식품, 식품영양학, 식품 공무원, 농학과 농축산식품이용학 4. 농축산식품 가공공학

 

제4장 농축산식품 가공공학

 

◈ 학습목표

1. 힘, 일, 압력, 열 등의 유도단위의 개념

2. 가공공정에 투입되는 원료의 량과 생산되는 생산물의 량을 계산

3. 가열에 필요한 에너지 량을 계산

4. 저장 방법과 각 방법의 원리

5. 미생물 가열사멸 방법과 각 방법의 특징

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◈ 강의 흐름도

식품원료 이용 및 가공의 개념도 제시

↓

가공공학 기초개념(단위, 물질수지, 저장, 유체 수송, 열전달, 건조)

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건조 방법

↓

저장 방법

↓

미생물 사멸 방법

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◈ 주요 용어

레이놀드 수 : 양태를 유체의 특성과 pipe의 크기에 근거하여 유체 흐름의 양태를 판단 할 수 있는 지표

전도 : 열이 입자를 매개로하여 차례대로 전달되는 현상

대류 : 입자를 가열하면 밀도가 낮아지는 것에 기인하는 물질의 이동에 의해 열이 전달 되는 현상

복사 : 열이 열파의 형태로 앞으로 나아가면서 열이 전달되는 현상

추숙 : 과일이 수확된 후에도 세포에서 호기대사가 진행되는 현상

보존제 : 미생물의 번식을 저해 할 목적으로 사용하는 식품 첨가제

항산화제 : 산화반응을 억제하는 물질로서, 일반적으로 자유라디칼에 수소를 공급하여 자 동산화를 차단함

기체조절저장 : 채소 혹은 과일의 포장내 기체 성분 농도를 조절 함으로서 대사반응을 중 지시키어 신선도를 유지하는 저장방법

발효 : 혐기 에너지 생산 대사를 일컬으나, 미생물을 이용하여 필요한 물질을 생산하는것 을 통칭하는 개념으로 사용한다.

허들기술 : 미생물번식조건을 두가지 이상 사용하여 극단적인 처리를 하지 않고서도 미생 물의 번식을 제어하는 방법

캐비넷 건조기 : 건조기 내부에서 피건조물이 정치되어 있는 상태로 건조하는 건조기

터널 건조기 : 피 건조물이 건조기 내부를 통과하면서 건조되는 건조기

드럼 건조기 : 피건조물이 가열된 드럼의 표면에 피복되어 건조되는 건조기

분무 건조기 : 건조기 내부에서 피 건조물을 분무하여 건조시키는 건조기

급속냉동 : 매우 빠른 속도로 냉동하여 얼음결정이 크게 형성되지 않도록 하는 것

멸균 : 가열에 의해 미생물을 모두 사멸하는것

살균 : 냉장온도의 유통과정 후에도 위생적 품질이 유지될 수 있는 정도로 미생물을 부분 사멸 하는 것

상업적 멸균 : 상온에서 번식하는 미생물이 모두 사멸될 정도로 가열함으로서 무균 포장을 하면 상온에서 수개월간 저장 할 수 있도록 하는것

 

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화면 1

식품 가공 과정

 

 

1. 원료의 직접 이용

원료를 날것으로 먹거나 가정에서 간단한 조리 과정을 거쳐 먹는다.

 

2. 원료의 가공 이용

가공 목적 : 저장성, 위생적 품질, 가치 창출

가공 과정 : 수송, 성분 분리, 혼합, 가열, 냉각, 농축, 건조 등의 과정을 거친다.

 

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단 위

기본단위

무게, 길이, 시간, 온도

유도단위

힘 : 일정한 질량이 일정한 가속도로 가해지는 것

1N = 1kg․m/sec2

일 : 일정한 힘이 특정한 거리만큼 작용하는 것

1J = 1N․m = 1(kg․m/sec2)․m = 1kg․m2/sec2

열 : 물체의 온도를 높일 수 있는 것

1J = 0.239cal

압력 : 일정한 힘이 특정한 면적의 장소에 가해지는 것

1Pa = 1N/m2

 

설명

1. 유도단위

유도단위는 기본 단위로 표현 되는 현상들이 복합되어 나타나는 양태를 표현하는 단위이다.

2. J(joule)

J 은 일과 열에서 공통으로 사용되는 단위이다. 이는 일과 열은 상호 전환 될 수 있는 현상이기 때문이다.

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화면 3

물질 수지

가공공정 물질수지

 

입량 = 출량 + 축량

예 : 고형분 12%인 우유 1000kg을 고형분 20%로 농축하고자 한다. 농축우유의 1%가 농축기에 남아있다고 하면 생산되는 농축유의 량과 제거되는 수분량은 얼마인가 ?

해설 - 농축유 총량을 x, 제거되는 수분량을 y 라 하면

고형분 물질수지

1000kg×0.12 = x×0.20 + y×0

x + y = 1000kg

x = 600kg

y = 1000kg - 600kg - 4000kg

농축유 생산량

600kg - 600kg×0.01 = 594kg

제거되는 수분량

1000kg-600kg = 400kg

 

설명

가공 기계에 투입한 총 무게는 가공후 생산된 생산물과 기계에 남아있는 잔량의 무게의 합과 동일하다.

 

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* 유체수송, 물질수지

v1ρ1A1 = v2ρ2A2

예 : 직경이 8cm인 파이프에 우유가 4m/sec 로 흐르고 있다. 파이프의 직경이 4cm로 바뀌면 유속은 얼마로 변화 하겠는가 ?

해설 - 변화한 유속을 x라 하면

4m/sec×우유 밀도×(4cm)2×π = x×우유의 밀도×(2cm)2×π

x = 4m/sec×(4cm)2/(2cm)2

= 4m/sec×16cm2/4cm2

= 16m/sec

 

설명

유체가 수송되는 pipe의 입구 단면과 출구 단면을 통과하는 유체의 질량속도(속도×밀도×단면적)는 동일하다.

 

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* 물질수지와  에너지 수지

Q = WCp∆t + Wλ

Q : 투입 혹은 제거해야 하는 에너지 총량(J, kcal)

Q1 : 동일한 상에서 투입 혹은 제거해야 하는 열 에너지(J, kcal)

Q2 : 상이 변화할 때 투입 혹은 제거해야 하는 열에너지(J, kcal)

W : 식품의 량(kg)

Cp : 식품의 비열(J/℃, kcal/kg·℃)

∆t : 온도 차이(℃)

λ : 증발 숨은열, 융해 숨은열(J/kg, kcal/kg)

 

예 : 비열이 1.02kcal/kg·℃인 우유 2,000kg을 건조하는데 필요한 열에너지를 구하시오. 이 우유의 온도는 10℃이며 우유의 비점은 100.55℃ 이고 고형분 함량은 12%이다. 물의 증발 숨은열은 539kcal/kg이다. 기계설비의 열에너지 효율은 20%이다.

해설 - 우유를 건조하기 위해서는 비점까지 가열해야 하며, 비점에 도달한 후에는 고형 분을 제외한 수분만을 증발시켜야 한다.

① 우유 2,000kg을 10℃에서 비점인 100.55℃ 까지 가열하는데 필요한 열에너지

WCp∆t = 2,000kg×1.02kcal/kg·℃×(100.55℃-10℃)

= 184,722kcal

② 100.55℃의 우유 중 수분을 증발시키는데 필요한 열에너지

우유 중의 수분함량 = 2,000kg×(1-0.12) = 1760kg

Wλ = 1760kg×539kcal/kg

= 948,640kcal

③ 투입해야 하는 총 열에너지(Q)

Q = (WCp∆t +Wλ)×(1/기계설비 에너지 효율)

= (184,722kcal +948,640kcal)×(1/0.2)

= 5,666,810 kcal

 

설명

물질을 온도변화에 의해 온도 및 상(相)을 변화시키기 위해 필요한 에너지는 온도 변화에 필요한 에너지(비열×무게×온도차이)와 상을 변화시키는데 필요한 에너지(무게×숨은열)의 합이다.

 

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* 유체의 저장

P = Po + zρg

P : 탱크가 받는 압력(Pa)

Po : 유체 표면의 압력 즉 대기압(1.013×105Pa)

z : 유체의 저장 높이(m)

ρ : 유체의 밀도( kg/m3)

g : 중력가속도(9.806m/sec2)

 

설명

탱크 바닥이 받는 압력(P)은 대기의 압력()과 유체에 의한 압력(유체높이×밀도×중력가속도)의 합계이다.

 

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* 유체의 수송

W = ∆Zg + ∆v2/2 + ∆P/ρ + ΣF

W : 일 에너지(J/kg, m2/sec2)

∆Zg : 위치에너지(위치두, potential head, J/kg, m2/sec2)

∆Z : 높이 변화량(m)

g : 중력 가속도(9.806m/sec2)

∆v2/2 : 속도 에너지(속도두, velocity head, J/kg, m2/sec2)

∆v : 속도의 변화량(m/sec)

∆P/ρ : 압력 에너지(압력두, pressure head, J/kg, m2/sec2)

∆P : 압력 변화량(kg/sec2·m)

ρ : 유체 밀도(kg/m3)

ΣF : 마찰의 합계(J/kg, m2/sec2)

 

설명

유체를 다른 장소로 이동 하고자 할 때 필요한 일 에너지는 유체의 위치가 높아지는데 필요한 에너지(위치에너지, ∆Zg), 속도증가에 필요한 에너지(∆v2/2, 속도 에너지), 대기압이 달라지는것을 극복 할 수 있는 에너지(∆P/ρ, 압력 에너지), 마찰을 극복하기 위한 에너지(ΣF, 마찰의 합계)가 필요하다.

 

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* 유체의 흐름 모양

Reynold Number(NRe)

NRe = Dρv/μ

NRe : Reynold 수

D : 파이프 직경(m)

ρ : 유체 밀도(kg/m3)

v : 유체의 속도(m/sec)

μ : 유체의 점도(kg/m·sec, N·sec/m2, Pa·sec)

흐름의 모양

층류 : NRe < 2100

난류 : NRe > 4000

중간류 : 2100< NRe < 4000

 

설명

유체를 수송 할 때에는 유체와 pipe간에 마찰이 적도록 해야 동력의 소모가 적다. 유체가 층류일때 마찰이 적으므로 유체의 밀도, 점도를 고려하여 속도와 pipe의 직경을 적절히 하여 층류의 상태로 수송되도록 해야 한다.

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화면 9

 

1. 식품의 열처리

① 위생적 품질의 확보

② 발효, 효소처리를 위한 적정 온도 유지

 

2. 열전달 종류

1) 전도

(1) 열전달 형태

열이 매질의 입자를 통하여 전달 된다. 벽, 창문을 통한 열이 전달되는 경우이다.

(2) 열전달 속도

① 매질이 한 종류인 경우

q = kAΔt/Δx

q : 열 전달속도(J/sec, W)

A : 열이 전달되는 면적(m2)

k : 매질의 열 전도도(thermal conductivity, W/m․℃)

Δt : 열이 전달되는 매질간의 온도차이(℃)

Δx : 매질의 두께(m)

② 매질이 두 종류 이상인 경우

q = UAΔt

q : 열 전달속도(J/sec, W)

A : 열이 전달되는 면적(m2)

Δt : 열이 전달되는 매질간의 온도차이(℃)

U : 총괄 열전달 계수(overall heat transfer coefficient, )W/m2․℃

(3) 열전달 조절 방법

열전도 효과를 높이기 위해서는 열전도도(k)가 높은 매질(금속)을 사용하고, 열전도 효과를 낮추기 위해서는 열전도도가 낮은 매질(styrofoam, 나무)을 사용.

 

2) 대류

(1) 열전달 형태

유체 혹은 공기가 가열 될 때 밀도가 낮아짐으로 해서 상층으로 이동하는 현상에 의해 열이 전달된다. 재킷 형 가열기에서 열이 전달되는 현상이다.

(2) 열전달 속도

q = hAΔt

q : 열 전달속도(J/sec, W)

A : 열이 전달되는 면적(m2)

h : 경막 열전달 계수(kcal/m2․sec․ ℃, W/m․℃). 가열 매체와 피가열 매체 접촉면의 층 에 움직이지 않는 부위의 열전달 계수

Δt : 온도차이(t1-t2)

(3) 열전달 조절

교반에 의해 피 가열액체의 대류 속도를 증가하면 경막열전달 계수(h)가 증가한다.

 

3) 복사

(1) 열전달 형태

복사체(가열체)로 부터 방출되는 열파가 피복사체(피가열체)로 전달, 흡수되어 가열되는 현상이다. 오븐에서 가열되는 경우이다.

(2) 열전달 속도

qo = εσ(Te4 - To4) Ao ------------(식 4-13)

qo : 피복사체가 열을 받는 속도(J/sec, W)

ε : 피 복사체 방출계수(emissivity coefficient, 단위 없음).열파를 받았을 때 열파를 반 사 시키는 량의 정도를 나타내는 것으로서 0-1의 값을 가진다. 완전 흑체의 방출계수 를 1 로 하여 완전 흑체의 반사정도에 대한 상대적인 값으로 표현한다.

σ : 스테판 볼츠만 상수(Stefan-Boltzman constant, 5.6704×10-8 W/m2K4)

To : 복사체 절대온도(K)

Te : 피 복사체 절대온도(K)

Ao : 피복사체 표면적

(3) 열전달 조절

복사체의 온도를 높히고 피복사체의 표면적을 증가하면 열전달 속도가 증가한가.

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화면 10

 

1. 건조현상

식품 표면의 수분이 가열 된 후 증발하여 수분이 제거된다.

2. 건조속도

q = hA(ta-tf)

q : 열 전달속도(J/sec, W)

h : 경막 열전달 계수(kcal/m2․sec․ ℃, W/m․℃)

A : 열이 전달되는 면적(m2)

ta : 공기 온도

tf : 식품 온도

3. 건조의 조절

공기의 흐름을 증대 함으로서 경막열전달 계수(h)를 증가시킬 수 있다.

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화면 11

 

 

설명

1. 캐비닛 건조기

열풍이 순환 하는 건조기에서 건조. 소량건조에 유용하다.

2. 터널 건조기

열풍이 순환하는 건조기를 통과하면서 건조

3. 드럼건조기

가열된 드럼 표면에 피복하여 건조. 점도가 높은 식품의 건조에 유용하다.

4. 분무건조기

열풍이 아래에서 위로 부는 수직형 드럼 내부에 피건조물이 분사 되면서 건조된다. 건조기 내부를 감압 상태로 유지되면 수분의 비점이 하강하여 낮은 온도에서 건조 할 수 있으므로 성분변화를 방지할 수 있다.

5. 냉동건조기

피건조물을 냉동시킨 후 감압 상태 수분을 승화 시키어 건조한다. 냉동상태의 낮은 온도에서 건조되기 때문에 성분의 변화를 최소화 할 수 있다. 건조비용이 크기 때문에 고가 식품 건조에 사용한다.

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화면 12

저 장

 

설명

1. 변패 요인

① 요인

미생물의 조절되지 않은 번식

식품 원료의 불필요한 효소반응(대사반응)

산소에 의한 산화반응

② 변패 방지 방법

미생물 사멸 및 번식 억제

효소반응 억제

산화반응 억제

2. 저장방법

① 건조, 농축

수분 함량을 감소함으로서 수분활성도를 저하하여 미생물의 번식을 억제한다.

건조 제품은 공기 중의 산소와의 접촉이 용이하기 때문에 산화가 잘 될 수 있다.

② 절임

소금절임, 설탕절임: 수분활성도를 저하하여 미생물의 번식을 억제한다.

산절임 : pH를 낮추어 미생물 번식 및 효소반응을 억제한다.

③ 저온저장

온도를 낮추어 미생물번식, 효소반응, 산화반응을 억제한다.

냉장저장 : 5-10℃

냉동저장 : -20℃ 이하

④ 보존제 첨가 :

sorbate, dihydroacetic acid, benzoic acid : 세균

propionate : 곰팡이

Na-nitrite : Clostridium

Butylated hydroxyanisole(BHA), butylated hydroxytoluene(BHT) : 산화반응

⑤ 기체조절 저장

대사반응을 일시 중단하여 신선도 유지

CA 저장 : 탄산가스(2-10%), 산소(1-5%), 질소(90% 이상).

탄산가스와 산소농도를 동시에 조절.

온도(냉장온도), 습도(85-90%) 조절

MA 저장 : 투과성이 적절한 포장재(폴리에틸렌, 염화비닐, 아세틸셀루로오즈) 포장

⑥ 발효

발효미생물과 부패미생물의 영양소 경쟁

산 생성에 의한 부패미생물 번식 및 효소반응 억제

⑦ 허들기술

미생물 번식 억제 조건을 두가지 이상 사용하여 극단적인 방법을 회피 함으로서 성분 변화 방지 및 비용 절감

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화면 13

미생물 사멸

 

설명

1. 미생물 사멸 목적

병원성 미생물의 완전 사멸

부패성 미생물을 사멸 시켜 유통기간이 경과 한 후 소비자들에게 전달 될 때 까지 위생 적 품질이 확보 될 수 있도록 함

2. 방법

(1) 방사선 조사

방사선 : x선, γ선

효과 : 자유라디칼을 생성하여 세포물질 산화

(2) 가열

멸균(sterilization) : 121℃ 15-20분 가열

모든 미생물 사멸

영양소 파괴, 유해물질 생성, 가열 비용 많음

살균(pasteurization) : 병원성미생물을 모두사멸하고, 부패성 미생물을 대폭 사멸하여 특정한 저장조건(일반적으로 냉장 온도)에서 일정기간(일반적으로 1주일) 경과 한 후에 위생적 품질이 유지될 수 있도록 가열. 멸균 방법이 가지는 단점을 개선한 방법이다.

상업적 멸균(commercial strilization) : 병원성미생물과 상온에서 번식하는 미생물을 모 두 사멸한 후 무균 포장함으로서 상온에서 수개월간 저장 할 수 있도록 가 열. 냉장유통 체계가 확립되지 않은 국가에 필요한 방법이다.

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화면 14

제품의 수명 기간

 

-dA/dt = kAn

dA/dt : 성분(A)의 감소속도

A : t 시간 후의 성분(A)의 농도

k : 특정온도에서의 성분(A)의 감소속도 상수

n : 반응 차수

t : 시간

반응차수가 0 인 경우

-dA/dt = kt0

A = Ao-kt

Ao : 성분 (A)의 초기농도

반응차수가 1 인 경우

-dA/dt = kA

 

log(A/Ao) = -kt/2.303

 

설명

1. 제품의 수명을 알아낼 수 있는 식

특정 성분이 감소하는 속도는 다음과 같은 식으로 표현된다. 이 식을 적분하면 해당하는 성분의 실제 농도 변화 자료로서 목표로 하는 품질이 유지될 수 있는 기간 즉 제품의 수명기간을 알아 낼 수 있는 식을 도출할 수 있다.

-dA/dt = kAn

dA/dt : 성분(A)의 감소속도

A : t 시간 후의 성분(A)의 농도

k : 특정온도에서의 성분(A)의 감소속도 상수. 실험에 의해 결정되어야 하는 정보이 다.

n : 반응 차수. 실험에 의해 결정되어야 하는 정보이다.

t : 시간

2. 반응차수가 0인 경우

반응차수가 0 이라 함은 성분이 감소하는 속도는 성분의 농도 혹은 량과 관계 없이 일정한 것을 의미한다.

-dA/dt = kAn 에서 n=0 이므로

-dA/dt = kt0 이 식을 적분하면

A = Ao-kt (Ao : 성분 (A)의 초기농도)

위 식에서 성분의 초기 농도(Ao), 성분 감소 속도상수(k)를 알면 성분이 품질의 허용되는 량까지 감소하기 까지 필요한 기간을 계산 해 낼 수 있다. 즉 이기간이 수명기간인 것이다.

3. 반응차수가 1인 경우

반응차수가 1이라 함은 성분이 감소하는 속도가 그 성분이 남아있는 량에 비례하여 감소하는 것을 의미한다.

-dA/dt = kAn 에서 n=0 이므로

-dA/dt = kA 이 식을 적분하면

log(A/Ao) = -kt/2.303 (Ao : 성분 (A)의 초기농도)

위 식에서 성분의 초기 농도(Ao), 성분 감소 속도상수(k)를 알면 성분이 품질의 허용되는 량까지 감소하기 까지 필요한 기간을 계산 해 낼 수 있다. 즉 이기간이 수명기간인 것이다.

 

 

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연습문제

1. 유체를 pipe를 통하여 수송할 때 NRe 을 고려해야 하는 이유는 무엇인가 ?(화면 8)

2. 냉동실 벽의 단열재를 선택 할 때 단열재의 열전도도 를 중요하게 고려해야 하는 이유는 무엇인가 ?(화면 9)

3. 재킷형 가열기에는 교반기가 설치되어야 하는 이유는 무엇인가 ?(화면 9)

4. 냉동건조제품의 품질이 우수한 이유는 무엇인가 ?(화면 11)

5. 건조와 절임이 저장성에 기여하는 공통 효과는 무엇인가 ?(화면 12)

6. 허들기술의 장점은 무엇인가 ?(화면 12)

7. 살균이 멸균보다 좋은 점과 나쁜 점은 무엇인가 ?(화면 13)

 

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강의내용 정리

1. 단위

기본단위 : 길이 무게, 온도, 시간

유도단위 : 힘, 일, 열, 압력

2. 물질수지

가공공정 물질 수지, 유체 수송 물질 수지, 에너지 수지

3. 유체의 저장

P = Po + zρg

4. 유체의 수송

W = ∆Zg + ∆v2/2 + ∆P/ρ + ΣF

5. 유체 흐름의 모양

층류 : NRe < 2100

난류 : NRe > 4000

중간류 : 2100< NRe < 4000

6. 열전달

전도 : 열전도도를 고려하여 매체를 선택해야 한다.

대류 : 교반에 의해 결막열전달 계수를 감소함으로서 열전달 속도를 증가 할 수 있다.

복사 : 복사체와 피복사체의 온도차이가 클 때 열전달 속도가 빠르다.

7. 건조

(1) 건조 속도

q = hA(ta-tf)

건조기의 공기흐름을 빠르게 함으로서 경막 열전달계수를 증가시킬 수 있다.

(2) 건조 방법

①건조기 내부를 감압상태로 유지하여 수분의 비점을 낮춤으로서 성분 변화를 방지 할 수 있다.

②냉동건조기는 냉동상태의 낮은 온도에서 건조함으로서 성분 변화를 최소화 할 수 있는 방법이다.

8. 저장

(1) 원리

미생물번식, 효소반응, 산화반응의 억제

(2) 저장 방법

① 건조, 농축, 절임, 저온, 보존제 첨가, 발효, 가스조절, 허들기술 등의 방법이 있다.

② 건조, 농축, 절임 법은 수분활성도를 낮추어 미생물 번식을 억제한다.

③ 가스조절 저장법은 식품 원료의 대사를 중단시키어 신선도를 유지할 수 있는 방법이다.

④ 허들기술은 두 가지 이상의 방법을 동시에 실시함으로서 극단적인 방법을 피하여 성분 의 변화를 방지하고 비용을 절감할 수 있는 방법이다.

9. 미생물 사멸

① 방사선 조사, 멸균, 살균, 상업적 멸균

② 살균은 멸균의 단점을 보완한 방법이다.

③ 상업적 멸균은 냉장유통체계가 확립되지 않은 지역에서 적절한 방법이다.