서 론
식품의 열처리는 식품의 유통기한 연장 기술이 적용되는 식품 산업에서 가장 중요한 보존 기술 중 하나이다(Smout et al., 2001). 열처리 살균방법은 가열온도에 따라 레토 르트 살균, 고온단시간 살균(high-temperature short-time, HTST), 후살균(2차 살균), 저온살균, 블렌칭 등으로 구분된 다. 이 중에서 고온, 고압 하에서 수 분에서 수십 분간 가 열하여 F0값이 4 이상 되는 조건을 가하여 미생물, 포자류 를 사멸시켜 저장성을 확보하는 레토르트 가열이 대표적인 열처리를 이용한 가공공정이다(Shin et al., 2003).
레토르트에는 가열매체에 따라 열수, 포화수증기, 수증기 와 압축공기의 혼합 등을 사용하는 살균기로 분류할 수 있 다. 열수를 사용하는 살균기는 살균온도까지 가열된 물을 통조림에 살수하여 살균을 행하는데 사용된 열수를 계속 순환시키므로 열전달효과를 높이고 있다. 반면에 포화수증 기를 사용하는 살균기는 정치식으로 작동되어 열전달속도 가 다소 느린 단점이 있으나 그 구조가 간단하여 소규모의 회분식 살균작업에 적합하여 각종 통조림식품의 살균에 널 리 이용되고 있다. 금속 캔 대신에 유리병이나 레토르트 파우치와 같은 플라스틱 용기를 사용할 때는 가열시 용기 내부에 생기는 압력에 의해 용기의 변형이나 파손을 초래 할 수 있는데, 이를 방지하기 위하여 수증기와 압축공기 를 혼합한 스팀-에어 레토르트를 사용하여 내부에 일정한 압력을 가해 주어 통조림 내부에 발생하는 압력과 균형을 맞추어 줌으로써 용기의 변형을 방지할 수 있도록 설계가 되어있다(Pyun et al., 2014). 이 스팀-에어 레토르트는 포 화수증기만을 사용하는 경우에 비해 내부의 온도조절이 비교적 까다로운 편이다. 특히 수증기와 공기를 충분히 혼합시키는 것이 중요하다. 공기가 지나치게 많으면 포장 된 식품에 내용품의 열전달이 나쁘게 되어 살균효과가 저 하된다. 반면에 지나치게 적으면 낮은 압력 변동으로 파 단이 발생하게 된다(Pyun et al., 2014). 즉, 살균기의 능력 은 살균기 내부의 온도가 얼마나 일정하게 제어되는가에 의 해 결정(Chung et al., 1995)되는데, 미국의 NFPA (national food processor's association)와 IFTPS (institute for thermal processing specialists)는 레토르트 내의 온도편차가 1.7ºC 이하를 권장한다. 이에 FDA에서는 스팀-에어 레토르트 제품을 검증 할 때, 가열매체를 혼합하는 방식 중 fan, bleeder가 아닌 다른 방식들은 온도 분포의 영향에 대한 추가 검증 자료로 권고하고 있다(FDA, 2014). 하지만 국 내에서 주고 사용되고 있는 스팀-에어 레토르트의 시스템 은 공기 주입식으로, 일정한 유속의 공기를 연속적으로 주 입하여 가열매체를 혼합하는 방식이다.
국내에서 이용되는 공기 주입식 스팀-에어 레토르트의 시스템은 설정된 온도로 유지시키기 위해 보일러에서 레토 르트 내부로 공급되는 수증기량을 비례밸브에 의하여 제어 하고 있다. 또한 압축기에서 공급된 외부의 공기는 레토르 트 내부에서 응축수의 배출과정에서 발생된 폐열과 열 교 환하도록 하여 고온의 공기가 살균과정에서 레토르트의 내 부로 지속적으로 공급되도록 되어있다(Han, 2006). 이 기 기의 프로그램을 통한 공정변수에는 스팀온도, 내부압력, 승온시간(come-up time, CUT)이 있다. 따라서 이 스팀-에 어 레토르트에서 공정동안 내부의 온도편차가 일정하게 제 어되는지에 대한 검증이 필요하다. 검증의 방법에는 주로 온도분포실험이 레토르트 내부에서 가장 낮은 온도를 유지 하는 위치인 냉점(cold spot)를 파악하기 위해서 수행되고, 열분포실험은 특히 레토르트 내에서 가장 낮은 치사율을 초래할 수 있는 위치인 냉점을 파악하기 위해 레토르트 내 에 전체적으로 균일한 치사율을 통해 수행된다(IFTPS, 2014).
레토르트에서 열전달에 영향을 끼치는 요인들에 대한 여 러 연구들이 보고되었다. Smout et al. (2001)의 연구에 따 르면 열수식 레토르트에서 용기(container) 회전, 레토르트 의 programming 등에 의해 제품의 안정성과 품질에 직접 적인 영향을 미치고, 또한 열전달에도 영향을 끼친다고 보 고하였다. Ramaswamy (1983)는 2종류의 수증기와 압축공 기의 혼합물을 가열매체로 사용한 소형 스팀식 레토르트를 이용하여 가열 매체의 종류와 조성, 온도, 유속, 유향, 용기 의 적재방향, 잔류 기체에 따라 열전달 계수에 영향을 미 친다고 판단하였다. Kim & Yoon (2016)의 연구에 따르면 레토르트에서 내부 공간의 위치에 따라 스팀 또는 냉각수 의 유입에 시간적 차이가 발생할 뿐만 아니라, 공간에서의 제품의 적재 위치에 따른 가열 매체나 냉각 매체의 유입에 따른 열전달 속도가 차이가 발생하게 되며, 이는 생산품 간에 온도 편차를 유발하게 되어 결과적으로 불균질한 제 품의 생산을 초래한다. 또한 이 연구에서는 내부 온도 구 배의 발생으로 인해 최종 생산물의 조직감이 유의적인 차 이를 나타낼 수 있음을 확인하였다. 이와 같이, 열수식 레 토르트에 대한 온도분포에 관한 연구결과(Chung et al., 1995;Smout et al., 2000; Verga et al., 2000; Smout et al., 2001;Varga et al., 2001;Kim et al., 2016)는 다수 보 고되고 있고, 스팀식 레토르트에 대한 온도분포에 관한 연 구결과(Ramaswamy, 1983;Berteli et al., 2012;Singh et al., 2015)도 몇몇 연구들이 보고되지만 공기주입식 스팀-에 어 레토르트에 대한 연구는 미비한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 공기 주입 방식을 이용하는 스팀- 에어 레토르트의 공정변수(스팀온도, 내부압력, CUT)가 레 토르트 내 각 위치별 온도분포에 미치는 영향을 검토하고 자 하였다.
재료 및 방법
본 실험에서 레토르트는 STERI-ACE (PRS-06-I, Kyunghan Co., Gyeongsan, Korea) 장비를 사용하였다. 레토르트의 전 체적인 시스템은 Fig. 1에 나타내었다. 기기 내부에는 한 개의 대차로 이루어져 있고, 적재판이 7층으로 구성되어 있어, 각 층의 적재판에 6개의 1 kg 레토르트 파우치로 가 득 채웠다. 레토르트 파우치(P0000BVB, Bongtuhaegyeolsa, Seoul, Korea)는 가로×세로(200×270 mm)의 1 kg용으로 표 면에서부터 폴리에스터(polyester, PET), 알루미늄 호일, 나 일론, 폴리프로필렌(polypropylene, PP)의 4겹으로 구성된 것을 사용하였다. 각 파우치에는 승온구간 동안 고온의 열 수요를 발생시키기 위해 물로 충진, 밀봉하여 사용하였다.
레토르트 내부의 온도 분포를 측정하기 위하여 교정된 온도센서(T-type)를 사용하였다. 측정 부위는 Fig. 2와 같이 7군데를 설정하여 각 위치에 센서를 설치하여 측정하였고, 온도는 기록계(KR2000, CHINO Co., Tokyo, Japan)에 의 해 1초 간격으로 기록되었다. 온도측정은 수직(Fig. 2에서 A, B, C)과 수평(Fig. 2에서 D, E, F, G) 방향으로 나누어 각각 3회 반복 수행하였다. 이 때 온도센서는 센서에 형성 되는 기포를 방지하기 위해 센서의 끝부분이 위로 향한 상 태로 파우치의 측면에 부착하였다. 이는 레토르트 중심 온 도를 기록할 때, 온도센서 끝부분이 파우치에 직접적으로 닫지 않고 가까이에 위치하도록 하였다. 공정구간(holding phase, HP) 동안 온도의 중위값, 위아래 사분위값은 상자- 수염(box-whiskers) 방법(Otto N et al., 1999)을 이용하여 나타내었다.
스팀 온도의 조건은 물로 꽉 채운 레토르트 내에서 각 센서 위치별로 저온살균(82ºC)과 고온살균(121ºC)으로 스 팀온도를 나누어 수행하였고, 기존 살균 조건은 Table 1 에 나타내었다. 살균 공정은 모든 위치에서의 센서의 온 도가 40ºC일 때 진행하였으며, 각 온도분포실험은 3회 반 복하였다.
저온살균 조건에서는 기존 살균 조건(Table 1)에서 내부 압력을 0.3 bar에서 0.5 bar로, 고온살균 조건에서는 1.5 bar 에서 1.7 bar로 조절하여 실험을 진행하였다.
저온살균은 1단, 2단 살균의 온도가 크게 차이가 나지 않으므로 고온살균 조건에서만 CUT에 따른 영향을 비교 하였고, 기존 살균 조건(Table 1)에서 1차 살균 시간이 10 분일 때와 0분인 조건으로 실험하였다.
결과 및 고찰
스팀 온도 조절에 대한 영향은 스팀온도가 82ºC인 저온 살균과 121ºC인 고온살균으로 조절하여 수행하였다(Table 1). Fig. 3에는 각 공정에서 공정구간(HP) 동안 온도의 중 위값, 위아래 사분위값을 상자-수염도로 나타내었다. 이 상 자들은 사분위의 상한값, 하한값 사이를 표시하고, 수평선 은 레토르트 온도, 수직선은 최대 관측값과 최소 관측값을 연결하여 나타내었다. 또한 상자의 중위값은 레토르트 공 정동안 온도가 가장 낮게 유지되는 위치인 냉점의 추정을 가능하게 하고, 사분위(사분위 상자의 크기)는 각 센서 위 치에서 온도안정성을 나타낸다(Smout et al., 2001). 본 실 험에서 저온살균과 고온살균의 모든 조건에서 수평방향에 서는 센서 위치 F의 중위값이 가장 크고, 나머지 D, E, G 위치의 중위값이 비슷한 값을 나타내었다. 이는 운전 조건 에 따라 수평방향에서 냉점은 변화하지 않고, 냉점은 레토 르트 내부에서 맨 뒤쪽을 제외한 나머지 곳으로 볼 수 있 었다. 수직방향에서는 또한 저온살균과 고온살균의 모든 조건에서 센서 위치 C의 중위값이 가장 작은값을 나타내 었고, 이는 수직방향에서 1층 부분이 냉점인 것을 추정할 수 있었다. 이러한 결과는 레토르트 바닥부분에 수증기와 공기가 설정조건에 따라 자동 조절되어 배기되는 배기구에 의해 공정구간 동안 1층의 센서 위치의 온도가 다른 위치 보다 낮게 유지된다고 판단된다. 또한, 수평방향에서는 모 든 조건에서 센서 E (1.4ºC)와 G (1.0ºC)위치의 상자가 다 른 위치(0.6-0.8ºC) 보다 상자의 크기가 커서 온도편차가 큰 것으로 볼 수 있었다. 이러한 결과는 공정구간 동안 센 서 위치별 표준편차를 나타낸 Table 2에서도 관찰되었다. 저온살균의 C1 조건을 제외한 모든 조건에서 다른 위치에 비해 센서 E의 위치의 표준편차가 유의적(p<0.05)으로 높 은 값을 가지는 경향을 보였다. 이는 레토르트 내부에서 설정온도를 유지하기 위하여 양 옆쪽에 위치한 부분(E, G) 에서 스팀이 주입되기 때문에 온도 편차가 더 큰 것으로 판단된다. 따라서 공정구간 동안 1층의 냉점의 위치와 레 토르트 내부의 양 옆 위치를 주의해야 할 필요가 있다.
또한, Fig. 3에서는 고온살균(Fig. 3B)을 적용한 공정의 사분위 상자 크기가 저온살균(Fig. 3A)을 적용한 공정보다 더 작은 것을 볼 수 있었다. 이는 고온살균 조건이 저온살 균 조건보다 공정구간 동안 온도의 변동이 작고, 더 균일 한 온도분포를 가진다는 것으로 판단된다. 이러한 결과는 공정구간 동안 센서 위치별 표준편차를 나타낸 Table 2에 서도 관찰되었다. 스팀온도가 82ºC인 저온살균 조건은 센 서 위치에 따라 표준편차가 1.7-2.2ºC 범위를 나타내었고, 121ºC 고온살균 조건은 센서 위치에 따라 0.4-0.7ºC의 범 위로 스팀온도에 따른 유의적(p<0.05)인 차이를 보였다. 이 미 서론에서 언급한 바와 같이 미국의 NFPA와 IFTPS에서 권장하고 있는 레토르트 내의 온도편차가 1.7ºC 이하임을 감안할 때(NFPA, 1985), 고온살균 조건의 경우에는 이 기 준을 만족하였지만 저온살균 조건의 경우에는 이를 상회하 고 있고, 특히 수직방향에서 다소 큰 편차를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는 온도가 높을수록 유체의 점도가 내려가고 유동성이 증가, 그리고 부력에 의한 상승효과 등 에 의한 것으로 판단된다(Kumar & Bhattachary, 1991). 또 한 이와 같은 결과와 달리, Ramaswamy (1983)의 연구에 서 스팀 온도에 따라 온도 균일성에 대해 유의적인 차이가 없다는 보고와 다른 결과를 나타내었다. 따라서 본 실험에 서 이용한 공기 주입식 스팀-에어 레토르트는 저온살균 공 정에서 온도의 균일성이 안정적이지 않아, 저온살균 조건 을 설정하기 위해서는 소프트웨어 조절 외에 다른 기기적 인 조절방법이 필요하다고 판단된다.
Table 3에는 저온살균 조건에서 내부 압력은 0.3 bar (C1), 0.5 bar (P1)을, 고온살균 조건에서 1.5 bar (C2), 1.7 bar (P2)를 적용한 공정에서 종, 횡 위치별로 공정구간(HT) 시작점에서 평균 온도와 표준편차를 나타내었고, 공정구간 시작으로부터 1분, 3분, 5분 후 공정구간 동안 센서별 최 대온도와 최저온도의 차이를 비교하였다. 이 실험은 레토 르트의 온도분포가 내부 압력 조절에 의해 영향이 있는지 를 나타낸다.
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저온살균 조건에서는, 수직방향에서는 공정구간의 시작으 로부터 1, 3, 5분 후의 공정구간동안의 온도차이가 1분 후 를 제외하고 C1조건이 P1조건보다 유의적으로 작은 것으 로 나타났다(p<0.05). 수평방향에서는 공정구간의 시작으로 부터 1, 3, 5분 후의 공정구간동안의 온도차이가 C1조건이 P1조건보다 작은 것으로 나타났지만 3분 후를 제외하고는 유의적인 차이를 보이지 않았다. 반면에 고온살균 조건에 서는, 수직방향과 수평방향 모든 센서 위치에서 공정구간의 시작으로부터 1, 3, 5분 후의 공정구간동안의 온도차이가 C2조건보다 P2조건이 더 큰 것을 볼 수 있었지만 1분 후 의 조건에서는 유의적인 차이를 보이지 않았다. 이는 저온 살균에서는 압력이 높을 때 레토르트 내의 온도분포가 더 균일하게 나타나지만, 고온살균에서는 압력이 높을 때 레 토르트 내의 온도분포의 안정성이 낮은 것으로 판단된다.
이러한 결과는 각 조건들의 공정구간을 시간에 대한 온 도의 그래프로 나타낸 Fig. 4에서도 볼 수 있었다. 저온살 균과 고온살균 두 조건 모두 압력이 증가할수록 공정구간 동안 온도의 변화가 더 느리게 진행이 되었고, 특히 고온 살균에서는 온도 변동의 폭이 두드러지게 증가한 것으로 나타났다. 특히 고온살균 조건에서 내부 압력이 증가할수록 온도의 변동이 크다는 것을 알 수 있었다. 이는 온도와 압 력이 급격히 증가하면 유체의 부피가 감소하게 되어 열전 달에 영향을 받을 것으로 판단된다(Kumar & Bhattachary, 1991). 따라서 제품의 함기율 등 상태에 따라 내부 압력의 조건을 변경 시, 온도 안정성에 대해 유의해야 할 것으로 판단된다.
Table 4에는 고온살균 조건에서 1단 살균을 10분(C2), 0 분(T2)를 적용한 공정에서 각 조건의 CUT를 나타내었다. 승온구간 10분을 적용한 공정의 CUT는 평균 7.6분, 0분을 적용한 공정의 CUT는 평균 8.8분으로 나타났다. 이는 2단 살균이 1단 살균보다 CUT가 더 짧은 것으로 나타났다.
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Table 3에는 고온살균 조건에서 1단 살균을 10분(C2), 0 분(T2)을 적용한 공정에서 위치별로 공정구간(HT) 시작점 에서 평균 온도와 표준편차를 나타내었고, 공정구간 시작 으로부터 1분, 3분, 5분 후 공정구간 동안 센서별 최대온 도와 최저온도의 차이를 비교하였다. 이 실험은 레토르트 의 온도분포가 승온구간의 조절에 의해 영향이 있는지를 나타낸다. 공정구간이 시작점에서의 센서들의 표준편차는 T2의 조건이 C2조건보다 더 높았고, 평균 온도 또한 더 높았다. 수직방향에서는 공정구간의 시작으로부터 1, 3, 5 분 후의 온도차이가 C2조건이 T2보다 큰 것을 볼 수 있었 으나, 유의적인 차이는 없었다(p>0.05). 반면에 수평방향에 서는 공정구간의 1분 후 부터의 온도차이를 보면, C2조건 이 T2조건보다 낮았고, 공정구간으로부터 3, 5분 후의 온 도차이는 T2조건이 더 낮은 것으로 나타났다(p<0.05).
요 약
공기 주입식 스팀-에어 레토르트 내에서 스팀온도, 내부 가압, CUT 등의 공정변수가 레토르트 내부의 온도 균일성 에 미치는 영향을 평가하였다. 고온살균(121ºC)이 저온살균 (82ºC) 보다 공정구간동안 온도분포가 더 균일하고 안정적 이었다. 내부 가압이 클수록 저온살균조건의 공정에서는 온도분포가 안정적이었고, 이와 반대로 고온살균조건의 공 정에서 온도분포가 더 불균일한 것으로 나타났다. 승온구 간을 조절한 경우에는 레토르트 내의 온도분포에는 유의적 인 차이를 나타내지 않았다. 공정구간동안 레토르트 내부 에서 냉점은 수직방향 1층의 위로 확인되었고, 수평방향에 서는 맨 뒤쪽 중앙 부분이 가장 높은 온도를 유지하여 공 정 동안 이 위치들을 주의를 할 필요가 있었다. 또한 레토 르트 내부의 양 옆 위치가 다른 위치에 비해 특히 온도분 포가 불안정한 것으로 확인되었으므로 레토르트 가공 공정 에서 주의해야 할 것으로 판단되었다.
