서 론
고구마(Ipomoea batatas)는 메꽃과 미국나팔꽃에 속하는 쌍떡잎 식용작물로서, 뿌리를 식용으로 섭취하고 있다 (Hwang et al., 2014). 또한 메밀, 감자 등과 같이 주요한 건강식품으로 이용되고 있으며(Lee, 2015), 국내의 고구마 생산량은 2015년에 약 83만 톤 정도로, 감자 생산량인 29 만 톤에 비하여 약 2.8배 많았다(KOSIS, 2016).
한편 고구마는 수분 함량이 68% 정도로 매우 높고, 표 피가 얇아 수확과정에서 쉽게 상처가 발생하며 저장기간 동안 상처난 부위가 부패하기 쉽고, 저장온도 및 방법에 따라서 쉽게 부패하는 특성이 있다. 이러한 이유로 고구마 의 유통 및 보관 기간을 연장하기 위해 수확 후 일정기간 큐어링을 실시한 후 저온저장고에 저장하거나, 증절간 고 구마, 분말 및 앙금 등으로 가공하여 유통되고 있다(Kwon, 2010; Song et al., 2011).
현재 제조되고 있는 증절간 고구마는 열풍건조를 통해 가공하는 것이 일반적이며, 열풍건조기는 국내에 설치되어 있는 건조기의 약 90% 이상을 차지하고 있다(Li, 2009). 그러나 열풍건조의 경우 건조실 내 열풍의 체류시간이 짧 고, 배출되는 열풍의 열량이 크므로 에너지 효율이 낮은 단점이 있다. 또한 열풍에 의해 제품의 향기나 무기질 등 이 파괴되어 영양적 손실과 함께 표면경화, 낮은 복원력 등의 문제점이 있다(Li, 2009; Lee et al., 2000). 따라서 증절간 고구마의 건조시간 단축 및 품질 변화 등을 최소화 할 수 있는 건조 방법 및 기술이 필요하며, 최근 농산물 건조열원으로서 원적외선을 이용하는 건조방법이 제시되고 있다(Ning et al., 2014).
원적외선은 적외선파장 중 4~1,000 μm 영역으로서 복사 에너지를 통해 열을 전달하며, 건조 가열 열원으로 많이 이용하고 있다(Ji, 1992 ; Cho et al., 2016). 또한 원적외선 건조는 열효율이 높고, 열풍건조보다 건조속도가 빠르며, 피건조물의 품질이 우수하기 때문에 열풍건조의 단점을 보 완할 수 있다(Ning, 2012). 이러한 이유로 원적외선을 농수 산물 건조 및 식품 가공에 이용하는 연구가 활발히 이루어 지고 있으나(Kang et al., 2011; Jang et al., 2013), 원적외 선을 이용한 증절간 고구마 건조에 관한 연구는 미진한 실 정이다.
따라서 본 연구에서는 원적외선을 이용하여 증자 호박고 구마를 건조할 경우 두께, 건조온도와 송풍속도에 따른 건 조특성과 건조제품의 색도변화, 건조 전후 증절간 호박고 구마의 당도 등 품질특성을 분석하여 원적외선 건조에 필 요한 기초 자료를 제시하고자 하였다.
재료 및 방법
공시재료는 충청북도 증평군에서 생산된 호박고구마를 사용하였으며, 초기 평균 함수율은 약 67-68%, w.b. (이후 %로 표시) 이었다. 또한 초기 평균 색도는 L(명도) 값의 경우 79.65, a(적색도) 값은 6.45, b(황색도) 값은 42.46 이 었고, 초기 평균 당도는 24.85 °Brix 이었다.
Fig. 1은 본 실험에 사용된 원적외선 건조기의 개략도를 나타낸 것이다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 원적외선 건조 기의 크기는 6,540×1,200×1,530 mm (W×L×H)이고, 총 5 단으로 구성된 건조실을 통해 피건조물이 건조되도록 설계 되었다. 주요 장치로는 제어반, 송풍팬(DTB-402, DongKun, Incheon, Korea), 원적외선 방사체(MEP-550, Restoration, Seoul, Korea), 건조실 및 벨트 컨베이어 등으로 구성되어 있다.
원적외선 건조실험에 사용된 호박고구마의 1회 시료량은 4 kg이며, 세척기에서 세척한 후 세절기를 이용하여 세절두 께 8, 10 mm의 두 가지 수준으로 세절하였다. 세절된 호 박고구마는 증자장치를 이용하여 30분간 증자 후 원적외선 건조하였다. 증절간 호박고구마의 원적외선 건조실험 조건 은 건조온도 60, 70 및 80°C와 송풍속도 0.6 및 0.8 m/s로 선정하였으며, 최종함수율 25±0.5%까지 건조하였다. 건조 된 시료는 함수율, 건조속도, 색차, 당도 및 에너지 소비량 을 측정하여 실험 조건별로 비교 분석하였다.
함수율은 시료 중에서 무작위로 선정하여 전자저울(HF- 200GD, And, Tokyo, Japan)로 20±0.5 g의 시료를 계량한 후, 실험용 건조기(0F-11E, Jeio tech, Daejeon, Korea)에서 105°C로 24시간 건조하였다(KFDA, 2011). 건조 전후의 무 게 변화 값을 중량비로 산출하여 식 (1)과 같이 습량기준 함수율로 나타내었다.
건조속도는 함수율비로 표시하였다. 함수율비는 건조시간 별 중량 변화를 함수율로 환산하고, 식 (2)와 (3)을 이용하 여 산출하였다(Altan & Maskan, 2005; Ning et al., 2012).
증절간 호박고구마의 원적외선 건조모델을 개발하기 위하 여 기존에 널리 사용되고 있는 Page, Lewis 및 Modified Wang & Singh 건조모델에 적용하였으며, Table 1은 각 건 조모델을 나타낸 것이다.
| No. | Model name | Model |
|---|---|---|
| 1 | Page | MR = exp(–Ptq) |
| 2 | Lewis | MR = exp(–kt) |
| 3 | Modified Wang and Singh | MR = C + Bt + At2 |
각각의 모델상수 결정은 통계 분석 프로그램인 SAS (Statistical Analysis System ver. 9.2, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)의 비선형 회귀분석 방식을 이용하여 결정 하였다. 각각의 건조조건에 따른 모델상수 P, q, k, A, B 및 C를 결정하기 위해 실험조건에 따른 건조시간과 함수 율비를 이용하여 실험상수 P1, q1, k1, A1, B1, C1를 구하였 다. 그 후에 고구마의 체적, 건조온도, 송풍속도 및 실험상 수(P1, q1, k1, A1, B1, C1)를 이용하여 식 (4)의 상수(a0-a9) 를 SAS PROC STEPWISE 프로그램으로 시행착오법에 의 해 구하였다. 또한 위에서 구한 상수(a0-a9)와 실험변수(체 적, 온도, 송풍속도)를 식 (4)에 재대입하여 모델상수를 결 정하였다(Ning et al., 2013). 또한 함수율비의 실험값과 건 조모델을 이용한 예측값 사이의 적합성 검증은 결정계수 (R2, Determination Coefficient)와 평균오차제곱근(RMSE, Root Mean Square Error)을 이용하여 비교 검정하였다.
증절간 호박고구마의 건조 전후 색도 변화는 색도색차계 (JX-777, C.T.S., Tokyo, Japan)를 이용하여 시료의 L(명도), a(적색도) 및 b(황색도) 값을 5회 측정하여 평균값으로 나 타내었다. 또한 종합적인 색도변화를 나타내는 색차(ΔE) 값 의 경우 식 (5)를 이용하여 산출하였다(Rhim et al., 1989; Lee et al., 2010).
증절간 호박고구마의 당도측정은 무작위로 채취한 시료 를 분쇄기(HMF-300S, Hanil, Seoul, Korea)를 이용하여 분 쇄하고, 전자저울(HF-200GD, And, Tokyo, Japan)로 5±0.1 g을 칭량하였다. 칭량된 시료는 비커에 넣어 30 mL의 증류 수를 첨가한 후 40°C의 항온수조(BW-05G, Jeio tech, Daejeon, Korea)에서 1시간 동안 방치하여 분쇄된 시료의 당이 증류수에 충분히 녹아들게 한 후 증류수만을 여과지 (HM02005090, Hyundai micro, Seoul, Korea)로 여과하였 다. 또한 당도는 여과된 증류수를 당도계(PAL-1, Atago, Tokyo, Japan)로 5회 반복하여 측정하고 평균값으로 나타 내었다. 한편 측정된 당도는 증류수에 의해 희석된 값이므 로, 측정값의 6배로 나타내었다.
결과 및 고찰
증자 호박고구마의 원적외선 건조 전 평균 함수율인 71.48%를 함수율비 1.0으로 나타냈으며, 최종함수율 25±0.5%의 함수율비는 약 0.36 정도로 나타났다.
Fig. 2는 건조 중 건조두께 8 mm 조건에서 원적외선 건 조시간에 따른 함수율비 변화를 나타낸 것이다. Fig. 2에 나타냈듯이 건조온도에 따른 건조시간은 건조온도가 높은 80°C 조건이 60 및 70°C 조건에 비해 55-166분 정도 단축 되는 것으로 나타났다. 또한 송풍속도에 따른 건조시간은 송풍속도 0.8 m/s 조건이 0.6 m/s 조건과 비교하여 약 11- 55분 단축되는 경향을 보였다.
Fig. 3에 건조두께 10 mm 조건에서 원적외선 건조시간에 따른 함수율비 변화를 나타내었다. Fig. 3에서 확인할 수 있 듯이 건조두께 10 mm 조건에서 건조온도와 송풍속도에 따 른 건조시간은 60°C 조건의 경우, 송풍속도 0.6 및 0.8 m/s 일 때 각각 417, 362분으로 나타났다. 또한 70°C 조건에서 송풍속도 0.6, 0.8 m/s 조건의 경우 건조시간은 각각 304분 및 286분으로 측정되었으며, 건조온도 80°C, 송풍속도 m/s 0.6 및 0.8 m/s 조건에서는 각각 257, 225분 소요되었다. 한 편, 건조두께에 따른 건조시간은 건조두께 8 mm 조건이 10 mm 조건보다 28-51분 정도 단축되는 경향을 보였다.
이와 같이 증자 호박고구마의 건조시간은 원적외선 건조 온도가 높고, 송풍속도가 빠를수록 단축되는 경향을 보였 다. 이것은 건조온도가 높을수록 원적외선 방사체에서 발 생되는 복사에너지가 증가하면서 피건조물의 수분확산 및 증발이 더욱 활성화되었기 때문에 건조속도가 증가하면서 건조시간이 단축된 것으로 사료된다(Ning, 2012). 또한 같 은 온도 조건에서 송풍속도가 빠를수록 건조시간이 단축되 는 이유는 송풍속도가 빠를수록 피건조물 표면의 수분 증 발이 잘 이루어지고, 습공기의 배출이 원활하기 때문이라 고 판단된다(Li, 2009).
Table 2는 각각의 건조모델에 실험값을 적용할 경우 결 정계수(R2)와 평균 제곱근 오차(RMSE)를 비교하여 나타낸 것이다. Table 2에서 확인할 수 있듯이 Modified Wang & Singh 모델의 경우 모든 건조조건에서 R2 값은 0.9725 이 상, RMSE는 0.0304 이하로 나타났다.
Fig. 4는 건조시간이 가장 긴 건조두께 10 mm, 건조온도 60°C, 송풍속도 0.6 m/s 조건과 건조시간이 가장 짧은 건조 두께 8 mm, 건조온도 80°C, 송풍속도 0.8 m/s 조건에 따른 함수율비의 실험값과 각 건조모델을 이용한 함수율비의 예 측값을 비교한 것이다. Fig. 4에 나타낸 바와 같이 함수율 비의 실험값과 예측값은 건조모델에 관계없이 건조시간이 긴 조건에서 오차가 있는 것으로 나타났으나, Lewis 모델 과 Modified Wang & Singh 모델의 경우 비교적 적합한 것으로 나타났다. 따라서 원적외선 건조를 이용하여 증자 고구마를 건조할 경우 건조두께, 건조온도 및 송풍속도에 따른 건조속도는 Lewis 모델과 Modified Wang & Singh 모델을 이용하면 높은 정밀도에서 건조시간 예측이 가능 할 것으로 판단된다.
Fig. 5는 증자 호박고구마의 원적외선 건조조건에 따른 색차(ΔE) 값을 비교하여 나타낸 것이며, 건조온도가 낮고, 송풍속도가 느리며, 건조두께가 두꺼울수록 증자 호박고구 마의 건조 전후 색도변화가 적은 경향을 보였다.
Fig. 5에 나타냈듯이 건조두께 8 mm, 송풍속도 0.6 m/s 조건에서 색차는 건조온도가 낮은 60°C 조건의 경우 29.18 로 70 및 80°C 조건과 비교하여 각각 3.63, 5.51 정도 낮은 것으로 나타났다. 또한 건조두께 8 mm, 송풍속도 0.8 m/s 조건에서도 송풍속도 0.6 m/s 조건과 마찬가지로 건조온도 가 낮을수록 색차가 낮은 것으로 나타났으며, 건조온도 60°C 조건이 70 및 80°C 조건에 비해 각각 1.84, 3.76 정 도 낮은 경향을 보였다.
건조두께 10 mm, 송풍속도 0.6 m/s 조건에서도 건조온도 가 낮은 60°C 조건의 색차 값은 28.33으로 70°C 및 80°C 조건과 비교하여 4.27-5.44 정도 낮은 것으로 나타났다. 또 한 건조두께 10 mm, 송풍속도 0.8 m/s 조건에서 건조온도 에 따른 색차는 건조온도 60, 70°C 및 80°C 조건에 따라 각각 31.39, 33.24, 34.54의 값을 보였다.
이와 같이 건조조건에 따른 증절간 호박고구마의 색차는 모든 조건에서 28.33-34.54 범위로 약간의 차이를 보였지 만, 육안상으로는 식별하기가 어려웠다.
한편, 건조조건에 따른 색차 값의 통계분석 결과, 유의확 률 p 값은 건조두께 간, 건조온도 간 및 송풍속도 간에 따 라 각각 0.4420, 0.0001, 0.0020으로 나타나, 건조온도 간 과 송풍속도 간에 대한 유의확률만 0.05 이하로 유의성이 인정되었다. 상호작용에 따른 유의확률 p 값의 경우 모두 0.05 이상으로 나타나 유의성이 인정되지 않았다.
Fig. 6은 건조조건에 따른 증절간 호박고구마의 당도 값 을 나타낸 것이며, 건조두께가 얇고, 건조온도가 높으며, 송풍속도가 느린 조건에서 당도 값이 높은 경향을 보였다.
Fig. 6에서 보는 바와 같이 건조두께 8 mm, 송풍속도 0.6 m/s 조건에서 건조온도 60, 70, 80°C에 따라 당도는 각각 54.56, 58.61, 59.11 °Brix로 나타났고, 건조두께 8 mm, 송 풍속도 0.8 m/s 조건의 경우 건조온도 60, 70°C 및 80°C 일 때 각각 52.11, 55.78, 55.88 °Brix로 측정되었다.
한편, 건조두께 10 mm, 송풍속도 0.6 m/s 조건에서 건조 온도 60, 70, 80°C에 따른 당도는 건조두께 8 mm 조건과 비교하여 각각 4.56, 6.11 °Brix 및 6.74 °Brix 감소하는 경 향을 보였다. 또한 건조두께 10 mm, 건조온도 60, 70°C 및 80°C 조건에서 당도는 송풍속도 0.8 m/s 조건이 0.6 m/s 조 건에 비해 2.44, 1.93, 0.62 °Brix 낮은 경향을 나타내었다.
이와 같이 송풍속도가 느릴수록 당도가 높은 이유는 송 풍속도가 느린 0.6 m/s 조건이 0.8 m/s 조건보다 건조시간 이 길어 열에 노출되는 시간이 증가하면서 전분의 호화가 잘 이루어졌기 때문으로 판단된다. 또한 증자 호박고구마의 건조 전 당도 값은 35.60 °Brix로 건조 후 11.96-23.51 °Brix 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이것은 가열에 의해 호화 된 전분이 효소작용에 의해 분해되어 단맛이 증가한다는 결과와 유사하였다(Kum et al., 1994; Jang et al., 2013).
한편, 증절간 호박고구마의 건조조건에 따른 당도 유의 성 분석 결과, 건조두께 간, 건조온도 간 및 송풍속도 간 에 따른 각각의 유의확률 p 값은 모두 0.05 이하로 나타나 유의성이 인정되었다. 그러나 상호작용의 경우 모두 유의 확률 p 값이 0.05 이상으로 나타나 유의성이 인정되지 않 았다.
Fig. 7은 건조조건에 따른 증자 호박고구마 건조 중 에 너지 소비량을 비교하여 나타낸 것이다.
Fig. 7에 나타냈듯이 건조두께 8 mm, 송풍속도 0.6 m/s 조건에서 에너지 소비량은 건조온도 80°C의 경우 12.06 kWh/kg-water로 건조온도 60, 70°C 조건에 비해 각각 36, 10% 감소하는 경향을 나타내었다. 건조두께 8 mm, 송풍속 도 0.8 m/s 조건에서도 마찬가지로 건조온도 80°C 조건이 15.13 kWh/kg-water로 에너지 소비량이 측정되어 건조온도 60, 70°C 조건과 비교하여 13-16% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
또한 건조두께 10 mm, 송풍속도 0.6 m/s 조건의 경우 에 너지 소비량은 건조온도 80°C 조건에서 14.72 kWh/kgwater로 측정되어 건조온도 60°C 및 70°C 조건에 비해 각 각 26, 1% 저감되는 경향을 보였다. 건조두께 10 mm, 송 풍속도 0.8 m/s 조건에서 에너지 소비량은 건조온도 80°C 조건의 경우 17.27 kWh/kg-water로 건조온도 60, 70°C 조 건과 비교하여 18% 및 12% 저감되는 경향을 나타내었다.
이러한 경향은 건조온도가 증가함에 따라 건조시간이 단 축되기 때문에 에너지 소비량이 감소한 것으로 판단된다 (Li, 2009). 한편, 송풍속도가 에너지 소비량에 미치는 영향 은 송풍속도 0.6 m/s 조건이 0.8 m/s와 비교하여 6-30% 정 도 감소하는 것으로 나타났으며, 이것은 빠른 송풍속도에 의해 열손실이 발생하고, 송풍기 가동 시 소비전력량이 증 가하기 때문으로 판단된다(Kang et al., 2011). 또한 건조두 께에 따른 에너지 소비량은 건조두께 8 mm 조건이 10 mm 조건과 비교하여 0-14% 감소되는 것으로 나타났으며, 이 것은 건조두께가 얇을수록 건조시간이 단축되어 에너지 소 비량이 감소되는 것으로 사료된다(Li, 2009).
요 약
본 연구에서는 원적외선을 이용하여 증자 호박고구마를 건조할 경우 건조두께, 건조온도와 송풍속도에 따른 건조 특성과 건조제품의 색도변화 및 당도 등의 품질특성을 분 석함으로써 증절간 호박고구마의 원적외선 건조를 위한 기 초 자료를 제시하고자 하였다. 원적외선 건조의 경우 열풍 건조와 비교하여 열효율이 높고, 건조속도가 빠르며, 피건 조물의 품질이 우수하기 때문에 열풍건조의 단점을 보완할 수 있다(Ning, 2012). 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 증 자 호박고구마의 건조속도는 건조두께가 얇고, 건조온도가 높으며, 송풍속도가 빠를수록 증가하는 경향을 보였으며, 건조두께 8 mm, 건조온도 80°C, 송풍속도 0.8 m/s 조건이 가장 빠른 것으로 나타났다. 본 연구에서 검증한 건조모델 중 Lewis 및 Modified Wang & Singh 모델의 경우 전체 적인 건조시간대에서 비교적 잘 일치하는 것으로 나타나, 증자 고구마의 원적외선 건조 시 Lewis 및 Modified Wang & Singh 모델을 이용할 경우 높은 정밀도에서 건조시간 예측이 가능한 것으로 나타났다. 원적외선 건조 후 증절간 고구마의 색차(ΔE) 값은 건조온도가 낮고, 송풍속도가 느릴 수록 낮은 경향을 보였으며, 건조두께 10 mm 조건이 8 mm 조건보다 색차가 적은 것으로 나타났다. 특히, 건조두께 10 mm, 건조온도 60°C, 송풍속도 0.8 m/s 조건에서 색차 값은 28.33으로 가장 낮은 것으로 나타났다. 당도는 건조 두께가 얇고, 건조온도가 높으며, 송풍속도가 느릴수록 높 은 경향을 보였다. 증자 호박고구마 건조 중 에너지 소비 량은 건조온도가 높고, 송풍속도가 느리며, 건조두께가 얇 을수록 감소하였으며, 건조두께 8 mm, 건조온도 80°C, 송 풍속도 0.6 m/s 조건에서 에너지 소비량은 12.06 kWh/kgwater로 가장 적은 값을 보였다. 따라서 증자 호박고구마의 건조시간, 색도변화, 당도 함량 및 에너지 소비량 등을 고 려하면 증절간 호박고구마의 고품질화를 위해서는 건조두 께 8 mm, 건조온도 80°C, 송풍속도 0.6 m/s 조건이 적절한 것으로 판단된다.
