레토르트 살균기 내부의 온도 구배가 감자제품의 살균도와 품질에 미치는 영향

본시험에 사용된 감자는 수확 후 1개월 이내의 것을 사 용하였으며, 레토르트 살균 전 가로×세로(320×460 mm)의 파우치에 큐브 형태(13×13×13 mm)로 잘라 각각 5 kg씩 넣었다. 실험 측정 전 모든 샘플은 상온 인큐베이터에서 20분간 방치하여 온도를 균일하게 맞춘 후 실험이 진행되 었다.

H사의 레토르트 기기 내부의 온도 구배를 측정하기 위하 여 무선 온도센서(Tracksense^®pro, Ellab, Trollesmindealle, Hillerød, Denmark)를 사용하였다. 기기 내부 온도 편차 측 정은 레토르트 내에 있는 4개의 대차(C-1, C-2, C-3, C-4) 에 설치하였다(Fig. 1). 각 대차는 12개의 tray로 구성되어 제품을 적재할 수 있다. 대차에 있는 트레이 12개중 위에 서 6번째 트레이의 중심부에 온도센서를 위치시켰으며, Fig. 1(C)에 표기하였다. 모든 구간의 온도 측정은 동시에 수행하였다.

Fig. 1. Schematic view of retort, carts and trays in the carts. C-1, C-2, C-3 and C-4 represent the order of carts in the retort chamber. (A) Side view of the three-dimensional schematic diagram, (B) Top view of the three-dimensional schematic diagram, (C) Schematic diagram of sterilization machine.

Download Original Figure

살균 시 발생하는 레토르트 파우치 내부의 온도 구배를 확인하기 위해 파우치에 내부에 감자를 넣었다. 파우치에 담긴 감자의 온도 측정은 파우치 중심부의 감자 시료가 담 긴 파우치의 중심부에 무선 온도 센서를 설치하였으며, 센 서의 측정 위치를 고형분(감자)의 큐브 중심부에 설치하였 다. 온도의 측정은 분당 1 point의 속도로 측정하여 온도 프로파일을 산출하였다.

레토르트 기기에 유입되는 스팀의 유속(v)을 계산하기 위해 수식(1)을 사용하였다.

v은 스팀의 용적 유량, D는 파이프의 내경을 의미한다. 또한, 레토르트 기기에 유입되는 스팀의 흐름성을 파악하 기 위해 Reynold’s number (N_Re)를 계산하였다.

N_Re는 Reynold 수, ρ는 밀도, μ는 점도이다. 스팀 흐름 에 따른 압력 강하 및 질량당 에너지 손실률의 계산은 층 류, 난류 모두에 적용 가능한 Darcy-Weisbach 수식을 이용 하였으며, 매끄러운 배관에 대하여 Prandtl-Nikuradse의 수 식에 따라 마찰계수를 계산하였다. 각각의 수식은 다음과 같다.

각 인자의 값은 Table 1에 요약하였다.

본 살균 공정은 혐기성 균인 Clostridium botulinum의 사 멸 측정 조건을 기준으로 하여 지표 온도 121.1°C, z값 10°C를 사용하여 수식 (1)을 사용하여 살균도를 나타내는 F값을 산출하였다(Smout et al., 2000).

위 수식에서 t₀는 가열처리 시작 시간, t_f는 가열처리 마 지막 시간, T_f는 임의의 가열처리 온도, z는 해당 미생물의 z값, F_i는 임의의 온도(T_f)에서 T_ref로 1분간 가열 처리한 효 과에 해당하는 가열시간이다.

온도 분포를 측정한 각 위치에서의 레토르트 처리된 감 자의 조직감은 texture analyzer (CT3 texture analyzer, Brookfield, Middleboro, MA, USA)를 이용하여 측정하였 다. 조직감 측정을 위하여 texture analyzer에 직경이 38 mm인 원기둥 형의 probe를 장착하여 10회 반복 측정 후, 측정한 값 평균과 표준편차로 나타내었다. 측정 조건은 test speed 0.5 mm/s, deformation 30%로 설정하였다.

본 연구의 모든 결과는 Excel program (Excel 2013, Microsoft Co., Redmond, WA, USA)을 이용하여 평균과 표준편차로 나타내었으며, 결과의 유의성을 검증하기 위하 여 일원분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였다(p<0.05).

레토르트 기기에서 대차 위치에 따른 온도 편차를 확인 하기 위해 위치 별(C-1, C-2, C-3, C-4)온도 프로파일을 비 교하였으며, 위치에 따른 온도 상승 및 냉각 공정에서의 온도 차이의 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 기기에 초기 설 정된 온도와 달리 121.1°C의 온도에 도달하는데 C-1부터 순서대로 23, 22, 22, 21분으로 차이가 발생함을 확인하였 으며, 이후 설정 온도 도달 후 내부의 온도가 균질화 됨을 확인할 수 있었다. 플랜트 스케일과 같이 규모가 큰 레토 르트 공정에서 스팀의 유입으로 인한 난류가 형성되어도 내부 온도의 균질화가 되는데 유의적인 시간 차이를 보임 이 확인되었다. Chen et al. (2008)에 의하면 내부에 유입 되는 스팀이 난류 흐름을 형성하지만, 플랜트 스케일과 같 은 큰 규모에서는 위치에 따른 온도의 차이가 발생한다고 보고 하였으며, 이와 유사한 결과를 확인하였다.

Fig. 2. Transient temperature during retort process. All temperature profiles were measured at the center of the wagon. C- 1, C-2, C-3, and C-4 represent the number of wagon in the chamber.

Download Original Figure

기기 내부의 난류 흐름에 따른 질량당 에너지 손실률 및 압력강하를 수식 (1-5)를 이용하여 계산하였다. 배관의 길이 L값에 대해 각 지점의 값을 스팀 유입관 길이 대비 무차원 수로 나타냈다(Table 2). 압력 강하 및 질량당 에너지 손실 은 유입되는 배관 길이에 지배적인 함수임을 확인하였다. 유입되는 가열 및 냉각 매체가 중앙부에서 분배되는 본 연 구에 사용된 레토르트의 경우는 상대적으로 유입되는 배관 의 길이가 긴 C-1, C-4에서 C-2, C-3에 비하여 압력 강하 및 질량당 에너지 손실률 값의 차이가 발생함을 나타냈다. 압력 강하 및 질량당 에너지 손실률이 1.5배의 차이가 발생 함을 수식을 통해서 비교하였으며, 이는 각 구간에 유입되 는 배관의 길이의 비와 동일하게 나타났다. C-1에서 설정 온도에 도달하는데 가장 오랜 시간이 걸리는 원인은 스팀 유입 관의 길이가 가장 길었을 뿐만 아니라, 레토르트 기기 내부의 벽면이 안쪽으로 호를 이루어 타 대차보다 열을 전 달받는 공간이 넓으며, 이로 인해 동일한 온도에 도달하기 위해서 더 큰 에너지가 요구되는 것으로 사료된다. 이는 Chen et al. (2008)이 기술한 바와 동일한 결과이며, 스팀 공급원의 거리 차이로 인한 스팀 압의 차이에 기인한다고 볼 수 있다. 유입 관의 길이가 길어짐에 따라서 벽면 마찰 로 인한 압력 강하 및 상대적으로 유입 경로가 짧은 스팀 의 유출구에 비해 높은 압력강하가 발생한 것으로 추정된 다. C-4의 경우 스팀공급원과 상대적으로 먼 거리에 위치하 고 있으나 가장 빨리 목표 온도에 도달하였다. 이는 C-4와 인접한 레토르트 후면의 벽이 매우 가까운 곳에 위치하고 있어 유입되는 스팀이 후면의 벽에 충돌하면서 강한 반사작 용으로 열이 C-4대차의 후면 부위에 빠른 속도로 전달되었 기 때문으로 판단된다. C-1의 경우 레토르트 해치와 가까운 곳에 위치하여 있다. 해치는 곡면을 가지고 있으며 스팀 유 입구와 해치와의 거리는 C-4와 후면 벽의 거리보다 4배 긴 것으로 측정되었다. 이와 같은 이유로 C-1의 경우 유입되는 스팀이 해치와의 충돌에 의해서 열 전달이 상대적으로 낮아 진 것으로 추정된다. 대차 간의 온도 분포와 함께 동일 대 차에서도 높낮이에 따른 온도의 차이가 보고되었다(Singh et al., 2015). 온도 구배를 최소화하기 위하여 Singh et al. (2015)는 추가적인 교반 장비를 레토르트 내부에 도입하여 균질하게 스팀을 이동시키는 방법을 제안하였다.

설정 온도 121.1°C에서의 F값을 계산한 결과를 Fig. 3에 나타내었다. F값의 계산은 시간에 따라 변화하는 온도에 대한 치사율(lethality)값을 모두 합하는 수식 (6)을 이용하 여 계산하였다. 설정 온도와 달리 내부 온도의 편차는 각 구간별 편차를 보였으며, 시간이 증가함에 따라 C-1과 C-4 에서 F값의 큰 차이를 나타냈다. C-1과 C-4에서 각각 F값 4에 도달하는데 걸리는 시간은 27.46분과 21.85분으로 유 의적인 차이를 나타냈다. 내부 온도 분포에 따른 살균도의 차이는 Akterian (1999)의 결과와 동일하다.

Fig. 3. Changes in F-value during retort processing. F-values were measured at different wagon in the retort chamber. C-1, C-2, C-3, and C-4 represent the number of cart in the chamber.

Download Original Figure

냉각 공정에서 역시 F값에 큰 차이를 보임을 확인하였으 며, 냉각 공정이 시작되는 시점부터 냉각 공정이 끝나는 시점까지 살균에 미치는 영향을 초기 살균도에 합산하여 이를 Fig. 4에 나타내었다. 이때 냉각 공정 F값의 계산은 냉각 직전 최고 온도에서의 체류시간을 포함하여 계산하였 으며, 냉각 공정에서 발생하는 살균도는 초기 살균 공정 설계 시 큰 영향을 끼칠 만큼의 값을 나타냈다. 살균 공정 에서 필수적인 냉각 공정이 살균에 미치는 영향은 초기 살 균 공정을 설정함에 있어서 큰 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있다. F값을 계산함에 있어서 지표 온도(121.1°C)에 근접한 온도 구간에 얼마나 더 체류 하는지가 F값에 영향 을 크게 미치게 되는데, 동일한 살균조건으로 살균 공정을 최적화하게 될 경우 공간에 따른 살균 시간의 차이가 확연 한 것을 확인 할 수 있다. Fig. 1에서 나타낸 바와 같이 냉각수의 유입은 스팀의 유입관과 달리 C-1부터 C-4까지 순차적으로 유입됨을 확인 할 수 있었으며, C-1대비 C-4에 서 유입되는 배관의 길이의 비는 무차원수로 각각 C-1 (0.136), C-2 (0.273), C-3 (0.409), C-4 (0.545)의 차이를 보였다. 수식 (1-5)를 적용하여 계산한 결과 C-1과 C-4 간 에 압력 손실 및 에너지 손실률의 차이가 4배 발생함을 확인하였다. 냉각수 역시 스팀의 유입과 마찬가지로 유입 배관의 길이 비율에 따른 압력 강하 및 에너지 손실률을 나타냈다. 냉각수 유입 시간에 있어서 압력의 큰 차이가 각 냉각수 유입관에 따라 나타날 수 있음을 보여 준다. McGinnis (1986)는 기기의 내부 온도 편차에 영향을 미치 는 인자는 초기 가열 공정과 더불어 냉각 단계의 시작 직 후에 발생함을 나타내었다. 특히 고온 상태에서의 냉각수 유입 시간의 차이는 내부에 큰 온도 편차를 야기하여 살균 도에 많은 영향을 준다고 보고하였다. 냉각 공정에서의 F 값을 계산하여 Fig. 4에 나타냈다. C-1, C-3, C-4의 위치에 서 냉각수의 유입에 따른 F값의 유의적인 차이는 없었으 며, C-2에서만 확연히 다른 F값의 차이를 확인할 수 있었 다. 압력 손실과 달리 중심부에 위치한 C-2에서 가장 높은 F값을 나타낸 것은 스팀과 같이 작은 입자의 난류에 의한 열 전달과 달리 냉각수의 내부 침투가 빠르게 일어나지 못 하였기 때문으로 사료된다. 또한 압력손실이 가장 큰 C-4 에서 냉각이 빠르게 된 이유는 스팀의 유입과 마찬가지로 추가적인 벽면에 의한 충돌이 크게 작용하여 타 대차에 비 해 보다 빠르게 냉각수와 마찰이 발생한 것으로 사료된다. C-2 위치는 냉각 공정 이후 F값 1.5를 추가적으로 충족 시 키게 됨을 나타내었으며, 이는 살균도를 측정함에 있어서 냉각 공정의 편차가 큰 영향을 끼칠 수 있음을 나타내는 매우 중요한 정보이다. 살균 공정에 관련된 많은 연구는 가열 시의 살균도에 집중되어 연구되었으나, 냉각 공정에 대한 연구는 미미하다. 본 연구의 결과는 냉각공정에서의 추가적인 살균도의 변화가 생길 수 있으며 이는 식품의 열 적 손상에 깊은 관계가 있으므로 이를 고려한 살균 공정이 설계 되어야 함을 시사한다.

Fig. 4. Changes in F-value during cooling process upon the position of wagon in the retort chamber.

Download Original Figure

기기 설정 온도 121.1°C 125분 공정에서 위치를 달리한 감자의 온도 프로파일을 Fig. 5에 나타내었다. 4개의 구간 중 가장 큰 유의적인 차이를 보였던 C-2와 C-4의 위치에 서 파우치를 설치하여 측정하였으며, C-2와 C-4 위치에서 측정된 기기 온도의 평균 값을 레토르트 파우치 외부에서 전달되는 기계 내부 온도로 표기하였다. 동일한 조건의 살 균 공정 속에서 두 파우치의 열 침투 곡선은 큰 차이를 보임을 확인할 수 있다. 초기 가열 부분에서의 열 침투는 C-4에서 빠르게 진행됨을 나타냈다. 앞선 결과와 동일하게 C-4의 위치에 따른 레토르트 기기의 추가적인 벽면의 충돌 에 의해 스팀의 침투가 보다 빠르게 발생한 것으로 추정되 며, 그 결과 C-4 위치에서의 온도가 빠르게 상승한 것으로 나타났다. C-2에서 역시 앞선 결과와 동일한 양상의 결과 를 나타냈다. 냉각 공정 시 C-2의 파우치가 보다 늦게 열 이 내려가는 것은 냉각수의 유입 시간 차이에 의한 것으로 판단된다. 냉각수 유입 관의 길이에 따른 압력 강하보다 위치에 따른 냉각수 투입의 저해가 크게 작용한 것으로 판 단된다. 공간에 따른 온도의 차이는 극명하게 드러났으며, 이러한 온도의 차이는 식품의 품질에 큰 영향을 미치게 된 다. 스팀의 벽면 충돌 효과와 마찬가지로 냉각수의 유입 역시 벽면 충돌 후 식품까지 도달하는 시간을 단축시킨 것으로 추정된다. Smout et al. (2000)은 이러한 기계의 내부 열 침투 편차를 고체 및 액체 식품 시료를 이용하여 측정하였으며, Monte Carlo simulation을 이용하여 검증하 였다. 또한 이러한 열 침투의 편차에 의해 미생물 치사율 에 영향을 미치게 되므로(Smout et al., 2000), 식품의 안 전성에 치명적인 영향을 미치게 된다고 나타냈다. 위치에 따라서 설정 온도에 도달하기 까지 걸리는 시간은 식품의 물성 중 특히나 조직감에 큰 영향을 미치게 되며, 공간에 따른 온도의 편차는 균질화된 생산품을 얻을 수 없음을 시사한다.

Fig. 5. Temperature profiles of potatoes sample at two different positions at two different positions (C-2, C-4).

Download Original Figure

레토르트 설정 조건(121.1°C, 125분)을 같게 한 5 kg 파 우치의 감자의 조직감 측정을 Fig. 6과 Table 3에 나타내 었다. 고온에 상대적으로 오래 방치된 C-4의 경도가 유의 적인 감소를 나타냈다. 탄성(springiness), 검성(gumminess), 응집성(cohesiveness) 역시 열 침투가 많이 일어난 C-4에서 유의적으로 작은 값을 나타냈다. 동일한 공정을 거쳤음에 도 경도의 경우 25% 이상의 큰 차이를 보였으며, 검성은 70%로 가장 큰 차이를 보였다. 동일한 레토르트 공정에서 온도를 달리 하였을 때 보다 높은 온도의 열처리를 받은 감자의 조직감이 감소하게 될 뿐만 아니라, 더 큰 감자의 색도 변화를 수반하게 된다(Rattan & Ramaswamy, 2014). 동일한 레토르트 공정을 거친 감자의 최종 생산품의 이러 한 조직감 차이는 기기 내부의 온도 분포를 고려하여 식품 을 제조하여야 함을 시사한다.

Fig. 6. Effect of the wagon position in the machine (C-2, C-4) on the TPA of the potatoes. All data is significantly difference between C-2 and C-4 (p<0.05).

Download Original Figure