	0.1	0.1
MCP	0.5	0.5	0.5
비타민믹스	0.5	0.5	0.5
미네랄믹스	0.5	0.5	0.5
합계	100.0	100.0	100.0

표 15는 온도, 수분 및 스크루 회전속도 별 압출성형 공정 설계를 나타낸다. 배럴온도는 120, 130℃로, 수분은 0, 5, 10%, 스크루 회전속도는 250, 350, 450rpm으로 달리하여 압출성형 하였다.

온도, 수분 및 스크루 회전속도 별 압축성형 공정 설계(21개 시료 제조)

No.	Extrusion conditions
	temp. (℃)	screw speed (rpm)	MC (%)
A1	120	350	0
A2	120	250	5
A3	120	350	5
A4	120	350	10
B1	120	250	0
B2	120	350	0
B3	130	350	0
B4	120	250	5
B5	120	450	5
B6	130	250	5
B7	130	350	5
B8	130	250	5
C1	120	450	0
C2	120	350	0
C3	130	350	0
C4	120	250	5
C5	120	350	5
C6	120	450	5
C7	130	250	5
C8	130	350	5
C9	130	450	5

표 16은 온도, 수분 및 스크루 회전속도에 따른 압출성형 양어 사료의 물리적 특성을 나타낸다. 온도, 수분 및 스크루 회전속도에 따른 품질 특성 분석을 위한 수분안정성 측정에서 수침 후 1시간 후의 결과가 74.16~87.19%로 모든 조건에서 통상적으로 45%의 조단백질과 8~10%의 지방을 함유한 사료는 70%의 수중안정성을 가지는 것이 적절한 결과로 나타났다.

밀도는 295.77~613.97g/L의 범위에서 측정되었다. 직경 팽화율은 3.90~5.58mm, 길이 팽화율은 5.72~16.20mm의 범위로 측정되었다. 경도는 1.06E~8.17EN/m²의 범위에서 측정 되었으며 밀도가 높은 값을 나타낸 시료는 경도도 높은 값을 나타내었다.

온도, 수분 및 스크루 회전속도에 따른 압출성형 양어 사료의 물리적 특성

No.	Conditions	Water stability (%)	Bulk density (g/L)	Expansion ratio		Hardness (N/m2)
				Diameter (mm)	Length (mm)
A1	120/350/0	83.86%	314.05±3.44	5.58±0.14	11.78±0.56	1.06E+05
A2	120/250/5	87.19%	375.23±2.42	4.91±0.18	9.71±0.45	2.01E+05
A3	120/350/5	82.78%	295.77±2.44	5.28±0.07	16.20±0.74	1.19E+05
A4	120/350/10	85.71%	380.11±3.66	4.74±0.16	5.72±0.22	2.96E+05
B1	120/250/0	85.09%	376.20±1.24	4.96±0.24	6.19±0.15	2.51E+05
B2	120/350/0	85.44%	377.16±2.16	5.09±0.20	6.02±0.23	2.90E+05
B3	130/350/0	78.76%	418.83±0.70	4.53±0.28	7.64±0.66	3.37E+05
B4	120/250/5	75.92%	514.91±2.52	3.90±0.18	7.66±0.33	3.42E+05
B5	120/450/5	85.09%	406.51±2.46	4.71±0.17	7.28±0.31	2.97E+05
B6	130/250/5	77.45%	459.38±2.80	4.34±0.20	7.50±0.28	3.30E+05
B7	130/350/5	83.07%	437.48±1.60	4.59±0.28	7.44±0.45	3.17E+05
B8	130/450/5	83.32%	413.11±4.12	4.59±0.29	7.92±0.32	2.76E+05
C1	120/250/0	77.80%	613.97±2.32	4.06±0.14	6.81±0.28	4.74E+05
C2	120/450/0	74.16%	508.92±1.25	4.25±0.27	6.88±0.49	5.73E+05
C3	130/350/0	83.62%	418.98±2.87	4.66±0.25	7.19±0.52	2.46E+05
C4	120/250/5	79.62%	447.84±1.96	4.58±0.31	6.78±0.34	3.78E+05
C5	120/350/5	78.16%	460.67±1.38	4.36±0.22	7.24±0.28	3.25E+05
C6	120/450/5	85.90%	506.16±2.33	4.17±0.37	7.06±0.48	8.17E+05
C7	130/250/5	81.40%	447.91±1.35	4.47±0.26	7.13±0.26	2.85E+05
C8	130/350/5	82.72%	443.97±1.30	4.46±0.16	7.15±0.28	3.05E+05
C9	130/450/5	79.32%	452.35±2.47	4.49±0.27	7.70±0.54	2.81E+05

사료의 밀도는 통상적으로 물리적 특성분석에서 결과들의 분포 경향을 보기위한 분석을 밀도, 직경 팽화율, 길이 팽화율에 대하여 실시하였다. 밀도는 통상적으로 부상 사료에 대해 320~400g/L 및 침강 사료에 450~550g/L의 부피 밀도가 적절한 것으로 보고되고 있다.

도 22는 배럴온도에 따른 압출성형 양어 사료의 밀도분포를 나타낸다. 배럴온도를 120, 130℃로 하였을 경우 대체율 0%는 모든 시료가, 대체율 15%에서는 B1, B2, B5에서 376.2, 377.1, 406.5g/L로 부상사료로 적합한 밀도 값이 측정되었다. B1, B2, B5의 배럴온도는 120℃였다.

도 23은 스크루 회전속도에 따른 압출성형 양어 사료의 밀도분포를 나타낸다. 스크루 회전속도를 250, 350, 450rpm으로 하여 압출성형 사료를 제조하였을 경우 또는 스크루 회전속도 350rpm일 경우 Rokey(1994)의 연구보고서의 내용에 적합한 분포를 보였다.

도 24는 수분함량에 따른 압출 성형 양어 사료의 밀도 분포를 나타낸다. 수분첨가량을 0, 5, 10kg/hr로 달리하였을 경우 수분첨가량 0, 5kg/hr에서 적정 밀도 분포를 나타냈다. 또한 식물성 원료 대체율 0(A), 15(B)%에서 320∼400g/L에 가까운 적정 분포를 나타내었다.

도 25는 배럴온도에 따른 압출 성형 양어사료의 직경 팽화율 분포를 나타내고, 도 26은 스크루 회전속도에 따른 압출성형 양어사료의 직경 팽화율 분포를 나타내며, 도 27은 수분함량에 따른 압출성형 양어사료의 직경 팽화율 분포를 나타낸다.

팽화율에 대한 결과는 직경 팽화율에서는 스크루 회전속도를 250, 350, 450rpm으로 하여 압출성형 사료를 제조하였을 경우, 스크루 회전속도는 250, 450rpm에서, 수분 함량에서는 수분첨가량 5kg/hr에서 4.2∼4.8mm에 집중 분포를 보였다.

도 28은 배럴온도에 따른 압출성형 양어 사료의 길이 팽화율 분포를 나타내고 도 29는 스크루 회전속도에 따른 압출 성형 양어사료의 길이 팽화율 분포를 나타내며, 도 30은 수분함량에 따른 압출성형 양어 사료의 길이 팽화율 분포를 나타낸다.

길이 팽화율은 스크루 회전속도의 변화에 따른 유의적인 변화는 보이지 않았으며, 수분함량에 따라서는 5kg/hr에서 6~8mm에 집중 분포를 나타내었다. 또한 식물성 원료 대체율 15(B), 30(C)%에서 직경 팽화율은 4.2~4.8mm에, 길이 팽화율은 6~8mm에 집중 분포를 나타내었다.

표 17은 온도, 수분 및 스크루 회전속도에 따른 압출성형 양어 사료의 화학적 특성을 나타낸다. 온도, 수분 및 스크루 회전속도에 따른 품질 특성 분석을 위한 단백질 및 전분 소화도는 압출성형에 의해 증가하였으며, 압출성형 양어 사료의 단백질 소화도는 78.10~85.49%, 전분 소화도는 7.08~13.51%의 분포를 나타내었다. 수용성 질소지수와 환원당 함량은 압출성형에 의해 유의적인 차이는 없었으며, 압출성형 조건에 의한 차이도 크게 나타나지 않았다.

온도, 수분 및 스크루 회전속도에 따라 압출성형 양어 사료의 화학적 특성

No.	Conditions	Protein digestibility (%)	Nitrogen soluble index (NSI, %)	Starch digestibility (%)	Redusing sugar (mg/mL)
A	Raw	71.82%	41.25±0.75	7.19	0.49
A1	120/350/0	84.87%	29.17±0.33	13.51	0.51
A2	120/250/5	83.42%	39.74±0.13	11.81	0.51
A3	120/350/5	83.58%	32.25±0.98	9.37	0.50
A4	120/350/10	83.65%	39.24±0.25	9.59	0.50
B	Raw	65.92	43.86±2.22	6.83	0.49
B1	120/250/0	84.77%	38.66±2.19	11.43	0.49
B2	120/350/0	84.70%	36.24±1.22	10.69	0.49
B3	130/350/0	84.02%	37.98±3.56	10.19	0.49
B4	120/250/5	84.56%	35.14±0.17	9.47	0.48
B5	120/450/5	85.49%	44.30±0.74	10.87	0.48
B6	130/250/5	84.17%	36.98±1.16	12.16	0.48
B7	130/350/5	85.24%	28.51±1.04	10.76	0.48
B8	130/450/5	85.28%	35.28±0.64	9.06	0.48
C	Raw	63.13	87.73±1.97	7.02	0.51
C1	120/250/0	84.99%	39.85±1.96	10.78	0.48
C2	120/450/0	78.10%	33.41±1.96	9.18	0.48
C3	130/350/0	80.12%	37.18±3.05	11.11	0.48
C4	120/250/5	80.04%	39.46±1.33	11.92	0.49
C5	120/350/5	78.67%	46.29±1.96	7.08	0.48
C6	120/450/5	81.78%	46.37±1.29	7.64	0.48
C7	130/250/5	80.33%	41.11±1.30	12.24	0.49
C8	130/350/5	84.84%	38.31±3.03	12.65	0.49
C9	130/450/5	82.53%	42.79±1.05	11.09	0.49

화학적 특성분석에서 결과들의 분포 경향을 보기위한 분석을 단백질 소화율에 대하여 실시하였다. 도 31은 배럴온도에 따른 압출성형 양어 사료의 단백질 소화도를 나타내고, 도 32는 스크루 회전속도에 따른 압출성형 양어사료의 단백질 소화도 분포를 나타낸다.

단백질 소화도는 높을수록 좋은데 식물성 원료 대체량 0(A), 15(B)%에서 단백질 소화도 83% 이상에서 많은 분포도를 나타냈으며, 배럴온도 120℃와 스크루 회전속도 250과 350rpm에서 높은 단백질 소화도 분포를 보였다. 또한 배럴온도 130℃에서는 모든 시료에서 단백질 소화도가 80% 이상이었다.

도 33은 수분첨가량에 따른 압출성형 양어 사료의 단백질 소화도 분포를 나타낸다. 수분첨가량은 5kg/hr에서 높은 단백질 소화도 분포를 보였다.

따라서, 최적압출성형 조건은 식물성 원료 대체율, 온도, 수분 및 스크루 회전속도에 따른 품질 특성 분석에서 밀도 및 단백질 소화율에서 좋은 결과가 나온 식물성 원료 대체율 15%, 수분 첨가량 5kg/hr, 스크루 회전속도 350rpm이 적정 배합비 및 압출성형 조건으로 사료된다.

표 18은 스크루 회전속도의 영향 검토를 위한 압출성형 공정 설계조건을 나타낸다. 압출성형 공정이 미치는 영향 분석에서 스크루 회전속도가 미치는 영향 분석을 위해 아래 표와 같이 스크루 회전속도를 100, 150, 200, 250, 300rpm으로 달리하여 압출성형 하였으며, 이 때 배럴온도는 130℃, 수분은 40%, die는 4mm로 고정하였다.

스크루 회전속도의 영향 검토를 위한 압출성형 공정설계

스크루 회전속도 (rpm)	100	150	200	250	300
온도 (℃)	130
수분 (%)	40
(mm)	4.0

스크루 회전속도가 100/150/200/250/300 rpm으로 증가할 때 100rpm에서는 조직 형성이 미흡하였으며 150, 200 rpm에서는 직경 팽화율이 낮아 크기가 작았으며 300rpm에서는 지나친 원료공급에 의해 크기가 컸다. 따라서 250rpm이 적정한 스크루 회전속도로 판단되었다.

도 34는 본 발명의 압출성형장치의 스크루 배열의 모식도를 나타낸다. 1구간의 1/3/3/3 구조를 3/3/3/1 구조로 바꿔 영향 검토하였으며, 이때의 압출성형 조건은 배럴온도 140℃, 수분함량 40%, 스크루 회전속도 250rpm 그리고 다이 직경은 4mm으로 고정하였다.

스크루에서 1, 2, 3구간 중 1구간의 구조를 1/3/3/3과 3/3/3/1 구조로 달리하여 검토하였을 때 1/3/3/3 구조는 저수분 조건에서는 문제가 없었으나 고수분 조건에서는 원활한 원료공급과 성형이 이루어지지 않았다. 반면 3/3/3/1 구조는 원료공급과 성형에 있어서 문제가 없어 스크루 배열은 1구간을 3/3/3/1 구조로 하는 것이 적정하다고 판단되었다.

도 35는 본 발명의 압출성형장치의 다이 구조 모식도를 나타낸다. 사출구 길이 2.5와 8.0mm로 달리하여 다이 구조의 영향을 검토하였다. 이때의 압출성형 조건은 배럴온도 140℃, 수분함량 40%, 스크루 회전속도 250rpm, 다이 직경 4mm로 고정하였다.

사출구 길이를 2.5와 8.0mm로 달리하였을 때 8.0mm에서 밀도가 높고 수중안정성이 감소하여 8.0mm는 배제하고 사출구 길이를 2.5mm로 하는 것이 적정하다고 판단하였다. 사출구 길이가 길어짐에 따라 사출구에서 압력이 걸리면서 밀도가 높아지고 사출구 온도의 감소로 밀도가 증가하고 팽화율이 감소하여 수중안정성이 감소한 것으로 판단된다.

표 19는 압출성형 공정변수에 대한 ANOVA에 의한 통계 분석을 나타낸다. 압출성형 공정변수에서 배럴온도(120, 130, 140℃) 및 수분(35, 40, 45%)에 대한 ANOVA에 의한 통계 분석을 실시하였다. ANOVA (분산분석)는 각 집단 간(온도와 수분)의 평균을 비교하여 그 상관관계를 분석하는 방법이다. 결과에 대한 상관관계 분포가 a, ab, b로 각 집단 간의 차이가 없는 것으로 나타났다.

압출성형 공정변수에 대한 ANOVA에 의한 통계적 분석

Extrusion condition		WS (%）	WHC (%)	SR	PD (%)
Temp (℃)	120	0.617±0.461a	3.253±0.479a	1.417±0.033a	0.834±0.006a
	130	0.869±0.014a	3.800±0.355a	1.343±0.040a	0.865±0.009b
	140	0.886±0.20a	3.884±0.328a	1.404±0.040a	0.855±0.011b
MC (%)	35	0.881±0.017ab	3.317±0.529a	1.429±0.039a	0.854±0.014a
	40	0.896±0.009b	3.594±0.140a	1.379±0.032a	0.844±0.013a
	45	0.862±0.002a	4.027±0.362a	1.357±0.047a	0.857±0.23a

반응표면 회귀분석에 의한 압출성형 공정의 영향을 수중안정성, 단백질 소화율, 팽창률, 수분흡수력에 대하여 각각 분석하였다. 도 36은 반응표면 회귀분석에 의한 수중안정석 분석, 단백질 소화율 분석, 팽창률 분석, 수분흡수력을 나타낸다.

수중안정성은 온도 120~140℃, 수분함량 35∼45%의 범위에서 85% 이상의 안정성이 인정되었다. 단백질 소화율에 대한 압출성형 조건 온도 140℃, 수분함량 45%에서 최적화를 나타내었다. 팽창률은 압출성형 조건 온도 130℃, 수분함량 40%에서 최적화되었다. 수분흡수력은 압출성형 조건 온도 140℃, 수분함량 45%에서 최적화되었다.

온도(70~140℃), 스크루 회전 속도(100~300rpm), precondition 수분함량(5~28.2%), 수분(23~48%), 스크루 배열, 다이 사출구 길이(2.5, 8.0mm)의 조건에서 압출성형 공정변수의 영향 분석에 의하여 압출성형 조건을 온도 140℃, 스크루 회전속도 250rpm, precondition에 의한 수분첨가 24%, 수분첨가 45%, 스크루 배열 1구간을 3/3/3/1 구조, 다이 사출구 길이 2.5mm으로 조건이 최적화 조건으로 사료된다.

본 발명의 압출성형장치를 이용한 저어분 양어 사료 및 이의 제조방법을 통해 고비용의 어분의 함량 비율을 낮춰 사료 원료비를 절감할 수 있고 동시에, 소화율이 향상된 사료를 개발함으로써 양식산업의 생산성을 높일 수 있어 양식 기반확대 및 수산분야의 발전은 물론, 양식 기술의 국제 경쟁력 제고로 어업인 소등증대에 기여 가능함으로 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (5)

1. 어분 60~70 중량%, 밀가루 19.5~24.5 중량%, 탈피대두박 10.5~15.5 중량%를 포함하는 배합사료 원료를 압출성형장치의 호퍼에 투입하고, 상기 호퍼를 통해 투입된 배합사료 원료는 압출성형장치의 압출 스크루가 내장된 배럴형의 압출기를 통해 이송, 교반 및 압축 분쇄되어, 펠렛(pellet)형태로 제조되며,
   상기 압출성형장치의 압출 스크루의 배열은 상기 배합사료 이동방향의 시작점을 전면부로 고정하여 1구간, 2구간, 3구간으로 구분되고, 각 구간은 4개의 스크루배열로 이루어지고, 상기 1구간은 3개의 full pitch screw, 1/2pitch screw가 배열되고, 2구간은 3개의 2/3pitch screw, 1개의 1/2pitch screw로 배열되며, 3구간은 1/2pitch screw, 1/2reverse pitch screw, 2개의 1/2pitch screw가 배열되어 이루어지며,
   압출성형장치의 성형조건은 배럴온도 120~140℃, 압출 스크루 회전속도 250rpm, 수분함량 35~45%, 프리컨디션(precondition) 수분 22~24% 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압출성형장치를 이용한 저어분 양어 사료제조방법
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