KR102358919B1 - 유전율이 상이한 둘 이상의 분할 구역을 갖는 마이크로웨이브 조리용 단일 카테고리 식품, 이의 제조 방법 및 설계 방법 - Google Patents

유전율이 상이한 둘 이상의 분할 구역을 갖는 마이크로웨이브 조리용 단일 카테고리 식품, 이의 제조 방법 및 설계 방법 Download PDF

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Abstract

본 출원은 가열 특성이 우수한 식품, 이의 제조 방법 및 설계 방법에 관한 것이다. 본 출원에 의하면 마이크로웨이브 조사 또는 직접 가열과 같은 방법에 의해 가열시 식품내에서 온도 편차를 최소화할 수 있다.

Description

유전율이 상이한 둘 이상의 분할 구역을 갖는 마이크로웨이브 조리용 단일 카테고리 식품, 이의 제조 방법 및 설계 방법{Single Category Food Product For Microwave Heating Comprising Two or More Divisional Parts Having Different Permittivities Each Other, Method of Preparing the Same and Method of Designing the Same}
본 출원은 유전율이 상이한 둘 이상의 분할 구역을 갖는 마이크로웨이브 조리용 단일 카테고리의 식품, 이의 제조 방법 및 설계 방법에 관한 것이다.
전기적 관점에서 물질을 도체와 유전체로 나눌 수 있고, 도체는 자유 전자가 존재하여 전기를 잘 전달할 수 있는 물질이고, 유전체는 전기가 잘 통하지 않는 물질이다. 유전체의 전기 및 전자기에 대한 반응 패턴을 물리적으로 기술한 것이 유전율(Permittivity, ε)이다.
유전율(Permittivity, ε)이란 유전체(Dielectric Material)의 전기적인 특성을 나타내는 중요한 특성값으로, 유전체가 외부의 전기장의 변화에 대해 내부의 +/- 모멘트(moment)가 얼마나 민감하게 반응하느냐의 정도를 표현한 물질상수이다. 유전율은 DC 전류에 대한 전기적 특성을 나타내기도 하나, 식품 가열과 관련하여서는 AC 전류, 특히 교류 전자기파의 특성과 직접적인 관련이 있다. 유전율은 매질의 특성, 그 매질에 가해진 전자기장의 주파수, 습도, 온도 등 여러가지 요인에 의해 변화한다. 주파수가 0이거나 충분히 낮은 경우 유전율의 변화가 크지 않으나, 주파수가 증가하여 전기장의 변화에 대한 반응의 위상차가 커지는 경우, 유전율은 복소수의 형태로 정의되고, 아래와 같은 수식으로 나타낸다.
Figure 112021025128296-pat00001
Figure 112021025128296-pat00002
Figure 112021025128296-pat00003
위 공식에서 ε'은 유전율의 실수부는 유전상수(Dielectric Constant)라고 칭하며, 전자파의 파장과 propagation에 관련된 부분이며, ε''은 유전율의 허수부는 Loss Factor 라고 칭하며 매질에 의한 에너지 흡수 속도 및 손실과 관련된 항목이다. 특정 주파수에서 ε''이 양수인 경우 에너지의 손실이 발생하고, 이는 주로 발열의 형태로 나타난다. ε0는 진공의 유전상수이며 εr은 비유전율(Relative Permittivity)로 유전체의 유전율을 진공 상태의 유전상수의 비율로 표현한 것으로 일반적인 유전율을 표현하는 방식이다.
유전율에 의한 발열의 열량은 다음과 같은 공식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112021025128296-pat00004
식품의 가열 조리에 자주 사용되는 마이크로웨이브(전자레인지)에 의한 조리의 경우 이러한 유전율 기반의 가열을 기술적 기반으로 하고 있으나, 대부분의 전자레인지 조리 방법은 전자레인지의 성능과 특성에 전적으로 의존하고 있으며, 조리 품질의 개선 등에 있어서도 전자레인지 내부에 별도 장치를 달거나 포장재에 전기장을 변화시키는 부속물을 설치하는 등의 '장치 중심적'인 형태로만 기술이 개발되고 있으나, 이는 제품의 속성에 따라 효과가 없는 경우가 빈번하게 발생한다. 이러한 문제점을 전자레인지 가열의 실제 목적인 제품의 관점에서 접근하여 가열 효과를 향상시키는 방법의 연구 및 개발이 필요하다.
미국공개특허 US 2016/0331004
본 출원은 일 목적은 마이크로웨이브 조사에 의한 가열시 균일한 가열이 가능한 식품을 제공하는 것에 있다.
본 출원의 다른 목적은 마이크로웨이브 조사에 의한 가열시 균일한 가열이 가능한 식품의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 출원의 또 다른 목적은 균일한 가열이 가능한 식품의 설계 방법을 제공하는 것에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해,
본 출원의 일 측면은 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역을 포함하는 단일 카테고리의 식품으로서, 상기 식품은 마이크로웨이브 조사에 의해 균일하게 가열되는 식품을 제공한다.
본 출원의 다른 측면은
(a) 단일 카테고리 식품을 둘 이상의 부분으로 나누는 단계;
(b) 상기 나누어진 둘 이상의 부분이 서로 다른 유전율을 갖도록 상기 둘 이상의 부분에서 유전율에 영향을 미치는 성분 또는 이의 함량을 서로 다르게 하는 단계; 및
(c) 상기 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 부분을 사용하여 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역을 포함하는 단일 카테고리의 식품 제조하는 단계;를 포함하는, 마이크로웨이브 조사에 의해 균일하게 가열되는 식품의 제조 방법을 제공한다.
본 출원의 또 다른 측면은
(a) 식품의 유전율, 비열, 열전도도, 밀도 및 공극율로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 특성값을 측정하는 단계;
(b) 상기 측정된 특성값 및 가열 기기의 가열 특성 데이터를 이용하여 단일카테고리 식품의 가열의 불균일성을 평가하는 단계; 및
(c) 상기 단일카테고리 식품의 가열의 불균일성이 존재하는 경우, 식품 내에서 분할구역의 개수, 크기, 또는 위치관계를 결정하고, 상기 분할구역내에서 상기 식품의 특성값을 조절하는 단계;를 포함하는 식품의 가열 균일성을 향상시키기 위해 상기 식품내에서 분할 구역의 구조를 설계하는 방법을 제공한다.
이하, 본 출원을 구체적으로 설명한다.
본 출원의 일 측면에 따르면, 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역을 포함하는 단일 카테고리의 식품으로서, 상기 식품은 마이크로웨이브 조사에 의해 균일하게 가열되는 식품을 제공한다.
본 출원은 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역을 단일 카테고리의 식품 내에 인위적으로 형성시킴으로써 상기 식품을 마이크로웨이브 조사에 의해 가열하는 경우 식품 내부의 온도가 균일하게 가열되는 특성을 갖게 하는 식품을 제공한다.
본 출원에서 용어 "유전율"은 유전체가 외부 전기장에 반응하여 만드는 편극의 크기를 나타내는 물질 상수를 의미한다. 유전율이 클수록 유전체는 큰 편극을 만들며 유전체 내부의 전기장은 작아진다.
일 구현예에서, 상기 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역은 서로 다른 유전 상수(dielectric constant) 또는 유전 손실율(dielectric loss factor)를 가질 수 있다.
본 출원에서 용어 "유전 상수(dielectric constant)"는 어떤 물질의 유전율과 진공의 유전율 사이의 비율을 의미하며, 상대유전율(relative dielectric constant)이라고도 한다.
본 출원에서 용어 "유전 손실율(dielectric loss factor)"는 유전체의 손실 크기를 나타내는 척도로서, 전류가 통과하는 유전체 물질내에서 에너지의 손실율을 의미한다.
일 구현예에서, 서로 다른 유전율을 갖는 분할 구역 중 유전 상수 또는 유전 손실율이 가장 높은 분할 구역과 가장 낮은 분할 구역에서의 특성값 차이가 유전상수 또는 유전손실율이 가장 높은 분할 구역에서의 특성값의 95% 이하일 수 있다.
상기 분할구역에서의 특성값은 유전율, 비열, 열전도도, 밀도 및 공극율로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 특성값일 수 있다.
본 출원에서 상기 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역은 유전율에 영향을 미치는 성분 또는 이의 함량이 서로 다를 수 있다. 또는, 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역은 유전율에 영향을 미치는 성분 또는 이의 함량이 동일하더라도, 제조 방법이 상이하여 유전율이 서로 다를 수 있다.
일 구현예에서, 유전율에 영향을 미치는 성분은 물, 염(salt), 단백질, 탄수화물, 및 지방으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 염(salt)은 식품에 첨가될 수 있는 염으로서, 물에 용해되는 경우 분극을 형성할 수 있는 염이면 제한없이 사용될 수 있다. 상기 염은 일 예로, 나트륨염, 칼륨염, 암모늄염, 마그네슘염 또는 칼슘염을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 단백질은 식품에 첨가될 수 있는 단백질로서, 다른 성분들과 혼합되어 전기장이 가해질 경우 특유의 유전 특성을 나타낼 수 있는 단백질이면 제한없이 사용 가능하다. 상기 단백질은 일예로, 난백, 대두단백, 유청단백, 곤충 유래단백, 농축 유청 단백질(Whey Protein Concentrate, WPC), 분리 유청 단백질(Whey Protein Isolate, WPI), 알부민(albumin), 글로불린(globulin), 글루텔린(glutelin), 프롤라민(prolamin), 알부미노이드(albuminoid), 히스톤(histone), 또는 프로타민(protamine)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 탄수화물은 식품에 첨가될 수 있는 탄수화물로서, 다른 성분들과 혼합되어 전기장이 가해질 경우 특유의 유전 특성을 나타낼 수 있는 물질이라면 제한없이 사용 가능하다. 일예로, 다당류, 단당류, 당알코올류, 전분류, 설탕, 식이섬유류를 포함할 수 있으며, 구체적으로 D-리보오스(D-ribose), 트레할로스(trehalose), 또는 소르비톨(sorbitol)일 수 있다.
상기 지방은 식품에 첨가될 수 있는 지방으로서, 다른 성분들과 혼합되어 전기장이 가해질 경우 특유의 유전 특성을 나타낼 수 있는 물질이면 제한없이 사용가능하다. 예를 들어, 포화지방산 또는 포화지방산을 포함할 수 있으며, 돈지, 우지 등의 동물성 유지와, 콩, 유채, 쌀 등의 식물성 원료에서 추출되는 식물성 유지를 포함할 수 있다.
본 출원에서 용어 "단일 카테고리의 식품"은 통상적으로 하나의 카테고리라고 인정될 수 있는 식품을 의미한다. 보다 구체적으로, 단일 카테고리의 식품은 식품 설계상 하나의 부분으로 인정될 수 있는 것으로서, 식품 내에서 동일 성분 배합을 통하여 동일한 방법으로 제조된 식품 부분을 의미한다.
구체적으로, 단일 카테고리 식품 자체가 소비자에게 유통되는 식품일 수 있으며, 혹은 단일 카테고리 식품의 조합이 소비자에게 유통되는 식품일 수 있으며, 이는 식품의 종류에 따라 다른 양상으로 나타날 수 있다.
보다 구체적으로, 단일 카테고리 식품은 각 성분이 아닌 일정 부분을 의미할수도 있다. 보다 더 구체적으로, 식품 내 상기 동일 성분 배합을 통한 동일한 방법으로 제조된 식품이란 의미는, 최종 제품 내에 단일 카테고리 식품이 복수 개 포함된 경우에, 각각의 단일 카테고리 식품마다 각각의 동일 성분 배합으로 동일 제조방법으로 제조된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 볶음밥의 경우에는 볶음밥 전체가 단일 카테고리 식품이 될 수 있고, 만두의 경우에는 만두피와 만두소가 각각 단일 카테고리 식품이 될 수 있으며, 핫도그와 같은 경우에는 빵 부분 및 소시지 부분이 각각의 단일 카테고리 식품이 될 수 있고, 소스가 포함된 파스타 제품의 경우에는 면 부분 및 소스 부분이 각각의 단일 카테고리 식품이 될 수 있다. 동일한 종류의 단일 카테고리 식품이라면, 각각 단일 카테고리 식품마다 그 배합과 제조방법이 상이할 수 있다. 예를 들어, 핫도그와 같은 경우에는 빵 부분 및 소시지 부분이 각각이 단일 카테고리 식품이고, 소시지라 하더라도 제품마다 각각의 배합과 제조방법은 제품 마다 상이해질 수 있다.
즉, 본 출원에서, 단일 카테고리 식품이란 통상적으로 식품 업계에서 하나의 카테고리라고 인정될 수 있는 식품의 각 부분을 의미할 수 있다.
본 출원에서, 동일 성분의 배합을 사용하여 동일한 방법으로 제조된 하나의카테고리의 식품을 인위적으로 분할하여, 분할된 구역들이 서로 다른 유전율을 갖도록 구성한 것에 특징이 있다. 따라서, 본 출원에서 서로 다른 유전율을 가지는 분할 구역이 단일 카테고리의 식품 내에 형성될 수 있다.
본 출원은 단일 카테고리 식품 내에서 인위적으로 유전율이 상이한 분할구역을 만드는 것을 특징으로 하는 바, 단일 카테고리 식품이 두 개 이상으로 이루어진 식품의 경우, 각 단일 카테고리 식품의 유전율이 서로 상이한 부분까지는 의미하는 것은 아니다. 예를 들어, 만두피와 만두속이 서로 다른 유전율을 가지는 것을 의미하는 것은 아니다.
본 출원에서 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역이 형성되는 형태는 특별히 제한되지 않는다. 보다 구체적으로, 상기 분할구역 형성은 식품의 종류, 형태, 또는 성질에 따라 변경될 수 있는 바, 서로 다른 유전율을 가지는 분할구역이 형성되어 있으며, 마이크로웨이브 조사에 의한 가열 불균일이 적다면 그 구조는 한정되지 않는다.
일 구현예에서, 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역 중 하나의 분할 구역과 다른 하나의 분할 구역은 서로 인접하여 층상의 형태를 형성할 수 있다.
일 구현예에서, 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역 중 하나의 분할 구역이 다른 하나의 분할 구역내에 산재되어 있는 형태일 수 있다.
일 구현예에서, 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역 중 하나의 분할 구역이 다른 하나의 분할 구역을 감싸고 있는 코어-쉘 형태일 수 있다.
본 출원에서 마이크로웨이브 조사에 의해 균일하게 가열된다는 의미는, 단일 카테고리의 식품이 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할구역을 포함하는 경우가, 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할구역을 포함하지 않는 경우보다, 열편차, 보다 구체적으로 변동계수가 감소하였음을 의미한다. 상기 열 편차의 감소는 마이크로브웨이브 조사 시 특정 포인트의 온도의 편차, 보다 구체적으로 변동 계수가 적어짐을 의미한다. 보다 구체적으로 변동계수가, 유전율 변화 전보다 3%, 3.5%, 4%, 4,5% 또는 5% 이상 줄어들 수 있다.
본 출원의 다른 측면에 따르면,
(a) 단일 카테고리 식품을 둘 이상의 부분으로 나누는 단계;
(b) 상기 나누어진 둘 이상의 부분이 서로 다른 유전율을 갖도록 상기 둘 이상의 부분에서 유전율에 영향을 미치는 성분 또는 이의 함량을 서로 다르게 하는 단계; 및
(c) 상기 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 부분을 사용하여, 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역을 포함하는 단일 카테고리의 식품을 제조하는 단계; 를 포함하는 마이크로웨이브 조사에 의해 균일하게 가열되는 식품의 제조 방법을 제공한다.
상기 단계 (a)에서, 단일 카테고리 식품을 둘 이상의 부분으로 나누는 것은 식품의 종류, 형태, 또는 성질, 또는 조리 완성도에 따라 제한없이 다양한 방법으로 행할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 둘 이상의 부분을 나눈다는 의미는, 동일 성분 배합을 통하여 동일한 방법으로 제조된 단일 카테고리 식품 부분을, 인위적으로 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 부분을 가진 식품을 제조하기 위하여, 설계된 식품 구조 따라 둘 이상의 부분으로 나눠서 제조하기 위하여 단일카테고리 식품의 구조를 나누는 것을 의미한다. 예를 들어, 조리가 완료된 단일 카테고리의 식품을 둘 이상의 부분으로 나눌 수 있고, 단일 카테고리 식품을 조리하기 전에 식품 원재료를 둘 이상의 부분으로 나눌 수 있으며, 또는 단일 카테고리 식품의 조리 중간 단계에 있는 반제품을 둘 이상의 부분으로 나눌 수 있다.
상기 단계 (b)에서, 상기 나누어진 둘 이상의 부분이 서로 다른 유전율을 갖도록 상기 둘 이상의 부분에서 유전율에 영향을 미치는 성분 또는 이의 함량을 서로 다르게 한다.
일 구현예에서, 유전율에 영향을 미치는 성분은 물, 염(salt), 단백질, 탄수화물, 및 지방으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 염(salt)은 식품에 첨가될 수 있는 염으로서, 물에 용해되는 경우 분극을 형성할 수 있는 염이면 제한없이 사용될 수 있다. 상기 염은 일 예로, 나트륨염, 칼륨염, 암모늄염, 마그네슘염 또는 칼슘염을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 단백질은 식품에 첨가될 수 있는 단백질로서, 다른 성분들과 혼합되어 전기장이 가해질 경우 특유의 유전 특성을 나타낼 수 있는 단백질이면 제한없이 사용 가능하다. 상기 단백질은 일예로, 난백, 대두단백, 유청단백, 곤충 유래단백, 농축 유청 단백질(Whey Protein Concentrate, WPC), 분리 유청 단백질(Whey Protein Isolate, WPI), 알부민(albumin), 글로불린(globulin), 글루텔린(glutelin), 프롤라민(prolamin), 알부미노이드(albuminoid), 히스톤(histone), 또는 프로타민(protamine)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 탄수화물은 식품에 첨가될 수 있는 탄수화물로서, 다른 성분들과 혼합되어 전기장이 가해질 경우 특유의 유전 특성을 나타낼 수 있는 물질이라면 제한없이 사용 가능하다. 일예로, 다당류, 단당류, 당알코올류, 전분류, 설탕, 식이섬유류를 포함할 수 있으며, 구체적으로 D-리보오스(D-ribose), 트레할로스(trehalose), 또는 소르비톨(sorbitol)일 수 있다.
상기 지방은 식품에 첨가될 수 있는 지방으로서, 다른 성분들과 혼합되어 전기장이 가해질 경우 특유의 유전 특성을 나타낼 수 있는 물질이면 제한없이 사용가능하다. 예를 들어, 포화지방산 또는 포화지방산을 포함할 수 있으며, 돈지, 우지 등의 동물성 유지와, 콩, 유채, 쌀 등의 식물성 원료에서 추출되는 식물성 유지를 포함할 수 있다.
상기 단계 (c)에서, 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 부분을 사용하여, 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역을 포함하는 단일 카테고리의 식품을 제조하는 경우에서, 둘 이상의 분할 구역들의 형태는 특별하게 한정되지 않는다.
일 구현예에서, 단계 (c)에서, 단일 카테고리 식품은 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 부분 중 하나의 부분이 다른 하나의 부분과 서로 인접하여 층상의 형태를 이루도록 제조할 수 있다.
다른 구현예에서, 단계 (c)에서, 단일 카테고리 식품은 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 부분 중 하나의 부분이 다른 하나의 부분내에 산재되어 있는 형태를 이루도록 제조할 수 있다.
다른 구현예에서, 단계 (c)에서, 단일 카테고리 식품은 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 부분 중 하나의 부분이 다른 하나의 부분을 감싸고 있는 코어-쉘 형태를 이루도록 제조할 수 있다.
구체적으로, 상기 식품은 다음과 같이 제조될 수 있다.
단일 카테고리 식품이 비-정형화된 형태를 가지고 있는 경우에는, 유전율이 상이한 2종류 이상의 식품의 원재료, 반제품 또는 부분을 제조하고, 제조한 유전율이 상이한 식품의 원재료, 반제품, 또는 부분을 교대로 적층함으로써, 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할구역을 포함하는 단일 카테고리의 식품을 제조할 수 있다.
상기 적층은 식품의 형태에 따라 다양한 방법을 사용하여 행할 수 있으며, 예를 들어, 노즐, 버켓, auto-scaler 등의 장치를 이용하거나, 입자와 액상이 혼합된 식품의 경우는 사출 방법 등을 이용할 수 있다.
단일 카테고리 식품이 저점도의 페이스트 형태이거나, 가공 중에 액상이 고형으로 응고 또는 동결되는 형태이거나, 구조 형성시 혼합될 수 있는 형태인 경우에는 식품 원재료의 점도에 따라 상이한 방법을 사용하여 적층 구조를 형성할 수 있다. 예를 들어, 식품 원재료의 점도가 충분한 경우에는 유전율이 상이한 2종류 이상의 식품의 원재료를 제조한 후, 적층 사출 노즐을 사용하여 적층 구조를 형성할 수 있다. 식품 원재료의 점도가 충분하지 않은 경우에는 일정한 틀에 제조한 식품 원재료를 충진하여 제1층을 형성한 후에 동결 또는 응고시키고, 상기 제1층 위에 다시 유전율이 상이한 식품 원재료를 충진하여 제2층을 형성한 후에 동결 또는 응고시켜 적층구조를 형성할 수 있다. 상기 제1층 및 제2층을 형성하는 과정을 2회 이상 반복할 수 있다.
단일 카테고리의 식품이 물리적으로 적층 구조를 형성하기 어려운 형태인 경우에는, 유전율이 상이하도록 침지액에 침지 처리하여 얻어지는 2종류 이상의 식품을 적층하는 방식을 사용할 수 있다. 또는, 유전율이 상이하도록 조정할 수 있는 침지액 또는 주입액을 제품이 심층에 주입하고, 표층은 침지액에 침지하는 방법을 사용할 수 있다. 상기 침지액에는 상술한 유전율에 영향을 미치는 성분, 예를 들어 물, 염(salt), 단백질, 탄수화물, 및 지방으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상이 성분이 포함될 수 있다.
상기 둘 이상의 분할 구역을 포함하는 식품을 제조한 후 추가 공정, 예를 들어, 충진물을 충진하는 공정, 동결 공정, 살균 공정, 또는 열처리 공정을 더 행할 수 있다.
본 출원의 다른 측면에 따르면,
(a) 단일 카테고리 식품의 유전율, 비열, 열전도도, 밀도 및 공극율로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 특성값을 측정하는 단계;
(b) 상기 측정된 특성값 및 가열 기기의 가열 특성 데이터를 이용하여 단일카테고리 식품의 가열의 불균일성을 평가하는 단계; 및
(c) 상기 단일 카테고리 식품의 가열의 불균일성이 존재하는 경우 상기 식품 내에서 분할 구역의 개수, 크기, 또는 위치관계를 결정하고, 상기 분할 구역내에서 상기 식품의 특성값을 조절하는 단계; 를 포함하는 단일 카테고리 식품의 가열 균일성을 향상시키기 위해 상기 식품내에서 분할 구역의 구조를 설계하는 방법을 제공한다.
일 구현예에서, 상기 단계 (b)에서의 가열 기기의 가열 특성 데이터는 전자기, 복사, 또는 대류에 의한 가열 특성 데이터일 수 있다.
보다 구체적으로 상기 가열 특성 데이터는 가열 기기별 데이터, 가열 기기 특성별 데이터(예를 들어, 출력값, 출력 시간, 기기의 팬의 회전수, 팬 회전수에 따른 풍속 또는 풍량 데이터, 기기의 열원을 제어하는 알고리즘 등), 식품 특성별 데이터(예를 들어, 염 농도 당 데이터, 단백질 농도 당 데이터), 단일 카테고리 식품 내 각 구분 혹은 각 스팟의 온도 데이터, 온도 변화율 데이터, 단일 카테고리 식품내 온도가 가장 높은 스팟 데이터 또는 상기 온도가 가장 높은 스팟의 이동 변화 데이터 등을 의미한다.
상기 가열 기기는 마이크로웨이브 조사 기기(전자 레인지), 전기 오븐, 또는 가스 오븐 일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 단계 (b)에서의 단일 카테고리 식품의 가열의 불균일성의 평가는 식품 내부의 가열 스팟(spot)의 변화 또는 이동 양상을 분석하여 행할 수 있다.
본 출원에서 용어 "가열 스팟"은 식품 내부의 온도를 측정하였을 때 주위 부분에 비해 높은 온도를 나타내는 부분을 의미한다.
구체적으로, 상기 가열 스팟은 식품에 가열 기기를 통해 가열 처리를 하였을 때 식품 내부에 형성되는 가열 스팟일 수 있다.
식품의 가열의 불균일성은 식품 내부에 가열 스팟이 존재하는 경우, 가열 스팟이 변화하는 경우, 또는 가열 스팟이 이동하는 경우에, 가열의 불균일성이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
상기 (c) 단계에서, 식품의 가열의 불균일성이 존재하는 것으로 판단하는 경우 식품 내에 분할구역의 개수, 크기 또는 위치관계를 결정하고, 상기 분할구역내에서 식품의 특성값을 조절한다.
상기 분할 구역의 개수, 크기, 위치관계, 식품의 특성값의 조절은 가열 스팟의 발생 개수 또는 그 위치를 분석하여 결정할 수 있다.
상기 분할구역 내에서 조절하는 식품의 특성값은 유전율, 비열, 열전도도, 밀도 및 공극율로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 값일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 분할 구역 내에서 식품의 특성값의 조절은 가열 기기를 통해 식품을 가열하였을 때 식품의 가열의 균일성이 향상되도록 조절하는 것일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 식품은 단일 카테고리의 식품일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 식품은 종래에 존재하는 식품 또는 새로운 식품일 수 있다.
상기 본 출원의 일 측면 "식품의 가열 균일성을 향상시키기 위해 상기 식품내에서 분할구역의 구조를 설계하는 방법"에서 단일 카테고리의 식품, 분할구역등 공통되는 내용은 상술한 본 출원의 다른 측면에서 설명된 내용과 동일하므로, 중복하여 설명하지 않는다.
본 출원에 의하면 마이크로웨이브 조사 또는 직접 가열과 같은 방법에 의해 가열시 식품내에서 온도 편차를 최소화할 수 있는 식품을 제조할 수 있다.
본 출원에 의하면 마이크로웨이브 조사시에 균일하게 가열될 수 있는 식품을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 마이크로웨이브 조사 시에 가열 균일성을 갖도록 식품의 구조를 설계할 수 있다.
다만, 본 출원의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 염과 WPC의 농도를 달리하여 설계한 4가지 샘플에 대해 마이크로웨이브 조사에 의한 가열시 샘플 중앙부의 수직 방향의 온도를 분석한 그래프이다.
도 2는 염과 WPC의 농도를 달리하여 설계한 4가지 샘플에 대해 마이크로웨이브 조사에 의한 가열시 샘플 중앙부의 수평 방향의 온도를 분석한 그래프이다.
도 3은 염과 WPC의 농도를 달리하여 설계한 4가지 샘플에 대해 마이크로웨이브 조사에 의한 가열 시간에 따른 샘플 중심부의 온도 상승을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 출원의 실험예 4의 가열체 1 및 2의 상단부 가열 패텬을 ThermalLight View로 확인한 결과이다.
도 5는 본 출원의 실험예 4의 가열체 1 및 2를 상단 중앙 - 하단 중앙을 지나도록 수직으로 절단하여 ThermalLight View로 확인한 결과이다.
도 6은 본 출원의 실험예 4의 가열체 1 및 2의 중심을 통과하는 수직 및 수평부의 온도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 출원의 실험예 4에서 가열체 1 및 2를 수평방향으로 절단하여 좌측에서 우측 방향으로의 온도 분포를 표시한 그래프이다.
이하, 본 출원을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 출원을 구체적으로 예시하는 것이며, 본 출원의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되지 아니한다.
실시예
실험예 1: 나트륨 함량에 따른 유전율의 변화 측정
증류수, 소금, D-리보오스(D-ribose), WPC(Whey Protein Concentrate), WPI(Whey Protein Isolate)을 일정 비율로 혼합하고, 염도를 0.3%, 0.6%, 및 1%로 달리하여 실험군으로서, Test 1, Test 2, 및 Test 3을 제조하였다(표 1). 유전상수 및 손실율(loss factor)의 측정은 Agilent社의 Vector Network Analyzer를 활용하여 측정하였다. 유전상수(E') 및 손실율(E")는 국내외 전자레인지에 많이 사용되는 주파수인 915MHz 및 2450MHz 등의 2종의 주파수에 대하여 측정하였다.
원료명 Test 1 Test 2 Test 3
DI water 75.4 75.1 74.7
Salt 0.3 0.6 1.0
D-ribose 0.2 0.2 0.2
WPC 18.9 18.9 18.9
WPI 5.2 5.2 5.2
Total 100.0 100.0 100.0
  Test 1 Test 2 Test 3
915MHz Temp. E' E" E' E" E' E"
25℃ 54.66 22.19 54.93 27.99 55.20 36.29
30℃ 53.34 23.12 54.12 28.72 53.87 37.15
40℃ 52.05 24.47 53.08 30.35 52.68 40.02
50℃ 50.90 26.63 52.44 31.97 51.86 43.63
60℃ 49.63 29.42 51.63 34.56 51.16 47.53
70℃ 48.53 32.17 50.43 38.94 50.24 53.25
80℃ 47.65 34.86 49.16 44.32 49.49 59.11
90℃ 46.90 37.86 48.26 49.06 48.76 66.16
100℃ 46.37 40.78 47.69 53.61 48.43 71.54
110℃ 45.97 44.36 47.61 58.39 48.30 78.64
120℃ 45.57 47.87 47.14 62.98 48.11 86.30
2450MHz Temp. E' E" E' E" E' E"
25℃ 51.27 15.77 50.80 18.85 50.76 21.60
30℃ 50.19 15.69 50.06 18.70 49.36 21.81
40℃ 48.98 15.55 49.11 18.69 48.18 22.19
50℃ 47.84 15.74 48.48 18.86 47.32 22.99
60℃ 46.51 16.23 47.66 19.32 46.49 24.02
70℃ 45.30 16.89 46.33 20.34 45.34 25.74
80℃ 44.25 17.65 44.80 21.91 44.32 27.65
90℃ 43.29 18.59 43.61 23.48 43.26 30.13
100℃ 42.50 19.60 42.75 25.09 42.60 32.14
110℃ 41.78 20.89 42.32 26.89 42.00 34.75
120℃ 41.03 21.98 41.88 28.35 41.32 37.72
측정 결과, 염도가 상승하는 경우, 유전 상수의 변화는 크지 않으나 손실율(loss factor)의 변화가 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있었다(표 2).
실험예 2: 단백질 함량(농축유청단백)에 따른 유전율의 변화 측정
증류수, 소금, D-리보오스, WPC(Whey Protein Concentrate), WPI(Whey Protein Isolate)을 일정 비율로 혼합하고, WPC의 함량을 18.9% 및 13.9%로 달리하여 실험군으로서 Test 1 및 Test 2를 제조하였다(표 3). 실험군들의 유전상수 및 손실율(loss factor)의 측정은 Agilent社의 Vector Network Analyzer를 활용하여 측정하였다. 유전상수(E') 및 손실율(E")는 국내외 전자레인지에 많이 사용되는 주파수인 915MHz와 2450MHz 등 두 종의 주파수에 대하여 측정하였다.
원료명 Test 1 Test 2
DI water 75.4 80.4
Salt 0.3 0.3
D-ribose 0.2 0.2
WPC 18.9 13.9
WPI 5.2 5.2
Total 100.0 100.0
  Test 1 Test 2
915MHz Temp. E' E" E' E"
25℃ 54.66 22.19 58.68 20.82
30℃ 53.34 23.12 57.38 20.92
40℃ 52.05 24.47 56.21 22.28
50℃ 50.90 26.63 54.99 24.00
60℃ 49.63 29.42 53.79 25.92
70℃ 48.53 32.17 52.38 28.05
80℃ 47.65 34.86 50.91 30.20
90℃ 46.90 37.86 49.51 32.95
100℃ 46.37 40.78 47.79 36.86
110℃ 45.97 44.36 46.86 40.72
120℃ 45.57 47.87 46.52 45.64
2450MHz Temp. E' E" E' E"
25℃ 51.27 15.77 55.63 16.06
30℃ 50.19 15.69 54.45 15.74
40℃ 48.98 15.55 53.44 15.45
50℃ 47.84 15.74 52.32 15.38
60℃ 46.51 16.23 51.16 15.52
70℃ 45.30 16.89 49.74 15.82
80℃ 44.25 17.65 48.21 16.24
90℃ 43.29 18.59 46.73 16.92
100℃ 42.50 19.60 44.85 18.06
110℃ 41.78 20.89 43.74 19.35
120℃ 41.03 21.98 43.11 21.15
측정 결과, 단백질 함량이 줄어들고 수분함량이 늘어난 실험군은 유전상수 값이 증가하고, 손실율은 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다(표 4).
실험예 3: 유전율 변화에 의한 가열 패턴의 변화
염도와 단백질 함량의 차이에서 발생하는 유전 상수 및 유전 손실율의 차이가 마이크로웨이브 조사시 제품의 가열 온도에 어떠한 영향을 주는지 확인하기 위해 모델 테스트를 진행하였다. 4 가지의 샘플은 30mm * 30mm * 30mm의 육면체 형태로, 염과 WPC의 농도를 달리하여 설계하였다(표 5). 설계한 샘플에 대해 유전율 이외의 변수를 최소화하기 위해 Single mode 2.45GHz 주파수의 전기장에서 70W 출력으로 회전 없이 1분간 가열하였다.
1. 샘플에 흡수된 에너지 총량
4가지 샘플 모두 동일한 형태와 위치에서 동일한 출력으로 가열을 하였으나 흡수된 에너지 총량에서 차이를 보였다(표 5). 이는 유전율의 차이에 의해 샘플 표면에서 흡수/반사 및 샘플 내부로 투과해 들어가는 전기장의 형태 및 강도가 달라서 발생하는 것으로, 동일한 조건이라도 샘플의 유전율 차이로 최종 흡수 에너지의 차이가 발생함을 알 수 있었다.
Sample Total Power Absorption (J/s)
Salt 0.3% + WPC 18.9% 30.69
Salt 0.3% + WPC 13.9% 31.4
Salt 0.6% + WPC 18.9% 29.4
Salt 1% + WPC 18.9% 27.34
2. 샘플의 중앙부 수직 방향의 온도
도 1의 그래프에 나타난 바와 같이, 좌측이 제품 최하단부(중앙), 우측이 최상단부(중앙)로 가면서의 온도 그래프로 모든 형태가 하단부의 온도가 상대적으로 높은 공통되는 특성이 있으나, 유전율에 따라 20℃ 정도의 차이를 보이는 것을 알 수 있었다.
3. 샘플의 중앙부 수평 방향의 온도
도 2의 그래프는 전자기파 인가부(좌측)에서 공동(cavity) 벽면부(우측)으로 제품 중앙부를 관통하는 온도 분포로, 유전율에 따라 온도 분포가 다른 것을 알 수 있다. 모든 제품이 좌측부터 우측으로 가열이 되는 3부분으로 나뉘며, 염도가 높은 샘플일수록 전자기파 인가부(좌측)의 온도가 높고 우측으로 갈수록 낮아지는 것을 알 수 있었다. 염도가 낮고 단백질이 낮은 경우 일수록 중앙부의 온도 상승이 높은 특성을 나타내며 최대 14℃ 정도의 차이가 발생함을 알 수 있다. 이는 전자기파 인가부에서 인가되는 전자기파가 제품의 좌측면을 투과하면서 손실율이 상대적으로 높은 샘플일수록 투과깊이가 낮고 발열이 강해지는 유전 특성에 기인한 것으로 유추되며, 손실율이 낮을수록 투과 깊이가 깊어지며 잔존하는 에너지를 감쇄 파장 위치에서 발열하는 패턴을 나타내는 특성에 기인하는 것으로 보인다.
4. 가열 시간에 따른 샘플 중심부 온도 변화
도 3의 그래프는 각 샘플을 60초간 가열하면서 샘플 중심부의 온도 상승을 나타낸 것으로, 유전 특성에 따라 중심부 온도의 차이가 매우 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 이전 패턴들과 동일하게 염도와 단백질 함량이 낮을수록 중심부 온도 상승이 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 상기 결과에서 알 수 있듯이, 유전상수의 5% 수준의 변화, 손실율의 5 - 30% 정도의 변화가 제품의 가열 속도 및 최종 온도에 유의미한 차이(15도/분)를 나타냄을 확인할 수 있었다. 일반적인 냉장/냉동 마이크로웨이브 가열 제품의 가열시간이 2 - 10분 정도임을 감안하면 유전율의 차이가 제품의 취식 가능성 및 안전성에 직접적인 영향을 줄 수 있는 수준의 온도 차이를 발생시킴을 확인할 수 있었고, 이를 조정함으로서 동일한 마이크로웨이브에 의한 가열 시간 및 속도 등을 조정할 수 있음을 알 수 있었다.
상기의 실험 결과에서 알 수 있듯이, 전자기파 가열의 경우 전자기파를 조사하는 장치(전자레인지)의 조사 패턴과 제품의 형태 등이 모두 동일한 경우에도 가열체의 특성에 따라 가열 패턴이 완전히 달라지는 것을 알 수 있었다. 또한 전자기파가 주사되어 제품의 표면을 통과하면서 전자기 에너지를 소모하며 가열이 진행되어 침투가 되면 될수록 에너지가 감쇄하여 상승 온도폭이 감소하는 것을 알 수 있었다.
실험예 4: 유전율이 상이한 층을 인위적으로 형성한 경우의 가열 패턴
1. 가열체의 설계
샘플 내부의 부분적이고 불균일한 가열 문제를 해결하기 위해 샘플 내부에 유전율이 상이한 분할 구역을 구성한 후 마이크로웨이브 조사에 의해 가열하여, 샘플 내부까지 균일한 가열이 가능한지 확인하였다.
상기 실험에서 사용한 샘플을 3개의 종형 분할 구역으로 나누고, 각 분할 구역이 서로 다른 유전율을 갖도록 구성한 가열체 1 및 2를 설계하였다. 가열체의 전체 크기는 20mm * 20mm * 20mm로 각 분할 구역의 두께는 동일하였고, 분할 구역에 포함시킨 구성 물질의 함량 비율은 아래의 표 6에 나타내었다.
가열체 1 및 2는 비회전식 전기장 조사 장치로 Single mode 300W의 출력을 가열체 제품 상단부에 40초간 조사하였다.
가열체 1 가열체 2
제1 분할구역 Test 3 (소금 1%) Test 1 (소금 0.3%)
제2 분할구역 Test 3 (소금 1%) Test 3 (소금 1%)
제3 분할구역 Test 3 (소금 1%) Test 1 (소금 0.3%)
2. 가열체 제품의 상단부 및 측면부의 가열 패턴
가열체 1 및 가열체 2의 상단부 가열 패턴을 ThermalLight View로 나타내었다(도 4). 가열체 1 및 가열체 2를 상단 중앙 - 하단 중앙을 지나도록 수직으로 절단하여 ThermalLight View로 나타내었다(도 5). 도 4 및 도 5의 ThermalLight View 에서 확인할 수 있듯이, 분할 구역의 층이 형성된 가열체가 더 깊숙히까지 가열이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
3. 중심부의 수직 및 수평 온도 분포
가열체 1 및 가열체 2의 중심을 통과하는 수직 및 수평부의 온도를 확인하여 그래프로 표시하였다(도 6). 가열체를 수직으로 절단하여 상단(그래프의 좌측)에서 하단(그래프의 우측) 방향으로의 온도 분포이다. 굵은선(별표)가 가열체 2로서 제품의 표면부분에서는 가열체 1과 온도가 거의 같으나 가열체 1은 하단으로 이동할수록 온도가 하강하는 일반적인 형태를 나타내지만, 가열체 2는 내부에서 더욱 온도가 상승하고 제품 하단부에서도 가열체 1에 비해 온도가 높은 것을 알 수 있다. 유전율이 다른 층을 형성함으로써 전체적인 가열 온도를 상승시킬 수 있으며, 중앙부에 높은 온도를 형성시키는 경우, 가열 종료 후에 내부의 온도가 사방으로 균일하게 전도되고 가열체 외부로의 손실이 적어 더욱 균일하고 높은 가열 효과를 기대할 수 있다.
가열체 1 및 가열체 2를 수평방향으로 절단하여 좌측에서 우측 방향으로의 온도 분포를 표시하였다(도 7). 굵은선(별표)이 가열체 2를 나타내며, 가열체 1에 비해 전반적으로 온도 상승폭이 크고, 내부의 온도가 상승하는 것을 알 수 있다. 도 7에 나타낸 실험 결과에서 확인할 수 있듯이, 동일한 전자기가열 장치에서 같은 형태를 가진 제품이라도 유전율이 다른 층을 형성함으로써 완전히 다른 가열 패턴을 나타낼 수 있으며, 동일한 가열 시간에 더욱 균일하고 높은 온도를 기대할 수 있다.
실험예 5: 유전율이 상이한 분할 구역을 내부에 포함한 다분할 구조의 가열 패턴의 분석
식품의 조성을 일정 범위 안에서 조정한 동일 혹은 유사 식품 조성물의 조합을 통해 다분할 구조를 생성하는 방법 중 특정 조성물의 내부에 다른 조성물을 감싸는 형태로 포함시키는 방법이 있을 수 있다. 이러한 구조를 통해 제품의 두께나크기가 두껍거나 커서 전자기파에 의한 가열 및 내부 열전도로 충분히 균일하게 가열되지 못하는 식품의 경우 가열 균일성을 개선시킬 수 있다.
실험예 5에서는 냉동밥, 냉동볶음밥, 냉동비빔밥와 같은 제품 내부에 조성을 조정한 다른 조성물을 삽입하거나 외부 조성물의 조성을 변경하는 방식으로 둘 이상의 분할 구역을 갖는 구조를 형성시키는 경우의 가열 패턴의 변화 또는 개선 여부를 분석하였다.
실험에 사용된 조성물은 먼저 쌀과 물을 정해진 비율로 조합하여 제조한 시판되는 즉석밥인 조성물 2와, 상기 조성물 2에 정제염을 1% 혼합하여 제조한 즉석밥인 조성물 1의 2가지 조성물을 제조하였다. 상기 조성물 2 및 조성물 1을 제품의 내부 및 외부에 조합하여 4가지 종류의 제품을 설계하였다. 조성물 2의 경우는 마이크로웨이브 가열 조리 후 취식을 하는 즉석밥, 조성물 1의 경우는 볶음밥이나 비빔밥 등 조미가 되어있는 제품과 유사한 조성을 가진 제품일 수 있다.
상기와 같이 제조한 각 조성물의 조성비와 각 제품들에서 조성물의 조합은 다음 표 7 및 표 8에 정리하였다.
재료 조성물 1 조성물 2
즉석밥 99% 100%
정제염 1% 0%
구성 구성 1 구성 2 구성 3 구성 4
조성물 분포 분할 1 (내부) 조성물 2 조성물 1 조성물 2 조성물 1
분할 2 (외부) 조성물 2 조성물 1 조성물 1 조성물 2
상기 조성물 1 및 조성물 2에 대해 2.45 GHz에서의 유전율을 측정한 결과는 아래 표 9에 나타내었다.
측정온도(℃) 조성물 2 조성물 1
e' e'' e' e''
-13 6.42 2.62 5.47 2.14
-12 6.61 2.78 5.84 2.38
-11 6.69 2.85 6.13 2.59
-10 6.86 2.97 6.52 2.85
-5 8.95 4.53 15.49 8.26
0 18.19 9.89 43.17 19.57
5 40.52 18.75 43.67 19.02
10 47.21 19.35 44.08 18.62
15 49.01 18.32 44.51 18.41
20 50.06 17.16 44.89 18.19
25 50.79 15.92 45.30 18.00
30 51.27 14.73 45.62 17.87
35 51.52 13.68 45.90 17.83
40 51.58 12.80 46.09 17.90
45 51.52 12.00 46.42 18.11
50 51.35 11.26 46.80 18.42
55 51.09 10.62 47.00 18.67
60 50.76 10.00 46.89 18.74
65 50.43 9.48 45.68 18.52
70 50.09 9.03 47.27 19.45
75 49.64 5.58 47.00 19.90
80 49.04 8.17 46.59 20.35
85 48.41 7.77 46.23 20.91
90 47.75 7.43 45.84 21.52
95 47.06 7.12 45.51 22.20
100 46.41 6.85 45.38 23.23
상기 조성물이 조합된 최종 제품의 설계는 유통되는 즉석밥과 유사한 형태이며, 해당 용기와 같은 형태의 조성물 중 1 가지의 중심부에 지름 4cm, 높이 1cm의 납작한 원기둥 형태의 조성물을 투입하는 형태로 분할 구역을 갖는 구조를 설계하였다.
제조한 구성 1 내지 구성 4의 제품은 -15.5℃ 온도로 동결한 후에, 국내에서 시판 중인 일반 소비자용 700W 전자레인지에 설치된 약 5RPM 속도로 회전하는 턴테이블 구조물의 중앙에 위치시키고 700W 출력을 5분간 조사하는 것으로 설계하였다. 조사 후 각 구성품의 최중심부, 중심에서 외측으로 2cm 이동한 위치 및 4cm 이동한 위치 등 3곳에서 제품의 온도를 확인하였다. 각 구성 1 내지 구성 4 제품의 포인트별 온도, 평균 및 편차 등은 다음의 표 10에 나타내었다.
구성 구성 1 구성 2 구성 3 구성 4
조성물 분포 분할 1(내부) 조성물 2 조성물 1 조성물 2 조성물 1
분할 2(외부) 조성물 2 조성물 1 조성물 1 조성물 2
조사 후 온도 중심 50.6 52.2 48.2 54.8
Point 1 39.5 36.3 34.8 40.8
Point 2 84.9 80.7 81 84.7
평균 58.3 56.4 54.7 60.1
표준편차 23.7 22.5 23.8 22.4
C.V. 0.406 0.399 0.435 0.373
표 10에 나타난 결과에서 확인할 수 있듯이, 구성 4의 제품이 평균온도, 중심온도, Point 1 온도가 가장 높고, Point 2 온도는 구성 1이 제품과 거의 비슷하게 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 온도의 표준편차도 가장 낮으며, 균일성을 확인할 수 있는 변동계수(coefficient of variation, C.V. 표준편차를 평균으로 나눈 값, 평균이 다른 분포에서의 균일성 확인, 숫자가 작을수록 균일함)가 가장 낮은 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이, 조성물의 염(salt) 조성을 소폭 조정한 동일 또는 유사한 식품의 조성물을 조합하는 구성을 통해 마이크로웨이브 가열 균일성의 개선 및 가열 속도의 개선 효과를 확인할 수 있었다.
실험예 6: 유전율이 상이한 층을 가진 제품의 제조
식품의 물성 특징, 가공 방법 및 제조 공정의 흐름 등에 따라 유전율이 상이한 물리적 층을 만들기 용이한 경우와 어려운 경우가 존재할 수 있다.
1. 유전율이 상이한 제품 부분을 제조한 후 적층 구조를 쉽게 형성할 수 있는 경우
밥 혹은 가열처리한 곡류기반 식품, 면류, 파스타류, 점도가 높은 커리제품 등 정형화된 형태 없이 용기에 담아 포장할 수 있는 식품의 경우는 다음의 제조 방법으로 적층 구조 형성이 가능하다.
(a) 유전율이 상이한 배합 2종류 이상으로 반제품을 제조한다.
(b) 용기 혹은 표층 구성품에 1번 층을 적재한다 (노즐형/버켓형 Auto-Scaler 설비 등 사용)
(c) 1번 층 위에 유전율이 상이한 2번을 적재한다.
(d) 2번 층 위에 유전율이 상이한 3번 층을 적재한다.
(e) 상기 과정을 필요한 층의 수만큼 진행하고 포장 및 표층처리 후 추가공정(동결/살균 등)을 진행한다.
만두, 브리또 등 제품 구성 부분 중 입자와 액상 등이 섞인 비정형화 부가 있는 식품류는 다음의 제조 방법으로 적층 구조 형성이 가능하다.
(a) 만두/브리또 충진물을 유전율이 상이한 2가지 이상의 배합으로 제조한다.
(b) 2중충진 노즐 등으로 2가지 이상의 배합을 사출하여 적층 구조를 형성한다.
(c) 만두/브리또 등의 외피에 충진물을 충진하여 표피 처리 후 추가 공정을 진행한다.
2. 유전율이 상이한 제품부분 제조 후 적층 구조를 형성하기 어려운 경우
육/수산단백, 빵/떡/과자 등 규격화된 형태가 있거나 저점도 페이스트 형태, 가공 중 액상이 고형으로 응고/동결되는 등 구조 형성 시 혼합되어 섞일 수 있는 형태의 제품류는 다음의 제조 방법으로 적층 구조 형성이 가능하다.
(a) 유전율이 상이한 2개 이상의 배합을 제조한다.
(b) 배합물, Dough 등이 점도가 충분한 경우, 2층 충진/적층사출노즐을 사용하여 유전율이 상이한 배합물을 사출하여 적층 구조를 형성한다. 점도가 충분하지 않은 경우 1번 배합물을 용기 등에 1번 층을 충진 후 동결/응고를 진행 후 2번 층을 충진, 동결/응고하는 과정을 반복하여 제품 적층 구조를 형성한다.
(c) 적층구조 완성 후 포장, 외피처리를 한 후 추가 공정 (살균/열처리/동결 등)을 진행한다.
3. 인위적으로 물리적인 적층 구조를 형성하기 어려운 경우
파쇄 없이 원형 형태를 유지해야 하는 식품류는 다음의 제조 방법으로 적층 구조 형성이 가능하다.
(a) 밀피유 식의 얇은 층으로 적층 구조 형성이 가능한 제품의 경우, 유전율이 상이하도록 침지 처리된 2가지 이상의 층을 적층하는 방식으로 유전율이 상이한 층을 제조할 수 있다.
(b) 두꺼운 육류 등 적층 구조 형성이 불가능한 경우는 유전율을 상이하게 조정할 수 있는 2가지 이상의 침지/주입액을 제조하여 제품 심층에 주입하고 표층에 침지하는 방식으로 유전율이 상이한 층을 제조할 수 있다.
실험예 7: 균일한 가열이 가능한 식품의 다분할 구조 설계
1. 종래 제품의 가열 불균일 해결을 위한 다분할 구조 설계
(1) 가열 불균일 문제의 확인
소비자 클레임, 양산 편차 검증 등 조리 테스트 시 발견되는 가열 불균일 문제를 인지한다.
(2) 실험적 검증
실제 문제가 재현성 있게 발생하는지에 대한 실험적 검증을 행한다. 예를 들어, 주요 가열 스팟(spot)의 온도 분석, 가열 후 수율의 변화, 표면 수분량의 변화 등 조리 알고리즘 설정 시 참조가 되는 참조 데이터(reference data)를 통해 문제 발생 여부를 검증한다
(3) 특성값의 측정
제품에 대한 가열 불균일 문제 개선이 필요하다고 판단한 경우, 해당 제품에 대한 특성값(유전율, 비열, 열전도도, 밀도/공극율 등)을 측정한다. 초기 제품 설계 시 측정된 특성값이 존재하는 경우, 현재 측정된 특성값과 비교하여 가열 패턴의 변화를 야기한 변경 특성값을 확인한다. 해당 특성값의 변화가 발생하게 된 제조 공정, 원료 등의 변경에 대한 이력을 확인한다.
(4) 분석적 검증
측정한 특성값 및 가열 기기의 전자기, 복사, 대류 가열 특성 데이터를 활용하여 특성값 변화가 야기한 가열 불균일 특성을 평가한다. 특성값 변화에 따라 주요 가열 스팟(spot)의 이동 양상 및 변화 양상을 분석한다.
(5) 다분할 구획의 설정 및 특성값의 조절
변화된 주요 가열 스팟의 배치 패턴, 강도 변화를 유도하기 위해 특성값 조절 범위를 설정한다. 전자기 가열의 경우 표층부 가열 스팟의 강도가 해당 스팟의 비열 또는 열전도도 수용 범위를 벗어나는 경우, 유전율의 손실 계수(loss factor)를 감소시키는 방향으로 특성값 조정값을 설정한다. 내부 특정 스팟의 강도가 평균치 대비 낮은 경우, 해당 스팟의 손실계수(loss factor)를 증가시키는 반향으로 특성값의 조정값을 설정한다.
또한, 주요 가열 스팟의 발생 개수 및 위치를 참조하여 분할 개수를 설정한다.
해당 분할 개수 및 분포가 제품의 제조 공정에서 수용할 수 있는 수준인지 판단하여 분할 구역의 통합 또는 분리를 적정한 수준에서 진행한다. 예를 들어, 특성값 조정 배합이 최대 3개를 넘지 않고, 적층 성형 공정의 경우는 상/하 분할 위주로 3 분할 구역이 넘지 않게하며, 다중/포항 사출의 경우 기기 성형 한계를 넘지 않는 범위 내에서 분할 구역을 설정한다.
얻어진 분할 설계를 이전에 수행한 분석적 검증 방법을 통해 가열 패턴을 예측하고 실용적으로 활용 가능한 검증 실험군을 결정한다.
(6) 검증용 샘플의 구성 및 검증
상기한 설계에 의해 샘플을 구성하고, 다 분할 구역 구조가 설계에 맞게 구현되었는지 형태 및 분포 검증을 진행한다. 구성된 검증용 샘플을 타겟 조리 기기로 가열 분석을 진행한다.
2. 신제품 개발시의 가열 불균일 해결을 위한 다분할 구조 설계
(1) 식품의 컨셉 및 형태의 확인
식품은 해당 카테고리 제품이 일반적으로 가져야 할 형태 컨셉이 존재하므로, 해당 컨셉의 가이드라인을 준수하면서 변화시킬 수 있는 형태 관련 변수들의 리스트와 범위를 한정한다.
(2) 특성값의 측정
해당 제품의 원료 및 배합비가 일정 이상으로 정해진 경우 해당 proto 배합물의 물성값, 예를 들어, 유전율, 비열, 열전도도, 밀도/공극율 등을 측정한다.
(3) 분석적 검증
상기 분석 수행, 기분석 데이터(data) 활용을 통해 얻은 특성값과 보유하고 있는 타겟 조리 기기의 가열 특성(전기장, 복사, 대류 등)을 조합하여 가열 균일성을 평가한다.
(4) 조정 가능한 형태 변수의 조정
상기 분석을 통해 얻어진 편차 예상을 줄이기 위해 상기 항목 (1)에서 얻은 조정 가능한 형태 변수를 조정하여 편차 개선이 가능한지 추가 분석을 진행한다.
(5) 다분할 구조의 설정 및 특성값 조정값의 설정
상기 조정으로 가열 불균일 문제가 충분히 개선되지 않을 것으로 예상되는 경우 다분할 구조 설계를 진행한다. 설계 방법은 상기 "1. 종래 제품의 가열 불균일 해결을 위한 다분할 구조 설계"의 (5) 항목 "다분할 구획의 설정 및 특성값의 조절"에서 설명된 방법과 동일한 방법을 통해 진행한다.
(6) 검증용 샘플 구성 및 검증
상기 설계된 다분할 구조를 상기 "1. 종래 제품의 가열 불균일 해결을 위한 다분할 구조 설계"의 (6) 항목에서와 같은 방법으로 검증한다.
3. 다양한 가전 기기에서 가열 균일성이 필요한 경우의 다분할 구조 설계
(1) 타겟 조리 기기의 리스트 확인
해당 제품의 조리를 지원해야 할 타겟 조리 기기의 리스트를 확인한다. 해당 리스트의 기기에 대한 기존 확보 데이터가 존재하는 경우 해당 기기 데이터를 참조한다. 해당 기기에 대해 보유 데이터가 존재하지 않는 경우, 기기 추가 프로세스를 통해 기기를 추가 등록하거나 지원 리스트에서 삭제한다.
(2) 특성값의 측정
해당 제품의 특성값을 측정한다. 기존 측정 데이터가 존재하는 경우, 해당 측정 시점 이후로 제품 변경이 있었는지 제품 정보 DB를 통해 확인하고 변경이 없는 경우 해당 데이터를 사용한다. 기존 측정 시점 이후로 제품 변경이 있는 경우, 해당 데이터를 out-date로 표시하고 신규 측정을 진행한다.
(3) 타겟 조리 기기의 분석적 검증
해당 기기들의 주요 가열 스팟을 확인하고 공통되는 가열 스팟을 특정한다. 공통 가열 영역의 전달 가능 열량의 기기별 편차를 확인하여 유사한 열량이 전달되는 조리 시간을 예측한다. 예측된 조리 시간 동안 가열 시, 비가열 영역에 전도를 통해 전달 가능한 열량을 확인하고, 해당 스팟의 비열과 열전도도가 가열 균일성 확보에 가능한 수준인지 예측한다. 상기 과정을 통해 유사 가열 패턴이 확보되는 기기 리스트를 추출하여 '지원 가능 기기 리스트'를 최종 확정한다.
(4) 공통 가열 스팟 확인 및 편차 예상치 설정
상기 항목 (3))의 과정에서 확인된 전달 가능 열량을 기반으로 제품의 가열 시 해당 스팟의 가열 기대 온도를 예측한다. 기기 별 온도 편차를 보정할 수 있는 추가 조리 시간 설정을 진행, 예측, 결정한다.
(5) 다분할 구조의 설정 및 특성값 조정값의 설정
상기 분석이 완료된 상태로 다분할 구조 설정이 필요한지 결정한다. 가열 균일성 확보를 위해 다분할 구조 설정이 필요하다고 판단되면, 상기 "1. 종래 제품의 가열 불균일 해결을 위한 다분할 구조 설계"의 (5) 항목 "다분할 구획의 설정 및 특성값의 조절"에서 설명된 방법과 동일한 방법을 통해 진행한다.
(6) 검증용 샘플 구성 및 검증
상기 설계된 다분할 구조를 상기 "1. 종래 제품의 가열 불균일 해결을 위한 다분할 구조 설계"의 (6) 항목에서와 같은 방법으로 검증한다.
상기에서는 본 출원의 대표적인 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 출원의 범위는 상기와 같은 특정 실시예만 한정되지 아니하며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

Claims (18)

  1. 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역을 포함하는 단일 카테고리의 식품으로서,
    상기 단일 카테고리의 식품은 분할 구역 포함 전 동일한 방법으로 제조된 식품이고,
    상기 둘 이상의 분할 구역은 서로 다른 유전율을 갖도록 단일 카테고리의 식품 내에 인위적으로 형성시킨 것이고,
    상기 단일 카테고리의 식품은 마이크로웨이브 조사에 의해 균일하게 가열되는, 식품.
  2. 청구항 1에 있어서,
    서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역은 서로 다른 유전 상수(dielectric constant) 또는 유전 손실율(dielectric loss factor)을 갖는 것인, 식품.
  3. 청구항 1에 있어서,
    서로 다른 유전율을 갖는 분할 구역 중 유전 상수 또는 유전 손실율이 가장 높은 분할 구역과 가장 낮은 분할 구역에서의 특성값 차이가 유전상수 또는 유전손실율이 가장 높은 분할 구역에서의 특성값의 95% 이하인 것인, 식품으로서,
    상기 특성값은 유전율, 비열, 열전도도, 밀도 및 공극율로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 것인, 식품.
  4. 청구항 1에 있어서,
    서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역은 유전율에 영향을 미치는 성분 또는 이의 함량이 서로 다른 것인, 식품.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 유전율에 영향을 미치는 성분은 물, 염(salt), 단백질, 탄수화물, 및 지방으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것인, 식품.
  6. 청구항 1에 있어서,
    서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역 중 하나의 분할 구역과 다른 하나의 분할 구역이 인접하여 형성된 층상의 형태를 포함하는 것인, 식품.
  7. 청구항 1에 있어서,
    서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역 중 하나의 분할 구역이 다른 하나의 분할 구역내에 산재되어 있는 것인, 식품.
  8. 청구항 1에 있어서,
    서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역 중 하나의 분할 구역이 다른 하나의 분할 구역을 감싸고 있는 코어-쉘 형태인, 식품.
  9. (a) 단일 카테고리 식품을 둘 이상의 부분으로 나누는 단계로서, 상기 단일 카테고리의 식품은 식품 내에서 동일 성분 배합을 통하여 동일한 방법으로 제조되는 식품인 것인 단계;
    (b) 상기 나누어진 둘 이상의 부분이 서로 다른 유전율을 갖도록 상기 둘 이상의 부분에서 유전율에 영향을 미치는 성분 또는 이의 함량을 서로 다르게 하는 단계; 및
    (c) 상기 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 부분을 사용하여 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역을 포함하는 단일 카테고리의 식품을 제조하는 단계;를 포함하는 마이크로웨이브 조사에 의해 균일하게 가열되는 식품의 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계 (b)에서, 유전율에 영향을 미치는 성분은 물, 염(salt), 단백질, 탄수화물, 및 지방으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것인, 식품의 제조 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계 (c)에서, 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역 중 하나의 분할 구역과 다른 하나의 분할 구역이 서로 인접하여 형성된 층상의 형태를 포함하도록 분할 구역을 형성하는 것인, 식품의 제조 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계 (c)에서, 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역 중 하나의 분할 구역이 다른 하나의 분할 구역내에 산재되도록 분할 구역을 형성하는 것인, 식품의 제조 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계 (c)에서, 서로 다른 유전율을 갖는 둘 이상의 분할 구역 중 하나의 분할 구역이 다른 하나의 분할 구역을 감싸고 있는 코어-쉘 형태를 갖도록 분할 구역을 형성하는 것인, 식품의 제조 방법.
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