돼지고기 등심의 염지공정에서 소금농도의 영향:물질전달 동역학을 중심으로

본 연구에서 사용한 돈육은 경기도 삼평동 소재 정육점에 서 사후 24시간이 경과한 도체의 등심부위(M. longissimus dorsi)를 구입한 후 과도한 지방과 결체조직을 제거하였고, 근섬유 방향과 평행하게 25 mm 두께로 성형하여 개별 진 공포장하였다. 실험실까지 약 -1°C 전후의 온도를 유지한 채로 약 20분 동안 이동하였고. -20°C에서 보관하였다. 함 침액의 식염농도는 2.5, 5, 10 및 15% (w/w)가 되도록 조 제하였다. 냉동 돈육은 사용 전에 4°C 냉장고에서 24시간 해동하였고 해동된 돈육은 정육면체형태(20×20×20 mm, 6.5-8.5 g)로 정형하였다. 정형된 돈육은 온도 평형을 위하 여 함침 전에 15분간 상온에서 유지 시킨 후, 뒤 표면의 과도한 수분을 제거하였다. 함침은 돈육을 함침 용액에 1:6 (w:w)의 비율로 함침시켜 진행하였고 1, 5, 10, 5, 30, 60, 90, 120, 180, 240, 300 및 360분 동안 함침 시킨 후 표면의 과도한 수분을 제거하기 위해 종이타월에서 시료를 조심스럽게 굴려 표면에 수분이 더 이상 나오지 않을 때까 지 수분을 제거하였다. 함침 전·후의 수분함량 및 소금함 량을 측정하였고, 360분 함침 후의 시료를 이용하여 물성 변화 및 전단력을 측정하였다.

시료의 수분함량은 105°C 상압 가열 건조법에(AOAC, 2000)에 의해 측정하였다. 소금함량(salt content)은 Volhard 법(AOAC, 2000)에 의해 0.1 N NH₄SCN으로 적정하여 시 료 중의 NaCl량을 측정하였다. 수분 및 소금함량은 습부량 기준(g/100 g of solution)으로 나타내어 물질이동에 대하여 표현하였고, 물질전달속도를 나타내는 수식에서는 kg of water/kg of initial dry solids (ids) 및 kg of NaCl/kg of initial dry solids (ids)로 각각 표현하였다. 실험은 각 처리 구 당 3번 반복 측정을 실시하여 평균 및 표준편차를 기록 하였다.

시료에서의 수분 변화량은 Moisture gain/loss (MG/ML, g/100 g of non-treated sample), 용질의 변화량은 Salt gain (SG, g/100 g of non-treated sample)으로 총 중량 변화율은 Total weight change (TWC, g/100 g of non-treated sample) 로 각각 식 (1), (2) 및 (3)에 대입하여 산출하였다. 각 조 건에 따른 시료는 3회 반복 측정하였다.

시료의 전단력 측정을 위하여 함침 후 시료의 표면에 있 는 과도한 수분을 제거한 뒤 3개의 시료를 무작위로 선별 하였다. 전단력은 texture analyzer (CT3-4500, Brookfield Engineering Laboratories, Inc. Middleboro, MA, USA)에 전단력 측정용 knife (TA-SBA, Brookfield Engineering Laboratories, Inc.)를 장착하여 상온에서 측정하였다. 이 때 trigger load는 10 g, test speed는 3.3 mm/s의 조건으로 측정 하였다. 전단력은 TexturePro CT (V1.5 Build20; Brookfield Engineering Laboratories, Inc.)로 전단력(g)을 기록 하였다.

시료의 전단력 측정을 위하여 함침 후 시료의 표면에 있 는 과도한 수분을 제거한 뒤 3개의 시료를 무작위로 선별하 였다. 시료의 물성은 texture analyzer (CT3-4500, Brookfield Engineering Laboratories, Inc.)를 이용하여 상온에서 측정 하였다. 분석조건은 TA-25/1000 50.8 mm D probe를 장착 하여 pre-test 1.0 mm/s post-test speed 2.0 mm/s, test speed 2.0 mm/s, deformation 40% 그리고 trigger load 10.0 g으로 설정하였다. 물성 분석은 TexturePro CT (V1.5 Build20; Brookfield Engineering Laboratories, Inc.)로 경도(hardness, g), 탄력성(springiness, mm), 접착성(adhesiveness, mJ), 응 집성(cohesiveness) 및 씹힘성(chewiness, mJ)을 기록하였다.

직육면체(rectangular parallelepiped, a×b×c)에서 확산에 대한 Fick의 제 2 법칙에 따른 해석은 수분 및 용질에 대 하여 각각 식 ⑷와 식 ⑸로 나타낸다(Crank, 1975;Rastogi et al., 1998;Rastogi & Raghavarao, 2004).

그리고

여기서, M_r은 미달성 수분이동 비율, S_r은 미달성 NaCl이 동 비율, m (kg of water/kg of initial dry solids)은 수분함 량, s (kg of NaCl/kg of initial dry solids)는 용질 함량이 고 m_o 및 s_o는 초기 수분 및 용질 함량, m_∞ 및 s_∞는 평형 에서 수분 및 용질 함량, m_t 및 s_t는 염지 시간에 따른 수 분 및 용질 함량, D_ew 및 D_es는 수분 및 NaCl의 유효 확 산계수이며, a와 b 그리고 c는 시료의 기하학적 형태를 나 타내며 단위는 m이다.

식 (4)와 (5)에서 C_n은 식 (6)이며 여기서 q_n은 식 (7)의 0이 아닌 양의 근이다.

여기서, α는 각 시료에 대한 용액의 부피 비이다.

직육면체에서 모든 면(2a=2b=2c)이 같다고 가정하면, 시 료의 기하학적 형태는 정육면체가 되며, 식 (4)와 (5)는 식 (8)과 (9)로 변형된다.

그리고

따라서, 수분 및 NaCl 확산에 대한 Fourier numbers는 각 각 F_ow=D_ewt(3/a²) 및 F_os=D_est(3/a²)으로 정의 된다(Rastogi et al., 2004).

식 (8)과 (9)에 따라 각각의 Fourier numbers에 대한 M_r 또는 S_r을 시뮬레이션하여 log(M_r 또는 S_r) vs. F_ow 또는 F_os을 Fig. 1에 도시하였다. 선형관계를 나타내며, 직선의 기울기는 d(logM_r)/d(F_ow) 또는 d(logS_r)/d(F_os)를 나타낸다.

Fig. 1. Theoretical diffusion curve for cubical configuration as per Eqs. (8) and (9).

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수분과 NaCl의 물질전달계수는 사전평형근사법을 이용하 여 식 (10)과 (11)와 같이 나타낸다(Rastogi et al., 2000b).

여기서, k_m 및 k_s는 수분 및 NaCl의 물질전달계수이고 단 위는 min^-1이다.

이들 식으로부터 실험값을 이용하여 물질전달계수를 예 측하기 위하여, 식 ⑽과 ⑾을 각각 식 ⑿와 ⒀으로 변형하 면,

따라서 식 ⑿와 ⒀의 관계를 이용하여 logM_r 또는 logS_r vs. t를 도시한 후 선형회귀분석을 실시하여 각각의 물질전 달계수를 예측할 수 있으며(Rastogi et al., 2000b), 기울기 는 d(logM_r)/dt 및 d(logS_r)/dt가 된다.

D_ew 및 D_es 값은 시료가 정육면체 형태임을 고려하여 각각 식 (14) 및 (15)을 이용하여 예측할 수 있다(Perry et al., 1984).

통계분석은 SPSS 통계프로그램(Statistical Package for the Social Science, Ver. 21.0 SPSS Inc., Chicago, IL, USA) 을 이용하여 각 측정군의 평균과 표준편차를 산출하고 처리 간의 차이 유무를 one-way Analysis of variation (ANOVA) 로 분석한 뒤 Duncan’s multiple range test를 이용하여 p<0.05 수준에서 유의성을 검정하였다.

2.5, 5, 10 및 15% (w/w)의 농도로 제조한 소금 용액에 정육면체(20×20×20 mm)로 자른 돈육 등심을 함침시킨 후, 일정 시간 간격으로 시료를 채취하여 NaCl 함량, 수분함량 및 총 중량 변화율을 측정하여 MG, SG 및 TWC로 전환 하여 각각 Fig. 2, Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 2. Effect of brine concentration in the moisture gain (MG) of pork loin cubes during salting at 25°C. (a) Kinetics of MG, (b) MG versus brine concentration.

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Fig. 3. Effect of brine concentration in the salt gain (SG) of pork loin cubes during salting at 25°C. (a) Kinetics of SG, (b) SG versus brine concentration.

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Fig. 4. Effect of brine concentration in the total weight change (TWC) of pork loin cubes during salting at 25°C. (a) Kinetics of TWC (b) |s_t − s_o|/|m_t − m_o|.

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함침액의 용질 농도에 따라서 수분이 탈수되고 수화되는 현상을 Fig. 2(a)에서 명백하게 확인할 수 있었다. 함침액 의 농도가 2.5, 5 및 10%인 경우에는 MG가 양의 값으로 수화되었고, 15%에서는 음의 값으로 탈수(ML)됨을 관찰하 였다. 단, 함침 초기에는 모든 농도에서 MG와 ML의 변화 가 매우 심하였지만 함침 시간 60분 이후부터는 명백하게 MG와 ML을 확인할 수 있었다. 특히 5% 용액에서 함침될 때 가장 MG가 높게 나타났으며, 함침 후 360 분이 지난 후에는 약 12.68 g/100 g에 이르렀다. 이 값은 2.5% 및 10%의 함침용액보다 각각 17.4 및 98.4% 높다. 이러한 결 과들은 Barat et al. (2002)이 염지 초기에는 염지액과 시료 간의 수분활성도 차이에 의해 수분이 탈수되는 현상을 설 명한 보고와 Akse et al. (1993)이 염지액 농도가 50 g/L 이하의 염지액을 사용하여 근육을 염지 할 경우 salting-in 현상으로 인하여 수분이 흡수되고 90-100 g/L 보다 높은 농도의 염지액을 사용할 경우 salting-out 현상으로 수분과 NaCl 간의 강력한 결합을 하게 만들어 염용성단백질이 시 료에서 이탈되어 수분함량이 감소하였다고 보고한 결과와 일치하였다. 그러나 이러한 문헌에서도 5%에서 MG가 최 고값을 나타냄을 해석하기가 어려워 MG에 미치는 함침액 농도의 영향을 조사하기 위하여 Fig 2b와 같이 실험결과를 전환하여 x 축은 함침액 농도를 y 축을 MG로 하여 나타 낸 결과, 2.5%와 5%에서는 MG가 시간에 따라 증가하지 만 10% 이상에서는 MG가 감소하는 경향을 나타내었다. 그리고 MG = 0이 되어 MG와 ML의 전이가 함침액 농도 11-14% 사이에서 일어나는 것으로 예측할 수 있었다. 이러 한 결과는 Schmidt et al. (2008)이 닭가슴살의 염지에서 수화-탈수의 전이는 염지액 농도 11-14% 사이에서 일어난 다고 보고한 사실과 일치한다. 이들은 5%까지 MG가 증가 하는 현상은 Offer & Trinick (1983)와 Le Meste et al. (2002)이 Cl- ion에 의해서 세포 간의 공간이 넓어진다고 보고한 결과 즉, 팽윤 사실을 인용하여 증가 이유를 설명 하고 있으며, 고농도에서 MG가 감소하다가 ML로 전이되 는 현상은 Lawrie & Ledward (2006)가 6% 이상의 염용 액에서부터는 thick myosin 근섬유의 비폴리머화가 시작되 면서 세포 간의 공간이 수축된다고 보고한 사실을 인용하 여 물질이동 기작에 확산 이외에 세포간 사이에서의 모세 관 현상에 의한 bulk flow가 존재함을 보고하였다. 본 실 험에서와 같이 10% 용액에서 MG가 2.5% 및 5% 보다는 적지만 상당히 큰 값으로 시간에 따라 증가하는 경향을 나 타내고 있는 이유를 삼투압과 bulk flow의 구동력인 모세 관 압력과의 합력(net force)으로 수분 이동의 구동력으로 설명하였다. 그리고 11% 이상의 염용액에서는 수축에 의 한 bulk flow가 주가 되어 ML가 일어난다고 보고한 사실 은 본 실험에서 15%의 경우 함침 초기 이후에 모두 ML 가 일어난 사실과 일치한다. 이러한 사실은 액상과 생물학 적인 고상 즉 고체 식품에서 일어나는 물질전달은 확산 및 삼투 이외에도 유체역학적인 측면을 고려해야 함을 확인할 수 있었다.

함침 과정에서 용질의 물질이동에 관련된 현상은 첫째로 시료 내에서의 확산과 세포막에서 수분의 삼투 현상에 대 한 구동력이 되는 수용성 단백질, 물 및 염농도의 구배, 둘 째는 bulk flow (hydrodynamic mechanism)에 의한 용액 (용질+물)의 이동을 초래하는 구동력에 대한 자세한 이해 가 매우 중요하다. 수분의 이동현상에 대하여 설명하였던 것과 같이 함침액 5% 이하에서는 Cl⁻ 이온과 actin-myosin 복합체 사이에서 일어나는 상호관계에 의한 팽윤 현상에 의해 결국 bulk flow와 보수력을 증진시킨다. 반면에 SG에 미치는 삼투 현상의 영향은 세포막을 통해서 일어나는 수 분의 이동(cell osmotic dehydration)에 의해서 근원섬유 외 부 공간에 존재하는 함침액을 희석하는 과정에서 발생된 다. 즉, 함침액의 농도가 클수록 구동력 전체에 대한 net force가 커짐을 예측할 수 있다. 기대하였던 것과 같이 Fig. 3(a)에서는 함침액 농도 및 함침시간에 따라 SG가 증 가하였다. 이러한 경향은 pork tissue에서 소금의 확산 시 험에 관한 Graiver et al. (2006)이 보고한 결과와 5, 10, 15 및 20% 소금 용액에 닭가슴살을 염지하여 salt gain을 관찰한 Schmidt et al. (2008)의 보고와 일치하였다. Fig. 3(b)에는 Fig. 3(a)의 실험 결과를 이용하여 함침 시간 별 로 함침액의 농도와 SG와의 관계를 나타내었다. 모두 R² 이 0.95 이상의 선형관계를 나타냈고 이는 특정 염지액의 농도에서 시간에 따른 SG를 예측하는 도구로 사용될 수 있을 것이다(Deumier et al., 2003;Schmidt et al., 2008).

Fig. 4(a)는 물과 소금의 이동량을 물질의 순(net) 이동량 값으로 표현한 TWC의 시간에 따른 변화를 나타낸 것으로 모든 농도에서 시간에 따라 증가하였다. 단, 2.5%에서는 10분까지 음의 값을 나타냈고 5-15% 농도에서는 1분에서 음의 값을 나타내었다. TWC에 미치는 MG 또는 ML과 SG의 영향을 조사하기 위하여 Fig. 4(a)의 시간에 대한 TWC 결과를 |s_t − s_o|/|m_t − mo|로 전환하여 Fig. 4(b)에 나타 내었다. |s_t − s_o|/|m_t − m_o| > 1이면, TWC에 SG가 MG 또는 ML보다 더 크게 기여한다는 것을 의미한다. 2.5 및 5% 함침액으로 함침하는 경우에는 수분의 이동량이 더 영향이 큰 것을 확인 할 수 있었고, 10%에서는 150-200분 사이에 영향이 전환되면서 두 가지 현상이 유사하게 작용하고 15%의 함침액에서는 용질의 이동이 TWC에 영향을 더 미 침을 알 수 있었다. 이러한 결과는 물의 이동과 용질의 이 동에 대하여 설명한 결과와 일치하며, 함침액의 농도와 함 침 시간이 물질전달 기작에 지대한 영향을 미친다는 사실 을 확인할 수 있었다.

식 (8)과 (9)와 같이 정육면체에서의 Fick's 제 2 법칙의 해석해를 이용하기 위해서 먼저 다음과 같은 가정을 하였 다. ① 일정한 초기 농도 분포, ② 외부 물질전달 저항을 무시 그리고 ③ 함침 중에 수축 현상을 무시하였다. 그리 고 함침액 농도에 따라 평형에서의 수분함량(m_∞)과 NaCl 함량(s_∞)은 실험 결과를 이용, 외삽하여 예측(Telis et al., 2003)한 결과를 Table 1에 제시하였다. 물질전달계수(k_m과 k_s)를 구하기 위하여 함침액 농도 및 함침 시간에 따른 실 험 결과를 활용하여 log(M_r) 및 log(S_r)을 구하고 식 ⑿와 ⒀에 따라 도시한 결과를 Fig. 5에 제시하였고, 선형회귀분 석을 실시하여 함침액 농도별 각각의 물질전달계수를 예측 (Rastogi et al., 2000)한 결과를 Table 1에 제시하였다. 유 효확산계수(D_ew 또는 D_es)는 식 ⒁와 ⒂에 따라 Fig. 1의 기울기 즉 d(logM_r)/dF_ow 또는 d(logS_r)/dF_os와 Fig. 5의 기 울기(물질전달계수)인 d(logM_r)/dt 또는 d(logS_r)/dt을 이용 하여 구한 후 Table 1에 제시하였다.

Table 1. Moisture and NaCl effective diffusion coefficients (D_ew, D_es), mass transfer coefficients (k_m, k_s) and equilibrium contents (m_∞, s_∞) at different brine concentration

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Fig. 5. Linear regression plot (log(M_r) and log(S_r) versus time) as per Eqs. (12) and (13). (a) 2.5% brine (b) 5% brine (c) 10% brine (d) 15% brine.

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수분의 물질전달계수는 5%에서 가장 높았고 15%에서 가장 낮은 값을 나타냈으며 15%에서 물질전달계수의 부호 를 음으로 표현한 이유는 수분의 이동 방향이 이전과는 정 반대가 되어 탈수 현상을 관찰하였기 때문이다. 이는 물의 이동에 대하여 고찰한 결과와 일치한다. NaCl의 물질전달 계수는 함침액의 농도가 증가함에 따라 높아지는 것이 관 찰되었다. 물질전달 계수는 평형점에 도달하는 시간과 관 계가 있으며, 값이 작을수록 평형에 도달하는 시간이 길어 진다는 것을 의미한다(Berhimpon et al., 1990). 따라서 NaCl의 경우 함침액의 농도가 높을수록 평형에 빠르게 도 달하는 것으로 예측할 수 있으나, 수분의 경우는 예측하기 어려웠다.

수분의 유효확산계수는 농도에 따른 특별한 경향을 관찰 할 수 없었지만, 현 실험 조건에서 1.22-1.88×10^-9 m²/s이었 으며, 이러한 결과는 다음과 같이 보고된 결과들과 매우 유사하였다. Boudhrioua et al. (2009)의 연구에 따르면 정 어리 필렛을 NaCl 수용액에 함침 시켰을 때, 수분의 유효 확산계수는 5°C에서 2.4×10^-10 그리고 20°C에서 1.9×10^-8 m²/s으로 보고하였고, Ruiz-Cabrera et al. (2004)의 연구에 의하면 12-20°C 온도 조건에서 돈육의 semi-membranosus 조직을 염지하여 수분의 유효확산계수를 산출한 결과 3.45-24.5×10^-10 m²/s 범위 값을 관찰했다고 보고하였다. 그 리고 Villacs et al. (2008)는 칠면조 가슴살을 정육면체 (2×2×2 cm)로 정형하여 5% 소금 용액에 함침시킨 뒤 Fickian model을 통해 유효확산계수를 산출한 결과 수분의 유효확산계수는 2.8×10^-9 m²/s이었고 NaCl의 유효확산계수 는 5.2×10^-9 m²/s이었다고 보고하였다. 본 실험에서 Fickian model에 따라 산출한 소금의 유효확산계수는 2.43-3.53×10^-9 m²/s의 범위로 함침액의 농도가 높아질수록 값이 증가하였 다. 이러한 경향은 Graiver et al. (2006)이 pork tissue를 30, 70, 100, 140 및 200 g/L의 함침액에 함침시켜 산출한 유효확산계수가 농도에 따라 증가하는 경향과 일치한다. 확 산계수의 값은 Graiver et al. (2006)이 보고한 값과 Villacis et al. (2008)이 칠면조 가슴살을 정육면체(2×2×2 cm)로 정 형하여 5% 소금 용액에 함침 시킨 뒤 Fickian model을 통 해 산출한 유효확산계수와 매우 유사하였다.

Fick’s 제 2 법칙의 해석해를 이용하여 본 실험의 함침과 정에서 물과 소금 물질전달에 관한 수학적 모델링의 유효 성을 확인하기 위하여 실험값과 수학적 모델로 예측한 값 의 상관관계를 Fig. 6에 도시하였다. 소금의 이동 현상에 대하여 설명하였던 결과와 유사하게 R²이 0.91에서 0.94로 서 확산모델이 잘 적용되었으나 물의 이동은 R²이 0.33에 서 0.94로서 확산모델이 적합하지 않음을 확인하였다. 이 러한 결과는 수분의 이동 현상을 설명하면서 물질전달 구 동력의 우선순위가 함침액의 농도 및 함침시간에 따라 달 라진다고 해석한 사실과 일치한다. 따라서 bulk flow를 포 함하는 이론식이나 경험식에 대한 연구가 좀 더 진행되어 야 할 것으로 사료된다.

Fig. 6. Comparison between experimental and predicted values of pork loin cubes during salting at 25°C. (a) Salt content (b) Moisture content.

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Offer & Trinick (1983)가 육제품 제조 시 소금 첨가는 육류의 팽창(swelling)을 일으키며 이는 소금이 삼투압의 영향으로 외부로부터 물의 흡수력을 증대시키고 또한 근섬 유에 음이온이 양전하군에 강하게 결합하고 myosin-actin의 상호작용이 M-line 및 Z-line과 같은 근원섬유내의 물리적 인 구조 약화를 초래한다고 보고한 사실을 활용하여 본 연 구에서는 소금 용액에 돈육 등심을 함침하여 연화 가능성 을 확인하고자 하였다. 이를 위하여 2.5, 5, 10 및 15% (w/w)의 농도로 제조한 소금 용액에서 6시간 동안 돈육 등 심을 함침한 후 물성 및 전단력 측정 결과를 Table 2에 나 타내었다. 물성 측정 결과 경도는 852.67-4021.83 g의 범위 로 5% 함침액에서 염지한 돈육이 유의적으로 가장 낮았고 대조구에서 유의적으로 가장 높게 나타났다(p<0.05). 대조 구, 2.5% 및 5% 함침액에서 비교해보면 함침액 농도가 높 아질수록 경도가 낮아지는 것으로 관찰되었으나 10% 및 15%로 함침액 농도가 증가하면서 경도가 다시 증가하는 것으로 관찰되었다. 접착성의 경우 대조구에서 유의적으로 가장 낮았으며 10%에서 염지한 돈육이 가장 높은 것으로 관찰되었고(p<0.05) 응집성는 대조구에서 가장 낮았으며 15%에서 가장 높은 것으로 관찰되었다(p<0.05). 탄력성의 경우 대조구에서 가장 낮았으며 5%에서 가장 높은 것으로 관찰되었고(p<0.05) 씹힘성의 경우 5%에서 가장 낮았으며 2.5%에서 가장 높은 것으로 관찰되었다(p<0.05). 전단력 측정 결과값은 5%에서 가장 낮았고 대조구에서 가장 높았 다(p<0.05). 소금 용액에서 함침하는 경우 대조구에 비해 낮은 경도, 씹힘성 및 전단력 값을 나타내었고 함침액 농 도가 5%일 때, 가장 낮은 값이 관찰되었다. Belew et al. (2002)은 전단력 값이 작을수록 육질이 부드럽다고 보고하 였으며, Goli et al. (2013)에 의하면 칠면조 가슴살 시료를 NaCl과 acetic acid에 360분 동안 함침 시킨 후 물성 분석 한 결과 경도와 씹힘성이 감소하여 연화되었다고 보고하였 다. 따라서 염지공정이 육류의 연화에 영향을 주며, 5% 소 금농도의 함침액에 함침 시켰을 때, 가장 높은 연화효과를 얻을 수 있는 가능성을 확인하였다.

Table 2. Texture profile analysis and shear force parameters of meat samples treated by brine solution during 6 h

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