유동층 과립기를 이용한 선식의 분산 특성

본 연구에 사용한 선식 분말은 (주)엄마사랑(Cheongju, Korea)에서 제공받은 시료를 사용하였다. 51% 중량 이상 으로 현미, 보리, 흑미, 옥수수, 수수 등의 다양한 혼합 곡 류와 견과류를 포함하고, 그 외 일부 첨가물이 포함되어 다이어트 목적으로 배합된 선식 조성물이다. 통곡물 선식 조성은 현미 21%, 보리 59%, 흑미 9%, 옥수수 9%, 수수 2%를 포함하였다. 보리, 현미, 율무와 콩 단일 곡류 분말 은 건강식 분말 식품 제조업체인 C사에서 구매하여 사용 하였다.

본 연구에 사용한 선식 분말의 과립화는 유동형 과립기 로 (주)네추럴웨이(Pocheon, Korea)의 습식 과립기(Fluid Bed Processor, Enger Co., Chongqing, China)를 사용하였 다. 과립화를 위한 바인더는 증류수만을 사용하였고, 유동 형 과립기의 조작조건은 바인더량 20-45%, 내부온도는 40°C, 송풍량 30-90 m³/h, 시료량 300 g, 입구온도 90°C, 분 무압 2.5 bar으로 설정하고 과립시간은 10-15분, 건조시간 은 3-10분으로 변화를 주어 다양한 조건으로 과립화를 수 행하였다(Table 1).

25 mL의 증류수가 담겨져 있는 50 mL의 centrifuge tube 에 시료 1 g을 넣고 30분간 잘 섞어 준 후에 27,000×g에 서 30분간 원심분리(VS-24SMTI, Vision Scientific Co. Ltd., Daejeon, Korea)하고, 상등액을 105°C에서 건조한 후 에 다음의 식에 의해 수분용해도지수(WSI), 수분흡수지수 (WAI) 및 용해력(SP)을 계산하였다(Chang et al., 1996; Guha et al., 1997).

$\begin{array}{l}\text{WSI (\%)\hspace{0.17em}=\hspace{0.17em}}\frac{\text{Dry weight of supernatant}}{\text{Dry weight of sample}}\text{\hspace{0.17em}×\hspace{0.17em}100}\\ \text{WAI\hspace{0.17em}=\hspace{0.17em}}\frac{\text{Weight of sediment}}{\text{Dry weight of sample}}\\ \text{SP\hspace{0.17em}=\hspace{0.17em}}\frac{\text{Weight of sediment}}{\text{Dry weight of sample\hspace{0.17em}×\hspace{0.17em}}\frac{\text{(1-WSI)}}{\text{100}}}\end{array}$

20 mL의 증류수가 담겨 있는 50 mL의 beaker에 시료 1 g을 넣고 10초간 잘 섞어 준 후에 18 mesh (1,000 μm)의 체를 이용하여 분리하였다. 체를 통과한 분산액은 105°C에 서 건조하여 다음의 식에 의하여 분산성을 계산하였다.

$\text{Dispersibility (\%)\hspace{0.17em}=\hspace{0.17em}}\frac{\text{a\hspace{0.17em}×\hspace{0.17em}\%TS}}{\text{a\hspace{0.17em}×\hspace{0.17em}}\frac{\left(\text{100\hspace{0.17em}-\hspace{0.17em}b}\right)}{\text{100}}}$

약 1 g 정도의 sample 5개를 작은 dish에 칭량해 놓은 후, 동시에 15 mL의 증류수가 담겨 있는 시험관에 동시에 넣고 충분히 섞어준다. 30분 후에 가라앉지 않은 샘플을 조심스럽게 제거하고, 여과지(Whatman No.3)를 이용하여 분리하여 고형분을 취한다. 여과지를 통과한 여액에 잔존하 는 일부 고형분을 얻기 위하여 다시 10분간 정치시켜 둔 후에 약 5%의 부피 비율로 침전물을 취한다. 얻어진 고형 분과 침전물은 105°C에서 건조하여 침강성을 계산하였다.

$\text{Sinkability (\%)\hspace{0.17em}=\hspace{0.17em}}\frac{\text{Dry weight of sediment sample}}{\text{Dry weight of sample}}\text{\hspace{0.17em}×\hspace{0.17em}100}$

습윤시간은 Dacanal & Menegalli (2008)의 방법을 참고 하여 분말 샘플이 완전히 젖거나 물을 흡수하는데 걸리는 시간을 측정하였다.

80 mL의 증류수가 들어있는 지름 50 mm의 원통에 유리 판을 이용하여 샘플 3 g을 평평하게 하여 동시에 투입하고 완전하게 습윤할 때까지 걸리는 시간을 측정하였다.

입도분석은 입도분석기를 통하여 진행하였다. 100 g의 시 료를 체의 크기가 20-325 mesh (900-43 μm) 사이에 분포하 도록 하여 체 진동기(Minor 200, Endecotts Ltd., London, England)를 이용하여 실험하였다.

또한 과립화 처리된 선식의 입도 크기 및 분포를 자세 히 확인하기 위하여 입도분석기(particle size analyzer, Mastersizer 3000, Malvern Instruments Ltd., Worcestershire, England)를 이용하여 건식 분석과 습식 분석을 각각 수행 하였다.

흡습되지 않은 분말을 100 mL 메스실린더에 넣고 10회 실험대에 두드리고 부피를 측정하여, 전자 저울(HS 4002, Hansung Instrument., Seoul, Korea)을 이용하여 무게를 측 정하고 부피에 대한 중량의 비율을 겉보기 밀도로 계산하 였다.

모든 실험 데이터는 3회 반복 측정하였다. SPSS version 18.0 package program (SPSS INC., Chicago, IL, USA)을 이용하여 분산분석(ANOVA)을 실시하여 유의성(p<0.05)을 검정하였으며, 시료의 평균값에 대한 유의성은 Duncan’s multiple range test를 이용하여 분석하였다.

혼합 곡류를 포함한 균일화된 선식 시료와 단일 곡물 선 식시료의 수분함량과 수분용해지수, 수분흡수지수, 용해력, 분산성 그리고 침강성을 측정한 결과를 Table 2에 나타내 었다. 단일 곡물 선식시료의 수분함량은 3.5-7.2%였고 실 험에 사용한 선식시료의 수분함량은 4.74%로 단일 곡물 시료와 비슷한 수준이었다. 수분용해지수는 1.9-18.3%로 곡물의 종류에 따라 편차가 매우 커 현미와 보릿가루보다 율무와 콩가루에 수용성 성분이 많이 포함되어 있음을 알 수 있었다. 선식제품의 경우에는 32%로 단일 곡물에 비하 여 매우 높았는데, 이는 선식제품에 영양 강화 및 다이어 트 용도로 배합된 다양한 수용성 물질의 존재 때문인 것으 로 판단된다. 수분흡수지수와 팽윤력은 시료와 곡물의 종 류에 관계없이 거의 유사한 값을 보였으나 콩가루가 약간 더 높은 값을 나타내었다. 응어리가 형성되지 않고 얼마나 물에 잘 풀어지는가를 표현할 수 있는 분산성은 보릿가루 가 92.33%로 가장 좋았고 그 외 현미, 콩 그리고 율무 순 으로 나타났는데, 이는 각 곡류의 고유 특성으로 선식의 배합에 고려할 사항이다. 한편 선식시료의 경우에는 73.45%로 단일 곡물 중 가장 낮은 율무의 78.36% 보다도 낮았는데, 이는 배합에 포함된 견과류 가루가 전혀 분산되 지 않고 입자형태로 부유하는 등의 이유로 생각되며 이에 대한 품질개선이 필요할 것으로 여겨졌다.

분산성은 실제로 소비자들이 선식 제품을 선택할 때 큰 영향을 주는 요인으로 물, 우유와 혼합하여 음용할 때 응 집이 발생하지 않고 쉽게 분산되는 정도를 나타내어 준다. 이러한 분산성을 증가시키기 위하여 원료의 초미분쇄, 계 면장력 저하, 습윤성 상승, 정전기 반발력 부여 등의 다양 한 물리적 화학적 연구가 진행되고 있다. 선식의 분산성은 입자크기, 성분 및 비율에 따라 크게 영향을 받을 뿐만 아 니라 분말의 종류와 가공방법에 의해서도 영향을 받는다. 그러나 선식의 분산성만을 우선적으로 고려한다면 영양밸 런스를 고려한 배합이 불가능하기 때문에 배합된 성분은 그대로 유지하면서 분산성을 향상시키는 과립화가 바람직 하다(Schubert, 1980).

본 연구에서는 유동층 과립기를 이용하여 과립화를 수행 하였다. 과립된 입자의 크기, 입도, 용해도 등에 영향을 미 치는 중요한 조작조건은 바인더량, 풍속, 과립시간과 건조 시간, 입구온도 등이다. 내부온도는 40°C, 송풍 30-90 m³/h, 시료량 300 g, 입구온도 90°C, 분무압은 2.5 bar로 고정하 고 바인더량과 과립시간, 건조시간의 조건을 조절하여 입 도가 다른 4개의 과립시료를 제조하였다(Table 1).

선식 제품을 체 분석한 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 선 식입자의 약 80%는 200-325 mesh (75-45 μm) 사이에 분포 하여 상당히 미세한 분말로 구성되어 있었다. 또한 입도분 석기(particle size analyzer)를 이용하여 측정한 입도분포도 는 건식으로 측정한 경우 D₅₀은 85.1 μm이었으며, D₉₀은 322 μm로 체 분석 결과와 거의 일치하였으며, 용적평균입 도(D_4,3)는 131 μm이었다(Table 3).

Fig. 1. Sieve analysis for cereal powder granules.

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유동형 과립기를 이용한 선식제품의 과립화 양상을 살펴 보기 위하여 바인더량, 과립시간 및 건조시간을 조절하여 시료를 제조하였다(Table 1). 과립시간과 건조시간을 변화 시켰을 경우에는 충분한 건조시간이 약간의 상승효과를 주 는 것으로 나타났으며 과립시간과 건조시간의 합인 전체 공정시간이 제품의 특성에 크게 영향을 주며 과립시간과 건조시간의 비율은 제품의 색상이 열화되지 않는 정도에서, 제품의 종류에 따라 조절하는 것이 합리적인 것으로 판단 되었다. 과립된 선식 제품의 입자크기는 과립화가 많이 진 행될수록 커져, 과립시간 및 건조시간이 13분에서 15분, 20분으로 길어짐에 따라 입자의 크기가 커졌고 생성된 입 자도 약간 짙은 색을 띠는 현상을 나타내지만 제품의 품질 에는 큰 차이가 없었다(Table 3).

처리 공정 조건에 따른 과립시료의 품질 특성을 살펴본 결과를 Table 4에 나타내었다. 과립처리에 따라 수분용해 지수는 과립화 이전의 32.08%에서 조건에 따라 대체로 감 소하는 것으로 나타나 바인더량 45%에서 15분 과립화 및 5분의 건조 처리한 시료는 24.66%로 감소하였는데, 이는 과립공정 중에 수용성 성분들의 일부가 불용성 또는 난용 성 상태로 단단히 결착되어 발생하는 현상으로 보인다. 그 외 수분 함량은 전체 과립 공정 시간 증가에 따라 낮아지 는 것으로 나타났으며 수분흡수지수와 용해력은 크게 변화 가 없었다.

겉보기 밀도는 0.52 g/mL에서 0.32 g/mL로 줄어드는 것 을 확인하였다. 이는 입자간 공극이 형성된 영향으로 보이 며, 과립화가 많이 진행되면서 겉보기 밀도가 감소하는 것 을 확인할 수 있었다.

한편 과립공정 중 사용되는 바인더량은 분산도 및 용해 도에 많은 영향을 끼치는 것으로 알려져 있는데, 증류수, 젤라틴, 맥아당수용액, 포도당 수용체를 사용하면 바인더가 가지고 있는 친수성 기가 작용하여 습윤성 및 모세관력을 증가시켜 주는 것으로 알려져 있다. 하지만 선식 제품의 특성으로 물리적 화학적인 밸런스를 고려하면 증류수만을 이용하여 과립하는 것이 공정상의 장점이 될 수 있다(Park & Rhee, 1986). 또한 바인더의 첨가량이 증가하면 평균직 경이 증가하는데, 본 연구에서도 바인더로 사용한 증류수 의 첨가량이 20% (C, D)에서 45% (A, B)로 증가하면서 과립이 더욱 잘되는 것을 확인할 수 있었다.

과립화한 선식 시료의 입자 크기를 확인하기 위하여 체 분석과 입도분석기를 이용하였다. 과립 알갱이의 크기가 다른 4가지 과립시료에 대하여 체 분석한 결과를 Fig. 1에 나타내었다. A 시료는 입도가 넓게 분포되어 충분히 과립 이 형성되지 않았음을 알 수 있으며, B 시료는 20-80 mesh 입자가 90% 이상을 점하였으며 특히 40-60 mesh (425- 250 μm) 입자가 약 60%를 점하였다. C 시료는 B 시료와 비슷한 입도분포를 가졌으나 40-60 mesh 분획이 약간 적었 다. 한편 가장 굵은 D 시료는 20-60 mesh 입자가 대부분 을 차지하였다. 입도분석기를 통하여 분석한 각 과립시료 의 입도분포 데이터를 Table 3과 Fig. 2에 정리하였다. 건 식으로 측정한 용적평균입도(D_4,3)는 A, B, C 및 D 시료 각각 155, 199, 235 및 263 μm로 건조시간을 포함한 전체 과립시간과 바인더 사용량이 입자크기에 크게 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다. 과립공정을 통하여 123 μm의 직경 을 가진 원물이 공정조건에 따라 증가하여 D (바인더량 45%, 과립시간 10분, 건조시간 10분) 시료에서 최대 263 μm로 증가하였다. 이에 따라 과립공정이 원물의 입자가 엉 키지 않고 쉽게 분산될 수 있도록 공극을 형성하는 것을 확인할 수 있었다(Goh, 2012).

Fig. 2. Dried particle size distribution of cereal powder granules.

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분산성과 습윤시간은 과립화 방법에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다(Table 4). 특히, 바인더(증류수)의 첨가량 이 크게 영향을 미치는 것으로 나타나 분산성은 바인더 사 용량이 20%일 경우(A, B)에는 원물 73.46%에서 크게 변 화하지 않아 76.86%, 78.33%이었으나, 바인더 사용량이 45%일 경우(C, D)에는 90.45%, 92.25%로 크게 증가하였 다. 습윤시간은 바인더 양이 20%인 경우(A, B)에는 원물 에 비하여 50% 수준으로 감소하였고 바인더의 양이 45% 인 경우(C, D)에는 현저히 감소하여 15초 이내에 모두 녹 아 즉용의 상태를 보였다. 이러한 현상은 계면장력과 분말 의 고결현상이 생기는 것을 줄어들게 하고 과립으로 인하 여 생긴 공극이 물에 결합하기 쉬운 형태로 이루어져 쉽게 분산되기 때문인 것으로 판단되었다.

한편, 일단 물에 분산된 선식은 입자가 가라앉지 않고 분산상태를 유지하여 층 분리가 일어나지 않아야 한다. 그 러나 전술한 바와 같이 분산이 잘 되기 위해서는 입자의 크기가 일정 수준이상으로 커야 유리하며, 반대로 층 분리 를 억제하기 위해서는 입자 크기가 작고 균일할수록 유리 하므로 분산성을 높이기 위하여 과립화된 입자는 물에 풀 리면서 과립화 이전의 작은 원물 입자 상태로 분산되는 것 이 이상적이다(Walstra & Vliet, 2008). 분산 후 층 분리 정 도를 확인하기 위하여 10% 현탁액을 시험관에서 30분간 정치한 후 관찰하였고(Fig. 3), 침강성을 측정하였다(Table 4). 입자의 침강에 의한 층 분리 현상은 원물과 과립 시료 에서 거의 차이를 보이지 않았으며, 침강성 역시 89% 내외 의 일정한 값을 나타내어 과립화된 시료는 물에 분산되면서 원물의 입자형태로 돌아가 원물과 거의 유사한 부력과 침강 성을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이를 확인하고자 습식으 로 입도분석을 수행하였고, 측정한 용적평균입도(D_4,3)는 A, B, C 및 D 시료 각각 136, 133, 132, 131 μm로 원물시료의 140 μm와 거의 차이가 없었으며 이러한 현상은 과립화되었 던 입자들이 습식으로 측정하는 과정에서 단일 입자로 쉽게 붕괴되었음을 의미하며 상술한 결과와 일치하였다.

Fig. 3. Sinkability of cereal powder granules.

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