반응표면분석법을 이용한 영유아 압출스낵의 현미 대체비율 및 과열증기 처리조건 최적화

본 실험에서는 2013년 경기도 김포에서 생산된 고시히 카리 품종의 도정 백미를 부천소재 대형매장에서 구입하여 사용하였으며, 현미는 한국라이스텍(Andong, Korea)에서 제공받아 실험에 사용하였다.

영유아 압출스낵의 현미 대체비율과 과열증기처리조건 최적화는 3-level-3-factor 실험계획인 Box-Behnken design (Box & Behnken, 1960)을 이용하였다. 독립변수로는 현미 대체비율(X₁, 0-30%), 과열증기온도(X₂, 200-300°C) 및 처 리시간(X₃, 120-240초)을 설정하고, 각 독립변수의 수준을 -1, 0, 1의 3단계로 부호화한 15개의 처리조건에 따라 무작 위로 3회 반복 실험하였다(Table 1). 종속변수로는 압출스 낵의 경도와 수분흡수도를 설정하였으며, 독립변수 X_i 와 X_j에 대한 종속변수 Y의 2차 회귀식을 예측하여 반응표면 분석을 실시하였다.

Y = β 0 + ∑ i = 1 k β i X i + ∑ j = 1 k β ij X i 2 + ∑ i = 1 k − 1 ∑ j = 2 k β ij X i X j

압출스낵은 수세한 시료를 과열증기발생장치(QF-5100CBL24H, Naomoto Corp., Osaka, Japan)를 이용하여 설정온 도와 시간에 따라 가열 후 단축 압출기(Single Screw Extruder, Dason Food Co., Bucheon, Korea)로 압출하여 제조하였다.

압출스낵의 경도는 Rheometer (Compac-100, Sun Scientific Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 3회 반복 측정하였으며, 측 정조건은 직경 4 cm의 probe를 이용하여 이동거리 10 mm, 이동속도 1 mm/sec로 하였다. 수분흡수도는 시료 1 g 을 상온의 증류수에서 일정 시간 수침 후 과도한 표면 수 분을 제거하고 무게를 측정하여 수침 전 시료의 중량 대비 수침 후 무게증가 백분율로 표시하였다(Mariotti et al., 2006).

분석결과는 3회 반복 측정하여 평균과 표준편차로 표시 하였으며, 처리시료의 유의차는 분산분석(ANOVA)과 Duncan의 multiple range test로 검증하였다(p<0.05). 통계 분석은 SPSS 통계프로그램(ver 21, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 사용하였으며, 반응표면분석은 Design-Expert software (Ver. 9.01., Stat-Ease Inc., Minneapolis, MN, USA) 를 이용하였다.

압출스낵의 경도를 Box-Behken design의 15개 실험결과 를 통하여 반응표면 분석한 결과를 Table 1에 표시하였다. 반응표면 model식은 결정계수(R²) 값이 95.8%이며 유의성 (p<0.05)이 인정되어 압출스낵의 경도변화를 설명하는데 적 합하였다. 반응표면 model식을 통하여 압출스낵 경도는 현 미 대체비율과 과열증기온도 및 시간에 영향을 받으며, 이 들 변수 중 과열증기온도에 의한 영향이 가장 큰 것으로 확인되었다. 또한 반응표면 model식에서 현미 대체비율과 과열증기온도 및 시간의 일차항은 유의성(p<0.05)을 가지 며, 각 회귀계수는 음의 값을 나타내어 현미 대체비율과 과 열증기온도 및 시간 증가에 따라 경도는 감소하였다. 반면 반응표면 model식에서 각 독립변수의 상호작용(interaction terms)은 95% 신뢰수준에서 유의하지 않은 것으로 나타 났다. Table 2

압출스낵의 수분흡수도를 반응표면 분석한 결과(Table 1), 반응표면 model식의 R² 값은 97.1%이며 유의성 (p>0.05)이 인정되어 압출스낵의 수분흡수도 변화를 설명하 는데 적합하였다. 또한 압출스낵의 수분흡수도는 현미 대 체비율과 과열증기온도 및 시간에 영향을 받으며, 이들 변 수 중 과열증기온도에 의한 영향이 가장 큰 것으로 나타났 다. 반응표면 model식에서 일차항의 회귀계수는 양의 값을 나타내어 현미 대체비율과 과열증기 온도 및 시간 증가에 따라 수분흡수도는 증가하는 것으로 예상되었다. 반면 반 응표면 model식에서 각 독립변수간의 상호작용(interaction) 과 현미 대체비율의 이차항은 영향이 미미하며 유의성을 갖지 않는 것으로 나타났다.

영유아 저작특성에 부합하는 압출스낵의 물성으로 경도 와 수분흡수도를 지표인자로 설정하고, 각 물성의 최적화 를 위한 압출스낵의 제조조건을 3차원 반응표면분석으로 예측하였다. 영유아 압출스낵의 최적 제조조건은 현미 대 체비율 0 및 30%에서 과열증기온도와 처리시간을 조합하 였을 때의 3차원 반응표면을 이용하여 최소 경도 및 최대 수분흡수도를 갖는 각 독립변수의 예측치로 구하였다(Fig. 1). 압출스낵의 최소 경도는 현미 대체비율 15.81%에서 279.53°C의 과열증기로 197.40초 동안 가열한 처리조건에 서 얻어지며 이 조건에서 압출스낵의 경도는 2.84 kg/cm² 으로 예측되었다. 또한 압출스낵의 최대 수분흡수도는 현 미 대체비율 17.18%에서 274.52°C의 과열증기로 196.22초 동안 가열한 처리조건에서 얻어지며 이 조건에서 수분흡수 도는 378.79%로 예측되었다.

Fig. 1. Response surface plots for hardness and water uptake of extruded snack depending on superheated steam temperature and time at different brown rice replacement. (a) hardness without brown rice replacement; (b) hardness with 30% brown rice replacement; (c) water uptake without brown rice replacement; (d) water uptake with 30% brown rice replacement.

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